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Basic Scientific Research
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一个很新的概念:活细胞挤出(live-cell extrusion)
探索生命空间,助力基础研究

PREFACE 00

前言

做上皮组织研究时,我们很习惯把“细胞从组织里掉出去”理解成细胞死亡的结果。

细胞受到损伤以后发生凋亡,周围细胞完成清除,最后剩余细胞重新封闭缺口。这套逻辑在很多组织里确实存在,但它解释不了另一类现象:有些细胞在被排出上皮时仍然保持完整膜结构,没有明显启动典型凋亡程序,甚至仍具有代谢和运动能力。

组织却已经开始把它推出去了。

这个过程被称为活细胞挤出(live-cell extrusion)。

它和普通“细胞脱落”最大的区别,在于挤出是一个由局部组织主动参与完成的过程。目标细胞逐渐离开原来的上皮位置,周围细胞同步重排细胞连接和细胞骨架,把空出来的位置封住。细胞减少了一个,屏障却不一定留下明显缺口。

再往下研究,会出现一个更有意思的问题。

为什么偏偏是这个细胞被挤出去?

上皮过度拥挤时,活细胞挤出可以帮助组织降低细胞密度;正常细胞旁边突然出现异常突变细胞时,邻近细胞也可能通过类似机制参与异常细胞清除。近年的研究还进一步提示,同一块拥挤上皮中的细胞并不一定具有相同被挤出概率,细胞自身的能量状态、机械适应能力以及与周围细胞的相对状态,都可能影响它能不能继续留在原来的位置。

这样一来,活细胞挤出就不再只是一个细胞形态学现象。

它开始涉及组织怎样维持细胞数量、怎样处理低适应度细胞、怎样清除癌前异常细胞,以及为什么某些疾病中原本具有保护意义的挤出反而可能造成屏障破坏或者促进细胞进入间质。

对于基础科研来说,这个方向最有价值的地方,是它提供了一种完全不同的观察尺度。

研究对象不再只是“这个细胞里面哪条通路变了”,而是进一步追问:周围组织为什么决定把这个活细胞留下或者清除,这个选择又会怎样改变整个器官的稳态。

导读

一、活细胞挤出到底是什么

二、活细胞挤出和普通细胞脱落有什么本质区别

三、为什么上皮需要主动清除仍然活着的细胞

四、活细胞挤出可以被哪些因素触发

五、真正执行挤出的其实是目标细胞和周围细胞共同完成

六、挤出方向为什么可能直接决定疾病结局

七、被挤出的活细胞最后去了哪里

八、肿瘤和癌前病变为什么最适合研究活细胞挤出

九、正常细胞清除异常细胞可以怎样研究

十、肠道疾病为什么是活细胞挤出的重要研究场景

十一、气道和其他屏障疾病可以从什么角度切入

十二、感染研究为什么也适合引入活细胞挤出

十三、肾小管和器官损伤能不能研究活细胞挤出

十四、细胞衰老和低适应度细胞可能带来新的研究入口

十五、活细胞挤出研究首先要解决“细胞到底是不是活着”

十六、为什么活细胞成像几乎是这个方向的核心技术

十七、活细胞挤出究竟应该定量哪些指标

十八、怎样研究“为什么是这个细胞被挤出去”

十九、怎样继续研究周围细胞如何完成挤出

二十、体外结果怎样继续进入三维、类器官和动物组织

二十一、活细胞挤出研究最常见的实验设计误区

二十二、一套完整的活细胞挤出研究路线怎么设计

二十三、博恩生物可以为活细胞挤出研究提供哪些实验支持

SECTION 01

01

活细胞挤出到底是什么

1、它发生在一个完整的细胞群体中

研究活细胞挤出,首先要有“组织”的概念。

典型场景是一个已经形成连续结构的上皮。细胞之间存在稳定连接,并共同覆盖在基底膜或者培养基质表面。

某个细胞开始离开原来的位置时,周围细胞并不会被动等待。

邻居细胞会改变形态,重新排列细胞连接和肌动蛋白—肌球蛋白结构,逐渐缩小目标细胞所占据的平面面积。随着过程推进,目标细胞被推出原来的细胞层,周围细胞同时向中心靠拢。

最终一个细胞消失了,剩余细胞之间形成新的连接。

这也是“挤出”与单纯脱落最大的区别。

2、“活”指的是挤出启动时细胞还没有先死亡

活细胞挤出并不代表这个细胞被推出去以后永远不会死。

正常上皮细胞离开基底膜以后可能因为失去黏附和生存信号,随后发生失巢凋亡。进入肠腔、气道腔面的细胞也可能很快死亡并被排走。

判断live-cell extrusion的关键时间点在前面。

当挤出程序开始时,目标细胞是否仍然具有完整细胞膜、代谢活性,而且没有已经进入明显凋亡阶段。

因此这个方向研究的实际上是:

组织在细胞真正死亡以前,就已经开始做出清除决定。

3、这使活细胞挤出具有很强的组织选择意义

如果一个死亡细胞被清出去,生物学意义相对容易理解。

如果一个还活着的细胞被主动推出去,就需要继续解释它为什么失去了继续留在组织里的资格。

这个问题正是活细胞挤出最值得深入的部分。

SECTION 02

02

活细胞挤出和普通细胞脱落有什么本质区别

细胞培养中经常会看到培养基里出现漂浮细胞。

组织切片里也经常能看到脱落细胞。

这些现象不能直接被定义成活细胞挤出。

培养条件变差、胰酶损伤、细胞坏死、失去基质黏附或者严重凋亡,都可以导致细胞脱落。此时细胞离开组织更多是自身失去黏附能力后的结果。

真正的挤出具有明显的组织协同性。

目标细胞离开时,周围细胞会主动发生形态变化和连接重排,整个过程具有明确的时间顺序。邻居并非等目标细胞掉下去以后才补位,它们往往在挤出过程中已经开始封闭原来的位置。

所以这个方向不能只收集培养液里的漂浮细胞。

真正重要的信息存在于目标细胞和邻居细胞之间的动态关系。

SECTION 03

03

为什么上皮需要主动清除仍然活着的细胞

1、组织首先需要维持稳定的细胞数量

上皮细胞不断增殖。

但皮肤、肠道、气道等组织拥有的空间不会随着细胞数量无限扩大。

如果每天都有新细胞产生,却没有相应细胞离开,局部细胞密度就会持续上升。

因此组织必须存在一套动态减员机制。

活细胞挤出就是其中一种方式。

当局部空间过度拥挤以后,通过挤出少量细胞,可以降低组织机械压力,同时避免大面积破坏原有结构。

2、这比等待细胞自然死亡更主动

细胞什么时候凋亡并不完全由组织密度决定。

如果组织必须等到某个细胞自然死亡以后才能减少数量,很难及时应对快速增殖造成的拥挤。

主动挤出允许组织在细胞仍然存活时就完成数量调整。

从这个角度看,它首先是一种组织稳态机制。

3、更进一步,它可能兼具细胞质量控制

如果所有细胞被挤出的概率完全一样,活细胞挤出主要解决数量问题。

真正让这个方向变得有意思的是,组织可能对不同细胞进行一定程度的选择。

状态异常、机械适应能力下降或者与邻居明显不匹配的细胞,可能更容易成为挤出对象。

这时组织实际上同时完成了两个动作:

减少一个细胞,并改变留下来的细胞组成。

SECTION 04

04

活细胞挤出可以被哪些因素触发

1、组织拥挤是最经典的入口

在汇合上皮继续增加细胞数量以后,单个细胞能够占据的面积逐渐减少。

局部机械压力升高,细胞膜、细胞骨架和连接受到持续挤压。

当这种压力达到一定程度,局部区域就可能发生细胞挤出。

因此研究这一方向时,细胞密度并不是一个普通培养参数,而是非常重要的实验变量。

2、机械感知可以把“太挤了”转换成细胞信号

细胞并不能直接计算周围有多少邻居。

它真正感受到的是膜张力、细胞形变、连接张力和周围组织产生的力。

机械敏感离子通道、Ca²⁺信号以及细胞骨架等系统可以参与这种机械状态感知。

所以活细胞挤出很适合研究“机械环境如何决定细胞命运”。

3、异常细胞也可能触发局部挤出

另一种情况并不是整个组织都太挤。

一块相对正常的上皮中突然出现一个状态异常的细胞,周围正常细胞可以感知到这种差异,并通过局部细胞骨架和连接变化把异常细胞排出原有细胞层。

这种情况在癌前病变和细胞竞争研究中特别值得关注。

4、炎症、代谢和损伤可能通过改变组织状态间接影响挤出

慢性炎症可以改变上皮增殖、细胞连接和机械张力。

缺氧、线粒体损伤和营养压力则会改变单个细胞的能量状态。

这些刺激本身未必直接构成“挤出信号”,却可以改变目标细胞与邻居之间的相对适应度。

所以一个疾病中出现live-cell extrusion以后,不一定需要马上寻找一个“挤出专属通路”。

先看组织环境和细胞状态发生了什么,往往更重要。

SECTION 05

05

真正执行挤出的其实是目标细胞和周围细胞共同完成

1、目标细胞本身需要发生形态变化

被挤出的细胞会逐渐缩小与周围细胞和基底面的接触面积。

这个过程涉及细胞骨架、黏附以及极性变化。

但它无法靠自己完成整个挤出。

2、邻居细胞需要提供机械推动

周围细胞可以形成收缩性肌动蛋白—肌球蛋白结构。

局部细胞边界逐渐向中心收缩,目标细胞所拥有的组织空间越来越小,最终被推出原来的细胞层。

RhoA、ROCK、Myosin II等与细胞收缩相关的机制因此经常进入挤出研究。

不过检测这些蛋白只是机制的一部分。

最终仍然需要证明干预以后,真实extrusion事件是否发生变化。

3、连接重构决定组织能不能及时“封口”

E-cadherin、ZO-1等连接结构需要随着目标细胞退出重新排列。

旧的邻居关系被拆除,新的邻居关系形成。

如果这一过程顺利,上皮可以在挤出过程中保持相对连续。

如果邻居重构速度跟不上挤出速度,就可能产生真正的屏障泄漏。

这也是为什么live-cell extrusion非常适合和屏障功能研究连接起来。

SECTION 06

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挤出方向为什么可能直接决定疾病结局

1、向腔面挤出更容易完成真正清除

肠道、气道和其他具有明显管腔结构的上皮,可以把细胞向顶端推出。

细胞进入腔内以后,很容易进一步被排出组织。

对于低适应度细胞或者刚出现的异常细胞,这种方向通常具有保护意义。

2、向基底侧挤出的后果完全不同

如果目标细胞被推向基底膜和间质方向,它并没有真正离开器官。

它只是从上皮生态位进入了另一个空间。

此时细胞开始接触不同的细胞外基质、成纤维细胞、免疫细胞和血管。

3、异常细胞如果能够抵抗失巢凋亡,就可能继续存活

正常上皮细胞离开基底膜以后往往难以长期生存。

癌变细胞则可能获得抗失巢凋亡能力。

因此同样是一个live-cell extrusion事件,顶端挤出可能对应异常细胞清除,基底侧挤出却可能成为侵袭的起点。

这也是肿瘤方向研究活细胞挤出时,挤出方向往往比总挤出数量更加重要的原因。

SECTION 07

07

被挤出的活细胞最后去了哪里

研究live-cell extrusion,如果只拍到细胞“出去”就停止,机制其实还没有完成。

被挤出的细胞至少可能出现几种结局。

进入管腔以后,它可以进一步死亡并被组织排出;失去基质黏附以后也可能发生失巢凋亡;部分具有较强适应能力的细胞则可能重新黏附、迁移,甚至继续增殖。

这意味着活细胞挤出同时包含两个不同问题。

前半段研究的是组织为什么决定清除这个细胞。

后半段研究的是清除是否真的成功。

尤其肿瘤研究中,这两个问题必须分开。

一个突变细胞被成功挤出,并不意味着组织一定成功阻止了肿瘤。如果挤出方向和细胞后续生存能力发生变化,这个原本具有保护性的动作完全可能产生相反结果。

SECTION 08

08

肿瘤和癌前病变为什么最适合研究活细胞挤出

1、肿瘤真正开始时,异常细胞往往只是少数

成熟肿瘤里已经存在大量癌细胞,这时研究细胞侵袭当然重要。

但肿瘤形成最早期通常完全不同。

最开始可能只是正常上皮中的某一个细胞获得了突变。

周围全部还是正常细胞。

这个阶段天然适合研究正常细胞和异常细胞之间的空间竞争。

2、正常邻居并不是被动等待异常细胞扩增

一些癌前模型中,正常邻近细胞能够感知转化细胞,并通过机械和信号变化把异常细胞排出上皮。

所以肿瘤抑制未必一定从免疫细胞开始。

上皮自身就可能具有早期质量控制能力。

3、一个很值得做的方向,是研究“为什么正常组织后来清不掉了”

相比继续研究癌细胞为什么增殖更快,可以把问题反过来。

肿瘤发生过程中,正常邻居的识别能力、机械推动能力或者连接重构是否逐渐下降?

衰老、炎症和基质硬化会不会削弱这套清除程序?

如果恢复正常邻居功能能够重新提高异常细胞顶端挤出,这就会形成一种很有意思的癌前防御机制。

SECTION 09

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正常细胞清除异常细胞可以怎样研究

最适合的实验并不是把全部细胞都做成突变型。

可以构建少量异常细胞嵌入大量正常上皮的镶嵌体系。

例如分别荧光标记正常细胞和候选异常细胞,再按照很低比例混合培养。

这样能够模拟一个刚出现异常细胞的真实组织环境。

随后连续成像,观察异常细胞是否比正常细胞更容易发生挤出,挤出主要朝哪个方向,以及周围正常细胞在事件发生前出现了什么变化。

接下来再改变两边细胞。

单独干预异常细胞,可以研究它为什么容易或者不容易被识别;单独干预正常邻居,则可以研究组织清除能力来自哪里。

这种“目标细胞—邻居细胞”双向实验,比把整个培养皿全部做成同一种基因背景更适合活细胞挤出。

SECTION 10

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肠道疾病为什么是活细胞挤出的重要研究场景

1、肠上皮天然存在大量细胞更新和脱落

肠隐窝持续产生新上皮细胞。

细胞沿隐窝—绒毛轴迁移,最终离开组织。

因此细胞挤出和屏障封闭本来就是肠道日常稳态的一部分。

2、炎症状态下可能出现挤出与封口失衡

炎症性肠病或者感染过程中,上皮细胞死亡和脱落增加。

如果同时存在大量live-cell extrusion,邻居细胞需要持续完成局部封口。

一旦挤出频率超过组织修复能力,就可能形成局部屏障漏洞。

3、可以把挤出事件和真实屏障泄漏对应起来

二维体系中可以结合TEER和示踪物通透性。

类器官或者动物组织中,则可以观察挤出发生区域和紧密连接、细菌移位及组织炎症之间的关系。

这样能够回答一个比“脱落细胞增加”更具体的问题:

疾病中的问题究竟是细胞挤出太多,还是组织无法在挤出以后及时恢复屏障。

4、另一个方向是低适应度细胞是否无法正常被清除

慢性炎症下,上皮中可能积累DNA损伤、线粒体异常或衰老细胞。

这些细胞是否应该通过extrusion被及时移除?

如果组织清除机制下降,它们长期滞留以后会不会持续释放炎症和异常信号?

这条路线很适合把活细胞挤出继续连接到慢性炎症维持。

SECTION 11

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气道和其他屏障疾病可以从什么角度切入

气道上皮不断面对病原体、过敏原、颗粒物和机械刺激。

细胞受到损伤以后,上皮需要及时移除异常细胞,同时维持气道屏障。

因此慢性哮喘、COPD、病毒感染后的气道损伤等方向,都可以先观察上皮脱落中是否存在真正的live-cell extrusion。

真正值得关注的不是单纯“挤出增加”。

需要继续看挤出后的封口是否及时,局部通透性是否升高,以及炎症刺激是否改变了目标细胞的选择标准。

皮肤、角膜和其他连续屏障上皮也存在类似逻辑。

一个比较普适的科学问题是:

疾病究竟让组织变得更容易清除受损细胞,还是让组织开始错误清除本来应该留下的细胞?

这两个方向最后产生的病理完全不同。

SECTION 12

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感染研究为什么也适合引入活细胞挤出

1、被感染细胞不一定马上死亡

一些病原体进入上皮以后,宿主细胞可以继续存活相当一段时间。

如果组织能够在病原大量复制以前将这些细胞挤出,就有可能限制感染扩散。

从这个角度看,live-cell extrusion可以成为一种上皮自身的防御机制。

2、病原体也可能反过来操纵宿主挤出程序

病原感染本身可以改变细胞骨架、连接、极性和膜信号。

某些情况下,病原体甚至可能利用宿主细胞脱离组织的过程完成传播。

所以感染研究里不能简单看到“感染细胞被挤出”就判断宿主获得保护。

需要继续追踪病原负荷和被挤出细胞的后续去向。

3、免疫细胞还可能进一步改变挤出阈值

炎症因子会影响上皮增殖、张力和连接。

因此感染后的挤出并不只是感染细胞和邻居之间的关系,周围免疫环境也可能重新定义哪些细胞会被排除。

这个方向适合做上皮—病原体—免疫三方机制。

SECTION 13

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肾小管和器官损伤能不能研究活细胞挤出

急性肾损伤时,经常可以看到肾小管上皮细胞脱落进入管腔。

传统解释通常集中在坏死、凋亡和细胞黏附丢失。

但如果部分细胞在真正死亡以前已经被邻居主动排出,肾小管损伤就会出现另一种解释。

一方面,组织可能通过挤出删除已经严重受损但尚未死亡的细胞,为后续修复创造条件。

另一方面,如果挤出过度,大量仍有一定功能的细胞被提前清除,就可能扩大裸露基底膜区域和肾小管屏障破坏。

所以这一方向可以先从一个非常具体的问题开始:

肾小管腔内出现的脱落细胞,在离开上皮之前到底已经死了,还是离开以后才逐渐死亡?

只要把这个时间顺序真正做出来,就已经具有明显研究价值。

类似问题也可以延伸到胆管、胰管和其他管腔上皮。

SECTION 14

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细胞衰老和低适应度细胞可能带来新的研究入口

1、衰老细胞并不是简单“不再增殖”

它们往往体积增大,机械性质、细胞骨架、黏附和代谢状态都发生变化。

放到连续上皮中以后,一个衰老细胞和周围正常细胞之间的物理关系已经明显改变。

这很适合研究它是否更容易成为live-cell extrusion对象。

2、也可能出现相反结果

慢性疾病里最突出的问题之一,是衰老细胞逐渐积累。

如果健康上皮本身存在清除低适应度细胞的能力,就可以进一步追问:

衰老细胞为什么没有被正常挤出去?

是邻居识别能力下降,还是衰老细胞本身获得了更强的组织滞留能力?

3、亚致死损伤同样值得研究

低剂量氧化应激、DNA损伤或线粒体损伤以后,一部分细胞仍然活着,却已经出现功能缺陷。

这些细胞是否会被周围健康细胞选择性清除,是一个很普适的研究问题。

这样就可以把live-cell extrusion从组织密度控制继续推进到真正的细胞质量控制。

SECTION 15

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活细胞挤出研究首先要解决“细胞到底是不是活着”

这是整个方向最基础,也最容易被做错的一层。

1、不能只用一个终点凋亡指标判断

如果实验结束以后发现挤出细胞cleaved-Caspase-3阴性,只能提供一定支持。

因为细胞可能在更早阶段发生过短暂Caspase激活,也可能采用其他死亡方式。

真正关键的是挤出启动时的状态。

2、最好使用动态死亡报告

可以使用适合的Caspase活性报告系统,结合膜完整性指标或其他活细胞死亡监测。

连续记录目标细胞。

看它在开始变形、离开基底面和被邻居收缩推动时,是否仍然保持存活状态。

3、还要控制严重细胞毒性

如果刺激造成20%~30%以上细胞快速死亡,培养层里会不断产生空缺。

周围细胞自然会重新排列。

这时很难区分观察到的是活细胞挤出,还是大量死亡以后产生的组织重塑。

所以正式模型需要先找到一个细胞死亡相对可控、live extrusion可以稳定观察的窗口。

SECTION 16

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为什么活细胞成像几乎是这个方向的核心技术

固定细胞能够告诉我们这一刻发生了什么。

活细胞挤出最重要的信息却是发生顺序。

目标细胞什么时候开始失去平面面积,邻居什么时候出现收缩,细胞核什么时候发生位移,细胞连接如何重排,最终又从哪一侧离开组织,这些信息只有连续成像才能真正获得。

如果条件允许,可以分别标记目标细胞、细胞核、细胞连接和Actin。

不一定每个实验都需要四通道同时进行。

早期先通过较简单的膜或者细胞质荧光建立extrusion动态,再根据机制逐渐增加标记,往往更加高效。

观察时间也不能太短。

活细胞挤出本身属于相对低频事件,几十分钟没有看到不能说明模型不存在。需要通过预实验确定每个体系合适的连续成像时长和视野数量。

SECTION 17

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活细胞挤出究竟应该定量哪些指标

1、第一层是挤出频率

最基础的结果可以表达为单位面积、单位时间内发生多少次extrusion event。

例如每平方毫米每小时发生多少个事件。

这比单纯说“模型组挤出明显增加”更加可比较。

2、第二层必须区分活细胞和死亡细胞挤出

同一块上皮中,两种事件完全可能同时存在。

如果干预以后总挤出增加,却全部来自凋亡细胞增加,就不能把它解释成live-cell extrusion增强。

3、第三层是挤出方向

顶端和基底侧最好分别记录。

肿瘤研究尤其需要计算基底侧挤出占全部extrusion的比例。

总事件没有变化,方向从顶端逐渐偏向基底侧,本身就可能产生明显疾病意义。

4、第四层是挤出发生前的局部环境

可以分析目标细胞面积、局部细胞密度、邻居数量以及组织拥挤程度。

如果研究机械机制,还可以进一步观察目标细胞和邻居的形态变化。

5、第五层是事件持续时间和封口效率

从挤出启动到目标细胞完全离开需要多久,邻居重新建立连续连接又需要多久,都可以进行定量。

对于屏障研究,这一层可能比extrusion总数更加重要。

SECTION 18

18

怎样研究“为什么是这个细胞被挤出去”

这是活细胞挤出最值得深入的一层。

1、先比较被挤出细胞和留在组织中的邻居

可以在事件发生前回溯活细胞图像。

比较两类细胞的面积、形态、膜电位、ATP、线粒体状态或者其他与当前课题相关的指标。

重点寻找“挤出发生之前已经存在的差异”。

如果某个指标只有挤出以后才变化,它更可能是结果。

2、再人为改变目标细胞状态

假设发现低线粒体膜电位细胞更容易发生挤出。

下一步就可以人为造成轻度线粒体损伤,看目标细胞被挤出概率是否增加。

随后恢复线粒体功能,再观察挤出概率能否下降。

这样才能从相关性走向因果。

3、最好使用镶嵌模型

只改变少量目标细胞,让周围大多数细胞保持正常。

这样能够模拟组织里少量低适应度细胞出现的情况。

同时也更容易区分目标细胞内部变化和整个组织环境变化。

4、继续研究“绝对状态”还是“相对状态”

一个能量状态稍低的细胞单独培养完全可以正常存活。

放进更健康的邻居中却被挤出。

这时真正决定命运的可能不是它自身低到某个绝对阈值,而是它比周围细胞更差。

这种“相对适应度”非常值得继续研究。

SECTION 19

19

怎样继续研究周围细胞如何完成挤出

找到“谁会被挤出去”以后,研究才完成了一半。

另一个问题是周围组织怎样执行这个决定。

可以从邻居细胞的RhoA、ROCK、Myosin、Actin和连接重构入手。

更重要的是实验设计要能够区分目标细胞和邻居细胞。

例如只在邻居细胞中敲低某个收缩相关分子,而目标细胞保持不变。如果目标细胞仍然表现出相同低适应度,却不再能够被正常挤出,就可以证明真正的执行机制位于邻居。

反过来,只改变目标细胞,则能够研究它向周围释放了什么信息。

这种双细胞机制很适合把文章做深。

最终可以形成:

目标细胞产生异常状态,邻居识别这种状态,随后启动局部机械收缩和连接重排,完成挤出。

这比单纯证明某个蛋白“促进extrusion”要完整很多。

SECTION 20

20

体外结果怎样继续进入三维、类器官和动物组织

1、二维单层适合把机制做清楚

二维体系最容易进行长时间成像、单细胞追踪和基因干预。

所以机制早期完全可以先从二维汇合上皮开始。

2、三维体系才能真正表现组织方向性

在二维培养皿上,所谓“顶端”和“基底侧”的空间受到明显限制。

类器官、气液界面培养和三维上皮可以更真实地建立细胞极性。

这时可以观察细胞究竟进入腔面,还是向基质方向离开。

3、类器官尤其适合研究异常细胞清除

可以在少量细胞中引入突变或者目标干预,再观察它们与正常细胞共同存在时的命运。

如果异常细胞发生顶端挤出,就会进入类器官腔内。

如果发生基底侧挤出,则可以直接进入外围基质。

空间结果非常直观。

4、动物中重点做事件真实性和疾病意义

动物组织无法像培养皿一样轻松连续追踪数十小时。

可以根据器官使用荧光标记、组织活体成像、离体组织成像或者固定时间点三维重建。

动物部分不一定重复体外所有机制。

更重要的是证明相同类型extrusion确实存在,并且改变这一过程以后,疾病表型也会变化。

SECTION 21

21

活细胞挤出研究最常见的实验设计误区

1、把所有细胞脱落都叫活细胞挤出

没有组织协同和存活证据时,结论要谨慎。

2、只做固定切片

很难证明目标细胞是在死亡前还是死亡后离开组织。

3、模型细胞没有形成连续上皮

普通稀疏贴壁细胞脱落不属于典型live-cell extrusion研究场景。

4、刺激强度过大

大量死亡会让真正的活细胞挤出被细胞毒性淹没。

5、只统计漂浮细胞数量

完全丢失挤出发生的位置、方向和邻居行为。

6、只研究目标细胞

忽略了邻居细胞才是很多挤出机械过程的真正执行者。

7、只统计extrusion数量

没有区分live、apoptotic以及顶端、基底侧方向。

8、看到高密度时挤出增加,就直接得出某个机械通路结论

仍然需要通过特异干预证明因果。

9、只使用一个药理抑制剂

细胞骨架和机械相关药物经常具有广泛作用,核心机制最好加入遗传证据。

10、发现突变细胞被挤出,就认为正常组织已经成功抑癌

还需要观察细胞进入哪个方向以及挤出后是否真正死亡。

11、研究肿瘤却没有区分顶端和基底侧挤出

很容易把保护和侵袭两种结果混在一起。

12、发现屏障变差,就直接认为extrusion太多

屏障异常也可能来自邻居封口失败。

13、看到挤出增加就认为疾病更严重

某些场景下增加挤出恰恰代表组织正在清除受损细胞。

14、只研究挤出,没有研究被挤出细胞的后续命运

无法判断这一过程最终是保护还是损伤。

15、二维结果直接外推到真实器官方向性

关键方向结论最好进入极性更完整的三维体系。

16、只拍少数代表视频,没有进行事件统计

live-cell extrusion经常属于低频事件,需要足够视野、时间和独立实验重复。

SECTION 22

22

一套完整的活细胞挤出研究路线怎么设计

1、先从疾病中的异常细胞脱落或者组织稳态问题出发

不要一开始因为这个概念新,就直接找一个细胞系做挤出。

先看当前疾病是否存在上皮脱落、异常细胞积累、组织拥挤、屏障失效或者癌前异常细胞清除等问题。

这些现象能够给live-cell extrusion一个明确的疾病落点。

2、先证明疾病中存在“活着离开”的可能

通过组织和体外预实验观察脱落细胞的死亡状态。

如果绝大部分细胞在离开组织前已经严重凋亡或坏死,就没有必要强行把课题定义成活细胞挤出。

3、建立成熟连续上皮模型

让细胞形成完整汇合层,并确认基础连接状态。

屏障细胞还可以同步检测基础通透性。

这样才具备真正研究组织挤出的条件。

4、建立疾病相关诱导条件

肿瘤方向可以构建少量突变细胞和大量正常细胞共存。

屏障疾病可以使用与疾病相关的炎症、机械或代谢刺激。

衰老和损伤研究则可以制造少量低适应度细胞。

模型入口应该和科学问题直接对应。

5、通过活细胞成像确认完整extrusion过程

连续记录目标细胞、邻居细胞和必要的死亡状态。

先把live-cell extrusion真正做出来,再进入机制。

这一阶段不需要急着检测大量蛋白。

6、建立标准化事件定量

固定成像区域、时间和事件定义。

统计live-cell extrusion发生频率,并根据研究需要区分挤出方向、持续时间和局部细胞密度。

让整个方向先有一个稳定可重复的核心表型。

7、研究目标细胞在被挤出前有什么不同

比较即将被挤出的细胞和保留细胞。

重点看挤出之前就存在的差异。

从机械、代谢、线粒体、DNA损伤或候选靶点中寻找真正的“被选择因素”。

8、通过人为改变目标细胞状态证明选择机制

敲低、过表达或者药理干预后,观察目标细胞被挤出概率是否发生变化。

必要时再做回补。

这一层解决“为什么是它”。

9、再研究正常邻居怎样识别和执行

单独改变邻居细胞中的机械感知、细胞骨架或连接机制。

观察目标细胞状态不变时,extrusion能不能正常完成。

这一层解决“组织怎么把它清出去”。

10、把挤出方向纳入核心结果

尤其肿瘤项目,要观察干预以后是总extrusion改变,还是顶端和基底侧比例发生变化。

方向改变可能比事件数量更重要。

11、追踪挤出后的细胞命运

继续观察细胞死亡、重新黏附、迁移和增殖。

如果研究癌前细胞,还可以观察其克隆形成和侵袭能力。

这样才能确定挤出是否真正完成组织保护。

12、同步评价组织功能

肠道和气道回到屏障通透性。

感染研究回到病原扩散。

癌症研究回到异常细胞克隆和侵袭。

器官损伤则观察组织结构和功能恢复。

extrusion最终必须解释疾病,而不能只停在一段漂亮视频。

13、进入三维和类器官验证

二维把机制做清楚以后,再验证挤出方向和细胞后续行为。

如果体外二维和三维结果明显不同,这种差异本身也值得研究。

14、最后回到动物进行因果验证

动物中确认目标组织存在相同挤出表型,再通过特异性干预改变目标细胞或者邻居细胞。

如果live-cell extrusion随之变化,疾病功能也同步改变,整个机制才真正闭环。

最终可以形成一条很完整的研究路线:

疾病或局部组织压力首先制造一批与邻居状态不同的细胞,周围组织识别这种差异,通过机械和连接重构选择性启动活细胞挤出;被挤出的方向和后续命运进一步决定这一过程最终维持组织稳态、破坏屏障,还是促进异常细胞进入间质。

这样的研究已经远远超过“发现某个细胞脱落增加”。

它真正进入了组织如何选择细胞的层面。

SECTION 23

23

博恩生物可以为活细胞挤出研究提供哪些实验支持

1、可以根据现有疾病表型判断是否适合引入活细胞挤出

针对肠道、气道、肿瘤、肾脏和其他上皮研究,可以先从细胞脱落、屏障破坏、异常细胞积累和组织损伤中寻找合理入口。

避免把普通凋亡和组织脱落强行解释成live-cell extrusion。

2、可以建立稳定的连续上皮培养体系

根据研究对象优化细胞密度、培养时间和基质条件,使细胞形成稳定汇合单层。

为后续动态挤出和邻居行为观察建立统一基础。

3、可以建立活细胞动态成像体系

连续追踪目标细胞和邻居细胞,记录挤出启动、细胞形态改变、邻居收缩、连接闭合以及挤出完成的全过程。

根据项目需要同步加入死亡状态和细胞骨架相关动态指标。

4、可以建立标准化extrusion定量

固定单位面积和观察时间,统计活细胞挤出频率,并进一步区分目标细胞死亡状态、挤出方向和事件持续时间。

减少只依赖代表性视频带来的主观性。

5、可以研究目标细胞为什么被选择

围绕机械状态、能量代谢、线粒体、DNA损伤和具体候选靶点,比较被挤出细胞和保留细胞。

再通过基因和药理干预验证目标状态是否真正决定挤出概率。

6、可以进一步研究邻居细胞的执行机制

围绕细胞骨架、机械感知和连接重构设计目标细胞—邻居细胞分离干预。

判断异常细胞本身和周围正常细胞分别承担哪一部分机制。

7、可以把活细胞挤出和屏障功能连接起来

在肠道、气道等方向同步检测TEER、示踪物通透性和细胞连接。

进一步判断疾病来自过度挤出,还是挤出后的封口能力下降。

8、可以建立正常细胞—异常细胞镶嵌模型

针对癌前病变和细胞质量控制研究,将少量荧光标记异常细胞置于大量正常细胞中。

观察异常细胞是否被选择性挤出,以及不同干预怎样改变挤出方向和后续命运。

9、可以进一步进入三维和类器官

利用更接近真实组织极性的体系区分顶端和基底侧挤出,并观察细胞进入腔内或者基质后的后续行为。

10、可以从体外机制继续回到动物疾病

在动物组织中验证目标extrusion现象,并结合疾病相关病理、屏障、炎症或者肿瘤终点进行评价。

最终把“组织为什么排除一个活细胞”真正连接到疾病发生和进展。

活细胞挤出真正值得关注的地方,并不只是“活细胞也会被推出组织”这个现象本身。

它背后更重要的问题是,组织具有自己的细胞选择逻辑。

一块上皮并不只是由很多独立细胞拼在一起。一个细胞状态变差以后,它能不能继续留在组织里,还取决于周围细胞怎么看待它,以及整个组织当前是否允许它继续占据这个位置。

在正常情况下,这套机制可以帮助上皮控制细胞数量,也可能及时移除低适应度和异常细胞。

到了疾病状态,它也可能出现完全相反的变化。

该被清除的异常细胞留了下来,本来应该留下的细胞被过度挤出,或者原本应该朝腔面排出的细胞转而进入基底侧和间质。

所以研究live-cell extrusion,真正值得追的并不是又一组Marker。

更重要的是三个问题:

组织为什么选择这个细胞,周围细胞怎样执行这个决定,以及这个细胞离开以后,整个组织究竟变得更健康了,还是离疾病又近了一步。

把这三层真正做出来以后,活细胞挤出才会从一个新概念,变成一条可以持续往疾病机制深处延伸的研究方向。

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