眼见为实:华科郭峥团队通过3D打印揭示肠道细胞动态分化

2021
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果蝇的消化道与哺乳动物有着非常类似的结构,在过去的几十年里,成体果蝇的中肠(midgut)被大量应用于人类肠道疾病的研究当中。比如,和哺乳动物相同是,果蝇中肠上皮结构的维持也依赖于肠道干细胞(ISC)的分裂和分化,ISC细胞负责肠道上皮层的更新和修复。但与哺乳动物小肠相比,果蝇中肠的细胞组成却又相对简单,主要包含ISC细胞,内分泌细胞(EE),上皮细胞前体细胞(EB)以及上皮细胞(EC)。

为了研究干细胞及其子代细胞,目前常见的方法是利用固定后的组织进行谱系追踪。但是,我们很难在经过固定处理的肠道样本中,研究干细胞增殖的速率,子代细胞产生的先后顺序,以及子代细胞分化的动态过程等问题。现有的活体成像手段,也无法实现长期追踪单个肠道干细胞的分裂和分化。

2021年10月25日,华中科技大学同济基础医学院郭峥教授团队,在 Communications Biology 期刊上发表了题为:Intravital imaging strategy FlyVAB reveals the dependence of Drosophila enteroblast differentiation on the local physiology 的研究论文。

郭峥教授团队的博士后研究员汤睿智博士,利用3D打印技术开发了一种名为FlyVAB的装置,可以对果蝇肠道进行长达10天的活体成像。首次活体观察到了肠道干细胞制造上皮细胞的完整过程,并发现了在不同生理条件下肠道上皮细胞前体细胞(EB)细胞的两种分化状态。

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FlyVAB装置包含三个部分:1)果蝇挤压系统,通过适度挤压果蝇腹部,让肠道贴近盖玻片。选择透明质酸溶液为透明化介质,添加在果蝇腹部和盖玻片之间;2)果蝇麻醉系统,用于输送CO2来麻醉果蝇,辅助稳定成像效果;3)载物台连接系统,用于将P1和P2在显微镜载物台上。结合倒置激光共聚焦显微镜或者倒置荧光显微镜,可以清晰得观察到果蝇中肠后端(posteriormidgut),荧光标记的ISC细胞,EB细胞以及EC细胞。

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FlyVAB装置简易示意图及成像效果

研究人员对出生7天的果蝇追踪了109h,拍照间隔大约为12h。基于5个EE细胞所构成的图形,成功在8个时间点中都追踪到同一段肠道,并对其中一个ISC细胞的分裂和分化进行了分析。

在最初的14h中,ISC细胞进行了一次细胞分裂,形成一个ISC细胞和一个EB细胞。EB中的Notch信号,在EB形成初期的51个小时(14h-71h)中缓慢增强,却在后续的15个小时(71h-86h)快速增强。

EB细胞在第86h开始向EC细胞分化,细胞形态逐渐变大。在变大的EB(95h)和EC(109h)中,Notch信号逐渐减弱,这说明当EB向EC分化的命运被决定之后,细胞不再需要激活Notch信号。

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FlyVAB活体追踪ISC-EB-EC分化全过程

研究团队表示,正常年轻果蝇的肠道中,ISC通过细胞分裂进行自我更新,产生一个ISC以及一个EB细胞。ISC会缓慢地激活EB中的Notch信号,整个激活过程可以持续3天以上。

在此之后,根据肠道局部生理环境的不同,EB细胞会有两种不同的分化状态。

1、当EB周围没有EC损伤时,EB呈现“蓄势待发”状态。如果此时EB与ISC分离,“蓄势待发”EB中的Notch激活程度甚至可以下降。 2、当EB周围有EC发生了损伤,EB呈现“激活分化”状态。接着在1天之内,EB分化为新的EC,修复受损的组织。与此同时,伴随着EC的更新,ISC分裂的速率和Notch激活的速率都会显著性增加。 72801635549456627 FlyVAB揭示果蝇肠道ISC细胞分裂和EB细胞分化模式图 

论文链接: https://www.nature.com/articles/s42003-021-02757-z        

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关键词:
细胞,肠道,果蝇,激活,分化

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