组织工程实验讲义

校内讲义校内讲义 组组织织工工程程实实验验 （供药学院生物工程专业用）（供药学院生物工程专业用） 吉林大学药学院生物工程综合教研室吉林大学药学院生物工程综合教研室 二二五五 1 实实 验验 须须 知知 1按时进入实验室，穿好白大衣，带好实验纪录本和笔； 2实验前应认真做好预习，明确本次实验的目的，了解实验内容，熟 悉实验步骤； 3实验前认真听任课教师的讲解和实验安排，未经允许勿动任何实验 器具； 4实验中不要大声喧哗，如有问题，及时请教任课教师，做到有条不 紊； 5认真按照实验操作规程进行实验，及时准确地做好实验记录； 6实验记录要采用专用实验记录用纸，不得用单页纸进行记录； 7实验记录要使用钢笔或碳素笔，不得使用铅笔、圆珠笔进行记录； 8不得涂沫、删改原始实验数据，养成实事求是和严谨的科研作风； 9对实验中涉及到的精密仪器，要严格按照使用规程进行操作，出现 故障或有不明之处，要及时请教任课老师，不得擅自拆卸维修； 10实验废弃物要按相关要求进行统一收集处理，不得随意倾倒； 11实验结束后，要认真清洗实验器具，并按要求摆放，清洁实验台 面； 12值日生认真清扫地面，清理实验垃圾； 13离开实验室前，要认真检查水、电、煤气是否关闭好，养成良好 习惯； 14实验后要及时写出实验报告，按时交给任课教师评阅。 2 前前 言言 本组织工程实验讲义是根据药学院生物工程专业（医学） 教学需要，遵照教学大纲要求而编写的。 本实验讲义编写的指导思想是： 1根据组织工程理论课程内容，确定实验课内容； 2结合学院现有实验设备和实验条件，确定实验内容； 3与其它相关实验课内容统筹考虑，确定实验内容； 4根据本专业学生的实际情况，培养学生的独立实验能力； 5充分考虑到本专业的学科发展和技术前沿； 6参考兄弟院校相关专业的实验课程开设情况。 通过本实验课的教学实践，使学生加深理解理论课学习的内 容，掌握组织工程基本的实验技术和操作规程，达到独立开展组 织工程实验的能力。 本组织工程实验讲义是由生物工程综合教研室和生物工 程实验中心全体教师共同努力完成的。由于编写时间仓促，编者 水平有限，教学经验不足，对于文中存在的错误和纰漏之处，恳 请各位老师和同学批评斧正。 吉林大学药学院 生物工程综合教研室 生物工程实验中心 3 2005 年 11 月 4 目目 录录 实验一 骨髓间充质干细胞的分离培养4 实验二 软骨细胞的分离培养7 实验三 大鼠神经胶质细胞的分离培养11 实验四 鼠尾胶原的制备16 实验五 胶质纤维酸性蛋白（GFAP）表达水平检测 18 5 实验一实验一 骨髓间充质干细胞的分离培养骨髓间充质干细胞的分离培养 【实验目的实验目的】 1掌握骨髓取材的基本方法。 2掌握分离骨髓间充质干细胞（MSC）的方法。 【实验原理实验原理】 利用密度梯度离心法，将骨髓中的各种细胞分层，分离出骨髓间充质 干细胞。 【实验材料实验材料】 1动物：4 周龄新西兰大白兔。 2实验器械：手术剪刀（直、弯） 、手术镊子（直、弯） 、手术刀柄及 刀片、穿刺针等常规手术器械。 3戊巴比妥钠（3%）：戊巴比妥钠 3g，溶于 100ml 生理盐水中，搅 拌 10min 左右，室温保存。 4Percoll（Pharmacia）分离液的制备：取 Percoll 原液 9 份，加入 1 份 1.5mol/L 的 NaCl 为贮存液，可置于 4保存。分离时取贮存液 0.56 份， 加入 0.44 份 0.15mol/L 的 NaCl 备用，密度为 1.073g/ml。 5MSC 培养液的组成：含有 10%胎牛血清，2mmol/L 左旋谷氨酰胺、 100g/ml 青霉素钠、100U/ml 硫酸链霉素的低糖 DMEM 培养液。 6无 Ca2+、Mg2+ 磷酸盐缓冲液（PBS）的配制：NaCl 0.8g、KCl 0.2g、Na2HPO412H2O 2.9g、KH2PO4 0.2g，二次蒸馏水溶解，调 pH 至 6 7.07.2，定容为 1000ml。高压灭菌后，4冰箱保存。 7白细胞稀释液的组成：无水乙酸 2ml，1%龙胆紫 1ml，蒸馏水 97ml，混匀备用。 8苔盼蓝（0.4%）：苔盼蓝 0.4g，溶于 100ml 生理盐水中，搅拌 10min 左右，过滤，室温保存。 【实验步骤实验步骤】 1抽取骨髓：3%戊巴比妥钠按 50mg/kg 体重的剂量行兔腹腔注射麻 醉。无菌条件下，暴露左右两侧胫骨表面的近中端。用一支固定有 18 号针 头内含 0.1ml 肝素（3000U/ml）的 5ml 注射器从骨髓中抽取 2ml 骨髓液。 2将采集到的抗凝骨髓经低糖的 DMEM 稀释 12 倍，离心 （900g，10min） 。将含有脂肪的上清液吸去。再取与弃去培养液等量的低 糖 DMEM 重悬骨髓细胞，调整有核细胞数为（11072107）/ml。 3取 Percoll 工作液 45ml，放入 15ml 离心管中。 4用吸管吸取稀释骨髓液，在离分层液约 2cm 处，沿管壁缓缓加入， 使稀释骨髓液与分层液的比例为 1：1。 5离心（900g，30min）后内容物分三层：上层为血小板，中间层为 分离液，底层为红细胞和多核白细胞。在上、中层液体界面处可见到乳白 色浑浊的单个核细胞层。 6吸管轻轻插到云雾状的白膜层，沿管壁周缘吸取界面层的单个核细 胞，移入另一管中。 7用 5 倍以上体积的低糖 DMEM 稀释，混匀后，离心 （900g，10min） 。细胞重悬后再次洗涤。 8末次离心后，吸尽上清，加入少量的含有 10%胎牛血清的低糖 DMEM。取 1 滴细胞悬液，以白细胞稀释液 1:20 倍稀释计数，然后将细胞 7 浓度调节至 1.0106/ml。 9细胞活力检测：取 1 滴细胞悬液加 1 滴苔盼蓝混匀，加至计数板内， 高倍镜下镜检，活细胞为折光性良好的不着色细胞，死细胞被染成蓝色， 胞体略膨大。 10将单个核细胞按 2.0105/cm2的密度接种于培养瓶内。37、 5%CO2、饱和湿度下培养。 1148 小时后，有少量细胞贴壁，呈纺锤形。吸去上清，用无 Ca2+、Mg2+的 PBS 冲洗细胞表面 3 次，将未贴壁细胞弃去。 127 天左右出现克隆，14 天出现致密贴壁细胞层。 13弃去上清，用 PBS 洗一次，0.05%胰蛋白酶消化至细胞呈圆形， 加含有血清的培养液终止消化。计数细胞，按 6.0103细胞/cm2传代。 【结果观察结果观察】 在倒置显微镜下观察，原代和传代培养的人 MSC 均呈现成纤维细胞样 形态，细胞排列成束。 【思考题思考题】 在本实验中，对 Percoll 分离液有何要求？ 8 实验二实验二 软骨细胞的分离培养软骨细胞的分离培养 【实验目的实验目的】 掌握软骨细胞体外分离、培养的基本方法。 【实验原理实验原理】 关节软骨包含有高度发达的细胞外基质（主要为型胶原、蛋白多糖） 和相对稀疏、特化的细胞群（关节软骨细胞） ，细胞占总软骨体积小于 5%。根据关节软骨的这种构成特点，关节软骨的分离主要依赖于型胶原 酶，该酶具有较强梭状芽胞杆菌酶活性，适用于软骨、心肌、骨、肌组织、 甲状腺和肝脏组织的消化。 【实验材料实验材料】 1实验动物：4 周龄新西兰白兔。 2手术器械：平头弯剪刀、手术刀柄及刀片、大钩镊、眼科剪。 3实验器皿：玻璃平皿、吸量管、玻璃培养瓶、50 ml 离心管、孔径 45m 尼龙纱网、24 孔培养板。 4实验试剂：脱毛液、碘棉、75%乙醇、D-Hanks 溶液、含 10%新生 牛血清的 DMEM 培养液、0.25%胰蛋白酶、0.02%型胶原酶。 D-Hanks 溶液的配制：准确称取 NaCl 0.8g、KCl 0.4g、Na2HPO412H2O 0.716g、KH2PO4 0.06g、NaHCO3 0.35 g，溶解于三 次蒸馏水中，调 pH 至 7.07.2，定容为 1000ml。高压灭菌后，于超净台内 加入滤过除菌的青霉素、硫酸链霉素，使其终浓度分别为 9 100U/ml，100g/ml。4冰箱保存待用。 DMEM 培养液的配制：按包装袋上的说明，用新鲜三次蒸馏水配制。 内含 10%新生牛血清，2mmol/L 左旋谷氨酰胺、100g/ml 青霉素钠、 100U/ml 硫酸链霉素，调 pH=7.07.2，过滤除菌，分装，-20贮存备用。 胰蛋白酶消化液的配制：用 D-Hanks 溶液将胰蛋白酶配成浓度为 0.25%的 工作液，过滤除菌后，-20贮存备用。 0.02%型胶原酶的配制：用低血清（3%）DMEM 培养液将型胶原 酶配成浓度为 0.02%的工作液，过滤除菌后，-20贮存备用。 5实验设备：超净工作台、倒置相差显微镜、CO2培养箱、台式离心 机、恒温摇床、电子分析天平、酸度计等。 【实验步骤实验步骤】 1取材： 1)将死亡 4 小时以内的新西兰白兔置于手术托盘中，两侧膝关节进行 脱毛处理后，将其移入超净工作台内。 2)无菌条件下用碘酊仔细消毒膝关节皮肤，手术刀切开皮肤、皮下肌 膜，深切入关节囊，暴露骨髁和胫骨面，横切开前十字韧带，将两 侧股骨远端的关节软骨完全暴露。 3)切下全部关节软骨，去掉中间的骨化部分，收集于含有 D-Hanks 溶液的培养皿中。 2机械分离： 1)剪切兔关节软骨成 13mm3的小碎块。 2)将软骨碎块移入 50ml 培养瓶中，加入 10ml D-Hanks 溶液漂洗软骨 碎块，静置片刻后吸弃上清，再加入新鲜 D-Hanks 溶液。如此反 复将软骨碎块洗涤二次。 10 3酶分离： 1)将经过洗涤的软骨碎块悬浮于软骨体积 1020 倍的 0.25%胰蛋白 酶消化液中，37轻微摇动下保温 2 小时。静置后吸弃胰蛋白酶溶 液，D-Hanks 漂洗软骨碎块三次。 2)软骨碎块再重新悬浮于软骨体积 1020 倍的 0.02%的胶原酶消化 液中，37消化过夜。镜下观察培养液中有游离单个细胞时，终止 消化。用吸量管轻微吹打，将细胞分散形成细胞悬液。 4尼龙纱网过滤： 1)将分离的细胞悬液通过孔径为 45m 的尼龙网滤器，收集滤液。 2)滤液离心（1500rpm，5min） ，弃上清。 3)细胞沉淀用含 10%新生牛血清的 DMEM 培养液悬浮，同上述方法 离心洗涤，重复操作三次。 5细胞计数，接种培养：离心管内的细胞沉淀用 1ml 含 10%小牛血清 的培养液悬浮（定量） ，用血球计数板计数细胞，调节细胞密度至 105- 106/ml，接种于培养皿中。将培养皿置于 37、5C02、95%空气气相饱和 湿度的培养箱中培养。隔日换液。 【结果观察结果观察】 1在倒置相差显微镜下观察，刚接种的软骨细胞为球形，4 小时左右 开始贴壁生长。如果 24 小时以内细胞在培养皿中不贴壁，提示分离的细胞 活力不佳或者可能发生了污染。培养 7-10 天，原代单层培养的软骨细胞汇 合成片，呈圆形或椭圆形，可分泌少量细胞外基质。传代后，细胞变为多 角形，细胞外基质增多，具有折光性。 2软骨细胞的反分化现象：单层培养的软骨细胞传代后失去原有形态， 出现所谓的成纤维细胞样变。表现为：正常球形软骨细胞随着不断传代， 11 转变成梭形和成纤维细胞形。细胞形态发生改变的同时，其功能也发生一 系列变化如：蛋白多糖（PGs）的合成、分泌减少，硫酸化程度降低；软骨 细胞的标记性蛋白型胶原蛋白的合成减少，代之以型胶原蛋白的 合成。因此，若想长期保持软骨细胞特性，软骨细胞在单层培养中，传代 不能超过四次。 【思考题思考题】 软骨细胞分离的关键步骤是什么？采用何种培养方式能够长期维持软 骨细胞的表型？ 12 实验三实验三 大鼠神经胶质细胞的分离培养大鼠神经胶质细胞的分离培养 【实验目的实验目的】 1掌握脑组织取材的基本方法。 2掌握神经胶质细胞体外培养的基本方法。 【实验原理实验原理】 采用机械分离与胰蛋白酶消化的方法，分离出大脑神经胶质细胞。依 据如下三方面特征，对大脑灰质组织中的星形胶质细胞和少突胶质细胞进 行进一步的分离培养： 1星形胶质细胞的增殖速度远大于少突胶质细胞和其它神经细胞； 2星形胶质细胞与其它神经细胞将分层生长，星形胶质细胞在底层， 其它细胞一般生长在星形胶质细胞层之上； 3分层生长的细胞以一定力度摇动处理，可选择性地使在星形胶质细 胞层上生长的细胞脱壁。 【实验材料实验材料】 1动物：出生后 1 周以内的大白鼠。 2实验器械：眼科剪刀（直、弯） 、眼科镊子（直、弯） 、手术剪刀、 手术刀柄及刀片等常规手术器械。 3实验器皿：玻璃培养皿、吸量管、离心管、尼龙滤网（75m） 、培 养瓶、细胞计数板、细胞计数器、微量移液器、小滤器。 4培养用液： 13 . 无 Ca2+、Mg2+的 Hanks 液（CMF-Hanks）：准确称取 0.4g KCl、0.06g KH2PO4、8.0g NaCl、0.35g NaHCO3、0.08g Na2HPO412H2O 溶解于 1000ml 双蒸水中，内含 100U/ml 青霉素，100g/ml 硫酸链霉素， 调 pH=7.2，灭菌待用。 . 胰蛋白酶消化液：用 CMF-Hanks 将胰蛋白酶配成浓度为 0.125%的 工作液，过滤除菌。 . DMEMF12（1:1）培养液：按包装袋上的说明，用新鲜三次蒸馏 水配制，内含 20%的新生牛血清、100U/ml 青霉素，100g/ml 硫酸链霉素， 调 pH=7.27.4，过滤除菌，分装，-20贮存，备用。 5实验设备：超净工作台、倒置相差显微镜、CO2培养箱、台式离心 机、恒温摇床、电子分析天平、酸度计等。 【实验步骤实验步骤】 1大鼠大脑神经胶质细胞的分离培养（原代培养） (1). 取出生 1 周以内的新生大白鼠，用碘酒、酒精棉球消毒，无菌环 境下（以下各部操作均在无菌条件下进行） ，断头取其大脑皮层组织。 (2). 解剖显微镜下，剥离脑膜，切除大脑髓质部分。 (3). 将大脑皮质在 CMF-Hanks 液中剪碎。 (4). 室温下静置 10min。 (5). 用 0.125%的胰蛋白酶在 37下消化 30min。 (6). 加入少许含有血清的 DMEM/F12（1:1）混合培养液，用吸管稍加 吹打至胰蛋白酶与培养液混匀，以终止消化。1000r/min 下离心 5min。 (7). 吸弃上清含酶液体，重新加入含有血清的 DMEM/F12 培养液，用 吸管反复吹打至组织块消散为止，制备细胞悬液（初细胞悬液） 。 (8). 将初细胞悬液接种到玻璃培养瓶中，于 37、5%CO2、饱和湿度 14 条件下孵育 30min。 (9). 翻转培养瓶，吸出瓶中的细胞悬液，并用 75m 滤网过滤。 (10). 将滤过液离心（1000r/min，10min） ，吸弃上清液。加入 3ml 上述 含血清的培养液，用吸管轻轻吹散细胞团，制成单细胞悬液（次细胞悬液） 。 (11). 细胞计数，调节细胞密度。 (12). 将次细胞悬液以 1.0104个细胞/cm2的细胞密度，种植到预先涂 布有鼠尾胶原的培养瓶中。 (13). 于 37、5%CO2、饱和湿度条件下培养，隔日换液。 2星形胶质细胞与少突胶质细胞的分离培养 上述混合的星形胶质细胞与少突胶质细胞培养物 更换培养液，并用培养液洗 3 次 在恒温摇床上摇动培养（37，250r/min，12 小时） 收集悬浮的细胞 15 16 含未脱落细胞的培养瓶 以最大转速摇动 10min 去除悬浮细胞 用培养液洗培养瓶 5 次 加入 0.125%胰蛋白酶消化 用适量含血清的培养液终止消化 离心 （1000r/min，5min） 用培养液悬浮细胞，制成细胞悬 液 计数 按 3.0104个/cm2的密度接种 37、5%CO2下培养 星形胶质细胞培养液 （纯度98%） 所收集的悬浮细胞 过滤 （0.75m） 离心 （1000r/min，5min） 收集悬浮的细胞 用培养液悬浮细胞，制成细胞悬 液 按 3.0104个/cm2的密度接种 37、5%CO2下培养 少突胶质细胞培养液 （纯度98%） 17 【结果观察结果观察】 分离的大鼠大脑皮质细胞在原代培养 4 小时后，部分细胞即可长出细 小胞突。培养 34 天之后，细胞数量便明显增多。随着培养时间的延长， 培养物中星形胶质细胞的比例越来越大，而其它细胞成分的比例越来越小。 大鼠大脑胶质细胞原代培养一般在 914 天，以星形胶质细胞为主的细胞 即可长满培养瓶壁。而少突胶质细胞生长在星形胶质细胞层上。传代之后， 星形胶质细胞的比例更高。 体外培养的星形胶质细胞胞体较大、很扁、形状不规则，胞质较丰富， 细胞核圆形或卵圆形，常偏于胞体的一侧，内有 12 个核仁。星形胶质细 胞的胞突较多较长。可用抗 GFAP 抗体、免疫细胞化学染色进一步鉴定星 形胶质细胞。 【思考题思考题】 1分离不同胶质细胞（星形胶质细胞和少突胶质细胞）的关键步骤是 什么? 2在分离胶质细胞实验中，如何除去成纤维细胞的污染？ 18 实验四实验四 鼠尾胶原的制备鼠尾胶原的制备 【实验目的实验目的】 1掌握天然细胞外基质胶原的制备方法； 2掌握胶原的提纯方法。 【实验原理实验原理】 胶原蛋白存在于机体内各种组织和器官中，通常从富含胶原纤维的组 织，如皮肤、肌腱、骨骼中提取。从动物中提取的胶原具有与人体胶原相 近的氨基酸序列，因而人体对其具有很低的排斥性。由于胶原分子内和分 子间较强的相互作用，胶原纤维既不溶于水，也不溶于有机溶剂；但刚生 成的胶原胶联程度较低，可部分溶于水。根据胶原的溶解特性，其制备方 法可分两类：一是通过溶解掉组织中可溶的胶原和非胶原成分，得到胶原 纤维。这种方法所需时间较长，但能保留组织中的大部分胶原，适合工业 化的规模生产；另一种是分离和提纯可溶的胶原分子。这种方法对原材料 要求较高，但能得到纯度高的胶原，适合实验室中的少量制备。 本实验选用第二种方法，即用稀的有机酸溶液（0.1%乙酸）溶解和提 取出没有交联的胶原分子，有选择地从成年大白鼠尾腱中提取出较纯的胶 原蛋白。 【实验材料实验材料】 1动物：成年大鼠鼠尾。 2实验器械：眼科剪刀（直） 、眼科镊子（直、弯） 、手术剪刀、手术 刀柄及刀片等常规手术器械。 3实验器皿：玻璃培养皿、吸量管、离心管、150ml 烧杯、250ml 玻 19 璃瓶。 4实验用液： . PBS：0.2g KCl、0.2g KH2PO4、8g NaCl、2.892g Na2HPO412H2O 溶于 950ml 双蒸水中，调 pH 至 7.07.2，补加双蒸水至 1000ml。 . 稀乙酸：以蒸馏水按 1:1000 稀释 . 70乙醇 NaOH（0.1mol/L）：称取 0.4g NaOH 加入 90ml 三蒸水中，溶解 后补加蒸馏水至 100ml 去离子水 5实验设备：低温高速离心机、普通冰箱 【实验步骤实验步骤】 1取成年大鼠鼠尾，去除尾上皮肤，将肌腱与肌肉及其它组织分开； 2将肌腱在 70乙醇中浸泡 20min，切碎，用去离子水冲洗； 3转移至稀乙酸（1：1000）溶液中，每根鼠尾用 250ml 乙酸溶液， 4保持 48h； 44000r/min 离心 30min，取上清； 5加入 0.1mol/L NaOH，按 6：1 体积比混合，中和乙酸，1500r/min 离心 5min 获取沉淀； 6等体积稀乙酸（1：1000）溶解沉淀，4保存。 【结果观察结果观察】 可见肌腱在弱酸性溶液中因吸水明显膨胀，溶液变得粘稠。 【思考题思考题】 胶原提纯的方法有哪几种？ 20 实验五实验五 胶质纤维酸性蛋白（胶质纤维酸性蛋白（GFAP） 表达水平检测表达水平检测 【实验目的实验目的】 1掌握免疫细胞化学染色的基本方法； 2了解其它免疫标记技术的基本原理。 【实验原理实验原理】 免疫细胞化学（immunocytochemistry，ICC）与免疫组织化学 （immuno- histochemistry，IHC）是组织工程学常用的实验技术，用于种子 细胞的表型、纯度分析及组织工程化组织的组织类型鉴定等。本研究中采 用免疫细胞化学技术检测人星型胶质细胞瘤中纤丝神经胶质细胞酸性蛋白 （glial fibrillary acidic protein，GFAP）表达水平。 免疫细胞化学技术是利用抗原与抗体特异性结合的原理，以标记抗体 为探针来显示细胞表面或细胞内抗原成分，主要是多肽与蛋白质，对其进 行定位、定性及定量的研究。常用免疫细胞化学技术原理包括：间接法、 PAP（peroxidase-anti peroxidase）法、标记链亲和素-生物素法（labeled streptoavidin，LSAB 法） 、葡萄球菌蛋白 A 法（staphylococal protein A，SPA 法）等。免疫细胞化学技术常用的显色标记物：辣根过氧化物酶 （horseradish peroxidase，HRP） 、碱性磷酸酶（alkaline phosphatase，ALP） 、 荧光素（fluorescein） 、胶体金（colloid gold）等。 星型胶质细胞胞体和胞突内含有大量的胶质丝，为 GFAP 的多聚体。 GFAP 是星型胶质细胞所特有的细胞骨架蛋白，经免疫组化证实，它是星型 胶质细胞及其肿瘤的特异标记物。 21 【实验材料实验材料】 1人星型胶质细胞瘤细胞系 U251； 2实验器皿：吸量管、离心管、细胞计数板、细胞计数器、微量移液 器、载波片、盖玻片、片架、湿盒、吸水滤纸。 3实验用液： . 胰蛋白酶消化液：用 PBS 将胰蛋白酶配成浓度为 0.25%的工作液， 过滤除菌。 . DMEMF12（1:1）培养液：按包装袋上的说明，用新鲜三次蒸馏 水配制，内含 10%的新生牛血清、100U/ml 青霉素，100g/ml 硫酸链霉素， 调 pH=7.27.4，过滤除菌，分装，-20贮存，备用。 .