由诱导性多能干细胞(iPSC)衍生的成肌祖细胞是治疗肌肉营养不良症的细胞治疗策略中颇具前景的候选细胞。本方案描述了在急性与慢性肌肉再生小鼠模型中,评估iPSC来源的血管壁干细胞(一类肌肉祖细胞)移植后植入与分化能力所需的移植操作及功能检测方法。
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* These authors contributed equally
由诱导性多能干细胞(iPSC)衍生的成肌祖细胞是治疗肌肉营养不良症的细胞治疗策略中颇具前景的候选细胞。本方案描述了在急性与慢性肌肉再生小鼠模型中,评估iPSC来源的血管壁干细胞(一类肌肉祖细胞)移植后植入与分化能力所需的移植操作及功能检测方法。
源自患者的诱导多能干细胞(iPSC)可能是未来自体细胞治疗方案中一种极为宝贵的细胞来源。可从患有不同类型肌营养不良症患者的iPSC中建立类似于周细胞来源的中血管母细胞的iPSC来源成肌干细胞/前体细胞(iPSC来源的类中血管母细胞干细胞/前体细胞:IDEMs)。患者特异性的IDEMs可通过不同策略(例如 慢病毒载体、人工作染色体)进行遗传学校正,并通过过表达成肌调节因子MyoD来增强其成肌分化潜能。该成肌潜能随后通过体外(in vitro)特异性分化检测进行评估,并采用免疫荧光法进行分析。IDEMs的再生潜能进一步在体内(in vivo)通过两种代表性小鼠模型中的肌肉内和动脉内移植进行评估,这些模型分别表现出急性与慢性肌肉再生。IDEMs对宿主骨骼肌的贡献随后通过多种功能测试在移植小鼠中得以确认。特别是,通过跑台实验研究动物运动能力的改善情况。细胞的植入与分化则通过对移植肌肉组织进行多种组织学和免疫荧光检测进行评估。总体而言,本文描述了目前用于评估IDEMs分化能力的实验方法与工具,重点介绍移植方法及后续的疗效评价指标,以分析细胞移植的有效性。
Mesoangioblasts(MABs)是一类与血管相关的肌肉前体细胞,来源于周细胞的一个亚群1-3。与卫星细胞等经典肌肉前体细胞相比,MABs的主要优势在于,当通过动脉内递送时,它们能够穿越血管壁,从而在细胞治疗方案中促进骨骼肌的再生4。这一特性已在小鼠和犬类的肌营养不良模型中得到评估和证实1,5,6。这些临床前研究为首次在人体开展的I/II期临床试验奠定了基础,该试验基于向杜氏肌营养不良患儿动脉内移植供体HLA相同的MABs(EudraCT编号:2011-000176-33;目前在意大利米兰圣拉斐尔医院进行)。在需要数十亿细胞来治疗全身肌肉的细胞治疗策略中,一个主要障碍是“药物产品”(即细胞)的增殖潜力有限。此外,最近的研究表明,某些类型的肌营养不良患者无法获得MABs,例如在肢带型肌营养不良2D型(LGMD2D;OMIM #608099)中即存在此问题7。
为克服这些局限性,近期已建立了一种从人和小鼠iPSCs中诱导生成MAB样干细胞/祖细胞的方案7该方法可获得易于扩增的细胞群体,其血管相关基因表达特征和免疫表型与成体肌肉来源的MABs高度相似。在表达成肌调节因子MyoD后,小鼠和人源IDEMs(分别为MIDEMs和HIDEMs)均可发生终末骨骼肌分化。为实现这一目的,可利用能够驱动MyoD表达的载体对IDEMs进行转导,该表达可为组成型,也可为诱导型。8-10使用包含与雌激素受体融合的 MyoD cDNA(MyoD-ER)的慢病毒载体,从而可在给予他莫昔芬(一种雌激素类似物)后诱导其转入细胞核11该策略可高效形成肥大的多核肌管7值得注意的是,IDEMs 不具有致瘤性,移植后可在宿主肌肉内定植并分化,并可利用不同载体进行遗传学矫正例如 慢病毒或人工染色体),为未来的自体治疗策略奠定了基础。上述文献已描述了IDEMs的建立、鉴定与移植方法。7. 本方案论文详细描述了用于评估的实验方法 体外 IDEMs的成肌分化及其移植后在肌肉再生小鼠模型中疗效的后续评估指标。
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1. 成肌潜能与移植潜能的评估
分化效率以MyHC阳性细胞内细胞核所占的百分比进行评估:若效率达到 >50%.
2. 肌营养不良小鼠模型中的移植
该移植实验可用于评估IDEMs在肌营养不良小鼠模型中的植入程度。按照以下方法处理的动物还可用于评估疾病表型的功能改善情况。功能测试可在移植后两周开始进行。为增强细胞植入效果,可考虑在移植前进行跑台训练(如方案3所述)和/或每隔三周进行一次连续细胞注射,共注射3次(i.e. 总计每块肌肉注射3次)。
3. 移植营养不良动物后的结果评估:跑台实验
从细胞移植后两周开始,可通过跑步机实验评估经治疗小鼠运动能力的功能性改善情况。该实验可用于评估经治疗小鼠的运动耐受性/耐力。当小鼠在静息区域躺卧超过5秒,并在连续三次机械刺激(每5秒一次)后仍未尝试重新登上跑步机时,即判定为疲劳。基线测量通常在治疗前约一个月开始,用于评估每只受试小鼠的个体改善情况。该实验之后可进行其他附加检测,以监测肌纤维脆性、力量改善、移植细胞的植入与分化,以及移植肌肉的形态学改善情况(参见讨论部分)。
故障排除:每组使用至少5只年龄、基因型和性别相匹配的动物,并在移植后至少重复测量3次。
4. 移植肌肉中细胞植入与分化的评估
移植组和对照组肌肉在适当的时间点被取出(<短期移植分析为2天,中期为2至3周 >1个月以进行长期分析)。如果移植的细胞标记了GFP,则可在配备紫外光源的体视显微镜下通过直接荧光观察,评估新鲜分离肌肉中的细胞植入情况。
5. 肌肉组织病理学
组织病理学分析可用于评估移植肌肉的形态结构。作为细胞治疗策略的结果,预期会出现组织结构的架构改善。
苏木精和伊红染色可用于计算再生肌肉的标志性特征,例如:a)肌纤维数量;b)横截面积;c)含有中央细胞核的肌纤维数量。马松三色染色用于计算纤维化指数,即用图像的总面积减去骨骼肌纤维所占的总面积:所得面积主要反映肌肉中的结缔组织和脂肪浸润。所有图像分析均可使用 ImageJ 软件(NIH)结合测量工具和细胞计数插件完成。
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所报道的代表性结果遵循主要方案 体外/体内 工作流程中所示的检测方法 图148小时后,在经4OH-他莫昔芬处理的MyoD-ER转导IDEM细胞培养物中可识别出MyoD阳性细胞核图2A)。随后,细胞融合并分化为多核的肌管(图2B)。当移植到急性肌肉损伤的小鼠模型中时,IDEMs 可促进组织再生(图3)。通过跑步机运动耐受试验,评估了IDEMs在小鼠肌营养不良模型的基因与细胞治疗环境中的疗效: 图4 显示将野生型MIDEMs移植到Sgca-null/scid/beige小鼠后获得的结果,表明经治疗小鼠的运动能力有所改善7. 离体 移植肌肉的分析显示,GFP阳性区域代表了IDE Ms定植于宿主组织的程度(图5A-C),从而证明供体细胞能够植入 dystrophic 肌肉中。重要的是,移植的细胞能够分化 体内,形成新的骨骼肌纤维。事实上 图5
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iPSCs 可以在保持其自我更新潜能的同时无限扩增,从而被诱导分化为多种细胞谱系12。由于这一特性及其他原因,iPSC 来源的干细胞/祖细胞被认为是自体基因治疗和细胞治疗策略中极具前景的细胞来源13。作者此前发表的研究报道了从小鼠和人类 iPSCs 中生成具有类似于周细胞来源的 MABs 表型的肌源性祖细胞(IDEMs),并证实这些细胞在肌营养不良小鼠模型中可有效参与肌肉再生7。
最大化 IDEM 成肌潜能的前提是细胞中表达成肌因子 MyoD。通过使用他莫昔芬诱导型 MyoD-ER 表达盒进行转导,可实现对 MyoD 表达的精确时间控制,其优势在于能够同步整个培养体系中 MyoD 的激活,并可在后续的 体内 实验中发挥作用。本文描述了一种基于每块肌肉(或每侧股动脉)单次给药的细胞移植策略。然而,已有研究表明,在不同的细胞治疗方案中,重复细胞注射可有效提高 MAB 的移植效率8。因此,若 IDEM 移植效果不理想,值得尝试多次移植以增加细胞剂量,从而提高其对宿主肌肉的贡献。
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F.S.T. 已提交一项国际专利申请(申请号:PCT/GB2013/050112),其中包含本文所述部分策略。他的研究获得了 Promimetic 公司和 DWC 公司的资助。
作者感谢Giulio Cossu、Martina Ragazzi以及整个实验室提供的有益讨论与支持,并感谢Jeff Chamberlain慷慨提供MyoD-ER载体。所有涉及活体动物的实验均依照并遵守所有相关监管机构、所属机构的规定、法规和指导原则。作者实验室的工作得到了英国医学研究理事会、欧盟第七框架计划项目Optistem和Biodesign以及意大利杜氏肌营养不良家长项目的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 试剂 | |||
| MegaCell DMEM | Sigma | M3942 | |
| DMEM | Sigma | D5671 | |
| IMDM | Sigma | I3390 | |
| 马血清 | Euroclone | ECS0090L | |
| 胎牛血清 | Lonza | DE14801F | |
| PBS 钙/镁离子无 | Lonza | BE17-516F | |
| L-谷氨酰胺 | Sigma | G7513 | |
| 青霉素/链霉素 | Sigma | P0781 | |
| 2-巯基乙醇 | Gibco | 31350-010 | |
| ITS(胰岛素-转铁蛋白-硒) | Gibco | 51500-056 | |
| 非必需氨基酸溶液 | Sigma | M7145 | |
| Fer-In-Sol | 美赞臣 | ||
| Ferlixit | Aventis | ||
| 油酸 | Sigma | 01257-10 mg | |
| 亚油酸 | Sigma | L5900-10 mg | |
| 人碱性成纤维细胞生长因子(bFGF) | Gibco | AA 10-155 | |
| 生长因子减少型Matrigel | Becton Dickinson | 356230 | |
| 胰蛋白酶 | Sigma | T3924 | |
| 肝素钠 | Mayne Pharma | ||
| 台盼蓝溶液 | Sigma | T8154 | 有害的 |
| 专利蓝染料 | Sigma | 19, 821-8 | |
| EDTA | Sigma | E-4884 | |
| 多聚甲醛 | TAAB | P001 | 有害的 |
| 他莫昔芬 | Sigma | T5648 | |
| 4-OH 他莫昔芬 | Sigma | H7904 | |
| pLv-CMV-MyoD-ER(T) | Addgene | 26809 | |
| 心脏毒素 | Sigma | C9759 | 有害的 |
| 聚维酮碘 | |||
| 黄蓍胶 | MP Biomedicals | 104792 | |
| 异戊烷 | VWR | 24,872,323 | |
| Tissue-tek OCT | 樱花 | 4583 | |
| 蔗糖 | VWR | 27,480,294 | |
| 极化玻璃载片 | 赛默飞世尔科技 | J1800AMNZ | |
| 伊红Y | Sigma | E4382 | |
| 苏木精 | Sigma | HHS32 | |
| 马松三色染色 | Bio-Optica | 04-010802 | |
| 小鼠抗肌球蛋白重链抗体 | DSHB | MF20 | |
| 小鼠抗 Lamin A/C 抗体 | 诺沃卡斯特拉 | NLC-LAM-A/C | |
| Hoechst 33342 | Sigma Fluka | B2261 | |
| 兔抗层粘连蛋白抗体 | Sigma | L9393 | |
| 材料与设备 | |||
| 可吸收抗菌缝合线 4-0 | Ethicon | vcp310h | |
| 30 G 针头注射器 | BD | 324826 | |
| 跑步机 | Columbus 仪器 | ||
| 体视显微镜 | 尼康 | SMZ800 | |
| 倒置显微镜 | Leica | DMIL LED | |
| 异氟烷装置 | Harvard Apparatus | ||
| 光纤 | Euromecs(荷兰) | EK1 | |
| 加热垫 | 兽医技术 | C17A1 | |
| 手术刀 | Swann-Morton | 11REF050 | |
| 手术镊 | 精细科学工具 | 5/45 | |
| 高温灼烧器 | Bovie Medical | AA01 | |
| 培养基成分 | |||
| 培养基成分如下所述。 HIDEMs 生长培养基:
| |||
表1. 试剂、材料、设备和培养基列表 |
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