本文介绍了一种利用逆转录病毒介导的多顺反子载体递送Gata4、Tbx5和Mef2c来生成诱导心肌样细胞(iCMs)的实验方案。该方案可获得相对均一的重编程细胞群体,且重编程效率和细胞质量得到提升,对今后iCM重编程的研究具有重要价值。
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本文介绍了一种利用逆转录病毒介导的多顺反子载体递送Gata4、Tbx5和Mef2c来生成诱导心肌样细胞(iCMs)的实验方案。该方案可获得相对均一的重编程细胞群体,且重编程效率和细胞质量得到提升,对今后iCM重编程的研究具有重要价值。
将心脏成纤维细胞(CFs)直接转化为诱导性心肌细胞(iCMs)为再生医学提供了治疗心脏病的替代策略,具有广阔的应用前景。这种转化可通过强制表达特定因子实现,例如 Gata4(G)、Mef2c(M)和 Tbx5(T)。传统上,iCMs 的生成依赖于分别表达这些因子的病毒混合物。然而,重编程效率相对较低,且大多数 体外 G、M、T转导的成纤维细胞无法完全重编程,这使得重编程机制的研究变得困难。我们近期已证明,G、M、T三者的表达比例对诱导心肌样细胞(iCM)重编程效率至关重要。通过使用我们构建的多顺反子MGT载体(下文简称MGT),可实现M相对高表达、G和T低表达的最优比例,显著提高重编程效率并改善iCM的质量 体外在此,我们详细描述了利用携带MGT构建体的病毒从心肌成纤维细胞诱导生成诱导性心肌样细胞(iCMs)的方法。本文还包括心肌成纤维细胞的分离、重编程病毒的制备以及重编程过程的评估,旨在建立一个高效且可重复的iCMs生成平台。
心血管疾病仍然是全球死亡的首要原因,每年导致1730万人死亡1心肌梗死(MI)或进行性心力衰竭导致的心肌细胞丢失是发病率和死亡率的主要原因2由于再生能力有限,成年哺乳动物心脏在损伤后通常会出现泵血功能受损和心力衰竭3-6因此,心肌细胞的高效(再)生 体内 和 体外 用于心脏病治疗和疾病建模是一个亟待解决的关键问题。
直接重编程技术的最新进展为再生医学提供了一种极具前景的替代策略,该技术可将一种已分化细胞表型直接转化为另一种,而无需经过多能性状态。哺乳动物心脏中含有丰富的心肌成纤维细胞(CFs),约占心脏细胞总数的一半,在心脏损伤后会大量增殖。7-9因此,如果能够将大量存在的成纤维细胞(CFs)直接重编程为功能性心肌细胞(CMs),它们就有望成为再生治疗中内源性的心肌细胞来源。已有研究表明,转录因子(如 Gata4 (G)、Mef2c (M) 和 Tbx5 (T))的组合,无论是否联合 microRNA 或小分子化合物,均可将成纤维细胞重编程为诱导性心肌样细胞(iCMs)。10-26重要的是,这种转化也可以被诱导 体内,并可改善梗死心脏的心功能,减小瘢痕面积16,27-29这些研究表明,直接心脏重编程可能是修复受损心脏的一种潜在途径。然而,诱导心肌细胞重编程的效率较低,已成为进一步开展机制研究的主要障碍。此外,心脏重编程的可重复性是该技术面临的另一争议性问题。11,30,31.
最近,我们构建了一整套多顺反子载体,将 G、M、T 三个基因以所有可能的剪接顺序排列,并在单个 mRNA 中使用相同的 2A 序列。这些多顺反子载体导致 G、M 和 T 蛋白的表达水平各不相同,从而产生显著差异的重编程效率25。其中效率最高的构建体命名为 MGT,其表现出相对较高的 Mef2c 表达以及较低的 Gata4 和 Tbx5 表达,显著提高了重编程效率,并生成大量表达心肌细胞标志物、具有强烈钙振荡和自发性搏动功能的诱导心肌样细胞(iCMs)25。此外,通过使用 MGT 多顺反子载体,我们的研究避免了多个载体的使用,获得了 G、M、T 表达比例均一的细胞,从而为心脏重编程研究提供了更优的实验平台。为了提高实验的可重复性,本文详细描述了如何分离成纤维细胞、制备携带 MGT 表达盒的逆转录病毒、诱导生成 iCMs 以及评估重编程效率的方法。
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本方案使用新生小鼠。动物护理和实验操作均遵循北卡罗来纳大学教堂山分校实验动物医学部(DLAM)制定的指南进行。
1. 缓冲液和培养基的制备
2. 新生小鼠心脏成纤维细胞的制备
3. 用于iCM重编程的逆转录病毒的制备
注意:以下步骤需在 BSL2 生物安全柜中的无菌条件下进行。建议对转染后的细胞、移液器吸头和试管进行妥善处理,以避免对环境和健康造成危害的风险。
4. 心脏成纤维细胞的重编程
5. 重编程效率的免疫细胞化学分析
6. 重编程效率的FACS分析
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重编程步骤的示意图见图1。在MGT转导后,重编程细胞中的GFP表达最早可在第3天检测到。若使用pMx-puro-MGT质粒,则从第3天开始对转导细胞进行嘌呤霉素筛选,并在前两周内持续维持。在第10至第14天,可通过免疫细胞化学染色(图2B,步骤5)和流式细胞术(图2A,步骤6)检测到心肌标志物(如cTnT和α-肌动蛋白)的表达,表明起始的成纤维细胞正在向心肌细胞命运方向进行重编程。

图1:直接心脏重编程过程的示意图。 各时间点的操作在黑色方框中描述。每个阶段的培养基显示在时间线下方的彩色方...
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采用本方案成功生成诱导心肌样细胞(iCM)时,有多个重要因素会影响整体效率。特别是起始成纤维细胞的状态以及编码MGT的逆转录病毒的质量,会显著影响重编程效率。
生成尽可能新鲜且健康的成纤维细胞至关重要。采用组织块培养法时,成纤维细胞可在组织块接种到培养皿后七天内使用。采用酶消化法时,成纤维细胞最早可在分离后的次日使用。不建议将成纤维细胞冻存或传代后再用于重编程,因为这些额外处理会显著降低重编程效率。接种密度是影响重编程效率的另一个重要因素。若细胞接种过稀,细胞容易变得不健康,形态不规则且体积增大,这类细胞极少能转化为诱导心肌样细胞(iCMs)。若细胞接种过密,则病毒转导的感染复数(MOI)会降低,未感染的成纤维细胞过度生长会显著稀释重编程事件,从而导致iCMs的比例降低。我们还注意到,若用于重编程的细胞接种数量过多,会出现具有鹅卵石样形态的小细胞,这些细胞几乎无法被重编程,从而导致重编程效率下降。当将本方案应用于不同规格的组织培养皿时,建议根据培养皿的表面积按比例调整接种的细胞数量。
成纤维细胞的纯度对重编程至关重要。高纯度的...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢北卡罗来纳大学(UNC)流式细胞术核心实验室和UNC显微成像核心实验室提供的专业技术支持。感谢钱实验室和刘实验室成员在手稿撰写过程中给予的有益讨论和关键性审阅。本研究得到了美国国立卫生研究院/国家心脏、肺和血液研究所(NIH/NHLBI)授予刘博士的R00 HL109079基金、美国心脏协会(AHA)科学家发展基金13SDG17060010以及艾略特医学基金会(EMF)授予钱博士的新学者基金AG-NS-1064-13的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗心肌肌钙蛋白T | 赛默飞世尔科技 | MS-295-PO | FACS 为 1:200,ICC 为 1:400 |
| 抗GFP | Life Technologies | A11122 | FACS 和 ICC 均按 1:500 稀释 |
| 抗α-辅肌动蛋白 | Sigma-Aldrich | A7811 | FACS 和 ICC 均按 1:500 稀释 |
| 抗连接蛋白43 | Sigma-Aldrich | C6219 | 1:500 稀释比例用于 免疫细胞化学 |
| 抗-Mef2c | Abcam | ab64644 | 1:1,000 用于免疫细胞化学 |
| 抗Gata4 | Santa Cruz Biotechnology | sc-1237 | 1:200 用于免疫细胞化学 |
| 抗Tbx5 | Santa Cruz Biotechnology | sc-17866 | 1:200 用于免疫细胞化学 |
| Alexa Fluor 488–偶联驴抗兔IgG | 杰克逊免疫研究公司 | 711-545-152 | FACS 和 ICC 均按 1:500 稀释 |
| Alexa Fluor 647–偶联驴抗小鼠IgG | 杰克逊免疫研究公司 | 715-605-150 | FACS 和 ICC 均按 1:500 稀释 |
| 胞内染色用Cytofix/Cytoperm试剂盒 | BD 生物科学 | 554722 | |
| Rhod-3 钙离子成像试剂盒 | Life Technologies | R10145 | |
| Thy1.2 微珠 | Miltenyi Biotec | 130-049-101 | |
| 含DAPI的Vectashield溶液 | Vector Laboratories | H-1500 | |
| FBS | Sigma-Aldrich | F-2442 | |
| 胰蛋白酶-EDTA(0.05%) | 康宁 | 25-052 | |
| PRMI1640 培养基 | Life Technologies | 11875-093 | |
| B27添加剂 | Life Technologies | 17504-044 | |
| IMDM | Life Technologies | 12440-053 | |
| Opti-MEM 低血清培养基 | Life Technologies | 31985-070 | |
| M199 培养基 | Life Technologies | 10-060 | |
| DMEM,高糖 | Life Technologies | 10-013 | |
| 青霉素-链霉素 | 康宁 | 30-002 | |
| 非必需氨基酸 | Life Technologies | 11130-050 | |
| Lipofectamine 2000 | Life Technologies | 11668500 | |
| blasticidin | Life Technologies | A11139-03 | |
| 嘌呤霉素 | Life Technologies | A11138-03 | |
| 胶原酶II | 沃辛顿 | LS004176 | |
| polybrene | Millipore | TR-1003-G | |
| Triton X-100 | Fisher | BP151-100 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C7902 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H4034 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | BP358-212 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | PX1405 | |
| Na2HPO4 | Sigma-Aldrich | S7907 | |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G6152 | |
| 牛血清白蛋白 | Fisher | 9048-46-8 | |
| 多聚甲醛 | EMS | 15714 | |
| 逆转录病毒沉淀液 | ALSTEM | VC-200 | |
| 0.4% 台盼蓝溶液 | Sigma-Aldrich | T8154 | |
| 明胶 | Sigma-Aldrich | G1393 | |
| 不含 CaCl 的杜尔贝科磷酸盐缓冲液2 和 MgCl2 (D-PBS,1×) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
| HBSS(Hanks平衡盐溶液) | 康宁 | 21022 | |
| LS 柱 | Miltenyi Biotec | 130-042-401 | |
| 0.45 μm 醋酸纤维素滤膜 | 赛默飞世尔科技 | 190-2545 | |
| 24孔板 | 康宁 | 3524 | |
| 10 cm 组织培养皿 | 赛默飞世尔科技 | 172958 | |
| 60 mm 中心孔培养皿 | 康宁 | 3260 | |
| 96孔透明V型底2 ml聚丙烯深孔板 | 德文特科学 | P9639 | |
| 带细胞筛帽的聚苯乙烯圆底管 | BD 生物科学 | 352235 | |
| 离心 | Eppendorf | 5810R | |
| Vortexer MINI | VWR | 58816-121 | |
| EVOS FL Auto 细胞成像系统 | Life Technologies | AMAFD1000 | |
| MACS MultiStand | Miltenyi Biotec | 130-042-303 | |
| MidiMACS 分离器 | Miltenyi Biotec | 130-042-302 | |
| 圆形玻璃盖玻片 | 电子显微镜科学公司 | 72195-15 |
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