本文介绍一种针对人多能干细胞(hPSCs)的稳定、快速且可扩展的心肌细胞分化方案。利用该大规模方法获得的心肌细胞可提供足够数量的细胞,有效用于人类心血管疾病建模、高通量药物筛选,以及潜在的临床应用。
需要JoVE订阅才能观看此内容。 请登录或开始免费试用
方法文章
* These authors contributed equally
本文介绍一种针对人多能干细胞(hPSCs)的稳定、快速且可扩展的心肌细胞分化方案。利用该大规模方法获得的心肌细胞可提供足够数量的细胞,有效用于人类心血管疾病建模、高通量药物筛选,以及潜在的临床应用。
为了在研究、疾病建模、药物开发和临床应用中最大化人类多能干细胞(hPSCs)的效益,需要建立可靠的方法以实现包括心肌细胞在内的功能性细胞类型的规模化生产。本文展示了通过时序性调控WNT、TGF-β和SHH信号通路,可在静态悬浮培养和搅拌式生物反应器系统中,高效地将单细胞传代的hPSC系分化为心肌细胞。采用该策略后,在培养15天后,几乎全部类胚体均出现搏动,且持续含有>80%的心肌肌钙蛋白T阳性细胞,该结果已在多个hPSC系中得到验证。我们还报告了该方案的一种改进版本,适用于尚未适应单细胞传代的细胞系,其有效性已在42个hPSC系中得到证实。利用这些方案生成的心肌细胞表达谱系特异性标志物,并表现出预期的电生理功能。本方案为大规模生产人源心肌细胞提供了一个简单、高效且稳健的技术平台。
人类多能干细胞(hPSCs),包括人类胚胎干细胞(hESCs)和诱导性多能干细胞(hiPSCs),具有自我更新的能力,并能分化为三个胚层来源的细胞1,2。由于这些特性,hPSCs为生成和规模化生产与疾病相关的细胞类型提供了宝贵且无限的资源,可用于人类疾病建模3-5、高通量药物筛选和毒性检测6,7,并可能应用于临床8。由hPSCs诱导生成心肌细胞,使我们能够特异性地研究复杂人类心血管疾病的发病机制及其潜在治疗方法,这在此前因缺乏相关的动物模型和/或难以获得受累的原代组织而无法实现。
上述所有人多能干细胞(hPSCs)的应用均需要大量高纯度且具有功能的心肌细胞。因此,建立一种高效、可重复且可扩增的 体外 适用于多种hPSC细胞系的心脏分化方案至关重要。传统心肌细胞分化方案已采用多种策略,例如拟胚体形成 9共培养技术 10,使用细胞因子混合物进行诱导 11 和蛋白质转导方法 12尽管这些技术已取得进展,但在尝试使用多种人多能干细胞(hPSC)系时,大多数方法仍存在效率低下、需要昂贵的生长因子或通用性有限等问题。迄今为止,这些挑战限制了hPSC来源的心肌细胞在动物模型中的细胞治疗研究,以及在制药行业用于药物发现的应用。 13因此,开发出稳定且经济的规模化培养技术,以实现功能性人多能干细胞来源的心肌细胞的大规模生产,将极大推动其在商业和临床领域的应用。
在本文中,我们报道了一种经济高效、一体化的心脏分化系统的开发,该系统具有高效性、可重复性,并适用于多种来源和培养方法建立的人胚胎干细胞(hESCs)和人诱导多能干细胞(hiPSCs),包括利用生物反应器大规模生产高度富集的人多能干细胞来源心肌细胞的方法。此外,我们还优化了该方案,使其适用于未适应无饲养层和/或单细胞培养的hPSC细胞系,例如新建立的hiPSCs或与疾病机制分析相关的大量hPSC细胞系。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
1. 培养基制备、细胞培养板包被及未分化人多能干细胞的维持
2. 在静态悬浮系统中将人多能干细胞作为球体进行分化
3. 在搅拌式悬浮生物反应器中将人多能干细胞分化为球状体
4. 使用未适应单细胞传代培养的 hPSCs 进行分化
注意: 该方法特别适用于大量人多能干细胞系的快速分化,无需适应单细胞培养技术,而后者是一项极为耗时且劳动密集型的过程。该技术适用于对酶法细胞解离高度敏感的细胞系,例如新建立的人多能干细胞系。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
为了建立一种简单的大规模从人多能干细胞(hPSCs)分化为心肌细胞的方法,我们设计了一种方案:首先使用WNT/β-catenin通路激活剂(CHIR99021)16处理细胞,随后使用WNT/β-catenin通路和转化生长因子-β(TGF-β)通路的抑制剂(分别为IWP216和SB43154217),最后使用音猬因子(SHH)通路激活剂(purmorphamine)17(图1A)。在本分化策略中,约50%的类球体(直径为175 ± 25 µm)在启动分化7天后开始搏动,至第10天时搏动比例上升至100%。有趣的是,采用该方案观察到分化的类球体可持续搏动达分化启动后60天之久18。通过对解离后的类球体进行流式细胞术分析的群体研究表明,在第15天时,超过90%的细胞为心肌肌钙蛋白T阳性(cTnT+)细胞,而平滑肌和内皮细胞标志物阳性的细胞比例均低于12%(3.1%为血管性血友病因子阳性(vWF+
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
由人多能干细胞(hPSCs)衍生的心肌细胞是用于人类疾病建模、药物筛选/毒性测试,以及未来可能用于再生治疗的极具吸引力的细胞来源。然而,使用这些细胞的主要障碍之一是难以提供足量且高质量的细胞材料以实现其有效应用。通过我们所描述的实验方案,我们提供了一种克服这一局限性的方法。
近期研究表明,靶向心肌发生过程中特定信号通路的合成小分子可促进心脏分化16,17,22,23。这些小分子现已被用作重组细胞因子和含有多种未明确定义成分且存在批次差异的血清的替代方案。与细胞因子或生长因子培养基相比,小分子方案除具有特异性强的优点外,还具有成本低廉、组分稳定、保存期限更长的优势。由于本研究报道的方案中所使用的小分子为低分子量化合物,其结构和功能明确,且能够轻易穿过细胞膜24,25。
迄今为止,已采用多种方法对人多能干细胞(hPSCs)进行研究,以建立稳健且可扩增的分化技术;然而,这些方法大多基于二维、小规模的静态培养体系,可能导致扩增能力差和细胞均一性不佳。目前,强制聚集法、微打印技术以及微载体培养...
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
维克多·张心脏研究所不从事亦不支持以人类胚胎破坏为目的的研究。该研究所对本研究的贡献仅限于人类诱导多能干细胞的相关工作。
作者声明不存在任何竞争性财务利益。
本研究由Royan研究所、伊朗干细胞研究与技术委员会、伊朗国家科学基金会(INSF)、澳大利亚国家健康与医学研究理事会(NHMRC;354400)、澳大利亚国家心脏基金会/Heart Kids Australia(G11S5629)以及新南威尔士州心血管研究网络资助。HF获得了澳大利亚新南威尔士大学国际研究生奖学金的支持。RPH获得了澳大利亚NHMRC澳大利亚研究员项目的支持。作者谨向参与本研究的人类受试者表示衷心感谢。
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 敲除型DMEM | Life Technologies | 10829018 | |
| 敲除型血清替代物(KO-SR) | Life Technologies | 10828028 | |
| Glutamax | Life Technologies | 35050061 | |
| MEM非必需氨基酸 | Life Technologies | 11140-050 | |
| β-巯基乙醇 | Life Technologies | 21985-023 | |
| 碱性成纤维细胞生长因子(bFGF) | Miltenyi Biotec | 130-093-843 | |
| RPMI1640 | Life Technologies | 11875093 | |
| 不含钙、镁的DPBS | Life Technologies | 14190144 | |
| DPBS | Life Technologies | 14287072 | |
| 贴壁因子(AF) | Life Technologies | S006100 | |
| ECM胶 | Sigma-Aldrich | E1270 | |
| 层粘连蛋白 | Invitrogen | 23017-015 | |
| DMEM | Life Technologies | 11965-092 | |
| 胎牛血清(FBS) | Life Technologies | 16140-071 | |
| B27(不含胰岛素) | Gibco | A18956-01 | |
| 青霉素/链霉素 | Life Technologies | 15070063 | |
| 0.05% 胰蛋白酶/EDTA | Life Technologies | 25300-054 | |
| IV型胶原酶 | Life Technologies | 17140-019 | |
| 氯化钙(CaCl2) | Sigma-Aldrich | C7902 | |
| 丝裂霉素C | Bioaustralis | BIA-M1183 | |
| CHIR99021 | Miltenyi Biotec | 130-104-172 | |
| IWP2 | Miltenyi Biotec | 130-105-335 | |
| SB431542 | Miltenyi Biotec | 130-095-561 | |
| 嘌呤霉素胺 | Miltenyi Biotec | 130-104-465 | |
| ROCK抑制剂Y-27632 | Miltenyi Biotec | 130-104-169 | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | Sigma-Aldrich | E6758 | |
| 聚乙烯醇(PVA) | Sigma-Aldrich | 363073 | |
| 明胶 | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| 台盼蓝 | Bio-Rad | 145-0013 | |
| Accumax | Innovative Cell Technologies Inc. | AM105 | |
| Sigmacote | Sigma-Aldrich | SL2 | |
| CELLSPIN | Integra Biosciences | 183 001 | |
| 带一个摆轮的100 ml旋转烧瓶 | Integra Biosciences | 182 023 | |
| 小鼠胚胎成纤维细胞(MEF) | 实验室自制(或商业可得) | ||
| 人多能干细胞系(hPSC) | 实验室自制(或商业可得) |
访问受限。请登录或开始试用以查看此内容。