本文介绍了一种高效利用年轻来源的人类间充质干细胞的心脏分化潜能以生成具有功能且能够收缩的心肌样细胞的方法。 体外
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本文介绍了一种高效利用年轻来源的人类间充质干细胞的心脏分化潜能以生成具有功能且能够收缩的心肌样细胞的方法。 体外
心肌梗死及其继发的缺血级联反应导致大量心肌细胞丢失,进而引发充血性心力衰竭,后者是全球死亡的首要原因。间充质干细胞(MSCs)是一种有前景的细胞治疗手段,有望替代目前的侵入性治疗技术。MSCs 可分化为间充质谱系细胞,包括心脏细胞类型,但尚未实现向功能性细胞的完全分化。以往的分化方法主要依赖药理学试剂或生长因子。然而,更具生理相关性的策略也可诱导 MSCs 发生心肌生成性转化。本文介绍一种利用 MSC 细胞聚集体在心肌细胞饲养层上共培养以生成具有收缩功能的心肌样细胞的分化方法。
人脐带血管周围细胞(HUCPVCs)已被证明具有比常被研究的间充质干细胞(MSC)类型(如骨髓间充质干细胞,BMSCs)更强的分化潜能。作为一种发育上更年轻的细胞来源,我们比较了妊娠早期(FTM)HUCPVCs与较年长来源细胞的心肌生成潜能。FTM HUCPVCs是一种新型且丰富的MSC来源,能够保持其 在子宫内 培养时的免疫豁免特性 体外采用该分化方案,FTM和足月HUCPVCs的心肌向分化程度显著高于BMSCs,表现为心肌细胞标志物的表达水平明显升高(即, 心肌细胞增强因子2C、心肌肌钙蛋白T、重链心肌肌球蛋白、信号调节蛋白α和连接蛋白43)。它们还表现出显著较低的免疫原性,表现为HLA-A表达水平较低而HLA-G表达水平较高。采用基于细胞聚集体的分化方法,FTM HUCPVCs显示出更强的聚集体形成能力,并在与心肌饲养层共培养1周内即生成可收缩的细胞簇,成为首个实现该现象的间充质干细胞类型。
我们的结果表明,该分化策略能够有效利用年轻间充质干细胞(如FTM HUCPVCs)的心肌生成潜能,并提示 体外 预分化可能是提高其再生功效的一种潜在策略 体内.
充血性心力衰竭(CHF)仍是全球范围内导致发病和死亡的主要原因之一。CHF 常在心肌梗死(MI)后大量心肌细胞丢失并形成无细胞的瘢痕组织这一病理过程中发生1。尽管心脏是一种具有部分自我更新能力的器官,但负责组织再生的内源性干细胞和祖细胞库在老年患者中数量显著减少,功能也明显下降,通常不足以支持损伤后的充分修复。因此,人们高度关注开发涉及将健康供体细胞移植到受损心肌中的实验性治疗方法。至关重要的是,供体细胞不仅需要恢复心肌组织的结构,还必须实现受累心肌的功能性恢复。
天然心脏利用心脏组织驻留的以及内源性骨髓来源的干细胞进行损伤后的修复2,3,4。无论是宿主来源还是供体来源的再生细胞,都必须能够在心肌重塑的微环境中获得适当的表型和功能,并具备高效且安全地替代丢失细胞的能力。体外分化方法已被广泛用于实现高效、基于干细胞的心肌细胞生成5,6。通过心脏谱系标志物的表达谱来定义干细胞向心脏谱系的分化过程7。早期分化标志物,如NKX2.5、肌细胞增强因子2C(Mef2c)和GATA48,9,可作为心肌发生过程启动的指标。常用于评估分化效率的成熟心肌细胞标志物包括信号调节蛋白α(SIRPA)10、心肌肌钙蛋白T(cTnT)11、重链心肌肌球蛋白(MYH6)8,12,13以及连接蛋白43(Cx43)14,15,16。利用胚胎干细胞(ESCs)和多能干细胞(PSCs)的方法已在诱导因子、氧和营养梯度以及作用时间点等细节方面进行了充分优化和讨论5,6,7,17,18。然而,基于ESC和PSC的技术仍存在多种伦理和安全问题,并伴有电生理和免疫学特性欠佳的情况19,20。接受这些细胞移植的宿主常出现免疫排斥反应,需要长期免疫抑制治疗。这主要是由于宿主与供体之间主要组织相容性复合体(MHC)分子不匹配,进而引发T细胞反应21。尽管个体MHC I类分子匹配是一种可能的解决方案,但更易于临床实施的做法是寻找一种具有普遍免疫豁免特性的细胞来源,以克服排斥反应的担忧。
作为临床应用的替代细胞来源,间充质干细胞(MSCs)尤其是骨髓间充质干细胞(BMSCs),自1995年首次被描述以来,已被广泛研究用于组织再生22。MSCs被认为是一类存在于几乎所有血管化组织中的固有再生细胞23。从目标来源分离后,MSCs可在体外易于扩增,具有强大的旁分泌能力,并通常表现出免疫豁免或免疫调节特性24,25。多项临床前研究已证实其安全性和有效性,尤其在心脏再生领域表现突出3,26。
许多间充质干细胞(MSC)分化策略利用药理学试剂,如5-azacytidine22和DMSO27,以及生长因子或形态发生因子,如BMPs5,7,28,29或血管紧张素II(angiotensin-II)30,但其效率存在差异。然而,这些策略并未基于原始再生细胞在体内归巢或被递送至损伤部位后可能遇到的障碍。in vivo。更具生理相关性的策略虽然更难界定和操控,但其前提是MSC的分化可通过组织微环境自身发出的信号诱导。先前的研究表明,在体外暴露于心肌细胞裂解物31或心室心肌组织32,33,或与原代心肌细胞直接接触in vitro15,34,均可增加MSC中心脏标志物的表达。其他研究也证明,在用MSC治疗心脏损伤后可出现自发的心肌生成35,36,37,38,尽管部分新生心肌组织的形成源于骨髓间充质干细胞(BMSCs)与心肌细胞的融合39,40。据我们所知,目前尚未见报道从任何组织来源的人类间充质干细胞(hMSCs)中获得具有功能并能自发收缩的心肌细胞。
目前的共识认为,所有间充质干细胞均起源于血管周围细胞23. 具有周细胞特性的年轻间充质干细胞可从人脐带组织的血管周围区域分离获得41,42,43与骨髓间充质干细胞(BMSCs)相比,脐带华通氏胶血管周围细胞(HUCPVCs)具有更强的分化潜能及其他多种再生优势, 体外41,44 和 体内45,46,47值得注意的是,由于HUCPVCs来源于母胎界面,其免疫原性显著低于成体来源的MSCs。我们的研究聚焦于围产期HUCPVCs(FTM HUCPVCs)的表征及其临床前应用,这是目前所研究的最年轻的MSC来源。我们此前已证实,这类细胞具有更强的增殖能力以及更高的多向分化潜能,包括心肌细胞谱系分化能力。41.
在此,我们介绍一种结合细胞聚集体形成和原代心肌细胞饲养层作为诱导力的方案,以实现间充质干细胞(MSCs)完全的心肌向分化。聚集体可提供三维环境,更真实地模拟体内条件 体内 与二维贴壁培养相比。利用心肌细胞饲养层可提供一个更接近间充质干细胞(MSCs)最终移植部位的微环境。我们证明,从产前或产后脐带中分离获得的较年轻来源的MSCs,相较于成体骨髓间充质干细胞(BMSCs),具有更强的聚集体形成能力及向心肌表型分化的潜能,同时仍可维持其免疫豁免特性。此外,这些细胞表现出心脏谱系标志基因的显著上调以及细胞内(即, cTnT 和 MYH6)以及细胞表面蛋白(即, 我们通过心肌细胞特异性标志物(SIRPA和Cx43)证实,采用该方法可利用FTM HUCPVCs的分化潜能,使其生成可自发收缩的心肌样细胞。
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所有涉及动物的研究均按照ARRIVE指南进行并予以报告48所有研究均经机构研究伦理委员会批准(REB 编号 454-2011,Sunnybrook 研究所;REB 29889,多伦多大学,加拿大 多伦多)。所有动物实验均经大学健康网络动物护理委员会(加拿大 多伦多)批准,所有动物的饲养和使用均符合《实验动物护理与使用指南》(第8版)的要求。th (美国国立卫生研究院,2011年版)
1. 组织培养
2. 原代大鼠心肌细胞-间充质干细胞共培养体系的制备
3. 聚集体共培养物的制备
4. 流式细胞术(FC)和荧光激活细胞分选(FACS)
5. 免疫细胞化学(ICC)与显微镜检查
6. RNA 提取与定量 RT-PCR
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HUCPVCs 与 BMSCs 相比表现出更强的聚集体形成能力和更高的 CD49f 表达水平:
为了诱导hMSCs的分化(即, FTM HUCPVCs、足月HUCPVCs和BMSCs)未分化的MSCs或含MSC的悬滴单细胞悬液(表1) 分别转移至大鼠原代心肌细胞单层培养物上,以建立直接共培养或聚集体共培养体系。三种不同类型的间充质干细胞在直接共培养中表现出相似的丰度和形态特征(图1A)。在将悬滴转移至心脏细胞聚集体共培养后2-3天表1),FTM 和足月 HUCPVCs 出现在较大的聚集体中(310 µm ± 30 µm 和 240 µm ± 40 µm,分别)与BMSCs所见相比180 µm ± 30 µm;
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干细胞向心肌细胞的分化研究已持续二十余年,目前已有多种不同策略用于从间充质干细胞来源生成类似心肌细胞的细胞。然而,这些策略中的许多效率较低,且所采用的培养条件往往不能代表移植细胞在体内所遇到的实际微环境。 体内.
与现有方法相比,本研究中介绍的方案利用了原代心肌饲养层与间充质干细胞(MSC)聚集体形成的组合。原代心肌饲养层提供了一种类似于人源间充质干细胞(hMSCs)移植后所处的分化环境。聚集体则形成了具有氧气和营养物质梯度的微环境,这种梯度可诱导细胞启动谱系定向分化。基于多能干细胞(PSC)和胚胎干细胞(ESC)的心肌分化策略已证实,低氧预处理和聚集体形成对干细胞具有此类诱导作用5,52,53。此外,三维结构更接近体内(in vivo)的细胞间连接方式。采用该方法,我们成功获得了同步收缩的人源间充质干细胞(hMSC)聚集体——据我们所知,这是首次实现此类hMS...
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Clifford L. Librach 博士是以下专利的共同持有人:从妊娠早期脐带组织中分离和使用衍生细胞的方法,该专利已在加拿大和澳大利亚获得授权。
作者感谢以下工作人员和研究人员的贡献:Matthew Librach、Leila Maghen、Tanya A. Baretto、Shlomit Kenigsberg 和 Andrée Gauthier-Fisher。本工作由安大略研究基金-研究卓越项目(ORF-RE,第七轮)和 CReATe 项目公司资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 0.25% 胰蛋白酶/EDTA | Gibco | 25200056 | 用于细胞解离 |
| Alpha-MEM | Gibco | 12571071 | 用于HUCPVC和BMSC培养基 |
| PE标记的抗人/小鼠CD49f抗体 | Biolegend | 313612 | FC 的整合素标记物 |
| APC标记的人源Cx43/GJA1抗体 | R&D Systems | FAB7737A | FC的连接蛋白43标记物 |
| FITC标记的HLA-A2抗体 | Genway Biotech Inc. | GWB-66FBD2 | FC 的免疫原性标志物 |
| FITC标记的抗HLA-G [MEM-G/9] 抗体 | Abcam | ab7904 | FC 的免疫原性标志物 |
| FITC标记的小鼠抗人SIRPA/CD172a抗体 | AbD Serotec/Bio-Rad | MCA2518F | 心脏标志物用于FC |
| APC标记的人TRA-1-85/CD147抗体 | R&D Systems | FAB3195A | 用于流式细胞术和荧光激活细胞分选的人类细胞标志物 |
| FITC标记的人TRA-1-85/CD147抗体 | R&D Systems | FAB3195F | 用于流式细胞术和荧光激活细胞分选的人类细胞标志物 |
| 抗连接蛋白43/GJA1抗体 | Abcam | ab11370 | Cx43。用于免疫细胞化学 |
| 山羊抗兔IgG(H+L)交叉吸附二抗,Alexa Fluor 555 | Life Technologies | A-21428 | 用于免疫细胞化学 |
| 抗肌节α-辅肌动蛋白[EA-53]抗体 | Abcam | ab9465 | aSARC。用于免疫细胞化学 |
| 山羊抗小鼠IgM重链交叉吸附二抗,Alexa Fluor 555 | Life Technologies | A-21426 | 用于免疫细胞化学(ICC) |
| Mef2C (D80C1) XP 兔抗体 | New England BioLabs Ltd. | 5030S | 用于免疫细胞化学 |
| 驴抗兔IgG(H+L)二抗,Alexa Fluor 488标记 | Life Technologies | A-21206 | 用于免疫细胞化学 |
| 抗核抗体(HuNu)(克隆 235-1) | EMD Millipore | MAB1281 | 用于免疫细胞化学 |
| MZ9.5 体视显微镜 | Leica | 用于成像聚集物。 | |
| 1.5 ml 离心微量管 | Axygen | MCT-150-C | 用于使用荧光染料对间充质干细胞进行染色。 |
| ImageJ | 开源图像处理软件 | ||
| Aria II | BD | UHN SickKids FC 设施。用于细胞分选。 | |
| 骨髓间充质基质细胞 | Lonza | PT-2501 | BMSCs |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A7030-100G | BSA。用于免疫细胞化学(ICC)溶液的配制 |
| BrdU | EMD Millipore | MAB3424 | 注意:BrdU 是一种强致畸剂,且疑似具有致突变性。使用前请确保接受过适当培训,并查阅安全数据表(SDS)。 |
| 第二歌 | BD | UHN SickKids FC 实验室。用于流式细胞术。 | |
| cDNA EcoDry 预混液 | Clontech/Takara | 639570 | 用于qPCR的cDNA制备 |
| CellTracker Green CMFDA 染料 | Life Technologies | C7025 | 细胞质的荧光成像 |
| Countess 自动细胞计数仪 | Invitrogen 公司 | C10227 | 用于细胞计数 |
| DMEM-F12 | Sigma-Aldrich | D6421 | 大鼠原代心肌细胞培养基 |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | Gibco | 10010023 | D-PBS,不含 Ca2+,Mg2+ |
| EVOS | Life Technologies | 自制荧光显微镜 | |
| FACSCalibur | BD | 内部使用。用于流式细胞术。 | |
| 胎牛血清(Hyclone) | GE Healthcare | SH3039603 | FBS。细胞培养基的组分。 |
| IDT Prime Time qPCR 探针 | 集成数据技术 | FAM 荧光团 | http://www.idtdna.com/pages/products/gene-expression/primetime-qpcr-assays-and-primers |
| Lab Vision PermaFluor 水性封片介质 | 赛默飞世尔科技 | TA-030-FM | 用于进行免疫细胞化学的细胞储存 |
| LSR II | BD | UHN SickKids FC 设施。用于流式细胞术。 | |
| MoFlo Astrios | 贝克曼库尔特 | UHN SickKids FC 设施。用于细胞分选。 | |
| 正常山羊血清 | 细胞信号技术公司 | 5425S | NGS。用于免疫细胞化学封闭液中 |
| Nunc Lab-Tek II 培养皿盖玻片,8 孔 | 赛默飞世尔科技 Nunc | 155409 | 用于免疫细胞化学的样本制备 |
| OmniPur Triton X-100 表面活性剂 | EMD Millipore | 9410-OP | 作为制备细胞进行免疫细胞化学染色时的透化溶液组分 |
| 16% 甲醛溶液,电镜级 | 电子显微镜科学公司 | 15710 | 用于ICC细胞固定。 |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15140122 | 细胞培养基组分。 |
| 引物 | Sigma | 定制标准DNA寡核苷酸,脱盐,0.2 μmol | <强>CTnT_F: GGC AGC GGA AGA GGA TGC TGA A <强>CTnT_R: GAG GCA CCA AGT TGG GCA TGA ACG A <强>MYH6 F: GCA AAG TAC TGG ATG ACA CGC T <强>MYH6 R: GTC ATT GCT GAA ACC GAG AAT G |
| Quorum 转盘共聚焦显微镜 | Zeiss | 病童医院影像中心 | |
| ReproCardio 人诱导多能干细胞衍生心肌细胞 | ReproCell | RCD001N | qPCR 阳性对照 |
| RNeasy mini试剂盒 | Qiagen | 74106 | 用于qPCR的RNA提取 |
| Rotor-Gene SYBR Green PCR 试剂盒 | Qiagen | 204074 | 使用预混液进行qPCR |
| RPMI 1640 | Gibco | A1049101 | 用于间充质干细胞与单核细胞共培养的培养基 |
| TaqMan qPCR 引物检测 | 赛默飞世尔科技 | 4444556 | 用于qPCR |
| 台盼蓝 | Life Technologies | T10282 | 细胞活力染色与计数 |
| 胰蛋白酶 | Gibco | 272500108 | 用于细胞解离 |
| Volocity | Perkin-Elmer | Volocity 6.3 | 成像软件 |
| 0.2 μ微孔滤膜 | 赛默飞世尔科技 | 566-0020 | 用于组织培养基的灭菌 |
| HERAcell 150i CO₂ 培养箱2 培养箱 | 赛默飞世尔科技 | 51026410 | 用于细胞孵育 |
| 杜氏磷酸盐缓冲液 | Sigma-Aldrich | D8537 | PBS,1×,不含氯化钙和氯化镁 |
| 镊子 | Almedic | 7727-A10-704 | 用于持取大鼠心脏。可使用任何类似的镊子。 |
| 剪刀 | 精细科学工具 | 14059-11 | 用于切碎大鼠心脏。推荐使用弯头剪刀。 |
| 50 mL 离心管 | BD Falcon | 352070 | 用于心肌细胞收集及常规组织培养操作过程中的收集 |
| 15 mL 离心管 | BD Falcon | 352096 | 组织培养常规操作步骤 |
| 6孔板 | 赛默飞世尔科技 Nunc | CA73520-906 | 用于组织培养 |
| 10 cm 组织培养皿 | 康宁 | 25382-428 | 用于聚集体形成 |
| Axiovert 40C 显微镜 | Zeiss | 用于整个组织培养及后续实验步骤中的明场成像 | |
| 70 μm细胞滤筛 | Fisherbrand | 22363548 | 为确保流式细胞术或分选前获得单细胞悬液 |
| Triton X-100 | EMD Millipore | 9410-1L | 用于免疫细胞化学的透化溶液中 |
| Hoechst 33342 | 赛默飞世尔科技 | H1399 | 用于观察Cx43定位的染色剂 |
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