本文介绍一种基于全器官灌注消化酶和NG2细胞富集的新型临床级肾脏血管周围基质细胞(kPSCs)分离与培养方法。利用该方法,可获得足够数量的细胞用于细胞治疗。
本文介绍一种基于全器官灌注消化酶和NG2细胞富集的新型临床级肾脏血管周围基质细胞(kPSCs)分离与培养方法。利用该方法,可获得足够数量的细胞用于细胞治疗。
间充质基质细胞(MSCs)是一类具有组织稳态维持和免疫调节功能的细胞,在肾脏疾病及肾移植中已显示出有益作用。血管周围基质细胞(PSCs)具有与骨髓间充质基质细胞(bmMSCs)相似的特性,但由于局部印记效应,它们还具备组织特异性特征,并参与局部组织的稳态维持。这种组织特异性可能在人体肾脏内介导特定的修复过程。我们先前研究表明,人肾源性PSCs(kPSCs)可显著促进肾上皮细胞伤口愈合,而bmMSCs则无此潜能。此外,kPSCs能够改善肾脏损伤。 体内因此,kPSCs 是细胞治疗的一个重要来源,尤其适用于肾脏疾病和肾移植。本文展示了基于经肾动脉全器官灌注消化酶并结合血管周标志物NG2富集,从移植级人肾中分离和培养kPSCs的详细方法。通过该方法可获得大量适用于细胞治疗的细胞。
间充质基质细胞(MSCs)是一类具有免疫调节功能的细胞,最初从骨髓中分离获得。这类细胞具有纺锤形的形态特征,能够分化为脂肪、骨和软骨组织,并能贴附于塑料表面生长。MSCs表达基质细胞标志物CD73、CD90和CD105,而不表达CD31和CD451,2,3。由于MSCs具有维持组织稳态和免疫调节的能力,因此在细胞治疗领域展现出广阔的应用前景。目前,骨髓来源的MSCs(bmMSCs)正在多种疾病的临床试验中被研究,包括肾脏疾病和肾移植,相关综述可参见其他文献4。
先前的研究表明,来自多种不同实体器官(包括脂肪组织、胎盘和骨骼肌)的血管周围细胞具有与间充质干细胞(MSCs)相似的特性9。然而,这些细胞还表现出组织特异性的功能,可导致器官特异性修复10。例如,人心肌来源的血管周围细胞在缺氧条件下可促进血管生成反应,并能分化为心肌细胞,而来自其他组织的血管周围细胞则不具有这些潜能11。
血管周围基质细胞也可从小鼠12,13,14和人类肾脏15,16中分离获得。我们对肾源性基质细胞(kPSCs)进行了全面表征,并将其与骨髓间充质干细胞(bmMSCs)进行了比较。研究发现,kPSCs与bmMSCs相似,具有免疫抑制能力,并可支持血管丛的形成。然而,这两种细胞类型之间存在组织特异性差异:kPSCs表现出器官特异性的转录表达特征,包括肾源性转录因子HoxD10和HoxD11。与bmMSCs不同的是,kPSCs在TGF-β刺激后不会转化为肌成纤维细胞,也无法分化为脂肪细胞。此外,在肾小管上皮细胞划痕损伤实验中,kPSCs可加速上皮完整性的恢复,而这一现象在bmMSCs中未被观察到。这种增强的伤口修复作用是通过释放肝细胞生长因子介导的。此外,kPSCs在急性肾损伤小鼠模型中可改善肾脏损伤15。因此,kPSCs似乎具有更强的肾脏修复能力,是肾脏疾病细胞治疗中一个颇具前景的新细胞来源。
为了能够将kPSC用于细胞治疗,必须使用临床级酶和临床级方案以符合临床标准的方式分离kPSC。此外,为了能够利用一位供体来源的kPSC治疗多名患者,需要获得足够数量的细胞。本文详细展示了从完整的可用于移植的肾脏中进行临床级kPSC分离的流程,该方法可获得足量的细胞,用于临床细胞治疗。
欧洲协作组(STELLAR)的当地医学伦理委员会和伦理咨询委员会批准了本研究以及因手术原因被弃用的人体移植级肾脏的收集。所有肾脏均获得了用于研究的知情同意。
1. 细胞培养的准备工作
2. 细胞收获前的准备工作
3. 肾脏细胞分离
4. 粗制肾细胞的细胞培养
5. 通过磁性细胞分选对NG2进行细胞富集(图1M)
6. kPSCs 的培养
7. kPSCs 的功能检测:肾上皮细胞划痕损伤实验
临床级kPSCs的分离方法总结于图1。通过胶原酶灌注从人移植级肾脏中分离粗制肾细胞。将所得细胞悬液在5%血小板裂解物中培养至融合。然后根据NG2的表达分离血管周围基质细胞组分。
kPSCs 是贴壁生长的纺锤形细胞(图 2A),表达间质标记物 CD73、CD90、CD105 以及血管周标记物 NG2、PDGFR-B 和 CD146,而不表达 CD31、CD34、CD45 和 HLA-DR(图 2B)。通常在第 4 代时可获得较为均一的 kPSCs 群体,而 kPSCs 约在第 9–10 代时进入衰老期(图 2C)。因此,建议在第 5–8 代之间进行实验。
为了评估分离得到的kPSCs的功能能力,我们进行一项 体外 每次新批次的kPSCs均需进行肾上皮细胞划痕伤口愈合实验,因为我们先前已证实,kPSCs的条件培养基可在该划痕实验中加速上皮细胞伤口的愈合15kPSC 条件培养基的制备方法是将 kPSCs 在含 5% 血小板裂解物的 αMEM 中培养 48 小时,然后收集上清液。接下来,使用永生化的人肾近端小管上皮细胞(HK-2)17 培养至细胞融合后,制造划痕伤口,随后向孔中加入kPSCs的条件培养基或对照培养基,并测定伤口愈合速度。当加入kPSCs的条件培养基时,伤口闭合显著加快(图2D).

图1:人源kPSC的临床级分离方法。 移植级肾脏通过肾动脉插管,并经肾动脉灌注胶原酶(A - G),所得细胞悬液经洗涤后,可进行冻存或直接接种培养(H - K)。细胞培养至融合状态(L)后,进行NG2阳性细胞富集(M)。当细胞达到融合状态、增殖停止或出现三维结构时,进行胰酶消化处理(N - P)。kPSC的放行标准包括无菌性、标志物表达以及促进肾小管上皮细胞伤口愈合的能力(Q)。箭头:肾动脉。比例尺 = 200 µm。 请点击此处查看该图的高清版本。

图2:人源kPSCs的鉴定。A) kPSCs呈纺锤形,为贴壁生长的细胞。 B) kPSCs表达间充质细胞标志物CD73、CD90、CD105,以及血管周细胞标志物NG2、PDGFR-β和CD146,而不表达CD31、CD34和CD45。kPSCs表达MHC-I类分子(HLA-ABC),但不表达II类分子(HLA-DR)。 C) 来自三个不同供体的kPSCs的生长特性,流式细胞术证实其为均一的NG2阳性细胞群体(第4代)。kPSCs在第9–10代左右进入衰老期。 D) kPSCs可在划痕伤口愈合实验中促进肾小管上皮细胞的修复。图中显示了对照培养基和kPSC条件培养基在t=0、4、8和12小时的代表性图像。A)中的比例尺 = 200 µm,D)中的比例尺 = 100 µm。 请点击此处查看该图的高清版本。
已从多种不同的人体实体器官(包括胰腺、脂肪、软骨和肾脏)中分离出血管周细胞9,15,16。然而,大多数方法基于小量组织样本,需经过解剖后使用消化酶处理。此外,这类操作通常不使用临床级产品进行,因此这些策略在需要大量临床级细胞的直接临床转化应用中适用性较低。
本文展示了一种基于临床级酶和材料灌注的全新人kPSCs全器官分离方法。该方案改编自我们中心目前用于临床应用的临床级朗格汉斯胰岛分离方案18。
这是首个可获得大量kPSCs的临床级方法。细胞产量的差异主要取决于供体。然而,根据目前从三位不同供体的粗细胞悬液部分所获得的细胞产量进行推算,理论上每位供体平均可获得2.7 × 1012个kPSCs。由于MSC治疗通常包括两次细胞输注,每次剂量为1 - 2 × 106个细胞/千克体重4,因此这些细胞数量足以用于多位患者的异体治疗。
分离过程中的一个关键步骤是胶原酶消化的时间。如果消化时间过短,组织会残留较大的团块,难以进行培养;如果灌注时间过长,则可能出现细胞死亡增加的情况。因此,一旦肾脏开始变软且液体变得不那么透明,就应轻轻按摩肾脏,并立即停止胶原酶处理。
另一个关键步骤是在NG2细胞富集后的细胞培养。有时在NG2细胞富集后,血管周围细胞不会开始增殖,或开始形成三维结构。在这种情况下,当细胞经胰蛋白酶消化并重新接种后,通常会开始以单层形式生长。
实验所用起始材料主要为因外科原因被弃用的人类移植级肾脏。这些器官功能正常,且无明显纤维化。我们承认这可能存在一定局限性,因为此类器官来源相对稀少且难以获取。摘除的肾脏可能是另一种来源;然而,根据肾脏摘除原因的不同,这些肾脏可能含有较多纤维化组织,因而含有更多的肌成纤维细胞,因此需格外注意,以免分离和培养到肌成纤维细胞而非血管周围细胞。
由于采用本方案分离的kPSCs表现出具有肾脏上皮伤口愈合能力的类器官特性15,因此在肾脏疾病和器官移植中应用kPSCs进行细胞治疗将是未来一个颇具前景的方向。为此,目前存在多种细胞/细胞产品递送策略。第一种策略是静脉输注kPSCs,类似于当前骨髓间充质干细胞(bmMSC)的临床研究中所采用的方法。另一个有前景的应用是在移植前将kPSCs或其分泌因子用于机器灌注。通过这种方式,可能改善离体肾脏的质量,从而提升移植后的肾功能。对于这两种策略而言,kPSCs均是一种值得进一步探索用于临床的新颖细胞来源。
D.G.L.、M.A.E. 和 T.J.R. 与本研究相关的专利申请有关。其他作者无任何利益冲突需要披露。
本研究获得了欧洲共同体第七个框架计划(FP7/2007-2013)的资助,资助协议编号为305436 STELLAR。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Baxter 袋 | Fenwal | R4R-7004 | |
| 人类血小板 | Sanquin | 医院剩余材料在过期不足2天内使用 | |
| 血小板裂解物 | 定制 | ||
| 一次性无菌瓶 | 康宁 | 09-761-11 | |
| 500 mL 聚丙烯离心管 | 康宁 | 431123 | |
| a-MEM 培养基 | Lonza | BE12-169F | |
| 谷氨酰胺替代物(GlutaMAX) | 赛默飞世尔科技 | 35050038 | |
| 青霉素/链霉素 | Invitrogen | 15070063 | |
| 输血系统 | 科丹 | 455609 | |
| DMEM-F12 | 生命技术公司 | 11320-074 | |
| 正常人血清(NHS) | Sanquin | ||
| Hepes 1 M | Lonza | BE-17-737E | |
| NaHCO₃3 7.5% | Lonza | BE17-613E | |
| CaCl2 1 M | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| UW | 生命之桥 | 32911 | |
| 肝素 | Leo Pharma | ||
| 胶原酶NB1 GMP级 | SERVA | 17455.03 | |
| DMSO | Sigma Aldrich | D2650-100ml | |
| 手术铺巾 | 3M 荷兰 | DH999969404 | |
| 灌注泵 | metrohm | x007528300 | |
| 泵头 | metrohm | x077202600 | |
| 灌注托盘 | 定制 | ||
| LS25 Masterflex 管 | Masterflex | HV-96410-25 | |
| 附属刺突 | Gambro DASCO | 6038020 | |
| 普洛酶 | 罗氏 | ||
| 25 cm 培养瓶2 | greiner | 690175 | |
| 75 cm² 培养瓶2 | greiner | 658170 | |
| 175 cm² 培养瓶2 | greiner | 661160 | |
| 胰蛋白酶 | sigma | t4174 | |
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma | A2153 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E5134-500g | |
| FcR封闭试剂 | Miltenyi | 130-059-901 | |
| 抗黑色素瘤微珠(NG2) | 美天旎 | 130-090-452 | |
| 70 微米细胞筛 µm | 康宁 | 352350 | |
| LS 柱 | Miltenyi | 130-042-401 | |
| MACS 磁铁 | 美天旎 | 130-090-976 | |
| CD34 FITC | BD | 555821 | |
| CD45 APC | BD | 555485 | |
| CD146 PE | BD | 550315 | |
| NG2 APC | R&研发 | FAB2585A | |
| CD90 PE | BD | 555596 | |
| HLA ABC APC | BD | 555555 | |
| CD105 FITC | 安塞尔 | 326-040 | |
| HLA DR APC | BD | 559866 | |
| CD56 PE | BD | 555516 | |
| CD73 PE | BD | 550257 | |
| CD31 FITC | BD | 555445 | |
| CD133 PE | 美天旎 | 130-090-853 | |
| PDGF-r | R&研发 | mab 1263 | |
| 小鼠 IgG1 FITC | BD | 345815 | |
| 小鼠 IgG1 PE | BD | 345816 | |
| 小鼠 IgG1 APC | BD | 345818 | |
| IgG2b PE | BD | 555743 | |
| 山羊抗小鼠PE | Dako | R0480 | |
| 叠氮化钠 | 默克 | 822335 | |
| DMEM Ham’s F12 | Gibco | 31331-028 | |
| ITS(胰岛素、转铁蛋白、硒) | Sigma | I1884 | |
| 氢化可的松 | Sigma | H0135 | |
| 三碘甲状腺原氨酸 | Sigma | T5516 | |
| 表皮生长因子(EGF) | sigma | E9644 | |
| 永生化人肾近端小管上皮细胞(HK2) | 由都柏林大学学院 M. Ryan 提供 |