本方案描述了在完全化学成分明确的条件下,利用非整合型附加体质粒方法将原代羊水及羊膜间充质干细胞重编程为诱导性多能干细胞的过程。详细介绍了细胞的提取、培养、重编程以及通过严格方法对所获得的诱导性多能干细胞进行表征的实验步骤。
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本方案描述了在完全化学成分明确的条件下,利用非整合型附加体质粒方法将原代羊水及羊膜间充质干细胞重编程为诱导性多能干细胞的过程。详细介绍了细胞的提取、培养、重编程以及通过严格方法对所获得的诱导性多能干细胞进行表征的实验步骤。
随着诱导性多能干细胞的出现,自体细胞治疗向现实迈进了一步。胎儿干细胞,例如羊水和羊膜间充质干细胞,是一类独特的未分化细胞,在组织工程以及重编程为诱导性多能干细胞(iPSC)方面具有广阔前景,可用于未来的儿科干预和干细胞储存。本文所述方案介绍了一种优化的流程,可在完全化学成分明确的培养条件下,利用人重组纤连蛋白和E8培养基,分离和培养原代羊水及羊膜间充质干细胞,并从这些细胞生成附加体型诱导性多能干细胞。文中还描述了通过严格方法对新建立的细胞系进行表征,包括流式细胞术、共聚焦成像、畸胎瘤形成和转录组分析。新建立的细胞系表达胚胎干细胞标志物——Oct3/4A、Nanog、Sox2、TRA-1-60、TRA-1-81、SSEA-4,而不表达SSEA-1标志物。这些干细胞系在scid-beige小鼠体内可在6至8周内形成畸胎瘤,且畸胎瘤中包含代表三个胚层的组织。通过将全基因表达微阵列数据提交至生物信息学多能性评估算法进行转录组分析,确认所有细胞系均具有多能性,因此该方法是替代动物实验的一种理想选择。新建立的iPSC细胞系可直接用于后续实验,包括分化优化和组织工程研究。
诱导性多能干细胞(iPSC)技术为细胞替代治疗、疾病与发育建模以及药物和毒理学筛选带来了潜在的应用前景1,2,3。从概念上讲,替代治疗可通过细胞注射、体外分化的组织(如心肌补片)移植,或通过组织工程引导再生来实现。羊水干细胞(AFSC)和羊膜干细胞(AMSC)是实施这些干预措施的优良细胞来源,既可直接使用4,5,6,7,也可作为重编程为多能状态的起始细胞群体8,9,10,11,12。
早期的方法使用了成分未定义的培养系统或需要将构建体整合到基因组中的重编程方法9,10,11,12。最近的一项研究采用了无异源成分的培养基,尽管使用了定义程度较低的基底膜附着基质(BMM),仍成功从羊水上皮细胞中生成了诱导多能干细胞(iPSC)。然而,该研究未包含畸胎瘤形成实验,以及其他丰富的体外和分子数据。研究发现,与新生儿成纤维细胞相比,羊水上皮细胞的重编程效率大约高出8倍13。在另一项研究中,羊水来源的间充质干细胞也被发现能够以更高的效率重编程为诱导多能干细胞12。
多能干细胞可分化为代表三个胚层的所有组织,因此具有最广泛的潜能。儿科患者可能受益于产前采集、重编程及自体羊水干细胞的组织工程,以及围产期羊膜干细胞的类似应用。此外,胎儿干细胞的分化程度相对较低(低于成体干细胞14,15),理论上可能有助于解决诱导多能干细胞(iPSC)中观察到的来源于原始细胞的表观遗传偏向性问题16。
本文介绍一种在化学成分明确且无异源成分的E8培养基中,利用附加体型质粒18,在重组纤连蛋白17(VTN)包被的培养皿上将羊水及羊膜来源干细胞重编程为多能干细胞的实验方案。羊水和羊膜细胞作为重编程细胞来源的主要优势在于其围产期前后均可获取,因此该方法主要有利于儿科组织工程领域的研究。
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该方案遵循机构伦理委员会关于人类研究的指导原则。已获得患者书面同意,允许将其羊水用于科研。
本方案遵循南阿拉巴马大学机构动物护理和使用委员会的政策。
1. 原代羊膜间充质干细胞的分离与培养
2. 重编程为多能性
3. 多能性的表征与确认
注意:有关流式细胞术和共聚焦显微镜的详细信息,请参见补充文件。
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在采集羊水用于遗传学检测并留取少量液体用于研究之前,已从患者处获得知情书面同意。由于胎盘属于医疗废弃物,因此使用羊膜进行研究无需额外获取同意。羊水和羊膜来源的干细胞具有典型的间充质特性,形态学上表现为梭形、相位明亮的细胞。在重编程过程中,这些细胞会发生间充质-上皮转化(MET),获得类似铺路石的形态以及具有明确空间排列的克隆集落,表明其具备上皮细胞特性。该过程在导入重编程附加体质粒后48–72小时即可启动。若在重编程第5天仍未观察到此类集落,则提示实验失败。MET集落中的细胞持续增殖,导致集落在第5至14天之间逐渐变得致密。致密的MET集落由难以单独分辨的细胞组成(图1A)。大约在第14天,完全重编程的集落出现,细胞呈单层排列,具有明显且易于识别的细胞核和核仁。当集落生长至适当大小并变得致密时,即可进行机械分离和扩增(图1B)。
在整...
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从胎儿干细胞生成诱导多能干细胞(iPSC)的初始阶段包括从胎儿组织中提取来源细胞,进行培养、扩增,并导入附加体型重编程质粒。此阶段之后是约14至18天的培养期,随后才能扩增出首批完全重编程的细胞集落。最后阶段为iPSC克隆的成熟。羊膜来源干细胞的初始提取采用机械法与酶消化法相结合的方式处理羊膜组织。我们发现,30分钟的孵育时间可获得最高数量且活力最佳的细胞。消化过程可能产生少量组织碎片和细胞团块。如果这些组织碎片和细胞团块相对于单个细胞的比例较高,我们建议将所有团块和单个细胞共同接种至一个培养容器中,因为二者均能促进贴壁细胞的生长。羊水来源干细胞的接种操作较为简便,仅需将细胞与培养基混合后孵育,直至贴壁细胞集落达到足够大小即可。常规经组织培养处理的塑料器皿完全适用,我们不推荐使用特殊表面处理的器皿(即使其设计旨在优化原代细胞培养),因为在使用此类器皿时,我们观察到细胞活力较低,并在传代过程中出现困难。
羊水和羊膜干细胞应进行扩增并冻存,但只要条件允许,可尽早用作重编程的细胞来源。为将附加体型质粒导入细胞,本实验采用的转染系统在设定为950 V、40 ms、1次脉冲的参数条件下表现良...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作得到了苏黎世大学医学研究基金会、苏黎世大学研究信贷、SCIEX NMSCh(资助编号 10.216 和 12.176)、瑞士心脏病学会、瑞士国家科学基金会(资助编号 [320030-122273] 和 [310030-143992])、第七框架计划 Life Valve、欧洲委员会(资助编号 [242008])、Olga Mayenfisch 基金会、EMDO 基金会、苏黎世大学医院 2012 年启动资助以及 Mitchell 癌症研究所内部资金的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 人肿瘤解离试剂盒 | Miltenyi Biotec | 130-095-929 | 组织解离系统,试剂盒,包含组织解离管和组织解离酶 |
| gentleMACS 解离仪 | Miltenyi Biotec | 130-093-235 | 组织解离系统,解离装置 |
| Thermo Scientific™ Shandon™ 一次性手术刀 No. 10,无菌,独立包装,5.75 (14.6cm) | Thermo-Fisher | 3120032 | |
| 70 µm 细胞滤筛 | Corning | 10054-456 | |
| RPMI 1640 培养基 | Thermo-Fisher | 32404014 | |
| 摇床平台 | VWR | 40000-300 | |
| 50 ml 离心管 | Thermo-Fisher | 339652 | |
| 15 ml 离心管 | Thermo-Fisher | 339650 | |
| EBM-2 基础培养基 | Lonza | CC-3156 | AFMC 培养基的基础培养基 |
| 人 FGF 2(在大肠杆菌中表达,非糖基化) | Prospec Bio | CYT-218 | bFGF,AFMC 培养基的添加剂 |
| 人 EGF,Pichia 表达 | Prospec Bio | CYT-332 | EGF,AFMC 培养基的添加剂 |
| LR3 胰岛素样生长因子-1 人重组蛋白 | Prospec Bio | CYT-022 | IGF,AFMC 培养基的添加剂 |
| 胎牛血清,胚胎干细胞级别 | Thermo-Fisher | 10439024 | FBS |
| 抗生素-抗真菌剂(100X) | Thermo-Fisher | 15240062 | 用于原代 AFSC/AMSC,常规 AFSC/AMSC 培养中无需添加,转染细胞培养中禁用! |
| Accutase 细胞解离液 | StemCell Technologies | 07920 | 细胞解离酶 |
| CryoStor™ CS10 | StemCell Technologies | 07930 | 完整冻存培养基 |
| PBS,pH 7.4 | Thermo-Fisher Scientific | 10010023 | |
| EndoFree 质粒大提试剂盒(10) | Qiagen | 12362 | 用于质粒提取 |
| pEP4 E02S EN2K | Addgene | 20925 | EN2K,重编程因子 Oct4+Sox2,Nanog+Klf4 |
| pEP4 E02S ET2K | Addgene | 20927 | ET2K,重编程因子 Oct4+Sox2,SV40LT+Klf4 |
| pCEP4-M2L | Addgene | 20926 | M2L,重编程因子 c-Myc+LIN28 |
| NanoDrop 2000c 紫外-可见分光光度计 | Thermo-Fisher | ND-2000C | 分光光度计 |
| Neon® 转染系统 | Thermo-Fisher | MPK5000 | 转染系统,组件: Neon 移液器 - 转染移液器 Neon 设备 - 转染设备 |
| Neon® 转染系统 10 µL 套装 | Thermo-Fisher | MPK1025 | Neon 转染系统的耗材套装,包含: Neon 尖端 - 转染尖端 Neon 管 - 转染管 缓冲液 R - 重悬缓冲液 缓冲液 E - 电解缓冲液 |
| Stemolecule™ 丁酸钠 | StemGent | 04-0005 | 重编程增强小分子 |
| TeSR-E8 | StemCell Technologies | 05940 | E8 培养基 |
| Vitronectin XF™ | StemCell Technologies | 07180 | VTN,储存浓度 250 µg/ml,使用时以 Vitronectin 稀释缓冲液(CellAdhere)稀释至 1 µg/cm2 |
| CellAdhere™ 稀释缓冲液 | StemCell Technologies | 07183 | vitronectin 稀释缓冲液 |
| UltraPure™ 0.5M EDTA,pH 8.0 | Thermo-Fisher | 15575020 | 使用前用 PBS 稀释至 0.5 mM |
| EVOS® FL 成像系统 | Thermo-Fisher Scientific | AMF4300 | LCD 成像显微镜系统 |
| CKX53 倒置显微镜 | Olympus | 相差细胞培养显微镜 | |
| Pierce™ 16% 甲醛(w/v),无甲醇 | Thermo-Fisher | 28908 | 使用前用 PBS 稀释至 4%,稀释后可在 2-8 °C 保存 1 周 |
| Perm Buffer III | BD Biosciences | 558050 | 通透化缓冲液,使用前冷却至 -20 °C |
| 小鼠 IgG1,κ 同型对照,Alexa Fluor® 488 | BD Biosciences | 557782 | Oct3/4A、Nanog 的同型对照 |
| 小鼠 IgG1,κ 同型对照,Alexa Fluor® 647 | BD Biosciences | 557783 | Sox2 的同型对照 |
| 小鼠抗人 Oct3/4(人亚型 A),Alexa Fluor® 488 | BD Biosciences | 561628 | |
| 小鼠抗人 Nanog,Alexa Fluor® 488 | BD Biosciences | 560791 | |
| 小鼠抗人 Sox-2,Alexa Fluor® 647 | BD Biosciences | 562139 | |
| 小鼠 IgGM,κ 同型对照,Alexa Fluor® 488 | BD Biosciences | 401617 | TRA-1-60 的同型对照 |
| 小鼠 IgGM,κ 同型对照,Alexa Fluor® 647 | BD Biosciences | 401618 | TRA-1-81 的同型对照 |
| 小鼠抗人 TRA-1-60,Alexa Fluor® 488 | BD Biosciences | 330613 | |
| 小鼠抗人 TRA-1-81,Alexa Fluor® 647 | BD Biosciences | 330705 | |
| 小鼠 IgG1,κ 同型对照,Alexa Fluor® 488 | BD Biosciences | 400129 | SSEA-1 的同型对照 |
| 小鼠 IgG3,κ 同型对照,Alexa Fluor® 647 | BD Biosciences | 401321 | SSEA-4 的同型对照 |
| 小鼠抗人 SSEA-1,Alexa Fluor® 488 | BD Biosciences | 323010 | |
| 小鼠抗人 SSEA-4,Alexa Fluor® 647 | BD Biosciences | 330407 | |
| Affinipure F(ab')2 片段山羊抗小鼠 IgG+IgM,Alexa Fluor® 488 | Jackson Immunoresearch | 115-606-068 | 使用稀释度为 1:600 或进一步优化 |
| Affinipure F(ab')2 片段山羊抗小鼠 IgG+IgM,Alexa Fluor® 647 | Jackson Immunoresearch | 115-546-068 | 使用稀释度为 1:600 或进一步优化 |
| DAPI | Thermo-Fisher Scientific | D21490 | 储存液 10 mM,工作液进一步稀释至 1:12,000 |
| Corning® Matrigel® 生长因子减少型,无酚红 | Corning | 356231 | 基底膜基质(BMM) |
| scid-beige 小鼠,雌性 | Taconic | CBSCBG-F | |
| RNeasy Plus Mini 试剂盒(50) | Qiagen | 74134 | RNA 提取试剂盒 |
| T-25 培养瓶,组织培养处理 | Thermo-Fisher | 156367 | |
| T-75 培养瓶,组织培养处理 | Thermo-Fisher | 156499 | |
| Nunc™ 组织培养皿 | Thermo-Fisher | 12-567-650 | 10 cm 组织培养皿 |
| 6 孔板,组织培养处理 | Thermo-Fisher | 140675 | |
| Neubauer 计数室(血细胞计数板) | VWR | 15170-173 | |
| Mr. Frosty™ 冻存容器 | Thermo-Fisher | 5100-0001 | 冻存容器 |
| FACS 管,圆底聚苯乙烯试管,5 ml | Corning | 352058 | 5 ml 聚苯乙烯管 |
| Eppendorf 管,1.5 ml | Thermo-Fisher | 05-402-96 | 1.5 ml 微量离心管 |
| PCR 管,200 µl | Thermo-Fisher | 14-222-262 | |
| 移液器吸头,100 至 1250 µl | Thermo-Fisher | 02-707-407 | 窄口 1 mL 吸头 |
| 移液器吸头,5 至 300 µl | Thermo-Fisher | 02-707-410 | |
| 移液器吸头,0.1 至 10 µl | Thermo-Fisher | 02-707-437 | |
| 宽口移液器吸头,1000 µl | VWR | 89049-166 | 宽口 1 mL 吸头 |
| 玻璃巴斯德吸管 | Thermo-Fisher | 13-678-20A | |
| 乙醇,200 证明 | Thermo-Fisher | 04-355-451 | |
| 涡旋混合器 | VWR | 10153-842 | |
| 腔室盖玻片,8 孔,1.5 mm 硼硅酸盐玻璃 | Thermo-Fisher | 155409 | 玻璃底共聚焦级培养器皿 |
| 22G 针头 | VWR | 82002-366 | |
| 胰岛素注射器 | Thermo-Fisher | 22-253-260 | |
| 中性缓冲福尔马林溶液,10% | Sigma-Aldrich | HT501128-4L | 移植瘤的固定 |
| Illumina HT-12 v4 表达微阵列芯片 | Illumina | BD-103-0204 | 表达微阵列,由 PluriTest 支持,制造商已停产 |
| PrimeView 人类基因组 U219 微阵列板 | Thermo-Fisher | 901605 | 表达微阵列(原 Affymetrix 品牌),即将由 PluriTest 支持 |
| GeneChip™ 人类基因组 U133 Plus 2.0 微阵列 | Thermo-Fisher | 902482 | 表达微阵列(原 Affymetrix 品牌),由 CellNet 支持,即将由 PluriTest 支持 |
| PluriTest® | Coriell 研究所 | www.pluritest.org,用于多能性生物信息学评估的免费服务,接受微阵列数据 - HT-12 v4 平台的 *.idat 文件,即将支持 U133、U219 微阵列和 RNA 测序数据 | |
| CellNet | 约翰·霍普金斯大学 | cellnet.hms.harvard.edu,用于细胞类型生物信息学鉴定的免费服务,包括多能干细胞,基于 U133 微阵列数据 - *.cel 文件,即将支持 RNA 测序数据 |
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