本实验方案介绍了一种制备具有不同刚度的聚乙烯醇-共-衣康酸水凝胶的方法,该水凝胶可选择性地接枝或不接枝寡肽,用于研究生物材料刚度对干细胞分化与增殖的影响。通过调节交联时间来控制水凝胶的刚度。
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* These authors contributed equally
本实验方案介绍了一种制备具有不同刚度的聚乙烯醇-共-衣康酸水凝胶的方法,该水凝胶可选择性地接枝或不接枝寡肽,用于研究生物材料刚度对干细胞分化与增殖的影响。通过调节交联时间来控制水凝胶的刚度。
物理信号(如生物材料的刚度)对干细胞增殖和分化的影响已受到多位研究者的关注。然而,这些研究者大多在其研究中使用聚丙烯酰胺水凝胶进行干细胞培养。因此,其研究结果存在争议,因为这些结果可能源于聚丙烯酰胺特有的性质,而非生物材料的物理信号(刚度)本身。本文介绍了一种非基于聚丙烯酰胺的水凝胶制备方案,可用于培养包括人胚胎干细胞(ES细胞)和人诱导多能干细胞(iPS细胞)在内的多种干细胞。该水凝胶由生物惰性聚乙烯醇-共-衣康酸(P-IA)制备而成,通过调节交联时间控制交联程度,从而实现对水凝胶刚度的调控。此外,研究还评估了接枝与未接枝源自细胞外基质寡肽的P-IA水凝胶,作为未来干细胞培养与分化的潜在平台。本文详细描述了羊水干细胞、脂肪来源干细胞、人ES细胞和人iPS细胞的培养与传代方法。实验表明,寡肽修饰的P-IA水凝胶表现出更优的性能,且该性能由其刚度特性所驱动。本方案报告了该生物材料的合成方法、表面修饰技术、刚度特性的调控,以及在无异源成分培养条件下其对干细胞命运的影响。根据近期研究,此类经修饰的基底有望成为支持并引导多种干细胞系向特定方向分化的未来平台,并进一步实现受损器官或组织的功能再生与修复。
已知干细胞向特定细胞谱系分化的命运以及干细胞的长期增殖,特别是人诱导性多能干细胞(iPS细胞)和人胚胎干细胞(ES细胞)的增殖,受到培养基中抑制剂、生长因子和/或小分子生物活性物质的调控。近年来,生物材料的物理信号,尤其是细胞培养用生物材料的刚度,已被认为是引导干细胞增殖与分化命运的重要因素1,2,3,4,5,6。因此,一些研究人员已开始研究在水凝胶上培养的干细胞的分化命运,主要使用具有不同刚度的聚丙烯酰胺水凝胶进行实验。
生物材料的刚度可以调控黏着斑、细胞形态、细胞表型以及干细胞的黏附,尤其是在二维(2-D)培养条件下1,2,3,5。干细胞对生物材料的力学感知通常由整合素受体介导的黏着斑信号通路所调控。在二维细胞培养系统中,非肌球蛋白IIA(NMMIIA)依赖的肌动蛋白细胞骨架收缩性在干细胞的力学感知过程中起着关键作用3,4,5,7,8,9,10,11。
恩格勒及其同事提出了一种有趣的观念:成体干细胞(如骨髓干细胞)在具有与特定组织相似刚度的细胞培养生物材料上培养时,倾向于分化为源自这些特定组织的细胞。5在二维软质聚丙烯酰胺水凝胶(其刚度与脑组织相当)表面包被I型胶原蛋白,并在扩增培养基中培养时,BMS细胞可自发诱导分化为早期神经元谱系;而在刚度分别类似于肌肉或胶原性骨组织的二维聚丙烯酰胺水凝胶上培养的BMS细胞,则分别被诱导分化为早期肌细胞和成骨细胞谱系3,5许多研究人员已研究了在固定化Ⅰ型胶原的聚丙烯酰胺水凝胶上培养的干细胞的分化命运12,13,14,15,16,17,18,19,20,21然而,应该指出的是,存在一些相互矛盾的报道1,18,22,23,24 适用于恩格勒所提出的著名观点 等5 这是因为恩格勒(Engler)的观点5 仅在聚丙烯酰胺水凝胶上开发,其结果源于该生物材料(聚丙烯酰胺)的特定特性,而不仅仅源于生物材料的物理信号(刚度)。因此,有必要开发另一种类型的水凝胶,其刚度可通过水凝胶的交联程度进行调控。为此,开发了具有不同刚度的生物惰性水凝胶,该水凝胶由聚乙烯醇-co-衣康酸(P-IA)制备,通过改变交联时间来调控交联程度,从而控制其刚度25,26,27,28,29,30,31,32干细胞可在未经修饰的P-IA水凝胶以及接枝了细胞外基质(ECMs)和寡肽的P-IA水凝胶上进行培养。在之前的一项研究中25,将来自脐带血的人造血干细胞(hHSCs)培养于不同刚度的P-IA水凝胶上,其储能模量范围为3 kPa至30 kPa,并在P-IA水凝胶上接枝纤连蛋白或源自纤连蛋白的寡肽(CS1,EILDVPST)。高 离体 在接枝了CS1或纤连蛋白的P-IA水凝胶中观察到人造血干细胞(hHSCs)的扩增倍数增加,这些水凝胶表现出介于12 kPa至30 kPa之间的中等刚度25.
人类iPS细胞和ES细胞无法在常规的组织培养聚苯乙烯(TCP)培养皿上进行培养33,34,因为人类ES细胞和iPS细胞在长期培养过程中需要特异性结合细胞外基质(ECM),例如玻璃粘连蛋白(vitronectin)或层粘连蛋白(laminin),以维持其多能性。因此,研究人员设计并制备了多种具有最佳刚度特性的寡肽接枝P-IA水凝胶结构,包括单链结构、带连接片段的单链结构、带连接片段的双链结构以及支链型结构32。所选用的寡肽序列来源于ECM中整合素和糖胺聚糖的结合结构域。接枝了来源于玻璃粘连蛋白的寡肽、且具有约25 kPa储能模量的双链或带连接片段的P-IA水凝胶,可在无异源成分且化学成分明确的条件下,支持人类ES细胞和iPS细胞连续传代培养超过12代32。水凝胶上带有细胞黏附分子的连接片段和双链结构有助于促进人类ES细胞和iPS细胞的增殖及其多能性的维持32。本文描述了一种制备P-IA水凝胶的方案(在空气中湿态条件下测得其储能模量范围为10 kPa至30 kPa),该水凝胶可接枝或不接枝寡肽或ECM成分。同时展示了如何培养和传代多种干细胞(包括羊水干细胞、脂肪来源干细胞、人类ES细胞和人类iPS细胞)。
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本研究中的实验已获得中国台湾林口长庚纪念医院伦理委员会(IRB-13-05)和中央大学的批准。所有实验均严格遵循本研究期间所有相关且适用的政府及机构指南与法规进行。
1. 溶液与培养基的配制
2. P-IA水凝胶培养皿的制备
3. 人类胚胎干细胞/诱导多能干细胞培养
4. 人类胚胎干细胞/诱导多能干细胞的表征
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根据图1A所示的反应方案,使用不同类型的寡肽ECM(oligoECM)(图1B),制备了接枝有ECM来源寡肽(oligoECM)或具有不同弹性的ECM的P-IA水凝胶。通过调节交联强度(时间)来控制水凝胶的弹性(图1C)。接枝有纤连蛋白来源寡肽、储能模量为25.3 kPa(交联时间为24小时)的P-IA水凝胶,可支持人源iPS和ES细胞长期培养超过10-20代。特别是,使用相对较低浓度的oligoECM(200–500 μg/mL)制备的接枝有关节片段(P-IA-24h-VN1G)或双链结构(P-IA-24h-VN2G)的P-IA水凝胶,能够维持人源iPS和ES细胞的多能性;而P-IA-VN1水凝胶则需要使用较高浓度的oligoECM(>1000 μg/mL)才能维持人源iPS和ES细胞的多能性28,
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开发了具有不同刚度的P-IA-oligoECM和P-IA-ECM水凝胶,用于在无异源成分条件下长期扩增人胚胎干细胞(ES细胞)和诱导多能干细胞(iPS细胞),并维持其多能性超过十代,同时也适用于人羊水干细胞(AFS细胞)、脂肪来源干细胞(ADS细胞)及造血干细胞的培养25,28,32。将寡肽细胞外基质(oligoECM)固定化的P-IA水凝胶是细胞培养材料的优良候选者,可用于研究细胞培养材料对多种干细胞、原代细胞及癌细胞分化与增殖命运的影响。
当将P-IA溶液涂布于培养皿上时,溶液应呈透明状态。P-IA水凝胶的交联时间决定了其交联强度。P-IA水凝胶交联24小时可获得适用于人胚胎干细胞/诱导多能干细胞(ES/iPS)培养的最佳水凝胶。根据本实验方案,任何含有游离氨基的寡肽和细胞外基质(ECM)均可被接枝到P-IA水凝胶上25,<...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究部分得到了中国台湾科技部资助,项目编号为 106-2119-M-008 -003、105-2119-M-008-006 和 104-2221-E-008-107-MY3。本研究还得到了中国台湾林口长庚医院项目(NCU-LSH-105-A-001)的支持。同时感谢日本文部科学省科学研究费补助金(编号 15K06591)的支持。A. Higuchi 还感谢沙特阿拉伯利雅得国王大学研究生院与科研副校长办公室国际科研合作项目(ISPP-0062)的支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| GTPGPQGIAGQRGVV | PH Japan | 无 | 规格:寡肽 缩写:环状 RGD,cRGD |
| GACRGDCLGA | PH Japan | 无 | 规格:寡肽 缩写:FN1 |
| KGGAVTGRGDSPASS | PH 日本 | 无 | 规格:寡肽 缩写:CS1 |
| EILDVPST | PH Japan | 无 | 规格:寡肽 缩写:VN1 |
| KGGPQVTRGDVFTMP | PH 日本 | 无 | 规格:寡肽 缩写:HBP1 |
| GKKQRFRHRNRKG | PH Japan | 无 | 规格:寡肽 缩写:HBP2C |
| CGGGKKQRFRHRNRKG | PH Japan | 无 | 规格:寡肽 缩写:VN1G |
| GGGGKGGPQVTRGDVFTMP | PH Japan | 无 | 规格:寡肽 缩写:VN2C |
| GCGGKGGPQVTRGDVFTMP | PH 日本 | 无 | 细胞外基质 缩写:rVN |
| 玻连蛋白 | Thermo Fisher Scientific | A14700 | 细胞外基质 缩写:FN |
| 纤连蛋白 | Sigma-Aldrich | F2006 | 规格:市售涂层材料 缩写:Synthemax II |
| Synthemax II | 康宁 | 3535 | 规格:聚合物 |
| 聚乙烯醇-co-衣康酸 | 日本 VAM &和Poval | AF-17 | 规格:化学 |
| 戊二醛 | Sigma-Aldrich | G5882 | 规格:化学类 |
| Na2SO4 | Sigma-Aldrich | 239313 | 规格:化学 |
| H2SO4 | Sigma-Aldrich | 339741 | 规格:化学 缩写:EDC |
| N-(3-二甲基氨基丙基)-N'-乙基碳二亚胺盐酸盐 | Sigma-Aldrich | E7750 | 规格:化学 缩写:NHS |
| N-羟基琥珀酰亚胺 | Sigma-Aldrich | 56480 | 规格:化学 |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich | P6148 | 规格:化学 |
| Triton-X100 | Sigma-Aldrich | T8787 | 规格:细胞培养耗材 |
| 细胞刮刀 | 康宁 | 3008 | 规格:细胞培养耗材 |
| Dispase II | Sigma-Aldrich | SI-D4693 | 规格:细胞培养基 |
| Essential 6 | Thermo Fisher Scientific | A1516401 | 规格:细胞培养基 |
| Essential 8 | Thermo Fisher Scientific | A1517001 | 规格:细胞培养基 |
| DMEM/F12 | 赛默飞世尔科技 | 11330-032 | 规格:细胞培养基 |
| DMEM | 赛默飞世尔科技 | 12800-017 | 规格:细胞培养基 |
| MCDB 201 | Sigma-Aldrich | M6770 | 规格:ES 细胞 |
| 人类胚胎干细胞 | WiCell 研究所股份有限公司 | WA09 | 规格:iPS 细胞 |
| 人诱导多能干细胞 | 理研细胞库 | HS0077 | 规格:35 毫米 缩写:TCP |
| TCP 培养皿 | 康宁 | 353001 | 规格:60 mm 缩写:TCP |
| TCP培养皿 | 康宁 | 353002 | 规格:24孔板 |
| 24孔板 | 康宁 | 353047 | 规格:封闭剂 |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A8806 | 规格:检测试剂 |
| 碱性磷酸酶活细胞染色 | Thermo Fisher Scientific | A14353 | 规格:检测试剂 |
| 苏木精 &&伊红 | Sigma-Aldrich | 1.05175 | 规格:拟胚体形成培养皿 |
| 6孔超低吸附培养皿 | 康宁 | 3471 | 规格:包被材料 |
| 明胶 | Sigma-Aldrich | G9391 | 规格:包被材料 |
| Matrigel | 康宁 | 354230 | 小鼠 |
| NOD-SCID 小鼠 | 国家应用研究实验室 | 无 | 规格:血清 |
| 胎牛血清 | 生物工业公司 | 04-001-1A | 规格:抗生素 |
| 抗真菌抗生素 | 赛默飞世尔科技 | 15240-062 | 规格:抗体 |
| Nanog 抗体 | Invitrogen | MA1-017 | 规格:抗体 |
| SSEA4 抗体 | Abcam | ab16287 | 规格:抗体 |
| OCT3/4 抗体 | Invitrogen | PA5-27438 | 规格:抗体 |
| Sox2 抗体 | Invitrogen | 48-1400 | 规格:抗体 |
| 平滑肌肌动蛋白抗体 | Invitrogen | PA5-19465 | 规格:抗体 |
| 甲胎蛋白(AFP)抗体 | Invitrogen | PA5-21004 | 规格:抗体 |
| 抗体 GFAP | Invitrogen | MA5-15086 | 规格:抗体 |
| Alexa Fluor 555 – 偶联的山羊抗小鼠抗体 | Invitrogen | A-21422 | 规格:抗体 |
| Alexa Fluor 488 – 偶联的山羊抗兔抗体 | Invitrogen | A-11008 | 规格:抗体 |
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