本方案描述了一种在96孔板体系中由人多能干细胞生成肝细胞样细胞的半自动化方法。该过程快速且成本效益高,可用于生产质量可控的肝细胞样细胞批次,服务于基础和应用型人类研究。
本方案描述了一种在96孔板体系中由人多能干细胞生成肝细胞样细胞的半自动化方法。该过程快速且成本效益高,可用于生产质量可控的肝细胞样细胞批次,服务于基础和应用型人类研究。
人类多能干细胞是人类组织的一种可再生来源。我们的研究重点是利用人类胚胎干细胞(hESCs)和诱导性多能干细胞(iPSCs)生成人类肝组织。目前的分化方法所产生的类肝细胞(HLCs)表现出胎儿和成体特征的混合状态。为了改善细胞表型,我们已完全明确了分化过程及细胞微环境,从而获得了基因表达和 功能均得到提升的细胞群体。尽管这些研究取得了进展,但由于操作繁琐且批次间存在差异,用于筛选的大规模多孔板细胞制备能力仍受到限制。为解决这一问题,我们开发了一种半自动化平台,用于将多能干细胞分化为类肝细胞。干细胞的接种与分化过程采用液体处理系统和自动移液系统,在 96孔板格式中完成。分化完成后,通过自动化显微镜和多孔板发光检测仪对细胞表型进行分析。
原代人肝细胞(PHHs)是目前肝脏生物医学研究的标准模型。尽管具有诸多优势,PHHs仍存在来源有限、表型不稳定等局限性1。人胚胎干细胞(ESCs)和人诱导多能干细胞(iPSCs)已被提出作为生物医学研究的强大资源,有望提供可再生的人体组织来源,包括肝脏组织2,3,4。目前的肝细胞分化方案所获得的细胞能够表达与PHHs相似的肝细胞标志物、基因及功能3,4,5,6,7,8,9,10,11。近年来,使用明确成分的材料和基质(如重组层粘连蛋白)已显著改善了细胞表型及实验的可重复性5,12,13,14。
传统的细胞培养技术在很大程度上依赖于手动移液,既耗时又容易出错。这限制了检测的通量以及可使用的培养板规格。迄今为止,大多数描述肝样细胞(HLCs)生成的研究均具有较高的劳动强度,因此规模较小15,16,17。
液体处理与移液系统的最新进展,结合自动化显微镜和实验室分析仪,使得开发出最大限度减少人为干预的实验流程成为可能。我们利用这些技术,建立了一种半自动化的分化系统,可用于生成大量人肝组织 ,服务于基础与应用型生物医学研究。该方法适用于人胚胎干细胞(ESC)和诱导多能干细胞(iPSC)系,仅需根据具体细胞系进行少量调整。将该系统与高内涵分析相结合,我们证明了肝样细胞(HLC)表型分析可以更节省时间,并实现规模化操作18,19,20,21。
总之,本文所述的细胞培养技术自动化已提高了实验的可靠性、时间管理效率以及检测通量。
1. 将人多能干细胞(hPSCs)接种至 用于肝细胞分化的96孔板
注意:本实验方案中使用的试剂和设备已列于表1中。本实验所用培养基必须无菌,并在室温下用于细胞培养。本部分所述的所有试剂/溶液用量均基于96孔板的单个孔,除非另有说明。
2. 在重组层粘连蛋白上将人多能干细胞分化为肝细胞样细胞 96孔板
3. 在重组层粘连蛋白上分化的肝细胞样细胞的表征
4. 高通量免疫细胞化学与图像采集
细胞分化实验采用胚胎干细胞系(H9)进行。使用半自动化平台对细胞进行分化与表征(图1A)。通过自动液体处理分配仪进行基质包被和单细胞接种。当细胞融合度达到40%时(第0天),启动细胞分化程序。使用自动手持式电子多通道移液系统移除培养基,并结合液体处理分配仪添加新鲜培养基,以完成换液操作(图1A)。细胞固定和染色步骤由自动液体处理分配仪与自动板式洗板机联合完成。成像与定量分析采用高内涵成像系统及Columbus软件进行。细胞色素P450活性通过既定的检测方法测定。在底物孵育后,收集细胞上清液,并使用多功能微孔板读板仪记录生物发光信号(图1A)。此外,采用传统的相差显微镜观察肝细胞分化过程中细胞形态的变化(图1B)。
在第18天,通过DAPI染色检测了各孔之间细胞数量的差异(图2A)。每孔采集七个视野图像,并对细胞核数量进行定量分析(图2A)。结果显示,各孔之间无统计学差异,平均每孔细胞数为41,662 ± 3,366个(图2B)。
在第18天,对肝样细胞(HLCs)进行固定,并染色检测典型的肝细胞标志物(图3A-G),同时检测CYP P450活性。HLCs表达多种肝细胞标志物,包括HNF4α(阳性细胞比例为89.2% ±2)、ALB(阳性细胞比例为92.8% ±6)和AFP(阳性细胞比例为61.8% ±2)。HLCs还表达CYP P450蛋白CYP2D6和CYP3A4,并表现出明显的多边形形态,E-钙黏蛋白(E-Cadherin)蛋白的表达证实了这一点。在第18天测得HLCs的CYP P450活性,其中CYP1A2活性为295,906 ±45,828 RLU/mL/mg蛋白,CYP3A活性为1,066,112 ±177,416 RLU/mL/mg蛋白(图3H)。

图1:在96孔板格式中由PSCs向肝细胞分化。 (A) 用于半自动化实现细胞分化、固定、染色、成像及功能活性检测的设备示意图。(B) HLC分化过程中细胞形态的代表性变化。简言之,PSCs首先被诱导为定型内胚层,随后指定为肝母细胞,此阶段细胞呈现鹅卵石样形态,之后进一步成熟为多边形的肝样细胞。比例尺 = 100 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:肝样细胞(HLCs)孔间变异性的评估。(A) 经 DAPI 染色的 96 孔板中 HLCs 的图像展示。比例尺 = 1 mm。(B) 每孔细胞数量的定量分析。每孔取七个视野,使用 Columbus 软件进行量化,得到各列(上图)和各行(下图)每孔的平均细胞数。整块板的平均每孔细胞数为 41,662 ± 3,366 SEM。各孔之间未观察到具有统计学意义的差异。采用单因素方差分析(One-way ANOVA)结合 Tukey 事后检验进行统计分析。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:第18天肝样细胞中肝细胞标志物表达及CYP P450活性检测 (A) 肝细胞核因子4α的百分比 (HNF4α)表达量以均值±标准误表示,基于三十个孔,每孔十个视野。 (B) 白蛋白(ALB)表达百分比以均值±标准误(SEM)表示,基于3个独立孔,每孔观察10个视野。 (C) 甲胎蛋白(AFP)的百分比 ± 标准误(SEM)基于3个独立孔,每孔观察10个视野。 (D) E-cadherin 染色 (E) CYP2D6 染色 (F) CYP3A4 染色 (G)免疫球蛋白G(IgG)染色对照。比例尺 = 50 µm. (H) 第18天HLCs中CYP P450 1A2和3A的代谢活性。数据表示六次生物学重复实验的均值±标准误(SEM)。活性单位为每毫克蛋白每毫升的相对光单位(RLUs/mL/mg蛋白)。 请点击此处以查看此图的放大版本。
我们的半自动化流程高效、可靠且经济,能够大规模生产 HLCs (图1)。培养板中各孔之间的细胞数量无显著差异,表明该平台适用于基于细胞的筛选实验(图2)。此外,半自动化工作流程使用户能够一次性制备大量培养板,而这是以往手动操作无法实现的5,12。
重要的是,自动化过程并未影响分化效率,大多数细胞表达HNF4α(89.2%±2)和ALB(92.8%±6) (图3)。肝样细胞(HLCs)还表达CYP P450酶CYP2D6和CYP3A4,并表现出与既往报道实验相当的CYP1A2和CYP3A代谢活性(图3)5。尽管该方案已实现标准化,但在分化前细胞的汇合度对于获得高纯度的肝样细胞分化至关重要。因此,确保细胞在孔板中的均匀分布是一个重要的考虑因素(图1)。该因素已被证明依赖于细胞系,因此在扩大培养规模之前,需针对每种细胞系优化细胞接种和密度条件。
目前,该平台尚不适合用于临床应用所需的大规模HLCs生产,这一目标更可能通过细胞工厂和生物反应器来实现。然而,所建立的方法确实能够快速生成人肝细胞,用于疾病建模、药物筛选和/或药物再利用研究。此外,该检测方法适用于多重分析,可生成多参数数据集以进行机制性分析。展望未来,我们还认为该技术可应用于更复杂的 体外 3D 分化系统或作为改善肝样细胞表型的平台 体外.
总之,我们认为,我们这套简单且半自动化的系统将提高实验通量,减少实验变异,从而提升生物数据集的质量及其向人体生理学的外推效果。
David C. Hay 教授是 Stemnovate Limited 的联合创始人兼董事。
David C. Hay 教授是 HigherSteaks Limited 的董事。
本工作获得了首席科学家办公室(TCS/16/37)资助及医学研究理事会(MRC)博士奖学金的支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 405 LS 洗板机 | Biotek | ||
| B27 添加剂 | Life Technologies | 12587-010 | |
| β-巯基乙醇 | Life Technologies | 31350 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich | A2058 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D5879 | |
| 含钙镁的 DPBS | ThermoFisher | 14040133 | |
| 温和细胞解离试剂 | STEMCELL Technologies | 7174 | |
| GlutaMax | Life Technologies | 35050 | |
| VIAFLO 96 用 GripTips | Integra | 6434 | |
| HepatoZYME-SFM 培养基 | Life Technologies | 17705021 | |
| 人 Activin A | Peprotech | 120-14E | |
| 人肝细胞生长因子 | Peprotech | 100-39 | |
| 人 Oncostatin M | Peprotech | 300-10 | |
| 人重组层粘连蛋白 521 | BioLamina | LN521-02 | |
| 氢化可的松 21-半琥珀酸钠盐 | Sigma-Aldrich | H4881 | |
| Knockout DMEM | Life Technologies | 10829 | |
| Knockout 血清替代物 | Life Technologies | 10828 | |
| mTeSR1 培养基 | STEMCELL Technologies | 5850 | |
| Multidrop Combi 试剂分配仪 | ThermoFisher | 5840300 | |
| 非必需氨基酸 | Life Technologies | 11140 | |
| Operetta 高内涵成像系统 | PerkinElmer | HH12000000 | |
| 青霉素-链霉素(10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140122 | |
| 重组小鼠 Wnt3a | R&D Systems | 1324-WN-500/CF | |
| Rho 相关激酶(ROCK)抑制剂 Y27632 | Sigma-Aldrich | Y0503-1MG | |
| RPMI 1640 | Life Technologies | 21875 | |
| 标准管式分配卡盒 | ThermoFisher | 24072670 | |
| TWEEN 20 | Sigma-Aldrich | P9416 | |
| VIAFLO 96 电子 96 道移液器 | Integra | 6001 | |
| 无钙无镁 PBS | ThermoFisher | 14190250 | |
| 4% 甲醛溶液,缓冲液,pH 6.9 | Sigma-Aldrich | 1.00496 EMD MILLIPORE | |
| P450-Glo CYP3A4 检测与筛选系统 | Promega | V8801 | |
| P450-Glo CYP1A2 检测与筛选系统 | Promega | V8771 | |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | |
| 抗体 | |||
| 白蛋白 | Sigma-Aldrich | A6684 | 1:200(小鼠) |
| 甲胎蛋白 | Abcam | ab3980 | 1:500(小鼠) |
| CYP2D6 | 邓迪大学 | 邓迪大学 | 1:200(绵羊) |
| CYP3A4 | 邓迪大学 | 邓迪大学 | 1:200(绵羊) |
| HNF-4α | Santa Cruz | sc-8987 | 1:400(兔) |
| E-钙黏蛋白 | Abcam | ab76055 | 1:200(小鼠) |
| IgG | DAKO | 1:400 | |
| 抗小鼠 488(二抗) | Life technologies | A-11001 | 1:400 |
| 抗绵羊 488(二抗) | Life technologies | A-11015 | 1:400 |
| 抗兔 488(二抗) | Life technologies | A-11008 | 1:400 |