本方案描述了一种心脏前体细胞的内皮分化技术,重点介绍血清浓度和细胞接种密度如何影响内皮分化潜能。
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本方案描述了一种心脏前体细胞的内皮分化技术,重点介绍血清浓度和细胞接种密度如何影响内皮分化潜能。
心脏祖细胞(CPCs)在损伤后心脏再生中可能具有治疗潜力。在成年哺乳动物心脏中,内源性CPCs极为稀少,但扩增后的CPCs可能对细胞治疗具有应用价值。其应用的前提是能够通过明确且高效的方案,可控地分化为多种心脏谱系细胞。此外,从患者或临床前疾病模型中分离的CPCs在体外扩增后,可为研究疾病机制提供有价值的工具。 体外 扩增后,从患者或临床前疾病模型中分离的CPCs可为疾病机制的研究提供有效的研究工具。
目前的研究使用不同的标志物来鉴定心脏祖细胞(CPCs)。然而,并非所有这些标志物均在人类中表达,这限制了某些临床前研究的转化价值。无论分离技术或标志物表达如何,均可适用的分化方案将有助于实现CPCs在细胞治疗应用中的标准化扩增与预处理。本文描述了在低胎牛血清(FBS)浓度和低细胞密度条件下对CPCs进行预处理,可促进其向内皮细胞分化。通过使用小鼠和大鼠CPCs的两个不同亚群,我们证明在以下方案中,层粘连蛋白(laminin)比纤连蛋白(fibronectin)更适合作为此目的的基质:在含有维持多能性添加剂并添加3.5% FBS的培养基中培养2–3天后,将CPCs以低于60%融合度接种于层粘连蛋白上,并在不含添加剂、仅含低浓度FBS(0.1%)的培养基中培养20–24小时,随后转入内皮细胞分化培养基进行分化。由于CPCs为异质性细胞群体,血清浓度和孵育时间可能需要根据特定CPC亚群的特性进行调整。考虑到这一点,该技术也可应用于其他类型的CPCs,为研究CPCs的分化潜能与机制及其在来源于相应疾病模型的CPCs中如何受疾病影响提供了有效方法。 <60%融合度,并在无添加物、低浓度FBS(0.1%)的培养基中培养20–24小时,随后转入内皮细胞分化培养基进行分化。由于CPCs为异质性细胞群体,血清浓度和孵育时间可能需要根据特定CPC亚群的特性进行调整。考虑到这一因素,该技术也可适用于其他类型的CPCs,为研究CPCs的分化潜能与机制及其在来源于相应疾病模型的CPCs中如何受疾病影响提供了有效方法。
近期研究表明,成年哺乳动物心脏中存在常驻的心脏祖细胞(CPCs)1,2,3,且CPCs可能在心脏损伤后细胞治疗中具有应用价值4,5。此外,从患有罕见心肌病的患者或相应疾病模型中分离出的扩增CPCs,可为药物筛选和疾病机制研究提供有效的模型6,7。
从成年心脏中分离出的心脏祖细胞(CPCs)具有干细胞/祖细胞特性1,2,3,8,表现为多能性、克隆形成能力以及自我更新能力。然而,存在多种不同的(亚)群CPCs,其表面标志物谱各不相同,例如c-kit、Sca-1等,或通过不同的分离技术获得(表1)。目前已建立多种培养与分化方案1,2,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18。这些方案主要在生长因子和血清成分上存在差异,通常根据培养目的进行调整,可能导致实验结果和结局的不同,包括分化效率的差异。
基于标记物的分离技术:
可根据特定的表面标志物表达来分离CPCs1,2,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18。先前的研究表明,c-kit和Sca-1 可能是分离驻留型CPCs的最佳标志物1,11,14,19,20。由于这些标志物中没有一种对CPCs具有真正的特异性,通常会联合使用多种标志物。例如,尽管CPCs表达低水平的c-kit21,但其他细胞类型(包括肥大细胞22、内皮细胞23和造血干细胞/祖细胞24)也表达c-kit。另一个问题是并非所有标志物在所有物种中均有表达。Sca-1即为一例,其在小鼠中表达,但在人类中不表达25。因此,在涉及临床试验及使用人类样本的研究中,采用不依赖于分离标志物的方案可能更具优势。
不依赖标记物的分离技术:
目前存在多种主要的CPC分离技术,这些技术主要不依赖于表面标志物的表达,但可根据需要通过连续筛选特定标志物阳性的亚群进行优化(另请参见 表1)。(1) 侧群(side population, SP)技术最初基于原始造血干细胞群体排出DNA染料Hoechst 33342的能力而被鉴定26 通过ATP结合盒(ABC)转运蛋白27心脏SP细胞已被不同研究团队分离,并报道其表达多种标志物,各研究间的报告存在一些细微差异。2,8,13,14(2) 成纤维细胞集落形成单位(CFU-Fs)最初是基于类似间充质基质细胞(MSC)的表型定义的。分离得到的MSC在培养皿中培养以诱导集落形成。这类具有集落形成能力的、类似MSC的CFU-Fs可从成年心脏中分离获得,并具有向心脏谱系分化的潜能。15. (3)心脏球来源细胞(CDC)是从组织活检或外植体培养形成的细胞簇中分离得到的单个细胞28,29,30,31最近研究表明,主要是 CD105+/CD90-c-kit- 细胞组分具有心肌生成和再生潜能32.
本文利用从小鼠中分离的SP-CPCs,提供了一种高效诱导内皮细胞谱系的实验方案,该方案基于先前在大鼠CPCs和小鼠SP-CPCs中的研究33。该方案针对细胞密度、培养基中的血清含量以及培养基质等方面,对细胞的培养与扩增技术进行了特定优化。该方法不仅适用于小鼠SP-CPCs,还可应用于其他类型的CPCs,以诱导细胞从扩增状态向内皮细胞定向分化的命运转变,无论其目的是用于细胞移植,还是用于机制性的in vitro研究。
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用于细胞分离的小鼠使用遵循《实验动物护理和使用指南》以及瑞士动物保护法,并已获得瑞士州级主管部门的批准。
注意:从小鼠心脏分离 Sca-1+/CD31- SP-CPC 的方法基本如先前所述34,但有部分修改。所用材料与试剂详见材料表。所有实验中,从小鼠分离的心脏 SP-CPC 均以类似细胞系的方式进行扩增、传代和使用。本研究使用第 7 至 20 代的细胞。
1. 组织制备
注意:所有使用小鼠的实验必须根据相关指南和法规进行。本方案使用四只小鼠。在本方案的以下部分中,直径为100 mm的培养皿记为P100,直径为60 mm的培养皿记为P60。
2. 消化
3. 过滤
4. 通过流式细胞术分选心脏SP细胞
注意:维拉帕米通过抑制多药耐药性(MDR)ABC转运蛋白的活性来阻断 Hoechst 的外排。Hoechst 33342 是一种可与DNA结合的染料,可用于活细胞中检测细胞周期,因其荧光信号与DNA含量相关。能够外排 Hoechst 33342 的细胞在两个发射波长通道(450 nm,Hoechst 蓝色;650 nm,Hoechst 红色)的低荧光区域呈现,位于保留 Hoechst 的“主群体”之外,因此被称为“侧群”(side population, SP)。SP细胞富集具有前体细胞特性的细胞,并高表达多药耐药性ABC转运蛋白(如 MDR1 和 ABCG2)。在本方案后续部分,Hoechst 33342 简称为 Hoechst。为获得理想结果,需注意对光敏感材料进行避光保护。
5. 分离的SP-CPCs原代培养
注意:本实验方案中使用了三种不同的培养基,分别称为培养基1(依据Noseda et al.)8、培养基2和培养基3,其组成详见材料表。
6. SP-CPCs 的扩增与分化
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小鼠 SP-C 阳性肺泡上皮细胞的分离:
本研究中,我们采用了根据侧群(SP)表型分离的小鼠CPCs,而大鼠CPCs的结果则经修改并添加自先前的报告(已获许可)(图8)33。
高密度和低密度细胞在不同血清浓度下的细胞增殖:
我们之前的研究表明,心源性谱系标志物的mRNA表达在培养的最初24小时内即发生变化。已知细胞外基质会影响细胞命运的决定,包括内皮分化35。为了探索促进心脏前体细胞(CPCs)向内皮谱系分化的适宜条件,本研究在6孔板(生长面积:9.6 cm2<...
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本方案的优势:
本方案提供了一种CPCs向内皮细胞分化的技术。我们发现,在低血清浓度和低细胞密度条件下,内皮分化效率得以提高,且在此条件下,层粘连蛋白(LN)比纤连蛋白(FN)更适合作为基质。我们使用了两种不同类型的CPCs:大鼠CPCs(以类似细胞系的方式使用)和小鼠SP-CPCs(经分离与扩增获得)。值得注意的是,该方案适用于这两种CPCs。目前的技术已能够使科研人员从基因修饰小鼠、临床前疾病模型以及人体中分离并扩增原代CPCs28,36。将本方案应用于分离获得的CPCs,不仅有助于疾病机制的研究,也有助于探索新的治疗靶点。
心肌前体细胞目前正处于细胞治疗的临床试验阶段4,5,通过从患者体内分离细胞,并在体外处理后回输 体外 扩增。在这方面,本文所述方案有助于在移植前识别出增强此...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢Vera Lorenz在实验过程中提供的有益支持,以及巴塞尔大学和巴塞尔大学医院生物医学系(DBM)流式细胞术平台工作人员的帮助。本研究由巴塞尔大学的Stay-on track项目(资助Michika Mochizuki)提供支持。Gabriela M. Kuster获得了瑞士国家科学基金会的资助(资助号310030_156953)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 培养基 | |||
| Iscove's 改良 Dulbecco's 培养基(IMDM) | ThermoFisher | #12440 | |
| Dulbecco改良型Eagle培养基(DMEM)/F12营养混合物 | 默克 | #D8437 | |
| 青霉素-链霉素(P/S) | ThermoFisher | #15140122 | |
| 胎牛血清(FBS) | Hyclone | #SH30071 | 3.5%(谱系诱导时为0.1%) |
| L-谷氨酰胺 | ThermoFisher | #25030 | 终浓度 2 mM |
| 谷胱甘肽 | 默克 | #G6013 | |
| 重组人表皮生长因子(EGF) | Peprotech | #AF-100-15 | |
| 重组碱性成纤维细胞生长因子(FGF) | Peprotech | #AF-100-18B | |
| B27 补充剂 | ThermoFisher | #17504044 | |
| 心肌营养素1 | Peprotech | #250-25 | |
| 凝血酶 | Diagontech AG,瑞士 | #100-125 | |
| Hanks' 平衡盐溶液 (HBSS) CaCl2(-), MgCl2(-) | ThermoFisher | #14170 | |
| 0.05 % 胰蛋白酶-EDTA | ThermoFisher | #25300 | |
| T75 培养瓶 | Sarstedt | #83.3911 | |
| 内皮分化 | |||
| 内皮细胞生长培养基(EGM)-2 BulletKit | Lonza | #CC-3162 | |
| Ham's F-12K(Kaighn's)培养基 | ThermoFisher | #21127 | |
| 层粘连蛋白 | 默克 | #L2020 | |
| 纤连蛋白 | 默克 | #F4759 | 用ddH2O稀释 |
| 6孔板 | Falcon | #353046 | |
| 甲醛溶液 | 默克 | #F1635 | 在 PBS 中稀释 1:10(终浓度为 3.7%) |
| Triton X-100 | 默克 | #93420 | 0.1% 的 ddH2O 溶液 |
| 正常山羊血清(10%) | ThermoFisher | #50062Z | |
| 抗血管性血友病因子抗体 | Abcam | #ab6994 | 1:100,溶于10%山羊血清中 |
| 山羊抗兔IgG,Alexa Fluor 546 | ThermoFisher | #A11010 | 1:500,溶于10%山羊血清中 |
| 4',6-二脒基-2-苯基吲哚二盐酸盐(DAPI) | ThermoFisher | #62247 | 1:500,溶于ddH2O |
| SlowFade 抗荧光淬灭试剂盒 | ThermoFisher | #S2828 | |
| BX63 宽场显微镜 | 奥林巴斯 | ||
| 管状结构形成 | |||
| 96孔板 | Falcon | #353072 | |
| 带滤网帽的5 ml圆底管 | Falcon | #352235 | |
| 基质胶生长因子减量 | 康宁 | #354230 | |
| IX50 宽场显微镜 | 奥林巴斯 | ||
| Sca-1+/CD31- 心脏侧群细胞的分离34 | |||
| 试剂 | |||
| 戊巴比妥钠 50 mg/ml 兽用 | 院内医院药房 | #9077862 | 工作溶液:200 mg/kg |
| 磷酸盐缓冲液(PBS),不含 CaCl₂,不含 MgCl₂ | ThermoFisher | #20012 | |
| Hanks' 平衡盐溶液 (HBSS) CaCl2(-), MgCl2(-), 酚红(-) | ThermoFisher | #14175 | 配制 500 mL HBSS 加 2% FBS 用于淬灭胶原酶B活性 |
| Dulbecco改良Eagle培养基(DMEM),含1 g/L D-葡萄糖、L-谷氨酰胺、丙酮酸 | ThermoFisher | #331885 | 配制 DMEM + 10% FBS + 25 mM HEPES + P/S 用于Hoechst染色 |
| 青霉素-链霉素 (P/S) | ThermoFisher | #15140122 | |
| HEPES 1 M | ThermoFisher | #15630080 | 终浓度 25 mM |
| 胎牛血清(FBS) | Hyclone | #SH30071 | |
| RBC裂解缓冲液(10X) | BioLegend | #420301/100mL | 用ddH₂O稀释至1×,并通过0.2 μm滤膜过滤 µm 滤膜 |
| 胶原酶B | 默克 | #11088807001 | 终浓度为1 mg/mL的HBSS溶液,经0.2 μm滤膜过滤 µm 滤膜 |
| 双苯并咪唑 H33342 三盐酸盐(Hoechst) | 默克 | #B2261 | 用ddH₂O配制1 mg/mL溶液 |
| 盐酸维拉帕米 | 默克 | #V4629 | 终浓度 83.3 µM |
| APC 小鼠抗大鼠 CD31 | BD Biosciences | #551262 | 0.25 µ克/107细胞 |
| FITC 标记大鼠抗小鼠 Ly-6A/E (Sca-1) | BD Biosciences | #557405 | 0.6 µ克/107细胞 |
| 7-氨基放线菌素D (7-ADD) | ThermoFisher | #A1310 | 0.15 µ克/106细胞 |
| APC 标记的大鼠 IgG2a k 同型对照 | BD Biosciences | #553932 | 0.25 µ克/107细胞 |
| FITC 标记的大鼠 IgG2a κ 同型对照 | BD 生物科学 | #554688 | 0.6 µ克/107细胞 |
| 材料 | |||
| 27G针头 | Terumo | #NN-2719R | |
| 18G针头 | Terumo | #NN-1838S | |
| 一次性使用无菌1 mL注射器 | CODAN | #62.1640 | |
| 移液管 3.5 mL | Sarstedt | #86.1171.001 | |
| 细胞筛 40 µm blue | BD Biosciences | #352340 | |
| 细胞滤网 100 µm 黄色 | BD Biosciences | #352360 | |
| Lumox 培养皿 50 | Sarstedt | #94.6077.305 | |
| P100 培养皿 | 康宁 | #353003 | |
| 60 mm 培养皿 | 康宁 | #353004 | |
| 小鼠 | |||
| 行 | 年龄 | 繁殖 | |
| C57BL/6NRj / 雄性 | 12 周 | 自主研发 | |
| 产品名称 | 公司 | 目录编号 | |
| 试剂 | |||
| Iscove's 改良 Dulbecco's 培养基 (IMDM) | ThermoFisher | #12440 | |
| Dulbecco改良Eagle培养基(DMEM)/F12 Ham营养混合物 | 默克 | #D8437 | |
| 青霉素-链霉素 (P/S) | ThermoFisher | #15140122 | |
| 胎牛血清(FBS) | Hyclone | #SH30071 | |
| L-谷氨酰胺 | ThermoFisher | #25030 | |
| 谷胱甘肽 | 默克 | #G6013 | |
| B27 补充剂 | ThermoFisher | #17504044 | |
| 重组人表皮生长因子(EGF) | Peprotech | #AF-100-15 | |
| 重组碱性成纤维细胞生长因子(FGF) | Peprotech | #AF-100-18B | |
| 心肌营养素1 | Peprotech | #250-25 | |
| 凝血酶 | Diagontech AG,瑞士 | #100-125 | |
| 内皮细胞生长培养基(EGM)-2 BulletKit | Lonza | #CC-3162 | |
| 培养基成分概述。部分信息与上述内容相同,但按培养基1-3的成分顺序进行整理。 | |||
| 产品名称 | 培养基18 | 培养基2 | 培养基3 |
| 试剂 | 培养 | 谱系诱导 | 内皮分化 |
| Iscove's 改良 Dulbecco's 培养基 (IMDM) | 35% | 35% | |
| Dulbecco改良Eagle培养基(DMEM)/F12 Ham营养混合物 | 65% | 65% | |
| 青霉素-链霉素 (P/S) | 1% | 1% | |
| 胎牛血清(FBS) | 3.5% | ≤0.1% | |
| L-谷氨酰胺 | 2 mM | 2 mM | |
| 谷胱甘肽 | 0.2 nM | 0.2 nM | |
| B27 补充剂 | 1.3% | ||
| 重组人表皮生长因子(EGF) | 6.5 ng/mL | ||
| 重组碱性成纤维细胞生长因子(FGF) | 13 ng/mL | ||
| 心肌营养素1 | 0.65 ng/mL | ||
| 凝血酶 | 0.0005 U/mL | 试剂盒中包含的所有必要组分 | |
| 内皮细胞生长培养基(EGM)-2 BulletKit | 试剂盒中包含所有必需组分 |
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