本方案描述了一种利用定义明确的培养系统和细胞自组装方法,从人多能干细胞生成肝细胞球的策略。该方案在多种细胞系中具有可重复性,成本效益高,并可实现用于生物医学应用的稳定人肝细胞球的制备。
本方案描述了一种利用定义明确的培养系统和细胞自组装方法,从人多能干细胞生成肝细胞球的策略。该方案在多种细胞系中具有可重复性,成本效益高,并可实现用于生物医学应用的稳定人肝细胞球的制备。
开发可再生的肝组织来源对于改进基于细胞的模型以及发展人体组织工程至关重要 用于移植。人类胚胎干细胞(hESCs)和人类诱导性多能干细胞(hiPSCs)是生成人类肝类球体的有前景的细胞来源。我们已开发出一种无血清且成分明确的细胞分化方法,可由人类多能干细胞生成三维人类肝类球体。该技术的一个潜在局限在于会形成内部含有死亡物质的致密球体。为克服这一问题,我们采用琼脂糖微孔技术,在特定细胞密度下调控三维球体的大小,从而防止凋亡和/或坏死核心的形成。 值得注意的是,我们方法所生成的类器官具有肝脏功能和稳定的表型,为基础与应用科学研究提供了宝贵的资源。我们相信,该方法可作为一种平台技术,用于进一步开发用于模拟和治疗人类疾病的组织,并在未来有望实现具有复杂组织结构的人体组织的构建。
人类多能干细胞(hPSCs)在保持多能性的同时具备自我更新的能力,这为按需生成人类细胞类型和组织提供了可能。已利用二维(2D)贴壁培养系统高效地将hPSCs分化为肝细胞样细胞(HLCs)1,2,3,4,5,6,7,8,9,10。这些系统已被成功用于单基因病、病毒生命周期、药物性肝损伤(DILI)、胎儿毒素暴露以及非酒精性脂肪性肝病(NAFLD)的建模11,12,13,14,15。然而,这些模型仍存在一些局限性,限制了其常规应用,包括表达胎儿标志物、表型不稳定以及组织结构不佳16,17,18,19,这些问题也可能限制其向体内器官功能的外推。
为了克服这些局限性,已开发出三维(3D)分化平台,以模拟体内组织结构。尽管这些方法具有促进作用,但其依赖于动物来源的产品和基质来驱动组织形成20,21,22,限制了其规模化和广泛应用。
本文详细介绍了使用确定成分的材料和细胞自组装方法,从人多能干细胞(hPSCs)生成大量三维肝球体的操作步骤。值得注意的是,本方法生成的组织在细胞培养中可维持功能超过一年,并能在体内支持肝脏功能23。
总之,我们所定义的分化方法能够利用人胚胎干细胞(hESCs)和诱导多能干细胞(iPSCs)生成稳定的三维人肝细胞球。我们认为,该方法在基础与应用科学研究中生成三维肝细胞球方面代表了一项重要突破。
1. 琼脂糖微孔板模具的制备
注意:本实验所用培养基必须无菌,并在细胞培养时保持室温(RT)。
2. 将人多能干细胞接种至琼脂糖微孔板
3. 在琼脂糖微孔中将人多能干细胞分化为三维肝球体
4. 长期培养的三维肝细胞球的功能分析
5. 免疫细胞化学
采用我们定义的方案,将来自胚胎干细胞系(H9)或诱导多能干细胞系(P106)的三维细胞聚集体向肝细胞谱系进行分化(图1)。首先将多能干细胞诱导为定型内胚层,随后指定为肝前体细胞。在此之后,肝前体细胞进一步成熟为三维肝细胞球体,可在体外培养中维持长达一年23。
为了研究三维球体的结构,将30天大的由hESC或iPSC分化而来的球体进行固定、切片并染色,以检测肝细胞和间充质细胞中表达的蛋白质。使用了肝细胞核因子4α(HNF4α)和间充质标志物波形蛋白(vimentin),结果显示球体由外层的肝细胞样细胞包裹着内部的间充质细胞核心构成(图2)。随后,我们进一步分析了肝细胞中表达的蛋白质,包括白蛋白(albumin)、CYP3A和E-钙黏蛋白(E-cadherin)。免疫染色显示,这些蛋白质的表达局限于球体的外层(图3)。
在培养第30天对肝球状体进行了功能分析。CYP1A2和CYP3A是功能性肝细胞中的重要酶,其活性通过已建立的检测方法进行评估。H9来源的肝球状体表现出的CYP3A活性为220,375 ± 74,514 RLU/mL/mg蛋白,CYP1A2活性为732,440 ± 33,330 RLU/mL/mg蛋白(图4A)。P106来源的肝球状体CYP3A活性为132,117 ± 43,391 RLU/mL/mg蛋白,CYP1A2活性为409,907 ± 121,723 RLU/mL/mg蛋白(图4B)。与两批人原代肝细胞相比,三维肝球状体表现出相当可观的CYP酶活性10。
白蛋白和甲胎蛋白(AFP)的合成与分泌分析显示,H9来源的肝球状体分别分泌白蛋白和甲胎蛋白为 683.9 ± 84 和 159 ± 20 ng/mL/24 h/mg 蛋白(图5A);而P106来源的肝球状体分别分泌白蛋白和甲胎蛋白为 497 ± 41 和 756 ± 24 ng/mL/24 h/mg 蛋白(图5B)。

图 1:由人胚胎干细胞(hESCs)生成三维肝球体的逐步分化流程。蓝色方括号表示人诱导多能干细胞(hiPSCs)的分化天数。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:三维肝球体的结构重组。 H9来源的三维肝球体(A)和P106来源的三维肝球体(B)中肝细胞核因子4α(HNF4α,绿色)和波形蛋白(vimentin,红色)表达的代表性图像,及其相应的免疫球蛋白G(IgG)对照。比例尺代表60 μm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:三维肝球体中肝细胞标志物表达的评估。 人肝细胞标志物——白蛋白、CYP3A、E-钙黏蛋白及其相应的IgG对照在(A)H9来源和(B)P106来源的三维肝球体中的代表性图像。比例尺 = 60 μm。 请点击此处查看本图的放大版本。

图4:三维肝球体中细胞色素P450的功能。检测(A)H9来源的三维肝球体和(B)P106来源的三维肝球体中细胞色素P450 1A2和3A的活性。。 数据为三次生物学重复实验的平均值,误差线表示标准差(SD)。活性单位为每毫升每毫克蛋白的相对发光单位(RLU)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图5:肝细胞球蛋白分泌分析。分析了(A)H9来源的3D肝细胞球和(B)P106来源的3D肝细胞球中白蛋白和甲胎蛋白(AFP)的分泌情况。数据代表三次生物学重复实验的结果,误差线表示标准差(SD)。分泌蛋白的量以每毫升每24小时每毫克蛋白所含蛋白的纳克数(ng/mL/24h/mg protein)表示。请点击此处查看该图的放大版本。
为了体外和体内研究的需要,必须开发明确且无异源成分的3D人肝细胞球体培养系统。目前,大多数由人多能干细胞分化为肝细胞的方法均在二维贴壁培养体系中进行。这类培养环境缺乏组织发生和稳态维持过程中所需的多种微环境信号,包括异型细胞间的相互作用、基质的生成与重塑,从而导致其难以准确模拟体内生物学特性18,19。
因此,研究重点已转向利用多能干细胞生成肝细胞球的替代方法。尽管已有许多三维研究推动了该领域的发展,但这些方法依赖动物源性成分20,22,24以提供支持和/或需要使用人源组织21,22,这使得技术放大变得复杂,并影响实验的可重复性与应用前景。
本文所述的方法(图1)具有定义明确、高效、高度可重复且成本低廉的特点,能够生成具有功能性的肝类球体,这些类球体在体外可维持功能超过一年,并在体内提供关键的肝脏支持作用14。尤为重要的是,该技术平台允许使用者控制三维肝类球体的大小,从而限制致密坏死核心的形成以及表型的丧失。
将3D肝球状体转移至聚羟乙基甲基丙烯酸酯(poly-HEMA)包被的培养板是本实验方案中的关键步骤。在此阶段操作中,必须轻柔地使用移液器,以避免对球状体造成损伤。此外,更换培养基时也需小心进行,以防止剪切力导致球状体结构受损或变形。
在这些研究中,三维肝球状体表现出有序的结构(图2 和 图3)、细胞色素P450功能(图4),并分泌白蛋白和甲胎蛋白等肝脏蛋白(图5)。该方法已在四种多能干细胞系中成功实施,结果具有可比性。展望未来,该技术可作为开发具有复杂结构的其他内胚层和间充质组织的平台。
David C. Hay 是 Stemnovate Ltd 和 HigherSteaks Ltd 的联合创始人及股东。其余作者声明,他们对本文所讨论的主题或材料不存在利益冲突。
本研究获得了英国再生医学平台(MRC MR/L022974/1) 和首席科学家办公室(TCS/16/37)资助项目的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 细胞培养与功能检测 | |||
| 琼脂糖 | Fisher Bioreagents | 10766834 | |
| 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 | |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D5879 | |
| 无钙无镁DPBS | ThermoFisher | 14190250 | |
| 含钙镁DPBS | ThermoFisher | 14040133 | |
| 温和细胞解离试剂 | STEMCELL Technologies | 7174 | |
| GlutaMax | Life Technologies | 35050 | |
| HepatoZYME-SFM | Life Technologies | 17705021 | |
| 人Activin A | Peprotech | 120-14E | |
| 人甲胎蛋白ELISA | Alpha Diagnostics | 500 | |
| 人碱性成纤维细胞生长因子 | Peprotech | 100-18B | |
| 人表皮生长因子 | Peprotech | 236-EG | |
| 人肝细胞生长因子 | Peprotech | 100-39 | |
| 人抑瘤素M | Peprotech | 300-10 | |
| 人重组层粘连蛋白521 | BioLamina | LN521-02 | |
| 人血清白蛋白ELISA | Alpha Diagnostics | 1190 | |
| 人血管内皮生长因子 | Bio-techne | 293-VE | |
| 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 | |
| 微模具球体 | Sigma-Aldrich | Z764000 | |
| mTeSR1培养基 | STEMCELL Technologies | 5850 | |
| 非必需氨基酸 | Life Technologies | 11140 | |
| P450-Glo CYP1A2检测与筛选系统 | Promega | V8771 | |
| P450-Glo CYP3A4检测与筛选系统 | Promega | V8801 | |
| 青霉素-链霉素(10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140122 | |
| poly-HEMA(聚2-羟乙基甲基丙烯酸甲酯) | Sigma-Aldrich | P3932 | |
| 重组小鼠Wnt3a | Bio-techne | 1324-WN-500/CF | |
| RPMI 1640 | Life Technologies | 21875 | |
| 仪器设备 | |||
| 微波炉 | Bosch | ||
| 切片机 | Leika | RM2125RT | |
| 烘箱 | Thermoscientific | ||
| 抗体 | |||
| 一抗 | |||
| 白蛋白 | Sigma-Aldrich | A6684 | 1:100(小鼠) |
| CYP3A4 | 邓迪大学 | 邓迪大学 | 1:200(绵羊) |
| E-钙黏蛋白 | Abcam | ab76055 | 1:200(小鼠) |
| HNF-4α | Santa Cruz | sc-8987 | 1:100(兔) |
| IgG | DAKO | X0943 | 1:400 |
| 波形蛋白 | DAKO | M0725 | 1:100(绵羊) |