该方案可将人多能干细胞分化为肠道类器官。该方案通过模拟人类正常发育过程,将细胞依次分化为定型内胚层、后肠内胚层,最终形成肠上皮组织。因此,该方案适用于研究肠道发育以及疾病建模应用。
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该方案可将人多能干细胞分化为肠道类器官。该方案通过模拟人类正常发育过程,将细胞依次分化为定型内胚层、后肠内胚层,最终形成肠上皮组织。因此,该方案适用于研究肠道发育以及疾病建模应用。
由hiPSC衍生的肠道类器官是由分化细胞自组装形成的上皮结构,能够形成代表人类肠道上皮的复杂三维结构,并表现出类似隐窝/绒毛的结构。本文描述了通过逐步分化hiPSC为定型内胚层,随后将其后部化形成后肠上皮,再转入三维培养条件以生成hiPSC来源的肠道类器官的方法。三维培养环境由细胞外基质(ECM)(例如Matrigel或其他兼容的ECM)组成,并添加SB202190、A83-01、胃泌素(Gastrin)、Noggin、EGF、R-spondin-1和CHIR99021。类器官每7天传代一次,通过机械破碎后转移至新鲜的细胞外基质中继续扩增。通过qPCR和免疫细胞化学检测证实,hiPSC衍生的肠道类器官包含成熟的肠道上皮细胞类型,如杯状细胞、潘氏细胞和肠上皮吸收细胞。此外,类器官表现出极性特征,其上皮细胞顶端表面表达绒毛蛋白(villin)。
所获得的类器官可用于模拟人类肠道发育以及多种人类肠道疾病,包括炎症性肠病。为模拟肠道炎症,可将类器官暴露于肿瘤坏死因子-α(TNF-α)、转化生长因子-β(TGF-β)和细菌脂多糖(LPS)等炎症介质中。暴露于促炎性细胞因子的类器官会表现出炎症和纤维化的表型反应。将健康个体来源的类器官与炎症性肠病(IBD)患者来源的人诱导多能干细胞(hiPSCs)衍生的类器官进行配对比较,可能有助于理解驱动IBD的潜在机制。这或可揭示新的治疗靶点和新型生物标志物,从而辅助疾病的早期诊断。
多能干细胞(PSCs)具有自我更新能力以及分化为人体所有细胞类型的潜能,这些特性使其成为研究发育过程、疾病病理学和药物测试的宝贵工具1。人诱导性多能干细胞(hiPSC)在疾病建模研究中尤为有用,因为它们可来源于患者,能够直接捕获导致疾病表型的基因组2,3。此类hiPSC可被分化为受遗传缺陷影响的细胞类型,从而对疾病的分子机制进行细致研究4。
人类多能干细胞(PSCs)的分化方案旨在通过激活或抑制调控谱系承诺与特化的特定信号通路,引导细胞经历主要的发育阶段。维持hiPSC处于多能状态需要中等水平的Activin A(Act-A)信号;而高剂量Act-A处理3天可使hiPSC定向分化为定型内胚层(DE)5,6。Act-A与Wnt信号通路共同调控DE的前后轴身份。Act-A信号可诱导前肠(FG)标志物如HHEX、HNF4α和GATA4的表达,同时抑制后肠(HG)基因(如CDX2)的表达。Wnt信号则诱导DE的后部化,使其获得后肠基因表达谱7,8。一旦确立了后肠细胞身份,分化过程便可从二维(2D)体系转移至三维(3D)体系,并进一步引导形成肠类器官。
肠道类器官通常在基于三维细胞外基质(例如Matrigel或其他兼容的ECM)的培养系统中进行培养9,该基质由层粘连蛋白、IV型胶原和内联蛋白组成,并富含表皮生长因子(EGF)、成纤维细胞生长因子(FGF)、血小板源性生长因子(PDGF)和胰岛素样生长因子-1(IGF-1)等生长因子,以支持类器官的存活与增殖。类器官在含有胃泌素、Noggin和CHIR的确定培养基中培养,以在长期培养过程中促进和支持肠干细胞的生长与增殖。
当肠上皮细胞嵌入细胞外基质后,肠隐窝开始形成并逐渐扩展,最终形成球状结构。这些结构进一步成熟为类器官,能够模拟肠道上皮的生理功能。类器官通常可在体外培养超过1年,且其功能特征和基因表达谱无明显丢失。每周需进行传代,通过酶消化将类器官分解为较小片段,这些片段随后可自行重组成完整的类器官。
已建立的类器官系可作为多种肠道相关疾病(包括克罗恩病、溃疡性结肠炎和结直肠癌)的可靠模型10,11,12,13。相较于动物细胞,该模型更具优势,因其表达与这些疾病相关的人类基因,并且对外部刺激的反应更接近人体组织在体内的实际情况。
注意:以下所有组织培养操作均应在 II 级生物安全柜中进行。
1. 人诱导性多能干细胞(hiPSCs)向后肠内胚层的分化

2. 肠类器官的传代
分化方案的示意图见图1A。在方案的第1天,hiPSCs应呈致密状态,形成小克隆,总体汇合度约为50-60%。诱导分化24小时后,定型内胚层(DE)细胞开始从干细胞克隆迁移出来,形成单层细胞。此过程在接下来的3天内持续进行,至DE分化的第3天(D3)应形成完整的单层细胞(图1)。在整个分化过程中应监测基因表达情况:多能性标志物(OCT4、NANOG、SOX2)在D0天高表达,并在DE分化过程中迅速下调。在DE分化期间,T基因表达在D1天达到峰值,随后EOMES和MIXL在D2天达到峰值。D2天时,DE相关基因(SOX17、FOXA2、GATA4、CXCR4)应开始表达,并在D3天达到高峰(图2和图3)。至DE D3天,细胞应形成单层,随后可进一步后部化为后肠内胚层。在后部化过程中,三维结构最早可在D2天开始形成。然而,有时这些结构可能直到D4天才出现,甚至完全不出现;这并不一定表明细胞无法继续发育并形成肠类器官(图1)。在后肠(HG)特化过程中,CDX2和HNF4a的表达应被诱导并随时间逐渐增强(图3)。
将二维细胞片转移至细胞外基质后,最初24小时内可观察到二维细胞团块。48小时后,细胞片应开始自发重组,形成更为致密的三维球状结构,初期体积较小(图4A),随后在培养7至10天内逐渐增大并变得更加复杂(图4B & 图4C)。类器官应待其形成明确的类器官/球状体形态,且具有明显上皮结构、腔面朝向类器官/球状体中心时,方可进行传代(图4D)。在此阶段,可利用免疫细胞化学方法检测肠特异性标志物(如villin和CDX2)的表达,以确认类器官的特性(图5)。并非所有二维细胞团块均能发育为类器官,且细胞外基质中可能存在部分死亡细胞。这些死亡的细胞片应予以忽略,直至存活细胞形成较大类器官并具备传代条件为止。
为了模拟炎症状态,可将TNFα加入组织培养基中,作用24-48小时。在与促炎分子共孵育后,类器官采用与其分离和传代时相同的技术收集,并使用适用于QPCR或蛋白质印迹等应用的细胞裂解缓冲液进行裂解。如果需要较短时间的处理,应先将类器官从细胞外基质中分离,然后在1.5 mL离心管中以悬浮状态暴露于TNFα。通常情况下,TNFα处理肠道类器官48小时可诱导促炎标志物(TNFα、IL1B、IL8、IL23)的表达,同时对肠上皮标志物(LGR5、VIL)的表达产生抑制作用(图6)。
| 内胚层基础培养基 | 50 mL | |
| RPMI 1640 | 48.5 mL | |
| B27 补充剂 | 1 mL | |
| 1% NEAA | 0.5 mL | |
表1:内胚层分化用内胚层基础培养基的成分。
| 肠道基础培养基 | 50 mL | |
| Advanced DMEM/F12 | 46.5 mL | |
| HEPES 缓冲液 | 0.5 mL | |
| GlutaMAX | 0.5 mL | |
| 烟酰胺 | 0.5 mL | |
| N2 补充剂 | 0.5 mL | |
| B27 补充剂 | 1.0 mL | |
| 青霉素-链霉素溶液(Pen/Strep) | 0.5 mL | |
表2:用于肠道类器官培养的肠道基础培养基成分

图1:hiPSC通过定型内胚层向后肠谱系分化过程中的形态学变化。
(A) 肠道分化方案的示意图。该hiPSC细胞系形成由小细胞组成的松散集落,具有较高的核质比。随着分化进行,细胞发生符合从上皮表型向间充质表型转变的形态变化,并在定型内胚层第3天(DE D3)形成均一的单层结构。在接收到适当信号后,定型内胚层细胞伸长,形成更致密的单层结构,三维球状体最早可在后肠第3天(HD D3)出现,但此现象依赖于所用细胞系,并非转入三维培养的必要条件(B)。比例尺:100 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:hiPSCs 向定型内胚层分化可诱导内胚层基因的表达。
hiPSCs 向定型内胚层分化的免疫染色结果显示,转录因子在蛋白水平上的表达发生变化。多能性标志物(NANOG 和 OCT4)在定型内胚层第3天(DE D3)下调(A)。中内胚层标志物 BRA(T) 在方案的第1天(D1)表达(B),而定型内胚层特异性转录因子 SOX17 和 FOXA2 在第2天(D2)出现(B & C)。比例尺:200 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:hiPSC向后肠内胚层(HG)分化过程中通过qPCR检测的基因表达变化。
与多能性相关的基因表达下调(OCT4、NANOG、SOX2),随后出现中内胚层基因的短暂表达(T、EOMES、MIXL1),最终表达定型内胚层基因(SOX17、FOXA2、CXCR4)及后肠基因(CDX2、GATA4、HNF4a)。数据以均值±标准差表示。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:人胃内胚层在三维细胞外基质培养中自组装形成三维肠道类器官。
将人胃内胚层转移至适宜的三维细胞外基质培养环境中,最初形成小的实心细胞团(A)。在培养7-10天后,人胃内胚层细胞团逐渐扩大(B),随后变得不对称,并开始形成更复杂的上皮结构(C),最终发育为具有清晰上皮形态的类器官,其腔面朝向类器官中心(D)。比例尺 = 50 µm 请点击此处查看该图的放大版本。

图 5:已建立的 hiPSC 来源类肠器官表达肠道标志物。
免疫细胞化学染色显示 CDX2 和 Villin 的表达。比例尺 = 100 µm 请点击此处查看本图的放大版本。

图6:TNFα对健康肠道类器官炎症特征及肠细胞基因表达的影响。
健康结肠类器官经TNFα(40 ng/mL)处理48小时后的炎症特征。暴露于TNFα后,促炎标志物(TNFα、IL-8和IL-23)的表达增加,而同时肠上皮标志物(LGR5、VIL)的表达下调。统计分析采用双侧学生t检验。数据以每组的均值±标准差表示。*P < .01;**P < .001;***P < .0001。(n=3)。请点击此处查看该图的放大版本。
本文介绍了一种将人类多能干细胞分化为人类肠道类器官的实验方案。我们展示了其在炎症研究中的应用,但该方法也可应用于多种其他研究背景,并可结合CRISPR/Cas9基因编辑技术14,在任何遗传背景下进行。经过分化后,类器官遵循天然发育过程的分化序列,即定型内胚层、后肠内胚层,最终形成肠上皮。所得类器官可连续培养和传代超过12个月。
本方案的一个关键环节是在内胚层分化之前未分化干细胞的初始接种密度。如果该密度未得到充分优化,细胞很可能在初始定型内胚层(DE)分化的步骤中死亡(密度过低时)或降低DE分化的效率(密度过高时)。正确的起始密度需根据所使用的细胞系进行优化,合适的密度应使细胞在DE第3天(D3)结束时形成单层。应通过流式细胞术检测DE特化效率,我们通常观察到超过>80%的细胞对SOX17和/或CXCR4呈阳性。当SOX17阳性细胞比例低于60%时,会影响后肠(HG)模式化的效率,导致转移至细胞外基质后形成的类器官数量减少。这最终将导致类器官培养失败。为判断DE向HG模式化是否成功,我们通过流式细胞术评估CDX2阳性细胞的比例,通常预期超过>80%的细胞呈阳性。同样,若CDX2阳性细胞比例低于50%,则在转移至三维细胞外基质培养时生成的肠类器官数量将受到不利影响。
将二维单层细胞转入三维培养后,通常在转移后的24-48小时内会出现微小而致密的球形结构。根据所用细胞系的分化效率,可能会出现大片死亡细胞。我们并不立即传代以清除这些碎片,而是允许类器官充分形成并发育出更复杂、折叠的结构。在首次传代前等待7-10天,可确保存在足够数量的分裂细胞,从而生成大量新的肠类器官。培养物中仍存在的任何碎片,可在传代过程中通过轻柔离心轻松去除:将解离后的类器官与碎片混合物置于离心管中,以适当速度离心,使类器官沉淀成团,而细胞碎片仍悬浮于培养基中。随后可吸除上清液及细胞碎片,仅保留类器官沉淀物。
该方法的局限性在于,由hiPSC分化而来的细胞类型在基因表达和功能特征上通常并未完全成熟。为了确定hiPSC来源的肠组织是否适用于特定应用,应针对多种细胞类型对类器官进行表征,包括肠上皮细胞(VIL)、肠内分泌细胞(neurog3)、杯状细胞(MUC2)、过渡扩增细胞(CD133)、潘氏细胞(FZD5)以及LGR5+干细胞(LGR5),以明确类器官的细胞组成。
总体而言,该方案相较于其他多种类器官分化方案的主要优势在于,该培养平台通过使用小分子替代多种重组蛋白和条件培养基的制备,显著降低了成本15,16。向肠组织样类器官(HG)的分化过程非常简单且快速,可适用于人胚胎干细胞和诱导性多能干细胞,并获得一致的分化结果。只要严格遵循操作流程,并针对所使用的细胞系进行优化,该方法即可提供一个相对简便的模型平台,且不含污染性的间充质细胞,可用于在多种背景下研究肠上皮,包括炎症反应和宿主-病原体相互作用7。通过施加促纤维化刺激,随后利用QPCR、Western印迹和ELISA检测胶原蛋白、层粘连蛋白和纤连蛋白等细胞外基质蛋白的表达水平,可进一步用于肠道纤维化建模研究。在分化前,利用CRISPR/Cas9基因编辑技术对未分化的干细胞系进行修饰,可构建基因敲除或蛋白过表达的类器官,从而用于建立疾病特异性的类器官及更复杂的疾病模型14,17,18。
作者无任何利益冲突需要披露。
NH 受英国医学研究理事会(MRC,项目编号 MR/S009930/1)和惠康信托基金(Wellcome Trust,项目编号 204267/Z/16/Z)资助,PD 受英国医学研究理事会博士生培训项目(MRC PhD DTP)资助,KLF 受英国生物技术和生物科学研究生理事会产业合作奖学金(BBSRC iCASE)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| A83-01 | Tocris | 2939 | |
| Activin A | R&D | 338-AC | |
| Advanced DMEM/F12 (1X) | Life Technologies | 12654-010 | |
| B27 补充剂 | Gibco | 17504044 | |
| CHIR99021 | Sigma | SML1046-5MG | |
| 表皮生长因子 | R&D Systems | 236-EG-01M | |
| 胃泌素 | Sigma Aldrich | G9145 | |
| GlutaMAX (100X) | Life Technologies | 15630-056 | |
| 生长因子减少型 Matrigel | BD | ||
| HEPES 缓冲液 (1M) | Life Technologies | 15630-080 | |
| N2 补充剂 (100X) | Gibco | 17502-048 | |
| N-乙酰半胱氨酸 | Sigma Aldrich | A7250 | |
| 烟酰胺 | Sigma Aldrich | N0636 | |
| Noggin | R&D Systems | 6057-NG | |
| 非必需氨基酸 | Gibco | 11140-050 | |
| 多聚甲醛 | VWR | 9713.5 | |
| 青霉素/链霉素 | Gibco | 15140122 | |
| 磷酸盐缓冲液 | Gibco | 14190-094 | |
| 视黄酸 | Sigma | 302-79-4 | |
| ROCK 抑制剂 | Tocris | 1254/1 | |
| ROCK 抑制剂 Y-27632 | Tocris | 1254 | |
| RPMI | Sigma | R8758-500ml | |
| R-Spondin-1 | Peprotech | 120-38 | |
| SB202190 | Tocris | 1264 | |
| TrypLe Express | Gibco | 12604-021 | |
| Wnt 3a | R&D | 5036-WN |
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