我们描述了一种通过在人胚胎干细胞(hESC)中引入双等位基因RB1突变来生成人视网膜母细胞瘤(RB)的方法。此外,还可利用体外分离的RB成功培养RB细胞系。
我们描述了一种通过在人胚胎干细胞(hESC)中引入双等位基因RB1突变来生成人视网膜母细胞瘤(RB)的方法。此外,还可利用体外分离的RB成功培养RB细胞系。
视网膜母细胞瘤(RB)是一种儿童期癌症,若不进行治疗则具有致死性。由于RB起源于视锥细胞前体,而这类细胞在啮齿类动物模型中相对罕见,加之人类与啮齿类动物之间存在种间差异,因此来源于人类的疾病模型更有利于揭示人类RB的发病机制并寻找治疗靶点。本文所述方案介绍了两种基因编辑的人胚胎干细胞(hESC)系的构建方法,分别携带RB1基因的双等位点突变(RB1Mut/Mut)和RB1基因敲除突变(RB1-/-)。在视网膜发育过程中,可观察到RB的形成。此外,RB细胞系也通过从RB类器官中分离获得。综上,通过采用二维与三维联合分化方案,将基因编辑后的hESC系分化为视网膜类器官,我们成功在体外重建了人类RB,并确认其起源于视锥前体细胞。该模型将为观察视网膜母细胞瘤的发生、增殖与生长过程,以及进一步开发新型治疗药物提供有力的疾病研究平台。
视网膜母细胞瘤(retinoblastoma, RB)是一种罕见且致命的肿瘤,起源于视网膜视锥细胞前体1,2,3,是儿童时期最常见的眼内恶性肿瘤4。RB1基因的纯合性失活是RB发生的起始遗传病变5。然而,携带RB1突变的小鼠并不能形成视网膜肿瘤2。尽管通过结合Rb1突变与其他遗传修饰可在小鼠中诱导肿瘤发生,但这些肿瘤仍缺乏人类RB的典型特征6。得益于视网膜类器官分化技术的发展,现已可利用人胚胎干细胞(hESC)获得具有人类RB特征的视网膜母细胞瘤模型1。
过去十年中,已建立了多种视网膜类器官分化的实验方案,包括二维(2D)7、三维(3D)8以及2D与3D相结合的方法9。本研究中用于生成人视网膜母细胞瘤(RB)的方法结合了贴壁培养与悬浮培养技术9。通过将RB1基因突变的人胚胎干细胞(hESC)分化为视网膜类器官,可在约第45天检测到RB的形成,并在约第60天开始迅速增殖。至第90天,可实现RB的分离及RB细胞系的建立;此外,在第120天时,RB几乎包绕所有视网膜类器官。
由人胚胎干细胞衍生的视网膜母细胞瘤(RB)是一种用于研究RB起源、肿瘤发生及治疗方法的创新模型。本方案详细描述了基因编辑人胚胎干细胞的构建、视网膜母细胞瘤的分化过程以及对所获得肿瘤的表征分析。
本研究已获得首都医科大学附属北京同仁医院机构伦理委员会批准。H9 人胚胎干细胞购自 WiCell 研究所。
1. 生成 RB1 突变的人胚胎干细胞
2. 人视网膜母细胞瘤的构建
RB的生成过程如图1所示,该过程结合了贴壁培养和悬浮培养。可以从RB1-KO hESC中收获人RB,并通过分离RB类器官获得RB细胞系。
此处,该方案详细介绍了不同阶段的分化过程(图2)。中空的球状结构在最初3天内形成,随后附着于培养表面并逐渐扩展(图2A-E)。从第15天开始,细胞悬浮并悬浮培养(图 2F)。脱离后的第二天,视网膜类器官形成,可见明亮的边缘(图 2G,黑色箭头)。此外,类器官外部的这些细胞可能在接下来的一周内死亡(图 2G,橙色箭头)。第27天,视泡结构清晰可见,约90%的类器官呈现该结构(图 2H);缺乏该结构的类器官可予以弃用。视杯(RB)的首次检测出现在第45天,随后在第50天可触及。图2I)。当培养至第90天时,视泡结构主要被视杯(RB)包绕。图 2J)。同时,可将网织红细胞分离为网织红细胞系以进行后续培养(图 2K)。在第105天,超过80%的视网膜类器官将被视杯(RB)完全包绕。图 2L)。与H9来源的视网膜类器官相比,RB类器官中Ki67(增殖标志物)和SYK(癌基因标志物)的表达水平显著升高,表明RB类器官具有肿瘤发生特性(图 2M,N)。此外,RB类器官中ARR3(视锥细胞前体标志物)和CRX(光感受器前体标志物)的高表达表明,它们起源于视锥细胞前体细胞。图 2O,P).
视杯(RB)的生成过程主要经历三个阶段,并在RB形成前伴随形态学变化;本研究提供了这些阶段的较差与较优结果(图3)。分化与未分化的hESC(图3A、B)可通过形态轻易区分,选择未分化的hESC用于RB形成。在第5天应形成中空的球体(图3D),而非实心结构(图3C)。RB来源于视网膜类器官,后者呈现出视泡样结构(图3F)。在较差的类器官中不会形成RB(图3E)。

图1:视网膜类器官分化的示意图。 第0天至第15天,细胞在培养基I中进行二维培养;第15天后,细胞转为悬浮培养。视网膜类器官大约在第45天形成。请点击此处查看该图的放大版本。

图2红细胞生成与表征 (A-C) 早期阶段,hESC 被诱导形成囊状结构。图中黑色箭头所示为 (B) 显示经dispase处理后hESC的卷边形态。D,E囊肿附着于培养板上(D)然后扩增(E). (F贴壁细胞隆起形成视网膜类器官。黑色箭头指示dispase处理后卷曲的边缘。G,H无 RB 的早期视网膜类器官。I, J第50天带有视网膜母细胞瘤的视网膜类器官(I)以及第90天(J),绿色圆圈表明了RB部分。K来自90天视网膜类器官的分离RB细胞系。L第105天的RB类器官。M-P) 癌基因标志物的免疫荧光图像(M,N)以及感光细胞标记物(邻苯二酚)。在 A-L 中,比例尺 = 200 µm;在M-P中,比例尺 = 50 µm. 请点击此处以查看此图的放大版本。

图3:阴性与阳性结果的比较。 第0天(A,B)、第5天(C,D)和第30天(E,F)的分化情况,上图为阳性结果,下图为阴性结果。比例尺 = 200 µm。请点击此处查看此图的放大版本。
人类视网膜母细胞瘤(RB)由RB1基因失活及Rb蛋白功能障碍引起。在本方案中,RB1基因敲除的人胚胎干细胞(hESC)是体外生成视网膜母细胞瘤模型的关键步骤。然而,即使使用RB1-/- hESC,由于视网膜类器官分化方法的不同,也可能无法形成RB10。在本方案中,从贴壁培养转为悬浮培养是分化过程中的关键环节。囊状结构的密度、多能干细胞的类型以及增殖速率均为影响脱离时机的变量9。理想的细胞脱离时机应为细胞已充分扩展但尚未与邻近克隆发生相互接触。若克隆之间已相互连接,则会导致视网膜类器官连续融合,从而降低分化效率。
通过严谨地执行各个步骤,可以顺利地获得视网膜母细胞瘤(RB)。然而,该方法仅能模拟具有RB1双等位基因失活的RB。对于携带RB1杂合突变的遗传性RB患者而言,该模型无法模拟携带RB1杂合突变的肿瘤发生过程11。尽管如此,它仍然是目前最优的RB模型,因其最接近患者体内RB的实际肿瘤发生过程1。该模型与原发性RB具有相同的起源3,12,并克服了小鼠模型的物种差异或永生化癌细胞系所处的简化的二维培养环境的局限性3,12,13。
利用所述方法,由人胚胎干细胞(ESC)在培养皿中建立了人视网膜母细胞瘤(RB)模型,该模型与人原发性视网膜母细胞瘤具有高度相似性。因此,该模型将为阐明人视网膜母细胞瘤的分子病理机制以及药物筛选提供理想的平台。
作者们未意识到存在任何可能影响本研究客观性的附属关系、会员资格、资金支持或财务持有情况。
我们感谢502团队提供的所有帮助。本工作部分得到了北京市自然科学基金(Z200014)和国家重点研发计划&中国国家重点研发计划(2017YFA0105300)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇 | Life Technologies | 21985-023 | |
| Anti-ARR3 | Sigma | HPA063129 | 抗体 |
| Anti-CRX (M02) | Abnove | ABN-H00001406-M02 | 抗体 |
| Anti-Ki67 | Abcam | ab15580 | 抗体 |
| Anti-Syk (D3Z1E) | Cell Signaling Technology | 13198 | 抗体 |
| BbsI | NEB | R3539S | 限制性内切酶 |
| Dispase (1U/mL) | Stemcell Technologies | 7923 | |
| DMEM 基础培养基 | Gibco | 10566-016 | |
| DMEM/F-12-GlutaMAX | Gibco | 10565-042 | |
| DMSO | Sigma | D2650 | |
| DPBS | Gibco | C141905005BT | |
| EDTA | Thermo | 15575020 | |
| 胎牛血清 (FBS),适用于人胚胎干细胞 | Biological Industry | 04-002-1A | |
| 谷氨酰胺 | Gibco | 35050-061 | |
| Ham's F-12 营养混合物 (Hams F12) | Gibco | 11765-054 | |
| MEM 非必需氨基酸溶液 (100X) | Sigma | M7145 | |
| Neurobasal 培养基 | Gibco | 21103-049 | |
| P3 原代细胞 4D-核转染试剂盒 X Kit S | Lonza | V4XP-3032 | 核转染试剂盒 |
| 青霉素-链霉素 | Gibco | 15140-122 | |
| 嘌呤霉素 | Gene Operation | ISY1130- 0025MG | |
| QIAquick PCR 纯化试剂盒 | QIAGEN | 28104 | |
| ncEpic-hiPSC/hESC 培养基 | Nuwacell | RP01001 | 1.2.1 节中的 ncEpic-hiPSC/hESC 培养基 |
| 生长因子减少型基底膜基质 | BD | 356231 | 1.2.1 节中的 Matrigel |
| 细胞解离酶 | Gibco | 12563-011 | 1.2.8 节中的 TrypLE Express |
| RNeasy Midi 试剂盒 | QIAGEN | 75144 | |
| RNeasy Mini 试剂盒 | QIAGEN | 74104 | |
| 补充剂 A | Life Technologies | 17502-048 | N-2 补充剂 (100X),液体,培养基 I 中的补充剂 |
| 补充剂 B | Life Technologies | 17105-041 | B-27 补充剂 (50X),液体,培养基 I、II、III 中的补充剂 |
| T4 多核苷酸激酶 | Life Technologies | EK0032 | |
| 牛磺酸 | Sigma | T-8691-25G | |
| Y-27632 2HCl | Selleck | S1049 | |
| pX330-U6-嵌合型 BB-CBh-hSpCas9-2A-Puro | Addgene | 42230 | |
| Nucleofector 4D | Lonza | ||
| RPMI | Sigma | R0883-500ML |
申请许可以重复使用本 JoVE 文章的文本或图表
申请许可