本方案描述了一种改进的方法,可提高人多能干细胞(hPSCs)在平面单层培养中衍生的胰腺前体细胞共表达PDX1和NKX6.1转录因子的效率。该方法通过更换新鲜基质、调控细胞密度以及解离内胚层细胞来实现。
本方案描述了一种改进的方法,可提高人多能干细胞(hPSCs)在平面单层培养中衍生的胰腺前体细胞共表达PDX1和NKX6.1转录因子的效率。该方法通过更换新鲜基质、调控细胞密度以及解离内胚层细胞来实现。
人类多能干细胞(hPSCs)是研究早期胰腺发育以及探索糖尿病遗传因素的优良工具。由hPSCs衍生的胰岛素分泌细胞可用于细胞治疗和疾病建模, 然而, 功能特性有限。当人多能干细胞(hPSC)来源的胰腺前体细胞(β细胞及其他内分泌细胞的前体)共表达两种转录因子PDX1和NKX6.1时,可定向分化为具有功能的胰岛素分泌型β细胞 体外 和 体内人多能干细胞(hPSC)分化的胰腺前体细胞目前正作为临床试验的一部分,用于1型糖尿病患者的细胞治疗。然而,现有方案产生的NKX6.1阳性胰腺前体细胞比例较低,导致同时生成大量无功能的内分泌细胞,而能够响应葡萄糖并分泌胰岛素的细胞数量稀少。因此,本研究开发了一种改进的二维单层培养方案,以最大化诱导hPSC来源的胰腺前体细胞中PDX1与NKX6.1的共表达。通过调控细胞密度、新鲜基质的供应以及hPSC来源的内胚层细胞的解离条件,显著提高了所生成胰腺前体细胞中PDX1和NKX6.1的表达水平,并减少了向肝细胞谱系的非目标分化。该研究强调,在细胞分化过程中调控其物理环境可显著影响 体外 分化可影响谱系特化及基因表达。因此,本优化后的实验方案有助于规模化生成共表达PDX1与NKX6.1的前体细胞,用于细胞治疗与疾病建模。
糖尿病是一种复杂的代谢性疾病,影响着全球数百万人。补充胰岛素被认为是治疗糖尿病的唯一方法。更严重的病例则采用β细胞替代疗法,通过移植整个尸体胰腺或胰岛来实现1,2。然而,移植疗法面临诸多问题,例如组织来源的数量和质量受限、移植手术具有侵入性,以及需要长期使用免疫抑制剂。因此,迫切需要探索新型且可替代的β细胞替代治疗策略2,3。近年来,人类多能干细胞(hPSCs)已成为研究人类胰腺生物学的重要工具,同时也被视为一种可持续且可能更具个体化潜力的移植治疗新来源4,5,6,7。hPSCs包括人类胚胎干细胞(hESCs)和人类诱导性多能干细胞(hiPSCs),具有强大的自我更新能力,可分化为人体所有类型的组织。hESCs来源于胚胎的内细胞团,而hiPSCs则是通过对任何体细胞进行重编程获得的4,8。
定向分化方案经过优化,可将人多能干细胞(hPSCs)依次引导通过胰腺发育的各个阶段,从而生成胰岛β细胞 体外这些方案可生成由人多能干细胞(hPSC)衍生的胰岛类器官。尽管这些方案在提高其中胰腺β细胞比例方面已有显著改进,但其效率仍存在高度变异性,胰岛类器官中NKX6.1+/INSULIN+或C-PEPTIDE+细胞的比例通常无法提升至40%以上。5,9,10,11,12,13然而,这些生成的β细胞在转录和代谢特征以及对葡萄糖的反应方面,与成人人类β细胞并不完全相同。4,5,14hPSC 分化而来的 β 细胞与成人胰岛相比,缺乏关键 β 细胞标志物的基因表达,如 PCSK2、PAX6、UCN3、MAFA、G6PC2 和 KCNK35此外,由hPSC分化而来的β细胞在响应葡萄糖时钙信号减弱。这些细胞中混有同时产生的多激素细胞,后者无法在葡萄糖浓度升高时分泌适量的胰岛素。5另一方面,由人多能干细胞(hPSC)衍生的胰腺前体细胞(即胰岛前体细胞)可更高效地生成 体外 与β细胞相比,且在移植后 体内,可成熟为具有功能的、分泌胰岛素的β细胞15,16目前,临床试验主要致力于验证其在1型糖尿病(T1D)受试者移植后的安全性和有效性。
值得注意的是,在同一胰腺前体细胞中转录因子PDX1(胰腺和十二指肠同源框1)和NKX6.1(NKX6同源框1)的表达对于向β细胞谱系分化至关重要5。未能表达NKX6.1的胰腺前体细胞将分化为多激素内分泌细胞或无功能的β细胞17,18。因此,在胰腺前体细胞阶段实现PDX1和NKX6.1的高共表达,是最终生成大量功能性β细胞的关键。研究表明,在类胚体或三维培养体系中,分化细胞发生聚集,可增强胰腺前体细胞中PDX1和NKX6.1的表达,PDX1+/NKX6.1+细胞群体的比例可达40%–80%12,19。然而,与悬浮培养相比,二维分化培养在多种细胞系的应用中更具成本效益、可行性更高且操作更便捷5。我们近期的研究表明,单层分化培养可获得超过90%的PDX1+/NKX6.1+共表达人多能干细胞(hPSC)来源的胰腺前体细胞20,21,22。该方法赋予所生成的胰腺前体细胞较强的增殖能力,并可防止向其他谱系(如肝细胞谱系)分化21。因此,本方案展示了一种高效的人多能干细胞向共表达PDX1和NKX6.1的胰腺β细胞前体分化的技术。该方法通过解离hPSC来源的内胚层并调控细胞密度,随后延长FGF和类视黄醇信号通路的激活并抑制Hedgehog信号通路,以促进PDX1和NKX6.1的共表达(图1)。该技术可用于规模化生成hPSC来源的胰腺β细胞前体,服务于移植治疗及疾病建模研究。
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本研究已获得相应机构研究伦理委员会的批准,并遵循1964年《赫尔辛基宣言》及其后续修订版或类似的伦理标准进行。研究方案已获哈马德医疗集团(HMC)机构审查委员会(IRB)(编号16260/16)和卡塔尔生物医学研究所(QBRI)(编号2016-003)批准。本工作适用于H1、H9和HUES8等人胚胎干细胞(hESCs)。血液样本来自哈马德医疗集团(HMC)医院的健康个体,并已获得完全知情同意。诱导多能干细胞(iPSCs)由对照组健康个体的外周血单个核细胞(PBMCs)生成23。
1. 培养基的制备
2. 准备包被基底膜基质的培养皿
3. 未分化人多能干细胞的培养
4. 人多能干细胞中定型内胚层(DE)分化的诱导(第一阶段)
5. 人多能干细胞分化为定型内胚层(第一阶段)的免疫荧光分析
6. 由人多能干细胞(hPSCs)生成原始肠管(PGT)(第二阶段)
注意:如果步骤 5.13 中的免疫荧光分析结果显示 SOX17 与 FOXA2 的共表达率达到 80% 或以上,则实验进入第 2 阶段;如果效率 <80%,则将第 1 阶段持续时间延长至 4 天。
7. 由 hPSCs 生成后部前肠(第 3 阶段)
8. 由hPSCs生成胰腺前体细胞(第4阶段)
9. 评估由人多能干细胞生成胰腺前体细胞的分化效率
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结果表明,优化后的方案 P2-D(图1A) 通过上调PDX1和NKX6.1的共表达,提高了胰腺前体细胞的分化效率(图 2A,B,以及 图 3A)。特别是结果表明,将内胚层细胞解离后重新接种于新鲜基底膜基质上,并延长第3阶段的培养时间,可增强人多能干细胞衍生的胰腺前体细胞中NKX6.1的表达(优化方案,P2-D)。图2 和 图3A),与先前已发表研究中修改而来的非解离方案(P1-ND)相比27. 本改进方案产生的 PDX1+/NKX6.1+ 祖细胞比例较其他方法更高 "P1-D" (方案1,S3 = 2天,解离)和 "P2-ND" (方案2,S3=4天,未解离),详细结果此前已发表
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本研究描述了一种改进的方案,用于从人多能干细胞(hPSCs)高效共表达PDX1和NKX6.1的胰腺前体细胞。将hPSC来源的内胚层细胞以半密度重铺于新鲜基质上进行解离和再接种,可显著提高hPSC来源胰腺前体细胞中PDX1和NKX6.1的表达水平。
尽管各阶段所用的生长因子组合与P1-ND高度相似27,但研究显示,延长第3阶段的处理时间,加入FGF和视黄酸信号通路激活以及BMP和hedgehog信号通路抑制,可提高NKX6.1的表达,这与Nostro等人的研究结果相反27。尽管在胚胎发育过程中胰腺中PDX1的表达受FGF和视黄酸信号的正向调控,并受到BMP和hedgehog信号抑制的影响27,29,30,但本研究结果表明,延长该信号组合处理时间同样可上调NKX6.1的表达。然而,延长第3阶段处理的效果得益...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由卡塔尔国家研究基金(QNRF)资助(项目编号:NPRP10-1221-160041)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 15 mL 锥形离心管 | Thermo Scientific | 339651 | |
| 20X TBS Tween 20 | Thermo Scientific | 28360 | |
| 24 孔平底带盖细胞培养板 | Costar | 3524 | |
| 50 mL 锥形离心管 | Thermo Scientific | 339652 | |
| 6 孔多孔细胞培养板 | Thermo Scientific | 140685 | |
| Accutase | Stem Cell Technologies | 0-7920 | |
| Activin A | R&D | 338-AC | 用 4 mM HCl 重悬 |
| 抗 NKX6.1 抗体,小鼠单克隆 | DSHB | F55A12-C | 流式细胞术稀释至 1:100,免疫染色稀释至 1:2000 |
| 抗 PDX1 抗体,豚鼠多克隆 | Abcam | ab47308 | 流式细胞术稀释至 1:100,免疫染色稀释至 1:1000 |
| B27(不含维生素 A) | ThermoFisher | 12587010 | |
| 牛血清白蛋白,热激片段,无脂肪酸 | Sigma | A7030 | |
| CHIR 99021 | Tocris | 4423 | 用 DMSO 重悬 |
| DMEM,高糖 | ThermoFisher | 41965047 | |
| 驴抗小鼠 IgG (H + L) 高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor 568 | Invitrogen | A10037 | |
| 驴抗兔 IgG (H + L) 高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor 488 | A-21206 | ||
| DPBS 1X | ThermoFisher | 14190144 | |
| EGF | ThermoFisher | PHG0313 | 用含 0.1% BSA 的 PBS 重悬 |
| FGF10 | R&D | 345-FG | 用 PBS 重悬 |
| 葡萄糖 | Sigma Aldrich | G8644 | |
| Hoechst 33258 | Sigma | 23491-45-4 | |
| 倒置显微镜 | Olympus | IX73 | |
| KnockOut DMEM/F-12 (1X) | Gibco | 12660-012 | |
| KnockOut SR 血清替代物 | Gibco | 10828-028 | |
| L-抗坏血酸(维生素 C) | Sigma | A92902 | 用蒸馏水重悬 |
| Matrigel 生长因子减少型(GFR)基底膜基质 | Corning | 354230 | 将解冻后的原液分装,并于 -20°C 冻存 |
| MCDB131 | ThermoFisher | 10372019 | |
| 小鼠抗 SOX17 | ORIGENE | CF500096 | 流式细胞术稀释至 1:100,免疫染色稀释至 1:2000 |
| mTeSR Plus | Stem Cell Technologies | 85850 | 将基础培养基与补充剂混合。分装后可长期保存于 -20 °C,或短期保存于 4 °C 以备即用 |
| Nalgene 滤器,0.2 µm PES | ThermoFisher | 566-0020 | |
| 烟酰胺 | Sigma | 72340 | 用蒸馏水重悬 |
| NOGGIN | R&D | 6057-NG | 用含 0.1% BSA 的 PBS 重悬 |
| 4% 甲醛 PBS 溶液 | ChemCruz | sc-281692 | |
| 青霉素-链霉素(10,000 U/mL) | ThermoFisher | 15140122 | |
| 便携式真空吸液器 | |||
| 兔抗 FOXA2 | Cell signaling technology | 3143 | 流式细胞术稀释至 1:100,免疫染色稀释至 1:500 |
| 视黄酸 | Sigma Aldrich | R2625 | 用 DMSO 重悬 |
| ROCK 抑制剂(Y-27632) | ReproCell | 04-0012-02 | 用 DMSO 重悬 |
| 带盖圆底聚苯乙烯 FACS 管,无菌 | Stellar Scientific | FSC-9010 | |
| SANT-1 | Sigma Aldrich | S4572 | 用 DMSO 重悬 |
| 碳酸氢钠 | Sigma | S5761-500G | |
| StemFlex | ThermoFisher | A3349401 | 将基础培养基与补充剂混合。分装后可长期保存于 -20 °C,或短期保存于 4 °C 以备即用 |
| TALI 细胞分析载片 | Invitrogen | T10794 | |
| Tali 图像型细胞计数仪(自动细胞计数器) | Invitrogen | T10796 | |
| Triton X-100 | Sigma | 9002-93-1 | |
| TrypLE 100 mL | ThermoFisher | 12563011 | |
| Tween 20 | Sigma | P2287 | |
| UltraPure 0.5 M EDTA,pH 8.0 | Invitrogen | 15575-038 |
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