近年来,人类诱导性多能干细胞分化技术的进步使得能够逐步获得特定器官的细胞类型。本文详细介绍了由诱导性多能干细胞衍生的气道基底细胞的维持与扩增步骤,以及在气液界面培养条件下将其分化为黏液纤毛上皮细胞的具体方法。
近年来,人类诱导性多能干细胞分化技术的进步使得能够逐步获得特定器官的细胞类型。本文详细介绍了由诱导性多能干细胞衍生的气道基底细胞的维持与扩增步骤,以及在气液界面培养条件下将其分化为黏液纤毛上皮细胞的具体方法。
气道传导系统疾病,如哮喘、囊性纤维化(CF)、原发性纤毛运动障碍(PCD)以及病毒性呼吸道感染,是全球范围内导致发病和死亡的主要原因。体外培养的人支气管上皮细胞(HBECs)模型系统在理解健康与疾病状态下气道上皮功能方面发挥了关键作用。然而,在肺部研究中,获取患有罕见遗传病或携带罕见突变个体的HBECs仍是一大瓶颈。
诱导性多能干细胞(iPSCs)可通过“重编程”体细胞高效获得,并保留个体供体独特的遗传背景。近年来的技术进展已实现将iPSCs定向分化为肺上皮祖细胞、肺泡Ⅱ型细胞以及传导性气道上皮细胞。 通过 基底细胞,主要的呼吸道干细胞。
本文概述了一种诱导多能干细胞来源的气道基底细胞(以下简称iBCs)的培养与扩增方案,以及其在气液界面(ALI)培养系统中向三谱系分化的实验方法。iBCs在添加了TGF-ß和BMP信号通路抑制剂的基础培养基中,以悬浮于细胞外基质液滴内的上皮球体形式进行维持和扩增。这些上皮球体中的iBCs表达关键的基底细胞标志物TP63和NGFR,可通过荧光激活细胞分选(FACS)进行纯化;当接种于多孔膜上并在标准ALI培养条件下培养时,可分化为具有功能性的气道上皮。来自健康供体的ALI培养物包含基底细胞、分泌细胞和多纤毛细胞,具备完整的上皮屏障功能、可运动的纤毛以及黏液分泌能力。而来自囊性纤维化(CF)或原发性纤毛运动障碍(PCD)患者的培养物则可重现由疾病导致的上皮缺陷,即CFTR介导的氯离子转运功能障碍或纤毛运动能力丧失。
本文介绍了一种人类细胞的制备方案,可用于气道疾病的研究与机制解析。
慢性肺部疾病在全球范围内造成了巨大的发病率和死亡率负担1。影响传导气道的疾病,如哮喘、囊性纤维化(CF)、原发性纤毛运动障碍(PCD)以及病毒感染,既有常见病也有罕见病,既有获得性也有遗传性疾病,均构成了这一全球负担的重要部分。传导气道的主要功能包括:1)作为空气层流通过的通道;2)通过黏液纤毛清除病原体和碎片。分泌细胞、多纤毛细胞和基底细胞是传导气道主要的上皮细胞类型。其他较为罕见的上皮细胞类型包括离子细胞、簇细胞和神经内分泌细胞,这些已在其他文献中进行了综述2。
总体而言,理解疾病机制并推进治疗方法的一大障碍,是临床前模型中持续缺乏可用的人体原代组织。原代人支气管上皮细胞(HBECs)通常被视为金标准 体外 人类气道上皮生物学模型,尤其在囊性纤维化研究中发挥了关键作用3然而,这些细胞通常只能通过支气管镜活检、术后肺组织或因不适合移植而被弃用的肺脏中分离获得。获取来自遗传病患者(包括囊性纤维化(CF)和原发性纤毛运动障碍(PCD)等重点研究疾病)的原代人气道上皮细胞(HBECs)的机会十分有限且不可预测。因此,亟需克服这一源于患者气道上皮细胞获取困难的瓶颈。诱导多能干细胞(iPSCs)可从任何个体便捷地获得,能够保留供体独特的遗传背景,并具有在体外培养条件下长期增殖和存活的显著能力。4,5,6通过重现关键的胚胎发育步骤,iPSCs 经历 "定向分化" 分化为特定器官的细胞类型。我们及其他研究者已开发出诱导多能干细胞来源的肺祖细胞和肺泡Ⅱ型细胞的生成方案7,8 以及传导气道的细胞,包括气道基底细胞9,10,11,12.
气道基底细胞是传导性气道的干细胞13。在先前发表的研究中,我们的研究团队已生成了由诱导多能干细胞(iPSC)分化而来的气道上皮细胞,其中包括表达典型基底细胞标志物TP63、KRT5和NGFR的一个亚群(iBCs)。根据成体基底细胞生物学的提示,抑制双重SMAD通路(TGF-β和BMP)可促进NGFR+ iBCs的上调11,14。NGFR+ iBCs以单细胞形式重悬于细胞外基质液滴中,并在基底细胞培养基中进行培养。这些细胞可自我更新以维持iBC群体,并形成上皮类球体;然而,在该培养体系(称为三维培养,3-D培养)中,部分细胞也会分化为分泌细胞。在以下实验方案中,我们将详细描述在三维培养条件下维持和扩增这些iBCs的步骤,以及构建功能性二维黏液纤毛气液界面(ALI)培养体系所需的操作流程。
该分化方案的初始步骤此前已有发表,此处不再赘述11,12。本文将重点介绍诱导性支气管上皮细胞(iBCs)的扩增与纯化,以及其在气液界面(ALI)培养中进一步分化为功能性分泌细胞和多纤毛细胞的过程。
以下每个步骤都应在生物安全二级的层流罩中采用无菌技术进行操作。除特别说明外,所有培养基在加入细胞前均应预热至室温(22 °C)。每次离心步骤均应在室温(约 22 °C)下进行。图1 概述了本实验方案的示意图。
1. 所需培养基的制备
注意:详见补充文件1。
2. 冻存iBCs的解冻
3. 类球体的解离及iBCs在三维培养中的扩增
4. NGFR+ iBCs 的鉴定与纯化
5. 黏液纤毛气液界面培养物的生成
6. iBCs 的可选(但推荐)冷冻保存
按照本方案,将200,000个冷冻保存的iBCs(此前已确认具有正常的46XY核型)11解冻并在三维培养体系中进行扩增。5天后,将形成的球状体解离、计数,并再次传代以进一步扩增。最终获得约480,000个细胞,重悬于三维基质中(12个50 µL液滴,密度为400个细胞/µL)。每2-3天更换新鲜的基础细胞培养基。10天后,再次将细胞解离并计数。共收获19.7 × 106个细胞,并准备进行流式细胞分选(FACS)。其中106个细胞用APC标记的IgG1κ同型对照染色,其余18.7 × 106个细胞则在避光条件下用APC标记的抗NGFR抗体染色30分钟(图3)。
在与同型对照细胞比较后进行 NGFR+ 门控,并有意设置门控以收集表达水平最高的 NGFR+ 细胞(图 3)。采用此门控技术,活单细胞中 28% 为 NGFR+。尽管可获得的细胞数量更多,但仍收集 750,000 个细胞用于后续培养。分选后的细胞重悬于基础细胞培养基中,浓度为 50,000 个细胞/100 µL。将 50,000 个细胞接种至每个已包被人重组层粘连蛋白-521(2 µg/200 µL)的 6.5 mm 多孔膜插入式培养小室中,包被操作按制造商说明进行。向每个小室的基底外侧腔室中加入 500 µL 基础细胞培养基,并将培养板置于 37 °C 恒湿培养箱中。三天后,吸除顶腔室中的培养基,光学显微镜下观察细胞融合度约为 90%(图 4B)。随后吸除基底外侧腔室中的培养基,向顶腔室(100 µL)和基底外侧腔室(500 µL)中加入气液界面分化培养基。次日,吸除顶腔室中的培养基。
在接下来的21天内,定期通过光学显微镜观察细胞,并每隔2-3天向基底外侧腔室更换新鲜的ALI分化培养基。最初,单个细胞易于识别(图4A),呈细长的纺锤形,形成疏松排列的单层细胞(图4B)。在随后数天至数周内,细胞逐渐形成致密排列、细胞密度高的上皮层;在7-10天后,可明显观察到纤毛摆动和黏液分泌。样品的经上皮电阻(TEER)测定结果与原代细胞对照组相似(范围为700-1600 Ω × cm2)11。随后在第21-28天使用多聚甲醛固定,并对MUC5AC和乙酰化-α-微管蛋白等多种经典的气道上皮细胞标志物进行免疫标记(图4C)。总体而言,我们观察到细胞具有运动性纤毛、可分泌黏液,并通过免疫染色确认了多纤毛细胞和分泌细胞的存在,其特征与原代人支气管上皮细胞(HBECs)相似,因此我们认为已成功从诱导性多能干细胞分化获得了气道上皮细胞。

图1:实验方案总体示意图。 冷冻保存的诱导性支气管上皮细胞(iBCs)经复苏、扩增和荧光激活细胞分选(FACS)纯化后,接种于多孔膜插入式培养板上,进而分化为具有功能性的黏液纤毛上皮。 请点击此处查看该图的高清版本。

图 2:代表性相差显微图像。 代表性相差显微图像,显示iBCs在三维培养中培养后(A)1天、(B)4天、(C)8天以及(D)14天(NGFR分选前)的典型形态。比例尺为500 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:代表性FACS图谱。 非报告基因和荧光报告基因诱导性前体细胞(iBCs)的代表性FACS图谱。图中展示了同型对照示例,并用于筛选表达水平最高的NGFR+细胞。含有荧光报告基因的iPSC细胞系经过“三次分选”,以获得NKX2-1GFP+ TP63tdTomato+ NGFR+细胞。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:多孔膜上诱导性支气管上皮细胞(iBC)培养的代表性图像。相位对比图像显示为接种后(A)1 天和(B)3 天的结果。代表性黏液纤毛培养物的免疫荧光染色如图(C)所示;乙酰化-α-微管蛋白(绿色)和 MUC5AC(红色)。比例尺表示 25 µm。请点击此处查看该图的高清版本。
补充文件1:培养基成分表。 请点击此处下载该文件。
人支气管上皮细胞(HBECs)是研究气道上皮疾病的金标准细胞类型。由于其存在诸多局限性(包括获取困难以及遗传操作难度大),我们建立了一种诱导生成iBCs及气液界面(ALI)培养物的实验方案。这些细胞可来源于任意供体,并保留其独特的遗传背景,因而可用于基础发育研究、疾病建模以及新型治疗策略的开发。
尽管所述方案中的每个步骤都是必要的,但有几个步骤需要特别强调。首先,在将类球体解离为单个细胞的每一步中,必须避免过度吹打;酶消化(使用dispase或胰蛋白酶)有助于提高细胞存活率,而过度吹打则会导致明显的细胞死亡。其次,在纯化NGFR+ iBCs时,同型对照的使用至关重要,我们建议通过FACS选择NGFR表达水平最高的细胞(图3)。该策略可获得最佳的气液界面(ALI)培养效果,并实现适当的黏液纤毛分化。最后,多孔膜的制备和接种必须严格按照方案中所述进行,这是ALI培养成功的关键。虽然我们通常每孔接种30,000–60,000个细胞,但在低至20,000个细胞的情况下也已获得成功。尽管使用符合人类胚胎干细胞标准的基质包被可建立成功的培养体系,但我们近期改用重组人源层粘连蛋白-521(laminin-521),其支持的ALI培养体系具有显著更高的稳定性。
极少数情况下,iPSC 分化可能无法上调足够比例的 NGFR+ iBCs。此时,对 iBCs 进行连续传代(在三维培养条件下)可随时间推移提高 NGFR 阳性细胞的比例。本方案的局限性包括生成这些细胞所需的时间、成本以及专业技术。此外,我们认识到许多研究人员对气道上皮中较为罕见的细胞类型(例如离子细胞、神经内分泌细胞)感兴趣。尽管我们已在培养中检测到部分此类稀有细胞类型,但与原代 HBEC 培养类似,这些细胞尚无法被稳定重复鉴定,这可能是因为目前对诱导这些细胞发育所需信号通路的理解尚不充分。
如文中所述,上述方案从已冷冻保存的诱导性乳腺细胞(iBCs)的解冻开始。在此冷冻保存之前的详细步骤已在先前文献中描述,不在本论文的讨论范围之内11,12。
我们的气道上皮细胞气液界面培养方法能够从几乎任何供体生成具有功能的气道上皮细胞。这极大地提高了获取珍贵的遗传背景明确的气道上皮细胞的便利性,这些细胞可用于疾病建模、药物筛选、未来的细胞治疗,以及增进对气道上皮内发育模式的理解。
我们感谢Hawkins、Kotton和Davis实验室的成员多年来在本项目及其他项目中提供的有益建议。我们还感谢波士顿大学细胞分选中心主任Brian Tilton的辛勤付出和技术专长。我们感谢波士顿大学再生医学中心(CReM)的Greg Miller和Marianne James在患者特异性诱导多能干细胞的维护与表征方面提供的支持和技术专长,该工作由美国国立卫生研究院(NIH)资助项目NO1 75N92020C00005和U01TR001810支持。本研究由NIH资助项目U01HL148692、U01HL134745、U01HL134766和R01HL095993(资助D.N.K.)、R01HL139876(资助B.R.D.)、R01 HL139799(资助F.H.)以及囊性纤维化基金会(CFF)资助项目CFF 00987G220和CFF WANG20GO(资助D.N.K.)、CFF DAVIS15XX1、DAVIS17XX0、DAVIS19XX0(资助B.R.D.)、CFF SUZUKI19XX0(资助S.S.)、CFF BERICA2010(资助A.B.)和CFF HAWKIN20XX2(资助F.H.)提供支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 12孔组织培养处理板 | Corning | 3515 | 平底 |
| 3-D生长因子减少型Matrigel | Corning | 356230 | |
| A83-01 | ThermoFisher Scientific | 293910 | |
| 细胞培养小室(Transwell) | Corning | 3470 | 直径6.5 mm;孔径0.4μm |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Sigma | D8418 | |
| Dispase II,粉末 | ThermoFisher Scientific | 17105-041 | |
| DMH1 | ThermoFisher Scientific | 412610 | |
| 杜氏改良伊格尔培养基/营养混合物(DMEM):F-12 | ThermoFisher Scientific | 11330-032 | |
| 杜氏磷酸盐缓冲液(PBS)(1×) | Gibco | 14190-144 | |
| 乙二胺四乙酸二钠盐溶液(EDTA) | Sigma | E7889 | |
| 胎牛血清(FBS) | Fisher | SH3007003E | |
| 汉克平衡盐溶液(HBSS) | ThermoFisher Scientific | 14175-079 | |
| HEPES | Sigma | H3375 | |
| 适用于人胚胎干细胞的Matrigel | Corning | 354277 | |
| 小鼠IgG1κ同型对照,APC标记 | Biolegend | 400122 | |
| 小鼠单克隆抗人CD271/NGFR,APC标记 | Biolegend | 345108 | |
| PneumaCult-ALI培养基(ALI分化培养基) | StemCell Technologies | 05001 | |
| PneumaCult-Ex Plus培养基(基底细胞基础培养基) | StemCell Technologies | 05040 | |
| Primocin | InvivoGen | ant-pm-2 | |
| rhLaminin-521 | ThermoFisher Scientific | A29248 | 终浓度:10 µg/mL |
| 胰蛋白酶-EDTA溶液,0.05% | Invitrogen | T3924 | |
| Y-27632 | Tocris | 1254 |