利用低成本的阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI),我们高效地制备了用于在H9人胚胎干细胞(hESCs)中稳定表达shRNA的慢病毒颗粒,并实现了对H9来源的神经前体细胞(NPCs)的高效瞬时转导。
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利用低成本的阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI),我们高效地制备了用于在H9人胚胎干细胞(hESCs)中稳定表达shRNA的慢病毒颗粒,并实现了对H9来源的神经前体细胞(NPCs)的高效瞬时转导。
本方案描述了利用慢病毒颗粒高效地将短发夹RNA(shRNA)递送至人胚胎干细胞(hESC)以及由hESC衍生的神经前体细胞(NPC)的方法。通过使用低成本的阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI),将携带shRNA的入门载体与包装质粒(pAX和pMD2.G)共同转染HEK293T细胞,从而产生慢病毒颗粒。病毒颗粒经超速离心浓缩后,平均滴度超过5 × 107。使用这些慢病毒颗粒可实现hESC和NPC的高效感染,这通过嘌呤霉素筛选及hESC中的稳定表达、以及NPC中绿色荧光蛋白(GFP)的瞬时表达得以证实。此外,Western blot分析显示,shRNA靶向基因的表达水平显著降低。同时,细胞仍保持其多能性及分化潜能,表现为后续可分化为中枢神经系统(CNS)的不同谱系。本方案主要涉及shRNA的递送,但该方法同样可用于cDNA的异位表达,以开展过表达研究。
源自囊胚内细胞团的人胚胎干细胞(hESCs)具有多能性,可根据外部因素分化为不同类型的细胞 体外 条件1,2为了充分挖掘人类胚胎干细胞(hESCs)的潜力,必须具备快速且可靠的基因递送方法。传统上,所采用的技术 broadly 可分为两类:非病毒和病毒基因递送系统。3,4较为常用的非病毒基因递送系统包括脂质体转染、电穿孔和核转染。非病毒递送系统的优点在于插入突变较少,且整体免疫原性降低。5,6然而,这些方法的转染效率较低,且外源基因瞬时表达的持续时间较短,这成为长期分化研究的主要限制因素。7电穿孔相较于脂质体转染可实现更高的转染效率;然而,其导致的细胞死亡率超过50%8,9,10通过核转染技术,结合脂质体转染与电穿孔,可提高细胞存活率和转染效率,但该方法需要细胞特异性的缓冲液和专用设备,因此在大规模应用时成本较高11,12.
相比之下,病毒载体在转导后表现出更高的转染效率以及总体较低的细胞毒性。此外,所递送的基因能够稳定表达,因此该方法适用于长期研究。13在将基因递送至人胚胎干细胞(hESCs)的常用病毒载体中,慢病毒载体(LVS)是其中之一,使用高滴度病毒颗粒时可实现超过80%的转导效率。14,15脂质体转染与磷酸钙法4 沉淀法是瞬时转染HEK293T细胞或其衍生细胞系的常用方法之一,通常与基因转移载体及包装质粒共转染,以产生慢病毒颗粒16尽管脂质体转染法具有较高的转染效率和较低的细胞毒性,但该技术受限于其成本较高,若需扩大规模以获得高滴度的慢病毒颗粒,成本将极为昂贵。CaPO4 沉淀法获得的转染效率与脂质体转染法相对相似。尽管磷酸钙法成本较低4 沉淀会导致转染后出现显著的细胞死亡,这使得标准化操作以及避免批次间差异变得困难17在此情况下,开发一种具有高效转染率、低细胞毒性且成本效益高的方法,对于生产可用于人胚胎干细胞(hESCs)的高滴度慢病毒颗粒至关重要。
聚乙烯亚胺(PEI)是一种阳离子聚合物,可在对HEK293T细胞进行转染时实现高效转染,同时细胞毒性较低,且与基于脂质转染的方法相比成本极低18。在此情况下,PEI可用于大规模生产高滴度慢病毒(LVS)的应用,通过多种技术从培养上清中浓缩慢病毒颗粒。本文所述方法介绍了使用PEI转染HEK293T细胞,并通过蔗糖垫超速离心法浓缩慢病毒载体。采用该方法,我们通常获得的病毒滴度稳定高于5 × 107 IU/mL,且批间差异较小。该方法操作简便、直接,且成本效益高,适用于向人胚胎干细胞(hESCs)及其衍生细胞进行基因递送的大规模应用。
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1. 使用PEI或Lipofectamine 3000试剂转染HEK293T细胞
2. LVS 的收集与超速离心
3. 基于pLKO.1载体的LVS滴度测定
4. 基于pll3.7载体的LVS滴度测定
5. hESC 的感染与稳定筛选
6. H9 来源的神经前体细胞(NPCs)的转导
注意:NPCs 采用双 Smad 抑制方案由 H9 细胞衍生而来,具体方法如先前所述19。
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基因转导后,人胚胎干细胞(hESCs)必须保持高存活率。尽管已对电穿孔法转染hESCs的方案进行了诸多优化以减少细胞死亡,但这些细胞在电穿孔后仍会出现超过50%的细胞死亡率,且转染效率较低20。慢病毒介导的基因转导不仅可实现高效的基因转移,而且在转导后还能维持较高的细胞存活率。以下结果展示了两种方法:一种使用GFP作为报告基因,在hESCs分化而来的神经前体细胞(NPCs)中实现瞬时表达;另一种使用嘌呤霉素对hESCs进行稳定筛选,以用于长期分化实验。
在第一组实验中,通过共转染携带shRNA的pll3.7载体(以GFP作为报告基因)以及第二代慢病毒包装质粒psPAX2.0和pMD2.G来产生慢病毒颗粒。转染后48小时和72小时收集慢病毒颗粒,并通过超速离心进行浓缩。图1A显示转染72小时后HEK293T细胞中GFP表达丰富。病毒蛋白的表达还导致HEK293T细胞出现合胞体形成,即单个细胞相互融合,如图1A中箭头所示...
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利用基因改造技术对干细胞进行研究或临床应用的能力,受到现有技术和对人胚胎干细胞(hESC)生物学基础认知的双重限制。在小鼠胚胎干细胞(ESC)中已显示出显著潜力的技术,如脂质体转染(lipofection)和电穿孔(electroporation),在hESC中效率较低,因为hESC notoriously 难以通过传统方法实现高效基因递送20。这一现状不仅推动了对现有技术的优化,也促进了新型方法的开发,以提高hESC中的转染效率。这些新方法的研发重点是在长期培养过程中,实现对hESC高效且稳定的基因递送,同时对其生长、多能性及分化潜能产生最小影响。在众多满足上述严格标准的新技术中,慢病毒介导的基因转移技术被广泛应用于hESC21,22。为生产表达特定基因的慢病毒颗粒,需将目标基因克隆至一种转移载体中,并与包装质粒共同转染HEK293T细胞,从而收获含有慢病毒颗粒的细胞培养上清液。为在hESC中使用,必须通过多种技术浓缩这些病毒颗粒,以获得至少达到1 × 107<...
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作者声明不存在利益冲突。
本研究得到了阿拉伯联合酋长国大学(UAEU)研究基金的资助,项目编号为 #31R170(扎耶德健康科学中心)和 #12R010(UAEU-AUA 基金)。我们感谢兰德尔·摩尔斯教授(Randall Morse,纽约奥尔巴尼沃兹沃思中心)在文稿的语言风格和语法修改方面提供的帮助。
所有数据均可根据要求提供。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇 | Invitrogen | 31350010 | |
| 38.5 mL,无菌认证开放式超透明薄壁管 | Beckman Coulter | C14292 | |
| Accutase | Stem Cell Technologies | 7920 | |
| bFGF 重组人源 | Invitrogen | PHG0261 | |
| 牛血清白蛋白 FRAC V | Invitrogen | 15260037 | |
| Corning Matrigel 基底膜基质,无LDEV | Corning | 354234 | |
| 环杷明 | Stem Cell Technologies | 72074 | |
| DMEM 培养基 | Invitrogen | 11995073 | |
| DMEM/F12 营养混合物 | Invitrogen | 11320033 | |
| 不含 Ca 和 Mg 的 DPBS | PAN Biotech | P04-36500 | |
| 胎牛血清 | Invitrogen | 10270106 | |
| GAPDH (14C10) 兔单克隆抗体 | CST | 2118S | |
| 温和细胞解离试剂 | Stem Cell Technologies | 7174 | |
| HyClone 非必需氨基酸 (NEAA) 100X 溶液 | GE healthcare | SH30238.01 | |
| L-谷氨酰胺,100X | Invitrogen | 2924190090 | |
| L2HGDH 多克隆抗体 | Proteintech | 15707-1-AP | |
| L2HGDH shRNA | Macrogen | 序列:CGCATTCTTCATGTGAGAAAT | |
| Lipofectamine 3000 试剂盒 | Thermo Fisher | L3000001 | |
| mTesR1 完全培养基 | Stem Cell Technologies | 85850 | |
| Neurobasal 培养基 1X CTS | Invitrogen | A1371201 | |
| Neuropan 2 补充剂 100x | PAN Biotech | P07-11050 | |
| Neuropan 27 补充剂 50x | PAN Biotech | P07-07200 | |
| 青霉素-链霉素溶液 | Invitrogen | 15140122 | |
| pLKO.1 TRC 载体 | Addgene | 10878 | |
| pLL3.7 载体 | Addgene | 11795 | |
| pMD2.G | Addgene | 12259 | |
| Polybrene 感染试剂 | Sigma | TR1003- G | |
| 支化聚乙烯亚胺 | Sigma | 408727 | |
| psPAX2.0 | Addgene | 12260 | |
| 嘌morphamine | Tocris | 4551/10 | |
| 嘌呤霉素 | Invitrogen | A1113802 | |
| ROCK 抑制剂 Y-27632 二盐酸盐 | Tocris | 1254 | |
| SB 431542 | Tocris | 1614/10 | |
| 0.05% 胰蛋白酶-EDTA | Invitrogen | 25300062 | |
| XAV 939 | Tocris | 3748/10 |
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