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方法文章

利用低成本阳离子聚合物聚乙烯亚胺(PEI)通过慢病毒介导将shRNA递送至人胚胎干细胞和神经前体细胞

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DOI:

10.3791/63953

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2022年5月24日

本文内容

摘要

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。

摘要

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。

引言

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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方案

1. 使用PEI或Lipofectamine 3000试剂转染HEK293T细胞

  1. 将HEK293T细胞培养于含10% FBS和1×青霉素/链霉素的DMEM培养基中,置于37 °C、5% CO2和21% O2的湿化培养箱中,直至细胞融合度达到90%时进行转染接种。为获得高滴度病毒,应使用较低传代次数的细胞(理想情况下低于P30)。
  2. 在100 mm组织培养皿中加入10 mL完全生长培养基,接种4 × 106个细胞,并在含5% CO2和21% O2的湿化组织培养箱中过夜培养。
  3. 每项转染实验中,将质粒DNA(1 mg/mL储备液)用1 mL无血清DMEM培养基稀释至1.5 mL离心管中,按以下比例加入进入载体和包装质粒:
    进入载体 = 10 µg
    psPAX2.0 = 7.5 µg
    pMD2.G = 5 µg
  4. 涡旋振荡10秒,然后在室温下以10,000 × g离心30秒以收集液体。
  5. 向管中加入70 µL(1 mg/mL储备液)PEI,按上述方法短暂涡旋并离心收集。所用PEI体积基于总DNA(µg)与PEI(µg)1:3的比例。
  6. 对于基于脂质体转染试剂(lipofectamine)的转染,将上述载体用500 µL无血清DMEM培养基稀释,并加入试剂盒提供的45 µL试剂P,室温孵育5分钟。
  7. 用500 µL无血清DMEM培养基稀释试剂盒提供的70 µL试剂L,室温孵育5分钟。
  8. 将两管内容物混合,室温孵育20分钟,以形成复合物。
  9. 将1 mL DNA/PEI或1 mL DNA/脂质体复合物逐滴加入含细胞的培养皿中,在37 °C、5% CO2和21% O2的湿化培养箱中孵育6小时。
  10. 6小时后,更换为新鲜完全生长培养基(10 mL),并将细胞放回含5% CO2和21% O2的湿化培养箱中继续培养。

2. LVS 的收集与超速离心

  1. 转染后第2天,收集含病毒的培养基,并再次用10 mL新鲜的完全生长培养基覆盖细胞。
  2. 转染后第3天,收集含病毒的培养基,并将其与第2天收集的含病毒培养基混合。
  3. 将病毒上清液在4 °C条件下以2,000 × g离心10分钟,沉淀细胞碎片。
  4. 使用孔径为0.45 µm的低蛋白结合滤膜(PES或SFCA材质)过滤上清液,并于4 °C保存至进行超速离心。含有慢病毒颗粒的滤过上清液可在4 °C保存5天,病毒滴度无明显下降。
  5. 用70%乙醇清洗超速离心管套管10分钟,晾干,盖紧,并于4 °C保存。
  6. 将36 mL含有慢病毒颗粒的滤过培养基加入无菌的超速离心管中。
  7. 用无菌移液条吸取4 mL无菌的20%蔗糖溶液(用PBS配制),加入5 mL无菌移液条中,并将其准确排至含有慢病毒的超速离心管(UC)底部。注意蔗糖溶液不应与培养基混合,需在管底形成梯度。
  8. 使用无血清DMEM培养基平衡所有超速离心管,放入预冷的超速离心管套管中,盖紧管盖。
  9. 在4 °C条件下以125,000 × g离心2小时。
  10. 离心结束后,将管内容物倒置于含漂白剂的容器中,小心弃去上清液,避免扰动沉淀物。若可见沉淀,可做标记。
  11. 将超速离心管置于一个50 mL无菌离心管中,并在沉淀物顶部精确加入200 µL无菌DPBS。于4 °C静置过夜。
  12. 次日,通过移液枪轻柔吹打40次进行混匀。
  13. 在台式离心机中以13,000 × g短暂离心,以沉淀任何残留碎片。
  14. 将上清液转移至新管中,并将病毒原液分装为每份20 µL。于−80 °C保存。
  15. 留出5 µL用于病毒滴度测定。

3. 基于pLKO.1载体的LVS滴度测定

  1. 根据制造商的建议,使用qPCR测定慢病毒颗粒的滴度。
  2. 为建立标准曲线,将试剂盒中提供的标准对照DNA进行5次10倍连续稀释:每次取5 µL DNA加入45 µL无核酸酶的H2O中。使用1:100至1:100,000的稀释度生成标准曲线。
  3. 在冰上以复孔方式设置反应体系,如下所示:
    2x qPCR预混液        10 µL
    引物混合液                          2 µL
    样品或标准DNA   2 µL
    无核酸酶H2O            6 µL
  4. 按照试剂盒说明书中的循环条件进行qPCR,共35个循环。
  5. 以循环阈值(Ct)为Y轴,病毒滴度为X轴作图。
  6. 利用四个标准对照DNA稀释样本(1:100至1:100,000)生成对数回归曲线,并通过趋势线方程计算未知病毒样品的滴度。

4. 基于pll3.7载体的LVS滴度测定

  1. 在感染前24小时,将1 × 105个HEK293T细胞接种至12孔板的每个孔中,每孔加入1 mL完全培养基。
  2. 在培养基中添加8 µg/mL聚凝胺,并将1 mL该培养基加入每个无菌的1.5 mL离心管中。
  3. 分别取4 µL、2 µL、1 µL、0.5 µL和0.1 µL浓缩的慢病毒颗粒,加入含8 µg/mL聚凝胺的1 mL培养基中进行稀释。
  4. 将HEK293T细胞的培养基更换为含有指定体积慢病毒颗粒及8 µg/mL聚凝胺的培养基,于37 °C、含5% CO2和21% O2的湿润培养箱中孵育24小时。
  5. 次日,更换为新鲜培养基,并继续在37 °C、含5% CO2和21% O2的湿润培养箱中培养72小时。
  6. 72小时后,用PBS洗涤细胞,按照生产商说明书在37 °C进行胰酶消化,并重悬于1 mL PBS中。
  7. 使用流式细胞分选仪进行FACS细胞分选,遵循生产商推荐的操作步骤。以未感染的HEK293T细胞设定门控为0% GFP阳性细胞,每份样品计数50,000个事件,以确定各病毒稀释度下的阳性细胞百分比。
  8. 仅选用产生2%–20% GFP阳性细胞的慢病毒颗粒体积,用于计算慢病毒颗粒的滴度。

5. hESC 的感染与稳定筛选

  1. 用 2 mL 磷酸盐缓冲液(PBS)洗涤 6 孔细胞培养板中每个孔内生长的细胞。
  2. 加入 1 mL 1× 细胞解离试剂,于 37 °C 孵育 5 分钟,使细胞从培养板上脱离。
  3. 用 DMEM/F12 培养基收集细胞,并在室温下以 1,500 × g 离心 5 分钟,以收集细胞沉淀。
  4. 吸除上清,将细胞重悬于 1 mL 培养基中,并使用血细胞计数板进行细胞计数。
  5. 用含 mTeSR1 的完全生长培养基制备细胞悬液,终浓度为 2 × 105 个细胞/mL,培养基中需补充 10 ng/mL 碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)、青霉素/链霉素(P/S)和 10 µM ROCK 抑制剂(RI)。
  6. 在 50 倍稀释的完全基底膜基质包被的 P24 孔板中,每孔加入 500 µL 完全生长培养基,接种 1 × 105 个细胞,并将细胞置于 37 °C、含 5% CO2 和 21% O2 的湿润化培养箱中进行培养。
  7. 次日,以感染复数(MOI)为 10 的病毒感染人胚胎干细胞(hESCs),同时加入 8 µg/mL 多聚素(polybrene),于 37 °C 孵育 8 小时。
  8. 8 小时后,弃去含病毒的培养基,更换为新鲜生长培养基(不含 RI),继续培养至细胞融合度达到 90%。
  9. 当细胞融合度达到 90% 时(通常为感染后 48–72 小时),开始使用嘌呤霉素进行筛选,浓度为 0.8 µg/mL。
  10. 筛选完成后(通常为 4–6 天),将稳定转染的细胞按 1:4 比例传代,并扩增细胞用于冻存及后续分析。

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。

  1. 简而言之,将 H9 细胞用细胞解离试剂在 37 °C 下处理 5 分钟,以获得单细胞,然后重悬于含有 mTeSR1 并补充了 10 ng/mL 基础成纤维细胞生长因子(bFGF)、青霉素/链霉素(P/S)和 10 µM ROCK 抑制剂(RI)的完全培养基中。以 60,000 个细胞/cm2 的密度接种于经 1:50 稀释 Matrigel 包被的 6 孔细胞培养板中(第 0 天)。
  2. 当细胞达到 95%–100% 汇合度时,开始诱导分化,更换为含 LDN193189(200 nM)和 SB431542(10 µM)的 100% KSR 培养基(第 1 天)。
  3. 第 2 天,再次更换培养基,使用补充了 LDN193189(200 nM)、SB431542(10 µM)和 XAV939(5 µM)的 100% KSR 培养基。
  4. 分化第 4 天,更换为 KSR 培养基(75%)和 N2 培养基(25%)的混合液,并补充 LDN193189(200 nM)、SB431542(10 µM)和 XAV939(5 µM)。
  5. 从第 6 天至第 12 天,通过每天增加 25% 的 N2 培养基比例,逐步过渡至含 LDN193189(200 nM)、SB431542(10 µM)和 XAV939(5 µM)的 100% N2 培养基,并每 2 天更换一次培养基。
  6. 将第 12 天的神经前体细胞(NPCs)在补充了 20 ng/mL bFGF 的 N2:B27 培养基中进行培养。
  7. 在每孔 2 mL NPC 培养基中,将 2 × 105 个细胞接种至经 1:50 稀释的完全基底膜基质包被的 P6 培养板中,孵育以使细胞贴壁。
  8. 次日,在含 8 µg/mL 多聚素(polybrene)的条件下,用慢病毒颗粒以 MOI 6 感染细胞。
  9. 感染 8 小时后,将含病毒的培养基更换为新鲜的 NPC 生长培养基。
  10. 次日,重复感染操作,并在 8 小时后更换培养基。
  11. 继续培养细胞 72 小时,之后收获用于进一步分析。

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结果

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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讨论

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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披露

作者声明不存在利益冲突。

致谢

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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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
2-巯基乙醇Invitrogen31350010
38.5 mL,无菌认证开放式超透明薄壁管Beckman CoulterC14292
AccutaseStem Cell Technologies7920
bFGF 重组人源InvitrogenPHG0261
牛血清白蛋白 FRAC VInvitrogen15260037
Corning Matrigel 基底膜基质,无LDEVCorning354234
环杷明Stem Cell Technologies72074
DMEM 培养基Invitrogen11995073
DMEM/F12 营养混合物 Invitrogen11320033
不含 Ca 和 Mg 的 DPBSPAN BiotechP04-36500
胎牛血清Invitrogen10270106
GAPDH (14C10) 兔单克隆抗体CST2118S
温和细胞解离试剂Stem Cell Technologies7174
HyClone 非必需氨基酸 (NEAA) 100X 溶液GE healthcareSH30238.01
L-谷氨酰胺,100X Invitrogen2924190090
L2HGDH 多克隆抗体Proteintech15707-1-AP
L2HGDH shRNAMacrogen序列:CGCATTCTTCATGTGAGAAAT
Lipofectamine 3000 试剂盒Thermo FisherL3000001
mTesR1 完全培养基Stem Cell Technologies85850
Neurobasal 培养基 1X CTSInvitrogenA1371201
Neuropan 2 补充剂 100xPAN BiotechP07-11050
Neuropan 27 补充剂 50xPAN BiotechP07-07200
青霉素-链霉素溶液Invitrogen15140122
pLKO.1 TRC 载体Addgene10878
pLL3.7 载体 Addgene11795
pMD2.GAddgene12259
Polybrene 感染试剂SigmaTR1003- G
支化聚乙烯亚胺Sigma408727
psPAX2.0Addgene12260
嘌morphamineTocris4551/10
嘌呤霉素InvitrogenA1113802
ROCK 抑制剂 Y-27632
二盐酸盐 
Tocris1254
SB 431542Tocris1614/10
0.05% 胰蛋白酶-EDTA Invitrogen25300062
XAV 939Tocris3748/10

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