类器官已成为疾病建模的重要工具。在类器官生成过程中,细胞外基质(ECM) 可引导细胞命运,使用与天然组织相似的系统能够提高模型的准确性。本研究比较了人诱导多能干细胞来源的肠类器官在动物源性细胞外基质与无异源成分水凝胶中的生成情况。
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类器官已成为疾病建模的重要工具。在类器官生成过程中,细胞外基质(ECM) 可引导细胞命运,使用与天然组织相似的系统能够提高模型的准确性。本研究比较了人诱导多能干细胞来源的肠类器官在动物源性细胞外基质与无异源成分水凝胶中的生成情况。
细胞外基质(ECM)在细胞行为和发育过程中发挥着关键作用。由人诱导性多能干细胞(hiPSCs)生成的类器官目前受到多个研究领域的广泛关注。然而,传统细胞培养材料缺乏生理相关信号,限制了hiPSC的有效分化。将市售的细胞外基质引入干细胞培养体系,可为细胞维持提供有益的物理和化学信号。来源于动物的市售基底膜产品含有支持细胞维持的ECM蛋白和生长因子。由于ECM具有组织特异性,能够调控细胞命运,因此无异源成分(xeno-free)基质被用于促进向临床研究的转化。尽管市售基质已广泛应用于hiPSC和类器官研究,但这些基质之间的等效性尚未得到评估。本研究对四种不同基质——Matrigel(基质1-AB)、Geltrex(基质2-AB)、Cultrex(基质3-AB)和VitroGel(基质4-XF)——在hiPSC维持及人肠类器官(hIO)生成中的表现进行了比较。尽管细胞集落未呈现完美的圆形形态,但自发分化程度较低,超过85%的细胞表达干细胞标志物SSEA-4。使用基质4-XF可促进形成三维圆形细胞团。此外,提高用于制备基质4-XF水凝胶溶液的培养基中补充物和生长因子的浓度,可使hiPSC的SSEA-4表达水平提高1.3倍。在中/后肠阶段,基于基质2-AB维持的hiPSC分化过程中产生的球状体释放数量少于其他动物来源的基底膜组。与其他基质相比,无异源成分类器官基质(基质4-O3)可生成更大且更成熟的hIO,表明无异源水凝胶的物理特性可用于优化类器官的生成。综上所述,结果表明不同基质的组成差异会影响肠类器官分化的各个阶段。本研究强调了市售基质之间的差异,并为hiPSC和类器官研究中的基质优化提供了指导。
细胞外基质(ECM)是组织中一种动态且具有多种功能的组分,在调控细胞行为和发育过程中发挥核心作用。作为一种复杂的网络结构,它可提供结构支持以及细胞黏附配体1以及储存调控细胞信号传导的生长因子和细胞因子。例如,在伤口愈合过程中,细胞外基质(ECM)可作为迁移细胞的支架,同时作为参与组织修复的生长因子的储存库2同样,细胞外基质(ECM)的失调可能导致多种疾病(如纤维化和癌症)的严重程度增加。3,4在胚胎发育过程中,细胞外基质(ECM)引导组织形态发生。例如,在心脏发育过程中,ECM组分在形成心脏组织的正确结构和功能中发挥重要作用。5十多年的研究所表明,仅微环境的硬度6,7 可以调控干细胞谱系特化。因此,在此期间 体外 细胞分化,细胞外基质通过提供分化信号影响干细胞命运。
类器官可以从诱导性多能干细胞(iPSCs)生成。成功生成类器官的前提是使用经过充分表征的iPSC细胞系。然而,传统细胞培养材料中缺乏生理相关的信号,阻碍了iPSC的有效分化和类器官的生成。此外,近期研究强调了细胞外基质(ECM)的组成、细胞与ECM之间的相互作用8,以及机械和几何信号9,10,11在类器官扩增与分化过程中的重要性12。通过引入组织特异性的物理和化学信号,有望提升类器官技术的可重复性,从而推动其发展。
类器官旨在生理相似的微环境中重现天然组织的特性。选择一种能紧密模拟天然组织细胞外基质(ECM)的系统,对于实现细胞行为、功能及对刺激反应的生理相关性至关重要13。ECM组分的选择可影响干细胞在类器官内向特定细胞类型的分化。不同的ECM蛋白及其组合可提供引导细胞命运的信号线索14。例如,已有研究表明,使用特定的ECM组分可促进肠干细胞向成熟肠细胞类型分化,从而获得具有生理相关性的肠类器官15。尽管类器官在疾病建模和药物筛选中是一种有价值的工具,但选择合适的ECM系统对该应用至关重要。合适的ECM系统可通过构建类似于病变组织的微环境,提高疾病建模的准确性16。此外,组织特异性的ECM有助于生成更真实地重现疾病相关表型和药物反应的类器官17。优化用于类器官分化的ECM系统,对于实现理想的分化结果至关重要。
来源于动物细胞外基质(ECM)的市售基底膜系统(例如 Matrigel、Cultrex)以及无异源成分的水凝胶(例如 VitroGel)在诱导多能干细胞(iPSC)和类器官研究中被广泛使用。多年来,相关产品开发商和使用者已针对其特定产品和应用发布了大量操作说明,其中许多说明为本实验方案的制定提供了指导。此外,这些材料因其内在特性所带来的优势与局限性也已被众多研究者分别记录18,19,20,21。然而,目前尚缺乏系统性的操作流程来指导研究者为iPSC和类器官工作选择最优的基质系统。本文提供了一种系统评估不同来源ECM系统在iPSC和类器官实验中等效性的操作流程。该研究比较了两种不同的人诱导多能干细胞系(hiPSC)的维持培养以及人肠类器官(hIO)在四种不同基质中的生成情况:Matrigel(基质1-AB)、Geltrex(基质2-AB)、Cultrex(基质3-AB)和VitroGel(基质4-XF)。在类器官培养中,使用了四种此前已针对类器官培养优化过的无异源成分基质VitroGel版本:ORGANOID 1(基质4-O1)、ORGANOID 2(基质4-O2)、ORGANOID 3(基质4-O3)、ORGANOID 4(基质4-O4)。同时,也使用了针对类器官优化的动物源性基质:高浓度Matrigel(基质1-ABO)和Cultrex Type 2(基质3-ABO)。实验中采用市售干细胞培养基(mTeSR Plus)和类器官分化试剂盒(STEMdiff intestinal organoid kit)。本实验方案结合了各产品制造商提供的操作说明与实验室实践经验,旨在指导读者针对其特定的iPSC和类器官研究实现ECM条件的成功优化。总体而言,本方案及代表性结果强调了为干细胞研究和类器官分化选择最佳微环境的重要性。
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1. hiPSC 的维持
注意:所有操作均须在生物安全柜(BSC)中进行,并遵循标准的无菌技术。必须遵守美国职业安全与健康管理局(OSHA)对实验室的安全标准,包括正确使用个人防护装备,如实验服、手套和护目镜。


图1:最佳克隆块大小。 显示iPSC细胞系SCTi003A克隆块最佳大小示例的图像。比例尺 = 200 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。
2. hiPSC 分化与肠道类器官生成
注意:所有操作均须在生物安全柜(BSC)中进行,并遵循标准的无菌技术。必须遵守实验室的 OSHA 安全标准,包括正确使用个人防护装备,如实验服、手套和护目镜。

图 2.推荐用于形成穹顶结构的技术示意图。 该示意图描述了在所有系统中成功形成穹顶结构所推荐的逐步操作流程。请点击此处查看此图的放大版本。
3. IO 尺寸表征
注意:类器官的大小通过4倍和10倍明场图像进行表征。图像处理分析采用MATLAB自动完成。下文描述了该过程的整体步骤,并在补充文件1中提供了代码示例。
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根据本方案,成功利用市售的基底膜和一种无异源成分的水凝胶系统培养了人诱导多能干细胞(hiPSC),并将其分化为人肠道类器官(hIO)。这些实验的主要目标是系统评估不同来源基质在hiPSC和hIO研究中的等效性。本方案的第一部分重点介绍了健康iPSC培养物的维持与鉴定,以实现高效的肠道类器官生成。文中描述并比较了使用动物来源基质Matrix 1-AB、Matrix 2-AB和Matrix 3-AB包被培养器皿的方法,以及与无异源成分的水凝胶系统Matrix 4-XF的对比。
如图3A所示,来源于CD34+细胞的hiPSC系BXS 0116在三种动物源性基质上培养时表现出相似的形态。然而,将BXS 0116细胞系与来源于PBMC的SCTi003-A细胞系在Matrix 1-AB包被孔板上的培养情况进行比较,可发现不同细胞系之间的内在差异(见表6)可能导致细胞增殖、分化及形态方面的差异。例如,SCTi003-A细胞系生成定型内胚层(DE)需要3天,而BXS0116细胞系则需要5天。此外,如
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选择干细胞和类器官研究的最佳微环境是在广泛应用这些平台时至关重要的初始步骤。我们的代表性结果表明,Matrix 4-XFO3 与较高浓度的生长因子联合使用可产生更大的类器官,提示可利用无异源成分水凝胶的物理特性,通过这些系统优化类器官的生成。已有研究证实,细胞外基质(ECM)的独特特性与类器官内细胞的身份密切相关12由于细胞通过整合素及其他受体感知外部力学信号,细胞外基质(ECM)的力学特性对干细胞具有深远影响,而干细胞亦可相应地产生内部力学作用12干细胞与其微环境之间的相互作用在启动多种信号通路中起关键作用12此外,已有研究表明,细胞外基质(ECM)可作为储存和释放生长因子及其他影响细胞行为的信号分子的储库。因此,我们的代表性结果及数十年的研究均强调,在选择基质系统时,必须考虑天然细胞微环境及组织特性的生化与物理因素。 体外 研究29,30.
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John Huang 博士是 TheWell Bioscience 的创始人兼首席执行官。
作者感谢Christina Pacak博士、Silveli Susuki-Hatano博士和Russell D'Souza博士在启动hiPSC和类器官研究方面提供的前期培训和一般性建议。他们感谢Chelsey Simmons博士在使用水凝胶系统方面的指导 体外 细胞培养工作。此外,作者感谢STEMCELL Technologies公司的Christine Rodriguez博士和Thomas Allison博士在hiPSC培养方面的指导。作者还感谢TheWell Bioscience公司承担了出版费用。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 24孔板(经培养处理,无菌) | Falcon | 353504 | |
| 37 °C 水浴 | VWR | ||
| 96孔板 | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | FB012931 | |
| Advanced DMEM/F12 | Life Technologies | 12634 | |
| 抗黏附冲洗液 | STEMCELL Technologies | 7010 | |
| 生物安全柜(BSC) | Labconco | Logic | |
| 明场显微镜 | Echo Rebel | REB-01-E2 | |
| BXS0116 | ATCC | ACS-1030 | |
| 带温度控制的离心机(可维持4 °C) | ThermoScientific | 75002441 | |
| 锥形管,15 mL,无菌 | Thermo Fisher Scientific | 339650 | |
| 锥形管,50 mL,无菌 | Thermo Fisher Scientific | 339652 | |
| Cultrex RGF BME,2型 | Bio-techne | 3533-005-02 | |
| Cultrex 干细胞认证 RGF BME | Bio-techne | 3434-010-02 | |
| D-PBS(不含 Ca++ 和 Mg++) | Thermo Fisher Scientific | 14190144 | |
| Geltrex LDEV-Free,hESC认证,生长因子减量 | Gibco | A14133-02 | |
| GlutaMAX 添加剂 | Thermo Fischer Scientific | 35050-061 | |
| Guava Muse 细胞分析仪或其他流式细胞仪设备(可选) | Luminex | 0500-3115 | |
| HEPES 缓冲液 | Thermo Fischer Scientific | 15630-056 | |
| Heralcell Vios 细胞培养孵育箱(37 °C,5% CO2) | Thermo Scientific | 51033775 | |
| JMP 软件 | SAS Institute | JMP 16 | |
| MATLAB | MathWorks, Inc | R2022b | |
| Matrigel 生长因子减量(GFR)基底膜基质,LDEV-free | Corning | 356231 | |
| Matrigel 高浓度(HC)基质,生长因子减量(GFR),LDEV-free | Corning | 354263 | |
| mTeSR Plus 培养基 | STEMCELL Technologies | 100-0276 | |
| Nunclon Delta 表面处理 24孔板 | Thermo Scientific | 144530 | |
| PE 小鼠抗人 CD326(EpCAM) | BD Pharmingen | 566841 | |
| PE 小鼠抗人 CDX2 | BD Pharmingen | 563428 | |
| PE 小鼠抗人 FOXA2 | BD Pharmingen | 561589 | |
| PerCP-Cy 5.5 小鼠抗人 SSEA4 | BD Pharmingen | 561565 | |
| ReLeSR | STEMCELL | 5872 | |
| SCTi003-A | STEMCELL Technologies | 200-0510 | |
| 血清移液管(10 mL) | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | 13-678-11E | |
| 血清移液管(5 mL) | 赛默飞世尔科技(Fisher Scientific) | 13-678-11D | |
| STEMdiff 肠类器官生长培养基 | STEMCELL Technologies | 5145 | |
| STEMdiff 肠类器官试剂盒 | STEMCELL Technologies | 5140 | |
| Vitrogel 水凝胶基质 | TheWell Bioscience | VHM01 | |
| VitroGel ORGANOID 发现试剂盒 | TheWell Bioscience | VHM04-K |
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