本方案介绍了一种利用人多能干细胞生成血管类器官的方法。
本方案介绍了一种利用人多能干细胞生成血管类器官的方法。
由人诱导多能干细胞(hiPSCs)衍生的血管类器官重现了人类血管网络的细胞类型多样性和复杂结构。该三维(3D)模型在血管病理建模方面具有重要潜力 体外 药物筛选。尽管近年来取得了进展,但在生成具有稳定质量的类器官方面仍存在一个关键技术挑战,即如何实现可重复性,这对于后续的检测和应用至关重要。本文介绍了一种经过改进的方案,可提高血管类器官生成的均一性和可重复性。该改进方案采用微孔板结合CEPT鸡尾酒溶液(chroman 1、emricasan、多胺和整合应激反应抑制剂trans-ISRIB),以改善类胚体的形成和细胞存活率。利用该方案生成的已分化成熟血管类器官,可通过整体三维免疫荧光显微镜进行表征,以分析其形态结构和复杂的血管网络。该方案能够以可扩展的方式生产高质量的血管类器官,有望推动其在疾病建模和药物筛选中的应用。
体外微生理系统模型,包括类器官和器官芯片系统,近十年来已逐步发展起来1,2,3。这些三维(3D)人源细胞系统分别克服了传统二维(2D)细胞培养和动物模型的局限性,例如传统模型缺乏生理微环境中的多种组分,以及不同物种间的遗传差异。与传统模型相比,这些系统能够提供更接近生理状态的信息,更适用于疾病建模和药物筛选。在各类微生理系统模型中,由人诱导多能干细胞(hiPSCs)衍生的类器官已被证实可有效模拟天然人组织的结构特征,并已成功用于模拟多种人体器官,包括脑4,5、肾6、肝7,8 和视网膜9。本文重点介绍由hiPSCs生成血管类器官的方法,并概述一种简化的实验流程,旨在最大限度减少不同类器官样本及批次间的变异,从而提高整体实验的可重复性。
血管系统在维持人体所有器官的生理稳态中起着至关重要的作用。血管系统的形成涉及血管发生(vasculogenesis)和血管生成(angiogenesis)两个过程,这些过程通过内皮细胞与壁细胞(如周细胞和血管平滑肌细胞)之间的相互作用进行协调,并受到多种刺激因素的影响10。Penninger, Wimmer 及其同事开发了首个可模拟这两个过程的血管类器官生成方法11,12。利用该方法生成的类器官,其研究团队12以及我们团队13,14已证明血管类器官在模拟疾病中血管功能障碍方面的潜力。例如,在我们近期的研究中13,14,在模拟疾病的血管类器官与其野生型对应物之间观察到了明显的表型差异,如血管出芽现象以及壁细胞组成的变化。这些实例表明,血管 类器官模型有望通过模拟与疾病相关的血管功能障碍,成为药物筛选的一个有效平台。
在先前血管类器官生成研究11,12的基础上,本文提出了一项改进的实验方案,该方案采用微孔板以促进均一的拟胚体(EB)形成,这是减少同一批次类器官生成过程中常见变异性的关键因素。此外,在拟胚体形成过程中,使用CEPT鸡尾酒混合物——包括Chroman 1、Emricasan、多胺 以及整合应激反应抑制剂(trans-ISRIB)15——以提高hiPSCs及其分化细胞的存活率 。此项改进主要旨在降低不同类器官样本及批次之间的差异。通过该为期约两周的方案,可获得结构均一的血管类器官:在第1天诱导血管发生,促使内皮细胞形成原始管状网络;第5天诱导血管生成,促进类器官内复杂血管网络的发育;至第12–15天,所生成的类器官应呈现出由内皮细胞和壁细胞共同构成的成熟血管网络。
图1展示了本实验方案所涉及步骤的概览。材料表中提供了本方案所用试剂和材料的详细信息。建议所有培养基在使用前均于37 °C预热,除非另有说明。所有细胞培养相关的材料和耗材均应经过高压灭菌或为无菌状态,细胞操作应在生物安全柜中进行。此外,应仔细调节I型胶原蛋白混合物的pH值至7.3,以避免可能出现的凝固问题。
1. 人iPSC的维持
2. 胚状体形成(第0天)
3. 血管分化(第1 - 5天)
4. 水凝胶包埋(第5天)
5. 三维免疫荧光检测
图1A 展示了本实验方案的流程图,包括各阶段所使用的关键组分。分化过程始于拟胚体形成,随后进行中胚层诱导及血管谱系特化(图1B-D)。随着时间推移,聚集体逐渐增大且形状变得不规则。类器官在第5天开始出现粗糙的边缘。在嵌入I型胶原-基底膜基质混合物后,血管内皮细胞和周细胞最早于第7天出芽并向外生长,形成复杂的血管网络(图1E)。由于该改进方法的主要目的是尽量减少不同批次培养之间的差异,我们测量了两个独立批次的拟胚体(EB)大小,两次测量结果及统计分析均证实了该方法的一致性和均一性(图1F).
为验证血管分化,在包埋前第5天收集类器官,并使用血管标志物CD31、ERG1和PDGFRβ进行染色。类器官表达CD31、ERG1和PDGFRβ(图2),表明存在血管内皮细胞和周细胞。
组织透明化处理后,通过全组织免疫荧光显微镜对血管网络进行分析(图3A)。成熟的类器官在第17天使用CD31、ERG1和PDGFRβ进行染色(图3B,凝胶块中的样本);第28天时(图3C,样本从凝胶块中取出后单独培养于96孔板中;需注意的是,取出凝胶块后,边缘的血管网络包裹着类球体,而非呈放射状向外扩展)。

图1:血管类器官的生成。(A)血管类器官生成步骤及时间线示意图。(B-E)不同发育阶段血管类器官的代表性明场图像。比例尺:100 µm。(F)本研究中采用微孔法生成的两批拟胚体(EB)在EB大小上的统计分析结果。EB生成时每个微孔接种1,000个细胞,批次1和批次2的样本数分别为n = 42和n = 40。显著性标记为ns,表示无显著差异。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:凝胶包埋前血管类器官的免疫染色。 类器官经内皮细胞标志物(A)CD31(绿色)和(B)ERG1(绿色),以及(C)周细胞标志物 PDGFRβ(绿色)染色后的代表性荧光图像。细胞核用 DAPI 复染(蓝色)。比例尺:50 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:血管类器官中血管网络的免疫荧光表征。(A)代表性图像显示组织透明化后玻璃培养皿中凝胶包埋的血管类器官。类器官呈透明状,但在385 nm紫外光下可见。(B)第17天血管类器官的代表性三维整体成像。血管类器官用DAPI(蓝色)、血管内皮细胞标志物CD31(绿色)和周细胞标志物PDGFRβ(洋红色)染色。(C)第28天回收的血管类器官的代表性整体三维成像,使用内皮细胞标志物CD31(红色)和ERG1(绿色)染色。比例尺:150 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
| hiPSC 扩增培养基 | 500 mL |
| mTeSR Plus 基础培养基 | 400 mL |
| mTeSR Plus 添加剂 | 100 mL |
| 庆大霉素 (50 mg/mL) | 1 mL |
表1:hiPSC扩增培养基的成分。
| hiPSC 接种培养基 | 20 mL |
| PSC 扩增培养基 | 20 mL |
| Chroman 1 (100 µM) | 10 µL |
| Emricasan (1 mM) | 30 µL |
| 多胺补充剂 (1000x) | 20 µL |
| trans-ISRIB (1 mM) | 14 µL |
表2:hiPSC接种培养基的成分。
| N2B27 培养基 | 100 mL |
| DMEM/F-12, GlutaMAX 补充剂 | 48.6 mL |
| NeuroBasal 培养基 | 48.6 mL |
| GlutaMAX 补充剂 (100x) | 0.5 mL |
| MEM 非必需氨基酸溶液 (NEAA, 100x) | 0.5 mL |
| 2-巯基乙醇 (1000x) | 0.1 mL |
| 庆大霉素 (50 mg/mL) | 0.1 mL |
| N2 补充剂 (100x) | 0.5 mL |
| B27 补充剂(不含维生素 A, 50x) | 1 mL |
| 肝素, 4 kU/mL | 0.1 mL |
表3:N2B27培养基的成分。
| 中胚层诱导培养基 (MIM) | 3 mL |
| N2B27 培养基 | 3 mL |
| BMP4 (100 ng/µL) | 0.9 µL |
| CHIR99021 (12 mM) | 3 µL |
表4:中胚层诱导培养基(MIM)的成分。
| 血管分化培养基 1 (VDM1) | 3 mL |
| N2B27 培养基 | 3 mL |
| Forsklin (12 mM) | 0.5 µL |
| VEGFA (100 ng/µL) | 3 µL |
表5:血管分化培养基1(VDM1)的成分。
| Ⅰ型胶原混合液 | 5 mL |
| Ⅰ型胶原 (3.61 g/mL) | 2.77 mL |
| 10 倍浓度 DMEM/F12 培养基 | 0.5 mL |
| 碳酸氢钠,7.5% | 0.5 mL |
| HEPES,1 M | 0.5 mL |
| H2O | 0.73 mL |
| NaOH,1 M | 75 µL |
表6:I型胶原混合液的组成。
| 胶原蛋白 I - 基底膜基质混合液 | 6.5 mL |
| 胶原蛋白 I 混合液 | 5 mL |
| Matrigel (10 mg/mL) | 1.5 mL |
表7:I型胶原-基底膜基质混合物的组成。
| 血管分化培养基 2 (VDM2) | 5 mL |
| DMEM/F-12, GlutaMAX™ supplement | 3.67 mL |
| 庆大霉素 (50 mg/mL) | 5 µL |
| MEM 非必需氨基酸溶液 (NEAA, 100X) | 50 µL |
| 2-巯基乙醇 (1000x) | 5 µL |
| 肝素, 4 kU/mL | 5 µL |
| Knockout 血清替代物 | 0.75 mL |
| FBS | 0.5 mL |
| VEGFA (100 ng/µL) | 5 µL |
| FGF2 (100 ng/µL) | 5 µL |
表8:血管分化培养基2(VDM2)的成分。
| 封闭缓冲液 | 50 mL |
| 驴血清 | 2.5 mL |
| Tween 20 | 0.25 mL |
| Triton X-100 | 0.25 mL |
| 脱氧胆酸钠溶液 (1%, wt/v) | 0.5 mL |
| PBS | 46.5 mL |
表9:免疫染色封闭缓冲液的成分。
本方案包含两项关键改进,可实现高质量血管类器官的均一化和可重复性生成。第一项改进是使用微孔板,以更好地控制胚胎体(EB)的均一性。作为血管分化的起始点,EB的大小至关重要,因为它调控着干细胞的命运以及向不同谱系分化的效率。EB尺寸的差异通常会导致类器官结构和组织不一致,出现异质性16,17。传统的通过刮取hiPSC集落来生成EB的方法11,12难以控制每个EB的细胞数量,通常导致EB形成不均一。在本方案中,hiPSC被解离为单细胞悬液,并在微孔中重新聚集16,18。通过调节接种的细胞数量,可优化EB的大小,以确保中胚层分化的稳定性和高效性。进行微孔接种时,使用500–1,000个细胞 ,可获得相对较小的EB(直径为100–200 µm)。该方法可在不同批次之间(图1F)以及不同细胞系之间可重复地生成大小均一的EB13。自第0天起,EB在分化过程中形态随时间发生变化:形状逐渐变得不那么球形,表面变得更加粗糙(图1),但体积未显著增加。三维血管结构的形态取决于包埋密度以及所包埋类器官的大小。过大的类器官(>500 µm)通常会导致血管细胞分化不足,而过小的类器官则往往血管发育不全。
第二个改进是加入CEPT混合物,以提高hiPSC在拟胚体(EB)形成过程中的细胞存活率。在此过程中,细胞存活率与hiPSC克隆的质量同样至关重要。当hiPSC被解离为单细胞悬液时,通常会添加ROCK抑制剂Y27632以提高细胞存活率。然而,研究表明Y27632在低密度培养条件下对hiPSC的效果并不理想,且可能引起不必要的膜应激;而CEPT混合物(由chroman 1、emricasan、polyamines 和trans-ISRIB组成)可显著降低细胞应激,从而在低密度hiPSC培养条件下有效提升EB形成过程中的细胞存活率15。
在类器官包埋于凝胶之前,应将类器官维持在微孔板中,换液操作需轻柔,以避免可能的损伤。最初5天建议使用200 µL移液器进行换液。所有用于血管类器官生成的培养基在使用前必须预热。尤其是在凝胶包埋后,使用低温培养基可能导致基底膜基质部分液化,从而影响血管网络形成的三维水凝胶微环境。类器官的包埋密度及其分布均匀性也是血管网络形成的关键因素。过高的类器官包埋密度可能导致血管网络过度融合,而密度过低则可能导致网络形成不足。建议每孔接种60–80个类器官,在将其加入第一层三维凝胶后,立即轻轻前后晃动培养板,以使类器官分布更均匀。
该方案可进一步修改以适用于不同应用。例如,可施加血脑屏障(BBB)相关信号,以进一步限制血管内皮细胞形成BBB界面19,20,21,22,23,24,25。三维水凝胶的组成也可进行调整。例如,纤维蛋白和玻连蛋白常用于体外血管网络的形成in vitro25,26,27,28,29,30,31,32。可用于包埋的基底膜基质可不含胶原蛋白I,这可能简化包埋过程并提供不同的力学刺激。
尽管本方案生成的血管类器官可能可用于疾病建模或药物筛选应用,但其局限性在于这些类器官主要仅模拟毛细血管系统,较大血管较少。对于聚焦于较大血管的研究,类器官的生成可能需要额外的机械刺激24,31,32,33。将血管类器官与循环系统连接,例如移植至动物体内34,或结合带有灌注泵的微/宏观流体装置33,可能有助于解决这一问题。
作者声明不存在竞争性财务利益。
我们感谢哥伦比亚大学赫伯特·欧文综合癌症中心共聚焦和专业显微镜共享资源提供的技术支持,该资源部分由美国国立卫生研究院中心资助项目(P30CA013696)资助。本工作由美国国立卫生研究院资助(R21NS133635,Y.-H.L.;UH3TR002151,K. W. L.)。图1A使用BioRender绘制。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇(1000倍) | Gibco | 21985023 | |
| Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 片段驴抗兔IgG(H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 711-546-152 | 用0.25 mL 50%甘油重悬, 于-20 °C保存不超过1年,使用时稀释比例为1:1000 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure F(ab')2 片段驴抗山羊IgG(H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 705-606-147 | 用0.25 mL 50%甘油重悬, 于-20°C保存不超过1年,使用时稀释比例为1:1000 |
| B27补充剂(不含维生素A,50倍) | Gibco | 12587010 | 于4 °C解冻,分装后于-20 °C保存,避免反复冻融 |
| BMP4 | ProSpec | CYT-081 | 用无菌ddH2O重悬至浓度为100 ng/µL,分装后于-20 °C保存 |
| CD31抗体 | abcam | ab28364 | 稀释比例:1:400 |
| 离心机 | Eppendorf | 022626001 | |
| CHIR99021 | Tocris Bioscience | 4423/10 | 用DMSO配制成12 mM的储存液,于-20 °C保存不超过1年。 |
| Chroman 1 | Tocris | 7163/10 | 用DMSO配制成100 µM的储存液,于-20 °C保存不超过1年。 |
| 胶原蛋白I型 | Corning | 40236 | |
| 共聚焦显微镜 | Nikon | AXRMP/Ti2 | |
| Corning Elplasia培养板 | Corning | 4441 | |
| Countess II FL全自动细胞计数仪 | Thermo Fisher | AMQAF1000 | |
| DMEM/F-12,含GlutaMAX补充剂 | Gibco | 10565018 | |
| DMEM/F-12,粉末 | Gibco | 12500062 | 用生物级ddH2O配制成10倍储存液,并用0.2 µm滤器过滤除菌。4 °C保存。 |
| Edi042A | Cedars Sinai | ||
| Emricasan | Medchemexpress LLC | HY1039610MG | 用DMSO配制成1 mM的储存液,于-20 °C保存不超过1年。 |
| ERG抗体 | Cell Singali Technology | 97249 | 稀释比例:1:400 |
| 胎牛血清 - 优质 | Atlanta Biologicals | S11150 | 于4 °C 解冻并分装,于 -20 °C保存不超过五年,或于4 °C保存不超过一个月 |
| FGF2 | ProSpec | CYT557 | 用无菌ddH2O重悬至浓度为100 ng/µL,分装后于-20 °C保存 |
| Fluorodish细胞培养皿 | World Precision Instruments | FD35-100 | |
| Forskolin | Tocris Bioscience | 1099 | 用DMSO重悬至浓度为12 mM,分装后于-20 °C保存 |
| 庆大霉素(50 mg/mL) | Gibco | 15710064 | |
| GlutaMAX补充剂(100倍) | Gibco | 35050061 | |
| 肝素,100 kU | MilliporeSigma | 375095100KU | 用无菌ddH2O重悬至浓度为4 kU/mL |
| HEPES(1 M) | Gibco | 15630080 | |
| 培养箱 | Thermo Scientific | 13998123 | |
| Knockout血清替代物 | Gibco | 10828028 | 于4 °C解冻,分装后于-20°C保存,避免反复冻融 |
| Matrigel,GFR基底膜基质 | Corning | 356230 | 于4 °C解冻,分装后于-80°C保存,避免反复冻融 |
| MEM非必需氨基酸溶液(NEAA,100倍) | Gibco | 11140050 | |
| 分子生物学级水 | Corning | 46000CV | |
| mTeSR plus试剂盒 | STEMCELL Technologies | 1001130 | 于4 °C解冻,分装后于-20°C保存,避免反复冻融 |
| N2补充剂(100倍) | Gibco | 17502048 | 于4 °C解冻,分装后于-20°C保存,避免反复冻融 |
| NaOH溶液(1 M) | Cytiva HyClone | SH31088.01 | |
| NeuroBasal培养基 | Gibco | 21103049 | |
| NIS-Elements,版本5.42 | Nikon | ||
| 正常驴血清 | Jackson Immuno Research Labs | 17000121 | 用10 mL无菌ddH2O重悬,于4 °C保存不超过两周 |
| 多聚甲醛,20% | Electron Microscopy Sciences | 15713S | 用PBS稀释 |
| PBST,20倍 | Thermofisher | 28352 | |
| PDGFRβ抗体 | R&D | AF385 | 稀释比例:1:400 |
| 多胺补充剂(1000倍) | Sigma-Aldrich | P8483 | |
| Rapiclear透明试剂,1.49 | SUNJIN LAB | RC149001 | |
| 碳酸氢钠(7.5%) | Gibco | 25080094 | |
| 脱氧胆酸钠一水合物 | Thermofisher | J6228822 | 用ddH2O溶解配制成1%(wt/v)的储存液 |
| TBST,20倍 | Thermofisher | 28360 | |
| trans-ISRIB | Tocris Bioscience | 5284/10 | 用DMSO配制成1 mM的储存液,于-20°C保存不超过1年。 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
| 台盼蓝染液(0.4%) | Thermo Fisher | 15250061 | |
| Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949-100ML | |
| VEGF-A | ProSpec | CYT-116 | 用无菌ddH2O重悬至浓度为100 ng/µL,分装后于-20°C保存 |