为了更好地模拟人体肠道的结构和功能,必须对人肠道类器官进行神经支配。本文介绍了一种将肠神经系统整合到这些类器官结构中的方法。
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为了更好地模拟人体肠道的结构和功能,必须对人肠道类器官进行神经支配。本文介绍了一种将肠神经系统整合到这些类器官结构中的方法。
肠道细胞结构和功能的复杂性为生物工程小肠的构建带来了重大挑战。此前已有研究报道了生成类似于人类小肠的人肠道类器官(HIOs)的技术。HIOs 包含上皮和间充质组织,但缺乏功能性肠道的其他关键组分,例如肠神经系统(ENS)、免疫细胞、血管系统和微生物组。两个独立的研究团队已分别发表了将肠神经系统(ENS)引入 HIOs 的不同方法。本文中,我们讨论一种将肠神经系统(ENS)整合到 HIO 来源的生物工程小肠中的独特方法,该方法结合了先前研究中的技术要素,以优化前体细胞的身份特征及发育时机。
人类多能干细胞(hPSCs)通过在数天内对分化标志物进行时间调控,按照已发表的实验方案分别独立分化为人肠道类器官(HIOs)和肠神经嵴细胞(ENCCs)。当HIOs发育至中后肠球状体阶段(约第8天)时,将第15至21天的ENCC球状体解离,与HIOs共培养,并悬浮于透明的三维(3D)基底膜基质液滴中。HIO + ENCC共培养物被维持培养 体外 移植前28-40天 >9周龄的免疫缺陷小鼠中以进行进一步发育和成熟。移植后的人类肠道类器官(tHIOs)可在4至20周后收获。该方法整合了两种先前发表技术的关键要素,利用由人多能干细胞(hPSCs)衍生的肠神经嵴细胞(ENCCs),并在肠道类器官发育早期阶段与其共培养,以最大程度地暴露于早期发育信号,这些信号可能有助于形成更成熟的肠道形态。
人类小肠是一个复杂的多层器官,执行多种重要功能,如消化、营养吸收、液体调节、免疫屏障功能以及运动功能。许多临床疾病,例如短肠综合征、肠病或运动功能障碍,其特征是肠组织量显著减少或正常生理功能受到破坏,从而导致严重的发病率和死亡率1,2,3,4。目前的治疗手段通常包括手术切除功能异常的肠段,但会因此减少肠道长度,进而降低残余肠段的功能能力5。临床上亟需具有增补性质的再生疗法,以增加功能性肠道容量,并以现有治疗模式无法实现的方式恢复肠道功能。
生物工程小肠是应对这些挑战的有前景的解决方案。由人多能干细胞(hPSCs)衍生而来的人肠类器官(HIOs)是构建生物工程小肠的一种起始材料。2011年,Spence 等首次报道了从包括H1和H9在内的人胚胎干细胞(hESC)系以及多种人诱导性多能干细胞(hiPSC)系成功构建现代HIOs6,7。该方案包括一系列精确控制时间的培养步骤,并使用特定生长因子,以模拟人类胎儿肠道的发育过程。激活素A(Activin A)是一种TGFβ信号分子,可驱动hPSC向内胚层命运分化,随后通过Wnt/FGF信号通路进行定向后部模式形成。在此条件下,hPSC可自组织形成肠球状体,其中包含极化上皮和间充质。在基底膜基质中进行三维培养可进一步促进其发育,最终形成具有内部腔隙、类似绒毛的上皮内陷结构,以及在类似隐窝结构中具备自我更新能力的前体细胞微环境的类器官。
尽管采用2011年原始方案生成的人类类肠器官(HIOs)在结构上类似于天然肠道,但其缺乏生成肠神经系统(ENS)中神经元或胶质细胞的能力。2017年,两篇重要研究论文分别描述了相似但不同的HIOs神经支配方法。ENS前体细胞(即肠源性神经嵴细胞,ENCCs)可由人多能干细胞(hPSCs)衍生获得。在培养条件下,ENCCs可形成三维神经球,在适当条件下可进一步分化为肠神经元和胶质细胞。Workman和Mahe等人改进了现有的ENCCs衍生方案,从hPSCs中获得ENCCs后,使用富含FGF的培养基处理,随后加入维甲酸处理2天,以实现后部化并促进迷走神经命运的形成8,9第6天的神经球在无视黄酸条件下继续培养4天,随后经酶消化解离后收集迁移细胞。将约20,000至50,000个肠神经嵴细胞与早期中后肠类球体聚集,形成肠神经嵴细胞接种的肠类球体,并进行培养 体外 在透明的3D基底膜基质中培养28天,直至 体内 移植至免疫缺陷小鼠肾包膜下培养6–10周。所获得的HIO + ENS显示出上皮和间充质成分的显著成熟,以及类似神经节的神经胶质结构,但与天然肠道相比,其细胞体密度较低,缺乏某些临床相关神经元亚型(例如移植后HIO + ENS中缺失CHAT阳性神经元),整体呈现胎儿样特征。
同年,Schlieve 等人发表了一种替代方法,该方法涉及将 40–60 个完整的第 15 天 ENCC 神经球与更为成熟的 HIOs 在特定时间点共同混合 体内 移植到免疫缺陷小鼠的大网膜中,持续3个月,无需预先处理 体外 共培养10其构建物被称为ENCC-HIO-TESI(组织工程小肠),似乎比Workman和Mahe所构建的HIO + ENS具有更成熟的肠神经系统(ENS)表型,表现出更丰富的神经元亚型多样性以及在HIO + ENS中未观察到的神经上皮突触连接。重要的是,Schlieve实验中所用的ENCCs是通过Fattahi等人先前描述的不同方法获得的。11简而言之,人多能干细胞(包括人胚胎干细胞和人诱导多能干细胞)在富含FGF2的培养基中进行神经嵴诱导。这些细胞还接受了视黄酸(RA)处理以建立肠源性迷走神经命运,但RA处理时间为5天(第6–11天),较Workman和Mahe所用的2天(第4–5天)有所延长。2019年,Barber等人发表了Fattahi方案的修订版本,其中更详细地描述了培养条件,并改用成分明确的基础培养基,以减少实验变异性,并反映当时细胞培养偏好的变化。12.
我们对人肠道类器官(HIOs)进行神经支配的方法(下文将详述)结合了Workman/Mahe法与Schlieve法的要素。尽管在Schlieve的ENCC-HIO-TESI模型中,肠神经系统(ENS)表现出更成熟的特征,具有更高的神经元多样性及神经胶质整合能力,但两种方法均成功地将功能性肠神经系统整合至HIOs中,并显示出胃肠道转录表达的显著变化。Workman和Mahe的HIO + ENS模型诱导了多个与肠道干细胞及上皮细胞发育相关基因的表达上调,而这些基因在ENCC-HIO-TESI模型中并未发生改变。造成这些差异的一个可能解释是两种方案中肠神经嵴细胞(ENCCs)与HIOs共培养的时间点不同。本实验室观察到,早期共培养可导致参与上皮和间充质分化的多个基因表达上调,且共培养时机影响上皮细胞的多样性(未发表数据)。因此,肠神经系统前体细胞更早地暴露于发育中的HIOs环境可能 反之亦然 为尚未明确的信号串扰提供时间,从而促进上皮多样性及其他早期发育过程。
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人胚胎干细胞(hESC)系H9购自WiCell(美国威斯康星州麦迪逊市),所有涉及hESC的实验均经休斯顿德克萨斯大学健康科学中心干细胞研究监督委员会(UTHealth Houston SCRO)批准(方案编号:SCRO-23-01)。本实验方案中提及的包被培养板或孔,均指使用经hESC验证的3D基底膜基质制备的培养板或孔。
1. 细胞培养准备
注意:本实验室使用 H9 hESCs,但其他实验室已成功使用多种 hPSC 细胞系生成 HIOs 和 ENCCs,包括 H9 hESCs9,10,12、H1 hESCs9、hESC 细胞系 UCSF412,以及多种 hiPSC 细胞系,如 WTC1112、WTC11 AAVS1-CAG-GCaMP6f9、WTC109,10、WTC10 PHOX2B 杂合子 (+/Y14X)9 和 WTC10 PHOX2B 纯合缺失 (Y14X/Y14X)9。
2. ENCC 的生成
注意:我们的肠神经嵴细胞(ENCC)生成方法 closely follows Fattahi 实验室所描述的方法,并采用 Schlieve 等人10使用的方法。我们在 Barber 等人10,12论文中的“"肠神经嵴(ENC)诱导(第 0–12 天)"”和“"ENCC 类球体形成(第 12–15 天)"”部分,采用的是对该方案选项 B 的略微修改版本。
3. HIO 生成(中后肠类球体阶段)
注意:我们生成 HIO 的方法与 McCracken 等人以及 Spence 和 Wells 实验室先前详细描述的原始方案基本相同6,7。该过程分为两个阶段:定型内胚层(DE)诱导和中后肠类球体形成。
4. 中肠-后肠类球体与肠神经嵴细胞的共培养
注意:本节的图示摘要见图1。
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肠神经系统(ENS)调控成熟小肠的基本功能,包括蠕动、营养吸收、液体转运以及上皮屏障的维持。因此,对人源类器官(HIOs)进行神经支配的目标是为这些类器官提供发育所需的各种要素,以实现更成熟、更高级的功能。为此,本实验室重点研究肠神经系统在HIOs中的发育过程,以及在不同发育阶段所实现的功能性结果。
持续监测细胞的生长、分化及形态发生过程至关重要,以确保每个步骤均按预期进展后再进入下一阶段。肠神经嵴细胞(ENCC)的分化及类球体形成过程最长可持续3周,图2展示了ENCC分化完成后及ENCC类球体形成不同阶段的代表性明场显微图像。ENCC应在第12天左右开始在细胞单层中形成可见的聚集体,随后在重铺至超低吸附培养板后自发形成类球体。此阶段ENCC类球体通常生长迅速,肉眼即可清晰观察到。
在HIO生成过程中,DE诱导第1天后出现部分细胞死亡是正常现象。细胞增殖应在第2天和第3天恢复,最终到第3天结束时融合度应接近100%。DE诱导结束时,细胞应呈现较大、扁平的形态,边界清晰...
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自2010年代初以来,人源类肠器官(HIOs)已被用作研究人类肠道发育的模型系统,并且其复杂性日益增加。目前,已可为这些类器官提供肠神经系统(ENS),从而为研究正常发育过程提供了新的机遇,并有望应用于理解和更好治疗多种临床胃肠道疾病。
在体 移植
ENCCs 整合至中后肠类球体中,并在过程中形成肠神经系统 体外 共培养阶段。然而,包括我们实验室在内的多个研究团队选择在第28天后将HIO + ENS移植到活体宿主体内,以借助宿主的血管系统促进其进一步生长和成熟。我们通常在第28天后移植HIO + ENS 体内 第28天至第40天之间 体外 生长。然而,也有其他实验室将HIO培养超过40天 体外. 由于这些较长片段中的转录组 体外 培养物保持胎儿样状态,未发生进一步成熟13,共培养 体外 超过40天并无进一步优势。多种优化移植操作的方...
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢众多合作者与导师,包括 Noah Shroyer、Michael Helmrath、James Wells 和 Faranak Fattahi,他们允许我们访问其实验室,并在多年间帮助我们不断完善本实验方案。我们还要感谢多能干细胞中心(Pluripotent Stem Cell Facility)和干细胞中心(Center for Stem Cell)的 Chris Mayhew 与 Amy Pitstick &感谢辛辛那提儿童医院医学中心类器官医学中心(CuSTOM)为我们的实验室提供了人肠道类器官(HIO)培训、指导和建议。 本研究由德克萨斯医学中心消化疾病中心试点/可行性研究资助项目(部分由美国国立卫生研究院糖尿病、消化及肾脏疾病研究所 NIH/NIDDK P30DK056338 资助)(Speer)、美国国立糖尿病、消化及肾脏疾病研究所(NIDDK,NIH 1K08DK131326-01A1)(Speer)、杰出人士奖(Men of Distinction award)(Speer)以及美国神经胃肠病学与动力学会(ANMS)职业过渡奖(Transition Award)(Speer)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 100倍非必需氨基酸溶液(NEAA) | ThermoFischer Scientific | 11140050 | |
| 15 mL 圆锥形离心管 | Thermo Scientific | 12565269 | |
| Accutase | STEMCELL Technologies | 07920 | "酶解细胞解离试剂" |
| B-27 添加剂(50倍浓度),不含维生素A | ThermoFischer Scientific | 12587010 | 用于 ENCC |
| B-27 补充剂(50 倍浓度),无血清 | Gibco | 17504044 | 对于HIO |
| 亮线血细胞计数板 | 豪斯科学 | 3120 | |
| Corning Costar 超低吸附微孔板 | Fisher Scientific | 07-200-601 | |
| 康宁平底24孔板,TC处理 | VWR | 29442-044 | |
| Corning 平底板 3516 6 孔 | VWR | 29442-042 | |
| Essential 6 培养基 | 赛默飞世尔 | A1516401 | |
| Essential 8 培养基 | 赛默飞世尔 | A2858501 | 用于 ENCC 培养板的替代干细胞培养基。 |
| 细尖镊子 | Dumont | 11223-20 | |
| Forma Steri-Cycle i160 | 赛默飞世尔科技 | 50145522 | |
| Gibco Advanced DMEM/F12 | 赛默飞世尔科技 | 12634-010 | |
| Gibco HEPES 1 M | 赛默飞世尔科技 | 15630-080 | |
| Gibco Neurobasal 培养基 | 赛默飞世尔科技 | 21103-049 | |
| Glutagro,200 mM,100倍浓缩液 | 康宁 | 25-015-CI | |
| Glutamax | 赛默飞世尔科技 | 35050061 | |
| H9 人 ESC | WiCell 国际干细胞库 | N/A | |
| HyCloneTM FBS Defined | VWR | 16777-002 | |
| LabGard 生物安全柜 | Nuaire | Nu-430-400 | |
| 基质胶 GFR 基底膜基质,无酚红,无LDEV | 康宁 | 356231 | "透明三维基底膜基质" |
| 基底膜基质(Matrigel hESC-Qualified Matrix,不含LDEV) | 康宁 | 354277 | "3D基底膜基质" |
| 微量移液管 | Eppendorf(100-1000、20-200、10-100、2-20、0.5-10、0.1-2.5 μL) | 2231300008 | |
| mTeSR 1 | STEMCELL Technologies | 85850 | "干细胞培养基" 货号包含5倍浓缩补充剂,需提前大量加入。 |
| N-2 补充剂(100 倍) | Gibco | 17502048 | 对于HIO |
| N-2 补充剂,CTS(细胞治疗系统) | 赛默飞世尔科技 | A1370701 | 用于ENCC。配方略有不同。 |
| 尼康 DS-Fi2 TS-100 显微镜 | 尼康 | TS100 | |
| Noggin 条件培养基 | 德克萨斯医学中心消化系统疾病中心 GEMS 核心,肠类器官/类器官子核心 | N/A | |
| 青霉素-链霉素(10,000 U/mL) | ThermoFischer Scientific | 15140-122 | |
| 重组人 Activin A | 细胞引导系统 | GFH6-100 | |
| 重组人 BMP-4 | Fisher Scientific | 314BP010 | |
| 重组人 EGF 蛋白,CF | ThermoFisher Scientific | 236-EG-200 | |
| 重组人 FGF basic/FGF2(146 个氨基酸)蛋白 | 赛默飞世尔科技 | 233-FB-010 | |
| 重组人 FGF-4 | Peprotech | 100-31 | |
| ReLeSR | STEMCELL Technologies | 5872 | "干细胞解离试剂" |
| 视黄酸 | SIGMA | R2625-50MG | |
| 无RNase的微量离心管,2 mL | 赛默飞世尔科技 | AM12425 | |
| RPMI 1640 培养基 | 赛默飞世尔科技 | 11875093 | |
| R-Spondin 条件培养基 | 德克萨斯医学中心消化疾病中心 GEMS 核心,肠类器官/类器官子核心 | N/A | |
| SB 431542,Tocris Bioscience | Fisher Scientific | 16-141-0 | |
| Sorvall ST 16R 离心机 | 赛默飞世尔科技 | ||
| 标准宽口移液器吸头 | VWR | 89049-166 | |
| Stemolecule Chir99021 溶液 | Stemgent | 04-0004-02 | |
| 无菌滤膜移液器吸头 | VWR(1000 μL、200 μL、10 μL) | 76322-154, 76322-150, 89174-520 | |
| Vitronectin XF | 干细胞技术 | 7180 | 用于 ENCC 培养板的替代性 3D 基底膜基质 |
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