このプロトコルは、定義された培養システムおよび細胞自己組織化を用いてヒト多能性幹細胞から肝球を産生するアプローチを記述する。このプロトコルは、多くの細胞株で再現可能であり、費用対効果が高く、生物医学的応用のための安定したヒト肝圏の生産を可能にする。
このプロトコルは、定義された培養システムおよび細胞自己組織化を用いてヒト多能性幹細胞から肝球を産生するアプローチを記述する。このプロトコルは、多くの細胞株で再現可能であり、費用対効果が高く、生物医学的応用のための安定したヒト肝圏の生産を可能にする。
細胞ベースのモデリングを改善し、移植のためのヒト組織を開発するためには、肝臓組織の再生可能な供給源の開発が必要である。ヒト胚性幹細胞(HESC)およびヒト誘導多能性幹細胞(hiPSC)は、ヒト肝球の有望な供給源を表す。ヒト多能性幹細胞から形成された三次元ヒト肝球を生成する血清フリーで定義された細胞分化法を開発した。技術の潜在的な制限は、内部の死んだ材料を持つ密な球の生産です。これを回避するために、我々は3D球のサイズを制御するために定義された細胞密度でアガロースマイクロウェル技術を採用し、アポトーシスおよび/または壊死コアの生成を防止しています。 特に、我々のアプローチによって生成された球体は、肝機能と安定した表現型を表示し、基礎的および応用科学的研究のための貴重なリソースを表す。私たちのアプローチは、ヒトの疾患をモデル化し、治療するためのさらなる組織を開発するためのプラットフォーム技術として使用できると考えており、将来的には複雑な組織構造を持つヒト組織の生成を可能にする可能性があります。
ヒト多能性幹細胞(hPSC)が自己更新する能力は、多能性を保持しながら、オンデマンドでヒト細胞の種類および組織を生産する機会を提供する。hPSCは、2次元(2D)付着培養系1、2、3、4、5、6を用いて肝細胞様細胞(HLC)に効率的に分化した。 ,7,8,9,10.これらのシステムは、単原性疾患、ウイルスライフサイクル、薬物誘発肝損傷(DILI)、毒素および非アルコール性脂肪性肝疾患(NAFLD)への胎児暴露を正常にモデル化するために使用されてきた11,12,13 、14、15.ただし、これらのモデルには、日常的な使用を制限するいくつかの欠点があります。それらは、胎児マーカー発現、不安定な表現型および貧弱な組織構造16、17、18、19を含み、生体内の器官機能への外挿を制限することもできる。
これらの限界を克服するために、生体内組織アーキテクチャを模倣するために3次元(3D)分化プラットフォームが開発されました。有効にするが、これらのアプローチは、組織発生20、21、22を駆動するために動物由来製品とマトリックスの使用に依存し、スケールアップと広範な適用を制限する。
ここでは、定義された材料とセル自己組立を使用して、hPSCから大量の3D肝球を生成する手順を詳しく説明します。特に、我々の手順によって生成された組織は、細胞培養において1年以上機能し続け、生体内23における肝機能を支持することができる。
要約すると、我々の定義された分化アプローチは、ヒト胚性幹細胞(hESC)と誘導多能性幹細胞(iPSC)の両方から安定したヒト肝圏の生成を可能にする。我々は、記述された手順は、基礎的および応用的な科学的研究のための3D肝球の生成における重要なブレークスルーを表すと信じています。
1. アガロースマイクロプレート金型の調製
注:これらの実験に使用される培地は、細胞培養のために無菌および室温(RT)でなければならない。
2. ヒト多能性幹細胞をアガロースマイクロウェルプレートに播種する
3. アガローズマイクロウェルズの3D肝球にhPSCを分ける
4. 長期培養3D肝球の機能解析
5. 免疫細胞化学
胚性幹細胞株(H9)または誘導多能性幹細胞株(P106)からの三次元凝集体を、我々の定義した手順を用いて肝細胞系統に向けて分化した(図1)。多能性幹細胞は、肝芽細胞仕様の前に決定的な内皮に向かって最初にプライミングされた。これに続いて、肝芽細胞は3D肝球に成熟し、培養中に最大1年間23年維持することができた。
3D球の構造を研究するために、30日前のhESC-またはiPSC由来の球を固定し、切り分けし、染色し、肝細胞および間葉細胞で発現するタンパク質の存在を検出した。肝細胞核因子4α(HNF4α)と間葉マーカービメンチンを用いて、間葉細胞のコアを取り囲む細胞のような肝細胞からなる外層の存在を明らかにした(図2)。アルブミン、CYP3A、E-カドヘリンの肝細胞で発現するタンパク質の発現を解析した実験を行った。免疫染色は、これらのタンパク質の発現が球の外層に限定されたことを明らかにした(図3)。
肝球の機能分析は、30日目の培養物で行った。CYP1A2およびCYP3Aは、機能性肝細胞内の重要な酵素である。彼らの活性は確立されたアッセイを用いて評価された。H9由来肝球は、220,375 ±74514 RLU/mL/mgタンパク質およびCYP1A2活性732,440±33,330 RLU/mL/mgタンパク質のCYP3A活性を示した(図4A)。P106由来肝球におけるCYP3A活性は132117±43,391 RLU/mL/mgタンパク質およびCYP1A2活性は409,907±121,723 RLU/mL/mgタンパク質であった(図4B)。ヒト原発性肝細胞の2つのバッチと比較した場合、3D肝球はCYP活性10の立派なレベルを示した。
アルブミンとα-フェトプロテイン(AFP)の合成と分泌の分析により、H9由来肝球が683.9±84及び159±20ng/mL/24 h/mgタンパク質のアルブミンおよびα-フェトプロテインをそれぞれ分泌することが明らかになった(図5A)。P106由来肝球は、アルブミンおよびα-フェトプロテインの497±41及び756±24ng/mL/24 h/mgタンパク質をそれぞれ分泌した(図5B)。

図 1: hESCから3D肝球を生成する段階的な分化手順。青い角かっこは、hiPSC の差別化の日数を表します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 2:3D肝球の構造再編。肝細胞核因子4α(HNF4α-緑)およびビメンチン(赤色)の表発の代表的な画像(A)H9由来3D肝球および(B)P106由来3D肝球およびそれに対応する免疫グロブリンG(IgG)対照.スケールバーは60 μmを表します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 3: 3D肝球圏における肝マーカー発現の評価肝細胞マーカーの発現の代表的な画像 - アルブミン、CYP3A、E-カドヘリンおよびそれに対応するIgGコントロール(A)H9-および(B)P106由来3D肝球。スケールバー = 60 μm.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 4:3D肝球圏のシトクロムP450機能。(A)H9由来3D肝球及び(B)P106由来3D肝球におけるシトクロムP4501A2および3A活性の測定。データは3つの生物学的反復の平均を表し、誤差バーは標準偏差(SD)を表します。活性は、タンパク質のmg当たりmL当たりの相対光単位(RLU)として引用される。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図 5: 肝圏タンパク質分泌の分析アルブミンおよびα-フェトプロテイン(AFP)の分泌を(A)H9由来3D肝球および(B)P106由来3D肝球で分析した。データは3つの生物学的反復を代表し、誤差バーはSDを表し、分泌タンパク質は、タンパク質のmg当たり24時間当たりmL当たりのタンパク質のナノグラムとして引用される。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
インビトロとインビボの両方で、ヒト肝圏を3Dで生成する定義済みおよび異種フリーシステムの開発が必要である。現在、ヒト多能性幹細胞からのヘパトサイト分化アプローチのほとんどは、2次元の付着培養において行われている。これらの環境は、組織の発生と恒常性に関与する環境手がかりの多くを欠いている;不一因な細胞相互作用、マトリックス産生および改造、生体内生物学18、19への翻訳が不十分な結果となった。
その結果、多能性幹細胞から肝球を生成する代替アプローチに焦点を当てた研究が行われました。多くの3D研究は、この分野を進歩させたが、それらはサポートを提供し、および/または複雑にするヒト組織21、22の使用を必要とする動物製品20、22、24に依存している技術スケールアップと妥協実験的な再現性とアプリケーション。
私たちの記事(図1)に記載されている手順は、インビトロで1年以上機能し、重要な肝臓サポートを提供する機能的な肝臓球の生産を可能にし、効率的で、非常に再現性が高く、費用対効果が高いと定義されています。ビボ14.重要なことに、このプラットフォームは、ユーザーが3D肝球のサイズを制御することができ、密な壊死中心の形成と表現型の損失を制限します。
3D肝球をポリHEMAコーティングプレートに移すのは、このプロトコルの重要なステップを表します。球を損傷しないように手順のこの段階で穏やかにピペットすることが重要です。さらに、点気応力や球体構造の歪みを避けるために、メディアの変更を慎重に行う必要があります。
これらの研究では、3D肝球は組織化された構造(図2および図3)、シトクロムP450機能(図4)およびアルブミンおよびα-フェトプロテインを含む分泌された肝タンパク質を示した(図5)。この手順は、同等の結果を有する4つの多能性幹細胞ラインで正常に行われている。今後、この技術は、複雑なアーキテクチャを持つさらに内皮組織と間葉組織を開発するためのプラットフォームとして採用される可能性があります。
デビッド・C・ヘイは、ステムノベート社とハイアーステーキ社の共同創設者であり株主です。著者の残りの部分は、彼らがこの記事で議論される主題や材料に利益相反がないことを証明します。
この研究は、英国再生医療プラットフォーム(MRC MR/L022974/1)およびチーフサイエンティストオフィス(TCS/16/37)の賞を受賞しました。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 細胞培養および機能アッセイ | |||
| Agarose | Fisher Bioreagents | 10766834 | |
| B27 supplement | ライフテクノロジーズ | 12587-010 | |
| β-メルカプトエタノール | Life Technologies | 31350 | |
| ウシ血清アルブミン | Sigma-Aldrich | A2058 | |
| DAPI | インビトゲン | D1306 | |
| DMSO | シグマ・アルドリッチ | D5879 | |
| DPBS、カルシウム、マグネシウムなし | ThermoFisher | ||
| 14190250 DPBSとカルシウムおよびマグネシウム | ThermoFisher | ||
| 穏やかな細胞解離試薬 | STEMCELL Technologies | 7174 | |
| グルタマックス | ライフテクノロジーズ | 35050 | |
| HepatoZYME-SFM | Life Technologies | 17705021 | |
| ヒューマンアクティビンA | ペプロテック | 120-14E | |
| の人間のアルファのフェト蛋白質ELISA | のアルファ診断 | 500 | |
| の人間の基本的なFibrobasltの成長因子 | Peprotech | 100-18B | |
| ヒト上皮Gropwth因子 | Peprotech | 236-EG | |
| ヒト肝細胞増殖因子 | Peprotech | 100-39 | |
| ヒトオンコスタチン M | ペプロテック | 300-10 | |
| ヒト組換えラミニン 521 | バイオラミナ | LN521-02 | |
| ヒト血清アルブミン ELISA | Alpha Diagnostics | 1190 | |
| ヒト血管成長因子 | Bio-techne | 293-VE | |
| ヒドロコルチゾン 21-ヘミスコハク酸ナトリウム塩 | Sigma-Aldrich | H4881 | |
| ノックアウトDMEM | ライフテクノロジーズ | 10829 | |
| ノックアウトセラムリプレイスメント | ライフテクノロジーズ | 10828 | |
| マイクロモールドスフェロイド | シグマ・アルドリッチ | ||
| mTeSR1 ミディアム | STEMCELL Technologies | 5850 | |
| 非必須アミノ酸 | ライフテクノロジーズ | 11140 | |
| P450-GLO CYP1A2 アッセイおよびスクリーニングシステム | Promega | V8771 | |
| P450-GLO CYP3A4 アッセイおよびスクリーニングシステム | Promega | V8801 | |
| ペニシリン-ストレプトマイシン (10,000 U/mL) | Life Technologies | ||
| ポリHEMA(ポリ2-ヒドルキシエチルメタクリレート) | シグマ・アルドリッチ | P3932 | |
| 組換えマウス Wnt3a | バイオテクネ | 1324-WN-500/CF | |
| RPMI 1640 | ライフテクノロジーズ | 21875 | |
| EquipmentMicrowave | |||
| Bosch | |||
| Microtome | Leika | RM2125RT | |
| Oven | Thermoscientific | ||
| 抗体 | |||
| 一次抗体 | |||
| アルブミン | シグマ・アルドリッチ | A6684 | 1:100(マウス) |
| CYP3A4 | ダンディー大学 | ディー大学 | 1:200 (羊) |
| E-cadherin | Abcam | ab76055 | 1:200 (マウス) |
| HNF-4α | サンタクルス | sc-8987 | 1:100 (ウサギ) |
| IgG | DAKO | X0943 | 1:400 |
| Vimentin | DAKO | M0725 | 1:100 (羊) |