우리는 인간 줄기세포에서 유래한 췌장 줄기세포 섬을 면역결핍 쥐에 근육 내 이식하여 생체 내 이식과 후속 분석을 위한 최소 침습 프로토콜을 제공합니다.
우리는 인간 줄기세포에서 유래한 췌장 줄기세포 섬을 면역결핍 쥐에 근육 내 이식하여 생체 내 이식과 후속 분석을 위한 최소 침습 프로토콜을 제공합니다.
인간 다능성 줄기세포(hPSC) 유래 췌장 내분비 세포는 당뇨병 세포 치료와 질병 모델링에 유망한 원천입니다. 여러 차별 프로토콜이 확립되었지만, 생 체 내 착상은 생리학적 맥락에서 성숙과 기능을 연구하기 위해 일반적으로 필요합니다. 대부분의 이식 방법은 신장 캡슐이나 피하 공간과 같은 부위에 의존하며, 이는 기술적 또는 생리학적 한계를 초래할 수 있습니다. 여기서는 면역결핍 마우스에 hPSC 유래 췌장 SC-섬을 근육 내 이식하는 상세한 프로토콜을 제시합니다. 이 부위는 수술적 접근이 간편하고, 침습성이 줄며, 후속 분석을 위한 신뢰할 수 있는 이식편 채취를 가능하게 합니다. 이 절차는 줄기세포 유래 섬의 근육 내 착상을 가능하게 하고, 구강 포도당 도전 후 인슐린 분비 평가를 위한 회복을 지원합니다. 프로토콜에는 클러스터 준비 및 압축, 이식 수술, 생체 내 포도당 자극 인슐린 분비(GSIS), 조직학적 분석을 위한 이식편 채취 단계가 포함되어 있어, 전임상 마우스 모델에서 근육 내 이식을 위한 재현 가능한 틀을 제공합니다.
당뇨병은 지난 30년간 유병률이 두 배로 증가한 이질적인 대사 장애로, 2050년까지 13억 명이 영향을 미칠 것으로 예상됩니다. 식습관과 생활습관 같은 환경적 요인이 제2형 당뇨병(T2D) 발병에 중요한 역할을 하지만, 유전적 소인도 발병 기전에 크게 기여합니다. 췌장 β세포는 인슐린 합성과 분비를 담당하며 당뇨병 병태생리에서 중심적인 역할을합니다. 유전적 위험이 β세포 기능 장애에 어떻게 기여하는지 이해하기 위해, 3차원 내분비 클러스터(이하 SC-섬이라 부름)로 조직된 인간 줄기세포 유래 β세포가 매우 유익하고 관련성 높은 모델 시스템을 제공합니다 4,5. 최근 프로토콜은 특정 억제제와 성장인자를 사용하여 췌장 발달의 주요 단계를 재구성함으로써 인간 줄기세포가 인슐린 생성 β세포로 분화하는 과정을 효과적으로 안내합니다 6,7.
이 시스템들은 발달 이정표를 확장 가능하고 재현 가능한 방식으로 신뢰성 있게 재현하며, 발달 모델링을 지원하지 않고 공급 제약에 제약받는 기증자 유래 섬의 한계를 극복합니다. 쥐 모델은 췌장 발달에 대한 귀중한 통찰을 제공했으나, 인간 환자에서 관찰되는 표현형 증상을 완전히 재현하지 못하는 경우가 많습니다5. 따라서 줄기세포 기반 시스템의 사용은 인간 췌장 발달과 β 세포 기능 장애에 관여하는 유전적 변이의 특성화를 가능하게 합니다8.
이러한 발전에도 불구하고, 시험관 내에서 생성된 SC-소들은 성체 β 세포에 비해 전사체적·기능적으로 미성숙한 상태로 남아 있습니다. 이들은 최적이 아닌 포도당 자극 인슐린 분비를 보이며, MAFA와 G6PC2와 같은 성숙한 β세포 표지자의 발현이 부족합니다 9,10. 이 격차를 메우기 위해 면역결핍 마우스로의 이식을 통한 생체 내 성숙이 자주 사용되며; 이로 인해 인슐린 분비 역학과 유전자 발현 프로필 모두가 개선됩니다. 6.
포도당 대사는 엄격히 조절되며 전신 신호의 통합이 필요합니다. 이식된 SC-섬은 여러 장기에서 오는 신호를 통합할 수 있어, 인간β세포에서 유전적 변이의 기능적 결과를 평가하는 데 필수적인 생리학적으로 더 적합한 환경을 제공합니다.
쥐에서 S-섬 이식은 다양한 해부학적 부위에서 시행되어 왔습니다. 기존 부위는 신장 캡슐로, 스트렙토조토신(STZ) 치료 설치류에서 β세포 성숙 촉진과 당뇨병 역전에 효과적이지만, 복잡한 침습적 수술이 필요해 실험실 내 적용이 제한됩니다13. 더불어, 이 방법은 크기와 혈관 분배 제한 때문에 제1형 당뇨병 환자 치료에 임상 환경으로 적용되지 않습니다14. 근육 내 이식, 피하 조직, 지방 조직과 같은 대체 이식 부위가 보고되어 있어 덜 침습적이고 임상적으로 더 적합한 경로를 제공합니다. 근육 내 이식은 신장 캡슐에 비해 최적의 β세포 성숙과 인슐린 분비에 어려움이 있을수 있으나, 효과적인 인슐린 분비와 포도당 항상성 유지를 달성할 수 있으며, 더 간단하고 접근하기 쉬운 수술적 접근법을 제공합니다15,16.
따라서 이 프로토콜에서는 다른 이식 프로토콜의 여러 한계를 해결하는 근육 내 이식 접근법을 제시합니다. 이 방법은 최소 침습적이며, 성숙한 척 섬을 성숙시키고 β세포 기능 장애와 관련된 유전적 변이를 조사하는 데 신뢰할 수 있는 생체 내 전략을 제공합니다.
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다능성 줄기세포(hPSC)와 실험동물을 대상으로 한 모든 실험은 기관, 지역 및 국가 윤리 위원회의 승인을 받았습니다. 여기서 사용된 hPSC 군주는 원래 출처 기관에서 적절한 윤리적 승인과 사전 동의 절차에 따라 도출 및 배포되었습니다. 그림 1 은 hPSC 유지 관리부터 직접적 췌장 계통 분화 및 이식에 적합한 SC-섬으로의 성숙까지의 전체 작업 흐름을 보여줍니다.
1. hPSC와 췌장 전구세포의 분화
참고: 이 프로토콜은 두 가지 필수 준비 단계를 기반으로 합니다: 1) hPSC의 유지 및 확장, 2) 내분비 췌장 계통으로 유도된 분화. 두 단계 모두 7,17에서 자세히 설명되어 있습니다. hPSC는 Lyria-Leyte 등17의 권고에 따라 B8 배지와 함께 코팅된 플레이트에 유지됩니다. 기하급수적 성장 과정에서 분화를 위해 hPSC를 수확하고, 이들이 합류하기 전에 분화할 수 있습니다. 권장 파종 밀도에 도달하면 다음 날 90-100% 합류율에 도달해 분화를 시작할 준비가 됩니다. 내분비 췌장 계통으로의 분화는 Barsby 등7이 설명한 절차에 따라 수행됩니다. 미디어 관련 상세 내용은 표 1에서 확인할 수 있습니다.
2. 3차원 클러스터 생성과 인슐린 생성 세포로의 분화
참고: 11일째에는 분화된 세포가 췌장 전구세포로 발달했어야 합니다. 이 단계에서 내분비계 분화를 촉진하기 위해 세포는 평면 배양에서 3D 배양으로 전환됩니다.
3. 면역결핍 마우스의 조근육으로의 SC-섬 이식
참고: SC-섬은 분화 단계(4단계부터 7단계까지)에 걸쳐 이식되었습니다. 분화된 S7 SC-섬의 이식이 포도당 반응성 평가의 최적 전략인6, 초기 단계의 전구세포(S4-S5) 또는 미성숙 SC-섬(S6)의 이식은 정의된 배양 조건을 사용하여 시험관 내에서 가려지는 분화 또는 성숙 차이를 드러내는 데 도움이 될 수 있습니다. 그러나 덜 분화된 전구세포를 이식하는 것은 주로 잔류하는 미분화 세포 집단으로 인해 기형종 형성 위험이 증가합니다.
4. 생체 내 포도당 자극 인슐린 분비(GSIS)
참고: 경구 포도당 도전을 통한 생체 내 GSIS는 생리적 자극에 반응하여 기능적 인슐린 분비를 평가합니다. 모든 절차는 기관 동물 관리 및 사용 지침을 따라야 합니다. 이식된 β세포의 기능적 반응은 생체 내 성숙과 함께 개선됩니다: 인간 C-펩타이드는 이식 후 2주부터 검출될 수 있으며, 강력한 포도당 반응성 분비는 보통 4주가 걸립니다. 이 기간은 이식 시 척추 섬의 발달 단계에 따라 달라질 수 있습니다
5. 접목된 클러스터의 회수
6. 추출물 염색
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결과는 면역결핍 마우스에 7기 스카-섬을 근육 내 이식한 결과이며, 이식 후 6주 후에 분석이 수행되었습니다. 대표적인 이식편을 가진 소수의 동물을 분석하여 이 절차의 실현 가능성을 입증하였습니다. 본 연구에서 성공적인 결과는 근육 내 이식편의 거시적 채취 후 이식된 SC-섬의 생존 및 내분비 동일성 확인을 조직학적으로 확인하는 것으로 정의됩니다. 그림 1 은 hPSC 유지 과정을 지향적 췌장 계통 분화, 그리고 이식에 적합한 SC-섬으로의 성숙에 이르기까지 전체 분화 작업 흐름을 보여줍니다.
크기 조절 3D 응집체를 생성하기 위해 4단계 췌장 전구세포의 단일 세포 현탁물을 마이크로웰 플레이트에 시딩했습니다(그림 ...
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이 프로토콜에서는 SC-섬의 근육 내 이식을 생 체 내 성숙을 위한 간단하고 재현 가능하며 최소 침습적인 접근법으로 설명하며, 기능적 평가 가능성도 있다고 설명합니다. 신장 캡슐 이식은 설치류에서 섬 또는 SC-섬 이식의 '골드 스탠다드'로 널리 인정받지만, 더 높은 기술적 전문성과 더 긴 수술 절차가 필요합니다. 반면, 근육 내 부위는 절차의 단순성과 빠른 시술을 제공하며, 3Rs 프레임워크의 정제화 원칙에 부합하여 수술 복잡성과 수술 전 스트레스를 줄입니다. 이러한 특성들은 시행의 용이성이 중요한 SC-섬에서 유전자 변형 결과를 평가하려는 실험실에 특히 매력적입니다.
골격근을 이용해 내분비 조직 이식을 하는 개념은 임상 내분비학에서 오랜 선례가 있으며, 특히 부갑상선 자가이식에서 두드러지며, 현재도 일상적으로 사용되고 있습니다. 이는 근육 조직...
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저자들은 이해 상충을 선언할 필요가 없습니다.
이 연구에 사용된 hPSC 라인을 관대하게 제공해 주신 단웨이 황푸 박사(뉴욕 메모리얼 슬론 케터링 암센터)에게 감사드립니다. 이 연구는 스페인 과학혁신대학부 MICIU/AEI/10.13039/501100011033 및 Next GenerationEU/PRTR(A.B.)의 PID2021-122284NA-I00 및 CNS2023-145179 보조금, 그리고 카를로스 3세 건강 연구소(ISCIII)의 CIBER-네트워크 생의학 연구 컨소시엄 CB07/08/0029 및 PID2023-150719OB-I00 (M.V.)의 지원을 받았습니다. 당뇨병 및 관련 대사 질환 생의학 연구 센터(CIBERDEM)는 ISCIII의 이니셔티브이며 유럽 지역 개발 기금(FEDER)의 일부 지원을 받고 있습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2-Phospho-L-ascorbic acid trisodium salt | Sigma Aldrich | 49752 | |
| Activin A | Qkine | Qk001 | |
| AggreWell 400 24-well (microwell plate) | Stemcell | 34415 | |
| Betacellulin | GenScript | Z03102 | |
| Bovine Serum Albumin, Fraction V, Fatty Acid Free | Goldbio | A-421 | |
| CHIR 99021 | LC labs | C-6556 | |
| Chroman-1 | Medchem Express | HY-15392 | CEPT 칵테일 |
| CMRL-1066 | Pan Biotech | P04-84600 | |
| D-(+)-Glucose | Sigma Aldrich | G7021 | |
| Dibenzazepine (DBZ) | Syncom | Custom product | Gamma-secretase 억제제 |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium and Ham’s F12 media (DMEM/F12) | Corning | 15383541 | |
| EGF | Qkine | Qk011 | |
| Emricasan | Medchem Express | HY-10396 | CEPT 칵테일 |
| Ethanolamine | Sigma Aldrich | E9508 | |
| FGF2-G3 | GenScript | Custom product | |
| FGF7 | GenScript | Z03047 | |
| Heparin | Sigma Aldrich | H3149 | |
| Insulin | Gibco | 30284510 | |
| L-Alanyl-L-Glutamine | Linus | X0551-100 | |
| L-Ascorbic Acid | Santa Cruz | sc-202686 | |
| LDN-193189 | Sigma Aldrich | SML0559 | |
| Lipid Concentrate | Gibco | 11548846 | |
| Matrigel (basement membrane-derived extracellular matrix) | Falcon | 354230 | |
| MCDB 131 | Corning | 15-100-CV | |
| N-acetylcysteine | Thermo Scientific | 10521221 | |
| NaHCO3 | Fisher Scientific | 10553325 | |
| Nicotinamide | Sigma Aldrich | N0636 | |
| NRG-1 | Qkine | Qk045 | |
| Pluronic F-127 (anti-adherence solution) | Sigma Aldrich | 82184 | 5% (w/v) 사용 |
| Polyamine Supplement (1000×) | Sigma Aldrich | P8483 | CEPT 칵테일 |
| RepSox | MedChemExpress | HY-13012 | Alk5 억제제 |
| Retinoic Acid | Sigma Aldrich | R2625 | |
| SANT-1 | Selleckchem | S7092 | |
| Sobetirome (GC1) | Sigma Aldrich | SML1900-5MG | 세포 투과성 T3 유사체 |
| Sodium Pyruvate | Corning | 25-000-CI | |
| Sodium Selenite | Sigma Aldrich | S5261 | |
| T3 (3,3′,5-Triiodo-L-thyronine sodium salt) | Sigma Aldrich | T6397 | |
| TGF-β1 | Qkine | Qk010 | |
| TPB | Tocris | 5343 | |
| Trace Elements A | Corning | 15333641 | |
| Trace Elements B | Corning | 15343641 | |
| Trans-ISRIB | Medchem Express | HY-12495 | CEPT 칵테일 |
| Transferrin | InVitria | 777TRF029 | |
| Triton X-100 (nonionic surfactant) | Thermo Scientific | 11488696 | |
| TrypLE | Gibco | 11538856 | |
| Y-27632 | LC Laboratories | Y-5301 | ROCK 억제제 |
| ZM-447439 | MedChemExpress | HY-10128 | |
| ZnSO4 | Sigma Aldrich | Z0251 | |
| 항체 | |||
| Rat anti-Human C-peptide (insulin) | DSHB | GN-ID4-s | 150 ng/mL 사용 |
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| Donkey anti-rabbit AF488 | Invitrogen | A-21206 | 1:500 |
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