Summary
该协议描述了一种使用定义的培养系统和细胞自组装从人类多能干细胞中产生肝球的方法。该协议可重复在多个细胞系中,具有成本效益,并允许生产稳定的人类肝球用于生物医学应用。
Abstract
需要开发可再生的肝组织,以改善基于细胞的建模,并开发用于移植的人体组织。人类胚胎干细胞(hESCs)和人类诱导多能干细胞(hiPSCs)代表了人类肝脏领域的有希望的来源。我们开发了一种无血清和定义的细胞分化方法,以产生由人类多能干细胞形成的三维人类肝球。该技术的一个潜在限制是生产带有死料的密集球体。为了规避这种情况,我们采用在定义的细胞密度下采用的角糖微孔技术来控制3D球体的大小,防止产生凋亡和/或坏死核。 值得注意的是,我们的方法产生的球体显示肝功能和稳定表型,是基础和应用科学研究的宝贵资源。我们相信,我们的方法可以作为一个平台技术,以进一步开发组织,以建模和治疗人类疾病,并在未来可能允许生成具有复杂组织结构的人体组织。
Introduction
人类多能干细胞(hPSCs)自我更新的能力,同时保持多能性,为按需生产人类细胞类型和组织提供了机会。hPSCs 已经有效地分化成肝细胞样细胞 (HLCs) 使用二维 (2D) 附着培养系统1,2,3,4,5,6 ,7,8,9,10.这些系统已用于成功模拟单源疾病、病毒生命周期、药物诱发肝损伤 (DILI)、胎儿接触毒素和非酒精性脂肪肝 (NAFLD)11、12、13 ,14,15.但是,这些模型确实存在一些缺点,限制了它们的日常使用。这些包括胎儿标记表达,不稳定的表型和不良的组织结构16,17,18,19,这也可能限制外推器官功能在体内。
为了克服这些限制,已经开发了三维(3D)分化平台来模拟体内组织架构。虽然实现了,这些方法依赖于使用动物衍生产品和基质驱动组织成因20,21,22,限制扩大和广泛应用。
在这里,我们详细介绍了使用定义的材料和细胞自组装从 hPSC 生成大量 3D 肝球的过程。值得注意的是,我们的程序产生的组织在细胞培养中保持一年以上的功能,并能够支持体内的肝功能23。
总之,我们定义的分化方法允许从人类胚胎干细胞 (hESCs) 和诱导多能干细胞 (iPSCs) 生成稳定的人类肝球。我们认为,所述程序代表了在基础和应用科学研究的3D肝球的生成上的重大突破。
Protocol
1. 加罗斯微孔模的制备
注:用于这些实验的介质必须是无菌的,并且在室温 (RT) 下用于细胞培养。
-
准备 2% 甘蔗模。
- 将2克低熔融温度甘蔗溶解成100 mL的灭菌蒸馏水。小心加热在微波炉与间隔摇动完全溶解。
- 将 520 μL 的熔化甘蔗添加到 256 井格式的模具中,然后待其凝固。
- 将每个甘蔗微板转移到12孔板的单口中。
- 在每个井中加入 1.5 mL 的 1x Dulbeco 的磷酸盐缓冲盐水 (DPBS),每个井中加入 Ca2+/Mg2+,并使用 P1000 移液器尖端轻轻上下移液,从而去除微井中的气泡。这是为了确保均匀的细胞种子设定。
注:在1x DPBS中,Agarose微孔板可在4°C下储存长达6个月。
2. 将人类多能干细胞播种到阿加罗斯微孔板中
-
细胞悬浮液的准备
- 如前面描述的那样,从 hPSC 的未分化区域性中吸出介质。
注:hPSC在mTeSR1中的LN-521培养,介质每24小时改变一次,一旦细胞达到75%至85%的汇合量,就会定期通过,如前所述8。 - 用 5 mL 的 RT 1x DPBS 冲洗细胞,不带 Ca2+/Mg2+,然后取出缓冲液。
- 向细胞中加入5 mL的1x细胞解散试剂(材料表),通过在37°C孵育细胞6-8分钟,允许细胞分离。
注:要停止反应,请检查显微镜下的细胞分离。细胞应部分与板分离。如果需要较长的时间,将孵育时间延长 1-2 分钟。 - 通过去除细胞分离试剂停止反应,并在细胞中加入5 mL的新鲜mTeSR1培养基,辅以10μM Rho相关激酶(ROCK)抑制剂Y27632。使用 P1000 移液器尖端,通过上下移液多次分离细胞。
- 使用血细胞计和锥体蓝色染色排除计数活细胞。之后,以所需的浓度准备细胞悬浮液。
- 计算所需的单元格总数。对于 3D 肝球分化,种子 3.84 x 105细胞每个角胶微孔板生成直径为 100-150 μm 的球体。
- 将所需数量的细胞转移到无菌的15 mL或50 mL离心管中,并在RT处将管以200 x g离心5分钟,以颗粒细胞。
- 吸气并丢弃 mTeSR1 培养基中的上液和再悬浮细胞加上 10 μM ROCK 抑制剂 Y27632。将细胞颗粒稀释在适当的培养量中,最终浓度为2.1 x 106细胞/mL。
- 如前面描述的那样,从 hPSC 的未分化区域性中吸出介质。
-
将细胞播种到制备的甘蔗微孔板
注:如果使用冰箱储存的角胶微孔板,在使用前至少一小时将其置于37°C的细胞培养箱中,并在细胞播种前从孔中吸出1x DPBS。- 将190μL的细胞悬浮液加入胶着剂微孔。
- 播种后,在37°C和5%CO2下将板返回到细胞孵化器2小时,使细胞沉淀。
- 2小时后,在每个井中加入1mL的新鲜和温暖的mTeSR1介质,辅以10μM ROCK抑制剂Y27632。
- 在37°C和5%CO2下将板返回到细胞培养箱24小时,并在第二天检查球体的形成,使细胞附着。
3. 在阿加罗斯微井上将hPSC区分为3D肝球
- 聚2-羟基乙二甲酸酯(多-HEMA)涂层井的制备
- 将2克聚HEMA溶解在100 mL的95%乙醇中。在55°C下使用热板搅拌溶液过夜。每孔24孔板加入250μL的聚HEMA溶液,使用烤箱在60°C干燥过夜。
- 制备分化介质
- 通过在无菌的0.2%牛血清白蛋白(BSA)/DPBS中溶解人体活动蛋白A,制备1,000x人类活动蛋白A的库存溶液,最终浓度为100微克/mL。储存在-20°C的小等分。在 1:1,000 使用。
- 通过将小鼠Wnt3a冻干蛋白溶解在无菌的0.2%BSA/DPBS中,最终浓度为10微克/mL,制备1,000xWnt3a库存溶液。储存在-20°C的小等分。在 1:200 使用。
- 通过将人体HGF冻干蛋白溶解在无菌的0.2%BSA/DPBS中溶解至10μg/mL的最终浓度,制备1000x人肝细胞生长因子(HGF)的库存溶液。储存在-20°C的小等分。在 1:1,000 使用。
- 通过在无菌 0.2% BSA/DPBS 中溶解 OSM 到 20 μg/mL 的最终浓度,制备 1,000x 的 oncostatin M (OSM) 库存溶液。储存在-20°C的小等分。在 1:1,000 使用。
- 通过将无菌的 0.2% BSA/DPBS 中的冻干蛋白溶解到 10 μg/mL 的最终浓度,制备上皮生长因子 (EGF) 的 1000x 库存溶液。储存在-20°C的小等分。在 1:1,000 使用。
- 通过将无菌 0.2% BSA/DPBS 中的冻干蛋白溶解到 10 μg/mL 的最终浓度,制备基本成纤维细胞生长因子 (bFGF) 的 1,000x 库存溶液。储存在-20°C的小等分。在 1:1,000 使用。
- 通过将 0.2% BSA/DPBS 中的冻干蛋白溶解至 10 μg/mL 的最终浓度,制备血管内皮生长因子 (VEGF) 的 1,000x 库存溶液。储存在-20°C的小等分。在 1:1,000 使用。
- 使内皮分化介质由罗斯威尔公园纪念研究所 1640 (RPMI 1640) 基基介质补充 2% B27 补充剂 (50x,不含胰岛素) 和 1% 青霉素/链霉素 (最终浓度: 100 IU/mL 和 100 μg/mL,分别)。除非指示,在每个介质变化时,以分别为50纳克/mL和100纳克/mL的最终浓度用Wnt3a和Activin A补充所需体积。
注:储存在4°C,并在两周内使用。 - 使肝细胞分化介质由敲除 Dulbeco 的改性 Eagle 介质 (KO-DMEM) 组成,具有 20% 敲除血清置换 (KOSR), 并辅以 0.5% 的替代补充剂 L-谷氨酰胺, 1% 非必需氨基酸 (NEAA),0.1 mM β-甲基苯丙胺醇、1%二甲基亚硫酸盐(DMSO)和1%青霉素/链霉素(最终浓度分别为100IU/mL和100微克/mL)。在真空下过滤。
注:储存在4°C,并在两周内使用。 - 使肝细胞成熟介质由肝细胞培养基组成,辅以1%的L-谷氨酰胺替代补充剂,10μM氢皮质松21-硫辛酸钠盐(HCC),1%青霉素/链霉素(最终浓度为100 IU/mL和分别为 100 μg/mL)。对于每种介质变化,用OSM和HGF补充所需体积(最终浓度分别为20纳克/mL和10纳克/mL)。
注:将库存在 4°C 下,并在两周内使用。 - 使肝细胞维持介质由 William 的 E 培养基补充 10% 敲除血清置换,包括 1% 的 L-谷氨酰胺替代补充剂、1% 青霉素/链霉素(最终浓度为 100 IU/mL 和 100 μg/mL),分别)。对于每种介质变化,用HGF、EGF、bFGF和VEGF(每个生长因子的最终浓度为10纳克/mL)补充所需体积。
注:将库存在 4°C 下,并在两周内使用。
- 检查肝球形成24小时后播种和启动肝细胞分化。小心地取出 mTeSR1 介质,并将其替换为 1 mL 的新鲜内分差介质,辅以 100 纳克/mL 活动性 A 和 50 纳克/mL Wnt3a。
- 对于 hESC,每 24 小时更换一次补充的内皮充注介质,3 天。使用 hiPSC 时,此阶段再延长 2 天,仅使用活动 A (100ng/mL) 来补充介质。
- 在明确内皮诱导后,切换到肝喷口分化介质,用于肝曲化规范,每 2 天更换一次该介质 5 天,并在肝喷口规范的最后一天执行最后一次更换。
- 将肝球转移到多HEMA涂层井中。
- 去除KSR/DMSO培养基后,用肝细胞成熟培养基清洗一次细胞,无需补充,并加入1mL肝细胞成熟培养基,辅以10纳克/mL HGF和20纳克/mL OSM。
- 使用 P1000 移液器,通过多次上下移液,将肝球从胶合板中提起。
- 将含有肝球的介质转移到涂覆的多 HEMA 井中。
- 使用1 mL肝细胞成熟介质洗涤加糖微孔板,辅以10纳克/mL HGF和20纳克/mL OSM,并将培养基转移到涂覆良好的多HEMA。
- 尽可能多次重复步骤 3.6.4,以便将所有肝球从甘蔗胶微孔板中转移。
注:小心上下移液含有肝球的溶液,以避免损坏它们,这一点至关重要。
- 使用 P100 移液器小心吸出多余的介质,而不去除肝球,直到含有肝球的介质为 ±1 mL,否则仍留在涂有多 HEMA 的井中。
- 每 48 小时更换一次介质 12 天。
- 在第 20 天使用 hESC 时或第 22 天(如果使用 hiPSC)时,将介质切换到肝细胞维护介质。
- 去除肝细胞成熟培养基,用肝细胞维持培养剂洗涤细胞一次,无需补充。加入1 mL肝细胞维持介质,辅以10纳克/mL的HGF、EGF、FGF和VEGF。
- 每 48 小时更换一次新鲜肝细胞维护介质的介质。
4. 长期培养3D肝球的功能分析
- 切换到肝细胞成熟培养基,辅以10μM HCC、L-谷氨酰胺、1%青霉素/链霉素(最终浓度分别为100IU/mL和100μg/mL)和10纳克/mL HGF 48h,然后进行功能分析。
-
使用细胞色素 (CYP) P450 测定分析肝细胞代谢功能。
- 用1mL新鲜肝细胞成熟培养基取代培养基,辅以50μM荧光素-6'-五氟化醚(荧光素-PFBE)基板,以检测CYP3A基底活性或100μM荧光素甲基醚(荧光素-ME)基板检测CYP1A2基础活动(复制次数 = 3)。使用组织培养培养作为负对照。
注:为了避免交叉反应,建议不要使用含有3D肝球的相同井来测试不同的CYP P450活动,而是在单个井中执行。 - 在37°C下孵育细胞24小时。
- 使用 P100 移液器尖端收集上生物,并按照制造商的说明执行测定。
- 测量基础活性的相对水平,并标准化为每毫克蛋白质,由双辛酸测定(BCA)测定。
- 用1mL新鲜肝细胞成熟培养基取代培养基,辅以50μM荧光素-6'-五氟化醚(荧光素-PFBE)基板,以检测CYP3A基底活性或100μM荧光素甲基醚(荧光素-ME)基板检测CYP1A2基础活动(复制次数 = 3)。使用组织培养培养作为负对照。
-
使用酶相关免疫吸附测定(ELISA)测试血清蛋白生产。
- 用1 mL的新鲜肝细胞成熟培养基替换培养基,辅以10纳克/mL HGF和20纳克/mL OSM(复制次数= 3)。使用组织培养培养作为负对照。
- 在37°C下孵育细胞24小时。
- 使用 P100 移液器尖端收集上清液,并按照制造商的说明测量血清蛋白生产的相对水平。
- 根据BCA测定测定,达到每毫克蛋白质。
5. 免疫细胞化学
-
制备含肝球的石蜡部分。
- 用 1x DPBS 清洗肝球三次。
- 用冰冷的甲醇固定肝球30分钟。
- 使用 1x DPBS 洗涤三次。
- 使用24孔板的空孔作为模具将肝球嵌入300μL的2%甘蔗溶解溶液中,并让它凝固30分钟。
- 将含有肝球的角甘蔗嵌入石蜡中。
- 使用微托姆将含有固定肝球的石蜡块截至4μm厚的部分。
-
部分的脱蜡和补液。
注意:尽可能使用新的解决方案。请勿使用在染色槽上超过一周的解决方案。- 将部分放置在滑动机架中。
- 浸入式滑动机架,包含含有 300 mL 的二甲苯的染色槽中的部分,为期 5 分钟。
- 重复步骤 5.2.2。
- 浸入绝对乙醇20s。
- 浸入 95% 乙醇 20 s。
- 浸入 90% 乙醇 20 s。
- 浸入80%乙醇20s。
- 浸入70%乙醇20s。
- 用水补充部分5分钟。
注:将幻灯片维护在同一滑架中,并将其从一个染色槽移到下一个染色槽。使用的体积(一般为 ±300 mL)取决于染色槽的大小。
-
含有肝球的石蜡部分的抗原检索。
- 热除蜡和再水化部分在1xTris-EDTA(TE)pH 9.0缓冲液溶液中15分钟在微波在800W。
- 将样品浸入自来水中5分钟,冷却样品。
-
免疫染色。
- 用 0.1% 聚索巴20 (PBS/T)/10% BSA在 RT 下孵育带由 PBS 制成的阻滞溶液的阻隔滑片。
- 用PBS/T/1%BSA中稀释的合适原抗体代替阻断溶液,并在4°C下孵育,在一夜之间温和搅拌。
- 用PBS/T清洗细胞5分钟,重复三次。
- 在PBS/T/1%BSA中稀释适当的二级抗体孵育,在黑暗中在RT下孵育1小时,温和搅拌。
注:优化的原抗体和二级抗体列在材料表中。 - 用PBS/T清洗细胞5分钟,重复三次。
- 根据制造商的说明,向细胞中加入 4',6-diamidino-2-phenyinole (DAPI),并轻轻放置玻璃盖玻片以减少气泡。在黑暗中将固定细胞保持在4°C。用适当的过滤器和荧光灯在显微镜下观察污渍。
注:在黑暗中将板储存在4°C下,直到成像。
Representative Results
胚胎干细胞系(H9)或诱导多能干细胞系(P106)的三维聚集体使用我们定义的程序对肝细胞系进行了分化(图1)。在肝细胞规范之前,多能干细胞首先被充为明确的内皮。之后,肝细胞成熟成3D肝球,可以在培养中维持长达一年23。
为了研究3D球体的结构,30天老的hESC-或iPSC衍生球体被固定、分割和染色,以检测肝细胞和等位细胞中表达的蛋白质的存在。肝细胞核因子4α(HNF4+)和中间体标记维门丁被采用,揭示了由肝细胞组成的外层的存在,如围绕一个中间体细胞核心的细胞(图2)。我们跟踪这些实验,分析肝细胞中表达的蛋白质的表达:白蛋白、CYP3A和E-cadherin。免疫染色表明,这些蛋白质的表达仅限于球体的外层(图3)。
在30天培养的月份对肝球进行了功能分析。CYP1A2和CYP3A是功能性肝细胞中的重要酶。使用已建立的测定评估他们的活动。H9衍生肝球表现出CYP3A活性220,375 ~ 74514 RLU/mL/mg蛋白和CYP1A2活性732,440 = 33,330 RLU/mL/mg蛋白(图4A)。P106衍生肝球中的CYP3A活性为132117~43,391 RLU/mL/mg蛋白,CYP1A2活性为409,907~121,723 RLU/mL/mg蛋白(图4B)。与两批人类原发性肝细胞相比,3D肝球表现出可观的CYP活性10水平。
对白蛋白和α-牙蛋白(AFP)的合成和分泌分析表明,H9衍生的肝球分泌683.9± 84和159 = 20纳克/mL/24 h/mg蛋白的白蛋白和α-胎蛋白蛋白(图5A)。而P106衍生的肝球分泌497×41和756~24纳克/mL/24 h/mg蛋白的白蛋白和α-胎蛋白(图5B)。
图 1:从hESCs生成3D肝球的分步分化过程。蓝色括号表示 hiPSC 的区分天数。请点击此处查看此图的较大版本。
图 2:3D肝球的结构重组。肝细胞核因子4α(HNF4+-绿色)和维他命(红色)在(A)H9衍生的3D肝球和(B)P106衍生的3D肝球及其相应的免疫球蛋白G(IgG)控制中的表达代表性图像.刻度条表示 60 μm。请点击此处查看此图的较大版本。
图 3:评估3D肝球中的肝标记表达。肝细胞标记的表达的代表性图像 - 白蛋白,CYP3A,E-cadherin及其相应的IgG控制在(A)H9和(B)P106衍生的3D肝球。刻度条 = 60 μm。请点击此处查看此图的较大版本。
图 4:细胞色素P450在3D肝球中起作用。测量细胞色素P450 1A2和3A活性在(A)H9衍生的3D肝球和(B)P106衍生的3D肝球。数据表示三个生物复制的平均值,误差条表示标准差 (SD)。活性以每毫克蛋白质的比照单位(RLU)每毫克。请点击此处查看此图的较大版本。
图 5:肝圈蛋白质分泌分析。在 (A) H9 衍生的 3D 肝球和 (B) P106 衍生的三维肝球中分析了白蛋白和α-纤维蛋白 (AFP) 的分泌。这些数据代表三个生物复制,误差条代表SD。 分泌的蛋白质被引用为每毫克蛋白质每mL24h的纳米蛋白质。请点击此处查看此图的较大版本。
Discussion
开发定义和无异种系统,以产生人类肝球在3D是需要体外和体内的努力。目前,人类多能干细胞的肝细胞分化方法大多在二维粘附培养物中进行。这些环境缺乏许多涉及组织成因和平衡的环境线索,包括:异质细胞相互作用,基质生成和重塑,导致对体内生物学的翻译不良18,19。
因此,研究的重点是从多能干细胞中产生肝球的替代方法。一些3D研究已经推进了这一领域,但这些依赖于动物产品20,22,24提供支持和/或使用人体组织21,22,这使得技术扩展,并损害实验的可重复性和应用。
本文中描述的程序(图1)是定义的,效率高,可重复和成本效益高,允许功能性肝球的生产,在体外保持一年的功能,并提供关键的肝脏支持活体14.重要的是,该平台允许用户控制3D肝球的大小,限制密集坏死中心的形成和表型的丢失。
3D肝球转移到多HEMA涂层板是该协议的关键步骤。在手术的这一阶段,轻轻移液,以避免损坏球体,这一点很重要。此外,必须小心进行介质更换,以避免剪切应力和球体结构失真。
在这些研究中,3D肝球显示了一个有组织的结构(图2和图3),细胞色素P450功能(图4)和分泌的肝蛋白,包括白蛋白和α-脂肪蛋白(图5)。这个程序已经成功地在四个多能干细胞系中进行,具有类似的结果。展望未来,该技术可以作为一个平台,开发具有复杂体系结构的进一步内皮和中相组织。
Disclosures
David C. Hay 是 Stemnovate 有限公司和高级牛排有限公司的联合创始人和股东。其余作者证明,他们对本文中讨论的主题或材料没有利益冲突。
Acknowledgments
这项研究得到了英国再生医学平台(MRC MR/L022974/1)和首席科学家办公室(TCS/16/37)的奖项的支持。
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cell Culture and functional assays | |||
| Agarose | Fisher Bioreagents | 10766834 | |
| B27 supplement | Life Technologies | 12587-010 | |
| beta-mercaptoethanol | Life Technologies | 31350 | |
| Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A2058 | |
| DAPI | Invitrogen | D1306 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D5879 | |
| DPBS, no calcium, no magnesium | ThermoFisher | 14190250 | |
| DPBS with Calcium and Magnesium | ThermoFisher | 14040133 | |
| Gentle cell dissociation reagent | STEMCELL Technologies | 7174 | |
| GlutaMax | Life Technologies | 35050 | |
| HepatoZYME-SFM | Life Technologies | 17705021 | |
| Human Activin A | Peprotech | 120-14E | |
| Human Alpha Fetoprotein ELISA | Alpha Diagnostics | 500 | |
| Human Basic Fibrobaslt Growth Factor | Peprotech | 100-18B | |
| Human Epithelial Gropwth Factor | Peprotech | 236-EG | |
| Human Hepatocyte Growth Factor | Peprotech | 100-39 | |
| Human Oncostatin M | Peprotech | 300-10 | |
| Human Recombinant Laminin 521 | BioLamina | LN521-02 | |
| Human Serum Albumin ELISA | Alpha Diagnostics | 1190 | |
| Human Vascular Growth Factor | Bio-techne | 293-VE | |
| Hydrocortisone 21-hemisuccinate sodium salt | Sigma-Aldrich | H4881 | |
| Knockout DMEM | Life Technologies | 10829 | |
| Knockout Serum Replacement | Life Technologies | 10828 | |
| Micro-mold spheroids | Sigma-Aldrich | Z764000 | |
| mTeSR1 medium | STEMCELL Technologies | 5850 | |
| Non-essential amino acids | Life Technologies | 11140 | |
| P450-Glo CYP1A2 Assay and Screening System | Promega | V8771 | |
| P450-Glo CYP3A4 Assay and Screening System | Promega | V8801 | |
| Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140122 | |
| poly-HEMA (Poly 2-hydorxyethyl methacrylate) | Sigma-Aldrich | P3932 | |
| Recombinant mouse Wnt3a | Bio-techne | 1324-WN-500/CF | |
| RPMI 1640 | Life Technologies | 21875 | |
| Equipment | |||
| Microwave | Bosch | ||
| Microtome | Leika | RM2125RT | |
| Oven | Thermoscientific | ||
| Antibodies | |||
| Primary antibodies | |||
| Albumin | Sigma-Aldrich | A6684 | 1:100 (mouse) |
| CYP3A4 | University of Dundee | University of Dundee | 1:200 (sheep) |
| E-cadherin | Abcam | ab76055 | 1:200 (mouse) |
| HNF-4α | Santa Cruz | sc-8987 | 1:100 (rabbit) |
| IgG | DAKO | X0943 | 1:400 |
| Vimentin | DAKO | M0725 | 1:100 (sheep) |
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