发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于诱导人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞向肝细胞分化的培养基。
本发明所提供的用于诱导人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞向肝细胞分化的培养基,它由分化培养基I-1、分化培养基I-2、分化培养基I-3、分化培养基II、分化培养基III、分化培养基IV和分化培养基V组成;
所述分化培养基I-1是在基础细胞培养基中添加人活化素A得到的培养基,分化培养基I-1中,人活化素A的终浓度为10-500ng/ml;
所述分化培养基I-2是在基础细胞培养基中添加人活化素A和胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液得到的培养基,分化培养基I-2中,人活化素A的终浓度为10-500ng/ml,胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度为0.01%-0.5%(体积百分含量);
所述分化培养基I-3是在基础细胞培养基中添加人活化素A和胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液得到的培养基,分化培养基I-3中,人活化素A的终浓度为10-500ng/ml,胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度为0.5%-20%(体积百分含量);
所述分化培养基II是在肝细胞培养基中添加人成纤维细胞生长因子和人骨形态形成蛋白得到的培养基,分化培养基II中,人成纤维细胞生长因子的终浓度为5-100ng/ml,人骨形态形成蛋白的终浓度为5-100ng/ml;
所述分化培养基III是在肝细胞培养基中添加人肝细胞生长因子和人角化细胞生长因子得到的培养基;分化培养基III中,人肝细胞生长因子的终浓度为5-100ng/ml;人角化细胞生长因子的终浓度为5-100ng/ml;
分化培养基IV是在肝细胞培养基中添加制瘤素M和地塞米松得到的培养基;其中,制瘤素M的终浓度为1-100ng/ml;地塞米松的终浓度为0.05-1μM;
分化培养基V在基础细胞培养基中添加N2,B27,谷氨酰胺,非必需氨基酸,β-巯基乙醇,制瘤素M和地塞米松得到的培养基;分化培养基V中,N2的终浓度为0.1%-10%(体积百分含量);B27的终浓度为0.1%-20%(体积百分含量);谷氨酰胺的终浓度为0.5-2mM;非必需氨基酸的终浓度为0.1%-10%(体积百分含量);β-巯基乙醇的终浓度为0.05-0.2mM;制瘤素M的终浓度为1-100ng/ml;地塞米松的终浓度为0.05-1μM。
上述用于诱导人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞向肝细胞分化的培养基中,所述分化培养基I-1、分化培养基I-2和分化培养基I-3中,所述人活化素A的终浓度均可为10、30、50、100、150、200、250、300、350、400、450或500ng/ml;所述分化培养基I-2中,胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度可为0.01%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.3%、0.4%或0.5%;所述分化培养基I-3中,胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度可为0.5%、1%、5%、10%、15%、20%;
所述分化培养基II中,所述人成纤维细胞生长因子的终浓度为5、10、15、20、30、35、40、50、70、80或100ng/ml;所述人骨形态形成蛋白的终浓度为5、10、15、20、30、35、40、50、70、80或100ng/ml;
所述分化培养基III中,人肝细胞生长因子的终浓度为5、10、15、20、30、35、40、50、70、80或100ng/ml;所述人角化细胞生长因子的终浓度为5、10、15、20、30、35、40、50、70、80或100ng/ml;
所述分化培养基IV中,制瘤素M的终浓度为1、5、10、15、20、30、35、40、50、70、80或100ng/ml;地塞米松的终浓度为0.05、0.08、0.1、0.15、0.3、0.5、0.6、0.8或1.0μM;
所述分化培养基V中,N2的终浓度为0.1%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3%、5%、8%或10%;B27的终浓度为0.1%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3%、5%、8%、10%、15%或20%;谷氨酰胺的终浓度为0.5mM、0.8mM、1mM、1.5mM或2mM;非必需氨基酸的终浓度为0.1%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3%、5%、8%或10%;β-巯基乙醇的终浓度为0.05、0.08、0.1、0.12、0.15、0.18或0.2mM;制瘤素M的终浓度为1、5、10、15、20、30、35、40、50、70、80或100ng/ml;地塞米松的终浓度为0.05、0.08、0.1、0.15、0.3、0.5、0.6、0.8或1.0μM。
上述用于诱导人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞向肝细胞分化的培养基中,所述分化培养基I-1、分化培养基I-2和分化培养基I-3中,所述人活化素A的终浓度均为可为50-200ng/ml;所述分化培养基I-2中,所述胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度还可为0.05%-0.1%;所述分化培养基I-3中,所述胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度还可为1%-5%;
所述分化培养基II中,所述人成纤维细胞生长因子的终浓度为20-40ng/ml;所述人成纤维细胞生长因子为酸性成纤维细胞生长因子、成纤维细胞生长因子2或成纤维细胞生长因子4;所述人骨形态形成蛋白的终浓度为为10-30ng/ml;所述人骨形态形成蛋白为人骨形态形成蛋白-2或人骨形态形成蛋白-4;
所述分化培养基III中,人肝细胞生长因子的终浓度为10-30ng/ml;所述人角化细胞生长因子的终浓度为10-30ng/ml;
所述分化培养基IV中,制瘤素M的终浓度为5-15ng/ml;地塞米松的终浓度为0.08-0.15μM;
所述分化培养基V中,N2的终浓度为0.8%-2.0%;B27的终浓度为0.8%-3.0%;谷氨酰胺的终浓度为0.8-1.5mM;非必需氨基酸的终浓度为0.8%-2.0%;β-巯基乙醇的终浓度为0.08-0.15mM;制瘤素M的终浓度为5-15ng/ml;地塞米松的终浓度为0.08-0.15μM。
上述分化培养基I、分化培养基II、分化培养基III、分化培养基IV和分化培养基V的pH均可为7.2-7.6。
上述用于诱导人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞向肝细胞分化的培养基中,所述基础细胞培养基可为MEM、DMEM、BME、DMEM/F12、RPMI1640或Fischers。
本发明的第二个目的是提供采用上述任一种用于诱导人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞向肝细胞分化的培养基诱导人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞分化成肝细胞的方法。
该方法包括以下步骤:
1)是将人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞在上述任一种分化培养基I-1中培养;
2)再转入上述任一种分化培养基I-2中培养;
3)再转入上述任一种分化培养基I-3中培养;
4)再转入上述任一种分化培养基II中培养;
5)再转入上述任一种分化培养基III中培养;
6)再转入上述任一种分化培养基IV中培养;
7)再转入上述任一种分化培养基V中培养,获得人肝细胞。
所述人胚胎干细胞具体可为表1所示的可从商业途径得到的人胚胎干细胞系,如表1。
表1.人胚胎干细胞系
所述人诱导形成的多潜能干细胞(人ips)也可为细胞系,如hAFF-4U-M-iPS-1和hAFF-4U-M-iPS-3。
所述步骤1)的培养条件可为37℃培养24-48小时,优选为24小时;
所述步骤2)的培养条件可为37℃培养24-48小时,优选为24小时;
所述步骤3)的培养条件可为37℃培养24-48小时,优选为24小时;
所述步骤4)的培养条件可为37℃培养3-6天,优选为4天;
所述步骤5)的培养条件可为37℃培养5-8天,优选为6天;
所述步骤6)的培养条件可为37℃培养3-6天,优选为5天;
所述步骤7)的培养条件可为37℃培养3-5天,优选为3天。
上述方法获得的表达正常肝细胞标记分子如AFP,Alb,CK18,AAT,CYP3A4等或具有正常肝细胞功能如糖原合成与贮存,尿素合成,分泌白蛋白等的肝细胞也属于本发明的保护范围。
本发明诱导形成的多潜能干细胞分化成肝细胞的方法中,用活化素A诱导人iPS细胞向定形内胚层细胞高效分化,然后在成纤维细胞生长因子和骨形态形成蛋白的共同作用下进一步分化为表达白蛋白的早期肝细胞,在肝细胞生长因子和角化细胞生长因子的共同作用下可促进分化的早期肝细胞继续扩增,在OSM,Dex和N2,B27的共同作用下可促进分化的早期肝细胞进一步成熟。所获得的分化细胞具有比较典型的肝脏细胞的形态,并有约60%以上的细胞表达有早期肝细胞的标记蛋白CK8、Alb、CK18和AFP。同时,iPS细胞分化的肝细胞也表达成熟肝细胞标记分子AAT和CYP3A4,整个分化过程与肝脏的早期发育十分相似,而且通过本方法得到的肝细胞具有可诱导的CYP450酶的活性,能够响应药物的诱导。用本发明对诱导形成的多潜能干细胞(iPS细胞)分化成肝细胞的方法具有周期短、分化效率高、安全稳定的优点,分化获得的肝细胞可用于细胞移植治疗肝病、人工肝脏和药物的毒性测试等,此外整个分化过程也可用于人类早期胚胎肝脏发育的研究,应用前景广阔。
具体实施方式
本发明的诱导人IPS细胞或人ES细胞向肝脏细胞分化的方法,包括以下步骤:
1)向定形内胚层细胞的诱导:将在MEF饲养层上的人iPS细胞或人ES细胞,弃去培养基,用PBS洗2遍,加入分化培养基I-1,置于37℃细胞培养箱中培养24-48小时,优选24小时,弃去培养基,更换为分化培养基I-2,在相同条件下培养24-48小时,优选24小时,弃去培养基,更换为分化培养基I-3,在相同条件下培养24-48小时,优选24小时;
其中,分化培养基I-1:是在RPMI 1640培养基(美国Gibco公司)中添加人活化素A(Activin A)得到的培养基。分化培养基I-1中,人活化素A的终浓度可为10-500ng/ml,如10、30、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500ng/ml,优选为50-200ng/ml,尤其优选为100ng/ml。分化培养基I-1的pH可为7.2-7.6。
分化培养基I-2:是在RPMI 1640培养基(美国Gibco公司)中添加人活化素A(Activin A)和胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液(美国Invitrogen公司,51300-044)得到的培养基。分化培养基I-2中,人活化素A的终浓度可为10-500ng/ml,如10、30、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500ng/ml,优选为50-200ng/ml,尤其优选为100ng/ml;胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度可为0.01%-0.5%(体积百分含量),如0.01%、0.05%、0.1%、0.15%、0.2%、0.3%、0.4%、0.5%,优选为0.05%-0.1%,尤其优选为0.1%(体积百分含量)。分化培养基I-2的pH 7.2-7.6。
分化培养基I-3:是在RPMI 1640培养基(美国Gibco公司)中添加人活化素A(Activin A)和胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液(美国Invitrogen公司,51300-044)得到的培养基。分化培养基I-3中,人活化素A的终浓度可为10-500ng/ml,如10、30、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500ng/ml,优选为50-200ng/ml,尤其优选为100ng/ml;胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度可为0.5%-20%(体积百分含量),如0.5%、1%、5%、10%、15%、20%、优选为1%-5%,尤其优选为1%(体积百分含量)。分化培养基I-3的pH 7.2-7.6。
2)肝细胞分化的起始:弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基II,置于37℃细胞培养箱中培养3-6天,优选4天,每天换液1次,获得分化的人IPS细胞或人ES细胞;
其中,分化培养基II:是在肝细胞培养基(HCM)(购自Cambrex公司)中添加人成纤维细胞生长因子(FGF)和人骨形态形成蛋白(BMP)(美国Peprotech公司)得到的培养基。分化培养基II中,人成纤维细胞生长因子可为酸性成纤维细胞生长因子、成纤维细胞生长因子2或成纤维细胞生长因子4,人成纤维细胞生长因子的终浓度可为5-100ng/ml,如5、10、15、20、30、35、40、50、70、80、100ng/ml,优选为20-40ng/ml,尤其优选为30ng/ml;人骨形态形成蛋白为人骨形态形成蛋白-2或人骨形态形成蛋白-4,人骨形态形成蛋白的终浓度可为5-100ng/ml,如5、10、15、20、30、35、40、50、70、80、100ng/ml,优选为10-30ng/ml,尤其优选为20ng/ml。分化培养基II的pH为7.2-7.6。
3)分化的人IPS细胞或人ES细胞的扩增:弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基III,置于37℃细胞培养箱中培养5-天,优选6天,每天换液1次;
分化培养基III:是在肝细胞培养基(HCM)(购自Cambrex公司)中添加人肝细胞生长因子(HGF)和人角化细胞生长因子(KGF)得到的培养基。分化培养基III中,人肝细胞生长因子的终浓度可为5-100ng/ml,如5、10、15、20、30、35、40、50、70、80、100ng/ml,优选为10-30ng/ml,尤其优选为20ng/ml;人角化细胞生长因子的终浓度可为5-100ng/ml,如5、10、15、20、30、35、40、50、70、80、100ng/ml,优选为10-30ng/ml,尤其优选为20ng/ml。分化培养基III的pH为7.2-7.6。
4)促进分化的人IPS细胞或人ES细胞成熟:弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基IV,置于37℃细胞培养箱中培养3-6天,优选5天,每天换液1次;弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基V,置于37℃细胞培养箱中培养3-5天,优选3天,每天换液1次,获得人肝细胞。
分化培养基IV:是在肝细胞培养基(HCM)(购自Cambrex公司)中添加制瘤素M(OSM)(美国R&D公司)和地塞米松(Dex)得到的培养基。分化培养基IV中,制瘤素M的终浓度可为1-100ng/ml,如1、5、10、15、20、30、35、40、50、70、80、100ng/ml,优选为5-15ng/ml,尤其优选为10ng/ml;地塞米松的终浓度可为0.05-1μM,如0.05、0.08、0.1、0.15、0.3、0.5、0.6、0.8、1.0μM,优选为0.08-0.15μM,尤其优选为0.1μM。分化培养基IV的pH 7.2-7.6。
分化培养基V:是在DMEM培养基中添加N2(美国Gibco公司,17502-048),B27(美国Gibco公司,12587-010),谷氨酰胺(美国Gibco公司,35050),非必需氨基酸(美国Gibco公司,11140),β-巯基乙醇,制瘤素M(OSM)和地塞米松(Dex)得到的培养基。分化培养基V中,N2的终浓度可为0.1%-10%(体积百分含量),如0.1%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3%、5%、8%、10%,优选为0.8%-2.0%,尤其优选为1%;B27的终浓度可为0.1%-20%(体积百分含量),如0.1%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3%、5%、8%、10%、15%、20%,优选为0.8%-3.0%,尤其优选为2%;谷氨酰胺的终浓度可为0.5-2mM,如0.5mM、0.8mM、1mM、1.5mM、2mM,优选为0.8-1.5mM,尤其优选为1mM;非必需氨基酸的终浓度可为0.1%-10%(体积百分含量),如0.1%、0.5%、0.8%、1.0%、2.0%、3%、5%、8%、10%,优选为0.8%-2.0%,尤其优选为1%;β-巯基乙醇的终浓度可为0.05-0.2mM,如0.05、0.08、0.1、0.12、0.15、0.18、0.2mM,优选为0.08-0.15mM,尤其优选为0.1mM;制瘤素M的终浓度可为1-100ng/ml,如1、5、10、15、20、30、35、40、50、70、80、100ng/ml,优选为5-15ng/ml,尤其优选为10ng/ml;地塞米松的终浓度可为0.05-1μM,如0.05、0.08、0.1、0.15、0.3、0.5、0.6、0.8、1.0μM,优选为0.08-0.15μM,尤其优选为0.1μM。分化培养基V的pH 7.2-7.6。
下面结合实施例,详细阐明本发明的由人胚胎干细胞或人诱导形成的多潜能干细胞分化成肝细胞的方法。
下述实施例中如无特殊说明所用方法均为常规方法,所用试剂均可从商业途径获得。
实施实例、诱导人ES细胞或人iPS细胞向肝脏细胞分化和检测
一、人ES细胞或iPS细胞的常规培养
(1)试剂
PBS:称取8g NaCl,0.2g KCl,1.44g Na2HPO4和0.24g KH2PO4,加ddH2O定容至1000mL,用HCl调节溶液pH值至7.4。
2Mβ-巯基乙醇(20000×):取1mL 14.3M的β-巯基乙醇,加6.15mL PBS稀释,过滤除菌。
人iPS细胞培养基(HESM):20%血清替代物(Knock-out SerumReplacement,KSR,美国Gibco公司,10828),1mM谷氨酰胺(美国Gibco公司),0.1mM β-巯基乙醇,1%非必需氨基酸(Non-essential AminoAcids,美国Gibco公司,11140),10ng/mL碱性成纤维细胞生长因子(bFGF),用DMEM/F12(美国Invitrogen公司)定容至1000mL。
0.5mg/mL Dispase:称取Dispase 10mg粉末,溶解于20mL DMEM/F12培养基中,过滤除菌。
1mg/mL胶原酶IV:称取胶原酶IV粉末20mg,溶解于20mL DMEM/F12培养基中,过滤除菌。
MEF培养基:含10%胎牛血清的DMEM(美国Gibco公司)。
丝裂霉素C工作液:将2mg丝裂霉素C溶于200mL含10%胎牛血清的DMEM中,使其终浓度为10ug/mL,过滤除菌。
0.1%明胶:称取0.1g明胶粉末,溶解于100mL双蒸水中,高压灭菌。
(2)饲养层(feeder)的获得
用下述方法对小鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblast,MEF)进行处理,以作为培养人iPS细胞的饲养层:
1)取生长状态良好的贴壁MEF细胞,弃去MEF培养基,加入含10ug/mL丝裂霉素C的丝裂霉素C工作液;
2)在37℃下培养3个小时,培养期间用0.1%明胶处理将要接种MEF细胞的培养皿,室温放置2小时以上(或37℃放置30分钟以上),用前吸掉明胶溶液即可;
3)取出MEF细胞,弃去含丝裂霉素C工作液,用PBS洗5遍,以便彻底洗掉残存的丝裂霉素(因为丝裂霉素是有丝分裂抑制剂,可能对IPS细胞有毒性);
4)加入胰酶-EDTA(美国Gibco公司)进行消化,然后用MEF培养基终止反应;
5)1000rpm离心5分钟,弃上清,用MEF培养基重悬细胞沉淀并计数;
6)按照1.6×105个细胞/3.5cm培养皿的密度将经上述步骤处理的MEF细胞接种至包被有0.1%明胶的培养皿中,置于37℃培养箱中培养12-24小时,得到用于培养人iPS细胞的饲养层。
(3)人ES细胞或iPS细胞的常规培养
在步骤1获得的MEF饲养层上用人iPS细胞培养基(HESM)对人ES细胞H1(NIH的编号为WA01)或人iPS细胞系hAFF-4U-M-iPS-1和hAFF-4U-M-iPS-3(赵扬,Two supporting factors greatly improve the efficiency of human iPSC generation.Cell Stem Cell,2008;3:475-479.)(北京大学)进行培养,具体培养方法包括以下步骤:
1)从4℃冰箱中取出培养所需试剂及培养基,室温预热15分钟左右;
2)取出细胞,吸去HESM,将细胞用PBS洗一遍;
3)加入0.5mg/mL Dispase(或1mg/mL胶原酶IV)进行消化(1mL/3.5cm培养皿),置于37℃培养箱中孵育10-15分钟,然后取出细胞在相差显微镜下观察,若克隆边缘出现卷边,则可终止消化;否则放回培养箱,延长消化时间,随时取出观察,以防止因消化过度导致克隆脱落;
4)消化结束后,吸掉Dispase或胶原酶IV,用PBS和DMEM/F12培养基分别洗一遍后,加入适量DMEM/F12培养基(2mL/3.5cm培养皿);
5)用无菌直头或弯头玻璃滴管轻柔地将所有细胞克隆从培养皿底部刮下,并转移至无菌的15mL锥形底离心管中,用滴管温和地吹吸若干次,使细胞克隆变成大小较为均一小的细胞团;
6)1000rpm离心3-4分钟,小心吸掉上清,用玻璃滴管吸新鲜的HESM培养基重悬沉淀;
7)取出步骤1获得的MEF饲养层,用PBS洗三遍,将细胞的小团块接种于MEF饲养层上,置于37℃细胞培养箱中培养12-24小时,细胞贴壁后可更换新鲜的HESM培养基。每天更换一次培养基,通常5-7天传代一次。若出现以下情况之一时则需及时进行传代:(1)MEF饲养层的放置时间达到两周;(2)细胞克隆过于致密或面积过大;(3)细胞出现明显的自发分化。
二、人ES细胞或iPS细胞向肝脏细胞的诱导分化
分化培养基I-1:是在RPMI 1640培养基(美国Gibco公司)中添加人活化素A(Activin A)(美国Peprotech公司,120-14)得到的培养基。分化培养基I-1中,人活化素A的终浓度为100ng/ml。分化培养基I-1的pH 7.2-7.6。
分化培养基I-2:是在RPMI 1640培养基(美国Gibco公司)中添加人活化素A(Activin A)(美国Peprotech公司,120-14)和胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液(美国Invitrogen公司,51300-044)得到的培养基。分化培养基I-2中,人活化素A的终浓度为100ng/ml、胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度为0.1%(体积百分含量)。分化培养基I-2的pH 7.2-7.6。
分化培养基I-3:是在RPMI 1640培养基(美国Gibco公司)中添加人活化素A(Activin A)(美国Peprotech公司,120-14)和胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液(美国Invitrogen公司,51300-044)得到的培养基。分化培养基I-3中,人活化素A的终浓度为100ng/ml、胰岛素-转铁蛋白-亚硒酸钠混合补充液的终浓度为1%(体积百分含量)。分化培养基I-3的pH 7.2-7.6。
分化培养基II:是在肝细胞培养基(HCM)(购自Cambrex公司,CC-3199和CC-4182)中添加人成纤维细胞生长因子-4(FGF4)(美国Peprotech公司,100-31)和人骨形态形成蛋白-2(BMP2)(美国Peprotech公司,120-02)得到的培养基。分化培养基II中,人成纤维细胞生长因子-4的终浓度为30ng/ml、人骨形态形成蛋白-2的终浓度为20ng/ml。分化培养基II的pH为7.2-7.6。
分化培养基III:是在肝细胞培养基(HCM)(购自Cambrex公司,CC-3199和CC-4182)中添加人肝细胞生长因子(HGF)(美国Peprotech公司,100-39)和人角化细胞生长因子(KGF)(美国Peprotech公司,100-19)得到的培养基。分化培养基III中,人肝细胞生长因子的终浓度为20ng/ml,人角化细胞生长因子的终浓度为20ng/ml。分化培养基III的pH为7.2-7.6。
分化培养基IV:是在肝细胞培养基(HCM)(购自Cambrex公司,CC-3199和CC-4182)中添加制瘤素M(OSM)(美国R&D公司,295-OM)和地塞米松(Dex)得到的培养基。分化培养基IV中,制瘤素M的终浓度为10ng/ml,地塞米松的终浓度为0.1μM。分化培养基IV的pH 7.2-7.6。
分化培养基V:是在DMEM培养基中添加N2(美国Gibco公司,17502-048),B27(美国Gibco公司,12587-010),谷氨酰胺(美国Gibco公司,35050),非必需氨基酸(美国Gibco公司,11140),β-巯基乙醇,制瘤素M(OSM)和地塞米松(Dex)得到的培养基。分化培养基V中,N2的终浓度为1%(体积百分含量),B27的终浓度为2%(体积百分含量),谷氨酰胺的终浓度为1mM,非必需氨基酸的终浓度为1%(体积百分含量),β-巯基乙醇的终浓度为0.1mM,制瘤素M的终浓度为10ng/ml,地塞米松的终浓度为0.1μM。分化培养基V的pH 7.2-7.6。
诱导人IPS细胞或人ES细胞向肝脏细胞分化,包括以下步骤:
1)向定形内胚层细胞的诱导:取步骤一培养在MEF饲养层上的人iPS细胞系hAFF-4U-M-iPS-1和hAFF-4U-M-iPS-3或人ES细胞系H1,弃去培养基,用PBS洗2遍,加入分化培养基I-1,置于37℃细胞培养箱中培养1天(24小时),弃去培养基,更换为分化培养基I-2,在相同条件下培养1天,弃去培养基,更换为分化培养基I-3,在相同条件下培养1天;
2)肝细胞分化的起始:弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基II,置于37℃细胞培养箱中培养4天,每天换液1次,获得分化的人IPS细胞或人ES细胞;
3)分化的人IPS细胞或人ES细胞的扩增:弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基III,置于37℃细胞培养箱中培养6天,每天换液1次;
4)促进分化的人IPS细胞或人ES细胞成熟:弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基IV,置于37℃细胞培养箱中培养5天,每天换液1次;弃去培养基,用PBS洗1遍,加入分化培养基V,置于37℃细胞培养箱中培养3天,每天换液1次,获得人肝细胞。
三、IPS细胞或ES细胞向肝细胞初始分化的检测
(1)免疫荧光染色检测
PBST:含0.2%(体积百分比)Triton X100的PBS溶液。
封闭液:含2%山羊血清(或马血清)的PBST溶液。
二抗稀释液(0.1%BSA溶液):称取0.1g牛血清白蛋白(bovine serum albumin,BSA),溶于100mL PBS中。
诱导分化7天的ES和iPS细胞表达早期肝脏细胞标记分子AFP、Alb和CK18。
用免疫荧光染色的方法对步骤二2)中获得的细胞的分化状态进行检测,检测方法包括以下步骤:
1)取出细胞,弃培养基,用PBS洗2遍;
2)加入4%多聚甲醛室温固定15分钟(或加入无水甲醇室温固定5-10分钟);3)用PBS洗3遍,每遍5分钟;
4)用PBST溶液进行透化,室温10分钟;
4)用PBS洗1遍,5分钟;
6)加入封闭液,室温封闭30-60分钟;
7)弃封闭液,加入一抗(Polyclonal Rabbit Anti-Human Alb,购自DAKO公司)、鼠抗人α-Fetoprotein(AFP)单克隆抗体(北京中杉金桥生物技术有限公司)、鼠抗人细胞角蛋白18(CK18)单克隆抗体(北京中杉金桥生物技术有限公司)、兔抗人AAT单克隆抗体(北京中杉金桥生物技术有限公司)或兔抗人CYP3A4多克隆抗体(购自Serotec公司),4℃放置12-24小时(或37℃孵育2小时),上述抗体按1∶50的比例用封闭液进行稀释;
8)用PBS洗3遍,每遍5分钟;
9)加入二抗(FITC或TRITC标记羊抗小鼠IgG或TRITC标记羊抗兔IgG)(北京中杉金桥生物技术有限公司)(用前先将二抗按1∶50-150比例稀释于二抗稀释液中),避光4℃放置12小时(或37℃避光放置1小时);
10)用PBS洗3遍,每遍5分钟;
11)加入终浓度为1mg/mL的DAPI溶液(美国Roche公司),室温放置5分钟;
12)用PBS洗3遍,每遍5分钟;
13)加入500ul PBS(或PBS∶甘油(1∶1)),在荧光显微镜下观察、拍照。
(2)RT-PCR检测
Trizol(美国invitrogen公司)处理分化7天的iPS细胞和ES细胞,提取样品总RNA,反转录获得cDNA(美国promega公司反转录试剂盒),以该cDNA为模板进行PCR鉴定。引物序列如下:
AFP正义引物:TTTTGGGACCCGAACTTTCC(序列1);
AFP反义引物:CTCCTGGTATCCTTTAGCAACTCT(序列2)。
Alb正义引物:GGTGTTGATTGCCTTTGCTC;
Alb反义引物:CCCTTCATCCCGAAGTTCAT。
CK8正义引物:GGAGGCATCACCGCAGTAC;
CK8反义引物:TCAGCCCTTCCAGGCGAGAC。
CK18正义引物:GGTCTGGCAGGAATGGGAGG;
CK18反义引物:GGCAATCTGGGCTTGTAGGC。
HNF4α正义引物:CCACGGGCAAACACTACGG;
HNF4α反义引物:GGCAGGCTGCTGTCCTCAT。
GAPDH正义引物:AATCCCATCACCATCTTCC;
GAPDH反义引物:CATCACGCCACAGTTTCC。
分化的iPS和ES细胞表达肝脏细胞的标记分子甲胎蛋白(AFP),白蛋白(AlB,Alb),细胞角蛋白18(CK18),α1-抗胰蛋白酶(AAT)和细胞色素P4503A4(CYP3A4),RT-PCR检测结果也表明,分化7天的iPS和ES细胞表达肝脏细胞的标记分子甲胎蛋白(AFP),白蛋白(AlB,Alb),CK8(细胞角蛋白8),CK18(细胞角蛋白18),CK19(细胞角蛋白19),HNF4α(肝细胞核因子4α)(图1和2)。图1和图2中,3U1和3U2:诱导多潜能干细胞系hAFF-4U-M-iPS-1和hAFF-4U-M-iPS-3。
四、肝脏细胞糖原合成功能的检测
通过PAS染色对步骤二4)中获得的人肝细胞的糖原合成功能进行检测,实施步骤参见说明书(美国Sigma公司)。
分化的iPS和ES细胞具有与肝脏细胞类似的糖原合成和贮存的功能(图3)。
五、肝脏细胞尿素合成功能的检测
通过尿素氮检测试剂盒对步骤二4)中获得的人肝细胞的尿素合成功能进行检测,实施步骤参见说明书(美国STANBIO公司)。
分化的iPS和ES细胞具有与肝脏细胞类似的尿素合成的功能(图4)。图4中,3U1和3U2:诱导多潜能干细胞系hAFF-4U-M-iPS-1和hAFF-4U-M-iPS-3。
六、肝脏细胞白蛋白分泌功能的检测
通过ELISA试剂盒对步骤二4)中获得的人肝细胞进行白蛋白分泌功能的检测,实施步骤参见说明书(美国Bethyl公司)。
分化的iPS和ES细胞具有与肝脏细胞类似的分泌白蛋白的功能(图5)。
七、肝脏细胞CYP450酶活的检测
通过CYP450荧光检测试剂盒对步骤二4)中获得的人肝细胞进行CYP450酶活的检测,实施步骤参见说明书(美国Sigma公司)。
分化的iPS和ES细胞具有与肝脏细胞类似的响应药物诱导的P450酶的活性(图6)。图6中,3U1和3U2:诱导多潜能干细胞系hAFF-4U-M-iPS-1和hAFF-4U-M-iPS-3。
上述结果表明人iPS细胞和人ES细胞均诱导分化为肝脏细胞。