CN102093977A - 一种诱导iPS细胞向心肌细胞分化的诱导因子及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于心肌组织再生医学领域,本发明公开了抗坏血酸作为诱导因子在诱导iPS细胞向心肌细胞分化方面的应用,以及一种含有抗坏血酸的诱导分化培养基。本发明还公开了利用诱导分化培养基诱导iPS细胞向心肌细胞分化的方法,就是利用诱导分化培养基将iPS细胞来源的、悬浮生长5~7天的拟胚体诱导分化得到心肌细胞。本发明利用抗坏血酸作为诱导因子显著提高了iPS细胞分化为心肌细胞的效率,分化比率可达50-60%;其次,本发明诱导分化培养基对细胞没有毒副作用;此外,本发明方法简单、成本低,在普通实验室均可操作,适合于规模化进行。
Description
技术领域
本发明属于心肌组织再生工程领域。具体涉及一种诱导iPS细胞向心肌细胞分化的诱导因子和含有该诱导因子的诱导分化培养基,以及利用该诱导分化培养基诱导iPS细胞向心肌分化的方法。
背景技术
多能干细胞(pluripotent stem cell),具有分化出多种细胞组织的潜能,对于再生医学、药物筛选、疾病模型及其发育生物学的研究都有重要意义。2006年,日本学者(Kazutoshi Takahashi等.Cell 2006,126:1-14)通过导入KLF4、OCT4、SOX2和C-MYC四种基因的细胞重编程技术,将正常体细胞动物成纤维细胞转化成与胚胎干细胞生物学性状高度相似的多能干细胞,被称为诱导性多能干细胞(Induced poluroipotent stem cells,iPS)。iPS细胞除具有胚胎干细胞较高的多能性外,还避开了胚胎干细胞所存在的伦理争端以及免疫排斥的风险,因此成为再生医学领域研究的热点。iPS细胞也已成为心肌组织工程研究中新的、具有巨大应用前景的种子细胞来源。
已报道的有关iPS细胞向心肌细胞的分化方法,一种是将小鼠iPS细胞分化Flk+细胞,经流式分选Flk+细胞,并将其与OP9细胞共培养,诱导分化心肌细胞的方法(Genta Narazaki等.Circulation 2008;11 8;498-506),此方法操作过程繁琐且效果不佳。另一种是利用“悬滴法”将小鼠iPS细胞形成EBs,随后利用基于IMDM的分化培养基诱导iPS-EBs向心肌细胞分化(Christina Mauritz等.Circulation 2008;11 8;507-5 1 7),此种方法效果较好(分化率50%左右),但是“悬滴”的制作过程复杂,不适用于大量的心肌细胞的制备。还有一种是利用低贴壁的细菌培养皿将人iPS细胞形成拟胚体(Embryoid bodies,EBs),再利用基于DMEM/F12的分化培养基诱导iPS-EBs向心肌细胞分化(JianhuaZhang等.Circ.Res.2009;1 04;e30-e41),此种方法适用于形成大量EBs,但是EBs向心肌分化的效率低(1-10%)。由以上可以看出,目前,还没有一种简单、高效的诱导iPS细胞向心肌细胞分化方法。
发明内容
本发明目的在于提供抗坏血酸作为诱导因子在诱导iPS细胞向心肌细胞分化的用途。
本发明另一目的在于提供一种含有抗坏血酸的诱导分化培养基。
本发明第三目的在于提供利用上述诱导分化培养基诱导iPS细胞向心肌细胞分化的方法。
实现本发明的技术方案如下:
抗坏血酸(ascorbic acid)作为诱导因子在诱导iPS细胞向心肌细胞分化方面的应用。
所述的iPS细胞来源于小鼠、大鼠、兔、猪、牛、羊、猴或人等。
所述的抗坏血酸亦称维生素C、丙素、丙种维生素、维生素丙或维他命C。
一种诱导分化培养基,是含有抗坏血酸的拟胚体生长培养基(Embryoidgrowth medium);所述拟胚体生长培养基是含有体积百分比浓度20%的血清、0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸的KnockoutDMEM培养基。
上述诱导分化培养基中所述的抗坏血酸的浓度为1×10-4~1×10-3M。
所述的Knockout DMEM培养基可自Gibao公司购买。
上述诱导分化培养基的制备方法,包括将抗坏血酸粉末溶解于KnockoutDMEM培养基中配制成0.1M的储备母液,然后用0.22μm滤膜过滤除菌,分装后于-20℃冻存,使用时用所述的拟胚体生长培养基将抗坏血酸稀释成浓度为1×10-4~1×10-3M,所得培养基简称为诱导分化培养基。
上述诱导分化培养基在诱导iPS细胞向心肌细胞分化方面的用途。
一种诱导小鼠iPS细胞向心肌细胞分化的方法,是利用上述诱导分化培养基将iPS细胞悬浮生长5-7天形成的拟胚体诱导分化,从而得到心肌细胞;具体方法如下:
(1)iPS细胞的培养
利用iPS生长培养基将未分化的小鼠iPS细胞系在饲养层体系下进行培养扩增,然后将生长至对数生长期的iPS细胞以1∶6~9的比例进行传代;所述iPS生长培养基为含有体积百分比为20%的血清、1000U/mL的白血病抑制因子(leukemia inhibitory,LIF)、0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸的Knockout DMEM培养基;
(2)拟胚体(EBs)的形成
用质量百分比为0.25%的胰酶消化处理步骤(1)中处于对数生长期且状态良好的小鼠iPS细胞,消化时间为30秒~60秒,然后将其吹散成单细胞;再用10ml拟胚体生长培养基重悬,并接种于贴壁性的组织培养皿,然后将其置于37℃、5%CO2孵箱孵育1小时,收集未贴壁的细胞;将所收集的细胞重悬于拟胚体生长培养基中,计数细胞,制备成105个细胞/ml的细胞悬液,并将细胞悬液转移到细菌培养皿中,每皿10mL细胞悬液,再置于37℃、5%CO2孵箱培养5~7天,隔天更换新鲜拟胚体生长培养基一次,获得状态最佳的拟胚体(iPS-EBs);所述的拟胚体生长培养基为含有体积百分比为20%的血清、0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸的Knockout DMEM培养基;
(3)iPS-EBs向心肌细胞的诱导分化
将步骤(2)中悬浮生长5~7天的EBs于离心管中,静置沉淀,去除拟胚体生长培养基,用诱导分化培养基重悬EBs,并将其接种于0.1%明胶包被的组织培养皿中,然后置于37℃、5%CO2孵箱培养,第三天更换新鲜的诱导分化培养基,此后隔天更换,诱导分化培养12~16天,得心肌细胞;所述的诱导分化培养基为含有1×10-4~1×10-3M抗坏血酸的拟胚体生长培养基。
上述方法步骤(1)中所述的饲养层体系中饲养层细胞的制作参照《细胞培养》(司徒镇强等.细胞培养.世界图书出版公司,1996年,第114页)所述的方法进行制备。
上述方法中所述的细菌培养皿的直径为100mm。
上述方法中所述的iPS细胞为小鼠来源的iPS细胞系,按照常规方法制备即可。
上述方法步骤(3)中诱导分化时iPS-EBs的接种密度为2-4EBs/cm2。
iPS-EBs向心肌细胞分化的比率计算公式为:搏动的EBs数量/观察的EBs总数×100%。
与现有技术相比,本发明具有如下优点:(1)本发明用抗坏血酸作为iPS细胞向心肌细胞分化的诱导因子,有效促进iPS-EBs分化为自发搏动的功能性心肌细胞,诱导分化效率高,分化比率可达50-60%。;(2)本发明方法简单、成本低,在普通实验室均可操作;(3)本发明诱导分化培养基无毒副作用,重复性与可实施性强,并且适合于规模化进行;(4)本发明可为再生医学、药物筛选、疾病模型及其发育生物学的研究提供大量的iPS来源心肌细胞。
附图说明
图1.为生长于饲养层细胞上的未分化的小鼠iPS细胞显微照片(100×)。
图2.为iPS细胞悬浮于细菌培养皿生长的不同时间形成的拟胚体显微照片(100×);其中A为2天;B为4天;C为6天;D为8天。
图3.为生长5天的iPS-EBs贴附于明胶包被的组织培养皿分化出的心肌细胞数量柱形图。
图4.为抗坏血酸的iPS-EBs分化心肌细胞的免疫组化鉴定显微照片;其中A图为肌节辅肌动蛋白α(α-actinin)(Bar=50um),Hechestc33258为细胞核染料;B图为心肌肌钙蛋白T(cTnT)。
图5.含有不同浓度抗坏血酸的诱导分化培养基诱导iPS-EBs向心肌细胞分化的最大分化率曲线图;其中1,2,3,4,5,6分别代表抗坏血酸浓度为0,10-7,10-6,10-4,10-4,10-3M。
具体实施方式
以下通过实施例对本发明做进一步说明,但是以下实施例仅仅是作为例证,并不对本发明构成任何限制。
以下实施例中使用的细胞培养、分化与鉴定所需培养基和试剂的配制:
1)iPS细胞生长培养基:向Knockout DMEM培养基(购自Gibco公司)中添加体积百分比为20%的血清(Gibco),1000U/mL的LIF(chemicon),0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸(Gibco)。
2)H-DMEM培养基配制:H-DMEM培养基干粉一袋(Gibco),2.4g NaHCO3,2.383g HEPES,10万单位青霉素,10万单位链霉素,溶解于1000ml超纯水中,调节pH值为7.2-7.4,经0.22μm微孔滤膜过滤除菌,4℃保存。
3)拟胚体(EBs)生长培养基:添加体积百分比为20%的血清(Gibco),0.055mMβ-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸的Knockout DMEM培养基(Gibco)。
4)10μg/mL丝裂霉素溶液的配制:2mg包装的丝裂霉素1支(Sigma),溶解于200ml含体积百分比为10%的血清的H-DMEM培养基中,0.22μm滤膜过滤除菌后,4℃避光保存备用。
5)诱导分化培养基的配制:称取抗坏血酸粉末,溶解于Knockout DMEM培养基配制成0.1M的储备母液,0.22μm滤膜过滤除菌,分装后于-20℃避光冻存,使用时再用拟胚体生长培养基稀释成工作浓度即可。
6)PBS缓冲液:称取8g NaCl,0.2g KCl,3.491g Na2HPO4·12H2O,0.2gKH2PO4,溶解于1000ml超纯水中,调节pH值为7.2-7.4,121℃高压蒸汽灭菌20min,4℃保存。
7)0.25%胰酶配制:称取0.25克胰酶粉末(Gibco),溶解于100ml PBS溶液中,并添加0.04克EDTA,充分溶解后,0.25μm滤膜过滤。
8)0.1%明胶溶液:称取明胶粉末(Sigma)0.1克,加入到100ml PBS溶液中,121℃高压蒸汽灭菌20min,4℃保存备用。
9)4%多聚甲醛固定液:加热0.1M的PB溶液500mL至沸腾,加入20g多聚甲醛,搅拌溶解,调节pH值为7.2-7.4,过滤除杂质,4℃保存。
10)心肌细胞鉴定所需抗体:肌节辅肌动蛋白α,心肌肌钙蛋白T,以及相应的荧光标记的二抗购自Sigma公司,按照厂家说明书进行使用,用于心肌细胞的鉴定。
实施例1诱导分化培养基的制备
(1)拟胚体(EBs)生长培养基的配制:向400ml Knockout DMEM培养基(Gibco)中添加100ml血清(Gibco),0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸(Gibco)获得500ml拟胚体生长培养基;
(2)取步骤(1)中的DMEM培养基10ml,将0.01摩尔量的抗坏血酸粉末溶解于其中,获得1M的抗坏血酸储备母液;
(3)将步骤(2)中的1M抗坏血酸储备母液分别用步骤(1)的培养基稀释107,106,105,104,103倍,分别获得含10-7,10-6,10-5,10-4,10-3M抗坏血酸的诱导分化培养基。
实施例2利用诱导分化培养基诱导iPS-tet-B3细胞向心肌细胞分化试验按照下述方法进行:
(1)饲养层细胞(Feeder layer cell)的制备
小鼠胚胎成纤维细胞分离自孕期14天的昆明白小鼠(购自军事医学科学院实验动物中心)的胎儿,以含10%血清(体积百分数)的H-DMEM培养扩增;用10μg/ml丝裂霉素溶液处理生长状态良好的第2~4代成纤维细胞3.5小时,以4-5×104个细胞/cm2接种于组织培养皿中,即做成饲养层细胞,次日可用于iPS细胞的接种;
(2)未分化小鼠iPS细胞的培养扩增
在步骤(1)的饲养层体系下培养iPS-tet-B3细胞系(中国科学院上海生命研究院赠送。iPS-tet-B3细胞系的制备方法可参见Jinyan Huang等.CellResearch 2009;19:1127-1138),待长至对数生长期,以1∶6~9进行传代,选择状态良好的细胞进行下面拟胚体形成与诱导分化,生长于饲养层上的未分化小鼠iPS细胞如图1所示,状态良好的iPS细胞集落呈圆形或卵圆形,立体感较强;
(3)拟胚体(EBs)的形成
用0.25%胰酶消化生长至对数生长期的状态良好的小鼠iPS细胞30秒~60秒,然后用1000μL移液枪将其吹散成单细胞,再用拟胚体生长培养基重悬后接种于组织培养皿(1×107个细胞/皿,直径=100mm),37℃、5%CO2孵箱孵育1小时,收集未贴壁的细胞,制备成105个细胞/mL细胞悬液,并转移到低贴壁的细菌培养皿中(直径=100mm),每皿10ml细胞悬液,置于37℃、5%CO2孵箱,悬浮生长的iPS细胞经聚集、分裂即形成EBs,5-7天的EBs形态学观察状态最好,生长不同天数形成的EBs如图2所示;
(4)用诱导培养基诱导iPS-EBs向心肌细胞分化
以0.1%明胶包被组织培养皿;收集(3)中悬浮生长5天的EBs,于离心管中静置沉淀,去除拟胚体生长培养基,以含浓度为10-3M抗坏血酸的诱导分化培养基重悬EBs,以2-4EBs/cm2的密度接种于明胶包被的组织培养皿中,置于37℃、5%CO2孵箱培养,第三天更换新鲜的诱导分化培养基,以后隔天更换一次;随着分化时间的进行,EBs分化出自发搏动的区域,并逐渐增多,如图3所示EBs在抗坏血酸诱导作用下随着诱导时间的进行,分化出搏动区域的EBs增多,在诱导分化12~16天时分化率达到最大;EBs向心肌细胞诱导分化的比率计算为:自发搏动的EBs数/EBs总数×100%。分化比率达50-60%。
(5)iPS细胞分化心肌细胞的鉴定
用4%多聚甲醛固定的分化14天的EBs,经0.1%Triton X-100透化处理30分钟,然后分别使用cTnT抗体(使用时稀释比例为1∶200,Sigma)和α-sarcomeric actinin(使用时稀释比例为1∶200;Sigma)作为一抗,阴性对照组使用PBS代替一抗,置于4℃,过夜孵育。PBS漂洗3min×3次,加入二抗,即FITC标记的山羊抗小鼠IgG,37℃孵育20min,PBS漂洗3min×3次;Hoechst33258染核后中性树胶封片。荧光显微镜下观察(见图4A、图4B所示,)分化的细胞表达心肌标志心肌肌钙蛋白T,肌节辅肌动蛋白α,并在高倍镜下清晰可见肌节纤维。
实施例3不同生长天数的EBs向心肌细胞的诱导分化比较试验
以0.1%明胶包被96培养皿,包被方法为将明胶溶液加入培养皿中,覆盖皿底,静置15分钟后,吸取多余的明胶液体,晾干后置于37℃、5%CO2孵箱备用;收集实施例2步骤(3)中悬浮生长3~8天的EBs,于离心管中静置沉淀,去除拟胚体生长培养基,以含抗坏血酸浓度10-4M的诱导培养基重悬EBs,以1个EB/孔的密度接种于明胶包被的96孔培养皿中,置于37℃、5%CO2孵箱培养,第三天更换新鲜的诱导分化培养基,以后隔天更换一次;EBs向心肌细胞诱导分化的比率计算为:自发搏动的EBs数目/EBs总数×100%,随着分化时间的进行,EBs分化出自发搏动的区域,并在大约2周的时间,自发搏动的EBs数目达到最大值,结果表明以悬浮生长5-7天的EBs最有利于向心肌细胞诱导分化。
实施例4不同浓度抗坏血酸诱导EBs向心肌细胞分化的比较试验
以0.1%明胶包被96孔培养板。收集实施例2中悬浮生长5天的EBs,于离心管中静置沉淀,去除拟胚体生长培养基,分别以含抗坏血酸浓度为0,10-7,10-6,10-5,10-4,10-3M的诱导分化培养基(组成成分见实施例1)重悬EBs,以1EB/孔的密度接种于明胶包被的96孔培养皿中,置于37℃、5%CO2孵箱培养,第三天更换新鲜的诱导分化培养基,以后隔天更换一次;EBs向心肌细胞诱导分化的比率计算为:自发搏动的EBs/EBs总数×100%。随着分化时间的进行,EBs分化出自发搏动的区域,并在大约2周的时间,自发搏动的EBs数目达到最大值。结果(见图5)表明含浓度为10-4-10-3M的抗坏血酸的诱导分化培养基的诱导效果最好。
Claims (9)
1.抗坏血酸作为诱导因子在诱导iPS细胞向心肌细胞分化方面的应用。
2.按照权利要求1所述的应用,其特征在于所述的iPS细胞来源于小鼠、大鼠、兔、猪、牛、羊、猴或人。
3.一种诱导分化培养基,其特征在于所述的诱导分化培养基是含有抗坏血酸的拟胚体生长培养基;所述拟胚体生长培养基是含有体积百分比浓度20%的血清、0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸的Knockout DMEM培养基。
4.按照权利要求3所述的诱导分化培养基,其特征在于所述的抗坏血酸的浓度为1×10-4~1×10-3M。
5.权利要求3所述的诱导分化培养基在诱导iPS细胞向心肌细胞分化方面的用途。
6.权利要求3所述的诱导分化培养基的制备方法,其特征在于将抗坏血酸粉末溶解于Knockout DMEM培养基中配制成0.1M的储备母液,然后用0.22μm滤膜过滤除菌,分装后于-20℃冻存,使用时用所述的拟胚体生长培养基将抗坏血酸稀释成浓度为1×10-4~1×10-3M。
7.一种诱导小鼠iPS细胞向心肌细胞分化的方法,其特征在于是利用权利要求3或4所述的诱导分化培养基将iPS细胞悬浮生长5-7天形成的拟胚体诱导分化,从而得到心肌细胞;具体方法如下:
(1)利用iPS生长培养基将未分化的小鼠iPS细胞系在饲养层体系下进行培养扩增,然后将生长至对数生长期的iPS细胞以1∶6~9的比例进行传代;所述iPS生长培养基为含有体积百分比为20%的血清、1000U/mL的白血病抑制因子、0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸的Knockout DMEM培养基;
(2)用质量百分比为0.25%的胰酶消化处理步骤(1)中处于对数生长期且状态良好的小鼠iPS细胞,消化时间为30秒~60秒,然后将其吹散成单细胞;再用10ml拟胚体生长培养基重悬,并接种于贴壁性的组织培养皿,然后将其置于37℃、5%CO2孵箱孵育1小时,收集未贴壁的细胞;将所收集的细胞重悬于拟胚体生长培养基中,计数细胞,制备成105个细胞/ml的细胞悬液,并将细胞悬液转移到细菌培养皿中,每皿10mL细胞悬液,再置于37℃、5%CO2孵箱培养5~7天,隔天更换新鲜拟胚体生长培养基一次,获得拟胚体;所述的拟胚体生长培养基为含有体积百分比为20%的血清、0.055mM β-巯基乙醇、2mM L-谷氨酰胺和0.1mM非必须氨基酸的Knockout DMEM培养基;
(3)将步骤(2)中悬浮生长5~7天的拟胚体于离心管中,静置沉淀,去除拟胚体生长培养基,用权利要求4所述的诱导分化培养基重悬拟胚体,并将其接种于0.1%明胶包被的组织培养皿中,然后置于37℃、5%CO2孵箱培养,第三天更换新鲜的诱导分化培养基,此后隔天更换,诱导分化培养12~16天,得心肌细胞。
8.按照权利要求7所述的方法,其特征在于所述的细菌培养皿的直径为100mm。
9.按照权利要求7所述的方法,其特征在于其步骤(3)中诱导分化时拟胚体的接种密度为2-4个拟胚体/cm2。
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