CN102517248A

CN102517248A - 一种体外诱导胰岛样结构形成的方法

Info

Publication number: CN102517248A
Application number: CN2011104554900A
Authority: CN
Inventors: 娄晋宁; 蔡寒青; 许世清; 张文健
Original assignee: China Japan Friendship Hospital
Current assignee: China Japan Friendship Hospital
Priority date: 2011-12-30
Filing date: 2011-12-30
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种体外诱导胰岛样结构形成的方法。该方法是将成体干细胞或诱导性多能干细胞（iPS细胞）通过定向诱导分化所制备的胰岛内分泌细胞，或者胰岛来源的胰岛内分泌细胞系在添加了与天然胰岛细胞外基质类似成分的培养基中，采用在50%O₂的高氧培养环境下悬浮培养方式，快速、高效诱导胰岛样结构的形成。该方法的优点是快速（4-24小时），高效（胰岛样结构形成率>90%），形成的胰岛样结构大小均一（类似于天然胰岛），功能良好（其胰岛素分泌功能明显优于非胰岛样结构）。本发明方法提供了干细胞技术制备胰岛的一种关键技术方法。

Description

一种体外诱导胰岛样结构形成的方法

技术领域

本发明涉及一种体外诱导胰岛样结构形成的方法，尤其是涉及一种体外诱导成体干细胞或诱导性多能干细胞（induced pluripotent stem cell，iPS）通过定向诱导分化技术制备的胰岛内分泌细胞，以及胰岛来源的胰岛内分泌细胞系诱导胰岛样结构形成的方法。

背景技术

糖尿病的发病率和死亡率逐年上升，成为危害人类健康的重大疾病之一。目前使用胰岛素治疗在一定程度上能够改善病人的糖代谢紊乱，但并不能有效地防止或逆转糖尿病引起的微血管病变及其并发症。胰岛移植是治疗胰岛素依赖型糖尿病的有效方法，并且有实验资料显示，胰岛移植不仅能够纠正糖代谢的紊乱，而且能够防止或逆转糖尿病的微血管病变。但是，由于目前可以提供用于胰岛移植的胰腺供体极度缺乏，限制了胰岛移植在临床的广泛应用。因此，应用干细胞技术通过定向诱导分化制备胰岛是解决胰岛移植细胞来源的一种可行的技术方法，具有重大临床应用价值。

最近已经有许多研究报道将多种来源的干细胞诱导分化成为胰岛内分泌细胞，将这些细胞移植到糖尿病的动物体内可以明显改善糖代谢紊乱。例如：中华人民共和国国家知识产权局公开的申请人为“北京大学”的发明申请200510064431.5，；申请人为“杰龙公司”的发明申请02824367.6等发明创造的主要内容都是将干细胞诱导分化成胰岛内分泌细胞的方法。

应用转基因技术可以从不同种属成体细胞建立诱导性多能干细胞（iPS），并且将这些细胞定向分化成为胰岛内分泌细胞。另外，某些胰岛来源的内分泌细胞系如胰岛素瘤细胞也可能成为胰岛移植可选择的细胞材料。

在将这些干细胞或iPS细胞向胰岛内分泌细胞后，将其进一步诱导成一定大小的胰岛样结构是必要的。通常，胰岛移植的部位是肝窦，这是因为1)肝窦能为移植的胰岛提供丰富的血供，有利于移植胰岛的存活；2)存活在此处的胰岛能够快速感受到血糖的变化产生胰岛素释放；3)肝脏是胰岛素作用最大的靶器官，分泌的胰岛素可以作用于肝细胞促进糖原的合成，降低血糖；4) 肝脏分泌多种免疫抑制因子，有助于减轻排斥反应。但是，如果将干细胞诱导分化后的单个胰岛细胞直接移植到肝窦，细胞可能随血流迁移到其它组织或器官，不能保证其在肝窦内的稳定存活和功能发挥。天然的胰岛是由4种内分泌细胞（α，β，δ和pp细胞）组成的细胞团，并且4种内分泌细胞将的相互作用对调控胰岛素的分泌功能非常重要。因此，将胰岛内分泌细胞诱导成为胰岛样结构不仅有助于移植细胞定位于肝窦，而且能够进一步完善胰岛内分泌细胞的胰岛素分泌功能，有利于提高细胞移植治疗糖尿病的疗效。

通常应用悬浮培养的方法使胰岛内分泌细胞自发聚集成岛。已有的报道显示使用这种方法诱导胰岛样结构形成的时间从2天到14天不等（Endocr J. 2004, 51(3):381-6; Am J Physiol Endocrinol Metab. 2005, 288(3):E502-9；Exp Clin Endocrinol Diabetes. 1995;103 Suppl 2:118-22.），所形成的胰岛大小和效率不一。从应用的角度考虑，只有快速、高效地将胰岛内分泌细胞诱导成大小均一、功能完善的胰岛样结构，才能保证移植的疗效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体外诱导胰岛样结构形成的方法。该方法可以快速，高效诱导胰岛内分泌细胞形成大小均一、功能完善的胰岛样结构，通过该方法获得胰岛样结构适合用于胰岛移植治疗糖尿病。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

本发明提供了一种体外诱导胰岛样结构形成的方法，该方法包括以下步骤：

将由成体干细胞或诱导性多能干细胞（iPS细胞）通过定向诱导分化所制备的胰岛内分泌细胞，或者胰岛来源的胰岛内分泌细胞系进行悬浮培养诱导诱导胰岛样结构形成，所述悬浮培养条件为37℃，5% CO₂, 50%O₂培养4～24h；进一步地，优选为37℃，5％CO₂, 50%O₂培养6~12h。

本发明所使用的术语“成体干细胞”是指人和动物成体来源的各种干细胞，例如成体组织干细胞、骨髓间充质细胞、造血干细胞等。“iPS细胞”指按照文献报道的技术方法（Cell, 2006, 126(4):663-676）从成体细胞通过转基因技术建立的多潜能干细胞。

进一步地，本发明所述方法还包括在悬浮培养之前，先进行贴壁培养10min～3h，优选为20min～2h，较优选为30min～1h；然后收集未黏附的细胞进行上述悬浮培养。

所述贴壁培养的目的是由于成体干细胞或诱导性多能干细胞（iPS细胞）诱导分化后除了获得胰腺内分泌细胞外，还会有胰腺外分泌细胞，这些胰腺外分泌细胞将会影响到后期胰岛样结构中内分泌细胞的功能和存活，因此进行贴壁培养就是为了除去胰腺外分泌细胞。由于胰腺外分泌细胞贴壁快，培养后很快贴壁，此时未黏附的细胞均为胰岛内分泌细胞。

进一步地，本发明所述方法在悬浮培养过程中可以使用任何已经公开的适于培养胰岛内分泌细胞的培养基配方，这些细胞培养基可以通过商业化途径购买获得，也可以参照公开出版物上的配制方法自行配制获得。常用的细胞培养基，例如M199培养基、1640培养基、DMEM培养基、DMEM/F12培养基等。同时为了使诱导胰岛样结构形成的时间缩短并且与天然胰岛的大小和结构更接近，在悬浮培养使用的培养基中添加了下述物质：20%的胎牛血清、4.5g/L的葡萄糖、1～2mmol/L的Ca^2＋、0.01～2mmol/L三磷酸腺苷和与天然胰岛含有的细胞外基质相类似的成分；

所述与天然胰岛含有的细胞外基质相类似的成分，包括层粘连蛋白0.1～20μg/ml、IV型胶原0.1～20μg/ml和纤维连接蛋白0.1～20μg/ml。进一步地，所述与胰岛细胞相类似的细胞外基质成分，优选包括层粘连蛋白0.5～10μg/ml、IV型胶原0.5～10μg/ml和纤维连接蛋白0.5～10μg/ml。所述与胰岛细胞相类似的细胞外基质成分，较优选包括层粘连蛋白1～5μg/ml、IV型胶原2～8μg/ml和纤维连接蛋白1～5μg/ml。

进一步地，悬浮培养使用的培养容器为不利于细胞黏附和/或贴壁的表面。如商业化的非处理型培养瓶或者用特殊物质处理后使细胞不能黏附于表面的培养容器。非处理型培养瓶是因为表面未用有助于细胞贴壁的物质处理，因此细胞不易黏附，呈悬浮状态。所述的处理后使细胞不能黏附于表面的培养容器通常是使用特殊物质进行了处理，包括用poly-HEMA处理后的培养瓶、培养板或培养皿，或者硅化的离心管。使用这类培养容器的目的也是使细胞不贴壁呈悬浮状态。

进一步地，在整个悬浮培养过程中，每隔4h轻轻摇动培养容器一次。

本发明这种方法与以往报道的方法相比，具有以下有益效果：

1. 使用简单方法有效去除胰腺外分泌细胞，利于胰岛样结构中内分泌细胞的功能和存活。

2. 操作简单，胰岛样结构形成率高。采用悬浮培养加高氧环境，操作与普通细胞培养方法相同，因此操作简单。诱导胰岛样结构形成的过程是耗能过程，本发明方法在经处理使细胞不贴壁生长的培养容器中培养，给予高氧环境增加细胞供氧，因此利于胰岛样结构形成，此方法可使>90%的细胞诱导胰岛样结构形成。

3. 形成的胰岛样结构大小均匀，直径在100～400μm，其中直径150μm～200μm的胰岛样结构占65％左右(天然胰岛平均直径为150~200μm）；该大小的胰岛样结构，门脉移植后能稳定定位于肝窦中。

4. 胰岛样结构的外周形成了包膜。通过在培养基中加入与胰岛组织基质类似的细胞外基质物质如纤维连接蛋白，层粘连蛋白和IV型胶原，可以诱导新形成的胰岛样结构周围形成细胞外基质包膜，不仅利于移植后胰岛结构和功能的完整，而且避免胰岛样结构受到受体免疫系统的破坏。

附图说明

图1 诱导胰腺成体干细胞来源的胰岛内分泌细胞形成的胰岛样结构；

图2 诱导iPS细胞来源的胰岛内分泌细胞形成的胰岛样结构；

图3 胰岛样结构大小的分析；

图4 胰岛样结构包膜成分的分析；

图5 胰岛样结构的胰岛素分泌能力；**与单层细胞相比，P<0.01；

图6 普通培养条件和高氧培养条下诱导成的胰岛样结构大小的比较。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进—步阐述本发明。但这些实施例仅限于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法，所用的试验材料，如无特殊说明，均为常规生化试剂供应商购买得到。

实施例1诱导胰腺成体干细胞来源的胰岛内分泌细胞诱导胰岛样结构形成

将成体胰腺干细胞（其来源和诱导分化步骤可以通过现有技术公开的内容来获得，也可以参见中国糖尿病杂志，2007, 15(3):171-175）诱导分化后的细胞首先接种在T₇₅培养瓶中，贴壁培养30min。然后收集未黏附的细胞，以4万个细胞/ml的密度悬浮培养在50ml无菌硅化离心管（美国Corning公司）中；培养基使用含有20%热灭活胎牛血清的M199培养基，并含有4.5g/L的葡萄糖、1mmol/L的Ca^2＋和0.01mmol/L三磷酸腺苷、层连蛋白（0.1μg/ml）、IV型胶原（0.1μg/ml）和纤连蛋白（0.1μg/ml）（上述试剂均购自德国Sigma公司）。在50%O₂、5%CO₂，37℃的环境中，将成体胰腺干细胞在这种悬浮培养条件培养4小时。体视显微镜下观察到90%以上的细胞形成了胰岛样结构，其大小较为均匀，以直径150~200μm左右的居多，如图1所示。

实施例2 诱导iPS细胞来源的胰岛内分泌细胞诱导胰岛样结构形成

iPS细胞的来源和诱导分化步骤见参考文献（Cell Res. 2009, 19(4):429-438）。将iPS细胞经定向诱导分化后获得的胰岛内分泌细胞接种在T₇₅培养瓶中，贴壁培养3 h。然后收集未黏附的细胞，以4万细胞/ml的密度悬浮培养在poly-HEMA包被的10cm 培养皿中；培养基使用含有20%热灭活胎牛血清的1640培养基，并含有4.5g/L的葡萄糖、1mmol/L的Ca^2＋和0.01mmol/L三磷酸腺苷、层连蛋白（20μg/ml）、IV型胶原（20μg/ml）和纤连蛋白（20μg/ml）（上述试剂均购自德国Sigma公司）。；在50%O₂、5%CO₂，37℃的环境中，将细胞在这种悬浮培养条件培养24小时。体视显微镜下观察到90%左右的细胞形成了胰岛样结构，其大小较为均匀，以直径150~200μm左右的居多，如图2所示。

实施例3 诱导胰岛来源的内分泌细胞系诱导胰岛样结构形成

将本实验室保存的大鼠胰岛素瘤细胞系－INS-1细胞，以4万细胞/ml的密度悬浮培养在表面非处理型培养瓶中进行悬浮培养；培养基使用含有20%热灭活胎牛血清的DMEM培养基，并含有4.5g/L的葡萄糖、1mmol/L的Ca^2＋和0.01mmol/L三磷酸腺苷、层连蛋白（2μg/ml）、IV型胶原（5μg/ml）和纤连蛋白（3μg/ml）（上述试剂均购自德国Sigma公司）。；在50%O₂、5%CO₂，37℃的环境中，将细胞在这种悬浮培养条件培养6小时。体视显微镜下观察到90%左右的细胞形成了胰岛样结构，其大小较为均匀，以直径150~200μm左右的居多，与实施例1和实施例2中形成的胰岛样结构很相似。

实施例4 本发明方法制备的胰岛样结构的评价

为评价按照前述实施例制备的胰岛样结构与天然胰岛的相似程度，我们主要对以下3方面进行了分析：1. 胰岛样结构大小的分析；2. 胰岛样结构的包膜；3. 胰岛样结构的胰岛素分泌能力。

具体地，将按照前述实施例1制备的胰岛样结构置于平皿中，于体视显微镜（日本Nikon公司SMZ1500型）下观察胰岛样结构的大小并拍照，根据目镜中的标尺分别计数各种直径胰岛的数目。经统计学分析显示，本发明方法制备的胰岛样结构的大小比较均匀，直径在100～400μm，平均直径200μm（图3），倒置显微镜下观察非常类似于天然胰岛（天然胰岛平均直径150到200μm）。而且应用本发明方法制备胰岛样结构形成的效率很高，所加入细胞的90%以上均形成了胰岛样结构。

进一步对形成的胰岛样结构进行冰冻切片染色分析其是否存在包膜。冰冻切片的制备和免疫荧光染色方法按照文献描述方法进行（中国医药生物技术，2009，4（6）：405-407）。检测指标包括纤连蛋白、层连蛋白和IV型胶原。结果如图4所示，本发明制备的胰岛样结构外周包有包膜，包膜的成分含有纤连蛋白、层连蛋白和IV型胶原。

此外，以单层生长的细胞和天然胰岛为对照，对胰岛样结构的胰岛素分泌功能进行了评价。具体地，将胰岛的细胞或胰岛样结构接种于24孔板中，每组种6个平行孔，先用含2.5mM葡萄糖的培养基培养过夜后更换液体，每组分别取3孔换成预温至37℃的含2.5mM葡萄糖的KRBH液（成分为NaCl 140mM, KCl 3.6mM, NaH₂PO4 0.5mM, MgSO₄ 0.5mM, CaCl₂ 1.5mM, NaHCO₃ 2mM, Hepes 10mM, BSA 0.1%），另3孔换成含20mM葡萄糖的KRBH液。37℃培养2小时后分别收集上清和胰岛样结构。测定上清中胰岛素浓度和胰岛样结构的蛋白质含量。由于各孔中胰岛样结构的细胞数量可能不同，因此按照该孔胰岛样结构的蛋白质含量进行标准化，以胰岛素/蛋白质含量作为该孔胰岛素分泌指标，以20mM葡萄糖组除以2.5mM葡萄糖组的比值为胰岛素刺激指数。结果如图5所示，胰岛样结构的胰岛素刺激指数为2.87±0.85，明显高于单层生长的细胞（单层细胞的胰岛素刺激指数为1.38±0.68），可达到天然胰岛（8.08±1.23）的1/3。

实施例5 高氧培养与普通培养条件下胰岛样结构形成情况的比较

将实施例3中的INS-1细胞分成对照组和高氧组。对照组的细胞悬浮培养在37℃，5％CO₂, 95%空气的普通细胞培养条件中培养12 h ，高氧组的培养条件为37℃，5％CO₂, 50%O₂培养12h。然后收集细胞，于倒置显微镜下检查胰岛样结构形成情况，使用IPP6.0图像分析软件分析胰岛样结构形成效率和计算胰岛样结构的大小。结果显示，两种培养方法都能诱导胰岛样结构形成。但高氧组形成的胰岛样结构较大，并且直径比较均匀，直径150~200um的胰岛样结构约占总数的65%，而对照组形成的胰岛样结构大小差异较大，直径在150~200μm范围的胰岛样结构不足40%。如图6。这一结果说明应用本发明方法可提高大小适合用于移植的胰岛样结构的形成率。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims

1.一种体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

将由成体干细胞或诱导性多能干细胞通过定向诱导分化所制备的胰岛内分泌细胞，或者胰岛来源的胰岛内分泌细胞系进行悬浮培养诱导胰岛样结构形成，所述悬浮培养条件为37℃，5％CO₂，50%O₂培养4～24h。

2.根据权利要求1所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，该方法还包括在悬浮培养之前，先进行贴壁培养10min～3h，然后收集未黏附的细胞进行所述的悬浮培养。

3.根据权利要求2所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，贴壁培养20min～2h，优选为30min～1h。

4.根据权利要求1或2所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，所述悬浮培养使用的培养基为添加了下述物质的细胞培养基：20%的胎牛血清、4.5g/L的葡萄糖、1～2mmol/L的Ca^2＋、0.01～2mmol/L三磷酸腺苷和与天然胰岛相类似的细胞外基质成分；

其中，所述与天然胰岛相类似的细胞外基质成分，包括层粘连蛋白0.1～20μg/ml、IV型胶原0.1～20μg/ml和纤维连接蛋白0.1～20μg/ml。

5.根据权利要求4所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，培养条件为37℃，5％CO₂, 50%O₂培养6~12小时。

6.根据权利要求4所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，悬浮培养使用的培养容器为不利于细胞黏附和/或贴壁的容器，该容器包括表面非处理型的培养容器或者处理后使细胞不能黏附于表面的培养容器。

7.根据权利要求6所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，所述处理后使细胞不能黏附于表面的培养容器为用poly-HEMA处理后的培养瓶、培养板或培养皿，或者硅化离心管。

8.根据权利要求4所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，在整个悬浮培养过程中，每隔4h轻轻摇动培养容器一次，每次1分钟。

9.根据权利要求4所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，所述与天然胰岛相类似的细胞外基质成分，包括层粘连蛋白0.5～10μg/ml、IV型胶原0.5～10μg/ml和纤维连接蛋白0.5～10μg/ml。

10.根据权利要求9所述的体外诱导胰岛样结构形成的方法，其特征在于，所述与天然胰岛相类似的细胞外基质成分，包括层粘连蛋白1～5μg/ml、IV型胶原2～8μg/ml和纤维连接蛋白1～5μg/ml。