CN113249310A - 一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法及应用 - Google Patents

一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法及应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法及应用，属于生物医学技术领域。本发明诱导分化所用试剂为化学成分明确的培养基，可获得纯度高、批次间分化效率稳定的心肌细胞。与现有多能干细胞分化的心肌细胞相比，本发明获得的心肌细胞早期增殖能力强，延长培养并构建成心肌微组织后成熟度高，排列结构更整齐，功能性收缩力增强，因此适用于心脏疾病机理研究、药物筛选和细胞治疗等多种应用，因此具有良好的实际应用之价值。

Description

一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法及应用
技术领域
本发明属于生物医学技术领域，具体涉及一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法及应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
心脏疾病是全球发病率和死亡率最高的疾病。冠心病、高血压等会导致心肌细胞死亡，心肌出现重构并逐步恶化，最终出现心肌收缩舒张功能障碍，即心力衰竭。心衰病人无法被药物治愈，只能等待供体非常紧缺的心脏移植。近年来随着冠脉搭桥、心脏支架介入治疗等手段开展，以及药物及时干预会延长心梗和心脏慢性病患者生存时间，但心衰发生率却呈逐年上升趋势。心肌细胞自身增殖能力非常低，并且分离成体心肌细胞体外培养困难，给药物筛选和机制研究都造成阻碍。再生医学是心脏疾病研究领域一个非常有潜力的方向，干细胞是其中最重要的工具，利用多能干细胞分化成为心肌细胞，对于心肌细胞药物筛选、细胞治疗以及疾病模型的研究都有重要意义。
人诱导性多能干细胞(human induced pluripotent stem cells，hiPSCs)是公认有再生医学转化潜力的种子细胞，通过体细胞重编程产生，具有向胚内多种细胞类型分化的能力，并且可以有效避开使用胚胎干细胞(embryonic stem cells，ESC)分化存在的伦理争端和免疫排斥风险。通过调节Wnt信号可以诱导iPSCs分化为心肌细胞(Directedcardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells by modulatingWnt/b-catenin signaling under fully defined conditions)，但是不同iPSCs定向分化效率和分化批次不稳定及成熟度不够等问题是制约其应用的重要因素。
2017年，Yang等首次建立了具有全能性特征的拓展多能干细胞系(ExtendedPluripotent Stem Cells，EPSC)，此细胞系的多能性高于iPSCs，同时具有胚内和胚外组织发育潜能，表现出优秀的异种嵌合能力，并且具备单细胞传代和高增殖率扩增的优势(YangYang等.Cell.2017 6；169(2):243-257)。但此时EPS由ESC转化而来，并且培养时需要滋养层细胞，相对制约其转化应用。2020年Ran等使用小分子化合物诱导条件代替饲养层细胞成功将人ESCs和iPSCs转化为EPSCs，建立了成分明确、简单快速的EPS构建体系，进一步为EPS的转化应用奠定良好基础(Ran Zheng等.bioRxiv.18 Oct 2020)。理论上EPS应该会比iPSCs具有更高的潜能性，但EPS是否可以作为心肌细胞的种子细胞，能否采用成分明确的诱导条件稳定形成高效率分化的心肌细胞，应用于心脏药物开发和心肌再生研究领域是未知的，需要进一步探索。
发明内容
针对上述现有技术的不足，发明人经长期的技术与实践探索，提供一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法及应用。本发明通过小分子分阶段调控WNT信号通路，从而诱导EPS细胞分化为心肌细胞，因此具有良好的实际应用之价值。
具体的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面，提供拓展的多潜能干细胞(EPSC)在制备心肌细胞中的应用。
具体的，所述应用包括：将上述拓展的多潜能干细胞诱导分化为心肌细胞。
更具体的，所述诱导分化方法包括：通过小分子分阶段调控WNT信号通路，诱导EPS细胞分化为心肌细胞。
本发明的第二个方面，提供一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法，所述方法包括：通过小分子分阶段调控WNT信号通路，诱导EPS细胞分化为心肌细胞。
具体的，所述方法包括：采用化学成分明确的培养基条件进行诱导分化，优选的，所述化学成分明确的培养基条件为使用成分明确的血清替代物和生长因子替代血清。
优选的，在小分子分阶段调控前，所述方法还包括将EPSC经mTeSRTM1和/或KnockOutTMDMEM/F-12+B27+FGF2+TGFβ快速过渡转化；进一步优选的，B27细胞培养添加剂中含有胰岛素；培养时间控制为1-4天；
进一步优选的，当拓展性多能干细胞汇合度达到50％以上时即可起始诱导分化形成心肌细胞，优选大于85％，更优选为95％以上。
优选的，所述小分子分阶段调控，具体包括：先添加化学小分子CHIR99021，进行培养；再添加WNT信号通路抑制化学小分子IWR和IWP2，进行培养。
其中，所述CHIR99021的使用浓度控制为5-10μM，优选为7.5μM；使用IWR的浓度范围为2.5-7.5μM，优选为5μM；使用IWP2的浓度范围1-5μM，优选为2.5μM。通过控制加入的化学小分子浓度和时间，从而获得高效分化的心肌细胞。
在小分子分阶段调控时期，使用的细胞培养基包括1640+B27，优选的B27细胞培养添加剂中不含有胰岛素。
优选的，小分子分阶段调控时期培养时间控制为3-7天，优选为4-5天。
本发明的第三个方面，提供上述培养方法获得的心肌细胞。所述心肌细胞为EPSC源心肌细胞，采用上述培养方法获得的心肌细胞，其数量多，且早期繁殖能力强。
本发明的第四个方面，提供上述培养方法和/或上述心肌细胞在如下任意一种或多种中的应用：
a)制备心肌细胞产品用于相关基础研究；
b)药物筛选及心脏相关疾病诊断；
c)心脏相关疾病治疗。
其中，
所述应用a)中，所述相关基础研究包括对心肌细胞结构功能、特性、信号通路以及电生理检测及研究；
所述应用b)中，包括药物安全评价和新药分子研发；
所述应用c)中，所述心脏相关疾病包括心梗；所述治疗方法包括细胞治疗。
上述一个或多个技术方案的有益技术效果：
1、上述技术方案通过对EPSC分化不同天数过程中心肌细胞标志物cTNT的检测，首次将EPSC成功分化为高纯度的心肌细胞。
2、上述技术方案通过对EPSC分化的心肌与hiPSC分化的心肌细胞对比，EPSC分化心肌表现为相同底面积下，分化所得心肌细胞数量更多，一般计数大于10Million/9.6cm2。重铺细胞后，EPSC分化心肌早期增殖能力相对较高。
3、随着培养时间延长及构建成心肌微组织后，EPSC分化心肌组织表现更加成熟，排列结构整齐，细胞连接有分布到两端，功能性收缩力增大。
综上，上述技术方案将为干细胞作为产生心肌细胞的种子细胞提供更多选择，促进干细胞向心肌细胞分化在心脏疾病相关领域的应用，在心脏疾病诊断、药物筛选和细胞治疗方面具有广泛的前景，因此具有良好的实际应用之价值。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明分化流程方案及培养不同天数时细胞光镜图。
图2是本发明实施例3中分化不同阶段流式结果和不同阶段的免疫荧光图；其中，A为第5天免疫荧光染色证实分化为中胚层细胞；B为第12天免疫荧光证实此阶段细胞为心肌前体细胞；C为第16-18天，免疫荧光确定分化细胞绝大部分为心肌细胞；D为流式细胞术检测中胚层细胞占比；E为流式细胞术检测心肌前体细胞占比；F为流式细胞术检测心肌细胞标志物cTNT+细胞占比。
图3是本发明实施例3中cTNT阳性率相关结果，表明cTNT阳性率均在80％以上；其中，A为不同批次cTNT阳性分化效率图；B为多批次cTNT阳性分化效率柱状统计图。
图4是本发明实施例4中不同细胞汇合度起始分化后，相同CHIR 7.5的浓度作用下，第16天心肌跳动区域的百分比结果统计及拟合图。
图5是本发明实施例5中EPSC-CM与hiPSC-CM在重铺后，EPS-CM不同阶段的细胞增殖能力更高；其中，A为实际细胞染色图；B为柱状统计图。
图6为本发明实施例6中心肌微组织培养后对心肌细胞标志物α-actinin、cTNI，以及心肌成熟标志物N-Cadherin和RYR2等进行荧光染色结果图。
图7为本发明实施例6中EPSC分化心肌功能性收缩力与hiPSC-CM比较图；其中，A为最大收缩幅度比较图；B为每次收缩间隔时长比较图。
图8为本发明实施例7中EPSC-CM移植到裸大鼠心肌4周后细胞驻留存活情况；其中，A为心脏H&E染色结果及放大图，B为免疫荧光显示驻留的人源心肌细胞肌节完整。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
如前所述，理论上EPS应该会比iPSCs具有更高的潜能性，但EPS是否可以作为心肌细胞的种子细胞，能否采用成分明确的诱导条件稳定形成高效率分化的心肌细胞，应用于心脏药物开发和心肌再生研究领域是未知的，需要进一步探索。
有鉴于此，本发明采用分化效率高的化学成分明确的方法，即通过小分子分阶段调控WNT信号通路，诱导EPS细胞分化为心肌细胞。
本发明研究发现，若直接将原有hiPSC分化心肌的方案应用于EPS细胞分化，即采用1640+B27混合WNT信号通路调控小分子的分化流程，使用不同细胞汇合度起始分化均无法获得心肌细胞；并且在此方案基础上增加ACTIVIN A，BMP4等起始分化，也无法获得高效分化的心肌细胞。
为此，本发明在心肌细胞分化流程上的改进有：(1)EPSC的多能性经mTeSRTM1快速过渡转化1-4天，细胞汇合度达到85％以上后，再换1640+B27基础培养基和WNT信号通路调节小分子；(2)分化过程中抑制Wnt信号时同时使用IWR和IWP2两种小分子。(3)进一步的，鉴于mTeSRTM1中成分高达近100种,我们采用KnockOutTMDMEM/F-12+B27(+Insulin)+FGF2(100ng/ml)+TGFβ(2ug/ml)也能达到快速转化和进一步分化的效果。
本发明的一个具体实施方式中，提供一种心肌细胞获取的方法，所述方法按下述流程进行：
1)将EPS细胞培养在EPS专用培养基中，经TriplE消化后以4-5*104/cm2比例进行传代并采用前述过渡培养基培养1-4天。
2)细胞长至95％开始分化，细胞培养基换成1640+B27(-Insulin)，添加7.5μM的GSK3β抑制剂化学小分子CHIR99021，维持培养2天。
3)撤掉CHIR培养1天。
4)添加WNT信号通路抑制化学小分子5μM IWR和2.5μM IWP2，培养2天。
5)撤掉培养基中的IWR和IWP2。
6)在心肌细胞分化第10-12天显微镜下可见跳动的心肌细胞。
7)第16天对分化的心肌进行消化和重铺或构建微组织，流式细胞术检测分化细胞cTNT阳性百分比。8)检测心肌细胞增殖。在重铺后的第3天，7天对细胞Edu标记24h，24h后免疫荧光染色α-actinin定位至心肌细胞，统计心肌细胞增殖百分比。
9)通过免疫荧光染色和收缩功能检测确定心肌组织成熟度。组织培养至14天后，免疫荧光染色α-actinin、CTNI、N-Cadherin、DAPI，观察两种心肌微组织的排列和结构。同时，用1.5HZ电刺激，录制微组织收缩视频，用Image J插件分析两组收缩力大小。
本发明方法获得的EPSC源心肌细胞，可应用于：(1)进行心肌细胞结构功能、特性、信号通路以及电生理检测；(2)应用于药物安全评价和新药分子研发；(3)高效获得分化成熟的心肌细胞，可通过细胞注射或者结合组织工程，应用于心梗等相关心脏疾病治疗。
结合具体实例对本发明作进一步的说明，以下实例仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。如果实施例中未注明的具体条件，通常按照常规条件，或按照销售公司所推荐的条件；在本发明没有特别限定，均可通过商业途径购买得到。
实施例1
EPSC细胞培养和传代
EPSC细胞培养基：包含1:1混合的KnockOutTMDMEM/F-12和NeurobasalTMMedium,含有1％B27(-Vitamin A),0.5％N2，5％血清替代物,1％谷氨酸盐,1％非必需氨基酸,1％双抗,0.1mMβ-巯基乙醇，10ng/mL recombinant human LIF,1μM CHIR99021,2μM(S)-(+)-Dimethindene maleate,2μM Minocycline hydrochloride,1μM IWR-endo-1,2μM Y-27632。
采用EPSC细胞培养基和3倍Matrigel包被培养板对EPS细胞进行培养，并以单细胞传代的方式、使用TriplE消化液每3天传一次代，每次消化时间3-4分钟，根据细胞转化过程中的生长和增殖状态，以1：2至1：8传代，每次传代时将细胞尽量吹散至单细胞状态。连续培养10-15代后，即可见具有EPSC克隆的形态，表现为：克隆立体，紧密，明亮、有光泽，呈隆起圆球状，核质比高，经Q-PCR检测部分多能性基因表达显著提升。
实施例2
EPSC细胞向心肌细胞分化
第0天，EPSC经TriplE消化后，提供密度为4-5*104/cm2的细胞，用EPSC培养基重悬，做分化使用时，无需吹成单细胞状态。培养板或皿使用1倍Matrigel包被即可，即每1μlMatrigel用100μl预冷的DMEM/F-12培养基稀释混匀。
第1天，更换为mTeSRTM1培养基，或KnockOutTMDMEM/F-12培养基，含1％B27(+Insulin)，100ng/ml FGF2和2ug/ml TGFβ。细胞体积开始增大，克隆朝四周伸展，每天换液，待细胞汇合度长至95％以上，克隆间有明显的边界线。过渡培养时间约2天。
第3天，培养基换为1640+B27(-Insulin)，添加GSK3β抑制剂化学小分子CHIR99021诱导，浓度7.5μM，维持2天。
第4天，撤掉CHIR99021，换成1640+B27(-Insulin)。
第5-6天，添加WNT信号通路抑制化学小分子5μM IWR和2.5μM IWP2。
第7天撤掉化学小分子，换1640+B27(-Insulin)，之后每两天更换一次培养基。
第10-12天，显微镜下可见大面积跳动的心肌细胞。EPS的具体分化流程图以及分化不同时间的细胞光镜结果见附图1。
实施例3
流式细胞术和免疫荧光技术检测EPS分化为心肌细胞的过程中心肌前体及心肌细胞阳性比例。
按上述方法，在EPS细胞分化的第5天，采用brachyury免疫荧光染色证实EPS细胞分化为中胚层细胞(附图2A)。在EPS分化的第12天，采用心肌前体细胞标志物Isl1和NKX2.5进行免疫荧光染色，证实此阶段细胞为心肌前体细胞(附图2B)。在EPS分化第16天，采用心肌细胞标志物α-actinin和成纤维细胞标志物Vimentin共染确定分化细胞绝大部分为心肌细胞(附图2C)；进一步通过消化分化第5天细胞后，流式细胞术检测中胚层标志物Brachyury，发现此细胞群体Brachyury阳性率为98.8％；(附图2D)消化分化第12天细胞后，流式细胞术检测心肌及前体细胞标志物，发现此细胞群体Isl1阳性率为93.5％，NKX2.5阳性率为90％(附图2E)；消化第16天细胞,心肌细胞标志物cTNT+细胞占比高达96.6％(附图2F)。通过对8批次EPS分化为心肌细胞的cTNT阳性率统计，我们发现EPS的心肌分化效率每次都在80％以上，平均分化效率为88％(附图3)，此结果表明本分化体系分化效率高且稳定。
实施例4
将EPSC及hiPSC细胞消化后,按照1*104/cm2、2*104/cm2、4*104/cm2、6*104/cm2、8*104/cm2不同密度将细胞接种到24孔板，每组3个平行，EPSC用EPS培养基重悬1天后，用mTeSRTM1培养基转化培养2天。hiPSC直接使用mTeSRTM1重悬和培养至第3天。拍照统计EPSC以及hiPSC每孔细胞覆盖面积占总孔面积比，记为起始分化汇合度。紧接着，CHIR99021诱导起始分化，浓度7.5μM。第16天，录制视频统计两组干细胞分化心肌跳动区域所占整孔面积百分比。统计结果显示，hiPSC起始汇合度70-85％时，心肌分化效率最高，跳动区域可达到100％，当分化密度不在最适密度下，分化效率显著下降。而EPSC起始分化汇合度达80％以上时，心肌跳动区域均可达到100％，显示出EPSC具有更宽的分化潜力且分化效果较好。
实施例5
EPSC分化心肌细胞与原始诱导性多能干细胞hiPSC系分化心肌细胞功能的比较。
待EPSC诱导心肌分化至16天后，使用胶原酶Ⅰ和Tripsin-EDTA消化成单细胞，重铺至coverslip或confocal皿上，使用1640+B27与无糖DMEM+4μM Lactate成1:1的重铺后培养基，在第3天，7天对细胞使用Brdu标记24h，在重铺后的第4天，8天固定细胞后，免疫荧光染色α-actinin进行心肌细胞定位，并统计心肌细胞增殖百分比。结果显示，在心肌细胞重铺后3-4天和7-8天时间点，EPS-CM的增值率都显著高于hiPSC-CM(附图5)。并且对相同孔板面积分化的心肌细胞进行消化后，EPSC分化心肌数量平均为1-1.2*106/cm2，而hiPSC分化心肌数量平均仅为0.3-0.5*106/cm2。
实施例6
因重铺的单层细胞有个体差异，功能检测的均一性远不如组织稳定。为了测试EPSC与hiPSC分化心肌在功能上的区别，两组在加1640培养基分化14天后，消化成单细胞，随后构建成本实验室自制的条形心肌微组织，每个组织条用0.4*106个细胞，混以Matrigel，thrombin，Fibrinogen，一般在组织构建第3-5天，肉眼可见跳动的心肌微组织。组织培养至14天后，通过心肌细胞标志物α-actinin、cTNI，以及心肌成熟标志物N-Cadherin和RYR2免疫荧光染色，发现EPS分化的心肌细胞排列结构整齐，N-Cadherin细胞连接分布到两端,RYR2染色结构清晰(附图6)。同时，录制微组织收缩视频，用Image J插件Myociter v1.3分析两组收缩力大小。结果显示，EPSC分化心肌功能性收缩力明显高于hiPSC分化心肌(附图7)，具体表现为最大收缩幅度显著高于hiPSC-CM(附图7A)，而收缩频率更高(附图7B)；在促收缩剂ISO刺激下差异更明显。综合以上结果，我们认为EPSC分化心肌细胞的成熟度比hiPSC-CM更高。
实施例7
8周龄裸大鼠麻醉后开胸，向左室前壁区心肌肌肉层多点注射EPS-CM，逐层关胸待大鼠苏醒。大鼠饲养四周后取心脏病理检测，H&E染色可见心肌组织中大量EPSC-CM驻留和存活(附图8A)，进一步免疫荧光染色证实驻留细胞为人源心肌细胞且肌节结构完整(附图8B)。以上结果表明将EPS-CM进行细胞移植能够在心肌中有效存活，可应用于心肌疾病的细胞治疗。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.拓展的多潜能干细胞在制备心肌细胞中的应用。
2.如权利要求1所述的应用，其特征在于，所述应用包括：将拓展的多潜能干细胞诱导分化为心肌细胞。
3.如权利要求2所述的应用，其特征在于，所述诱导分化方法包括：通过小分子分阶段调控WNT信号通路，诱导EPS细胞分化为心肌细胞。
4.一种拓展性多能干细胞诱导分化为心肌细胞的方法，其特征在于，所述方法包括：通过小分子分阶段调控WNT信号通路，诱导EPS细胞分化为心肌细胞。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法包括：通过小分子分阶段调控WNT信号通路，诱导EPS细胞分化为心肌细胞，在小分子分阶段调控前，所述方法还包括将EPSC经mTeSRTM1和/或KnockOutTMDMEM/F-12+B27+FGF2+TGFβ快速过渡转化；
优选的，B27细胞培养添加剂中含有胰岛素；培养时间控制为1-4天；
进一步优选的，当拓展性多能干细胞汇合度达到50％以上时即可起始诱导分化形成心肌细胞，优选大于85％，更优选为95％以上。
6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述小分子分阶段调控，具体包括：先添加化学小分子CHIR99021，进行培养；再添加WNT信号通路抑制化学小分子IWR和IWP2，进行培养。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述CHIR99021的使用浓度控制为5-10μM，优选为7.5μM；使用IWR的浓度范围为2.5-7.5μM，优选为5μM；使用IWP2的浓度范围1-5μM，优选为2.5μM；
在小分子分阶段调控时期，使用的细胞培养基包括1640+B27；优选的，B27细胞培养添加剂中不含有胰岛素；
优选的，小分子分阶段调控时期培养时间控制为3-7天，优选为4-5天。
8.权利要求3-7任一项所述方法获得的心肌细胞。
9.权利要求3-7任一项所述方法和/或权利要求8所述心肌细胞在如下任意一种或多种中的应用：
a)制备心肌产品用于相关基础研究；
b)药物筛选及心脏相关疾病诊断；
c)心脏相关疾病治疗。
10.如权利要求9所述应用，其特征在于，
所述应用a)中，所述相关基础研究包括对心肌细胞结构功能、特性、信号通路以及电生理检测及研究；
所述应用b)中，包括药物安全评价和新药分子研发；
所述应用c)中，所述心脏相关疾病包括心梗；所述治疗方法包括细胞治疗。
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