发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种人多能干细胞向多谱系大肠类器官定向分化的方法,以解决上述问题。
为达到上述目的,本发明的技术方案实现方式如下:
一种人多能干细胞向多谱系大肠类器官定向分化的方法,该方法包括如下步骤:
S1、待hPSC汇合度达30-40%,诱导hPSC分化定形内胚层;
S2、诱导定形内胚层分化为后肠管衍生物,且得到的后肠管衍生物为高表达CDX2的2D细胞层;
S3、将得到的后肠管衍生物机械破碎后,诱导后肠管衍生物分化为多谱系大肠类器官。
进一步,S1中诱导培养基包括培养基A和培养基B,培养基A包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhGDF8、GSK-3抑制剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的RPMI-1640;
培养基B包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhGDF8,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的RPMI-1640。
进一步,培养基A中添加组分的含量为100ng/ml的rhGDF8、4μM的CHIR99021,CHIR99021为GSK-3抑制剂;培养基B中添加组分的含量为100 ng/ml的rhGDF8,且在培养基A和培养基B中均分化1天。
进一步,S2中诱导培养基包括培养基C和培养基D,培养基C包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhFGF4、WNT激活剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的Ad-F12;
培养基D包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:BMP激活剂、rhEGF、 GSK-3抑制剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的Ad-F12。
进一步,培养基C中添加组分的含量为500ng/ml的rhFGF4、250ng/ml的rhWnt3a,rhWnt3a为WNT激活剂;培养基D中添加组分的含量为200 nM的SJ000291942、100ng/ml的rhEGF、3μM的CHIR99021,CHIR99021为GSK-3抑制剂,SJ000291942为BMP激活剂,且在培养基C和培养基D中均分化3天。
进一步,S3中诱导培养基包括培养基E,培养基E包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhEGF、 BMP I型受体抑制剂、 GSK-3抑制剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的Ad-F12。
进一步,培养基E中添加组分的含量为100ng/ml的rhEGF、500nM的LDN193189、3μM的CHIR99021,LDN193189为BMP I型受体抑制剂,CHIR99021为GSK-3抑制剂,且在培养基E中分化30天。
进一步,机械破碎包括一级机械破碎与二级机械破碎;
一级破碎方法为:使用移液器吸头横纵向刮碎衍生物,并将其转移至无菌EP管中,形成悬液;
二级破碎方法为:使用注射器缓慢吹吸悬液3次,期间镜检,使其破碎为50-100μm的细胞团块;此后,使用Cultrex-Type2基质胶进行3D包被。
本发明还提供了一种用于人多能干细胞向多谱系大肠类器官定向分化的试剂盒,包括培养基A、培养基B、培养基C、培养基D和培养基E;
培养基A包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhGDF8、 GSK-3抑制剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的RPMI-1640;
培养基B包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhGDF8,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的RPMI-1640;
培养基C包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhFGF4、WNT激活剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的Ad-F12;
培养基D包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:BMP激活剂、rhEGF、 GSK-3抑制剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的Ad-F12;
培养基E包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:rhEGF、BMP I型受体抑制剂、GSK-3抑制剂,基础培养基为含有体积占比2%的SM1型神经营养添加剂的Ad-F12。
本发明还提供了一种如上述所述的试剂盒在诱导人多能干细胞向多谱系大肠类器官定向分化上的应用。
相对于现有技术,本发明所述的人多能干细胞向多谱系大肠类器官定向分化的方法具有以下优势:
在本发明方法提供了一种不依赖血清的多谱系大肠类器官体外定向分化方法,无血清诱导分化体系,成分明确可控,受批次间差异影响小,被病原微生物污染的风险低;另外,本方法可提高诱导分化效率约15倍,可极显著地地降低成本、提高产能,继而推进多谱系大肠类器官在生物医学领域的大范围研究与应用。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
定形内胚层:指胚胎发育早期肝脏、小肠、大肠等内脏器官主要组成细胞的原始发育位点。
后肠管衍生物(或肠管前部衍生物):肠管(gut tube)指胚胎发育早期由定形内胚层发育而来的条形组织。体内研究表明,其前端与后端由不同的祖细胞构成,分别可发育为不同的脏器;其中,结肠发育自肠管靠近后端的祖细胞群,发育学上称为后肠管或肠管后部。
多谱系大肠(结肠)类器官:指具备生理相关细胞类型的大肠(结肠)类器官。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例中用到的相关试剂示于表1和表2,引物序列示于表3,使用的相关抗体示于表4。
分化前,从细胞形态学与多能性标志物阳性率检验hPSC的高质量,以确认后续分化的成功率与高效率。待hPSC汇合度达30-40%,可启动分化。
如图1所示,a为hPSC明场图,b-d为免疫荧光鉴定结果,图1中a图中可以看出这些细胞形态圆润、连接紧实,整体呈克隆状,具备典型多能干细胞形态学特征;图1免疫荧光结果中,b图是将OCT4与SSEA4染色结果堆叠,以判断双阳性率;c图DAPI染色结果,用以表征细胞核;d图是OCT4+SSEA4+DAPI的染色堆叠,用以判断正确表达模式下的双阳性率(由于OCT4与SSEA4均定位于细胞核;因此双阳性的判断除二者的堆叠,还要看是否在细胞核上,即三者堆叠)。通过图1可以表明hPSC具备良好的分化潜能。
从图1可知,SSEA4与OCT4双阳性率≥95%;表明大部分具备向三胚层分化的潜能。
具体分化方法包括如下步骤:
S1:诱导hPSC分化定形内胚层(Day 1-2)
待hPSC汇合度达30%,如图2中的b图,依次加入2种分化培养基中进行诱导分化:
Day 1:将人多能干细胞在培养基A中培养1天,培养基A包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:100ng/ml的rhGDF8、4μM的CHIR99021,基础培养基为含有体积占比2%的SM1的RPMI-1640;
Day2:之后将上述细胞转移至培养基B中继续培养1天,培养基B包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:100 ng/ml的rhGDF8,基础培养基为含有体积占比2% 的SM1的RPMI-1640。
S2:诱导定形内胚层分化为后肠管衍生物(Day 3-8)
Day3-5:将S1分化成功的细胞继续在培养基C中培养3天,培养基C包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:500ng/ml的rhFGF4、250ng/ml的rhWnt3a,基础培养基为含有体积占比2% 的SM1的Ad-F12;
Day6-8:之后导入培养基D中继续培养3天,培养基D包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:200nM的SJ000291942、100ng/ml的rhEGF、3μM的CHIR99021,基础培养基为含有体积占比2% 的SM1的Ad-F12;
在培养期间,每24h更换新的分化培养基。
培养结束后,对获得的衍生物进行一级与二级机械破碎。
一级破碎方法为:使用1ml移液器吸头横纵向刮碎衍生物;并将其转移至5ml无菌EP管中,形成悬液;
二级破碎方法为:使用27G注射器缓慢吹吸悬液3次,期间镜检,使其破碎为50-100μm的细胞团块;此后,使用Cultrex(Type2)基质胶进行3D包被,并加入S3分化培养基。
S3:诱导后肠管衍生物为多谱系大肠类器官(Day 9-38)
Day 9-38:将破碎后的衍生物放入培养基E中继续培养30天,培养基E包括基础培养基及添加组分,添加组分包括:100ng/ml的rhEGF、500nM的LDN193189、3μM的CHIR99021,基础培养基为含有体积占比2% 的SM1的Ad-F12;
在此期间,每72h更换新的分化培养基,每10-12天可进行传代;截至Day38,衍生完成谱系特化,形成多谱系大肠(结肠)类器官。
对比例:
与经典方案JO Múnera等人研发的方法(Múnera J O, Sundaram N, Rankin S A,et al. Differentiation of human pluripotent stem cells into colonic organoidsvia transient activation of BMP signaling[J]. Cell stem cell, 2017, 21(1):51-64. e6;Daoud A, Munera J O. Generation of human colonic organoids fromhuman pluripotent stem cells[J]. Methods in Cell Biology, 2020, 159: 201-227)作为对比例进行比较,可提高分化效率约500%,以下简称JO Múnera等人的方法为JOM方法。
具体方案为:
待hPSC汇合度达90%,如图2中的a图,加入分化培养基中进行诱导分化:
S1:分化内胚层(Day 1-3)
在含有100ng rhAct A的1640培养基中诱导分化3天;期间分别添加体积占比0%FBS、0.2%FBS、2%FBS。
S2:(Day 4-8)
培养基为:500ng/ml rhFGF4 + 3μM CHIR99021 in 2%(体积占比)FBS/1640
Day 8收集上层3D球状结构,以Matrigel进行3D包被后,使用S3阶段培养基继续诱导分化;
S3:(Day 8-38)
Day 8-11:
培养基为:100ng/ml EGF+100ng/ml BMP2 in 2%(体积占比)B27/1%(体积占比)N2/Ad-F12
Day 12-38:
培养基为:100ng/ml EGF in 2%(体积占比)B27/1%(体积占比)N2/Ad-F12。
结果分析:
1、分化阶段S1后,即JOM方法的Day3与本发明的Day2,如图3的a图和c图所示,JOM方法形成的细胞呈现较强异质性,残留大量未分化的细胞,其仍保留着hPSC的典型形态(箭头)。相比之下,如图3的b图和d图所示,本发明方法形成的细胞整体匀质,其具备扁平的鹅卵石或花瓣状形态表型,符合人胚胎发育过程中定型内胚层的典型特点(Yiangou L, RossADB, Goh KJ, et al. Human pluripotent stem cell-derived endoderm for modelingdevelopment and clinical applications[J]. Cell Stem Cell, 2018, 22(4): 485-499.)。
同样以Day0 hPSC的表达水平为基准,图4 Q-PCR检测结果表明:本发明方法产生的细胞,其定形内胚层标志物FOXA2与SOX17表达水平显著更高。
2、分化阶段S2后,JOM方法产生的衍生物包括2D细胞层与3D球状结构,如图5所示;与之相比,本发明方法仅产生2D细胞层。
胚胎发育过程中,内胚层在E9.5天(受精后第9.5天)形成肠管结构,其前段部分以SOX2highCDX2low为特异性分子表征;随后分别发育为肺、肝、胆、胰等器官;而其中后段部分以CDX2highCDXlow为特异性分子表征;可发育为小肠、大肠等器官。由此,我们通过CDX2这一关键表征分子,用以判断此分化阶段的衍生物是否具备向大肠分化的潜力。
图5免疫荧光结果表明,如同该研究组先前的报导(Spence J R , Mayhew C N ,Rankin S A , et al. Directed differentiation of human pluripotent stem cellsinto intestinal tissue in vitro[J]. Nature, 2011, 470(7332):105-109;McCrackenK W , Howell J C , Wells J M , et al. Generating human intestinal tissue frompluripotent stem cells in vitro[J]. Nature Protocols, 2011, 6(12):1920-1928),JOM方法中,上层的3D球状结构为CDX2全阳性,故适合继续向大肠分化;而对于下层的2D细胞,其CDX2阳性率较低,远不及本方法。图6全样本水平的流式细胞术分析则进一步确认了该结果,JOM方法中2D细胞CDX2阳性率60.5%±8.0%,而本发明方法得到的2D细胞CDX2阳性率93.8%±9.4%。不同于JOM方法仅取上层球状结构继续分化,本方法基于CDX2的整体高阳性率,将衍生物全部机械破碎,成为细胞团;如图7,整体3D包被后,全部向大肠类器官分化,此时本发明方法与JOM方法的数量比为18:1(1672±377与92±38)(图8)。
3、至分化阶段S3结束(Day38),本方法与JOM方法形成的大肠类器官数量比约为15:1(6369±665与413±62)(图9)。
本方法产生的Day38类器官表达多种大肠特异性标志物,如图10所示,包括SATB2(特殊富含AT序列结合蛋白2,大肠上皮细胞特异性标志物)、CA2(碳酸酐酶2,大肠上皮细胞特异性标志物)、CA4(碳酸酐酶4,大肠上皮细胞特异性标志物)、LY6A(淋巴细胞抗原6A,大肠上皮干细胞细胞特异性标志物)、MUC5B(黏蛋白5B,结肠特有杯状细胞标志物)、HOXA7(同源盒基因A7,大肠上皮细胞特异性标志物)等。
Day38类器官结构致密,呈现多重弯曲的上皮样结构(图11-a);免疫染色后,使用激光共聚焦成像的结果表明:类器官维持了CDX2(中后肠管及其衍生物标志物)的表达,高表达SATB2+大肠上皮关键标志物(图11-c),具备VIL1+纤毛结构(图11-d),且包含MUC2+杯状细胞(图11-e)以及CHGA+神经内分泌细胞(图11-f)。这些结果表明:该类器官具备多种大肠生理相关的细胞类型,证实了多谱系大肠类器官的形成。
综上,在实现多谱系大肠类器官体外诱导分化的前提下,本方法提高了诱导分化效率约15倍,极显著地降低了成本、提高了产能;此外,本发明方法采用了无血清诱导分化体系,成分明确可控,受批次间差异影响小;因此体系稳定,可重复性好。尤其适合大范围的研究与应用。
表1 试剂列表
试剂耗材名称 |
公司(货号) |
mTeSR Plus |
STEMCELL (100-0276) |
Y-27632 |
TOCRIS (TB1254) |
RPMI 1640 |
Sigma (R8758) |
Ad-F12 |
Gibco (12634010) |
Cultrex Reduced Growth Factor Basement Membrane Extract, Type 2, Pathclear |
R&D (3533-010-02) |
rhGDF8 |
R&D (788-G8) |
rhWnt3a |
R&D (5036-WN) |
rhFGF4 |
R&D (235-F4) |
rhEGF |
R&D (236-GMP) |
CHIR99021 |
TOCRIS (TB4423) |
LDN193189 |
TOCRIS (TB6053) |
SJ000291942 |
Sigma (SJ000291942) |
SM1 |
STEMCELL (05711) |
DAPI |
MCE (HY-D0814) |
Trizol |
Invitrogen (15596018) |
Evo M-MLV RT Kit with gDNA Clean for qPCR |
AG (AG11705) |
SYBR® Green Premix Pro Taq HS qPCR Kit (Rox Plus) |
AG (AG11718) |
Normal Donkey Serum |
Jacksonlab (017-000-121) |
hPSC |
Wisconsin Cell Research Institute (ES01) |
表2 试剂对应名称
Y-27632 |
ROCK抑制剂 |
Ad-F12 |
改良型DMEM/F12基础培养基 |
rhGDF8 |
重组人肌肉抑制素8 |
rhFGF4 |
重组人成纤维细胞生长因子4 |
rhEGF |
重组人上皮生长因子 |
SM1 |
SM1型神经营养添加剂 |
CHIR99021 |
GSK-3抑制剂 |
SJ000291942 |
BMP激活剂 |
LDN193189 |
BMP I型受体抑制剂 |
表3 引物列表
基因 |
引物(5’→3’) |
|
<i>GAPDH</i> |
Forward: ACATCGCTCAGACACCATG |
Seq ID No:1 |
<i></i> |
Reverse: TGTAGTTGAGGTCAATGAAGGG |
Seq ID No:2 |
<i>FOXA2</i> |
Forward: ACTCGCTCTCCTTCAACGAC |
Seq ID No:3 |
<i></i> |
Reverse: CCCGAGTTGAGCCTGTGAGG |
Seq ID No:4 |
<i>SOX17</i> |
Forward: TTCGTGTGCAAGCCTGAGAT |
Seq ID No:5 |
<i></i> |
Reverse: TAATATACCGCGGAGCTGGC |
Seq ID No:6 |
<i>SATB2</i> |
Forward: GCCTCCCCCAGTGAAGGT |
Seq ID No:7 |
<i></i> |
Reverse: CTCGGCGTGTTCTTCTCTGT |
Seq ID No:8 |
<i>CA2</i> |
Forward: AGGAAGTCGGTGAAGAACGG |
Seq ID No:9 |
|
Reverse: AAGTCGATAGGGGGCTGTCT |
Seq ID No:10 |
<i>CA4</i> |
Forward: CATCGGCCAGTGCAGAGTC |
Seq ID No:11 |
<i></i> |
Reverse: TTGTCCACCTTTGCCTTGGT |
Seq ID No:12 |
<i>MUC5B</i> |
Forward: GGCTGTTTCAGCACACACTG |
Seq ID No:13 |
<i></i> |
Reverse: TGCCTTCAAAGCTGTAGCGA |
Seq ID No:14 |
<i>LY6A</i> |
Forward: CAGCCTGAGCAAGACCTGTT |
Seq ID No:15 |
<i></i> |
Reverse: CATCGGCCGCACTGAAATTG |
Seq ID No:16 |
<i>HOXA7</i> |
Forward: TGAGGCCAATTTCCGCATCT |
Seq ID No:17 |
|
Reverse: TCGGACCTTCGTCCTTATGC |
Seq ID No:18 |
表4 抗体列表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
序列表
<110> 天九再生医学(天津)科技有限公司
<120> 人多能干细胞向多谱系大肠类器官定向分化的方法
<130> 2022.1.17
<160> 18
<170> SIPOSequenceListing 1.0
<210> 1
<211> 19
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 1
acatcgctca gacaccatg 19
<210> 2
<211> 22
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 2
tgtagttgag gtcaatgaag gg 22
<210> 3
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 3
actcgctctc cttcaacgac 20
<210> 4
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 4
cccgagttga gcctgtgagg 20
<210> 5
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 5
ttcgtgtgca agcctgagat 20
<210> 6
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 6
taatataccg cggagctggc 20
<210> 7
<211> 18
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 7
gcctccccca gtgaaggt 18
<210> 8
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 8
ctcggcgtgt tcttctctgt 20
<210> 9
<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 9
aggaagtcgg tgaagaacgg 20
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<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
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aagtcgatag ggggctgtct 20
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<213> 人工合成(Artificial Sequence)
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<213> 人工合成(Artificial Sequence)
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<212> DNA
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ggctgtttca gcacacactg 20
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<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 17
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<211> 20
<212> DNA
<213> 人工合成(Artificial Sequence)
<400> 18
tcggaccttc gtccttatgc 20