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摘要

从人类多能干细胞 （hPSC） 中提取肠道神经系统 （ENS） 谱系为研究 ENS 发展和疾病以及用于再生医学提供了可扩展的细胞来源。在这里，提出了使用化学定义的培养条件从 hPSC 获得肠道神经元的详细 体外 方案。

摘要

人类肠道神经系统 （ENS） 是一个由神经胶质和神经元细胞类型组成的大型网络，具有显著的神经递质多样性。ENS 控制肠道蠕动、酶分泌和营养吸收，并与免疫系统和肠道微生物组相互作用。因此，ENS 的发育和获得性缺陷是导致许多人类疾病的原因，并可能导致帕金森病的症状。动物模型系统和对原代组织的访问的限制对人类 ENS 的研究构成了重大的实验挑战。在这里，提出了一个详细的方案，用于使用确定的培养条件从人多能干细胞 hPSC 中有效 体外衍生 ENS 谱系。我们的方案从 hPSC 在 15 天内定向分化为肠神经嵴细胞开始，并在 30 天内产生多种功能性肠道神经元亚型。该平台为发育研究、疾病建模、药物发现和再生应用提供了可扩展的资源。

引言

肠神经系统 （ENS） 是周围神经系统中最大的组成部分。ENS 包含超过 4 亿个神经元，这些神经元位于胃肠道内，几乎控制着肠道的所有功能1。对肠道神经病中 ENS 发育和功能及其缺陷的分子理解需要获得可靠和真实的肠道神经元来源。对人体原代组织的访问是有限的，动物模型无法概括许多肠道神经病中的关键疾病表型。事实证明，人类多能干细胞 （hPSC） 技术在提供所需细胞类型的无限来源方面非常有益，尤其是那些难以从主要来源中分离的细胞类型 2,3,4,5,6,7。在这里，我们提供了从 hPSC 获得 ENS 培养物的逐步和稳健的体外方法的详细信息。这些可扩展的 hPSC 衍生培养物为发育研究、疾病建模和高通量药物筛选开辟了途径，并且可以为再生医学提供可移植细胞。

肠道神经元谱系来源于胚胎发生过程中遵循 ENS 发育路径的神经嵴 （NC） 细胞。在胚胎中，NC 细胞沿着折叠神经板的边缘出现。它们增殖、迁移并产生许多不同的细胞类型，包括感觉神经元、雪旺细胞、黑色素细胞、颅面骨骼和肠道神经元以及神经胶质细胞 8,9,10。细胞命运的决定取决于 NC 细胞出现的前后轴的不同区域，即颅 NC、迷走神经 NC、躯干 NC 和骶部 NC。ENS 由迷走神经和骶部 NC 细胞发展而来，前者由于沿肠道长度的广泛迁移并定植于肠道，因此在肠道神经元群中占主导地位11。

从 PSC 衍生的 NC 细胞通常涉及双重 SMAD 抑制和 WNT 通路激活的组合12,13。直到最近，所有 NC 诱导方案都涉及培养条件下的血清和其他动物产品添加剂。化学上未定义的培养基不仅降低了 NC 诱导的可重复性，而且还挑战了机制发育研究。为了克服这些挑战，Barber 等人14 使用化学定义的培养条件开发了一种 NC 诱导方案，因此优于依赖血清替代因子（例如 KSR）的替代方法13,14。这是通过基础培养基更换和优化最初由 Fattahi 等人提出的从 hPSC 衍生肠道 NC 细胞的方案获得的。这种改进的系统是此处介绍的 hPSC 分化方案的基础。它首先通过在视黄酸 （RA） 之外精确调节 BMP、FGF、WNT 和 TGFβ 信号转导，在 15 天内诱导肠神经嵴 （ENC） 细胞。然后，我们通过用神经胶质细胞系衍生的神经营养因子 （GDNF） 处理细胞来获得 ENS 谱系。所有培养基成分均经过化学成分确定，可在 30-40 天内产生稳健的肠道神经元培养物。

除了此处描述的单层细胞培养系统外，还开发了使用自由浮动胚状体的替代 NC 诱导方法15,16。这些培养物中的迁移细胞已被证明表达 NC 标志物，其中亚群代表迷走神经 NC。与原代肠道组织共培养物已用于富集这些培养物中的肠道 NC 前体。这些研究中的培养基成分包含不同因素的组合，例如神经生长因子、NT3 和脑源性神经营养因子。在这个阶段，尚不完全清楚这些因素如何影响肠道神经元前体定型。为了有效比较单层和基于胚状体的培养物中的肠道 NC 诱导，需要更多数据。鉴于这些策略中的不同培养布局，应考虑每种方法的使用，并根据具体应用进行优化。

此处介绍的方案是可重复的，并且已由我们和其他人使用不同的 hPSC（诱导和胚胎）细胞系成功测试8,14,16。

研究方案

1. 培养基制备

注意：整个方案中提到的浓度是培养基成分的最终浓度。在无菌条件下在层流罩中准备所有培养基，并在 4 °C 下避光储存。2 周内用完。

  1. hPSC 维持培养基：将无饲养层的 hPSC 维持培养基补充剂 （20 μL/mL） 与其基础培养基混合。
  2. 培养基 A：将骨形态发生蛋白 4 （BMP4;1 ng/mL）、SB431542 （10 μM） 和 CHIR99021 （600 nM） 添加到分化基础培养基中。
  3. 培养基 B：向分化基础培养基中加入 SB431542 （10 μM） 和 CHIR99021 （1.5 μM）。
  4. 培养基 C：向分化基础培养基中加入 SB431542 （10 μM）、CHIR99021 （1.5 μM） 和 RA （1 μM）。
  5. 神经嵴完全 （NCC） 培养基：向神经基础培养基中加入 FGF2 （10 ng/mL）、CHIR99021 （3 μM）、N2 添加剂 （10 μL/mL）、B27 添加剂 （20 μL/mL）、L-谷氨酰胺添加剂 （10 μL/mL） 和 MEM NEAA （10 μL/mL）。
  6. ENC 培养基：向神经基础培养基中加入 GDNF （10 ng/mL）、抗坏血酸 （100 μM）、N2 添加剂 （10 μL/mL）、B27 添加剂 （20 μL/mL）、L-谷氨酰胺添加剂 （10 μL/mL） 和 MEM NEAA （10 μL/mL）。
  7. 乙二胺四乙酸 （EDTA） 1x：在 PBS 中稀释 500 mM EDTA （1000x） 至终浓度为 500 μM。
    注：除非另有说明，否则在整个方案中使用不含 Ca2+ 和 Mg2+ 的 PBS。

2. 培养板的包被

  1. 基底膜基质包被板：快速解冻，并使用 50 mL 血清移液管在 50 mL 冷冻 DMEM：F12 中稀释 500 μL 冷冻等分试样的基底膜基质。用稀释的基底膜基质溶液（每 cm2 孔表面积 100 μL）包被孔，并在 37 °C 下孵育过夜。 使用前吸出涂层介质。为防止基底膜基质糊化，请尽快执行此步骤并使用冷 DMEM：F12 溶解冷冻等分试样。
    注意：在解冻（冰上）和分装（冰上的试管）期间，基底膜基质温度应保持低温，以防止凝结。
  2. PO/FN/层粘连蛋白包被板：通过稀释 1000x 储备液，在 PBS 中制备 15 μg/mL 多鸟氨酸 （PO） 溶液。每 cm2 孔表面积用 100 μL PO/PBS 溶液包被孔，并将板在 37 °C 下孵育过夜。 第二天，吸出 PO/PBS，并以每 cm2 孔表面积 100 μL 的浓度包被孔，加入新鲜制备的含有 2 μg/mL 纤连蛋白 （FN） 和 2 μg/mL 层粘连蛋白的 FN/层粘连蛋白/PBS 溶液。在 37 °C 下孵育至少 2 小时后，可以使用板。 使用前吸出 FN/层粘连蛋白/PBS。

3. 维持 hPSC 培养

注：所有细胞孵育步骤均在 5% CO2 和 37 °C 的加湿培养箱中进行。

  1. 从 hPSC 培养物中吸出 hPSC 培养基，并每隔一天加入新鲜培养基（每 cm2 孔表面积 200 μL），直到菌落达到 ~80% 汇合。
  2. 传代时，吸出 hPSC 培养基，每 cm2 孔表面积用 100 μL PBS 洗涤细胞。
    注：使用不含 Ca2+ 和 Mg2+ 的 PBS 洗涤细胞非常重要。
  3. 添加 500 μM EDTA（每 cm2 孔表面积 100 μL）。装回板盖。通过倒置显微镜观察并监测细胞是否分离菌落边缘（2-4 分钟）。
  4. 使用 5 或 10 mL 血清移液器将相同体积的 hPSC 培养基转移到每个孔中，并通过上下吹打几次机械收获细胞。
    注：最佳 EDTA 孵育时间取决于 iPSC 细胞系。避免对分离的集落进行剧烈移液，因为这会导致过度的集落解离和细胞死亡。当传代以开始分化板时，将细胞与 EDTA 孵育 1-2 分钟以上。
  5. 将细胞悬液转移到 15 mL 锥形管中。旋转细胞（2 分钟，290 x g ，20-25 °C）并小心弃去上清液。
  6. 将细胞重悬于适当体积的 hPSC 培养基中，并转移到新的基底膜基质包被板的孔中。
    注：对于常规的 hPSC 维持，请使用 1：18 - 1：24 的传代比例（1：18 意味着将从 6 孔板的单个孔中解离的细胞的三分之一转移到全新的板中）。要开始分化板，请遵循 5：6 的传代比例。
  7. 在 5% CO2 和 37 °C 下孵育。

4. 神经嵴诱导

注意：此步骤如图 1A 所示。当细胞汇合度约为 80% 时开始 NC 分化。当细胞以 5：6 的比例传代时，这将在 1-2 天内实现（见上文）。从第 0 天开始用多能和完全未分化的 hPSC 细胞进行 NC 分化。为了提高效率，集落边界应具有最少的分化细胞。当集落较大时，传代和接种 hPSC 以进行分化，或者使用倒置显微镜监测时集落中心开始增厚/变暗。关注汇合度和形态往往比铺板细胞的数量更可靠，因为这可能根据细胞系的不同而变化，并且可能在每厘米 50,000-200,000 个2 之间变化。

  1. 在第 0 天，用含有 1 ng/mL BMP4、10 μM SB431542、600 nM CHIR99021（每 cm2 孔表面积 200 μL 培养基）的培养基 A 替换 hPSC 维持培养基。
  2. 第 2 天，细胞应 100% 汇合。轻轻吸出用过的培养基 A，并用含有 10 μM SB431542、1.5 μM CHIR99021（每 cm2 孔表面积 200 μL 培养基）的培养基 B 喂养细胞。
    注：随着 NC 诱导期间培养物的生长，细胞可能会从下面的单层分离。通过轻轻去除旧培养基并将新鲜培养基添加到孔的侧面，避免过多的细胞损失。
  3. 第 4 天，再次用培养基 B（每 cm2 孔表面积 200 μL 培养基）喂养细胞。
  4. 第 6 天，用含有 10 μM SB431542、1.5 μM CHIR99021 和 1 μM 视黄酸（每 cm2 孔表面积 400 μL 培养基）的培养基 C 替换培养基 B。
  5. 在第 8 天和第 10 天，按第 6 天饲喂。

5. ENC 球体形成

注意：此步骤如图 1B 所示。

  1. 第 12 天，轻轻吸出培养基 C，并用每 cm2 孔表面积 100 μL PBS 洗涤细胞。加入相同体积的细胞分离溶液，并在 5% CO2 和 37 °C 下孵育 30 分钟。
  2. 通过添加相同体积的 NCC 培养基来稀释细胞分离溶液，该培养基含有 10 ng/mL FGF2、3 μM CHIR99021、10 μL/mL N2 添加剂、20 μL/mL B27 添加剂、10 μL/mL L-谷氨酰胺添加剂和 10 μL/mL MEM NEAA。使用血清移液管收获单细胞悬液，并将其添加到 15 mL 锥形管中。
  3. 旋转细胞（2 分钟，290 x g ，20-25 °C）并小心弃去上清液。
  4. 使用 10 mL 血清移液管，加入 12 mL（用于完整的 6 孔板）NCC 培养基，并通过机械上下吹打 1-2 次来完全重悬细胞。将细胞悬液转移到超低贴壁板上。
    注：将大约 10 cm2 的 ENC 单层细胞重悬于 2 mL NCC 培养基中，并转移至超低吸附板的一个孔中。这相当于将完整的 6 孔 NC 诱导板转移到完整的 6 孔超低连接板中。
  5. 第 14 天，轻轻旋转板，直到小球体聚集在每个孔的中心。使用 P1000 微量移液器以慢速圆周运动，在每个孔的圆周上吸出用过的 NCC 培养基。尽量避免删除自由浮动的椭球体。
  6. 用原始体积的 NCC 培养基喂养细胞。

6. EN 感应

注意：此步骤如图 1B 所示。

  1. 在第 15 天，应用与第 14 天相同的技术，轻轻去除培养基并用 PBS 洗涤球体。尽可能多地去除 PBS，避免球状体。
  2. 加入细胞分离溶液（每 cm2 孔表面积 100 μL），并在 5% CO2 和 37 °C 下孵育 30 分钟，将球体解离成单细胞。
  3. 使用 10 mL 血清移液器，向每个孔中加入等体积的 ENC 培养基（含有 10 ng/mL GDNF、100 μM 抗坏血酸、10 μL/mL N2 补充剂、20 μL/mL B27 补充剂、10 μL/mL L-谷氨酰胺补充剂和 10 μL/mL MEM NEAA）到每个孔中，并通过 2-3 轮机械移液打破剩余的球体。将细胞转移至 50 mL 锥形管中。
    注：避免因强制移液或使用吸头开口较小的移液器而可能导致的过度剪切应力和细胞死亡。
  4. 旋转细胞（2 分钟，290 x g ，20-25 °C）并小心弃去上清液。使用 10 mL 血清移液管，加入 ~ 5-10 mL ENC 培养基，并通过上下吹打 1-2 次完全重悬细胞。
  5. 使用台盼蓝和细胞计数方法（如血细胞计数器）计数活细胞的浓度。
    注意：台盼蓝是一种可疑的致癌物。小心处理，妥善处理。
  6. 添加足够体积的 ENC 培养基，以每 cm2 表面积接种约 300,000-400,000 个活细胞，密度约为 ~ 1,000,000 个细胞/mL。从板的孔中吸出 FN/层粘连蛋白/PBS 溶液。
    注意：根据计划用于 EN 培养的测定选择板格式，因为此阶段标志着方案的最后重新接种步骤。肠道神经元祖细胞可以在第 15 天冷冻。用细胞分离溶液解离球体后，在 10% DMSO 或 Stem-cellbanker 等冷冻培养基中以大约 5 x 106 个细胞/mL 的比例重悬祖细胞。需要时，在含有 5 μM Y-27632 ROCK 抑制剂的温热 ENC 培养基中解冻。以所需的板格式对细胞进行板板处理。几个小时后，用新的 ENC 更换介质。
  7. 轻轻地将细胞加入 PO/FN/层粘连蛋白包被的孔中。避免气泡滞留在细胞悬液下，防止细胞附着在 PO/FN/层粘连蛋白包被上，尤其是在使用较小孔尺寸的板（如 384 孔板）时。这可能导致细胞死亡。
  8. 每隔一天用 ENC 培养基（每厘米 2 孔表面积 200 μL）喂养细胞，直到第 30-40 天，之后减少喂食频率（至每周一次或两次）但将喂食量加倍（至每 cm2 孔表面积 400 μL 培养基）。
    注意：这很重要，因为过量的去除和添加培养基会促进神经元培养物从孔表面分离。为了前瞻性地防止脱离，特别是对于长期培养，每周一次用 FN （2 μg/mL） 和 laminin （2 μg/mL） 补充 ENC。

结果

该方案提供了一种使用化学定义的培养条件从 hPSC 获得肠神经嵴和肠神经元的方法（图 1A-B）。产生高质量的神经元取决于有效的肠道神经嵴诱导步骤。这可以通过检查自由浮动球体的形态来目视评估，这些球体应该看起来是圆形的，表面光滑，尺寸约为 0.1 - 0.4 毫米，如图 1C 所示。这些球体还应表达神经嵴标志物 SRY-Box 转录因子 10 （SOX10...

讨论

此处描述的分化方案提供了一种强大的体外方法，可在 30-40 天内从 hPSC 获得肠道神经元（图 1E）和在较老的培养物中表达神经胶质纤维酸性蛋白、GFAP 和 SOX10 的肠胶质细胞（>第 55 天）13、14、19、22。这些神经元和神经胶质细胞是通过 hPSC 逐步分化为迷走神经和肠神经嵴?...

披露声明

作者没有什么可披露的。

致谢

这项工作得到了 UCSF 突破性生物医学研究和桑德勒基金会的资助，March of Dimes 资助号 1-FY18-394 和 1DP2NS116769-01，NIH 主任新创新者奖 （DP2NS116769） 给 F.F. 和国家糖尿病、消化和肾脏疾病研究所 （R01DK121169） 给 F.F.，HM 得到了 Larry L. Hillblom 基金会博士后奖学金的支持， NIH T32-DK007418 奖学金和 UCSF 突破性生物医学研究计划独立博士后奖学金。

材料

NameCompanyCatalog NumberComments
Ascorbic acidSigma-AldrichA5960
B27 supplement (serum free, minus vitamin A)Gibco12587-010
Basement membrane matrix, GeltrexGibcoA14133-2
BMP4R&D systems314-BP
Cell culture centrifugeEppendorf, model no. 5810R02262501
Cell detachment solution, AccutaseStemcell Technologies07920
CHIR99021Tocris4423
Conical tubesUSA scientific1475-0511, 1500-1211
Differentiation base medium, Essential 6Life TechnologiesA1516401
DMEM/F-12 no glutamineLife Technologies21331020
EDTACorningMT-46034CI
Feeder-free hPSC maintenance medium, Essential 8 Flex Medium KitLife TechnologiesA2858501
FGF2R&D systems233-FB/CF
FibronectinCorning356008
GDNFPeprotech450-10
HemocytometerHausser Scientific1475
Human pluripotent stem cells, H9 ESCWiCellRRID: CVCL_1240
Incubator with controlled humidity, temperature and CO2Thermo Fisher ScientificHerralcell 150i
Inverted microscopeThermo Fisher ScientificEVOS FL
Laminar flow hoodThermo Fisher Scientific1300 series class II, type A2
LamininCultrex3400-010
L-glutamine supplement, GlutagroCorning25-015-CI
MEM NEAAsCorning25-025-CI
Multiwell plates, FalconBD353934, 353075
N-2 SupplementCTSA1370701
Neurobasal MediumLife Technologies21103049
PBS (Ca and Mg free)Life Technologies10010023
Pipette fillerEppendorfZ768715-1EA
Pipette tipsUSA scientific1111-2830
PipettesFisherbrand13-678-11E, 13-678-11F
POSigma-AldrichP3655
polymer coverslip bottom imaging plates, ibidiibidi81156
RASigma-AldrichR2625
SB431542R&D systems1614
Trypan blue stain, 0.4%Thermo Fisher Scientific15250-061
Ultra-low attachment platesFisher Scientific07-200-601
Y-27632 dihydrochlorideR&D systems1254

参考文献

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