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Method Article
必须对人类肠道类器官进行神经支配,才能更好地概括天然人类肠道的结构和功能。在这里,我们提出了一种将肠道神经系统整合到这些结构中的方法。
肠道细胞结构和功能的复杂性对生物工程小肠的创建构成了重大挑战。以前已经报道了产生类似于人类小肠的人肠道类器官 (HIO) 的技术。HIO 包含上皮细胞和间充质,但缺乏功能性肠道的其他关键成分,例如肠道神经系统 (ENS)、免疫细胞、脉管系统和微生物组。两个独立的研究小组发表了用 ENS 支配 HIO 的不同方法。在这里,我们讨论了一种将 ENS 整合到 HIO 衍生的生物工程小肠中的独特方法,该方法利用这些先前报道的组成部分来优化祖细胞身份和发育时间。
人多能干细胞 (hPSC) 根据已发布的方案,通过分化标志物的时间调节,在几天内分化为独立产生 HIO 和肠神经嵴细胞 (ENCC)。一旦 HIO 达到后肠中球体阶段(大约第 8 天),第 15-21 天 ENCC 球体被解离,与 HIO 共培养,并悬浮在清晰的三维 (3D) 基底膜基质液滴中。在移植到>9周龄免疫缺陷小鼠中之前,将HIO + ENCC共培养物 在体外 维持28-40天,以进一步发育和成熟。带有 ENS 的移植 HIO (tHIO) 可以在 4-20 周后收获。该方法通过利用 hPSC 产生的 ENCC 并在发育的早期阶段将它们与 HIO 共培养,以最大限度地暴露于可能有助于形成更成熟肠道形态的早期发育线索,从而整合了两种先前发表的技术的元素。
人体小肠是一个复杂的多层器官,执行许多基本功能,如消化、营养吸收、液体调节、免疫屏障功能和运动。许多临床疾病,如短肠综合征、肠病或动力障碍,其特征是肠道质量严重减少或正常生理机能中断,导致严重的发病率和死亡率 1,2,3,4。目前的治疗方案通常包括手术切除功能失调的肠道,代价是肠道长度减少,从而减少剩余肠道的功能容量5。需要本质上是附加性的再生疗法,以当前治疗范式无法实现的方式增加功能性肠道容量并恢复肠道功能。
生物工程小肠是应对这些挑战的一种很有前途的解决方案。源自人多能干细胞 (hPSC) 的人肠道类器官 (HIO) 是生物工程小肠的一种起始材料。2011 年,Spence 等人首次报道了从 hPSC 细胞系成功制备现代 HIO,包括 H1 和 H9 人胚胎干细胞 (hESC) 和多个人诱导多能干细胞 (hiPSC) 细胞系 6,7。他们的方案包括一系列精心定时的与特定生长因子的孵育,以模拟人类胎儿的肠道发育。激活素 A 是一种 TGFβ 信号分子,驱动 hPSC 分化向内胚层命运,然后用 Wnt/FGF 定向后向模式分化。在这些条件下,hPSC 自组织形成含有极化上皮和间充质的肠道球体。基底膜基质中的 3D 培养允许额外发育,从而产生具有内部腔的类器官、上皮绒毛状卷化和隐窝样结构内的自再生祖细胞生态位。
虽然使用这个 2011 年的原始方案生成的 HIO 在结构上类似于天然肠道,但它们缺乏产生肠道神经系统 (ENS) 神经元或神经胶质细胞的能力。2017 年,两篇主要论文描述了相似但不同的支配 HIO 的方法。ENS 祖细胞(肠神经嵴细胞,ENCCs)可来源于 hPSC。在培养中,ENCCs 形成 3D 神经球,在适当的条件下可以分化为肠道神经元和神经胶质细胞。Workman 和 Mahe 等人修改了从 hPSC 获得 ENCC 的现有方案,并用富含 FGF 的培养基处理它们,然后用视黄酸处理它们 2 天,用于后切和促进迷走神经命运 8,9。第 6 天神经球再孵育 4 天无 RA,然后在酶分离后收集迁移的细胞。大约 20,000-50,000 个 ENCCs 与早期中后肠球体聚集,这些 ENCC 种子的肠球体在透明的 3D 基底膜基质中体外生长 28 天,直到体内植入免疫缺陷小鼠的肾包膜 6-10 周。所得的 HIO + ENS 表现出上皮和间充质成分以及类似于神经节的神经胶质细胞结构的显着成熟,尽管细胞体密度低于天然肠道,缺乏某些临床相关的神经元亚型(即移植后 HIO + ENS 中的 CHAT 阳性神经元)和整体胎儿样特征。
同年,Schlieve 等人发表了一种替代方法,该方法涉及 40-60 个完整的第 15 天 ENCC 神经球与更成熟的 HIO 的混合物,在 体内移植到 免疫缺陷小鼠的网膜中 3 个月,无需事先 体外 共培养10。他们的构建体称为 ENCC-HIO-TESI(组织工程小肠),似乎包含比 Workman 和 Mahe 的 HIO + ENS 更成熟的 ENS 表型,具有更大的神经元亚型多样性和神经上皮突触连接,在 HIO + ENS 中看不到。重要的是,Schlieve 实验中使用的 ENCCs 是通过不同的方法得出的,如前所述 Fattahi 等人 11。简而言之,hPSC (hESCs 和 hiPSCs) 在富含 FGF2 的培养基中经历了神经嵴诱导。这些细胞也用 RA 处理以建立肠道迷走神经命运,但持续 5 天 (第 6-11 天),比 Workman 和 Mahe 的 2 天 (第 4-5 天) 有所增加。2019 年,Barber 等人发布了 Fattahi 方案的修订版,包括对培养条件的更详尽描述和向确定的基础培养基的过渡,以减少不一致并反映当时不断变化的细胞培养偏好12。
我们支配 HIO 的方法,如下所述,结合了 Workman/Mahe 和 Schlieve 方案的元素。虽然 Schlieve 的 ENCC-HIO-TESI 中的 ENS 看起来更成熟,神经元多样性和神经胶质细胞整合程度更高,但两种方法都成功地将功能性 ENS 整合到 HIO 中,并证明了胃肠道转录表达的变化。Workman 和 Mahe 的 HIO + ENS 诱导了与肠道干细胞和上皮细胞发育相关的几个基因的表达增加,这些基因在 ENCC-HIO-TESI 中没有改变。对这些差异的一种可能解释是 ENCC 和 HIO 在协议之间组合的不同时间点。我们的实验室观察到,早期共培养导致参与上皮和间充质分化的多个基因的表达增加,并且共培养的时间会影响上皮细胞多样性(未发表的数据)。ENS 前体早期暴露于发育中的 HIO( 反之亦然 )可能为尚未定义的信号转导串扰提供了时间,从而促进了上皮多样性和其他早期发育过程。
人胚胎干细胞 (hESC) 系 H9 来源于 WiCell(威斯康星州麦迪逊),所有涉及 hESC 的实验均已获得 UTHealth 休斯顿干细胞研究监督 (SCRO) 委员会(协议 #SCRO-23-01)的批准。对于该协议,所有对涂层板或孔的引用均指用 hESC 合格的 3D 基底膜基质制备的板或孔。
1. 细胞培养制备
注:我们的实验室使用 H9 hESC,但其他实验室已成功使用多个 hPSC 系来生成 HIO 和 ENCC,包括 H9 hESC 9,10,12、H1 hESCs9、hESC 系 UCSF412 和多个 hiPSC 系,如 WTC1112、WTC11 AAVS1-CAG-GCaMP6f9、WTC10 9,10、WTC10 PHOX2B het (+/Y14X)9 和 WTC10 PHOX2B 无效 (Y14X/Y14X)9。
2. ENCC 生成
注意:我们的 ENCC 生成方法与 Fattahi 实验室描述的和 Schlieve 等人使用的方法非常相似10。我们通过 Barber 等人 10,12 中的“肠神经嵴 (ENC) 诱导(第 0-12 天)”和“ENCC 球体形成(第 12-15 天)”部分使用方案选项 B 的略微修改版本。
3. HIO 生成(中后肠球体期)
注意:我们的 HIO 生成方法与 McCracken 等人以及 Spence 和 Wells 实验室的其他人详细描述的原始方案基本相同 6,7。该过程分为两个阶段:确定性内胚层 (DE) 诱导和中后肠球体形成。
4. 中后肠球体与 ENCC 的共培养
注意: 图 1 提供了本节的图形摘要。
ENS 调节成熟小肠的基本功能,包括蠕动、营养吸收、液体运输和上皮屏障维持。因此,支配 HIO 的目标是为这些结构提供开发更成熟、更高级别功能所需的元素。为此,我们实验室专门研究了 HIO 中 ENS 的发展以及不同阶段的功能结果。
监测细胞生长、分化和形态发生随时间的变化非常重要,以确保在进入下一阶段之前每个步骤都按预期进行。ENCC 分?...
自 2010 年代初以来,HIO 一直被用作人类肠道发育的模型系统,并且从那时起变得越来越复杂。现在可以为这些结构提供 ENS,从而为正常发育的研究提供新的机会,这些机会可能应用于理解和更好地治疗许多临床胃肠道实体。
体内 移植
ENCCs 整合到中后肠球体中,并在体外共培养阶段形成 ENS。然而,包括我们?...
作者没有任何需要披露的利益冲突。
感谢我们的许多合作者和导师,包括 Noah Shroyer、Michael Helmrath、James Wells 和 Faranak Fattahi,他们允许我们参观他们的实验室,并在这些年里帮助我们完善了我们的实验方案。我们也要感谢辛辛那提儿童医院医疗中心的多能干细胞设施和干细胞与类器官医学中心(CuSTOM)的Chris Mayhew和Amy Pitstick为我们的实验室提供了HIO培训、指导和建议。这项研究由德克萨斯医学中心消化疾病中心试点/可行性资助奖(部分由 NIH/NIDDK P30DK056338资助) (Speer)、NIDDK (NIH 1K08DK131326-01A1) (Speer)、杰出人士奖 (Speer) 和美国神经胃肠病学和动力学会 (ANMS) 过渡奖 (Speer)。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
100x Non-Essential Amino Acids Solution (NEAA) | ThermoFischer Scientific | 11140050 | |
15 mL conical tubes | Thermo Scientific | 12565269 | |
Accutase | STEMCELL Technologies | 07920 | "enzymatic cell detachment reagent" |
B-27 Supplement (50x), minus vitamin A | ThermoFischer Scientific | 12587010 | For ENCC |
B-27 Supplement (50x), serum free | Gibco | 17504044 | For HIO |
Bright-Line Hemacytometer | Hausser Scientific | 3120 | |
Corning Costar Ultra-Low Attachment Microplates | Fisher Scientific | 07-200-601 | |
Corning Flat-Bottom Plate 24-well, TC treated | VWR | 29442-044 | |
Corning Flat-Bottom Plate 3516 6 well | VWR | 29442-042 | |
Essential 6 Media | Thermo Fischer | A1516401 | |
Essential 8 Media | Thermo Fischer | A2858501 | Alternative stem cell media, used for ENCC plates. |
Fine-tip forceps | Dumont | 11223-20 | |
Forma Steri-Cycle i160 | Thermo Scientific | 50145522 | |
Gibco Advanced DMEM/F12 | ThermoFischer Scientific | 12634-010 | |
Gibco HEPES 1 M | ThermoFischer Scientific | 15630-080 | |
Gibco Neurobasal Medium | ThermoFischer Scientific | 21103-049 | |
Glutagro, 200 mM, 100x | Corning | 25-015-CI | |
Glutamax | ThermoFischer Scientific | 35050061 | |
H9 human ESC | Wicell International Stem Cell Bank | N/A | |
HyCloneTM FBS Defined | VWR | 16777-002 | |
LabGard Biological Safety Cabinet | Nuaire | Nu-430-400 | |
Matrigel GFR Basement Membrane Matrix, Phenol Red-Free, LDEV-Free | Corning | 356231 | "Clear 3D basement membrane matrix" |
Matrigel hESC-Qualified Matrix, LDEV-Free | Corning | 354277 | "3D basement membrane matrix" |
Micropipettes | Eppendorf (100-1000, 20-200, 10-100, 2-20, 0.5-10, 0.1-2.5 uL) | 2231300008 | |
mTeSR 1 | STEMCELL Technologies | 85850 | "stem cell media" Catalog number includes the 5x supplement, to be added in bulk in advance. |
N-2 Supplement (100x) | Gibco | 17502048 | For HIO |
N-2 Supplement, CTS (Cell Therapy Systems) | Thermo Fisher | A1370701 | For ENCC. Slightly different formulation. |
Nikon DS-Fi2 TS-100 microscope | Nikon | TS100 | |
Noggin-conditioned media | Texas Medical Center Digestive Disease Center GEMS Core, Enteroid/Organoid Sub-core | N/A | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | ThermoFischer Scientific | 15140-122 | |
Recombinant Human Activin A | Cell Guidance Systems | GFH6-100 | |
Recombinant Human BMP-4 | Fisher Scientific | 314BP010 | |
Recombinant Human EGF Protein, CF | ThermoFisher Scientific | 236-EG-200 | |
Recombinant Human FGF basic/FGF2 (146 aa) Protein | ThermoFischer Scientific | 233-FB-010 | |
Recombinant Human FGF-4 | Peprotech | 100-31 | |
ReLeSR | STEMCELL Technologies | 5872 | "Stem cell dissociation reagent" |
Retinoic acid | SIGMA | R2625-50MG | |
Rnase-free Microfuge tubes, 2 mL | Thermo Scientific | AM12425 | |
RPMI 1640 Medium | ThermoFischer Scientific | 11875093 | |
R-Spondin conditioned media | Texas Medical Center Digestive Disease Center GEMS Core, Enteroid/Organoid Sub-core | N/A | |
SB 431542, Tocris Bioscience | Fisher Scientific | 16-141-0 | |
Sorvall ST 16R Centrifuge | Thermo Scientific | ||
Standard Wide Orifice Pipettor Tips | VWR | 89049-166 | |
Stemolecule Chir99021 in Solution | Stemgent | 04-0004-02 | |
Sterile filter pipette tips | VWR (1000uL, 200uL, 10uL) | 76322-154, 76322-150, 89174-520 | |
Vitronectin XF | Stem Cell Technologies | 7180 | Alternative 3D basement membrane matrix, used for ENCC plates. |
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