我们描述了使用单克隆抗体TG30(CD9)和GCTM-2通过荧光活性细胞分选(FACS)联合检测细胞表面抗原,用于识别和丰富活人胚胎干细胞(hESC),使用阳性选择,以及使用负选择清除混合细胞群中的hESC。
人类胚胎干细胞(hESC)可以在体外无限期地自我更新,并且可以诱导适当的线索分化成潜在的所有体细胞谱系。差异化的 hESC 衍生物可能用于移植疗法,以治疗各种细胞退行性疾病。然而,hESC 分化协议通常产生差异化目标和非目标细胞类型以及残余未分化细胞的混合物。对于区分 hESC 衍生物从实验室到诊所的翻译,重要的是能够区分未分化(多能)和分化细胞,并生成分离这些群体的方法。hESC 衍生体细胞类型的安全应用只能通过多能干细胞无细胞种群来实现,因为残余 hESC 可以在移植后诱发称为畸形的肿瘤。为此,我们介绍了通过荧光激活细胞分拣 (FACS) 检测多能性相关细胞表面抗原的方法,用于使用正选择识别多能 TG30 Hi-GCTM-2Hi HESC。使用我们的 TG30/GCTM-2 FACS 方法的负选择,我们能够检测和清除处于非常早期分化(TG30Neg-GCTM-2Neg)的人群中未分化的 hESC。在进一步的研究中,使用我们的TG30/GCTM-2 FACS协议选择的分化TG30 Neg-GCTM-2Neg细胞的多能干细胞无干细胞样本,一旦移植到免疫受损的小鼠体内,就不会形成畸形,这支持了我们协议的稳健性。另一方面,TG30/GCTM-2 FACS调解的丰富多能TG30 Hi-GCTM-2Hi hESC的连续传递并不影响他们在体外自我更新的能力或其内在的多能性。因此,我们的TG30/GCTM-2 FACS方法的特性提供了一个敏感的分析,以获得高度丰富的hPSC种群作为分化检测的输入,并消除潜在的肿瘤(或残余)hESC从衍生细胞群。
HPSC (hPSC) 包括人类胚胎干细胞 (hESC) 和人类诱导多能干细胞 (hIPSC)。HPSC 可以在适当的文化条件下无限期地自我更新,而不会失去被称为”多能”的能力。多能性被定义为细胞分化成基本上任何体细胞系的潜力,包括代表三个胚胎生殖细胞层各部分的细胞。hPSC 的非凡潜力为包括治疗方案在内的多种基于细胞的应用提供了一种手段。例如,有些疾病涉及细胞死亡和退化,人体细胞的正常功能受到损害,如心力衰竭、脊髓损伤、糖尿病、帕金森病、一些癌症和其他临床病理。患有这些疾病的患者可以通过移植实验室中从 hPSC 中提取的健康和功能性体细胞来治疗。然而,目前的hPSC分化协议不是100%有效,并产生差异化目标和非目标细胞类型的混合物,以及剩余的hPSC没有经过分化,而是继续自我更新1-3。在用于移植到患者体内的hPSC衍生体细胞样本中,即使存在少量的hPSC,也构成严重的临床风险,因为这些细胞因其固有性质而形成所有三个胚胎生殖层的组织,有可能 在体内 形成一种称为畸胎瘤的肿瘤。因此,只有确定没有多能干细胞的目标细胞群体才能被视为安全移植到患者身上。据报道,有几种方法可以潜在地完成差异化后残留 hPSC 的清除(请参阅波兰科和拉斯莱特4)。我们以前曾报告使用单克隆抗体TG30(CD9)和GCTM-2耦合荧光激活细胞分拣(FACS),以确定多能干细胞,并区别于在hESC线5-7培养物中处于分化早期阶段的细胞。
使用抗体检测细胞表面抗原的一个优点是,目标细胞通常在抗体结合和/或标记后可行。因此,靶细胞可以在抗体标记后采集,并在移植前进行再培养,以扩大和进一步应用。hPSC上表达的细胞表面抗原的一个警告是,它们并不仅限于多能阶段,在许多情况下在发育过程中会暂时重新表达,因此将在某些分化细胞类型中检测到。因此,如果目的是使用抗体来检测人类多能细胞,并从 hPSC 衍生细胞样本中清除它们,则选定的抗体也不应与用于移植的特定分化细胞类型的抗原发生反应。不幸的是,在活hPSC 4上检测细胞表面标记的抗体数量有限,使得选择的选择有限。此外,一些研究指出,检测一个单一的细胞表面标记不足以消除所有hPSC,建议任何试图消除所有hPSC多能亚人口应依靠使用两个或两个以上的抗体检测hPSC 9-10表达的不同表皮的方法。如上所述,只有hPSC衍生细胞,可以确定为多能干细胞无细胞群适合人类移植。通过抗体介导细胞分拣技术,一次通过一次传递,就不可能达到这种细腻程度。可能需要对分化目标细胞的丰富种群进行再培养,并随后进行细胞分类,以最终获得多能干细胞无样本。
在我们的实验室中,我们广泛鉴定了两种 hES 细胞表面抗体 TG30 (CD9) 和 GCTM-2,用于检测活多能细胞。我们的研究表明,TG30和GCTM-2的结合检测与hESC线5-7中规范多能相关基因的表达密切相关。TG30/GCTM-2 FACS免疫规划一直表明,HESC培养物构成TG30/GCTM-2表达5-7的定量连续梯度。我们任意建立了四个种群(P)细胞在这个TG30/GCTM-2梯度内:P4(TG30内格-GCTM-2内),P5(TG30低-GCTM-2低),P6(TG30中-GCTM-2中)和P7(TG30 Hi-GCTM-2 Hi)5-7。我们对这些P4、P5、P6和P7细胞群的特征表明,P6和P7子基层表示了大量多能相关基因,并在FACS 2-3后重新培养时有效地形成类似干细胞的菌落。另一方面,P4(TG30Neg-GCTM-2Neg)细胞表示大量的分化标记,并构成自发分化的细胞类型,通常发生在hESC线5-6的扩展培养中。我们决定测试我们的TG30/GCTM-2 FACS在早期分化后选择性地消除残留的hPSC的潜力,以及丰富多能干细胞种群。下文所述的协议显示了如何收集和重新培养差异化的P4(TG30Neg-GCTM-2Neg)细胞后FACS完成多能P7(TG30 Hi-GCTM-2嗨)的清除。此外,我们还解释了多能P7(TG30 Hi-GCTM-2Hi)细胞的收集和再培养,以获得多能细胞的丰富培养,随后可用作定义的输入量,以潜在地提高分化检测的效率和一致性。
在临床环境中,分化体细胞类型是移植和治疗应用的最终所需产品,hPSC 是自更新和可扩展的来源,可在实验室中生成这些体细胞或其祖先。在考虑将 hESC 衍生的体细胞移植到患者中时,存在具有特拉托马形成固有潜力的残余未分化 hESC 是一种安全风险。有关此风险和与细胞治疗相关的其他风险的回顾,请参阅夏普等人。16因此,要实现这种应用,研究人员必须致力于产生目标细胞群,这些细胞群也是无多能干细胞的。为此,我们在此证明,使用我们的 TG30/GCTM-2 FACS 方法,可以监控差异化细胞群中多能细胞 (TG30 Hi-GCTM-2Hi)的存在,并获得可行的 hESC 差异化衍生物,这些衍生物可以在 FACS 后得到丰富和再培养。虽然不可能获得100%多能干细胞无样本与我们的协议的单一通行证,丰富的hESC衍生物可以重新培养,并实现连续通过100%体细胞纯度后。体细胞在FACS后扩张的证明可行性也有可能使生产出足够数量的适合潜在移植疗法的细胞。
这项试验性研究的令人鼓舞的结果促使我们使用TG30/GCTM-2协议,在一项比较研究中,与几组人类诱导多能干细胞(hiPSC)线15进行更全面的研究。在这项研究中,我们发现,使用TG30/GCTM-2 FACS协议获得的多能干细胞无干细胞样本在移植到免疫缺陷小鼠体内时不会产生畸形。因此,我们可以自信地指出,使用这种体外协议,早期分化细胞培养确定是自由多能TG30 Hi-GCTM-2Hi细胞不发展在体内的畸形。这强烈支持我们的检测的稳健性,提供一种潜在的方法,以消除在临床应用中使用 hPSC 衍生细胞之前形成畸胎瘤的风险。
相反,我们还表明,TG30/GCTM-2 FACS 检测可用于检索具有高表达这两种表面抗原(TG30Hi-GCTM-2Hi)的多能细胞群。此前的研究表明,TG30Hi-GCTM-2Hi细胞 与OCT4高表达的相关性最高,形成HESC类菌落数量最多的5,6,13,15。因此,我们推断,多能网络在 TG30 Hi-GCTM-2高表达单元中在其最大级别上激活。我们认为,使用我们的 TG30/GCTM-2 FACS 协议并检索 P7 (TG30 Hi-GCTM-2Hi)单元可以大规模净化丰富的活 hESC 培养物,作为分化测定输入。
最后,我们在这里展示了基于表面抗原TG30和GCTM-2的结合表达,我们FACS检测的潜力,用于清除和丰富 hESC。今后与HPSC定向区分协议的研究也可能对这一潜力提供信息。我们知道,在某些分析中,如果区分的 hESC 衍生物会暂时表达 TG30 (CD9) 或 GCTM-2,那么这两种抗体可能不适合或不足以在测定6中的特定时间点从差异化人群中清除多能细胞。因此,目前需要找到专门识别活hESC的新抗体,以克服与某些分化细胞类型的交叉反应的可能限制。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢莫纳什大学的 StemCore 设施提供 hESC 线路,以及莫纳什大学的 FlowCore 设施,为 FACS 服务提供服务。 这项工作得到了澳大利亚干细胞中心、新南威尔士州和维多利亚州政府干细胞研究资助计划的研究资助。ALL 是澳大利亚研究理事会 (ARC) 干细胞科学特别研究计划(澳大利亚干细胞)的合作伙伴研究员。
Short Name | Company | Catalog Number | Long Name |
DMEM/F-12 | Life Technologies | 11320082 | Long Name: Dulbecco's Modified Eagle Medium:Nutrient Mixture F-12 |
KOSR | Life Technologies | 10828028 | Long Name: Knockout Serum Replacement |
GlutaMAX | Life Technologies | 35050061 | Long Name: GlutaMAX supplement |
Nonessential Amino Acids | Life Technologies | 11140050 | Long Name: MEM Nonessential Amino Acids Solution |
Mercaptoethanol | Life Technologies | 21985023 | Long Name: 2-Mercaptoethanol |
DPBS | Life Technologies | 14190250 | Long Name: Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline, no calcium, no magnesium |
TrypLE Express | Life Technologies | 12604039 | Long Name: TrypLE Express (1x), no Phenol Red |
AF-488 | Life Technologies | A21131 | Long Name: Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG2a |
AF-647 | Life Technologies | A21238 | Long Name: Alexa Fluor 647 goat anti-mouse IgM |
PE-anti IgG2a | Life Technologies | P21139 | Long Name: R-Phycoerythrin Goat Anti-Mouse IgG2a (γ2a) Conjugate |
DMEM | Life Technologies | 11965-092 | Long Name: Dulbecco's Modified Eagle Medium, high glucose |
Pen/Strep | Life Technologies | 15140-122 | Long Name: Penicillin-Streptomycin, Liquid |
Distilled Water | Life Technologies | 15230-089. | Long Name: Sterile Distilled Water |
PI | SIGMA | P4864 | Long Name: Propidium iodide solution |
FBS | SIGMA | 12203C | Long Name: Fetal Bovine Serum |
Gelatin | SIGMA | G-1890 | Long Name: Gelatin from porcine skin |
Human FGF-2 | Millipore | GF003AF-100UG | Long Name: Fibroblast Growth Factor basic, human recombinant, animal-free |
Filter 0.22 μm | Millipore | SCGPU02RE | Long Name: Stericup-GP, 0.22 μm, polyethersulfone, 250 ml, radio-sterilized |
70 μm Cell Strainer | Becton Dickinson | 352350 | Long Name: Cell strainer with 70 μm Nylon mesh |
35 μm Lid cell strainer, 5 ml tube | Becton Dickinson | 352235 | Long Name: 5 ml polystyrene round bottom test tube, with a cell strainer cap (35 μm) |
5 ml Polystyrene round bottom test tube | Becton Dickinson | 352054 | Long Name: 5 ml polystyrene round bottom test tube, sterile |
IgG2a Isotype Control | Becton Dickinson | 554126 | Long Name: Purified Mouse IgG2a, κ Isotype Control |
IgM Isotype Control | Becton Dickinson | 553472 | Long Name: Purified Mouse IgM, κ Isotype Control |
PE-CD90.2 | Becton Dickinson | 553014 | Long Name: PE Rat Anti-Mouse CD90.2 |
8-peaks calibration | Becton Dickinson | 559123 | Long Name: Rainbow Calibration Particles (8 peaks) |
50 ml sterile Polypropylene tube | Greiner Bio-One | 227261 | Long Name: 50 ml Polypropylene tube with conical bottom, Sterile |
T75 flask | Greiner Bio-One | 658175 | Long Name: CELLSTAR Filter Cap Cell Culture 75 cm2 Flasks |
TG30 | Merck Millipore | MAB4427 | Long Name: TG30 Antibody, clone TG30 |
GCTM-2 | Merck Millipore | MAB4346 | Long Name: GCTM-2 is not commercially available but TG343 and equivalent monoclonal antibody is |
Table 4. List of materials and reagent | |||
[header] | |||
FACS machine | Becton Dickinson | FACSVantage SE with FACSDiva option | |
Inverted microscope | Olympus | IX71 | |
Table 5. List of equipment. |