人胚胎干细胞培养建系及其应用

简要概述了自1998年首次建立hES细胞系以来近6－7年国内外的现况、分离培养建系、鉴定标准和冻存技术发展、定向诱导分化及其应用等方面的研究进展。     

人胚胎干细胞向神经上皮祖细胞的诱导分化

人胚胎干细胞具有自我更新和多向分化潜能,是研究早期胚胎发育和细胞替代治疗的重要细胞来源.采用一种与小鼠成纤维细胞共培养的方法进行人胚胎干细胞的神经诱导,可产生高纯度的神经上皮祖细胞,其神经上皮特异性基因的表达有一定的时空性;诱导生成的神经上皮祖细胞具有增殖潜能并可分化为神经元和星型胶质细胞,是潜在的神经干细胞.人胚胎干细胞来源的神经上皮祖细胞为研究神经发育和神经诱导提供了新材料,也为神经系统疾病的细胞替代治疗提供了新的细胞来源.     

人类及小鼠胚胎干细胞的不同多能性状态

胚胎干细胞(embryonic stem cells,ESCs)是来源于早期胚胎的全能性细胞,在合适条件下具有分化为任何一类成体细胞的潜力。在小鼠中,根据细胞来源的胚胎发育时间,ESCs可以被分为原始态多能性(na(?)ve pluripotency)和始发态多能性(primed pluripotency)两种状态。这两种状态的细胞在发育上相互联系,具有不同的形态、信号依赖、发育性质、基因表达及表观遗传学性质,并且在特定的条件下可以相互转化。人类胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESCs)的发育潜能曾一度被认为低于小鼠胚胎干细胞(mouse embryonic stem cells,mESCs),直到人类原始态胚胎干细胞的发现证明了hESCs可以表现出与mESCs相似的性质。这对于人类胚胎发育的研究及ESCs在临床治疗上的实际应用都具有重要的意义。     

NANOG在哺乳动物早期胚胎发育与干细胞中的功能研究进展

哺乳动物的早期胚胎发育和干细胞多能性由转录因子构成的基因网络所调控。2003年,在胚胎干细胞中发现的重要转录因子NANOG位于基因网络调控中心,对胚胎第二次命运决定和基态多能性的建立至关重要。该文将在NANOG生物学特征的基础上,重点讨论其在早期胚胎发育、胚胎干细胞与诱导性多能干细胞中的功能。     

人胚胎干细胞培养体系的研究进展

人胚胎干细胞具有广泛的研究前景,建立一个理想的人胚胎干细胞培养系统是利用它的前提.较详细地对目前关于人胚胎干细胞培养体系的研究进展、一些细胞因子对人胚胎干细胞的作用和影响以及体外长期培养对人胚胎干细胞核型的影响进行了综述.     

通过形成类胚体诱导人羊水多能干细胞向心肌细胞分化

由人羊水中分离羊水多能性干细胞,通过形成类胚体诱导其向心肌细胞分化.取人羊水标本进行体外培养,分离得到人羊水干细胞,已连续传代培养至42代,采用免疫细胞化学、RT-PCR和流式细胞仪技术对羊水干细胞的生物学特性进行检测.取10～15代羊水干细胞,悬浮培养使其形成类胚体,进而向心肌细胞诱导分化.培养的羊水干细胞呈成纤维样,表达部分胚胎干细胞特异标志基因,悬浮培养可形成类胚体.类胚体碱性磷酸酶(AP)检测呈阳性,表达三胚层特异标志基因fgf5、ζ-globin和α-fetoprotein.羊水干细胞形成类胚体后进行诱导,得到α-actin阳性细胞,表达心肌细胞特异标志基因Tbx5、Nkx2.5、GATA4和α-MHC.试验结果表明,从人羊水标本中可分离得到具有胚胎干细胞特性的细胞,经初步检测确定为羊水干细胞,并能通过形成类胚体诱导其向心肌细胞分化.     

人孤雌胚胎干细胞在人包皮成纤维细胞饲养层上的生长状态

人孤雌胚胎干细胞(human parthenogenetic embryonic stem cells,hPESCs)体外培养常需饲养层的支持以保持干细胞特性.通过原代培养获得人包皮成纤维细胞(human foreskin fibroblasts,hFFs)并将其制备成饲养层,使hPESCs在hFFs上进行体外培养及传代.倒置显微镜下观察hPESCs的生长状态,采用碱性磷酸酶(alkalinephosphatase,AKP)检测、核型分析和体内分化实验研究hPESCs的生物学特性及分化潜能,以探索hFFs能否长期支持hPESCs的生长并维持其未分化状态.经原代培养成功获得了hFFs,通过形态学观察和免疫细胞化学染色鉴定符合成纤维细胞的生物学特性;在hFFs上生长的hPESCs克隆形态规则,不易分化;已成功在体外培养20余代,hPESCs仍能够保持基本生物学特性和正常核型,在裸鼠体内可形成含有3个胚层组织成分的畸胎瘤.作为人源性饲养层,hFFs可长期支持hPESCs的生长并维持其未分化状态.     

从人胚胎干细胞畸胎瘤中有效获取间充质干细胞和神经前体细胞

通过人胚胎干细胞(human embryonic stem cells,hESC)体外分化方法和畸胎瘤形成可以分化获得多种成体细胞．但目前尚不清楚是否可以从hESCs畸胎瘤中分离某些特异性细胞．通过体外筛选方法,有效地从hESCs畸胎瘤中分离出神经前体细胞(neural progenitor cells,NPCs)和间充质干细胞(mesenchymal stem cells,MSCs)．这种hESCs畸胎瘤来源的NPCs和MSCs与体内神经前体细胞和间充质干细胞有着相似的分子标记和特性,并具有进一步的分化潜能——分别可以诱导成为神经元、神经胶质细胞、脂肪细胞和骨骼细胞等．根据人胚胎干细胞畸胎瘤中含有不同分化阶段的外胚层、中胚层和内胚层的组织或细胞,认为人胚胎干细胞畸胎瘤可以作为另一个细胞来源以获取多种(包括人胚胎干细胞体外分化难以得到的)各种前体/干细胞和终末分化细胞．     

人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞分化的心肌细胞在药物心脏毒性筛选中的应用

心脏毒性是药物研发失败的主要原因之一,也是临床前安全评价研究的难题之一。人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞均具有无限增殖、自我更新和多向分化的特性,为体外心脏毒性筛选实验提供了细胞资源。人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞诱导分化的心肌细胞相似,具有相同的形态结构,且随着培养时间的推移,功能性心、Na^＋、Ca^2＋通道密度逐渐增加、心肌特异性基因ANF、α—MHC、MLC-2α的表达量增加,具有相似的动作电位时程和收缩性等特点,相当于幼稚型心肌细胞。将它们应用于已知作用药物的心脏毒性筛选,检测心肌细胞离子通道、动作电位、心脏损伤标志物、收缩功能的变化,获得与临床相似的结果。因此,建立人胚胎干细胞和诱导型人多能干细胞诱导分化心肌细胞的体外评价模型,大大减少了药物研发的时间和成本,克服了种属间的差异,推动了心脏毒性体外评价方法的发展。     

人胚胎干细胞建系的研究现状与存在的问题

人胚胎干细胞系的建立,对人类胚胎发生和人类发育生物学研究、人类新基因的发现和功能研究以及基因治疗、细胞和组织的移植治疗等领域的突破性进展具有重大意义;回顾了人胚胎干细胞建系研究的历程,就建系的几种方案、路线、意义和可行性进行了探讨;详细系统地说明了迄今为止建立人胚胎干细胞系所需要的饲养层类型、培养基组成、添加细胞因子种类及其作用;分析了建立和维持人胚胎干细胞系所需消化酶的种类及其作用以及目前常用的几种传代方法;从若干方面总结了人胚胎干细胞系的鉴定方法,并对建立和维持人胚胎干细胞系中存在的若干问题进行了剖析,提出了目前急待解决的问题。     

A Systems-level Characterization of the Differentiation of Human Embryonic Stem Cells into Mesenchymal Stem Cells,

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Highlights

• •Integrative multi-omics study characterizing the differentiation from hESCs into hMSCs.
• •Set of high confidence genes important in hESC to hMSC differentiation defined.
• •Two distinct expression waves of HOX genes and a AGO2-to-AGO3 switch in gene silencing identified.
• •AHNAK hypothesized as a defining factor in MSC biology.

     

无饲养层培养人胚胎干细胞方法的建立

人胚胎干细胞(human embryonic stem cell,hES细胞)是当前医学研究的热点之一．然而hES细胞培养条件苛刻,通常需要采用鼠胚胎成纤维细胞(mouse embryonic fibroblast,MEFs)饲养层来维持其未分化状态,成为目前hES细胞研究的瓶颈之一、本实验成功地将hES细胞接种在细胞外基质包被的六孔板上培养,传代20次后细胞仍然保持良好的未分化状态,各种hES细胞生物学特性(如表面标志物SSEA-3、SSEA-4、TRA-1-60和TRA-1-8l,OCT-4,碱性磷酸酶及体内外分化潜能等)均无改变;其冻存、复苏效果与生长在饲养层上的hES细胞无明显差异．因此,该无饲养层培养体系可以用于培养hES细胞,并为hES细胞转基因研究及大规模培养打下良好的基础．     

一种新的人胚胎干细胞无饲养层培养方法的建立

目的:以转染碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)的人胎肝基质细胞株(FLSC)培养人胚胎干细胞(hESC),寻找更加安全、有效的体外培养扩增方法。方法:通过ELISA方法定量检测转基因的人FLSC条件培养基中bFGF的分泌量;以商业化的mTeSR1无血清无饲养层培养基、常规小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)条件培养基,以及转染bFGF的人FLSC条件培养基(bFGF/FLSC-CM)分别培养扩增H9细胞。通过观察hESC形态、免疫荧光染色、流式细胞检测及RT-PCR,检测hESC全能性标志物的表达。结果:ELISA方法检测bFGF/FLSC-CM中bFGF因子的分泌量为(770.09±17.28)pg/mL,而MEF-CM中bFGF因子的分泌量为(55.59±0.61)pg/mL,两者存在显著差异(P0.01);在3种培养体系下,免疫荧光检测hESC全能性标志Oct-4、Tra-1-81抗体的表达均呈阳性,流式检测细胞表面阶段特异性胚胎抗原4(SSEA-4)抗体阳性细胞的比例均在99%左右;RT-PCR检测到hESC特异的转录因子Oct-4、Nanog、Sox-2的表达。结论:以转染bFGF的人FLSC条件培养基可以有效扩增hESC,可为临床应用提供一种安全、高效、低成本的无饲养层培养方法。     

Monitoring the Differentiation and Migration Patterns of Neural Cells Derived from Human Embryonic Stem Cells Using a Microfluidic Culture System

Microfluidics can provide unique experimental tools to visualize the development of neural structures within a microscale device, which is followed by guidance of neurite growth in the axonal isolation compartment. We utilized microfluidics technology to monitor the differentiation and migration of neural cells derived from human embryonic stem cells (hESCs). We co-cultured hESCs with PA6 stromal cells, and isolated neural rosette-like structures, which subsequently formed neurospheres in suspension culture. Tuj1-positive neural cells, but not nestin-positive neural precursor cells (NPCs), were able to enter the microfluidics grooves (microchannels), suggesting that neural cell-migratory capacity was dependent upon neuronal differentiation stage. We also showed that bundles of axons formed and extended into the microchannels. Taken together, these results demonstrated that microfluidics technology can provide useful tools to study neurite outgrowth and axon guidance of neural cells, which are derived from human embryonic stem cells.     

人诱导多能干细胞与人胚胎干细胞分化过程中Oct4/Nanog 基因 表达的比较

目的:比较通过慢病毒方法获得的人诱导多能性干细胞(iPSCs)与人胚胎干细胞(hESCs)分化过程中全能性基因Oct4、Nanog的表达变化。方法:收集分化不同时间点的拟胚体(EBs),检测三胚层分化基因以及全能性基因Oct4/Nanog的表达,并通过畸胎瘤组织切片的荧光染色分析Oct4的表达。结果:iPSCs获得的EB中内外三胚层分化基因表达的出现明显晚于hESCs来源的EB。不同于hESCs,iPSCs悬浮培养获得的EBs在体外培养18天未见内源性Oct4、Nanog基因表达的下调。未分化的iPSCs注射严重联合免疫缺陷(SCID)小鼠培养10周后获得的畸胎瘤中仍存在Oct4阳性的细胞,但iPS-#2中明显少于iPS-#5。结论:通过慢病毒方法获得的iPSCs虽然具有向三胚层分化的能力,但在分化过程中仍维持较高水平的全能性基因Oct4、Nanog的表达。     

Directed Differentiation of Notochord-like and Nucleus Pulposus-like Cells Using Human Pluripotent Stem Cells

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低氧通过上调Wnt5a促进人胚胎干细胞向生血内皮细胞分化

胚胎的早期发育是在低氧条件下进行的,低氧环境在胚胎血管发生及造血发育中起着重要作用,低氧条件能促进胚胎干细胞在体外向内皮细胞和造血细胞的分化,但低氧条件对造血细胞产生的具体作用及相应机制尚不清楚．本研究利用人Es细胞向造血祖细胞定向分化体系,发现低氧环境可以促进CD31＋TIE2＋造血内皮祖细胞的产生,2天后造血内皮祖细胞开始表达终生造血基因．进一步研究发现,低氧能够上调Wnt5a的表达,干涉Wnt5a能够抑制低氧环境对生血内皮细胞分化的促进作用．在正常氧环境下加入Wnt5a产生促进生血内皮细胞分化的效应,该效应与低氧处理促进生血内皮细胞产生的作用相似．本研究首次证明了低氧通过上调Wnt5a的表达促进人Es细胞向生血内皮细胞的分化,为ES细胞向生血内皮细胞的分化及造血祖细胞分化的研究提供了新的线索．     

人诱导多能干细胞与人胚胎干细胞分化过程中Oct4/Nanog基因表达的比较

目的：比较通过慢病毒方法获得的人诱导多能性干细胞（iPSCs）与人胚胎干细胞（hESCs）分化过程中全能性基因Oct4、Nanog的表达变化。方法：收集分化不同时间点的拟胚体（EBs）,检测三胚层分化基因以及全能性基因Oct4/Nanog的表达,并通过畸胎瘤组织切片的荧光染色分析Oct4的表达。结果：iPSCs获得的EB中内外三胚层分化基因表达的出现明显晚于hESCs来源的EB。不同于hESCs,iPSCs悬浮培养获得的EBs在体外培养18天未见内源性Oct4、Nanog基因表达的下调。未分化的iPSCs注射严重联合免疫缺陷（SCID）小鼠培养10周后获得的畸胎瘤中仍存在Oct4阳性的细胞,但iPS-#2中明显少于iPS-#5。结论：通过慢病毒方法获得的iPSCs虽然具有向三胚层分化的能力,但在分化过程中仍维持较高水平的全能性基因Oct4、Nanog的表达。