Nature Medicine：兩性離子水凝膠可有效擴(kuò)增人類造血干細(xì)胞
發(fā)布時(shí)間：2020-12-17 14:31:17 人氣：2235
造血干細(xì)胞（HSPC）移植是血液系統(tǒng)惡性腫瘤最重要的治愈性療法，臍帶血是HSPC的重要來(lái)源，其具有白細(xì)胞抗原匹配要求不嚴(yán)格的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可為移植臍帶血的患者降低免疫排斥的風(fēng)險(xiǎn)，因而被廣泛被應(yīng)用于HSPC移植。但臍帶血所含HSPC數(shù)量有限，會(huì)延遲患者造血功能的恢復(fù)，最終影響臨床的治療效果。為了增加可用于臨床移植的HSPC數(shù)量，研究人員長(zhǎng)期以來(lái)一直在尋找適合離體擴(kuò)增HSPC的培養(yǎng)條件。
研究人員利用ZTG opt與優(yōu)化的Delta1 ext-IgG（DXI）以及作為未修飾的TCPS培養(yǎng)瓶三種方式分別培養(yǎng)HSPC，發(fā)現(xiàn)ZTG opt培養(yǎng)后，該HSPC的原始細(xì)胞同質(zhì)性得以保留，而DXI 與TCPS培養(yǎng)瓶的培養(yǎng)方式均會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)顆粒狀胞質(zhì)和不規(guī)則的核等異質(zhì)性表型。如圖2所示，在整個(gè)培養(yǎng)期間，ZTG opt種群保持CD34高表達(dá)，ZTG opt擴(kuò)增后的細(xì)胞中CD34 +占93.7％±2％，表明ZTG水凝膠3D培養(yǎng)方式可抑制HSPC分化。
ZTG opt方式培養(yǎng)的臍帶血來(lái)源的CD34 + HSPC在體內(nèi)可保持?jǐn)U增能力已得到證明，研究人員又利用有限稀釋分析（LDA）來(lái)檢測(cè)中長(zhǎng)期再生造血干細(xì)胞（LT-HSC）的擴(kuò)增頻率的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，在移植后24–30周后，ZTG opt方式培養(yǎng)的LT-HSC的擴(kuò)增頻率遠(yuǎn)高于其他培養(yǎng)方式。有限稀釋分析和二次移植實(shí)驗(yàn)均證明ZTG培養(yǎng)擴(kuò)增了具有長(zhǎng)期造血功能的LT-HSC細(xì)胞。
在正常生理狀態(tài)下，原始的HSPC駐留在低氧的生態(tài)位中，可限制細(xì)胞產(chǎn)生ROS進(jìn)行自我保護(hù)。為了探討了 ZTG 水凝膠3D培養(yǎng)是否可以限制ROS的產(chǎn)生并保護(hù)封裝的HSPC，研究人員檢測(cè)了各系統(tǒng)中培養(yǎng)1天后的細(xì)胞反應(yīng)，如圖4所示，對(duì)比DXI組和對(duì)照組，ZTG組的細(xì)胞ROS和線粒體超氧化物水平偏低且非特異性信號(hào)通路無(wú)明顯激活，有利于HSPC增強(qiáng)自我更新。
此外，研究人員通過(guò)分析ZTG14，ZTGopt和其他擴(kuò)增方式培養(yǎng)的細(xì)胞內(nèi)線粒體質(zhì)量和代謝活性，發(fā)現(xiàn)ZTG14和ZTGopt細(xì)胞中線粒體質(zhì)量略有增加，與DXIopt和對(duì)照組的顯著下降形成鮮明對(duì)比，另外葡萄糖消耗和乳酸分泌量也遠(yuǎn)低于DXIopt和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，表明ZTG培養(yǎng)中O2相關(guān)的代謝受抑制，再次證明 ZTG水凝膠3D培養(yǎng)方式保持了原始的HSPC特性。
為了更深入地了解ZTG水凝膠內(nèi)的CD34 + HSPC的活性，研究人員利用mRNA深度測(cè)序（RNA-seq）進(jìn)行了基因表達(dá)譜分析。如圖6所示，與新鮮分離的原代HSPC相比，超過(guò)10,000個(gè)基因的表達(dá)在ZTG培養(yǎng)的HSPC中沒(méi)有顯著變化。對(duì)比其他培養(yǎng)方式，ZTG培養(yǎng)組中與細(xì)胞分化，細(xì)胞活化和細(xì)胞因子產(chǎn)生相關(guān)的基因顯著下調(diào)，再次表明ZTG培養(yǎng)方式可減緩細(xì)胞代謝過(guò)程。
來(lái)自美國(guó)華盛頓大學(xué)的Colleen Delaney教授和Shaoyi Jiang教授共同在Nature Medicine雜志上發(fā)表了題目為“Expansion of primitive human hematopoietic stem cells by culture in a zwitterionic hydrogel”的研究性論文，揭示可降解的兩性離子水凝膠3D培養(yǎng)人類HSPC，能夠抑制HSPC分化，并有效擴(kuò)增臍帶血和骨髓來(lái)源的HSPC，為人類血液系統(tǒng)惡性腫瘤治療帶來(lái)了新的希望。
研究人員利用ZTG opt與優(yōu)化的Delta1 ext-IgG（DXI）以及作為未修飾的TCPS培養(yǎng)瓶三種方式分別培養(yǎng)HSPC，發(fā)現(xiàn)ZTG opt培養(yǎng)后，該HSPC的原始細(xì)胞同質(zhì)性得以保留，而DXI 與TCPS培養(yǎng)瓶的培養(yǎng)方式均會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞出現(xiàn)顆粒狀胞質(zhì)和不規(guī)則的核等異質(zhì)性表型。如圖2所示，在整個(gè)培養(yǎng)期間，ZTG opt種群保持CD34高表達(dá)，ZTG opt擴(kuò)增后的細(xì)胞中CD34 +占93.7％±2％，表明ZTG水凝膠3D培養(yǎng)方式可抑制HSPC分化。
ZTG opt方式培養(yǎng)的臍帶血來(lái)源的CD34 + HSPC在體內(nèi)可保持?jǐn)U增能力已得到證明，研究人員又利用有限稀釋分析（LDA）來(lái)檢測(cè)中長(zhǎng)期再生造血干細(xì)胞（LT-HSC）的擴(kuò)增頻率的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，在移植后24–30周后，ZTG opt方式培養(yǎng)的LT-HSC的擴(kuò)增頻率遠(yuǎn)高于其他培養(yǎng)方式。有限稀釋分析和二次移植實(shí)驗(yàn)均證明ZTG培養(yǎng)擴(kuò)增了具有長(zhǎng)期造血功能的LT-HSC細(xì)胞。
在正常生理狀態(tài)下，原始的HSPC駐留在低氧的生態(tài)位中，可限制細(xì)胞產(chǎn)生ROS進(jìn)行自我保護(hù)。為了探討了 ZTG 水凝膠3D培養(yǎng)是否可以限制ROS的產(chǎn)生并保護(hù)封裝的HSPC，研究人員檢測(cè)了各系統(tǒng)中培養(yǎng)1天后的細(xì)胞反應(yīng)，如圖4所示，對(duì)比DXI組和對(duì)照組，ZTG組的細(xì)胞ROS和線粒體超氧化物水平偏低且非特異性信號(hào)通路無(wú)明顯激活，有利于HSPC增強(qiáng)自我更新。
此外，研究人員通過(guò)分析ZTG14，ZTGopt和其他擴(kuò)增方式培養(yǎng)的細(xì)胞內(nèi)線粒體質(zhì)量和代謝活性，發(fā)現(xiàn)ZTG14和ZTGopt細(xì)胞中線粒體質(zhì)量略有增加，與DXIopt和對(duì)照組的顯著下降形成鮮明對(duì)比，另外葡萄糖消耗和乳酸分泌量也遠(yuǎn)低于DXIopt和對(duì)照組。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，表明ZTG培養(yǎng)中O2相關(guān)的代謝受抑制，再次證明 ZTG水凝膠3D培養(yǎng)方式保持了原始的HSPC特性。
為了更深入地了解ZTG水凝膠內(nèi)的CD34 + HSPC的活性，研究人員利用mRNA深度測(cè)序（RNA-seq）進(jìn)行了基因表達(dá)譜分析。如圖6所示，與新鮮分離的原代HSPC相比，超過(guò)10,000個(gè)基因的表達(dá)在ZTG培養(yǎng)的HSPC中沒(méi)有顯著變化。對(duì)比其他培養(yǎng)方式，ZTG培養(yǎng)組中與細(xì)胞分化，細(xì)胞活化和細(xì)胞因子產(chǎn)生相關(guān)的基因顯著下調(diào)，再次表明ZTG培養(yǎng)方式可減緩細(xì)胞代謝過(guò)程。
綜上所述，兩性離子水凝膠3D培養(yǎng)可作為有效的離體擴(kuò)增HSPC方式，有望提高臨床意義上的可移植HSPC的絕對(duì)數(shù)量。同時(shí)，該水凝膠培養(yǎng)體系為胚胎干細(xì)胞，誘導(dǎo)性多能干細(xì)胞，間充質(zhì)干細(xì)胞等其他干細(xì)胞類型的擴(kuò)展策略提供了參考。
信息來(lái)源: EngineeringForLife
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