研究背景

由胚胎干细胞(ESCs)和诱导多能干细胞(iPSCs)组成的人类多能干细胞(PSCs)为心脏细胞治疗的临床试验打开了一扇崭新的大门。然而,由于不同分化批次中残留的未分化PSCs具有增殖能力,在进行细胞移植后有形成畸胎瘤的风险。

2021年8月,斯坦福心血管研究所的Joseph C. Wu教授团队在《JCI Insight》(IF 8.315)发表文章“Method for selective ablation of undifferentiated human pluripotent stem cell populations for cell-based therapies”他们提出,低剂量的阿霉素可靶向去除未分化的干细胞,为细胞移植提供更纯净的终末分化心肌细胞群,并证明这种处理能有效防止细胞移植后畸胎瘤的形成。

 
 

 

实验设计及结果

1.首先,作者使用0.01、0.05、0.1、0.5和1μM浓度的阿霉素分别处理ESCs和ECS-CMs。48h后观察到,仅0.01μM的阿霉素能够选择性地消除ESCs,而对ECS-CMs活性无影响。

2.在此基础上,作者使用0.01μM阿霉素处理了hiPSC来源的平滑肌细胞以及hESC来源的内皮细胞等多种样本,得到了类似的结果。这意味着此方法对于不同种类和来源的细胞有一定的适用性。

3.随后,作者在该剂量阿霉素处理第30天对ESC-CMs进行收缩力测定,检测结果显示,处理组与对照组的收缩速度、舒张速度、收缩持续时间及舒张持续时间均无明显差异。

4.接着,作者测试了该剂量阿霉素对ESC-CMs电生理表型的影响。

 

Fig.1  0.01μM阿霉素处理ESC-CMs的电生理评估

 

(A)对照组(上)和阿霉素处理组(下)的代表性局部细胞外动作电位(LEAP)波形图。( B )代表搏动率(左)和APD50 /90(右)的箱线图。每组n= 18。

 

作者使用Maestro Pro微电极阵列系统将对照组和阿霉素处理组的样本都进行了LEAP(原位胞外动作电位)实验,得到两组代表性动作电位波形图(如图1-A)。分析结果表明它们的搏动率(左)及APD50/90(右)均无显著差异(如图1-B)。并且使用动作电位传感器(ASAP2)对搏动率及APD50/90的分析结果与上述一致。作者进一步使用膜片钳方法评估了心房样和心室样ESC-CMs的电生理特性,也得到同样的结果这些实验均表明,0.01μM的阿霉素处理ESC-CMs并不会影响其电生理功能特性。
5.随后的Ki-67增殖标记染色实验以及小鼠的生物发光成像结果显示,使用0.01μM的阿霉素预处理ESCs可抑制分化批次中残留的干细胞在体内的增殖以及畸胎瘤的形成。
6.最后,转录组及蛋白质组学分析结果显示,该剂量阿霉素不会影响ESC-CMs中调节心脏发育相关基因(如肌节发育、心肌组织发育和心脏形态发生)的表达,并且也不会改变ESC-CMs中的蛋白质表达水平。
 

 

结论

综上所述,本研究揭示出0.01μM的阿霉素可选择性消融未分化的干细胞,并对分化产生的hPSC-CMs无细胞功能毒性。方法可有效防止畸胎瘤的形成,有助于促进无瘤细胞治疗和心肌细胞移植相关的临床试验研究。
编者按:Maestro Pro高通量MEA系统除了支持常见的场电位及收缩分析外,还能实现独特的LEAP实验。相较传统方法而言,该测试操作简便,可重复性高,数据分析快速,能够极大地提高您的科研效率!
 
 

MEA实验步骤

选择Axion BioSystems公司的Maestro Pro高通量MEA系统进行细胞电生理记录:

1.使用Accutase(Sigma)酶解人源ESC-CMs后,置于含B-27(50X,Gibco)的 RPMI-1640 培养基(1X,Gibco)中重悬;

2.将48孔MEA板(16电极/孔)用基质胶包被,取8uL细胞悬液种板,并置于Maestro Pro设备中,设定环境条件为37°C 和 5% CO2

3.孵育1h后,每孔再加入200ul培养基继续培养

4.种板后第14天记录ESC-CMs电活动;

5.使用Maestro Pro高通量MEA系统的LEAP 功能诱导出动作电位。LEAP potential duration(LPD)即为Action potential duration(APD);

6.最后通过 AxIS Navigator软件 (Axion BioSystems) 进行数据分析。

 

 

 

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