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士鋒生物干細胞實驗技術(shù)入門講解
點擊次數(shù):1264 發(fā)布時間:2013-10-25
1.了解細胞
來自加拿大多倫多大學(xué)的Peter Zandstra實驗室的一項研究項目就是:通過從單層細胞懸浮液中收集人類胚胎干細胞hESCs,提高hESC分化的一致性和產(chǎn)量。
人類胚胎干細胞hESCs和人類誘導(dǎo)多功能干細胞hiPSCs的分化需要細胞聚集,但是細胞團中的細胞常常大小和形狀不一,從而導(dǎo)致不同步分化。為了能解決一致性的問題,Zandstra實驗室的博士后Mark Ungrin嘗試利用一些公開的實驗指導(dǎo)手冊獲取單細胞懸浮液聚集體,剛開始的時候,他能得到穩(wěn)定的聚集細胞,但是之后這些細胞就紛紛死了,他回憶道,“不同實驗中細胞的大小都不一致,有時我在一個孔里能發(fā)現(xiàn)幾種聚集細胞。”
Ungrin花了6個月的時間鉆研細胞培養(yǎng)基,之后,他開始轉(zhuǎn)向細胞本身,結(jié)果發(fā)現(xiàn)了兩個重要的因素:一個是他驚訝的發(fā)現(xiàn),經(jīng)過幾代傳代的成熟的hESCs一般都會形成穩(wěn)定的細胞聚集,而在分化前階段的細胞則傾向于形成單細胞懸浮,因此Ungrin決定在細胞分化之前收集細胞。另外一個發(fā)現(xiàn)就是一種Rho關(guān)聯(lián)的激酶,這種小分子抑制劑在之前的研究中發(fā)現(xiàn)能提高細胞存活率,Ungrin發(fā)現(xiàn)對于他的干細胞,這種小分子也起作用。
Ungrin表示,“進行人類胚胎干細胞研究zui令人頭疼的事之一,就是你在實驗室中做的工作很難重復(fù),而你又不知道是什么原因”,即使是用不同的移液器進行平板轉(zhuǎn)移,也有可能造成不同的結(jié)果。因此Ungrin建議研究人員除了記住培養(yǎng)基,還要記住自己細胞的年齡階段和狀態(tài),這些都會影響存活率。
干細胞培養(yǎng)確實是頗令人煩惱的一項實驗過程,這是許多剛進行干細胞研究的實驗人員所沒有意料到的,不過通過越來越多積累的實戰(zhàn)經(jīng)驗也許能漸漸悟出其中的前因后果,不過也可以利用一些商品化的產(chǎn)品幫助我們盡快的解決這些問題。
針對干細胞培養(yǎng),的細胞培養(yǎng)產(chǎn)品公司HyClone(屬于Thermo Scientific)推出了AdvanceSTEM系列產(chǎn)品,這一系列產(chǎn)品主要支持小鼠干細胞研究的各種應(yīng)用,包括細胞擴增,保持小鼠胚胎干細胞和人成體間質(zhì)干細胞的未分化狀態(tài),將間質(zhì)干細胞專一的分化成神經(jīng)元,脂肪細胞,軟骨細胞和骨細胞等類型的細胞等等。
其中AdvanceSTEM™推薦的DMEM是一款低滲DMEM,這款產(chǎn)品具備一般常規(guī)細胞培養(yǎng)的影響因素(生長因子等),重要的是具有與小鼠胚胎干細胞相近的*滲透壓,而且其特異的配方保證在37℃5%CO2的培養(yǎng)條件下能夠保持生理狀態(tài)下的pH,這些對干細胞生長和保持一致性非常有好處,另外可以在這個DMEM中加入AdvanceSTEM™血清替代物,幫助使胚胎干細胞保持在未分化的狀態(tài),AdvanceSTEM™血清替代物是一種無血清培養(yǎng)物,血清是動物細胞離體培養(yǎng)常見的培養(yǎng)液,在某些情況下不能用血清培養(yǎng)細胞,比如觀察一種生長因子對某種細胞的作用。
另外Invitrogen公司在今年5月就推出了*間充質(zhì)干細胞的無血清培養(yǎng)基,專門用于間充質(zhì)干細胞(MSC)或來源于骨髓的干細胞的培養(yǎng)。STEMPRO MSC SFM是*限定的,意味著培養(yǎng)基中的每一種成分都是已知量的,因而排除了顯著的批間差。這個培養(yǎng)基能使MSC維持未分化狀態(tài)超過9代,而用傳統(tǒng)的加血清培養(yǎng)基培養(yǎng)的細胞在5代后就開始出現(xiàn)分化。此外,Invitrogen還推出了一種*限定的無動物來源的干細胞基質(zhì),用于胚胎、間充質(zhì)和神經(jīng)干細胞的附著和擴增。(其中STEMPRO MSC SFM入圍了本年度創(chuàng)新產(chǎn)品評比的候選名單,歡迎大家投票)
2.尋找標(biāo)記
來自維吉尼亞共和國大學(xué)在干細胞生物工程學(xué)家Raj Rao希望能利用細胞表面標(biāo)記物了解人類胚胎干細胞,進而調(diào)控胚胎干細胞,但是目前對于評估hESCs的多能性,以及胚胎干細胞在分化的時候會產(chǎn)生什么樣的變化,并沒有設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)。通常采用的細胞標(biāo)記包括階段特異性胚胎抗原3和抗原4(SSEA-3和SSEA-4),但是不同的細胞系在SSEA-3和SSEA-4的表達上差別較大,很難統(tǒng)一。
為了解決這個問題,Rao利用了一種在胚胎發(fā)育過程中結(jié)合和修飾細胞表面糖組分的蛋白:凝集素lection。小鼠ESC有關(guān)的文獻表明,在發(fā)育的植入前和植入階段,凝集素受體會展示在細胞表面。Rao研究小組對14種不同的凝集素進行了分析,希望能找到與SSEA-4同時表達的凝集素,結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)了一些這種蛋白,比如蓖麻凝聚素(Ricinus communis agglutinin),懷槐凝集素(Maackia amurensis),這些蛋白可以緊緊的結(jié)合在hESCs上,能用于預(yù)測多能性。
Rao表示,你實驗的標(biāo)記越多,那么就越能證明細胞的多能性。對于希望進行凝集素檢測實驗的研究人員而言,這種方法相對直接和便宜,需要的只是一些抗體,和一臺臺式的流式細胞儀。
但是要記住,對于不同的細胞系,甚至是同一細胞系的不同細胞群,凝集素和其它細胞表面標(biāo)記物,比如SSEA-4的表達都是不相同的,要想增加結(jié)果的可信度,可行的一個辦法就是增加分析樣品的數(shù)目。
其中Rao提到的這兩種抗體,默克,Invitrogen等廠家可以提供,至于臺式流式細胞儀,可以考慮下占市場較大份額的公司:美國的BD(Becton Dickinson)公司和貝克曼Beckman Coulter公司(原名稱Couter)。
BD的流式細胞儀,不消說,是經(jīng)典中的經(jīng)典,其生產(chǎn)的產(chǎn)品都冠以FACs(fluorescence-activated cell sorter)熒光激活細胞分選儀的名稱——FACs即流式細胞儀的縮寫,這不僅說明了BD生產(chǎn)流式細胞儀的時間早,也說明了其流式細胞儀的品質(zhì)高,近期國內(nèi)進行的重組桿狀病毒的研究就是利用的他家的流式細胞儀。BD的流式細胞儀產(chǎn)品型號比較齊全,包括FACSCount(小型流式細胞儀)、FACSCAlibur(流式細胞儀)、FACSAria(流式細胞分選儀)、FACSVantage SE(多色分析和高速分選流式細胞儀)、LSRII(數(shù)字化分析型流式細胞儀)。這些流式細胞儀各有各的特點,比如FACSAria流式細胞分選儀這種臺式高速細胞分選儀的出現(xiàn)大大提高了分選性能,同時還增強了其它功能(具體可見2008技術(shù)點評:流式細胞分選)。
近期BD還推出了干細胞分選試劑盒,這種即用型的多能干細胞鑒定和分選試劑盒包括了預(yù)滴定的熒光標(biāo)記抗體,實驗設(shè)定磁珠、驗證過的實驗步驟以及軟件分析模板。此試劑盒針對現(xiàn)有的BD流式細胞儀優(yōu)化過,開箱即用。即使經(jīng)驗不多的流式細胞儀用戶,也能快速掌握這種方法。它同時將分析與分析之間的變異性減至zui低,讓結(jié)果更快更可靠。在抗體用完之后,能輕松補充抗體,滿足特別的研究需求。
另外Beckman Coulter推出的適合篩選量大的實驗室的流式細胞儀,可以用于生物醫(yī)學(xué)基礎(chǔ)研究以及臨床檢測的許多領(lǐng)域,如遺傳、腫瘤、血液、免疫等諸多研究中紅細胞、T細胞、淋巴細胞亞群測定、檢測早期細胞凋亡、腫瘤細胞免疫測定等。
除了這兩個*,也可以考慮其它流式細胞儀,比如Accuri Cytometers、Guava科技公司、Union Biometrica、Amnis等,近期Guava科技公司與Millipore公司宣布將會獎勵給一名科學(xué)家一臺Guava的流式細胞儀,價值10萬美元,條件是這名科學(xué)家的創(chuàng)新研究計劃將會推動對細胞生物學(xué)的了解。申請時間為2009年的1月1日到4月30日,在Millipore和Guava的上都可提交(www.millipore.com 和www.guavatechnologies.com)。有興趣的國內(nèi)科學(xué)家可以試一下。
3.防止污染
薩克生物研究學(xué)院(the Salk Institute for Biological Studies)的Travis Berggren研究小組通過成纖維細胞飼養(yǎng)層研究hESC自我更新調(diào)控。但是05年Berggren在WiCell研究院進行研究的時候,許多實驗室的細胞被支原體污染,這種污染物具有抵抗抗生素的能力,并且不容易觀察到。
研究小組花了兩個星期的時間清洗細胞和培養(yǎng)物,滅菌消毒,但是他們浪費的不只是兩個星期的工作時間,由于支原體生長很慢,并且不會干擾分化,因此研究人員長達一個月的時間都不知道所研究的細胞已經(jīng)被污染,即使在發(fā)現(xiàn)了污染物后,一些合作研究人員即使檢測到了污染,仍然認為他們的細胞能存活,Berggren說,“這告訴我們,實際上早就應(yīng)該進行檢測了。”
因此Berggren的研究小組建立了一個常規(guī)檢測過程,在其后的三年里他們都嚴格執(zhí)行著這一步驟,每個星期他們都會通過支原體特異性酶或DNA檢查新培養(yǎng)物,每2-4個星期檢查舊培養(yǎng)物。所有新的培養(yǎng)物質(zhì),比如用在飼養(yǎng)層的小鼠成纖維細胞,都會先經(jīng)過檢查,并且在使用培養(yǎng)物之前,他們都會至少驗證兩次。
對于將小鼠ESCs的研究轉(zhuǎn)向人類ESCs研究的實驗室而言,支原體特別的麻煩,這是因為人類干細胞在操作上更難,它們更易失去分化潛力,或者死亡。進行hiPSCs研究的實驗室也需要注意這個污染問題。
對于這種情況首先需要的是預(yù)防,確保細胞來源和培養(yǎng)物沒有受到支原體的感染,再來就是需要及時的發(fā)現(xiàn)支原體感染,檢測支原體的方法有很多,包括肉眼觀測方法,PCR方法,熒光檢測方法,電鏡檢測方法等,其中比較常見的是PCR方法和熒光檢測方法,前者譬如Sigma-Aldrich,Stratagene等公司都有相關(guān)的試劑盒,后者用的比較多的是Hoechst公司的相關(guān)產(chǎn)品,具體可見支原體細胞培養(yǎng)中的大敵。
4.干細胞分化
美國ATCC干細胞中心的華人科學(xué)家馬武(Wu Ma,音譯)研究組在細胞外基質(zhì)ECM對于干細胞自我更新和分化十分關(guān)鍵的這一理論的基礎(chǔ)上,希望能了解ECM中有哪些元素對于干細胞形成神經(jīng)祖細胞具有決定作用。
他們檢測了兩個不同的hESCs系,將這兩個細胞系鋪在五種不同的基質(zhì)表面:多聚賴氨酸(poly-D-Lysine),纖維粘連蛋白(fibronectin),人層連蛋白(laminin),I型膠原蛋白(type 1 collagen),以及Matrigel(BD公司的一種ECM),結(jié)果他們發(fā)現(xiàn)laminin上培養(yǎng)的細胞是分化得的,研究人員也發(fā)現(xiàn)這種效果也與干細胞整合素受體有關(guān),因為阻斷a6b1受體會減緩分化。
雖然馬博士發(fā)現(xiàn)了于他的基質(zhì),但是這并沒有給出一個“包治百病”的“藥方”:同一培養(yǎng)機制對于不同的細胞系具有不同的效果,因此馬博士建議,在選擇培養(yǎng)物和其它介質(zhì)的時候,不僅要了解過去的干細胞研究的微環(huán)境如何,還要仔細看看正常體內(nèi)發(fā)育過程中所涉及的細胞因子。比如說要分化成神經(jīng)細胞,那么就可以看看哪些是大腦發(fā)育過程中常見的因子,不過也要注意這也是有局限性的,一些人類胚胎干細胞系在同樣的培養(yǎng)條件下也會產(chǎn)生多少不一的神經(jīng)細胞。