hPSCs細胞來源的腸類器官培養方案及最新應用進展

腸上皮是成年哺乳動物中自我更新最快的組織，平均自我更新時間少于5天。腸干細胞位于腸隱窩（intestinal crypt）底部附近，每個隱窩中的干細胞大約有4-6個，它們產生快速增殖的轉運擴增(TA)細胞，腸細胞、杯狀細胞和腸內分泌細胞都從TA細胞發育而來。TA細胞快速分裂、轉運擴增的子細胞占據了隱窩的其余部分，并流向絨毛的側面，在那里它們分化、吸收營養，最終在絨毛尖端凋亡【1】。

在體外可以由hPSCs來模擬胚胎腸發育的過程，通過添加高濃度的FGF4和Wnt3A，促使hPSCs衍生的終內胚層(DE)向中腸和后腸內胚層分化，并促進腸管樣形態發生，進而產生包含吸收性腸細胞以及主要分泌譜系(包括Paneth細胞、杯狀細胞和腸內分泌細胞)的腸類器官。本篇文章基于Nature protocols【2】整理了hPSCs細胞來源的腸類器官培養方案。

細胞來源

hPSCs

培養基配方

hPSCs培養和傳代

1、將凍存的Matrigel在4°C下過夜解凍，在6孔板的每孔滴加1ml冷的Matrigel，旋動6孔板使Matrigel溶液分布均勻。隨后轉移至37℃條件下孵育10min使其凝固，使用前需室溫靜置1h。

2、將hPSCs接種在包被Matrigel的6孔板中，每孔加入3ml mTeSR1，放置在37℃，5%CO2的培養箱中，培養至細胞融合度約為75–85%、且大部分無分化的狀態時，吸出培養基。

3、向hPSCs中加入1 ml Dispase（1mg/ml），并將培養皿放置在37℃條件下進行解離，直到所有的細胞都以小細胞塊或單細胞的形式漂浮。向每個孔中加入5ml的DMEM-F12，以充分稀釋Dispase。

4、將所有細胞轉移至離心管中，室溫下300g離心3min，收集沉淀細胞。加入DMEM-F12培養基，以1:6的比例接種在Matrigel包被的24孔培養板中，向每個孔中加入0.5ml預熱的mTeSR1進行培養，在2-4天內細胞匯合度達到85-90%。

hPSCs分化成DE

5、吸出mTeSR1，向每個孔中加入0.5 ml預熱的第1天內胚層分化培養基，并將平板放回37℃，5%CO2的培養箱中。

6、24h后，吸出第1天內胚層分化培養基，替換為每孔0.5ml預熱的第2天內胚層分化培養基，并將平板放回37℃，5%CO2的培養箱中。

7、24h后，吸出第2天內胚層分化培養基，替換為每孔0.5ml預熱的第3天內胚層分化培養基，并將平板放回37℃，5%CO2的培養箱中。

8、24h后，吸出第3天內胚層分化培養基，用不含Activin A的第3天內胚層分化培養基洗滌細胞一次。此時在顯微鏡下觀察細胞，應該存在扁平的DE組織，該組織包含非常少的3D結構。

DE分化為中腸和后腸

9、從24孔板中吸出培養基，每孔滴加0.5 ml預熱的中腸和后腸分化培養基。每24h更換一次新鮮中腸和后腸分化培養基，直至96h 。

10、 在立體顯微鏡下，可以看到明顯的3D結構。使用200μl移液器吸頭從每個孔中收集球狀體，并將大約50個球狀體集中到1.5ml微量離心管中。

中腸和后腸球狀體生長成人腸類器官

11、收集球狀體后，將微量離心管垂直放置在管架上10min，此時球體通過重力沉降到離心管底部。吸出上清，控制總體積在25μl左右。

12、 將凍存的Matrigel在4℃下過夜解凍，添加B-27補充劑(終濃度1×)、R-spondin1(終濃度500ng/ml)，Noggin(終濃度100ng/ml)和EGF(終濃度100ng/ml)，用移液器吹打混勻，配制成腸基質膠。

13、 將球狀體滴加在預冷的腸基質膠中，并將樣品混勻，總體積將達到75μl(50μl基質膠+ 25μl培養基+球狀體)。

14 、將混合物接種在4孔板中，注意需接種在孔的中心，避免接觸側壁。

15 、將4孔板放入37℃，5%CO2的培養箱中孵育10min，使Matrigel固化。

16 、向每個孔中緩慢滴加0.5ml腸道生長培養基，確?；|膠被完全覆蓋。

17 、每隔4天，或當培養基中的酚紅變黃時，更換腸生長培養基。

腸類器官傳代

18 、在第14天左右，通過將腸類器官重新包埋在新鮮的Matrigel中，來實現傳代。

19 、在顯微鏡下觀察類器官，吸出孔內的培養基，加入少量DMEM-F12培養基。

20 、使用200μl移液器吸頭用力上下吹打Matrigel 3-5次，釋放Matrigel中的類器官。

21 、在37℃，5%CO2的培養箱中培養組織14天，每4天更換一次腸道生長培養基。-+

腸類器官的最新應用進展

腸道類器官可以在體內移植，作為再生醫學的臨床前工具。2022年2月日本學者Satoshi Watanabe等人【3】利用右旋糖酐硫酸鈉給藥，在結腸遠端引發上皮損傷，隨后將腸道類器官原位移植到受體小鼠的結腸中，實現了上皮細胞的重建。這一步驟可在10分鐘內完成，為腸類器官治療潰瘍性結腸炎的臨床試驗奠定了基礎。

腸類器官作為一種研究模型，在發育生物學、疾病病理學、細胞生物學、再生機制、精準醫療以及藥物毒性和藥效試驗等方面潛力巨大。但是，類器官培養技術建立過程中會面臨多種挑戰。

參考文獻

【1】SATO, Toshiro, et al. Single Lgr5 stem cells build crypt-villus structures in vitro without a mesenchymal niche. Nature, 2009, 459.7244: 262-265.

【2】MCCRACKEN, Kyle W., et al. Generating human intestinal tissue from pluripotent stem cells in vitro. Nature protocols, 2011, 6.12: 1920-1928.

【3】WATANABE, Satoshi, et al. Transplantation of intestinal organoids into a mouse model of colitis. Nature Protocols, 2022, 1-25.