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D-脱硫生物素应用之一
点击次数:1686 发布时间:2017-11-30

规模化分选纯净种子细胞的新方法

 

中国是世界人口大国,因创伤、疾病、遗传、衰老等因素造成的组织和器官缺损、衰竭或功能障碍的患者人数位居世界各国之首,以药物和手术治疗为基本支柱的经典医学治疗手段,已不能满足临床医学的巨大需求。细胞治疗可以通过移植对应组织的细胞来修复发生了病变、衰老或损伤的组织器官,从而更新其生理功能,为组织器官缺损所致的疾病提供全新的治疗手段。但是,这种方法需要有足够数量对应类型的细胞,通过常规的捐献方法很难达到临床上对数量和类型的要求,因而面临着细胞来源短缺的严重问题,这在很大程度上阻碍了细胞治疗的发展步伐。干细胞在体外培养条件下能够维持自我更新,还能够被诱导成为机体几乎所有细胞类型,因而可以为临床疾病的细胞治疗提供重要的种子资源细胞。特别是间充质干细胞的出现,其具有高度的自我更新能力和多向分化潜能,因取材方便、体内植入后不良反应较弱等优点而备受关注,成为细胞替代治疗的理想种子细胞,在细胞治疗中有更广阔的应用前景。

统计发现,间充质干细胞可用于治疗自身免疫病、神经系统、消化系统、骨骼及运动系统等多种疾病,且近年来间充质干细胞用于疾病治疗的案例逐年增加,并有显著效果,因而推动间充质干细胞临床应用是对人类健康做出重大贡献的举措。除此之外,胚胎干细胞(ES)和诱导多功能干细胞(iPS)通过诱导都能够分化成为不同类型的细胞,都是细胞治疗潜在的种子细胞。但是,在诱导分化过程中由于细胞分化程度不一,因而获得特定分化阶段的细胞对临床转化中的疗效和安全性都有重要意义。在这种情况下,如何较快获得高质量、足数量的目的细胞成为细胞治疗亟待解决的问题。 

么,如何解决这个问题,以推动间充质干细胞的临床应用呢?长期探索该问题的中国科学院广州生物医药与健康研究院的研究团队将这个问题分解为3个部分:细胞来源、细胞质量以及细胞获取方式。

在细胞来源方面,间充质干细胞可从多种组织中获取,但迄今为止,脐带仍是的细胞来源。脐带是胎儿与母体之间的纽带,这股纽带在分娩后通常被当做生物垃圾处理。但脐带中蕴含着丰富的间充质干细胞,且使用脐带间充质干细胞不会对母体和胎儿产生任何伤害。在细胞质量方面,脐带间充质干细胞在临床应用中体现出其他来源干细胞所不具备的优越性,包括免疫原性低、副作用小等,是细胞治疗的高质量选择。在细胞获取方式方面,目前脐带间充质干细胞主要通过组织块贴壁法获得,但是这种方法需要花费较长的时间,而且操作过程复杂,从得到脐带到zui终收获细胞通常需要14~22天,妨碍了细胞治疗的临床应用。

为了促进间充质干细胞在组织工程和细胞治疗中的应用,科研工作者提出了许多新的细胞分选策略,以提高细胞的分选效率:除了目前较为流行的流式细胞术和免疫磁珠法外,还有基于细胞大小和密度的分选方法、基于沉降作用的分选方法以及发展的基于核酸识别细胞表面抗原的分选方法等,但这些方法或是分选纯度不高,或是操作复杂、成本较高、对仪器依赖性强等,均不适用于大规模分选细胞。另外,流式细胞术中应用了荧光素标记抗体,分选后荧光素的存在会影响细胞的后续培养,而免疫磁珠法分选的细胞磁珠仍残留在细胞上,也会造成一定的细胞毒性,虽然有些磁珠分选方法可通过酶消化zui终除去磁珠,但酶消化的同时也会破坏细胞表面抗原分子的结构。面对细胞分选技术面临的种种问题,研究团队希望研制出简单、快速、有效、无损、可逆,能够规模化获取间充质干细胞并且不影响细胞的生存率和生物功能的细胞分选方法,目前已初步找到了两种潜力的方案。 

研究团队的*种方案利用了海藻酸和生物素-亲合素系统(Biotin-Avidin System,BAS)。海藻酸是一种天然多聚糖,是构成海藻的细胞壁和细胞间质的主要成分;它属于阴离子型共聚物,可以与金属离子结合形成各种海藻酸盐,具有良好的生物相容性与低毒性,而且具有很强的成胶能力,工业上将海藻酸及其衍生物产品统称为海藻胶或褐藻胶。除海藻酸外,商业上有实用价值的海藻酸衍生物为水溶性的海藻酸盐,包括海藻酸钠、海藻酸钾、海藻酸钙、海藻酸铵、海藻酸丙二醇酯等,其中海藻酸钠是制备多种海藻酸衍生物的zui佳前体。

海藻酸钠属于阴离子多糖,其溶液可以与多种物质混溶,同时也很容易与除镁离子以外的高价阳离子、阳离子表面活性剂及强酸键合形成凝胶沉淀,且形成的凝胶结构具有热不可逆性。但通过改变pH值和加入螯合物等条件可以使凝胶解聚,瓦解凝胶结构,改变这种不可逆性。当离子螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)存在时,钙离子与EDTA结合,海藻酸钙凝胶失去钙离子而解聚,重新形成水溶性的海藻酸。根据这一可逆过程,研究团队制备了海藻酸修饰的磁性纳米颗粒,形成了细胞无损可逆分选的基础之一。

生物素-亲合素系统是20世纪70年代末发展起来的一种新型生物反应放大系统。生物素环形结构中的环为咪唑酮环(又称Ureido环),是与亲合素结合的主要部位;生物素的环结构为噻吩环,带有一个戊酸侧链,末端羧基是标记抗体和酶的*结构。由于生物素分子很小,因而抗体分子和酶经生物素化后,仍能保持其原有活力不变;细胞经生物素化后仍能保持正常的分裂、增殖能力,因此生物素常作为抗体、酶和细胞的标记。生物素-亲合素系统的高度特异性、高度灵敏性是实现细胞无损可逆分选的另一基础。

在基于海藻酸的自组装和生物素-亲和素系统的细胞分选方法中,研究团队首先将海藻酸用链酶亲和素标记,并将其修饰在海藻酸包裹的磁性纳米颗粒上,然后对靶标分子的抗体进行生物素标记;当抗体与细胞孵育并结合到相应细胞表面标志物上后,再与链酶亲和素修饰的磁性纳米颗粒孵育,通过生物素-亲和素系统的特性将细胞与磁性纳米颗粒链接;zui后在磁性富集得到的目的细胞中加入EDTA,使海藻酸钙瓦解、磁珠从细胞上释放,即可得到不含磁珠的目的细胞(见图1)。该步骤可使用不同抗体重复进行,直至得到目的细胞。

通过这种方法,研究团队成功从脐带中分离得到了脐带间充质干细胞,分选效率高达90%(见图2),得到的细胞数目为每厘米150~200万个,远高于传统组织块贴壁法所得到的细胞数目(每厘米2.5万~25万个),且得到的细胞经过诱导能够分化为骨细胞和脂肪细胞

究团队的另一种方案利用了生物素/D-脱硫生物素与链霉亲和素的结合能力差异,被称为“基于生物素/D-脱硫生物素素竞争结合链霉亲和素的细胞分选方法”。D-脱硫生物素是生物机体合成生物素的原料,是不含硫的生物素类似物,其与亲和素的结合能力是生物素的十万分之一,因而当D-脱硫生物素与亲和素结合时能够在温和的条件下被生物素竞争取代,从而保证被分选细胞和大分子的完整性。

与生物素一样,亲和素上同样也有4D-脱硫生物素的结合位点,因而可利用生物素-亲和素系统级联放大信号的作用,将传统的免疫磁珠细胞分选方法进行改良,使细胞表面的抗原放大,更易于被捕获;此外,有些细胞表面标记物表达量较低,也可通过这种级联放大提高捕获效率。

该方法的实施过程为:将靶标分子的抗体用D-脱硫生物素进行标记后与细胞孵育,通过抗原-抗体结合捕获目的细胞,将其与亲和素标记的磁珠进行孵育,使细胞富集到磁珠上,磁性富集即可分离目的细胞,zui后通过与生物素孵育使细胞从磁珠上释放,得到不含磁珠的目的细胞(见图4)。该方法无须使用荧光素标记抗体和抗体标记磁珠,避免了荧光素和磁珠可能对细胞产生的细胞毒性,为细胞的后续增殖和使用提供了质量保障。除此之外,该方法获得的细胞不仅不含磁珠,而且细胞上的残留物更少,在保证目的细胞表面蛋白不受破坏的前提下,为获得纯净的细胞提供了新的思路。

基于脐带间充质干细胞在临床应用中显示出的其他干细胞无法比拟的优越性,研究团队对该方法的实际可行性进行了验证,结果表明,与传统的免疫磁珠分选法相比,采用该方法分选得到的细胞增殖效率没有明显差别(见图5)。

研究团队综合利用海藻酸的自组装、生物素、D-脱硫生物素竞争结合链霉亲和素、生物素-链霉亲和素系统,旨在建立细胞无损可逆分选的新策略,为快速、简便地获得数量足够、质量均一的临床级细胞提供理论依据和技术基础,推动干细胞应用的临床转化。综合看来,研究团队建立并验证的两种方法能够简便、快速地获得目的细胞,可以满足临床上短期内对特定类型细胞的大量需求,具有重要的实用价值;同时还能为基础研究中获得特定阶段、特定类型的细胞提供技术支撑,节约时间和成本。因而,这两种方法对干细胞的基础研究和应用转化均有重要的参考价值。

 

 

基于在无损、可逆分选细胞方法方面的进展和突破,研究团队将继续进行探索和研究,围绕简单、快速地获得不含任何外源物(包括抗体)的目的细胞这一*目标,在后续工作中开发出更好的技术与设备,为推动干细胞的理论研究和转化应用提供先进的

 

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