【日本iPS细胞研究报告(五)】近畿大学篇:快速精准消除无效分化细胞

生命科学 2018年08月01日

位于日本大阪府东大阪市的近畿大学,近年在ips细胞的基础研究和基本技术方面也建树颇丰。

2011年,近畿大学连同鸟取大学、STC、东洋先进机床、chromocenter、广岛和光等公司共同开发出高性能的iPS细胞自动分离回收系统[1]。该系统可以自动进行细胞甄别与回收,与传统装置相比,具有结构紧凑、价格低廉的特点(图1)。能够实现在短时间内高效收集而又不对目的细胞产生损伤,希望能在后续再生医疗中有用武之地。

日本iPS细胞研究报告 近畿大学篇

图1 细胞自动回收装置示意图 (来自近畿大学新闻稿)

同年,狭山市医学部高度先端综合医疗中心再生医疗部的福田宽二教授带领研究团队,成功研发出完全区别于传统手段的间充质干细胞制备方法[2]。研究团队将人源或者鼠源iPS细胞移植到免疫缺陷小鼠身上。移植后的iPS细胞在小鼠体内分化长成畸胎瘤*后,研究团队从中分离提取出间充质干细胞等目的细胞(图2)。该制备方法已经申请专利。利用新手段制备的间充质干细胞与骨髓等处存在的间充质干细胞具有相同的遗传背景,可以继续分化成脂肪、软骨、骨等组织细胞。之前福田教授曾成功将胚胎干细胞(ES cells)诱导分化出胰腺细胞。

日本iPS细胞研究报告 近畿大学篇

图2 畸胎瘤制备间充质干细胞流程图 (来自近畿大学官网)

2015年,福田宽二教授的团队又与昕芙旎雅(東京都港区)及三重大学大学院医学系研究科(三重県津市)一起,成功开发出世界上第一台维持iPS细胞高品质的“自动光学式细胞去除仪”[3](图3)。

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图3 自动光学式细胞去除仪 (来自近畿大学官网)

在iPS细胞的分化培养过程中,不可避免的会出现一定比例的非希望的无效分化细胞。这种杂合的iPS分化产物细胞会对后续再生医疗等应用产生负面影响。福田教授团队研发的自动光学式细胞去除仪,在细胞培养过程中进行实时监视观测,采用图像识别技术自动鉴定甄别出分化异常的细胞,并对其进行近红外激光照射,快速精确消除无效分化细胞(图4)。该技术避免了抗生素等化学药剂的使用和物理性接触去除,降低了培养体系被污染的风险,大大提高了培养产品的安全性。通过统一的电脑编程与管理,也降低了大规模培养中由于操所人员素质差异带来的偏差风险。

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图4 细胞培养中(左),通过图像识别技术鉴别出无效分化细胞(中,水印部分),然后对其领域进行近红外激光照射(右,绿色为活细胞,红色为死细胞) (来自近畿大学官网)

2018年7月11日,来自和歌山县纪之川市生物理工学部基因工学科的宫本圭讲师与美国麻省理工学院、英国剑桥大学研究团队阐明细胞初始化本质的重大发现,在线发表于《Cell Reports》上[文献1]。

通常,已经分化成熟的体细胞不能再返回到未分化状态。但是当把成熟体细胞的细胞核移植到未受精的卵子内,细胞核可以返回到分化前的状态,这种现象被称为“初始化”。通过初始化,各类克隆动物也相继见诸报端。同样细胞初始化的iPS细胞的发现与研究开展,也让再生医疗取得了大幅进步。然而,在卵子内体细胞核是如何完成初始化的,机理至今不明。宫本圭等研究团队运用染色质开放性测序技术(Assay for Transposase-Accessible Chromatin Sequencing, ATAC-seq,利用转座酶研究染色质可进入性的高通量测序技术),最终成功发现了已分化细胞在卵子中初始化时,新的基因转录中不同基因迥异的原因。

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图5 实验中运用的染色质开放性测序技术修改版 (来自文献1)

延伸阅读:
*畸胎瘤(Teratoma),卵巢生殖细胞肿瘤中常见的一种,来源于多能性生殖细胞,发病率占全部卵巢原发性肿瘤的15%,分为成熟畸胎瘤(良性畸胎瘤)和未成熟性畸胎瘤(恶性畸胎瘤)。畸胎瘤主要为实心或囊心、被膜包覆的肿瘤,良性畸胎瘤里可以看到许多类似正常器官组织的成分,比如皮肤、毛发、牙齿、骨骼、油脂、神经组织与腺体等。恶性畸胎瘤分化欠佳,没有或少有成形的组织,结构不清。病因不清,可能与胚胎期生殖细胞异常分化等因素有关。文中所提畸胎瘤,是由iPS细胞人工制成的良性肿瘤,作为评估iPS细胞分化能力的常规手段之一,目前已知可分化出脂肪、软骨等多种组织形式。

供稿 宋傑
编辑修改 客观日本编辑部

相关文献:
1. Miyamoto K, Nguyen KT, Allen GE, Jullien J, Kumar D, Otani T, Bradshaw CR, Livesey FJ, Kellis M, Gurdon JB. Chromatin Accessibility Impacts Transcriptional Reprogramming in Oocytes. Cell reports. 24(2) 304-311, Jul 2018

相关链接:
1. iPS细胞自动回收系统 [PDF]
2. iPS细胞制备间充质干细胞的全新方法 [网址]
3. 自动光学式细胞去除装置 [网址]

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