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人胚胎干细胞向血管内皮细胞的诱导分化及后者迁移机制的研究

发布时间:2018-03-28 17:33

  本文选题:人胚胎干细胞 切入点:定向分化 出处:《复旦大学》2006年博士论文


【摘要】: 人胚胎干细胞向血管内皮细胞的诱导分化及后者迁移机制的研究 目的:探讨人胚胎干细胞(hESC)向造血-内皮系诱导分化的能力,将hESC定向分化为高纯度的hESC来源内皮细胞,为hESC应用于构建组织工程血管提供依据。以hESC作为研究载体,建立模仿人胚胎发育过程中血管生成的芽生EB模型,探究SDF-1/CXCR4轴对人类胚胎干细胞来源内皮细胞的迁移和血管生成的影响。 材料与方法:1.选用人胚胎干细胞系(NIH人胚胎干细胞登记署登记号为:WA01和09,简称为H1、H9)为研究对象。将未分化hESC培养在经丝裂霉素或照射灭活的小鼠成纤维细胞饲养层上,每日换液一次,第5-7天后进行细胞传代,检测细胞表面期特异性抗原SSEA(Stage specific embryonic antigen)-1、SSEA-4、TRA(tumor rejection antigen)-1-60、TRA-1-81的表达以明确细胞是否属于未分化状态。2.以与小鼠骨髓基质细胞(OP9)共培养或以悬浮类胚体(embryo body,EB)形式进行造血-内皮系诱导分化,每2-3日换液一次。检测分化过程中细胞表面SSEA-1、SSEA-4、和造血-内皮系转录调控基因(GATA-1、SCL、LMO-2、CD31、Tie-2)、以及该二系细胞表面标志的变化,并以半固体培养基进行造血集落的培养。3.以磁珠分选分化后H1来源CD34~+细胞,将这部分细胞置于内皮培养体系再诱导,获取一群类似于成人脐静脉内皮细胞的贴壁细胞,并对这部分细胞进行内皮细胞的性质鉴定,包括CD31、CD34、Flk-1、VE-Cadherin和vWF等表面标记的表达、吞噬LDL的能力以及在Matrigel基质表面形成网状结构的能力等。4.将分化后EB置于胶原基质和VEGF、FGF等血管生成因子的混合体系中,进行芽生EB的诱导,摸索该体系的最佳培养条件,包括EB的时龄、培养的时间、VEGF/FGF的浓度组合等,并进行芽生结构内皮系性质的鉴定,如:CD31荧光标记和血管生成抑制因子对芽状结构的抑制作用等。5.以RT-PCR法和流式细胞仪检测H1分化不同阶段、H1来源内皮细胞中CXCR4和SDF-1的表达水平。将20μl hESC来源内皮细胞置于微孔膜一侧,微孔膜另一侧加入不同浓度梯度的SDF-1,以ChemoTx系统进行H1来源内皮细胞向SDF-1的跨膜迁移能力检测。以外源性SDF-1上调SDF-1/CXCR4轴、或以AMD3100、CXCR4抗体阻断SDF-1/CXCR4的相互结合,观察这些调节作用对H1来源内皮细胞迁移能力、以及hESC来源原始血管生成的影响。 结果:1.未分化hESC集落表现为圆形或椭圆形、平坦、细胞排列紧密的细胞团,表达SSEA-4、TRA-1-60、TRA-1-81等未分化hESC的特异性标志,,但不表达SSEA-1。随着细胞分化程度的提高,SSEA-4的表达逐渐减弱,而SSEA-1的表达进行性升高。2.HESC与小鼠骨髓基质细胞共培养或以EB形式诱导分化后,原本在未分化状态时不表达的造血-内皮系基因在RT-PCR检测时逐渐显示阳性条带,而未分化基因Oct-4的表达逐渐减弱,中胚层标志基因Brachyury在分化后第6天左右消失。VEGF-R2(Flk-1)在未分化hESC中也有一定程度的表达,随着分化程度的提高,Flk-1的表达程度也逐渐上升。3.细胞在分化后开始表达CD34这一造血/内皮系共同标记,且在第12天左右达到峰值,同期也获得了最多的造血集落数。此后,CD34的阳性率和造血集落的数量逐渐减弱,但粒-巨噬系集落占所有造血集落的比例却逐渐上升。4.我们选择分化后第10天-12天这一CD34表达高峰期为分选时机,以磁珠分选的方法分选hESC来源CD34~+细胞,CD34~+细胞的纯度达到90%以上,这部分细胞同时还表达高水平的CD31、但不表达CD45。将hESC来源CD34~+细胞在内皮细胞培养体系中进一步分化成熟,所获得的贴壁细胞形态类似于成熟人脐静脉内皮细胞,具有成熟内皮细胞的特征,表达高水平的CD31、CD34、Flk-1、VE-Cadherin和vWF,能吞噬Dil-AcLDL,在Matrigel基质表面形成网络状结构。5.将分化第11天的EB置于含有VEGF、FGF的胶原基质中,从EB中可以伸展出有内皮细胞积聚的、类似于血管腔样结构的芽状分支,为芽生EB。芽生EB间还可形成网络状结构,是研究人类胚胎发育过程中血管生成的一种模型。6.HESC的各个分化阶段、hESC来源内皮细胞表面都表达有CXCR4,而且VEGF可以上调细胞表面CXCR4的表达水平。HESC来源内皮细胞可以顺SDF-1浓度梯度出现向SDF-1的跨膜迁移,SDF-1可以增强hESC来源内皮细胞的伸展和相互接触,促进由内皮细胞构成的网络状结构的形成。阻断SDF-1和CXCR4的相互作用可以破坏内皮细胞网络结构、抑制芽状结构的生长、切断芽生EB间的联系。 结论:1.在小鼠胚胎成纤维细胞滋养层上,人胚胎干细胞系能够无限增殖并保持其未分化状态。2.在小鼠骨髓基质细胞表面或以悬浮EB形式,未分化hESC能够进入中胚层途径,向造血-内皮系进一步分化。分化后细胞逐渐表达造血/内皮系表面标记,SSEA-4、Oct-4等未分化标志的表达则明显减弱。3.分化后第12天左右,hESC来源的造血细胞大量涌现,随着分化程度的加深,细胞有逐步脱离原始胚胎造血阶段的可能。4.选择分化后第10天-12天这一CD34近高峰期为分选时机,可以获得高纯度的hESC来源CD34阳性细胞,而且这部分细胞可以进一步诱导分化为成熟的血管内皮细胞。因此,我们已经建立了一种将hESC 定向分化为成熟血管内皮细胞的方法。5.HESC来源内皮细胞表达有SDF-1/CXCR4这一趋化因子配体/受体对,SDF-1/CXCR4可以调节hESC来源内皮细胞的迁移能力。VEGF可能通过上调细胞表面CXCR4的表达而促进芽生EB的生成,与SDF-1/CXCR4共同介导人胚胎发生过程中原始血管网的形成。
[Abstract]:Differentiation of Human Embryonic Stem Cells into Vascular Endothelial Cells and Study of the Mechanism of Migration ;









Objective : To investigate the ability of human embryonic stem cells ( hESC ) to induce differentiation of human embryonic stem cells ( hESC ) into high - purity hESC - derived endothelial cells and to provide the basis for the application of hESC in the construction of tissue engineering vessels . Using hESC as the research carrier , an EB model of angiogenesis in human embryonic development was established , and the effects of SDF - 1 / CXCR4 axis on migration and angiogenesis of human embryonic stem cells derived from human embryonic stem cells were investigated .









Materials and Methods : 1 . Human embryonic stem cell line ( NIH human embryonic stem cell registration number : WA01 and 09 , abbreviated as H1 , H9 ) was used as the research object . Undifferentiated hESC was cultured on the feeder layer of mouse fibroblast feeder irradiated with mitomycin or irradiation . After 5 - 7 days , the expression of specific antigen SSEA ( Stage specific embryonic antigen ) -1 , SSEA - 4 , TRA ( tumor rejection antigen ) -1 - 60 , TRA - 1 - 81 was detected to determine whether the cell belonged to undifferentiated state . The cell surface SSEA - 1 , SSEA - 4 , and hematopoietic - endothelial transcription regulatory genes ( GATA - 1 , SCL , LMO - 2 , CD31 , Tie - 2 ) and the changes of surface markers of the two - line cells were detected in the differentiation process . CD34 + cells were isolated from human umbilical vein endothelial cells by magnetic beads . The cells were then cultured in endothelial culture system to obtain a group of adherent cells similar to adult human umbilical vein endothelial cells . The properties of these cells were identified , including the expression of surface markers such as CD31 , CD34 , Flk - 1 , VE - cadherin and VWF , the ability to phagocytize LDL and the ability to form reticular formation on the surface of Matrigel matrix . EB was induced by EB in the mixed system of angiogenic factors such as collagen matrix and VEGF and FGF . The optimal culture conditions of EB were determined , including the age of EB , the time of culture , the concentration of VEGF / FGF , and the identification of the properties of the endothelial system of the bud structure , such as the inhibitory effect of CD31 fluorescent label and angiogenesis inhibiting factor on the bud structure . The expression levels of CXCR4 and SDF - 1 in H1 - derived endothelial cells were detected by RT - PCR and flow cytometry .









Results : 1 . The expression of SSEA - 4 , TRA - 1 - 60 , TRA - 1 - 81 did not express SSEA - 1 . The expression of VEGF - R2 ( Flk - 1 ) in undifferentiated hESC was gradually decreased , and the expression of Flk - 1 increased gradually with the increase of differentiation degree . After differentiation , the CD34 + hematopoietic / endothelial cells were labeled and peaked at about 12 days , and the most hematopoietic colonies were obtained in the same period . After that , the positive rate of CD34 and the number of hematopoietic colonies decreased gradually , but the proportion of the granulocyte - macrophage colony to all hematopoietic colonies increased gradually . CD34 ~ + cells were isolated from human umbilical vein endothelial cells . The results showed that CD34 ~ + cells were mature in endothelial cells . The morphology of CD34 ~ + cells was similar to that of mature human umbilical vein endothelial cells . EB in the 11th day was placed in the collagen matrix containing VEGF and FGF . The accumulation of endothelial cells could be exhibited from EB . It was similar to the bud - like branch of the vascular cavity - like structure . It was also a model of angiogenesis in the development of human embryo . The expression level of CXCR4 is expressed on the endothelial cell surface of hESC , and the expression level of CXCR4 in the cell surface can be regulated by the VEGF . The migration of SDF - 1 to SDF - 1 can be enhanced by SDF - 1 . The interaction between SDF - 1 and CXCR4 can destroy the network structure of endothelial cells , inhibit the growth of bud - like structure , and cut off the relationship between budding and EB .









Conclusion : 1 . Human embryonic stem cells were able to proliferate and maintain their undifferentiated state on mouse embryonic fibroblast growth layers . In the mouse bone marrow stromal cell surface or in the form of suspension EB , the undifferentiated hESC was able to enter the mesoderm pathway to further differentiate into the hematopoietic - endothelium system . After differentiation , the cells gradually expressed hematopoietic / endothelial system surface markers , and the expression of SSEA - 4 , Oct - 4 and other undifferentiated markers decreased significantly . At the 12th day after differentiation , the hematopoietic cells of hESC origin are emerging , and with the deepening of differentiation degree , the cells are gradually separated from the possible hematopoietic stage of the original embryo . High - purity hESC - derived CD34 - positive cells can be obtained by selective differentiation from 10 to 12 days after differentiation , and these cells can be further induced to differentiate into mature vascular endothelial cells .









Directional differentiation into mature vascular endothelial cells . The expression of SDF - 1 / CXCR4 and SDF - 1 / CXCR4 in HESC - derived endothelial cells can regulate the migration of endothelial cells from hESC .

【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:R329.2

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本文编号:1677332

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