维普资讯 http://www.cqvip.com 广西科学Guangxi Sciences 2002,9(4):302~305,311 胚胎干细胞的培养体系综述 On Cul ture Systems of Embryonic Stem Cel l s 蒙超衡 黎宗强 梁明振 Meng Chaoheng Li Zongqiang Liang Mingzhen (广西大学动物繁殖研究所南宁市秀灵路13号 530005) (Animal Reproduction Institute,Guangxi University,13 Xiulinglu,Nanning,Guangxi,530005,China) 摘要 综述胚胎干细胞培养基、有饲养层培养体系和无饲养层培养体系的主要成分,以及无血清胚胎干细胞培 养基。 关键词 胚胎干细胞 培养体系 培养基 中图法分类号Q813.7 Abstract The main components of the culture mediums for embryonic stem(ES)cells,two major culture systems such as the culture systems with feeding layer and without feeding layer,and the serm—free ES cell culture medium are reviewed. Key words embryonic stem cells,culture system,culture medium 胚胎干细胞(ES细胞)是来源于植入前胚泡的内 细胞团的细胞(ICM)l1 和原始生殖细胞(PGCs)E3], 它既可分裂增殖为与之相同的保持全能性的细胞,又 能分化为分化潜能更小的细胞。如培养于含有白血病 抑制因子(LIF)的培养基中,可保持增殖而不分化 ]。 ES细胞的培养条件关键是既要维持细胞的未分 数ES细胞系则介于二者之间。不同的ES细胞系具 有不完全相同的特征和营养要求,故每个ES细胞系 都应建立适合其生长的最佳条件,维持一个ES细胞 系的条件不能用于另一个细胞系 。所以,有必要对 干细胞的培养体系做一综述。 化状态和潜能性,又要使其无限增殖。细胞培养能否 l培养基的主要组成 ES细胞培养液的组成是在基础培养基上添加血 达到目的,选择合适的培养体系是关键,一般是根据 文献及个人的经验提出设计,再通过一系列的实验进 行确认 ]。胚胎干细胞的培养成功与否,可以通过细 清、I IF、 巯基乙醇,L一谷氨酰胺等成分 ,并使用饲 养层细胞或条件培养基(CM)。 常用的基础培养基为含高糖(4 500 mg/L)和谷 氨酰胺的DMEM 。由于ES细胞来源于分裂增殖 非常活跃的早期胚胎细胞,维持其生长代谢所需的营 胞集落的形态、二倍体核型检查、能否形成嵌合体动 物等方法进行检验 。 国内外学者已相继建立了大鼠l7]、小鼠一 、 猪。、牛[I o-,还有鸡、兔、金黄地鼠、灵长类等多种动 物的ES细胞系 。但国内的ES细胞的建系和培养 养要充足。高糖的DMEM可以提高ES细胞的增殖 速度,同时又能提供饲养层细胞生长所需的能量。ES 过程中仍存在着建系率低、培养的细胞中正常核型的 细胞对谷氨酰胺要求较高,它是细胞合成蛋白质与核 酸所必需的,由于谷氨酰胺在溶液中易分解,所以使 用前须重新加入。』3一巯基乙醇除了对胚胎细胞的分裂 增殖有促进作用外,还可还原血清中的含硫化合物, 防止过氧化物对ES细胞的损害。 添加的血清为胎牛血清(FCS)和小牛血清。血清 含有丰富的营养成分,在促进ES细胞增殖方面起到 比率低及能形成嵌合体的细胞系比率低等问题 。。 由于不同种类动物的ES细胞以及同种不同品 系动物的ES细胞的体外培养条件具有明显差异性, 如有的ES细胞系极易分化,二倍体核型也很难维 持;有的则很不容易分化,二倍体核型容易维持;大多 很好的作用,并对ES细胞的贴壁生长、集落形态有 Guangxi Sciences.Vo1.9 No.4,November 2002 维普资讯 http://www.cqvip.com 重大影响。此外它可能含有一些未知的促ES细胞分 化的因子,也可能含有微量的血红蛋白和内毒素,会 干扰ES细胞的生长。但高浓度的血清并不利于ES 细胞生长。 牛类ES细胞卫 。PMEF对ES细胞分化的抑制作用 可能来源于它们产生的I IF~! 。 大多数实验室均采用PMEF作为饲养层分离培 养ES细胞 ,PMEF多来源于14.5 d孕鼠,如以10 不同批次的血清对促进ES细胞生长具有不同 的效果。每个ES细胞系依赖于建系时所用的血清批 次,若更换血清,则应以该细胞系为供试细胞,在含有 待测血清的培养基上进行传代培养(8~10代)和克 隆测试,测试合格的血清只适用于该细胞系,若用于 其它ES细胞系,则仍可能出现不同的效果。故建系 和维持ES细胞生长所用血清应为同一批次一 。 d、18 d的PMEF制作的饲养层,ES细胞亦能生长良 好,并保持未分化状态l! 。在使用前,可用放射线~ 或丝裂霉素一C处理2 h或90 rain一 一使PMEF失去 分裂活性。 用1~3代的PMEF培养ES细胞时,可以理想 地维持其未分化状态,并在一定代次内维持其二倍体 核型一 一。随着传代次数增多,PMEF产生抑制分化因 子和促增殖因子的能力会减弱甚至丧失一 !。反复制 备PMEF会增大培养的工作量。目前这一缺陷可通 需添加其它的细胞生长促进因子有干细胞因子 (SCF)、碱性成纤维细胞生长因子(bFGF)等 。 SCF和bFGF对ES细胞生长起促进作用,但也有人 认为bFGF和SCF对ES细胞生长无协同作用,在有 膜结合形式的SCF存在的情况下,不需加入 bFGF一 。用表达SCF的ST()#8细胞系培养ES细 胞,其生长可不依赖外源SCF¨j。 与其它类型的细胞培养不同的是,干细胞的培养 必须使用细胞分化抑制因子(DIA)。其中起主导作 用,也是目前研究最多、使用最广泛的是LIF。ES细 胞培养液也含有DIA,可配制成条件培养基;饲养层 细胞也可起到抑制细胞分化,促进增殖的作用。 过大批地培养并分装冻存,使用时再融化制备滋养层 细胞的方法而得到弥补一 一。 由于PMEF不具耐药性,故不能作为转染有外 源性基因的ES细胞筛选用。 2.1.2小鼠成纤维细胞无限系(ST())细胞 用STO饲养层培养ES细胞时,可以较好地维 持ES细胞的未分化状态,但是一般认为,sTO细胞 系经长期培养和反复冻存后会使分泌细胞因子的能 力下降 。 ,使ES细胞的集落形态不够典型,且 不能有效维持其二倍体核型 。 2培养体系 依据DIA的来源不同,培养体系分为有饲养层 及无饲养层两大干细胞培养体系。 2.1有饲养层培养体系 但对不同的ES细胞,STO的影响不同。 小鼠全胚或ICM在STO饲养层和PMEF饲养 层均附着增殖,并可获得ES细胞。 以STo、PMEF和STO+BRI (大鼠肝细胞)为 材料克隆猪ES细胞,各实验组都能使ES细胞附着 和增殖,但STO和ST()4-BRL组最高传代数为10 代,而PMEF组传代数仅为3代。将小鼠囊胚在不同 类型饲养层培养,在4 d之内,内细胞团分化速度依 次为STO>PMEF>REF E 。 饲养层细胞是通过细胞接触机制和非接触机制 促进ES细胞增殖并阻止其分化。它能分泌多种细胞 因子,提供ES细胞生长的环境和信号。饲养层对ES 细胞的分化抑制是其分泌多种因子共同作用的结果。 不同ES细胞的最佳饲养层不尽相同,不同的饲 养层细胞在使用上也各具优缺点。 可做为饲养层细胞有原代小鼠胚胎成纤维细胞 (PMEF)、小鼠成纤维细胞无限系(ST())一 - 、转入 了SCF基因的STO#8细胞1 3]、3T3细胞和OP9细 Thomson等 于1998年底分别报道了利用 小鼠的STO细胞作为饲养层,分离培养人受精卵发 育的胚泡内层细胞和怀孕5~9周的流产胎儿的性腺 脊细胞,建立了人的ES和EG(胚胎原始性生殖细 胞)细胞系,此细胞具有正常的核型,表达高水平的端 粒酶活性和灵长类ES细胞的特异性细胞表面分子, 胞、原代鸡胚成纤维细胞、卵巢、输卯管、子宫内膜细 胞和胎肝成纤维细胞等细胞 ,以及膀胱癌细胞、子 宫颈鳞状上皮细胞癌细胞等肿瘤细胞 。 2.1.1原代小鼠胚胎成纤维细胞(PMEF) PMEF作为饲养层培养ES细胞是一种最早和 常用的方法一 ’! 。,它能有效地促进ES细胞的增殖并 维持其未分化性和多潜能性,可用于大多数动物ES 可分化发育为含外、中、内三个胚层的细胞。 2.1.3其它细胞 SNL是一种转染了neo"/抗性基因和LIF基因 的SIM小鼠成纤维细胞耐硫代鸟嘌呤和耐乌本苷亚 系STO细胞亚株,它可以长期在体外进行传代和冻 存,并能分泌抑制ES细胞分化的LIF,故作为饲养层 细胞一”,体外培养条件基本同PMEF饲养层,但需加 3O3 细胞的分离,如用PMEF作饲养层,能成功地分离到 广西科学 2002年11月 第9卷第4期 维普资讯 http://www.cqvip.com L一谷氨酰胺。使用SNL可免去准备怀孕母鼠的繁琐 条件培养基用于ES细胞的培养,与加LIF的ES细 胞培养基具有同样的培养效果 经济。 工作。又因其带有neoT抗性基因,故可以用于转基因 ES细胞的筛选。 以胎牛肝成纤维细胞(BFLF)作为饲养层的培养 可分离到绵羊和山羊类ES细胞 。 ,而且远比LIF 2~3周龄大鼠的心肌细胞培养上清也可以用于 ES细胞培养_3 。 ES细胞在膀胱癌细胞、子宫颈鳞状上皮细胞癌 细胞等肿瘤细胞饲养层上生长更旺盛 。 用于制备条件培养基的其它细胞还有:HBC(人 膀胱癌细胞株5637),PSA一1(一种小鼠EC细胞), PC10—6R(LIF转染的COS细胞),T一3细胞(一种小 鼠EC细胞)[31j。 在CRlaa(Charles Rosenkra 1氨基酸)+亚硒酸 原代鸡胚成纤维细胞饲养层使小鼠ES细胞克 隆传10代以上卫 。 2.2无饲养层培养体系 采用无饲养层的方法进行培养,首先,可克服使 用饲养层细胞培养ES细胞的繁琐;其次,可排除实 验中的细胞接触抑制作用及饲养细胞分泌其它因子 的干扰,从而更为准确地研究某一因子对ES细胞生 钠+胰岛素+转铁蛋白+5 9/5FCS培养系统中低密 度悬浮培养体外受精牛胚胎,并用免疫外科手术法分 离ICM,该ICM在该培养基中培养101 d,保持未分 化状态。用这种方法建立了15个培养的ICM细胞 系。将培养的ICM细胞进行核移植获得34枚囊胚移 入27个受体内,13头妊娠,最终产下4头犊牛[37 2。 对细胞培养液能抑制ES细胞分化的机理的研 究发现,细胞培养液中含有分化抑制因子(DIA)。 长的影响;第三,能排除处理饲养层细胞时所用丝裂 霉素对ES细胞的毒性作用。但用条件培养基作培养 液分离和克隆ES细胞,只能在短期传代中维持ES 细胞全能性及核型正常 。 常用的方法是在培养液中加入外源的I 1F和使 用能分泌I IF的细胞制备条件培养液等。用转基因 Smith 认为,DIA和LIF是同一种物质,在无饲养 层细胞条件下,向培养基中加入LIF(10 ng/m1),可 维持ES细胞和畸胎瘤(EC)细胞的多潜能性。 从小鼠STO饲养层细胞培养液中提取的DIA, 的方法,将I IF的基因转入ES细胞中,建立不依赖 外源LIF的ES细胞系,也是方法之一。 2.2.1 LIF 能部分抑制ES细胞分化,该多肽因子分子量为 5700l3 。LIF是一种白血病抑制因子,也是理想的ES细 大鼠BRL细胞在培养的过程中,能分泌一 胞分化抑制剂[32,3 3]。外源LIF可使ES细胞在未分化 状态下长期培养,在ES细胞培养液中加入LIF即可 用于无饲养层的ES细胞培养。 种抑制畸胎瘤(EC)和ES细胞分化的因子(其结构与 LIF相似)。Yang等 。 用小鸡肝细胞条件培养基,证 明禽类细胞也能产生一种DIA样因子,抑制小鼠ES 细胞的分化。 对小鼠而言,在一定浓度范围内,I IF与ES细胞 克隆效率之间存在量效关系。当LIF浓度达到1 000 ~由细胞培养液配制的条件培养基含有500~ 5000 IU/ml LIF E。¨。 5 000 IU/ml时,从ICM中分离ES细胞的效率可 达95 9/5以上一 。也有实验认为LIF的最适用量为 1 000 IU/ml ̄ 。 2.2.3建立不依赖于LIF的ES细胞系 Berger等 。。利用无LIF的培养系统建立了ES 细胞系,即使在培养液中加入外源性LIF抗体也不 影响ES细胞生长,并可长期保持未分化状态和多向 分化潜能。杜宪兴等 将LIF基因转入ES细胞可使 2.2.2细胞培养液 Smith和Hooperl3 研制了一种条件培养基用于 分离和克隆ES细胞。其方法是将基础培养液 (Glusgow—Eagle改良培养液+0.1 M非必需氨基酸 +1 mM丙酮酸钠+10 9/6NBS+0.2 mM二巯基乙 ES细胞不依赖外原性LIF而长期不分化增殖,且不 影响ES细胞的多向分化潜能性。 2.3无血清ES细胞培养基 GIBCO公司新近推出一种替代FCS的无血清 ES细胞培养基,更有利于ES细胞的诱导分化研究。 醇)与STO饲养层细胞共同培养24 h(37 C、5 CO 、饱和湿度)后获取培养液,用0.2/xm滤膜过滤, 用该培养液培养胚胎瘤细胞。其能促进细胞增殖,抑 制由维甲酸(RA)和二甲基亚砜(DMSO)诱导的细胞 分化。 但有实验观察证实,在无血清ES细胞培养基中生长 的ES细胞贴附力不如在有血清ES细胞培养基中生 长的细胞强。除了使用明胶增强细胞的贴附力外,可 以尝试使用多聚氨酸、纤维结合蛋白等增强细胞贴附 力的物质等u 。 Guangxi Sciences,Vo1.9 No.4,November 2002 用大鼠肝细胞(BRL)培养液配制大鼠肝细胞条 件培养基(BRL—CM),在无饲养层条件下分离和克隆 了小鼠ES细胞 。用BRI 细胞培养上清液制备的 304 维普资讯 http://www.cqvip.com 综上所述,各种ES细胞培养体系的研究与开 发,使ES细胞的培养更有效、方便和经济,从而进一 步推动干细胞的研究与应用。 参考文献 1 Martin G R.Isolation of a pluripotent cell line from early mouse embryos cultured in medium conditioned by pluripotent stem cell from cultured human primordial germ cells.Proc Natl Acad Sci USA,1998・95:13726. 黄 冰,黄文革,钟女奇等.小鼠胚胎干细胞在六种培养 体系的培养观察.中国实验动物学报,2000,8(1):1~6. 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