共聚焦荧光成像设备。
共聚焦荧光成像设备。(ZEISS Microscopy / Wikimedia Commons;CC BY-SA 2.0)

用可扩增细胞观察肝星状细胞的激活

肝星状细胞激活后参与胶原生成,是抗肝纤维化药物研究的对象之一。日本东京大学(The University of Tokyo)等团队在 Stem Cell Reports 报道人源细胞平台,先获得静息样肝星状细胞,再观察药物对其激活过程的影响。

研究使用诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPSC),把细胞分化至肝星状细胞相关谱系。团队比较 TkDN4-M、FF-1 和 FF-2 细胞系,并在第 8 天分选神经生长因子受体(nerve growth factor receptor,NGFR)阳性细胞。

早期分化采用 4% 氧浓度,第 6 天后恢复常规氧条件。研究发现,持续采用 4% 氧浓度时,ACTA2 和 COL1A1 等激活相关基因的表达高于 20% 氧浓度条件,因此调整了后期培养环境。

所得细胞储存维生素 A,表达静息相关 LRAT 及 NGFR、NES,而激活标志 ACTA2 和 COL1A1 较低。相比之下,研究使用的商业原代人肝星状细胞已经表达激活标志。综合这些标志和功能,作者将分化所得细胞称为静息样肝星状细胞。

硬质二维培养形成可跟踪的激活过程

细胞转入胶原包被的硬质二维培养条件后,逐渐失去静息状态。ACTA2 表达在第 3 天明显增加,胶原相关基因的表达逐渐升高,在第 10 天达到所测时点中的最高水平;前胶原蛋白 I α1 的分泌量在培养 7 天后也增加。

转录比较显示,分化细胞从静息样向激活样转变,与外部原代人肝星状细胞资料中的主要变化方向相符。具体标志的变化存在差异,例如 NGFR 和 NES 在两种细胞中的趋势不同。

团队建立 ACTA2 与红色荧光蛋白(red fluorescent protein,RFP)关联的报告细胞,用荧光面积记录激活。图像中的细胞核数量同时用于判断药物是否主要通过减少细胞而降低荧光。

A83-01 和 ICG-001 分别作为已有抑制剂参照,降低 ACTA2 相关荧光及相应激活标志。不同检测相互比较后,团队把这一过程转入 384 孔板筛选。

1453 种候选药经过初筛和细胞数量检查

384 孔板检测以每孔 RFP 总面积评价激活,以 Hoechst 染色统计细胞核数量。报告细胞与不含报告基因的对照细胞比较所得 Z′ 因子为 0.515;另用 A83-01 和 ICG-001 确认药物抑制能降低报告信号。

细胞接种后培养 24 小时,再加入终浓度 1 μM 的候选药,持续观察 4 天。共聚焦图像经自动处理后,分别计算每孔荧光面积和细胞数量。

第一轮测试 1453 种药物再开发候选,每种仅测试 1 次。研究以未加药对照的平均荧光面积减去 3 倍标准差为初筛阈值,筛出 218 种,再对每种候选进行 3 次复测。

复测同时排除每孔细胞数少于 1000 的条件。最终有 16 种候选在这一人源平台中抑制激活,并且没有出现相应的明显细胞数量下降。初筛命中与复测通过是不同层级的结果。

鼠细胞复测进一步缩小候选范围

团队随后把 16 种候选送入新鲜分离的静息鼠肝星状细胞比较。5 种降低了 Acta2、Col1a1、Col3a1 和 Col1a2 等激活相关基因,论文以 B2、F2、H2、A3 和 B3 代号展示这些候选。

按口服可用性继续筛选后,研究保留 2 种候选,其中包括青蒿素。文章讨论了青蒿素及其衍生物已有的肝星状细胞作用资料;这些机制资料来自被引研究。

研究另在既有纤维化小鼠中检测青蒿琥酯。每组 7 只动物的结果显示,肝重与体重之比及 Acta2 表达降低;本篇的这部分验证主要报告上述指标。

在另一项细胞实验中,青蒿琥酯还随剂量增加而降低人肝星状细胞系 LX2 的 ACTA2、COL1A1、COL1A2 和 COL3A1 表达。有关肝组织病理改善的说明引用了既往研究。

平台保留起始状态,也依赖培养环境

可扩增 iPSC 使同一遗传背景的细胞能够反复制备,静息样起点则便于观察激活的发生过程。这与直接使用已处于激活状态的细胞系相比,提供了另一种筛选安排。

原代肝星状细胞离体后难以长期保持静息,常用 LX1 和 LX2 细胞系也表达激活标志。研究因此把获得可重复供应、能够观察激活发生的静息样细胞作为平台目标。

转录比较还发现,分化细胞与原代人静息细胞之间有 23 个差异基因,其中 11 个较高、12 个较低。平台保留激活能力的同时,细胞身份仍通过多个标志和功能共同界定。

模型的主要药物终点仍是 ACTA2 相关荧光和细胞数量。胶原基因、鼠细胞及动物结果用于后续确认,单独降低报告信号的候选需要经过这些进一步比较。

分化细胞与成熟原代细胞的部分标志不同,二维硬质培养也会主动推动激活。研究没有重建肝细胞、免疫细胞与其他组织成分的完整互作,平台集中回答候选药是否干预这一细胞转变。

来源与延伸阅读

  1. Development of human iPSC-derived quiescent hepatic stellate cell-like cells for drug discovery and in vitro disease modeling. Stem Cell Reports. 2021. doi:10.1016/j.stemcr.2021.11.002 ↗