诱导多能干细胞(iPSC)在组织工程和疾病模型的应用研究

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诱导多能干细胞(Induced pluripotent stem cells,iPSC)类似胚胎干细胞,是一种全能干细胞,具有自我更新和多向分化潜能。iPSC在组织工程和疾病模型中具有广泛的应用,其中最显著的应用是将病人的成体细胞转变成hiPSC,并定向诱导病人特异的hiPSC分化为间充质干细胞(Mesenchymal stem cells,MSC)进行疾病模型的建立,机理研究和临床治疗。但是目前为止基于干细胞表面标记的免疫荧光和产生畸胎瘤等传统的hiPSC鉴定方法耗时费力,不同hiPSC克隆间的异质性等影响分化结果,且小分子诱导分化周期长、影响因素多。因此,如何在体外高效鉴定高纯度hiPSC并且大量分化为功能性的iPSC-MSC仍然具有挑战性。本研究结合人工智能建立一种新型hiPSC克隆质量评价方法,同时建立一种简单并且高效的诱导分化hiPSC获得大量功能性MSC的方法。并基于以上建立的方法构建中国早老症患者(Hutchinson-Gilford Progeria Syndrome,HGPS)hiPSC疾病模型以及定向诱导分化为病人特异hiPSC-MSC,对疾病机制进行初步探索。首先,我们使用仙台病毒hiPSC重编程体系重编程健康人的成纤维细胞,获得质量不齐的hiPSC样本。然后,收集hiPSC克隆的显微镜明场图像并对数据进行标记,并建立多元特征集成学习(Hulti-source feature ensemble learning,MsFEL)模型。最后,对模型评估结果进行生物学验证。利用建立的评价模型选取质量好的多株hiPSC培养于无小鼠滋养层的干细胞体系中,使用优化的MSC分化培养基替换干细胞培养基诱导hiPSC分化为MSC。随后对hiPSC-MSC进行表面抗原分析和体外多向分化能力鉴定,并使用获得的hiPSC-MSC对SD大鼠软骨损伤进行体内修复实验。最后,我们通过重编程建立了同一家系2例中国早老患者的hiPSC细胞株并利用建立的评价模型优选hiPSC克隆,同时进行MSC的分化。本论文通过人工智能对所获得的15700个hiPSC克隆鉴定,实现了95.55%的分类精度,建立了hiPSC克隆质量的评价标准,并得到了活细胞染色的验证。我们使用简单的一步法将hiPSC成功诱导分化为功能性hiPSC-MSC。hiPSC-MSC显示与骨髓来源MSC相似的表面抗原模式(CD73,CD90,CD105阳性和CD34,CD45阴性)以及成骨,成软骨和成脂分化能力。SD大鼠软骨损伤修复实验显示我们诱导分化获得的hiPSC-MSC具有体内修复能力。另外使用本论文所建立的hiPSC克隆鉴定和hiPSC-MSC产生方法,我们通过重编程成功建立同一家系2例的中国早老患者的hiPSC细胞株。通过突变位点验证证明了患者hiPSC携带纯合R527C突变,多能性检测表明突变不改变hiPSC的多能性表达。hiPSC-MSC分化后出现了CD90异常,提示了其致病机制或许与CD90表达调控有关。
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