Summary

Alternativa kulturer för Human pluripotenta stamceller Produktion, underhåll, samt genetisk analys

Published: July 24, 2014
doi:

Summary

Here, we present human pluripotent stem cell (hPSC) culture protocols, based on non-colony type monolayer (NCM) growth of dissociated single cells. This new method, utilizing Rho-associated kinase inhibitors or the laminin isoform 521 (LN-521), is suitable for producing large amounts of homogeneous hPSCs, genetic manipulation, and drug discovery.

Abstract

Human pluripotent stem cells (hPSCs) hold great promise for regenerative medicine and biopharmaceutical applications. Currently, optimal culture and efficient expansion of large amounts of clinical-grade hPSCs are critical issues in hPSC-based therapies. Conventionally, hPSCs are propagated as colonies on both feeder and feeder-free culture systems. However, these methods have several major limitations, including low cell yields and generation of heterogeneously differentiated cells. To improve current hPSC culture methods, we have recently developed a new method, which is based on non-colony type monolayer (NCM) culture of dissociated single cells. Here, we present detailed NCM protocols based on the Rho-associated kinase (ROCK) inhibitor Y-27632. We also provide new information regarding NCM culture with different small molecules such as Y-39983 (ROCK I inhibitor), phenylbenzodioxane (ROCK II inhibitor), and thiazovivin (a novel ROCK inhibitor). We further extend our basic protocol to cultivate hPSCs on defined extracellular proteins such as the laminin isoform 521 (LN-521) without the use of ROCK inhibitors. Moreover, based on NCM, we have demonstrated efficient transfection or transduction of plasmid DNAs, lentiviral particles, and oligonucleotide-based microRNAs into hPSCs in order to genetically modify these cells for molecular analyses and drug discovery. The NCM-based methods overcome the major shortcomings of colony-type culture, and thus may be suitable for producing large amounts of homogeneous hPSCs for future clinical therapies, stem cell research, and drug discovery.

Introduction

Kapaciteten i hPSCs att differentiera mot multilineage vuxna vävnader har öppnat nya möjligheter att behandla patienter som lider av svåra sjukdomar som involverar hjärt-, lever, bukspottkörtel, och neurologiska system 1-4. Olika celltyper härrör från hPSCs skulle också ge robusta cellulära plattformar för sjukdomsmodellering, genteknik, drog screening och toxikologiska tester 1,4. Den viktigaste frågan som garanterar deras framtida kliniska och farmakologiska tillämpningar är generering av ett stort antal kliniska kvalitet hPSCs genom cellodling in vitro. Men de nuvarande kultursystem är antingen otillräckliga eller inneboende variabel, olika feeder-och feeder-fria kulturer av hPSCs som kolonier 5,6.

Colony typ tillväxt av hPSCs delar många strukturella drag den inre cellmassan (ICM) i däggdjursembryon tidigt. ICM är benägen att differentiera till de tre bakterie-lageri en flercellig miljö på grund av förekomsten av heterogena signalering gradienter. Således är förvärv av heterogenitet i tidig embryonal utveckling betraktas som en erforderlig process för differentiering, men en oönskad egenskap hos HPSC kultur. Den heterogenitet i HPSC kulturen ofta induceras av alltför apoptotiska signaler och spontan differentiering på grund av suboptimala tillväxtbetingelser. Således, i koloni-typ kultur, de heterogena celler observeras ofta i periferin av kolonierna 7,8. Det har också visat att cellerna i mänskliga embryonala stamceller (hESC) kolonier uppvisar differential svar på signalmolekyler som BMP-4 9. Dessutom koloniodlingsmetoder producerar låga cellutbyten samt mycket låga cell återvinningen från frysförvaring på grund av okontrollerbara tillväxt och apoptotiska signalvägar 6,9. Under senare år har olika suspensionskulturer har utvecklats för odling hPSCs, particularly för expansion av stora mängder hPSCs i feeder-och matrisfria betingelser 6,10-13. Uppenbarligen olika kultursystem har sina egna fördelar och nackdelar. I allmänhet representerar den heterogena karaktären hos hPSCs en av de stora nackdelarna i koloni-typ och aggregerade odlingsmetoder som är suboptimal för att leverera DNA-och RNA-material till hPSCs för genteknik 6.

Uppenbarligen finns det ett tvingande behov av att utveckla nya system som kringgår vissa brister i nuvarande odlingsmetoder. Upptäckterna av småmolekylära hämmare (t.ex. ROCK hämmare Y-27632 och JAK-hämmare 1) som förbättrar encelliga överlevnad bana väg för dissocierade-HPSC kultur 14,15. Med hjälp av dessa små molekyler, har vi nyligen utvecklat en odlingsmetod som bygger på icke-koloni typ (NCM) tillväxt av dissocierade-hPSCs 9. Denna nya kultur-metoden kombinerar både encelliga aging och hög densitetplätering metoder, vilket gör att vi kan producera stora mängder av homogena hPSCs enligt konsekventa tillväxtcykler utan större kromosomavvikelser 9. Alternativt kan NCM kultur implementeras med olika små molekyler och definierade matriser (såsom lamininer) i syfte att optimera odlingsmetoden för breda tillämpningar. Här presenterar vi flera detaljerade protokoll som bygger på NCM kultur och avgränsa detaljerade förfaranden för genteknik. För att visa mångsidigheten hos NCM protokoll, testade vi också NCM företagskultur där mångfald ROCK-hämmare och med den enda laminin isoform 521 (dvs., LN-521).

Protocol

Encelliga Baserade icke-koloni typ monolager (NCM) kultur hPSCs. 1. Förberedelser Gör 500 ml medium för odling av mus embryonala fibroblaster (MEFs): DMEM-medium kompletterat med 10% FBS, 2 mM L-glutamin och 0,1 mM icke-essentiella aminosyror (NEAA). Isolera möss embryonala fibroblaster (MEFs) celler härledda från CF1-stammen efter en rutin protokoll 16 och kultur MEFs på 0,1% gelatin-belagd 6-brunnars cellodlingsplatta i DMEM-medium. Alternativt köper…

Representative Results

Ett generellt schema NCM kultur Figur 1 representerar en typisk NCM kultur schema som visar de dynamiska förändringar av hPSCs efter hög densitet encelliga plätering i närvaro av ROCK-inhibitor-Y-27632. Dessa morfologiska förändringar innefattar intercellulära kontakter efter plätering, cellulär kluster bildas, och exponentiell celltillväxt följt av cell kondens (Figur 1A). Ett representativt experiment indikerar WA01 (H1) hESCs,…

Discussion

Det finns två huvudsakliga sätt att kultur hPSCs in vitro: konventionell koloni-typ kultur (av celler på matare eller extracellulära matriser) och fjädring kultur av hPSCs som aggregat utan matare 6. Begränsningarna av både koloni-typ och hängodlingsmetoder inkluderar ackumulerade heterogenitet och ärftliga epigenetiska förändringar. NCM kultur, baserad på både encelliga aging och hög densitet cell plätering, representerar en ny kultur metod för HPSC tillväxt 6,18. Fastän…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Intramural Research Program of the National Institutes of Health (NIH) at the National Institute of Neurological Disorders and Stroke. We would like to thank Dr. Ronald D. McKay for his discussion and comments on this project.

Materials

Countess automated cell counter   Invitrogen Inc.  C10227 Automatic cell counting
Faxitron Cabinet X-ray System Faxitron X-ray Corporation, Wheeling, IL  Model RX-650 X-ray irradiation of MEFs
MULTIWELL six-well plates  Becton Dickinson Labware 353046 Polystyrene plates 
DMEM Invitrogen Inc. 11965–092 For MEF medium
mitomycin C Roche  107 409 Mitotic inhibitor
Trypsin Invitrogen Inc. 25300-054 For MEF dissociation
DMEM/F12  Invitrogen Inc. 11330–032 For hPSC medium
Opti-MEM I Reduced Serum Medium  Invitrogen Inc. 31985-062 For hPSC transfection
Heat-inactivated FBS Invitrogen Inc. 16000–044 Component of MEF medium
Knockout Serum Replacer  Invitrogen Inc. 10828–028 KSR, Component of hPSC medium
Dulbecco’s Phosphate-Buffered Saline Invitrogen Inc. 14190-144 D-PBS, free of Ca2+/Mg2+
Non-essential amino acids  Invitrogen  11140–050 NEAA, component of hPSC medium
L-Glutamine  Invitrogen  25030–081 Component of hPSC medium
mTeSR1 & Supplements StemCell Technologies 5850 Animal protein-free
medium
TeSR2 & Supplements StemCell Technologies 5860 Xeno-free medium
β-mercaptoethanol  Sigma  7522 Component of hPSC medium

MEF (CF-1) ATCC
American Type Culture Collection (ATCC)  SCRC-1040 For feeder culture of hPSCs
hESC-qualified Matrigel BD Bioscience 354277 For feeder-free culture of hPSCs
Laminin-521 BioLamina LN521-02 Human recombinant protein
FGF-2 (recombinant FGF, basic) R&D Systems, MN 223-FB Growth factor in hPSC medium
CryoStor CA10  StemCell Technologies 7930
Accutase Innovative Cell Technologies AT-104 1X mixed enzymatic solution
JAK inhibitor I EMD4 Biosciences 420099 An inhibitor of Janus kinase
Y-27632 EMD4 Biosciences 688000 ROCK inhibitor
Y-27632 Stemgent 04-0012 ROCK inhibitor
Y-39983 Stemgent 04-0029 ROCK I inhibitor
Phenylbenzodioxane  Stemgent 04-0030 ROCK II inhibitor
Thiazovivin Stemgent 04-0017 A novel ROCK inhibitor
BD Falcon Cell Strainer  BD Bioscience 352340 40-µm cell strainer
Nalgene 5100-0001 Cryo 1°C Thermo Scientific  C6516F-1 “Mr. Frosty” Freezing Container
Lipofectamine 2000  Invitrogen Inc. 11668-027 Transfection reagents
DharmaFECT Duo  Thermo Scientific T-2010-02 Transfection reagent
Non-targeting miRIDIAN miRNA Transfection Control Thermo Scientific IP-004500-01-05 Labeled with Dy547, to monitor the delivery of microRNAs 
SMART-shRNA Thermo Scientific  To be determined Lentiviral vector
pmaxGFP amaxa Inc (Lonza) Included in every transfection kit Expression plasmid for transfection control
4-Oct Santa Cruz Biotechnology sc-5279 Mouse IgG2b, pluripotent marker
SSEA-1 Santa Cruz Biotechnology sc-21702 Mouse IgM, differentiation marker
SSEA-4 Santa Cruz Biotechnology sc-21704 Mouse IgG3, pluripotent marker
Tra-1-60 Santa Cruz Biotechnology sc-21705  Mouse IgM, pluripotent marker
Tra-1-81 Santa Cruz Biotechnology sc-21706 Mouse IgM, pluripotent marker
CK8 (C51) Santa Cruz Biotechnology sc-8020 Mouse IgG1, against cytokeratin 8
α-fetoprotein Santa Cruz Biotechnology sc-8399 AFP, mouse IgG2a
HNF-3β (P-19) Santa Cruz Biotechnology sc-9187 FOXA2, goat polyclonal antibody
Troponin T (Av-1) Thermo Scientific MS-295-P0 Mouse IgG1
Desmin  Thermo Scientific RB-9014-P1 Rabbit IgG
Anti-NANOG ReproCELL Inc, Japan RCAB0004P-F Polyclonal antibody 
Rat anti-GFAP Zymed 13-0300 Glial fibrillary acidic protein
Albumin (clone HSA1/25.1.3) Cedarlane Laboratories Ltd. ( CL2513A Mouse IgG1,
Smooth muscle actin (clone 1A4) DakoCytomation Inc IR611/IS611 Mouse IgG2a
Nestin Chemicon International MAB5326 Rabbit polyclonal antibody
TUBB3 Convance Inc MMS-435P Tuj1, mouse IgG2a
HNF4α (C11F12) Cell Signaling Technologies 3113 Rabbit monoclonal antibody
Paraformaldehyde (solution) Electron Microscopy Sciences 15710 PFA, fixative, diluted in D-PBS

References

  1. Cherry, A. B., Daley, G. Q. Reprogrammed cells for disease modeling and regenerative medicine. Annu Rev Med. 64, 277-290 (2013).
  2. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126, 663-676 (2006).
  3. Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282, 1145-1147 (1998).
  4. Burridge, P. W., et al. Production of de novo cardiomyocytes: human pluripotent stem cell differentiation and direct reprogramming. Cell Stem Cell. 10, 16-28 (2012).
  5. Mallon, B. S., et al. StemCellDB: The Human Pluripotent Stem Cell Database at the National Institutes of Health. Stem Cell Res. 10, 57-66 (2012).
  6. Chen, K. G., et al. Human pluripotent stem cell culture: considerations for maintenance, expansion, and therapeutics. Cell Stem Cell. 14, 13-26 (2014).
  7. Bendall, S. C., et al. IGF and FGF cooperatively establish the regulatory stem cell niche of pluripotent human cells in vitro. Nature. 448, 1015-1021 (2007).
  8. Moogk, D., et al. Human ESC colony formation is dependent on interplay between self-renewing hESCs and unique precursors responsible for niche generation. Cytometry A. 77, 321-327 (2010).
  9. Chen, K. G., et al. Non-colony type monolayer culture of human embryonic stem cells. Stem Cell Res. 9, 237-248 (2012).
  10. Amit, M., et al. Suspension culture of undifferentiated human embryonic and induced pluripotent stem cells. Stem Cell Rev. 6, 248-259 (2010).
  11. Dang, S. M., et al. scalable embryonic stem cell differentiation culture. Stem Cells. 22, 275-282 (2004).
  12. Serra, M., et al. Process engineering of human pluripotent stem cells for clinical application. Trends Biotechnol. 30, 350-359 (2012).
  13. Steiner, D., et al. propagation and controlled differentiation of human embryonic stem cells in suspension. Nat Biotechnol. 28, 361-364 (2010).
  14. Watanabe, K., et al. A ROCK inhibitor permits survival of dissociated human embryonic stem cells. Nat Biotechnol. 25, 681-686 (2007).
  15. Androutsellis-Theotokis, A., et al. Notch signalling regulates stem cell numbers in vitro and in vivo. Nature. 442, 823-826 (2006).
  16. Jozefczuk, J., et al. Preparation of mouse embryonic fibroblast cells suitable for culturing human embryonic and induced pluripotent stem cells. J Vis Exp. , (2012).
  17. Kozhich, O. A., et al. Standardized Generation and Differentiation of Neural Precursor Cells from Human Pluripotent Stem Cells. Stem Cell Rev. , (2012).
  18. Kunova, M., et al. Adaptation to robust monolayer expansion produces human pluripotent stem cells with improved viability. Stem Cells Transl Med. 2, 246-254 (2013).
  19. Tsutsui, H., et al. An optimized small molecule inhibitor cocktail supports long-term maintenance of human embryonic stem cells. Nat Commun. 2, 167 (2011).
  20. Amps, K., et al. Screening ethnically diverse human embryonic stem cells identifies a chromosome 20 minimal amplicon conferring growth advantage. Nat Biotechnol. 29, 1132-1144 (2011).
  21. Baker, D. E., et al. Adaptation to culture of human embryonic stem cells and oncogenesis in vivo. Nat Biotechnol. 25, 207-215 (2007).
  22. Lee, A. S., et al. Tumorigenicity as a clinical hurdle for pluripotent stem cell therapies. Nat Med. 19, 998-1004 (2013).
  23. Domogatskaya, A., et al. Laminin-511 but not -332, -111, or -411 enables mouse embryonic stem cell self-renewal in vitro. Stem Cells. 26, 2800-2809 (2008).
  24. Domogatskaya, A., et al. Functional diversity of laminins. Annu Rev Cell Dev Biol. 28, 523-553 (2012).
  25. Rodin, S., et al. Long-term self-renewal of human pluripotent stem cells on human recombinant laminin-511. Nat Biotechnol. 28, 611-615 (2010).
  26. Liew, C. G., et al. Transient and stable transgene expression in human embryonic stem cells. Stem Cells. 25, 1521-1528 (2007).
  27. Braam, S. R., et al. Genetic manipulation of human embryonic stem cells in serum and feeder-free media. Methods Mol Biol. 584, 413-423 (2010).
  28. Braam, S. R., et al. Improved genetic manipulation of human embryonic stem cells. Nat Methods. 5, 389-392 (2008).

Play Video

Cite This Article
Chen, K. G., Hamilton, R. S., Robey, P. G., Mallon, B. S. Alternative Cultures for Human Pluripotent Stem Cell Production, Maintenance, and Genetic Analysis. J. Vis. Exp. (89), e51519, doi:10.3791/51519 (2014).

View Video