Summary

كفاءة توليد من البنكرياس/العفج هوميوبوكس البروتين 1+ الخلفي المعي/البنكرياس "موروث" من هبسكس في "الثقافات الالتصاق"

Published: March 27, 2019
doi:

Summary

نقدم هنا، بروتوكول مفصل للتفريق بين الخلايا الجذعية البشرية pluripotent (هبسكس) في البنكرياس/العفج هوميوبوكس البروتين 1+ (PDX1+) الخلايا لتوليد الأنساب البنكرياس استناداً إلى النمو غير مستعمرة نوع أحادي الطبقة فصل الخلايا المفردة. هذا الأسلوب مناسبة لإنتاج الخلايا المستمدة من هبسك متجانسة، والتلاعب بالجينات والفرز.

Abstract

الخلية الجذعية pluripotent البشرية (هبسك)-مشتقة من خلايا البنكرياس مصدر خلية واعدة للطب التجديدي، ومنبرا لدراسة العمليات الإنمائية البشرية. Stepwise توجيه التمايز الذي يلخص العمليات الإنمائية واحدة من الطرق الرئيسية لتوليد خلايا البنكرياس بما في ذلك البنكرياس/العفج هوميوبوكس البروتين 1+ (PDX1+) خلايا البنكرياس السلف. بدء البروتوكولات التقليدية التمايز مع المستعمرات الصغيرة بعد المرور وقت قصير. ومع ذلك، في الدولة للمستعمرات أو المجاميع، الخلايا المعرضة للتغاير، التي قد تعوق التفرقة إلى PDX1+ الخلايا. نقدم هنا، بروتوكول مفصل للتفريق بين هبسكس في PDX1+ الخلايا. ويتكون من أربع خطوات البروتوكول ويبدأ التمايز ببذر خلايا مفردة معزولة. تحريض SOX17+ وأعقب خلايا الأنسجة نهائي التعبير عن علامات أنبوب القناة الهضمية البدائية اثنين و HNF1β و HNF4α، والتمايز في نهاية المطاف إلى PDX1+ الخلايا. هذا البروتوكول يوفر سهولة التعامل وقد تحسين واستقرار كفاءة تمايز بعض خطوط هبسك التي عثر عليها سابقا التفريق بين طريقة غير فعالة في الأنساب اندوديرمال أو PDX1+ الخلايا.

Introduction

البنكرياس يتكون بشكل رئيسي من خلايا إفرازات والغدد الصماء، وبه خلل أو الزائد يسبب العديد من الأمراض، مثل التهاب البنكرياس ومرض السكري وسرطان البنكرياس. لتوضيح pathogeny بانكريتوباثي، من الضروري تحليل العملية التنموية ووظيفة خلايا البنكرياس. وبالإضافة إلى ذلك، مطلوب على إمدادات مستقرة من خلية مع وجوده لإنشاء خلية/الأنسجة مكملات العلاج. الخلية الجذعية pluripotent البشرية (هبسك)-مشتقة من خلايا البنكرياس مصدر خلايا واعدة لهذه الأغراض، والبروتوكول التمايز تجاه خلايا البنكرياس وقد درس مكثف1،2،3، 4. التقدم الذي أحرز مؤخرا في توليد في المختبر من خلايا β البنكرياس تقليد توليد خلايا بيتا في الكبار البشرية، وهذه الخلايا تظهر الفعالية العلاجية على غرس في نموذج السكري الفئران2،3. وباﻹضافة إلى ذلك، كشف تحليل الخلايا β المتولدة من الخلايا الجذعية المستحثة pluripotent (إيبسكس) في صحة جيدة والمانحين المريض السكري نوع 1 لا الاختلافات الوظيفية بما في ذلك عندما تحت الإجهاد5. وعلاوة على ذلك، تعمل المرض قد استنسخ جزئيا في خلايا البنكرياس المستحث مع إيبسكس المستمدة من المريض أو هبسكس إيواء الطفرات الوراثية في نفس الموقع كال6،المرضى7.

لإنشاء خلايا البنكرياس من هبسكس، يستخدم التمايز موجها التدرجي الذي يلخص العمليات الإنمائية. البنكرياس مشتق من طبقة الأنسجة للجنين المبكر، التي تعبر عن الجنس تحديد المنطقة Y-مربع 17 (SOX17) وفورخياد مربع A2 (FOXA2)8. استناداً إلى الدراسات الماوس، تشكل طبقة اندوديرمال أنبوب القناة الهضمية البدائية، التي تتميز بالتعبير عن تتمثل العوامل النووية 1-بيتا (Hnf1β) وتتمثل العوامل النووية 4-ألفا (Hnf4α). أنبوب القناة الهضمية البدائية الغضروفي ويطور في الجهاز التنفسي، والجهاز الهضمي، والأجهزة. بعد الإطالة، يصبح منطقة المعي الخلفي منطقة البنكرياس الظني، كما تميزت بالتعبير عن البروتين هوميوبوكس البنكرياس/العفج عامل النسخي 1 (PDX1)8،،من910. أجزاء الظهري والبطني PDX1+ القناة الهضمية أنبوب رشاقته على شكل براعم البنكرياس، التي تميزت بالتعبير المشترك عن البنكرياس النسخ عامل 1 ألفا فرعية (PTF1A) وهوميوبوكس NK6 18،(NKX6.1)11. ويعتبر هذا التعبير بداية المورفولوجية organogenesis البنكرياس. خلايا الأنسجة البنكرياس، ومكونات البراعم البنكرياس، تشكل شبكة أنبوبية متفرعة من هياكل الظهارية12 وتفرق في نهاية المطاف في إفرازات الغدد الصماء، والخلايا، بما في ذلك الخلايا β إفراز الأنسولين و إفراز الجلوكاجون α-الخلايا. التعبير عن PDX1 الكشف عن أولاً في منطقة البنكرياس الظني، ثم يلاحظ في جميع أنحاء تطوير البنكرياس كاملة، ويظهر التعريب إلى الخلايا β و δ9،،من1314. على الرغم من Pdx1+ يميز منطقة الخلية التي لا تعبر عن Ptf1a أو Nkx6.1 في التجويف المعدة والاثني عشر والقناة الصفراوية اكستراهيباتيك وبعض الخلايا المعوية في منتصف إلى أواخر مرحلة التنمية في الفئران9، PDX1+ وتعتبر الخلايا المتكفل البنكرياس في مرحلة النمو المبكر في البشر.

نقدم هنا، بروتوكول مفصل للتفريق بين هبسكس في PDX1+ الخلايا لتوليد الأنساب البنكرياس. التمايز بتهيئة البروتوكول قبل البذر فصل خلايا مفردة15،،من1617. عموما، يتم الاحتفاظ هبسكس غير متمايزة كمستعمرات أو المجاميع الخلية في التعليق أو في الالتصاق. كنتيجة لذلك، يبدأ معظم البروتوكولات المفاضلة بعد وقت قصير من باساجينج. ومع ذلك، في حالة المستعمرات أو المجاميع، الخلايا المعرضة للتغاير المكانية والنسخي18،19،20،،من2122، التي قد تعرقل خطوة أولى تمايز الأنسجة نهائي متبوعاً بتمايز الكفاءة إلى PDX1+ الخلايا. هذا البروتوكول قد يتيح سهولة التعامل لتحسين واستقرار كفاءة تمايز بعض خطوط هبسك التي عثر عليها سابقا التفريق بين كفاءة الأنساب اندوديرمال و PDX1 الخلايا+ 23، 24 , 25.

Protocol

تجارب باستخدام هبسكس بموافقة لجنة الأخلاقيات لقسم الطب ومدرسة الدراسات العليا للطب، جامعة كيوتو. 1-إعداد المواد ملاحظة: إعداد جميع وسائل الإعلام والمواد الكاشفة لزراعة الخلايا في بيئة معقمة. الاحماء قاعدة وسائط الثقافة إلى درجة حرارة الغرف…

Representative Results

نشر هيبسكس (585A1،من2930) يتم تكثيفه وتشكيل المونولاير متجانسة (الشكل 1B) التي مناسبة للتمايز. هيبسكس غير متمايز (المرحلة 0) نات، وإعادة المصنف كخلايا مفردة في الخلية منخفضة الكثافة (1-1.5 × 105 خلايا/سم2). ضمن ح 1، مرفقة باللوحة الخلايا وتبد?…

Discussion

جيل PDX1+ الخلايا وتتألف من خطوات متعددة؛ ولذلك، من المهم لعلاج الخلايا في الوقت المناسب. ومن بين الخطوات، كفاءة التعريفي الأنسجة نهائي يؤثر إلى حد كبير على كفاءة التعريفي النهائي، وربما بتدخل من تلويث النسب الخلايا الأخرى (أي mesoderm والأديم الظاهر)، التي قد تنتشر و/أو إفراز العوامل الت?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

تم دعم هذا العمل جزئيا بتمويل من “الجمعية اليابانية” لتعزيز العلوم (JSPS) عن طريق Scientific Research (C) (JSPS كاكينهي Number15K09385 المنح و 18 ك 08510) T.T.، ومعونات للزملاء الباحثين JSPS (JSPS كاكينهي عدد المنح 17J07622) لحزب العدالة والتنمية، والوكالة اليابانية “الأبحاث الطبية” والتنمية (AMED) من خلال بحوثه منح “مركز الأساسية للبرامج المتكاملة أبحاث الخلايا، شبكة مركز البحوث لتحقيق الطب التجديدي” كو يشكر المؤلفون الدكتور بيتر كاراجيانيس لقراءة المخطوطة.

Materials

3-Keto-N-aminoethyl-N′-aminocaproyldihydrocinnamoyl cyclopamine Toronto Research Chemicals K171000 CYC
4-[(E)-2-(5,6,7,8-Tetrahydro-5,5,8,8-tetramethyl-2-naphthalenyl)-1-propenyl]-benzoic acid Santa Cruz Biotechnology SC-203303 TTNPB
50 mL Conical Sterile Polypropylene Centrifuge Tubes Thermo Fisher Scientific 339652
Anti-CDX2 antibody [EPR2764Y] Abcam Ab76541 Anti-CDX2, × 1/1000 dilution
B-27 Supplement (50 ×) Thermo Fisher Scientific 17504-044 Serum-free supplement
BD FACSAria II Cell Sorter BD Biosciences For flow cytometry
Biomedical freezer SANYO MDF-U538 For -30 °C storing
Cell Counting Slides for TC10/TC20 Cell Counter, Dual-Chamber BIO-RAD 1450011 Counting slide glass
CELL CULTURE MULTIWELL PLATE, 6 WELL, PS, CLEAR Greiner bio-one 657165 For differentiation culture/6-well plate
Centrifuge TOMY AX-310 For cell culturing
Centrifuge TOMY MX-305 For RT-qPCR
CHIR99021 Axon Medchem Axon 1386
CLEAN BENCH SHOWA KAGAKU  S-1601PRV Clean bench
Corning CellBIND 6-well plate Corning 3335 For feeder-free culture of hPSCs/6-well plate
Corning Matrigel Basement Membrane Matrix Growth Factor Reduced Corning 354230 Basement membrane matrix
Corning Synthemax II-SC Substrate Corning 3535 For feeder-free culture of hPSCs/synthetic surface material for hPSCs
Cryostat Leica Leica CM1510 S For immunostaining of aggregates.
Cytofix/Cytoperm Kit Becton Dickinson 554714 Perm/Wash buffer is  Permeabilization/Wash buffer. Cytofix/Cytoperm buffer is fixation and permeabilization buffer.
Dako pen Dako S2002 For immunostaining of aggregates
dNTP mix (10 mM) Thermo Fisher Scientific 18427-088 For RT-qPCR
Donkey anti-Goat IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 Thermo Fisher Scientific A11055 Secondary antibody, × 1/500 dilution
Donkey anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 546 Thermo Fisher Scientific A10036 Secondary antibody, × 1/500 dilution
Donkey anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 546 Thermo Fisher Scientific A10040 Secondary antibody, × 1/500 dilution
Donkey Serum Merck Millipore S30 Donkey serum
D-PBS(-) without Ca or Mg Nacalai tesque 14249-95 DPBS
Essential 8 Medium Thermo Fisher Scientific A1517001 For feeder-free culture of hPSCs/hPSC maintenance medium
Falcon 5mL Round Bottom Polystyrene Test Tube, with Cell Strainer Snap Cap Corning 352235 5 mL round bottom polystyrene tube with cell strainer
Filter Tip, 1000 µL Watoson 124-1000S Use together with pipettes
Filter Tip, 20 µL Watoson 124-P20S Use together with pipettes
Filter Tip, 200 µL Watoson 124-P200S Use together with pipettes
Fluorescence Microscope Keyence BZ-X700 For immunostaining
Forma Steri-Cycle CO2 incubator Thermo Fisher Scientific 370A Incubator
HNF-1β Antibody (C-20) Santa Cruz Biotechnology sc-7411 Anti-HNF1β, × 1/200 dilution
HNF-4α Antibody (H-171) Santa Cruz Biotechnology sc-8987 Anti-HNF4α, × 1/200 dilution
Hoechst 33342 Thermo Fisher Scientific H3570 For nucleus staining, × 1/200 dilution
Human Pancreas Total RNA Ambion AM7954 For RT-qPCR
Human PDX-1/IPF1 Antibody R&D Systems AF2419 Anti-PDX1, goat IgG, × 1/200 dilution
Human SOX17 Antibody R&D Systems AF1924 Anti-SOX17, × 1/200 dilution
Improved MEM Zinc Option medium Thermo Fisher Scientific 10373-017 iMEM
Incubation chamber Cosmo Bio 10DO For immunostaining of aggregates
Latex Examination Gloves Adachi
MAS coated slide glass Matsunami Glass 83-1881 For immunostaining of aggregates
MicroAmp Fast 96-well Reaction Plate Applied Biosystems/Thermo Fisher Scientific 4346907 For RT-qPCR
Microscope Olympus CKX41N-31PHP For cell culturing
Microtube Watoson 131-515CS
Monoclonal Anti-α-Fetoprotein SIGMA A8452 Anti-AFP, × 1/200 dilution
Nanodeop 8000 Thermo Fisher Scientific For RT-qPCR
Oligo dT FASMAC Custom made Oligo  For RT-qPCR of sequence is "TTTTTTTTTTTTTTTTTTTT"
Paraformaldehyde, powder Nacalai tesque 26126-54 PFA, fixative, diluted in DPBS
Pharmaceutical refrigerator SANYO MPR-514 For 4 °C storing
PIPETMAN P  GILSON Pipette
Recombinant Human KGF/FGF-7 R&D Systems 251-KG KGF
Recombinant Human Noggin PeproTech 120-10C NOGGIN
Recombinant Human/Mouse/Rat Activin A R&D Systems 338-AC Activin A
ReverTra Ace (100 U/μL) TOYOBO TRT-101 For RT-qPCR
Rnase-Free Dnase Set (50) QIAGEN 79254 For RT-qPCR
Rneasy Mini Kit QIAGEN 74104 For RT-qPCR
RPMI 1640 with L-Gln Nacalai tesque 30264-85 RPMI 1640
Sealing Film for Real Time Takara NJ500 For RT-qPCR
Serological pipettes 10 mL Costar/Corning 4488 For cell culturing
Serological pipettes 25 mL Costar/Corning 4489 For cell culturing
Serological pipettes 5 mL Costar/Corning 4487 For cell culturing
Sox2 (D6D9) XP Rabbit mAb Cell signaling 3579S Anti-SOX2, × 1/200 dilution
StepOnePlus Applied Biosystems/Thermo Fisher Scientific For RT-qPCR
Sucrose Nacalai tesque 30406-25 For immunostaining of aggregates
TB Green
Premix Ex Taq II 
Takara RR820B For RT-qPCR
TC20 Automated Cell Counter BIO-RAD 1450101J1 Automatic cell counter
Tissue-Tek OCT compound 4583  Sakura Finetechnical 4583 For immunostaining of aggregates
Tissue-Tek Cryomold Molds/Adapters Sakura Finetechnical 4566 For immunostaining of aggregates
Triton X-100 Nacalai tesque 35501-15
Trypan Blue BIO-RAD 1450021
Ultracold freezer SANYO MDF-U33V For -80 °C storing
UltraPure 0.5M EDTA, pH 8.0 Thermo Fisher Scientific 15575-038 Dilute with DPBS to prepare 0.5 mM EDTA
Veriti Thermal Cycler Applied Biosystems/Thermo Fisher Scientific For RT-qPCR
Y-27632 Wako 251-00514

References

  1. D’Amour, K. A., et al. Production of pancreatic hormone-expressing endocrine cells from human embryonic stem cells. Nature Biotechnology. 24 (11), 1392-1401 (2006).
  2. Pagliuca, F. W., et al. Generation of functional human pancreatic beta cells in vitro. Cell. 159 (2), 428-439 (2014).
  3. Rezania, A., et al. Reversal of diabetes with insulin-producing cells derived in vitro from human pluripotent stem cells. Nature Biotechnology. 32 (11), 1121-1133 (2014).
  4. Kondo, Y., Toyoda, T., Inagaki, N., Osafune, K. iPSC technology-based regenerative therapy for diabetes. Journal of Diabetes Investigation. 9 (2), 234-243 (2017).
  5. Millman, J. R., et al. Generation of stem cell-derived beta-cells from patients with type 1 diabetes. Nature Communications. 7, 11463 (2016).
  6. Zeng, H., et al. An Isogenic Human ESC Platform for Functional Evaluation of Genome-wide-Association-Study-Identified Diabetes Genes and Drug Discovery. Cell Stem Cell. 19 (3), 326-340 (2016).
  7. Hosokawa, Y., et al. Insulin-producing cells derived from ‘induced pluripotent stem cells’ of patients with fulminant type 1 diabetes: Vulnerability to cytokine insults and increased expression of apoptosis-related genes. Journal of Diabetes Investigation. , (2017).
  8. Jennings, R. E., et al. Development of the human pancreas from foregut to endocrine commitment. Diabetes. 62 (10), 3514-3522 (2013).
  9. Jorgensen, M. C., et al. An illustrated review of early pancreas development in the mouse. Endocrine Reviews. 28 (6), 685-705 (2007).
  10. Jensen, J. Gene regulatory factors in pancreatic development. Developmental Dynamics. 229 (1), 176-200 (2004).
  11. Hald, J., et al. Generation and characterization of Ptf1a antiserum and localization of Ptf1a in relation to Nkx6.1 and Pdx1 during the earliest stages of mouse pancreas development. Journal of Histochemistry and Cytochemistry. 56 (6), 587-595 (2008).
  12. Villasenor, A., Chong, D. C., Henkemeyer, M., Cleaver, O. Epithelial dynamics of pancreatic branching morphogenesis. Development. 137 (24), 4295-4305 (2010).
  13. Serup, P., et al. The homeodomain protein IPF-1/STF-1 is expressed in a subset of islet cells and promotes rat insulin 1 gene expression dependent on an intact E1 helix-loop-helix factor binding site. Biochemical Journal. 310 (Pt 3), 997-1003 (1995).
  14. Riedel, M. J., et al. Immunohistochemical characterisation of cells co-producing insulin and glucagon in the developing human pancreas. Diabetologia. 55 (2), 372-381 (2012).
  15. Mae, S. I., et al. Monitoring and robust induction of nephrogenic intermediate mesoderm from human pluripotent stem cells. Nature Communications. 4, 1367 (2013).
  16. Toyoda, T., et al. Cell aggregation optimizes the differentiation of human ESCs and iPSCs into pancreatic bud-like progenitor cells. Stem Cell Research. 14 (2), 185-197 (2015).
  17. Toyoda, T., et al. Rho-Associated Kinases and Non-muscle Myosin IIs Inhibit the Differentiation of Human iPSCs to Pancreatic Endoderm. Stem Cell Reports. 9 (2), 419-428 (2017).
  18. Chen, K. G., Mallon, B. S., McKay, R. D., Robey, P. G. Human pluripotent stem cell culture: considerations for maintenance, expansion, and therapeutics. Cell Stem Cell. 14 (1), 13-26 (2014).
  19. Bauwens, C. L., et al. Control of human embryonic stem cell colony and aggregate size heterogeneity influences differentiation trajectories. Stem Cells. 26 (9), 2300-2310 (2008).
  20. Nguyen, Q. H., et al. Single-cell RNA-seq of human induced pluripotent stem cells reveals cellular heterogeneity and cell state transitions between subpopulations. Genome Research. 28 (7), 1053-1066 (2018).
  21. Narsinh, K. H., et al. Single cell transcriptional profiling reveals heterogeneity of human induced pluripotent stem cells. Journal of Clinical Investigation. 121 (3), 1217-1221 (2011).
  22. Rosowski, K. A., Mertz, A. F., Norcross, S., Dufresne, E. R., Horsley, V. Edges of human embryonic stem cell colonies display distinct mechanical properties and differentiation potential. Scientific Reports. 5, 14218 (2015).
  23. Torres-Padilla, M. E., Chambers, I. Transcription factor heterogeneity in pluripotent stem cells: a stochastic advantage. Development. 141 (11), 2173-2181 (2014).
  24. Cahan, P., Daley, G. Q. Origins and implications of pluripotent stem cell variability and heterogeneity. Nature Reviews Molecular and Cell Biology. 14 (6), 357-368 (2013).
  25. Chetty, S., et al. A simple tool to improve pluripotent stem cell differentiation. Nature Methods. 10 (6), 553-556 (2013).
  26. Kimura, A., et al. Small molecule AT7867 proliferates PDX1-expressing pancreatic progenitor cells derived from human pluripotent stem cells. Stem Cell Research. 24, 61-68 (2017).
  27. Bhattacharya, S., et al. High efficiency differentiation of human pluripotent stem cells to cardiomyocytes and characterization by flow cytometry. Journal of Visualized Experiments. (91), e52010 (2014).
  28. Honvo-Houeto, E., Truchet, S. Indirect Immunofluorescence on Frozen Sections of Mouse Mammary Gland. Journal of Visualized Experiments. (106), (2015).
  29. Okita, K., et al. A more efficient method to generate integration-free human iPS cells. Nature Methods. 8 (5), 409-412 (2011).
  30. Kajiwara, M., et al. Donor-dependent variations in hepatic differentiation from human-induced pluripotent stem cells. Proceedings of the National Academy of Science U S A. 109 (31), 12538-12543 (2012).
  31. Kikuchi, T., et al. Human iPS cell-derived dopaminergic neurons function in a primate Parkinson’s disease model. Nature. 548 (7669), 592-596 (2017).
  32. Suemori, H., et al. Efficient establishment of human embryonic stem cell lines and long-term maintenance with stable karyotype by enzymatic bulk passage. Biochemical and Biophysical Research Communication. 345 (3), 926-932 (2006).
  33. Gage, B. K., Webber, T. D., Kieffer, T. J. Initial cell seeding density influences pancreatic endocrine development during in vitro differentiation of human embryonic stem cells. PLoS One. 8 (12), e82076 (2013).
  34. Nostro, M. C., et al. Efficient generation of NKX6-1+ pancreatic progenitors from multiple human pluripotent stem cell lines. Stem Cell Reports. 4 (4), 591-604 (2015).
  35. Jonsson, J., Carlsson, L., Edlund, T., Edlund, H. Insulin-promoter-factor 1 is required for pancreas development in mice. Nature. 371 (6498), 606-609 (1994).
  36. Kelly, O. G., et al. Cell-surface markers for the isolation of pancreatic cell types derived from human embryonic stem cells. Nature Biotechnology. 29 (8), 750-756 (2011).
  37. Hohwieler, M., et al. Human pluripotent stem cell-derived acinar/ductal organoids generate human pancreas upon orthotopic transplantation and allow disease modelling. Gut. 66 (3), 473-486 (2017).
  38. Takeuchi, H., Nakatsuji, N., Suemori, H. Endodermal differentiation of human pluripotent stem cells to insulin-producing cells in 3D culture. Scientific Reports. 4, 4488 (2014).

Play Video

Cite This Article
Toyoda, T., Kimura, A., Tanaka, H., Osafune, K. Efficient Generation of Pancreas/Duodenum Homeobox Protein 1+ Posterior Foregut/Pancreatic Progenitors from hPSCs in Adhesion Cultures. J. Vis. Exp. (145), e57641, doi:10.3791/57641 (2019).

View Video