Verimli ve ölçeklenebilir yönlendirilmiş farklılaşma klinik olarak uyumlu kornea Limbal epitel kök hücrelerden insan Pluripotent kök hücreler
Summary
Bu iletişim kuralı kornea limbal epitel kök hücre xeno – ve besleyici boş hücre kültür koşullar altında insan pluripotent kök hücrelerden ayırt için basit iki adımlı bir yöntem sağlar. Burada sunulan hücre kültür yöntemleri klinik kalite hücre kornea hücre terapisi kullanmak için uygun maliyet-etkin, büyük ölçekli üretim sağlar.
Abstract
Kornea limbal epitel kök hücreler (LESCs) sürekli yenileyerek kornea epitel ve böylece kornea homeostazı ve görsel netlik sağlamak için sorumludur. İnsan pluripotent kök hücre (hPSC)-türetilmiş LESCs kornea hücre replasman tedavisi için umut verici bir hücre kaynağı sağlamak. Tanımsız, xenogeneic kültür ve farklılaşma koşulları araştırma sonuçlarında değişim neden ve hPSC elde edilen tedavi klinik tercümesi engel. Bu iletişim kuralı için hPSC-LESC farklılaşma xeno – ve besleyici boş hücre koşullar altında tekrarlanabilir ve verimli bir yöntem sağlar. İlk olarak, rekombinant laminin-521 (LN-521) ve tanımlanmış hPSC orta farklılaşmamış hPSC kültürünün monolayer saptamaları için yüksek kaliteli başlangıç malzemesi sağlam üretimi için bir temel olarak hizmet vermektedir. İkinci olarak, hızlı ve basit hPSC LESC ayırt etme yöntemi sadece 24 gün içinde LESC örneğin alınma olasılığını verir. Bu yöntem bir dört gün yüzey ektodermal indüksiyon LN-521/kollajen IV kombinasyonu matris tanımlanmış kornea epitel farklılaşma orta yapisan kültür aşaması gelir küçük molekülleri ile süspansiyon dahil eder. Cryostoring ve genişletilmiş farklılaşma daha fazla hücre nüfus arındırır ve bankacılık hücre hücre terapi ürünleri için büyük miktarlarda sağlar. Elde edilen yüksek kalite hPSC-LESCs limbal kök hücre eksikliği (LSCD) tedavisinde kornea yüzey yeniden inşası için potansiyel bir roman tedavi stratejisi sağlayabilir.
Introduction
Oküler yüzeyde saydam kornea retina girmek ışık ve gözün refraktif güç çoğunluğu sağlar. En dış katmanı, tabakalı kornea epitel sürekli limbal epitel kök hücreleri (LESCs) tarafından yeniden oluşturulur. LESCs corneoscleral kavşak1,2limbal nişler bazal tabaka yer alır. Kendi kimlik bir dizi sözde işaretleri daha kapsamlı bir analiz gerektirir böylece LESCs özel ve benzersiz işaretleri, eksikliği. Epitel transkripsiyon faktörü p63 ve özellikle N-ölümcül kesilmiş transkript p63 Alfa izoformu (ΔNp63α), bir ilgili olumlu LESC işaret3,4önerdi. Asimetrik Anabilim Dalı LESCs onları kendi kendini yenilemek, ama aynı zamanda centripetally ve anteriorly geçirmek Döl üretmek izin verir. Hücreleri ilerleme olarak kornea yüzeyine doğru onlar yavaş yavaş onların stemness kaybetmek ve son olarak da sürekli olarak kornea yüzeyinden kaybolur yüzeysel Skuamöz Hücre ölümcül ayırt etmek.
Kornea katmanlardan herhangi birini Damage için ciddi görme bozukluğu açabilir ve kornea kusurları böylece görme kaybı dünya çapında önde gelen nedenlerinden biridir. Limbal kök hücre eksikliği (LSCD), limbus hastalık ya da conjunctivalization ve opaklaşmasına kornea yüzey ve vizyon5,6sonraki kaybı yol açan travma tarafından yok edilir. Hücre replasman tedavisi otolog veya allojenik limbal Greftler kullanarak LSCD4,7,8,9olan hastalar için bir tedavi stratejisi sunmaktadır. Ancak, otolog greft hasat sağlıklı göz komplikasyon riski taşımaktadır ve donör doku kısa kaynağı olduğunu. İnsan pluripotent kök hücreler (hPSCs), özellikle insan embriyonik kök hücreleri (hESCs) ve insan indüklenmiş pluripotent kök hücreler (hiPSCs), klinik hücre tipleri kornea epitel hücreleri de dahil olmak üzere, sınırsız bir kaynağı olarak hizmet verebilir. Bu nedenle, hPSC elde edilen LESCs (hPSC-LESCs) oküler hücre replasman tedavisi için çekici bir yeni hücre kaynağı temsil eder.
Geleneksel olarak, farklılaşmamış hPSC kültür yöntemleri ve farklılaşma protokolleri LESCs için tanımsız besleyici hücreler, hayvan sera, klimalı ortam veya amniyotik membran10,11, kullanımı yararlanmıştır 12 , 13 , 14 , 15. son zamanlarda, daha fazla standart ve xeno-Alerjik kültür ve farklılaşma protokolleri için arama çabaları daha güvenli hücre terapi ürünleri doğru isteniyor. Sonuç olarak, çeşitli tanımlı ve xeno-Alerjik farklılaşmamış hPSCs uzun vadeli kültürü için şimdi piyasada bulunan16,17,18yöntemlerdir. 19,20,21,22bir süreklilik, yönlendirilmiş farklılaşma kornea epitel kadere hPSCs Kılavuzu için moleküler ipuçları üzerinde güvenerek protokolleri son zamanlarda tanıttı gibi 23. Henüz bu protokollerin çoğunu ya da tanımsız, besleyici dayalı hPSCs malzeme veya karmaşık, xenogeneic büyüme faktörü kokteyl farklılaşma için başlangıç olarak kullanılır.
Bu iletişim kuralının amacını sağlam, en iyi duruma getirilmiş, xeno sağlamaktır- ve besleyici-Alerjik hPSC kültür yöntemi ve kornea LESCs için sonraki farklılaşma. Pluripotent hPSCs laminin-521 (LN-521) matris içinde tanımlanan, albümin-Alerjik hPSC Orta (özellikle temel 8 Flex) kültürünün monolayer homojen Başlangıç materyali saptamaları için hızlı üretim sağlar. Bundan sonra basit bir, iki adım farklılaşma stratejisi hPSCs yapisan farklılaşma tarafından LESCs için takip süspansiyon, yüzey ektodermal kadere doğru size yol gösterir. Nerede > %65 ΔNp63α hızlı bir hücre nüfus 24 gün içinde elde edilir. Xeno ve besleyici ücretsiz iletişim kuralı birkaç hPSC hattı (her ikisi hESCs ve hiPSCs), hücre satır belirli optimizasyonu için herhangi bir zorunluluğu olmadan test edilmiştir. Yüksek kaliteli LESCs için büyük gruplar halinde üretimi için burada açıklanan hafta sonu ücretsiz bakım, passaging, cryostoring ve hPSC-LESC fenotipleme iletişim kurallarını etkinleştirme klinik veya araştırma amaçlı.
Protocol
Representative Results
Discussion
Beklenen bu iletişim kuralı başarılı ve sağlam nesil LESCs FF hPSC bir tek hücre süspansiyon üzerinden yaklaşık 3,5 hafta içinde sonucudur. Kornea epitel yüzey ektoderm29geliştirir Protokolü’nün ilk adım hPSCs bu soy doğru direksiyon amaçlamaktadır. Dönüştürme büyüme faktörü beta (TGF-β) antagonisti SB-505124 ve bFGF ile bir kısa 24 h indüksiyon ektodermal farklılaşma, 48 h Mezodermal BMP-4 isteka yüzey ektoderm karşı hücreleri itmek için ardından ikna etmek …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Çalışma Finlandiya (grant numarası 297886) Akademisi, insan yedek parça programı Tèkèsī, Fince finansman ajansı tarafından teknoloji ve yenilik, desteklenmiştir Fin göz ve doku Bankası Vakfı ve Fin Kültür Vakfı. Yazarlar Biyomedikal Laboratuar teknisyenleri bozuştuk Melin, Hanna Pekkanen, Emma Vikstedt ve sonunda Heikkilä mükemmel teknik yardım ve hücre kültürü katkısı için teşekkür ederiz. Profesör Katriina Aalto-Setälä kullanılan hiPSC hattı ve BioMediTech Imaging Core tesisi ekipman floresans görüntüleme için sağlamak için sağlamak için kabul edilmektedir.
Materials
| Material/Reagent | |||
| 1x DPBS containing Ca2+ and Mg2+ | Gibco | #14040-091 | |
| 1x DPBS without Ca2+ and Mg2+ | Lonza | #17-512F/12 | |
| 100 mm cell culture dish | Corning CellBIND | #3296 | Culture vessel format for adherent hPSC-LESC differentiation |
| 12-well plate | Corning CellBIND | #3336 | Culture vessel format for IF samples |
| 24-well plate | Corning CellBIND | #3337 | Culture vessel format for IF samples |
| 2-mercaptoethanol | Gibco | #31350-010 | |
| 6-well plate, Ultra-Low attachment | Corning Costar | #3471 | Culture vessel format for induction in suspension culture |
| Alexa Fluor 488 anti-mouse Ig | ThermoFisher Scientific | #A-21202 | Secondary antibody for IF |
| Alexa Fluor 488 anti-rabbit Ig | ThermoFisher Scientific | #A-21206 | Secondary antibody for IF |
| Alexa Fluor 568 anti-goat Ig | ThermoFisher Scientific | #A-11057 | Secondary antibody for IF |
| Alexa Fluor 568 anti-mouse Ig | ThermoFisher Scientific | #A-10037 | Secondary antibody for IF |
| Basic fibroblast growth factor (bFGF, human) | PeproTech Inc. | #AF-100-18B | Animal-Free Recombinant Human FGF-basic (154 a.a.) |
| BD Cytofix/Cytoperm Fixation/Permeabilization Solution | BD Biosciences | #554722 | Fixation and permeabilization solution for flow cytometry |
| BD Perm/Wash Buffer | BD Biosciences | #554723 | Washing buffer for flow cytometry |
| Blebbistatin | Sigma-Aldrich | #B0560 | |
| Bone morphogenetic protein 4 (BMP-4) | PeproTech Inc. | #120-05A | |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | #A8022-100G | |
| Cytokeratin 12 antibody | Santa Cruz Biotechnology | #SC-17099 | Primary antibody for IF |
| Cytokeratin 14 antibody | R&D Systems | #MAB3164 | Primary antibody for IF |
| Cytokeratin 15 antibody | ThermoFisher Scientific | #MS-1068-P | Primary antibody for IF |
| CnT-30 | CELLnTEC Advanced Cell Systems AG | #Cnt-30 | Culture medium for adherent hPSC-LESC differentiation |
| Collagen type IV (human) | Sigma-Aldrich | #C5533 | Human placental collagen type IV |
| CoolCell LX Freezing Container | Sigma-Aldrich | #BCS-405 | |
| CryoPure tubes | Sarsted | #72.380 | 1.6 ml cryotube for hPSC-LESC cryopreservation |
| Defined Trypsin Inhibitor | Gibco | #R-007-100 | |
| Essential 8 Flex Medium Kit | Thermo Fisher Scientific | #A2858501 | |
| GlutaMAX | Gibco | #35050061 | |
| Laminin 521 | Biolamina | #Ln521 | Human recombinant laminin 521 |
| ΔNp63α antibody | BioCare Medical | #4892 | Primary antibody for IF |
| OCT3/4 antibody | R&D Systems | #AF1759 | Primary antibody for IF |
| p63α antibody | Cell Signaling Technology | #ACI3066A | Primary antibody for IF |
| p63-α (D2K8X) XP Rabbit mAb (PE Conjugate) | Cell Signaling Technology | #56687 | p63-α PE-conjugated antibody for flow cytometry |
| PAX6 antibody | Sigma-Aldrich | #HPA030775 | Primary antibody for IF |
| Penicillin/Streptomycin | Lonza | #17-602E | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Sigma-Aldrich | #158127 | Cell fixative for IF |
| ProLong Gold Antifade Mountant with DAPI | Thermo Fisher Scientific | #P36931 | DAPI mountant for hard mounting for IF |
| PSC Cryopreservation Kit | Thermo Fisher Scientific | #A2644601 | |
| TrypLE Select Enzyme | Gibco | #12563-011 | |
| KnockOut Dulbecco’s modified Eagle’s medium | Gibco | #10829018 | |
| KnockOut SR XenoFree CTS | Gibco | #10828028 | |
| MEM non-essential amino acids | Gibco | #11140050 | |
| SB-505124 | Sigma-Aldrich | #S4696 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | #T8787 | Permeabilization agent for IF |
| VectaShield | Vector Laboratories | #H-1200 | DAPI mountant for liquid mounting for IF |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Equipment | |||
| Cytocentrifuge, e.g. CellSpin II | Tharmac | ||
| Flow cytometer, e.g. BD Accuri C6 | BD Biosciences | ||
| Fluorescence microscope, e.g.Olympus IX 51 | Olympus |
References
- Dua, H. S., Shanmuganathan, V. A., Powell-Richards, A. O., Tighe, P. J., Joseph, A. Limbal epithelial crypts: a novel anatomical structure and a putative limbal stem cell niche. The British Journal of Ophthalmology. 89 (5), 529-532 (2005).
- Yazdanpanah, G., Jabbehdari, S., Djalilian, A. R. Limbal and corneal epithelial homeostasis. Current Opinion in Ophthalmology. 28 (4), 348-354 (2017).
- Di Iorio, E., Barbaro, V., Ruzza, A., Ponzin, D., Pellegrini, G., De Luca, M. Isoforms of DeltaNp63 and the migration of ocular limbal cells in human corneal regeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102, 9523-9528 (2005).
- Rama, P., Matuska, S., Paganoni, G., Spinelli, A., De Luca, M., Pellegrini, G. Limbal stem-cell therapy and long-term corneal regeneration. The New England Journal of Medicine. 363 (2), 147-155 (2010).
- Notara, M., et al. In sickness and in health: Corneal epithelial stem cell biology, pathology and therapy. Experimental Eye Research. 90 (2), 188-195 (2010).
- Osei-Bempong, C., Figueiredo, F. C., Lako, M. The limbal epithelium of the eye–a review of limbal stem cell biology, disease and treatment. BioEssays: News and Reviews in Molecular, Cellular and Developmental Biology. 35 (3), 211-219 (2013).
- Kolli, S., Ahmad, S., Lako, M., Figueiredo, F. Successful clinical implementation of corneal epithelial stem cell therapy for treatment of unilateral limbal stem cell deficiency. Stem Cells. 28 (3), 597-610 (2010).
- Sangwan, V. S., et al. Clinical outcomes of xeno-free autologous cultivated limbal epithelial transplantation: a 10-year study. The British Journal of Ophthalmology. 95 (11), 1525-1529 (2011).
- Basu, S., Mohan, S., Bhalekar, S., Singh, V., Sangwan, V. Simple limbal epithelial transplantation (SLET) in failed cultivated limbal epithelial transplantation (CLET) for unilateral chronic ocular burns. The British Journal of Ophthalmology. , (2018).
- Ahmad, S., et al. Differentiation of human embryonic stem cells into corneal epithelial-like cells by in vitro replication of the corneal epithelial stem cell niche. Stem Cells. 25 (5), 1145-1155 (2007).
- Hanson, C., et al. Transplantation of human embryonic stem cells onto a partially wounded human cornea in vitro. Acta Ophthalmologica. 91 (2), 127-130 (2013).
- Hayashi, R., et al. Generation of corneal epithelial cells from induced pluripotent stem cells derived from human dermal fibroblast and corneal limbal epithelium. PLoS ONE. 7 (9), e45435 (2012).
- Hewitt, K. J., Shamis, Y., Carlson, M. W., Aberdam, E., Aberdam, D., Garlick, J. A. Three-dimensional epithelial tissues generated from human embryonic stem cells. Tissue Engineering. Part A. 15 (11), 3417-3426 (2009).
- Shalom-Feuerstein, R., et al. Pluripotent stem cell model reveals essential roles for miR-450b-5p and miR-184 in embryonic corneal lineage specification. Stem Cells. 30 (5), 898-909 (2012).
- Cieslar-Pobuda, A., et al. Human induced pluripotent stem cell differentiation and direct transdifferentiation into corneal epithelial-like cells. Oncotarget. 7 (27), 42314-42329 (2016).
- Ludwig, T. E., et al. Derivation of human embryonic stem cells in defined conditions. Nature Biotechnology. 24 (2), 185-187 (2006).
- Chen, G., et al. Chemically defined conditions for human iPSC derivation and culture. Nature Methods. 8 (5), 424-429 (2011).
- Rodin, S., Antonsson, L., Hovatta, O., Tryggvason, K. Monolayer culturing and cloning of human pluripotent stem cells on laminin-521-based matrices under xeno-free and chemically defined conditions. Nature Protocols. 9 (10), 2354-2368 (2014).
- Mikhailova, A., Ilmarinen, T., Uusitalo, H., Skottman, H. Small-molecule induction promotes corneal epithelial cell differentiation from human induced pluripotent stem cells. Stem Cell Reports. 2 (2), 219-231 (2014).
- Martinez Garcia de la Torre, R. A., Nieto-Nicolau, N., Morales-Pastor, A., Casaroli-Marano, R. P. Determination of the Culture Time Point to Induce Corneal Epithelial Differentiation in Induced Pluripotent Stem Cells. Transplantation Proceedings. 49 (10), 2292-2295 (2017).
- Zhang, C., Du, L., Pang, K., Wu, X. Differentiation of human embryonic stem cells into corneal epithelial progenitor cells under defined conditions. PLoS One. 12 (8), e0183303 (2017).
- Aberdam, E., Petit, I., Sangari, L., Aberdam, D. Induced pluripotent stem cell-derived limbal epithelial cells (LiPSC) as a cellular alternative for in vitro ocular toxicity testing. PLoS One. 12 (6), e0179913 (2017).
- Kamarudin, T. A., et al. Differences in the Activity of Endogenous Bone Morphogenetic Protein Signaling Impact on the Ability of Induced Pluripotent Stem Cells to Differentiate to Corneal Epithelial-Like Cells. Stem Cells. 36 (3), 337-348 (2018).
- Rodin, S., et al. Clonal culturing of human embryonic stem cells on laminin-521/E-cadherin matrix in defined and xeno-free environment. Nature Communications. 5, 3195 (2014).
- Hongisto, H., Ilmarinen, T., Vattulainen, M., Mikhailova, A., Skottman, H. Xeno- and feeder-free differentiation of human pluripotent stem cells to two distinct ocular epithelial cell types using simple modifications of one method. Stem Cell Research & Therapy. 8 (1), 4 (2017).
- Skottman, H. Derivation and characterization of three new human embryonic stem cell lines in Finland. In vitro Cellular & Developmental Biology. Animal. 46 (3-4), 206-209 (2010).
- Ahola, A., Kiviaho, A. L., Larsson, K., Honkanen, M., Aalto-Setälä, K., Hyttinen, J. Video image-based analysis of single human induced pluripotent stem cell derived cardiomyocyte beating dynamics using digital image correlation. Biomedical Engineering Online. 13, 39 (2014).
- Ojala, M., et al. Mutation-Specific Phenotypes in hiPSC-Derived Cardiomyocytes Carrying Either Myosin-Binding Protein C Or α-Tropomyosin Mutation for Hypertrophic Cardiomyopathy. Stem Cells International. 2016, 1684792 (2016).
- Ali, R. R., Sowden, J. C. Regenerative medicine: DIY eye. Nature. 472 (7341), 42-43 (2011).
- International Stem Cell Initiative, , et al. Screening ethnically diverse human embryonic stem cells identifies a chromosome 20 minimal amplicon conferring growth advantage. Nature Biotechnology. 29 (12), 1132-1144 (2011).
- Foster, J. W., Wahlin, K., Adams, S. M., Birk, D. E., Zack, D. J., Chakravarti, S. Cornea organoids from human induced pluripotent stem cells. Scientific Reports. 7, 41286 (2017).
- Susaimanickam, P. J., et al. Generating minicorneal organoids from human induced pluripotent stem cells. Development. 144 (13), 2338-2351 (2017).
