Farklılaşma Fates Mekansal Organizasyonu Probing İnsan pluripotent kök hücrelerin Stencil micropatterning
Summary
Insan pluripotent kök hücreler (hPSCs) farklılaştırmak ve farklı doku kalıpları içine kendini organize içsel yeteneği var; Bu mekansal çevre geçişlerini sunulmasını gerektirir rağmen. Biz hPSC farklılaşma desenleri kontrol etmek için biyokimyasal ve mekanik geçişlerini oluşturmak için basit ve sağlam bir yöntem olarak şablon micropatterning sunuyoruz.
Abstract
Human pluripotent stem cells (hPSCs), including embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells, have the intrinsic ability to differentiate into all three germ layers. This makes them an attractive cell source for regenerative medicine and experimental modeling of normal and diseased organogenesis. However, the differentiation of hPSCs in vitro is heterogeneous and spatially disordered. Cell micropatterning technologies potentially offer the means to spatially control stem cell microenvironments and organize the resultant differentiation fates. Micropatterning hPSCs needs to take into account the stringent requirements for hPSC survival and maintenance. Here, we describe stencil micropatterning as a method that is highly compatible with hPSCs. hPSC micropatterns are specified by the geometries of the cell stencil through-holes, which physically confine the locations where hPSCs can access and attach to the underlying extracellular matrix-coated substrate. Due to this mode of operation, there is greater flexibility to use substrates that can adequately support hPSCs as compared to other cell micropatterning methods. We also highlight critical steps for the successful generation of hPSC micropatterns. As an example, we demonstrate that stencil micropatterning of hPSCs can be used to modulate spatial polarization of cell-cell and cell-matrix adhesions, which in turn determines mesoendoderm differentiation patterns. This simple and robust method to micropattern hPSCs widens the prospects of establishing experimental models to investigate tissue organization and patterning during early embryonic development.
Introduction
Embriyonik kök hücreler (hESC) ve uyarılmış pluripotent kök hücrelerin (hiPSCs) de dahil olmak üzere insan pluripotent kök hücreler (hPSCs), yaygın olarak tüm hücre soyları halinde nedeniyle farklılaşma potansiyeli, normal ve hastalıklı organogenez deneysel modelleme gibi rejeneratif tıpta istismar üç germ katmanları 1,2. HPSCs farklılaşması kaderi fiziksel ipuçları 3-5 aracılık ettiği otokrin veya 1 sinyal parakrin yanı sıra mechanotransduction süreçleri modüle yerel çevresel faktörlere karşı oldukça duyarlıdır. Hücre micropatterning mekansal, hücre-hücre etkileşimleri 6 ve hücre-matris etkileşimlerinin 3 gibi, yerel hücresel mikro-kontrol etmek için bir araç olarak bir hücre popülasyonunun geometrisi ve konumu düzenlemek için geliştirilmiş tekniklerin bir dizi kapsar. hPSCs bağlamında, hücre micropatterning niş bağlıdır nasıl hakkında önemli bilgiler elde etmek için istihdam edilmiştirKBB otokrin sinyalizasyon erken embriyonik farklılaşma kalıpları 6 içine HESC Pluripotency-farklılaşma kararları 7 ve organizasyon düzenler. 2D ve 3D micropatterned hPSCs sırayla üç germ 8,9 içine farklılaşma kararları etkilemiş çok hücreli desen, koloni boyutunu denetlemek için kullanılmıştır. Bu integrin E-kadherin karışma hücre kaderi heterojen 10 çıkmasına neden olabilir araştırmak üzere bir hPSC koloni içindeki hücre-hücre ve hücre-matris etkileşimlerinin ölçüde modüle edilmesi için çok-hPSC micropatterns kullanmışlardır. Doku veya organ gelişimi sırasında büyüme faktörleri ve hormonların etkisini araştırmak için gelişimsel hastalıklar 11, ilaç toksisitesi taraması için deneysel model olarak hPSCs ve çok hücreli micropatterns uygulanması yönünde yukarıdaki raporlar açık yeni caddeleri gösteriler ve oluşumunu çözülmeye doku desenleri.
Hücre micropatter bir sayısızFalconnet diğerleri tarafından gözden olarak ning teknikler geliştirilmiştir. ark. 12 ancak böyle mikro temas 7,8,13 yazdırma gibi sadece bir avuç, Mikro kültürü 14,15, photopatterning 6 ve microstencils 16 başarıyla hPSCs ile hayata geçirilmiştir. micropatterning hPSCs Challenge etkilenmeleri ve hücre eki ve hayatta kalma için spesifik hücre dışı matris (ECM) ve büyüme koşullarının sıkı bir gereksinimi bulunmaktadır. 2D hPSC kalıpları için, mikro-kontak baskı doku kültürü ve cam yüzeylerde 13 hPSC micropatterns oluşturmak için en yaygın yöntemlerden biridir. yöntem, Matrigel olarak laminin ve bazal zar matris, aşağıdakileri içeren hPSC kültür, kullanılan model yaygın ECM için kullanılabilir. Bununla birlikte, tipik olarak poli-D-lizin ile destekli iki aşamalı bir kaplama işlemini gerektirir ve hPSCs 6,13 üzerine takmak için stabil ECM micropatterns yapmak için özel bir atıl atmosfer ve nem koşulları ihtiyacı. Her micropatterning yönteminin en önemli husus çevreleyen bölgelere belirsiz hücre eki en aza indirirken yüzey modifikasyonu rejimi istenilen geometrik çözünürlükte hPSC yapışkanlı ECM desenleri üretebilir olup olmadığıdır.
Burada, hPSCs üzerinde takmak için önce yapışkan ECM desen nesil ek yüzey modifikasyon adımlar olmadan hPSC micropatterns oluşturmak için basit bir yöntem olarak şablon micropatterning kullandığını rapor etmiştir. Hücre şablonun içinden delikler fiziksel ECM kaplamalar ve daha sonra ekilmiş hPSCs içeren bir hücre kültür substrat üzerine sızdırmaz boyutu milimetre mikron olan ince bir zar, örneğin, polidimetilsiloksan (PDMS) tabakanın içerir. şablon desenlendirme fiziksel hPSC yatan ECM kaplı yüzeye doğrudan erişim ve ekleyebilirsiniz konumu frenleyici çalışır gibi, bu yöntem hPSC kültürleri destekleyen çeşitli yüzeylerde ile uyumludur. sadece requiremenT Şablon malzeme seçimi alt-tabaka ile bir tersinir bir yalıtım oluşturmak olabilir. Bu alt-tabakalar, geleneksel doku kültür polistiren (TCPS) 17, ligand konjuge tabakaları 18, hem de ayarlanabilir sertlik elastomer tabakaları kapsar (örn., PDMS) 19. Bu yöntem, aynı zamanda, uygun bağlanma ve hPSCs farklılaşması için izin verilmesi için, vitronektin (veya VTN protein), laminin ve bazal membran matris (örneğin, Matrigel ve Geltrax) gibi farklı ECM'nin kaplama sağlar. Belirli hPSC hattı Bu nedenle, optimum aktarım için ECM alt-tabaka konfigürasyonları uygun hücre-matris yapışma, hayatta kalma ve farklılaşması için micropatterning şablona. Son zamanlarda, benzer bir yöntem, aynı zamanda, poli (metil metakrilat) ile micropatterning HESC (PMMA), mikro-Şablon dizileri 16 hepatik farklılaşma doğrudan bildirilmiştir.
Hücre şablonlar, farklı malzemelerden imal edilebilir araya dahilALS 20,21, poli (p-ksilen) polimerler 22,23, PMMA 16 ve en çok PDMS 24-28. Silisyum ve poli (p-ksilen) polimerler şablonlar biyolojik kullanıcılara kendi sınırları erişilebilirlik özel ekipman 20-23 ile geçiş delikleri doğrudan aşındırma gerektirir. PDMS şablonlar tipik olarak 3 um 2,000 um 11,26-29 aralığındadır istenen bir özellik boyutuna bağlı olarak farklı yöntemler ile imal edilebilir. Küçük özellikler istenirse, ince stenciling levhalar micropatterns 28 kabartmaları içeren bir microfabricated silikon şablona basın kalıplama PDMS pre-polimer üretilebilir. Özellikler> 1,000 mikron, bir CO2 lazer kesici doğrudan şablon imalat sırasında önceden döküm PDMS kağıda desenleri kesmek için kolay ve düşük maliyetli bir yöntem sağlar. PDMS şablon geri dönüşümlü da yeterli tutarlılık ile deneylerini yapmak için onları maliyet-etkin hale getirir.
<p cl= "Jove_content" eşek> Burada lazer kesim tarafından 1000 mikron özelliklere sahip bir PDMS şablonun imalat ve HESC micropatterns üretimi için detaylı metodoloji sunuyoruz. Bu HESC micropatterns integrinin ölçüde modüle etmek için kullanıldı ve hücre yapışmasının mekansal polarizasyon hücresi kaderi heterojen 10 sonuçlanan araştırmak üzere E-kadherin uyumlu bir HESC koloni içinde yapışıklıklar aracılı.Protocol
Representative Results
Discussion
Micropatterning şablon imalatı
Elek micropatterning niş aracılı farklılaşma model oluşturmanın araştırmak için hPSC micropatterns oluşturmak için ideal bir yöntem sağlar. Böyle microcontact baskı ve photopatterning gibi diğer micropatterning teknikleri üzerinde şablon desen önemli avantajı, yüzey modifikasyonu gerektirmez ve geleneksel TCPS yüzeylerde uygulanabilir olmasıdır. Bu nedenle, farklı hPSC hatları için optimize edilmiş kült?…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma ödeneği başlatın NUS tarafından (R-397-000-192-133) ve ETPL Gap Fonu (R-397-000-198-592) desteklenir. GS NUS Araştırma bilginidir. Yazarlar, hücre micropatterning onu teknik destek için Dr. Jiangwa Xing teşekkür etmek istiyorum.
Materials
| 2 mm thick PDMS sheet | Specialty Silicone Products Inc., USA | SSPM823-.005 | Used to form reservoir for stencil |
| 120-150 μm thick PDMS sheet | Specialty Silicone Products Inc., USA | SSPM823-.040 | Used to form stencil |
| 60 mm petri dish | Nunc Nunclon Delta | 150326 | Substrate for micropatterning |
| Accutase | Accutase, Merck Millipore, Singapore | SCR005 | Enzyme to break H9 Cells into single cells |
| Activin | R&D Systems, Singapore | 338-AC-010 | Growth factor for H9 differentiation |
| BMP4 | R&D Systems, Singapore | 338-BP-010 | Growth factor for H9 differentiation |
| Plasma system | Femto Science, Korea | CUTE-MP | For plasma oxidation of stencil |
| Dispase | StemCell™ Technologies, Singapore | 7923 | Enzyme used to weaken the cell-ECM adhesion during passaging |
| DMEM/F12 | GIBCO, USA | 11330032 | Basal medium for H9 cells |
| FGF2 | R&D Systems, Singapore | 233–FB–025 | Growth factor for H9 differentiation |
| H9 Cell line | WiCell Research Institute, Inc., USA | WA09 | Human embryonic stem cells |
| hESC-qualified basement membrane matrix | Matrigel, BD Biosciences, Singapore | 354277 | Extra-cellular matrix coating to support growth of H9 cells |
| Inverted microscope | Leica Microsystems, Singapore | DMi1 | For capturing bright-field images |
| Laser cutter | Epilog Helix 24 Laser System | Used to generate through holes in PDMS sheet | |
| mTeSR™1 medium | StemCell™ Technologies, Singapore | 5850 | Maintainence medium for H9 cells |
| PDMS | SYLGARD® 184, Dow Corning Co., USA | 3097358-1004 | Used for sticking the PDMS stencil and reservior |
| ROCKi Y27632 | Calbiochem, Merck Millipore, Singapore | 688000 | Maintains H9 cells as single cells |
| STEMdiff™ APEL™ medium | StemCell™ Technologies, Singapore | 5210 | Differentiation medium for H9 cells |
| Polyethylene terephthalate film | SureMark Singapore | SQ-6633 | Used to form stencil |
| Cell culture compatible non-ionic surfactant | Pluronic acid F-127, Sigma, Singapore | P2443 | Passivating reagent to repel cell adhesion in non-micropatterned substrates |
Referenzen
- Graf, T., Stadtfeld, M. Heterogeneity of embryonic and adult stem cells. Cell Stem Cell. 3 (5), 480-483 (2008).
- Nishikawa, S., Goldstein, R. A., Nierras, C. R. The promise of human induced pluripotent stem cells for research and therapy. Nat Rev Mol Cell Biol. 9 (9), 725-729 (2008).
- Guilak, F., Cohen, D. M., Estes, B. T., Gimble, J. M., Liedtke, W., Chen, C. S. Control of stem cell fate by physical interactions with the extracellular matrix. Cell Stem Cell. 5 (1), 17-26 (2009).
- Dalby, M. J., Gadegaard, N., Oreffo, R. O. Harnessing nanotopography and integrin-matrix interactions to influence stem cell fate. Nat Mater. 13 (6), 558-569 (2014).
- Joddar, B., Ito, Y. Artificial niche substrates for embryonic and induced pluripotent stem cell cultures. J Biotechnol. 168 (2), 218-228 (2013).
- Warmflash, A., Sorre, B., Etoc, F., Siggia, E. D., Brivanlou, A. H. A method to recapitulate early embryonic spatial patterning in human embryonic stem cells. Nat Methods. 11 (8), 847-854 (2014).
- Peerani, R., et al. Niche-mediated control of human embryonic stem cell self-renewal and differentiation. EMBO J. 26 (22), 4744-4755 (2007).
- Lee, L. H., Peerani, R., Ungrin, M., Joshi, C., Kumacheva, E., Zandstra, P. Micropatterning of human embryonic stem cells dissects the mesoderm and endoderm lineages. Stem Cell Res. 2 (2), 155-162 (2009).
- Hwang, Y. S., Chung, B. G., Ortmann, D., Hattori, N., Moeller, H. C., Khademhosseini, A. Microwell-mediated control of embryoid body size regulates embryonic stem cell fate via differential expression of WNT5a and WNT11. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (40), 16978-16983 (2009).
- Toh, Y. C., Xing, J., Yu, H. Modulation of integrin and E-cadherin-mediated adhesions to spatially control heterogeneity in human pluripotent stem cell differentiation. Biomaterials. 50, 87-97 (2015).
- Xing, J., Toh, Y. C., Xu, S., Yu, H. A method for human teratogen detection by geometrically confined cell differentiation and migration. Sci Rep. 5, 10038 (2015).
- Falconnet, D., Csucs, G., Grandin, H. M., Textor, M. Surface engineering approaches to micropattern surfaces for cell-based assays. Biomaterials. 27 (16), 3044-3063 (2006).
- 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).
- Khademhosseini, A., et al. Co-culture of human embryonic stem cells with murine embryonic fibroblasts on microwell-patterned substrates. Biomaterials. 27 (36), 5968-5977 (2006).
- Mohr, J. C., de Pablo, J. J., Palecek, S. P. 3-D microwell culture of human embryonic stem cells. Biomaterials. 27 (36), 6032-6042 (2006).
- Yao, R., et al. Hepatic differentiation of human embryonic stem cells as microscaled multilayered colonies leading to enhanced homogeneity and maturation. Small. 10 (21), 4311-4323 (2014).
- Mei, Y., et al. Combinatorial development of biomaterials for clonal growth of human pluripotent stem cells. Nat Mater. 9 (9), 768-778 (2010).
- Melkoumian, Z., et al. Synthetic peptide-acrylate surfaces for long-term self-renewal and cardiomyocyte differentiation of human embryonic stem cells. Nat Biotechnol. 28 (6), 606-610 (2010).
- Evans, N. D., et al. Substrate stiffness affects early differentiation events in embryonic stem cells. Eur Cell Mater. 18, 1-13 (2009).
- Carter, S. B. Haptotactic islands: a method of confining single cells to study individual cell reactions and clone formation. Exp Cell Res. 48 (1), 189-193 (1967).
- Jimbo, Y., Robinson, H. P., Kawana, A. Simultaneous measurement of intracellular calcium and electrical activity from patterned neural networks in culture. IEEE Trans Biomed Eng. 40 (8), 804-810 (1993).
- Wright, D., et al. Reusable, reversibly sealable parylene membranes for cell and protein patterning. J Biomed Mater Res. A. 85 (2), 530-538 (2008).
- Jinno, S., et al. Microfabricated multilayer parylene-C stencils for the generation of patterned dynamic co-cultures. J Biomed Mater Res A. 86 (1), 278-288 (2008).
- Jackman, R. J., Duffy, D. C., Cherniavskaya, O., Whitesides, G. M. Using elastomeric membranes as dry resists and for dry lift-off. Langmuir. 15 (8), 2973-2984 (1999).
- Folch, A., Jo, B. H., Hurtado, O., Beebe, D. J., Toner, M. Microfabricated elastomeric stencils for micropatterning cell cultures. J Biomed Mater Res. 52 (2), 346-353 (2000).
- Park, J., et al. Microfabrication-based modulation of embryonic stem cell differentiation. Lab Chip. 7 (8), 1018-1028 (2007).
- Choi, J. H., Lee, H., Jin, H. K., Bae, J. S., Kim, G. M. Micropatterning of neural stem cells and Purkinje neurons using a polydimethylsiloxane (PDMS) stencil. Lab Chip. 12 (23), 5045-5050 (2012).
- Li, W., et al. NeuroArray: a universal interface for patterning and interrogating neural circuitry with single cell resolution. Sci Rep. 4, 4784 (2014).
- Guvanasen, G. S., Mancini, M. L., Calhoun, W. A., Rajaraman, S., DeWeerth, S. P. Polydimethylsiloxane Microstencils Molded on 3-D-Printed Templates. J Microelectromech S. 23 (5), 1045-1053 (2014).
- Palchesko, R. N., Zhang, L., Sun, Y., Feinberg, A. W. Development of polydimethylsiloxane substrates with tunable elastic modulus to study cell mechanobiology in muscle and nerve. PLoS One. 7 (12), 51499 (2012).
- Chowdhury, F., et al. Material properties of the cell dictate stress-induced spreading and differentiation in embryonic stem cells. Nat Mater. 9 (1), 82-88 (2010).
- Gjorevski, N., Boghaert, E., Nelson, C. M. Regulation of Epithelial-Mesenchymal Transition by Transmission of Mechanical Stress through Epithelial Tissues. Cancer Microenviron. 5 (1), 29-38 (2012).
- Thery, M. Micropatterning as a tool to decipher cell morphogenesis and functions. J Cell Sci. 123, 4201-4213 (2010).
- Eroshenko, N., Ramachandran, R., Yadavalli, V. K., Rao, R. R. Effect of substrate stiffness on early human embryonic stem cell differentiation. J Biol Eng. 7 (1), 7 (2013).
