Labeling stamcellen met Ferumoxytol, een FDA-goedgekeurd ijzeroxide Nanodeeltje
Summary
We beschrijven een techniek voor etikettering en het bijhouden van stamcellen met FDA-goedgekeurde, superparamagnetische ijzeroxide (SPIO), ferumoxytol (Feraheme). Deze cellulaire beeldvorming techniek die magnetische resonantie (MR) beeldvorming maakt gebruik van voor visualisatie, is gemakkelijk toegankelijk voor de lange termijn monitoring en diagnose van succesvolle of mislukte stamcellen engraftments bij patiënten.
Abstract
Stamceltherapieën bieden een aanzienlijk potentieel voor het gebied van regeneratieve geneeskunde. Moet echter nog veel worden begrepen ten aanzien van de in vivo kinetiek van getransplanteerde cellen. Een niet-invasieve methode om herhaaldelijk te controleren getransplanteerde stamcellen in vivo in staat zou stellen de onderzoekers om direct te controleren stamceltransplantaties en identificeren van succesvolle of mislukte implantatie resultaten.
Een breed scala van stamcellen nog steeds worden onderzocht voor talloze toepassingen. Dit protocol richt zich op drie verschillende stamcelpopulaties: humane embryonale nier 293 (HEK293) cellen, humane mesenchymale stamcellen (hMSC) en geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS) cellen. HEK 293 cellen die afkomstig zijn van menselijke embryonale niercellen gekweekt in cultuur met geschoren adenovirus 5 DNA. Deze cellen worden op grote schaal gebruikt in onderzoek, omdat ze gemakkelijk gekweekt, groeien snel en zijn gemakkelijk getransfecteerd. hMSCs zijn te vinden in volwassen beenmerg. Deze cellen can worden gerepliceerd als ongedifferentieerde cellen met behoud van multipotent of de potentie om te differentiëren in een beperkt aantal van de cel lot. hMSCs kunnen differentiëren tot lineages van mesenchymale weefsels, waaronder osteoblasten, adipocyten, chondrocyten, pees-, spier-, en merg stroma. iPS cellen zijn genetisch geprogrammeerd volwassen cellen die zijn gewijzigd om genen en factoren die vergelijkbaar is met het definiëren van de eigenschappen van embryonale stamcellen uit te drukken. Deze cellen zijn pluripotent wat betekent dat ze de capaciteit hebben om te differentiëren in alle cellijnen 1. Zowel hMSCs en IPS-cellen hebben aangetoond weefsel regeneratieve capaciteit van in-vivo.
Magnetische resonantie (MR) beeldvorming in combinatie met het gebruik van superparamagnetische ijzeroxide (SPIO) nanodeeltjes cellen etiketten effectief bewezen in vivo volgen van stamcellen als gevolg van de nabije microscopische anatomische resolutie, een langere bloed half-life, dat toelaat longitudinale beeldvorming en de hoge sensitivity voor cel detectie door MR beeldvorming van SPIO nanodeeltjes 2-4. Daarnaast, MR beeldvorming met het gebruik van SPIOs is klinisch vertaalbaar. SPIOs zijn samengesteld uit een ijzeroxide kern met een dextran, carboxydextran of zetmeel oppervlakte laag die dient om de bioreactive ijzeren kern bevatten uit het plasma componenten. Deze agenten creëren lokale magnetische veld inhomogeniteiten die leiden tot een verminderde signaal op T2-gewogen MR beelden 5. Helaas zijn SPIOs niet meer geproduceerd worden. Tweede generatie, ultrakleine SPIOs (USPIO), bieden echter een levensvatbaar alternatief. Ferumoxytol (FerahemeTM) is een USPIO bestaat uit een niet-stoichiometrische magnetiet kern omgeven door een polyglucose sorbitol carboxymethylether vacht. De colloïdale, deeltjesgrootte van ferumoxytol is 17-30 nm, zoals bepaald door lichtverstrooiing. Het molecuulgewicht is 750 kDa, en de relaxatie constant op 2T MRI veld is 58.609 mM-1 sec-1 kracht 4. Ferumoxytol werd onlangs door de FDA goedgekeurde eens een ijzersupplement voor de behandeling van ijzergebrek bij patiënten met nierfalen 6. Onze groep heeft aangevraagd deze agent in een "off-label" te gebruiken voor mobiele toepassingen etikettering. Onze techniek demonstreert efficiëntie-etikettering van stamcellen met ferumoxytol die leidt tot significante MR-signaal effecten van gelabelde cellen op MR-beelden. Deze techniek kan worden toegepast voor niet-invasieve monitoring van stamcellen therapieën in pre-klinische en klinische settings.
Protocol
Discussion
Verbetering van de effectiviteit van stamcellen engraftments is van cruciaal belang voor de vooruitgang van de regeneratieve geneeskunde. Een niet-invasieve visualisatie techniek voor stamcellen in vivo verhoogt aanzienlijk ons vermogen om de mechanismen die leiden tot een succesvolle innesteling resultaten te begrijpen. Magnetische etikettering voor MR visualisatie, zoals de procedure die wij hebben laten zien, laat in vivo volgen van stamcellen met MRI. Magnetisch gelabelde stamcellen eerder getransp…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd ondersteund door een subsidie van het Nationaal Instituut van artritis en spier-en huidziekten: 3R01AR054458-02S2.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| D-MEM High Glucose | Sigma | D5648 | Or other base medium for desired stem cell line to be used |
| D-PBS (Ca++, Mg++ free) | GIBCO | 14190-144 | |
| Trypsin-EDTA 0.05% | Invitrogen | 25300-120 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Hyclone | SH30071.03 | |
Ferumoxytol (Feraheme) |
AMAG | 59338-0775-01 | |
| Protamine Sulfate | APP Pharm. | 22930 |
Referencias
- Narsinh, K. H., Plews, J., Wu, J. C. Comparison of human induced pluripotent and embryonic stem cells: fraternal or identical twins?. Mol Ther. 19, 635-638 (2011).
- Bulte, J. W. In vivo MRI cell tracking: clinical studies. AJR. Am. J. Roentgenol. 193, 314-325 (2009).
- Henning, T. D., Boddington, S., Daldrup-Link, H. E. Labeling hESCs and hMSCs with Iron Oxide Nanoparticles for Non-Invasive in vivo Tracking with MR Imaging. J. Vis. Exp. (13), e685-e685 (2008).
- Tallheden, T., Nannmark, U., Lorentzon, M. In vivo MR imaging of magnetically labeled human embryonic stem cells. Life. Sci. 79, 999-1006 (2006).
- Jung, C. W., Jacobs, P. Physical and chemical properties of superparamagnetic iron oxide MR contrast agents: ferumoxides, ferumoxtran, ferumoxsil. Magn. Reson. Imaging. 13, 661-674 (1995).
- Coyne, D. W. Ferumoxytol for treatment of iron deficiency anemia in patients with chronic kidney disease. Expert. Opin. Pharmacother. 10, 2563-2568 (2009).
- Li, Z., Suzuki, Y., Huang, M. Comparison of reporter gene and iron particle labeling for tracking fate of human embryonic stem cells and differentiated endothelial cells in living subjects. Stem Cells. 26, 864-873 (2008).
- Metz, S., Bonaterra, G., Rudelius, M. Capacity of human monocytes to phagocytose approved iron oxide MR contrast agents in vitro. Eur. Radiol. 14, 1851-1858 (2004).
- Nedopil, A., Klenk, C., Kim, C. MR signal characteristics of viable and apoptotic human mesenchymal stem cells in matrix-associated stem cell implants for treatment of osteoarthritis. Invest. Radiol. 45, 634-640 (2010).
- Kraitchman, D. L., Heldman, A. W., Atalar, E. In vivo magnetic resonance imaging of mesenchymal stem cells in myocardial infarction. Circulation. 107, 2290-2293 (2003).
- Stuckey, D. J., Carr, C. A., Martin-Rendon, E. Iron particles for noninvasive monitoring of bone marrow stromal cell engraftment into, and isolation of viable engrafted donor cells from, the heart. Stem Cells. 24, 1968-1975 (2006).
- Henning, T. D., Sutton, E. J., Kim, A. The influence of ferucarbotran on the chondrogenesis of human mesenchymal stem cells. Contrast. Media. Mol. Imaging. 4, 165-173 (2009).
- Arbab, A. S., Yocum, G. T., Kalish, H. Efficient magnetic cell labeling with protamine sulfate complexed to ferumoxides for cellular MRI. Blood. 104, 1217-1223 (2004).
- Nedopil, A. J., Mandrussow, L. G., Daldrup-Link, H. E. Implantation of Ferumoxides Labeled Human Mesenchymal Stem Cells in Cartilage Defects. J. Vis. Exp. (38), e1793-e1793 (2010).
- Arbab, A. S., Yocum, G. T., Wilson, L. B. Comparison of transfection agents in forming complexes with ferumoxides, cell labeling efficiency, and cellular viability. Mol Imaging. 3, 24-32 (2004).
- Babic, M., Horak, D., Trchova, M. Poly(L-lysine)-modified iron oxide nanoparticles for stem cell labeling. Bioconjug Chem. 19, 740-750 (2008).
- Golovko, D. M., T, H. e. n. n. i. n. g., Bauer, J. S. Accelerated stem cell labeling with ferucarbotran and protamine. Eur. Radiol. 20, 640-648 (2010).
- Lu, M., Cohen, M. H., Rieves, D. FDA report: Ferumoxytol for intravenous iron therapy in adult patients with chronic kidney disease. Am. J. Hematol. 85, 315-319 (2010).
