Выделение экзосомных внеклеточных везикул, несущих гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор, из эмбриональных стволовых клеток
Summary
Это исследование описывает метод выделения из эмбриональных стволовых клеток, обогащенных экзосомами внеклеточных везикул, несущих иммуностимулирующие колониестимулирующие факторы гранулоцитарных макрофагов.
Abstract
Эмбриональные стволовые клетки (ЭСК) представляют собой плюрипотентные стволовые клетки, способные к самообновлению и дифференцировке во все типы эмбриональных клеток. Как и многие другие типы клеток, ESCs высвобождают небольшие мембранные везикулы, такие как экзосомы, во внеклеточную среду. Экзосомы служат важнейшими медиаторами межклеточной коммуникации и играют основную роль во многих (пато)физиологических процессах. Гранулоцитарно-макрофагальный колониестимулирующий фактор (GM-CSF) функционирует как цитокин для модуляции иммунного ответа. Присутствие GM-CSF в экзосомах может повысить их иммунорегукрепительную функцию. Здесь GM-CSF стабильно переэкспрессировался в мышиной клеточной линии ESC ES-D3. Был разработан протокол для выделения высококачественных экзосомных внеклеточных везикул (EV) из клеток ES-D3, чрезмерно экспрессировающих GM-CSF. Изолированные экзосомные ev были характеризованы различными экспериментальными подходами. Важно отметить, что было обнаружено, что значительное количество GM-CSF присутствует в обогащенных экзосомами EV. В целом, обогащенные ГМ-CSF экзосомами EV из ЭСК могут функционировать как бесклеточные везикулы для осуществления своей иммунорегуляторной деятельности.
Introduction
ESCs получены из стадии бластоцисты предимплантационного эмбриона1. Как плюрипотентные стволовые клетки, ESCs обладают способностью самообновляться и дифференцироваться в любой тип эмбриональных клеток. Благодаря своему замечательному потенциалу развития и долгосрочной пролиферативной способности, ЭСЦ чрезвычайно ценны для биомедицинских исследований1. Текущие исследовательские усилия в основном сосредоточены на терапевтическом потенциале ESCs для различных основных патологических расстройств, включая диабет, болезни сердца и нейродегенеративные заболевания2,3,4.
Известно, что клетки млекопитающих, включая ЭСК, высвобождают везикулы с переменными размерами во внеклеточную среду, и эти EV обладают многими физиологическими и патологическими функциями из-за их роли в межклеточной связи5. Среди различных подтипов EV экзосомы представляют собой небольшие мембранные везикулы, высвобождаемые из различных типов клеток во внеклеточное пространство при слиянии промежуточных эндоцитарных компартментов, мультивезикулярных тел (MVB), с плазматической мембраной6. Сообщалось, что экзосомы опосредовывают межклеточную коммуникацию и критически участвуют во многих (пато)физиологических процессах7,8. Экзосомы наследуют некоторые биологические функции от своих собственных родительских клеток, потому что экзосомы содержат биологические материалы, полученные из цитозола, включая белки и нуклеиновые кислоты. Таким образом, ассоциированные антигены или факторы, стимулирующие иммунный ответ, специфичный для данного заболевания, инкапсулируются в экзосомах из определенных типов клеток9. Это проложило путь к клиническим испытаниям, изучающим экзосомы, полученные из опухолей, в качестве противораковой вакцины10.
GM-CSF представляет собой цитокин, секретируемый различными типами иммунных клеток11. Новые данные свидетельствуют о том, что GM-CSF активирует и регулирует иммунную систему и играет важную роль в антиген-презентационно-презентационном процессе12. Например, клинический отчет предполагает, что GM-CSF стимулирует иммунный ответ на опухоли в качестве адъюванта вакцины13. Несколько стратегий иммунотерапии рака на основе GM-CSF для использования мощной иммуностимулирующей активности GM-CSF были исследованы в клинических испытаниях14. Среди них противораковая вакцина, состоящая из облученных ГМ-CSF-секреторных опухолевых клеток, показала некоторые перспективы у пациентов с прогрессирующей меланомой, индуцируя клеточные и гуморальные противоопухолевые ответы и последующий некроз в метастазированных опухолях15.
Поскольку экзосомы, полученные из ESCs, обладают аналогичной биологической активностью, что и исходные ESCs, возможно, экзосомы, несущие GM-CSF из ESCs, могут функционировать как бесклеточные везикулы для регулирования иммунного ответа. В данной работе описан подробный способ получения высококачественных обогащенных экзосомами EV из ЭСК, экспрессивующих GM-CSF. Эти обогащенные экзосомами электромобили могут служить иммунорегуляционными везикулами для модуляции иммунного ответа.
Protocol
Representative Results
Discussion
Это исследование показывает высокоэффективный метод производства обогащенных экзосомами EV, несущих иммуностимулирующий белок GM-CSF, который может быть использован для изучения иммуномодулирующих эффектов обогащенных экзосомами EV. Несколько исследований показывают, что экзосомы про?…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Мы благодарны г-ну Аркадиузу Слюсарчику и Сети биомедицинских исследований Кентукки (KBRIN, P20GM103436) за получение изображений просвечивающих электронных микроскопов. Эта работа была частично поддержана грантами NIH AA018016-01 (J.W.E.), Commonwealth of Kentucky Research Challenge Trust Fund (J.W.E.), NIH CA106599 и CA175003 (C.L.), NIH CA198249 (K.Y.) и Free to Breathe Research Grant (K.Y.).
Materials
| Alkaline phosphate, Calf Intestinal | New England Biolabs | M0290S | Dephosphorylating DNA plasmid |
| anti-Annexin V mAb | Santa Cruz Biotechnology | clone H-3, sc-74438 | Western blot, RRID:AB_1118989 |
| anti-CD81 mAb | Santa Cruz Biotechnology | clone B-11, sc-166029 | Western blot, RRID:AB_2275892 |
| anti-cytochrome c mAb | Santa Cruz Biotechnology | clone A-8, sc-13156 | Western blot, RRID:AB_627385 |
| anti-Flotillin-1 mAb | Santa Cruz Biotechnology | clone C-2; sc-74566 | Western blot, RRID:AB_2106563 |
| anti-GAPDH pAb | Rockland | 600-401-A33S | Western blot, RRID:AB_11182910 |
| anti-mouse IgG, goat, peroxidase-conjugated | Thermo Fisher | 31430 | Western blot, RRID:AB_228307 |
| anti-Oxphos COX IV-subunit IV mAb | Thermo Fisher | clone 20E8C12 A21348 | Western blot, RRID:AB_221509 |
| anti-protein disulfide isomerase (PDI) pAb | Enzo | ADI-SPA-890 | Western blot, RRID:AB_10616242 |
| anti-rabbit IgG, goat, peroxidase-conjugated | Thermo Fisher | 31460 | Western blot, RRID:AB_228341 |
| BCA (bicinchoninic acid) assay | Thermo Fisher | 23223 | Determining protein concentrations |
| Bis-Tris PAGE Gel, ExpressPlus, 4-20% | Genscript | M42015 | Western blot |
| Carbenicillin, Disodium Salt | Thermo Fisher | 10177012 | Selecting E. coli colonies |
| Centrifuge, Avanti J-26 XPI | Beckman Coulter | Low speed centrifugation | |
| Centrifuge rotor, JA-10 | Beckman Coulter | 09U1597 | Low speed centrifugation |
| Centrifuge bottle, Nalgene PPCO | Thermo Fisher | 3120-0500PK | Low speed centrifugation |
| Cu grids with carbon support film | Electron Microscopy Sciences | FF200-Cu | Acquiring electron microscopy images |
| EcoRI | New England Biolabs | R0101 | Digesting DNA plasmid |
| Enhanced chemiluminescence detection system | Thermo Fisher | 32106 | Western blot |
| FACScalibur flow cytometer | Becton Dickinson | Examining GFP levels of ES-D3 cells | |
| Fetal bovine serum | ATCC | SCRR-30-2020 | Medium for ES-D3 cells |
| Fisherbrand Sterile Cell Strainers; Mesh Size: 40μm | Thermo Fisher | 22-363-547 | Filtering ES-D3 cells for FACS sorting |
| Gelatin (0.1%) | Thermo Fisher | ES006B | Culturing ES-D3 cells |
| GM-CSF ELISA kit | Thermo Fisher | 88733422 | Determining GM-CSF concentrations |
| KnockOut Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium | Thermo Fisher | 10-829-018 | Medium for ES-D3 cells |
| Leukemia Inhibitory Factor | Thermo Fisher | ESG1106 | Medium for ES-D3 cells |
| L-glutamine | VWR | VWRL0131-0100 | Medium for ES-D3 cells |
| Lipofectamine 2000 transfection reagent | Thermo Fisher | 11668019 | Transfecting ES-D3 cells |
| Microplate reader, PowerWave XS | BioTek | Determining GM-CSF concentrations | |
| MoFlo XDP high-speed cell sorter | Beckman Coulter | Isolating single ES-D3 cell clones | |
| NEB 5-alpha Competent E. coli | New England Biolabs | C2988J | Generating GM-CSF expression plasmid |
| Neomycin | Thermo Fisher | 10-131-035 | Selecting ES-D3 clones |
| Non-essential amino acids | Thermo Fisher | SH3023801 | Medium for ES-D3 cells |
| Non-fat dry milk | Thermo Fisher | NC9022655 | Western blot |
| Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Thermo Fisher | 31985062 | Transfecting ES-D3 cells |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Acquiring electron microscopy images |
| Penicillin/streptomycin | VWR | sc45000-652 | Medium for ES-D3 cells |
| Plasmid pEF1a-FD3ER-IRES-hrGFP | Addgene | 37270 | Generating GM-CSF expression plasmid |
| PVDF membranes | Millipore EMD | IPVH00010 | Western blot |
| QIAprep Spin Miniprep Kit (250) | QIAGEN | 27106 | Generating GM-CSF expression plasmid |
| QIAquick Gel Extraction Kit (50) | QIAGEN | 28704 | Generating GM-CSF expression plasmid |
| Quick Ligation Kit | New England Biolabs | M2200S | Generating GM-CSF expression plasmid |
| Transmission electron microscope | Hitachi | HT7700 | Acquiring electron microscopy images |
| Trypsin | VWR | 45000-660 | Culturing ES-D3 cells |
| Ultracentrifuge, OptimaTM L-100 XP | Beckman Coulter | High speed centrifugation | |
| Ultracentrifuge rotor, 45Ti | Beckman Coulter | 09U4454 | High speed centrifugation |
| Ultracentrifuge polycarbonate bottle | Beckman Coulter | 355622 | High speed centrifugation |
| UranyLess staining solution | Electron Microscopy Sciences | 22409 | Acquiring electron microscopy images |
Referencias
- Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282 (5391), 1145-1147 (1998).
- Sakthiswary, R., Raymond, A. A. Stem cell therapy in neurodegenerative diseases: From principles to practice. Neural Regeneration Research. 7 (23), 1822-1831 (2012).
- Liu, Y. W., et al. Human embryonic stem cell-derived cardiomyocytes restore function in infarcted hearts of non-human primates. Nature Biotechnology. 36 (7), 597-605 (2018).
- Aguayo-Mazzucato, C., Bonner-Weir, S. Stem cell therapy for type 1 diabetes mellitus. Nature Reviews: Endocrinology. 6 (3), 139-148 (2010).
- Thery, C., et al. Minimal information for studies of extracellular vesicles 2018 (MISEV2018): a position statement of the International Society for Extracellular Vesicles and update of the MISEV2014 guidelines. Journal of Extracell Vesicles. 7 (1), 1535750 (2018).
- Raposo, G., Stoorvogel, W. Extracellular vesicles: exosomes, microvesicles, and friends. Journal of Cell Biology. 200 (4), 373-383 (2013).
- Meldolesi, J. Exosomes and Ectosomes in Intercellular Communication. Current Biology. 28 (8), R435-R444 (2018).
- Stremersch, S., De Smedt, S. C., Raemdonck, K. Therapeutic and diagnostic applications of extracellular vesicles. Journal of Control Release. 244 (Pt B), 167-183 (2016).
- Lindenbergh, M. F. S., Stoorvogel, W. Antigen Presentation by Extracellular Vesicles from Professional Antigen-Presenting Cells. Annual Review of Immunology. 36, 435-459 (2018).
- Kunigelis, K. E., Graner, M. W. The Dichotomy of Tumor Exosomes (TEX) in Cancer Immunity: Is It All in the ConTEXt?. Vaccines (Basel). 3 (4), 1019-1051 (2015).
- Becher, B., Tugues, S., Greter, M. GM-CSF: From Growth Factor to Central Mediator of Tissue Inflammation. Immunity. 45 (5), 963-973 (2016).
- Conti, L., Gessani, S. GM-CSF in the generation of dendritic cells from human blood monocyte precursors: recent advances. Immunobiology. 213 (9-10), 859-870 (2008).
- Higano, C. S., et al. Integrated data from 2 randomized, double-blind, placebo-controlled, phase 3 trials of active cellular immunotherapy with sipuleucel-T in advanced prostate cancer. Cancer. 115 (16), 3670-3679 (2009).
- Yan, W. L., Shen, K. Y., Tien, C. Y., Chen, Y. A., Liu, S. J. Recent progress in GM-CSF-based cancer immunotherapy. Immunotherapy. 9 (4), 347-360 (2017).
- Dranoff, G., et al. Vaccination with irradiated tumor cells engineered to secrete murine granulocyte-macrophage colony-stimulating factor stimulates potent, specific, and long-lasting anti-tumor immunity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90 (8), 3539-3543 (1993).
- Tremml, G., Singer, M., Malavarca, R. Chapter 1, Unit 1C 4, Culture of mouse embryonic stem cells. Current Protocols in Stem Cell Biology. , (2008).
- Kirsch, P., Hafner, M., Zentgraf, H., Schilling, L. Time course of fluorescence intensity and protein expression in HeLa cells stably transfected with hrGFP. Molecules and Cells. 15 (3), 341-348 (2003).
- Zeng, X., et al. Stable expression of hrGFP by mouse embryonic stem cells: promoter activity in the undifferentiated state and during dopaminergic neural differentiation. Stem Cells. 21 (6), 647-653 (2003).
- Yaddanapudi, K., et al. Vaccination with embryonic stem cells protects against lung cancer: is a broad-spectrum prophylactic vaccine against cancer possible?. PLoS One. 7 (7), e42289 (2012).
- Dalby, B., et al. Advanced transfection with Lipofectamine 2000 reagent: primary neurons, siRNA, and high-throughput applications. Methods. 33 (2), 95-103 (2004).
- Thery, C., Amigorena, S., Raposo, G., Clayton, A. Chapter 3, Unit 3 22, Isolation and characterization of exosomes from cell culture supernatants and biological fluids. Current Protocols in Cell Biology. , (2006).
- Zhang, X., et al. Exosomes for Immunoregulation and Therapeutic Intervention in Cancer. Journal of Cancer. 7 (9), 1081-1087 (2016).
- Bunggulawa, E. J., et al. Recent advancements in the use of exosomes as drug delivery systems. Journal of Nanobiotechnology. 16 (1), 81 (2018).
- Schlesinger, S., Lee, A. H., Wang, G. Z., Green, L., Goff, S. P. Proviral silencing in embryonic cells is regulated by Yin Yang 1. Cell Reports. 4 (1), 50-58 (2013).
- Dranoff, G. GM-CSF-based cancer vaccines. Immunological Reviews. 188, 147-154 (2002).
- Park, Y. G., et al. Effects of Feeder Cell Types on Culture of Mouse Embryonic Stem Cell In Vitro. Development and Reproduction. 19 (3), 119-126 (2015).
- Lin, S., Talbot, P. Methods for culturing mouse and human embryonic stem cells. Methods in Molecular Biology. 690, 31-56 (2011).
- Yaddanapudi, K., et al. Exosomes from GM-CSF expressing embryonic stem cells are an effective prophylactic vaccine for cancer prevention. OncoImmunology. 8 (3), 1561119 (2019).
