Summary

En enzymatisk metode til at redde mesenchymale stamceller fra Clotted knoglemarvsprøver

Published: April 12, 2015
doi:

Summary

Mesenchymal stem cells are usually obtained from bone marrow and require expansion culture. When samples clot before processing, a protocol using the (enzymatic) thrombolytic drug urokinase can be applied to degrade the clot. Thus, cells are released and available for expansion culture. This protocol provides a rapid and inexpensive alternative to resampling.

Abstract

Mesenchymal stem cells (MSCs) – usually obtained from bone marrow – often require expansion culture. Our protocol uses clinical grade urokinase to degrade clots in the bone marrow and release MSCs for further use. This protocol provides a rapid and inexpensive alternative to bone marrow resampling. Bone marrow is a major source of MSCs, which are interesting for tissue engineering and autologous stem cell therapies. Upon withdrawal bone marrow may clot, as it comprises all of the hematopoietic system. The resulting clots contain also MSCs that are lost for expansion culture or direct stem cell therapy. We experienced that 74% of canine bone marrow samples contained clots and yielded less than half of the stem cell number expected from unclotted samples. Thus, we developed a protocol for enzymatic digestion of those clots to avoid labor-intense and costly bone marrow resampling. Urokinase – a clinically approved and readily available thrombolytic drug – clears away the bone marrow clots almost completely. As a consequence, treated bone marrow aspirates yield similar numbers of MSCs as unclotted samples. Also, after urokinase treatment the cells kept their metabolic activity and the ability to differentiate into chondrogenic, osteogenic and adipogenic lineages. Our protocol salvages clotted blood and bone marrow samples without affecting the quality of the cells. This obsoletes resampling, considerably reduces sampling costs and enables the use of clotted samples for research or therapy.

Introduction

Mesenkymale stamceller (MSC'er) spiller en vigtig rolle i regenerativ medicin og vævsmanipulering. De kan migrere, differentiere i forskellige celletyper 1 og indpode, hvilket gør dem ideelle kandidater til autologe behandlinger 2,3. Sidst, kliniske undersøgelser med MSC'er for knogle og brusk reparation, graft versus host-sygdom eller hjertesygdom blev iværksat 4. Disse MSC'erne kan høstes fra navlestrengen eller fedtvæv, men mest lovende resultater blev opnået fra knoglemarv stamceller 5.

Hoftebenskammen gør det muligt at indsamle en betydelig mængde knoglemarv og tjener derfor som vigtigste sted for aspiration 6. Men kvaliteten af ​​aspirat falder med stigende mængde knoglemarv trukket tilbage. Mens de første 5 ml knoglemarvsaspirat indeholder MSC'er af høj kvalitet, tilbagetrækning af større mængder fører til fortynding af aspirat med perifert blod from den meget vaskulariserede knogle 7. På grund af de nuværende megakaryocytter og blodplader, knoglemarvsaspirater er tilbøjelige til at størkne, medmindre der anvendes antikoagulanter. Men selv med antikoagulantia, kan der forekomme blodpropper.

I knoglemarven, udgør MSC'er kun en lille del af den samlede celle pool 8 og skal udvides i kultur i de fleste væv ingeniør eller terapeutiske anvendelser 4. Kvaliteten af en sådan kultur i høj grad afhænger af den oprindelige celle pool, dvs.., Mangfoldighed og et højt udgangspunkt nummer 9. Lavt antal af MSC'er fra tilbagekøb kan delvis forklares med donor variabilitet. På den anden side, MSC'er fra prøver lav kvalitet kræve længere tid i kultur og udvidet passage for at nå det ønskede antal celler. I begge tilfælde udvides passage er en kilde til celleældning og kan føre til tab af differentiering potentiale 10. Derfor optimerede protokoller, som kan maksimere celle yield og forhindre skadelige virkninger skal udvikles 11,12.

Da vi begyndte at arbejde med hunde MSC, vi var overrasket over at se, at omkring tre ud af fire hunde knoglemarv prøver indeholdt blodpropper, mens heldigvis størknet humane prøver (en i ti) var mindre hyppige. På den anden side var det ikke overraskende, at vi observeret meget lavere udbytter af MSC'er fra koagulerede prøver. For at løse tilbagevendende spørgsmål om koagulerede prøver, vi har udviklet protokollen ved hjælp af trombolytisk lægemiddel urokinase stedet for resampling.

Thrombolytiske terapier kan modvirke livstruende situationer såsom okklusion af blodkar forårsager hjerteanfald, slagtilfælde eller embolier grund af uønsket koagulation. De virker ved nedbrydning af blodpropper ved enzymatisk spaltning af fibrin med plasmin og enzymatisk plasminogenaktivatorer. På trods af den udbredte anvendelse til behandling af patienter, der findes kun ganske få publikationer, udnyttet thrombolytiske aktivitetertil laboratoriebrug at redde koagulerede prøver, for det meste med fokus på lymfocytter. I 1987 Niku et al. beskrev brugen af streptokinase for at opløse blodpropper resulterer i funktionelle lymfocytter 13 og fire år senere, de Vis et al. udvidet anvendelse af streptokinase at isolere leukæmiceller fra blod og knoglemarv til flowcytometrisk applikationer 14. En nyere publikation foreslår anvendelsen af Alteplase for kræftdiagnostik 15. Mens du bruger den samme enzymatiske metode, vores protokol fokuserer på isoleringen af ​​multipotent MSC'er formular knoglemarv til at give et værktøj til forskere på området stamcelle.

Protocol

BEMÆRK: Menneske knoglemarvsaspirater fra hoftebenskammen blev indsamlet fra samtykkende donorer med godkendelse fra den etiske komité for kantonen Luzern. Canine knoglemarvsaspirater fra hoftebensranden blev opsamlet med hund ejerens consent.Human (ca.. 20 ml) og hunde (ca.. 10 ml) knoglemarvsaspirater var anti-koaguleret ved tilsætning af 15 ml 3,8% natriumcitrat umiddelbart efter tilbagetrækning i operationen teater. Prøverne blev overført til laboratoriet miljøet for behandling samme dag som trukket tilbage. …

Representative Results

Kendsgerningerne, at 74% af hunde knoglemarvsprøver (n = 54), der er indeholdt blodpropper, når de ankom i vores laboratorium (figur 1A) sammen med nedsat MSC udbytterne fra disse prøver, gjort os mener, at et betydeligt antal MSC'er var fanget inden for de blodpropper . Faktisk en simpel DAPI-farvning af snit blodprop materiale bekræfter tilstedeværelsen af kerneholdige celler i høj densitet (figur 1B). Dette fører i sidste ende til et lavt antal MSC'er rådighed for eks…

Discussion

Rutinemæssigt vi prøve knoglemarv, mens patienten er i kirurgi (i vores tilfælde hovedsagelig rygkirurgi), med den fordel, at kun lidt ekstra arbejde der skal udføres af personalet i driften teater. Selvom prøverne blandes med natriumcitrat umiddelbart efter tilbagetrækningen, mange prøver var delvis størknet, da de ankom i laboratoriet til forarbejdning. På dette stadium, vil resampling at erstatte koagulerede prøver være en separat ekstra indgreb nødvendiggør igen lokale eller generelle anæstesi 6.<…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Swiss National Foundation Grant CR3I3_140717/1 and the Swiss Paraplegic Foundation.

Materials

Basal Medium Components
PenStrep 100X Gibco 15140122
Human FGF-basic Peprotech 100-18B
MEM Alpha w/ Nucleoside, w/ stable Glutamine Amimed 1-23S50-I
FBS Heat Inactivated Amimed 2-01F36-I
Amphotericin B Applichem A1907
Adipogenic Medium Components
DMEM-HAM F12 + GlutaMAX Amimed 1-26F09-I
Insulin  Sigma I5500
Rabbit serum  Gibco 16120099
Dexamethasone Applichem D4902
3-Isobutyl-1-methylxanthine Sigma I5879
Biotin  Sigma B4639
Rosiglitazone  Sigma R2408
Pantothenate  Sigma P5155
Oil Red-O  Sigma O0625
Osteogenic Medium Components
L-ascorbic acid 2-phosphate Sigma A8960
ß-glycerophosphate Sigma G9422
Silver nitrate (AgNO3) Sigma S6506
Chondrogenic Medium Components
Biopad – sponge shaped medical device  Euroresearch
L-proline  Sigma P5607
Insulin-Transferrin-Selenium X Gibco 51500056
Human transforming growth factor-β1  Peprotech 100-21
Alcian Blue 8GX Sigma A3157
Nuclear fast red Sigma N8002
Generic
Tri-Sodium citrate dihydrate Applichem A3901
PBS Applichem 964.9100
Urokinase Medac 1976826
0.5% Trypsin-EDTA Gibco 15400054
Giemsa stain Applichem A0885
Formaldehyde Applichem A0877
Sulfuric acid (H2SO4) Applichem A0655
Dimethyl sulfoxide (DMSO) Applichem A1584
Magnesium chloride (MgCl2) Applichem A3618
Guanidine hydrochloride Applichem A1499
Consumables
50 mL reaction tube Axygen SCT-50ML-25-S
10 mL syringe Braun 4606108V
Sterican needle (22G) Braun 4657624
1.7 mL Microtubes Brunschwig MCT-175-C
100 μm cell strainer Falcon 6.05935
sterile forceps Bastos Viegas, SA 489-001
sterile scalpel Braun 5518059
Primaria cell cuture dish Falcon 353803
C-Chip Neubauer Improved Bioswisstech 505050
cell culture flask – Flask T300 TPP 90301
Equipment
Microbiological biosafety cabinet class II Skan 82011500
water bath Memmert 1305.0377
Stripettes Serological Pipette 5ml Corning 4487-200ea
microscope Olympus CKX41
humidified incubator Heracells 240 Thermo scientific 51026331
Heraeus Multifuge 1S-R Thermo scientific 75004331

References

  1. Jiang, Y., et al. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature. 418 (6893), 41-49 (2002).
  2. Uccelli, A., Moretta, L., Pistoia, V. Mesenchymal stem cells in health and disease. Nat Rev Immunol. 8 (9), 726-736 (2008).
  3. Bartholomew, A., et al. Mesenchymal stem cells suppress lymphocyte proliferation in vitro and prolong skin graft survival in vivo. Exp Hematol. 30 (1), 42-48 (2002).
  4. Wang, S., Qu, X., Zhao, R. C. Clinical applications of mesenchymal stem cells. J Hematol Oncol. 5, 19 (2012).
  5. Baksh, D., Song, L., Tuan, R. S. Adult mesenchymal stem cells: characterization, differentiation, and application in cell and gene therapy. J Cell Mol Med. 8 (3), 301-316 (2004).
  6. Malempati, S., Joshi, S., Lai, S., Braner, D. A., Tegtmeyer, K. Videos in clinical medicine. Bone marrow aspiration and biopsy. N Engl J Med. 361 (15), e28 (2009).
  7. Cuthbert, R., et al. Single-platform quality control assay to quantify multipotential stromal cells in bone marrow aspirates prior to bulk manufacture or direct therapeutic use. Cytotherapy. 14 (4), 431-440 (2012).
  8. Veyrat-Masson, R., et al. Mesenchymal content of fresh bone marrow: a proposed quality control method for cell therapy. Br J Haematol. 139 (2), 312-320 (2007).
  9. Lazarus, H. M., Haynesworth, S. E., Gerson, S. L., Rosenthal, N. S., Caplan, A. I. Ex vivo expansion and subsequent infusion of human bone marrow-derived stromal progenitor cells (mesenchymal progenitor cells): implications for therapeutic use. Bone Marrow Transplant. 16 (4), 557-564 (1995).
  10. Bertolo, A., et al. An in vitro expansion score for tissue-engineering applications with human bone marrow-derived mesenchymal stem cells. J Tissue Eng Regen Med. , (2013).
  11. Casiraghi, F., Remuzzi, G., Abbate, M., Perico, N. Multipotent mesenchymal stromal cell therapy and risk of malignancies. Stem Cell Rev. 9 (1), 65-79 (2013).
  12. Bonab, M. M., et al. Aging of mesenchymal stem cell in vitro. BMC Cell Biol. 7, 14 (2006).
  13. Niku, S. D., Hoon, D. S., Cochran, A. J., Morton, D. L. Isolation of lymphocytes from clotted blood. J Immunol Methods. 105 (1), 9-14 (1987).
  14. De Vis, J., Renmans, W., Segers, E., Jochmans, K., De Waele, M. Flow cytometric immunophenotyping of leukemia cells in clotted blood and bone marrow. J Immunol Methods. 137 (2), 193-197 (1991).
  15. St Antoine, A., et al. Application of thrombolytic drugs on clotted blood and bone marrow specimens to generate usable cells for cytogenetic analyses. Arch Pathol Lab Med. 135 (7), 915-919 (2011).
  16. Kisiel, A. H., et al. Isolation, characterization, and in vitro proliferation of canine mesenchymal stem cells derived from bone marrow, adipose tissue, muscle, and periosteum. Am J Vet Res. 73 (8), 1305-1317 (2012).
  17. Bertolo, A., et al. Influence of different commercial scaffolds on the in vitro differentiation of human mesenchymal stem cells to nucleus pulposus-like cells. Eur Spine J. 21, S826-S838 (2012).
  18. Makridakis, M., Roubelakis, M. G., Vlahou, A. Stem cells: insights into the secretome. Biochim Biophys Acta. 1834 (11), 2380-2384 (2013).
  19. Benvenuti, S., et al. Rosiglitazone stimulates adipogenesis and decreases osteoblastogenesis in human mesenchymal stem cells. J Endocrinol Invest. 30 (9), RC26-RC30 (2007).
  20. Jaiswal, N., Haynesworth, S. E., Caplan, A. I., Bruder, S. P. Osteogenic differentiation of purified, culture-expanded human mesenchymal stem cells in vitro. J Cell Biochem. 64 (2), 295-312 (1997).
  21. Patel, A. Tissue banking for research–bench to bedside and back–myth, reality or fast fading reality at the dawn of a personalised healthcare era. Cell Tissue Bank. 12 (1), 19-21 (2011).
  22. Smith, H. W., Marshall, C. J. Regulation of cell signalling by uPAR. Nat Rev Mol Cell Biol. 11 (1), 23-36 (2010).
check_url/fr/52694?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Schlaefli, P., Bertolo, A., Malonzo, C., Poetzel, T., Baur, M., Steffen, F., Stoyanov, J. An Enzymatic Method to Rescue Mesenchymal Stem Cells from Clotted Bone Marrow Samples. J. Vis. Exp. (98), e52694, doi:10.3791/52694 (2015).

View Video