Isolatie, karakterisering en differentiatie van cardiale stamcellen van het hart volwassen muis
Summary
Het algemene doel van dit artikel is op de standaardisering van het protocol voor de isolatie, karakterisering en differentiatie van cardiale stamcellen (CSCs) vanuit het hart van de volwassen muis. Hier beschrijven we een dichtheid kleurovergang centrifugeren methode om te isoleren lymfkliertest CSCs en uitgewerkte methoden voor CSC cultuur, proliferatie en differentiatie in cardiomyocytes.
Abstract
Myocardinfarct (MI) is een belangrijke oorzaak van morbiditeit en mortaliteit wereldwijd. Een belangrijk doel van regeneratieve geneeskunde is om aan te vullen van de dode myocard na MI. Hoewel verschillende strategieën zijn gebruikt om te regenereren myocard, blijft stamcel therapie een grote aanpak om te vullen het dode myocardium van een MI-hart. Vergaren van bewijs suggereert de aanwezigheid van resident stam hartcellen (CSCs) in het volwassen hart en hun verstoringen van de hormoonhuishouding en/of paracrine effecten op de cardiale regeneratie. CSC isolatie en hun karakterisering en differentiatie naar myocardcellen, vooral cardiomyocytes, blijft echter een technische uitdaging. In de huidige studie mits we een eenvoudige methode voor de isolatie, karakterisering en differentiatie van CSCs vanuit het hart van de volwassen muis. Hier beschrijven we een dichtheid-gradiëntenmethode voor de isolatie van CSCs, waar het hart wordt verteerd door een oplossing van 0,2% collagenase II. Karakteriseren de geïsoleerde CSCs, we de expressie van CSCs/cardiale markeringen Sca-1, NKX2-5 en GATA4, en markeringen pluripotent/stemness OCT4, SOX2 en Nanog geëvalueerd. Wij ook vastbesloten het potentieel van de proliferatie van geïsoleerde CSCs door hen in een petrischaal te kweken en beoordelen van de expressie van de proliferatie markering Ki-67. Voor het beoordelen van het potentieel van de differentiatie van CSCs, wij zeven tot tien – dagen gekweekte CSCs geselecteerd. Wij overgedragen hen aan een nieuwe plaat met een cardiomyocyte differentiatie medium. Ze worden geïncubeerd in een cel cultuur incubator voor 12 dagen, terwijl het differentiatie-medium wordt gewijzigd om de drie dagen. De gedifferentieerde CSCs express cardiomyocyte-specifieke Markeringen: actinin en troponine ik. Dus, CSCs geïsoleerd met dit protocol hebben stemness en cardiale markeringen, en ze hebben een potentieel voor de proliferatie en differentiatie naar cardiomyocyte bloedlijn.
Introduction
Ischemische hartziekte, met inbegrip van myocardinfarct (MI), is een belangrijke oorzaak van overlijden rond de wereld1. Stamcel therapie voor het regenereren van dode myocard blijft een grote aanpak ter verbetering van de hartfunctie van een MI hart2,3,4,5. Verschillende soorten stamcellen zijn gebruikt om aan te vullen van dode myocard en ter verbetering van de hartfunctie van een MI-hart. Ze kunnen in grote lijnen worden onderverdeeld in embryonale stamcellen6 en volwassen stamcellen. Volwassen stamcellen, verschillende soorten stamcellen gebruikt zijn, zoals het beenmerg-afgeleide mononucleaire cellen7,8, mesenchymale stamcellen afkomstig uit beenmerg9,10, adipeus weefsel 11,12, en13van de navelstreng en CSCs14,15. Stamcellen kunnen bevorderen cardiale regeneratie door verstoringen van de hormoonhuishouding en/of paracrine acties16,17,18,19,20. Echter een belangrijk minpunt van een stamcel therapie is het verkrijgen van een voldoende aantal cellen van de stam die kan verspreiden en/of differentiëren naar een specifieke cardiale lineage21,22. Autologe en allogene transplantatie van stamcellen is een belangrijke uitdaging in stamcel therapie9. CSCs zou een betere benadering voor cardiale regeneratie omdat ze zijn afgeleid van het hart en ze worden gemakkelijker onderscheid gemaakt cardiale lineages dan niet-cardiale cellen van de stam tussen kunnen. Dus, het vermindert het risico van Teratoom. Bovendien zou de endocriene en paracrine gevolgen van CSCs, zoals exosomes en miRNAs die zijn afgeleid van de CSCs, effectiever dan andere soorten stamcellen. Dus, CSCs blijft een betere optie voor cardiale regeneratie23,24.
Hoewel CSCs een betere kandidaat voor cardiale regeneratie in een MI hart als gevolg van hun cardiale oorsprong zijn, is een belangrijke beperking met CSCs minder opbrengst als gevolg van het ontbreken van een efficiënte isolatie-methode. Een andere beperking zou de verminderde differentiatie van CSCs richting cardiomyocytes lineage2,25,26,27. Om te omzeilen deze beperkingen, is het belangrijk voor de ontwikkeling van een efficiënt protocol voor CSC isolatie, karakterisering en differentiatie naar cardiale bloedlijn. Er is geen enkele aanvaardbare marker voor CSCs en een specifieke celoppervlak marker gebaseerde Isolatievan CSCs levert minder CSCs. Hier, standaardiseren wij een eenvoudige kleurverloop centrifugeren benadering CSCs isoleren van de muis hart dat is rendabel en resulteert in een verhoogd rendement van CSCs. Deze geïsoleerde CSCs kunnen worden geselecteerd voor specifieke celoppervlak markers door fluorescentie-geactiveerde cel kortsluiting. Naast CSCs isolatie voorzien we een protocol CSC cultuur, karakterisering en differentiatie naar cardiomyocyte bloedlijn. Dus presenteren we een elegante methode om te isoleren en te karakteriseren, cultuur, CSCs onderscheiden van volwassen muis harten (Figuur 5).
Protocol
Representative Results
Discussion
De kritische stappen van dit protocol van de isolatie CSC zijn als volgt. 1) een gesteriliseerde voorwaarde moet worden gehandhaafd voor de extractie van de harten van de muizen. Elke besmetting tijdens de extractie van het hart kan het compromis van de kwaliteit van de CSCs. 2) het bloed moet volledig worden verwijderd voordat het hakken van het hart, dat wordt gedaan door meerdere wasbeurten van het hele hart en het hart stukken met HBSS oplossing. 3) het hart stukken moeten volledig worden lysed in een eencellige opha…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk wordt in delen, ondersteund door de National Institutes of Health subsidies HL-113281 en HL116205 naar de Paras Kumar Mishra.
Materials
| Mice | The Jackson laboratory, USA | Stock no. 000664 | |
| Antibodies: | |||
| OCT4- | Abcam | ab18976 (rabbit polyclonal) | OCT4-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| SOX2 | Abcam | ab97959 (rabbit polyclonal) | SOX2-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| Nanog | Abcam | ab80892 (rabbit polyclonal) | Nanog-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| Ki67 | Abcam | ab16667 (rabbit polyclonal) | Ki67-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| Sca I | Millipore | AB4336 (rabbit polyclonal) | Sca I Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| NKX2-5 | Santa Cruz | sc-8697 (goat polyclonal) | NKX2-5-Primary antibody- 1:50 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| GATA4 | Abcam | ab84593 (rabbit polyclonal) | GATA4-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| MEF2C | Santa Cruz | sc-13268 (goat polyclonal) | MEF2C-Primary antibody- 1:50 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| Troponin I | Millipore | MAB1691 (mouse monoclonal) | Troponin I-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| Actinin | Millipore | MAB1682 (mouse monoclonal) | Actinin-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| ANP | Millipore | AB5490 (mouse polyclonal) | ANP-Primary antibody- 1:100 dilution, Secondar antibody- 1:200 dilution, in blocking solution |
| Alex Fluor-488 checken anti-rabbit | Life technology | Ref no. A21441 | |
| Alex Fluor-594 goat anti-rabbit | Life technology | Ref no. A11012 | |
| Alex Fluor-594 rabbit anti-goat | Life technology | Ref no. A11078 | |
| Alex Fluor-488 checken anti-mouse | Life technology | Ref no. A21200 | |
| Alex Fluor-594 checken anti-goat | Life technology | Ref no. A21468 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Culture medium: | |||
| CSC maintenance medium | Millipore | SCM101 | Note: For CSC culture, PBS or incomplete DMEM medium was used for washing the cells |
| cardiomyocytes differentiation medium | Millipore | SCM102 | |
| DMEM | Sigma-Aldrich | D5546 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Cell Isolation buffer: | |||
| polysucrose and sodium diatrizoate solution (Histopaque1077) | Sigma | 10771 | |
| HBSS | Gibco | 2018-03 | |
| Collagenase I | Sigma | C0130 | |
| Dispase solution | STEMCELL Technologies | 7913 | |
| PBS | LONZA | S1226 | |
| StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | Thermoscientific | A1110501 | |
| Other reagents: | |||
| BSA | Sigma | A7030 | |
| Normal checken serum | Vector laboratory | S3000 | |
| DAPI solution | Applichem | A100,0010 | Dapi, working concentration-1 µg/mL |
| Trypan blue | Biorad | 145-0013 | |
| Trypsin | Sigma | T4049 | |
| StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | Thermo Fisher Scientific | A1110501 | |
| Formaldehyde | Sigma | 158127 | |
| Triton X-100 | ACROS | Cas No. 900-293-1 | |
| Tween 20 | Fisher Sceintific | Lot No. 160170 | |
| Ethanol | Thermo Scientific | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Tissue culture materials: | |||
| 100 mm petri dish | Thermo Scientific | ||
| 6-well plate | Thermo Scientific | ||
| 24-well plate | Thermo Scientific | ||
| T-25 flask | Thermo Scientific | ||
| T-75 flask | Thermo Scientific | ||
| 15 ml conical tube | Thermo Scientific | ||
| 50 mL conical tube | Thermo Scientific | ||
| 40 µm cell stainer | Fisher Scientific | 22363547 | |
| 100 µm cell stainer | Fisher Scientific | 22363549 | |
| 0.22 µm filter | Fisher Scientific | 09-719C | |
| 10 mL syring | BD | Ref no. 309604 | |
| 10 µL, 200 µL, 1000 µL pipette tips | Fisher Scientific | ||
| 5 mL, 10mL, 25 mL disposible plastic pipette | Thermo Scientific | ||
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Instruments | |||
| Centrufuge machine | Thermo Scientific | LEGEND X1R centrifuge | |
| EVOS microscope | Life technology | ||
| Automated cell counter | Biorad | ||
| Cell counting slide | Biorad | 145-0011 | |
| Pippte aid | Thermo Scientific | S1 pipet filler | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Surgical Instruments: | |||
| Surgical scissors | Fine Scientific Tool | ||
| Fine surgical scissors | Fine Scientific Tool | ||
| Curve shank forceps | Fine Scientific Tool | ||
| Surgical blade | Fine Scientific Tool |
References
- Benjamin, E. J., et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2017 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 135, e146 (2017).
- Nguyen, P. K., Rhee, J. W., Wu, J. C. Adult Stem Cell Therapy and Heart Failure, 2000 to 2016: A Systematic Review. The Journal of the American Medical Association Cardiology. 1, 831-841 (2000).
- Emmert, M. Y., et al. Safety and efficacy of cardiopoietic stem cells in the treatment of post-infarction left-ventricular dysfunction – From cardioprotection to functional repair in a translational pig infarction model. Biomaterials. 122, 48-62 (2017).
- Silvestre, J. S., Menasche, P. The Evolution of the Stem Cell Theory for Heart Failure. EBioMedicine. 2, 1871-1879 (2015).
- Terzic, A., Behfar, A. Stem cell therapy for heart failure: Ensuring regenerative proficiency. Trends in Cardiovascular Medicine. 26, 395-404 (2016).
- Yamada, S., et al. Embryonic stem cell therapy of heart failure in genetic cardiomyopathy. Stem Cells. 26, 2644-2653 (2008).
- Sadek, H. A., Martin, C. M., Latif, S. S., Garry, M. G., Garry, D. J. Bone-marrow-derived side population cells for myocardial regeneration. Journal of Cardiovascular Translational Research. 2, 173-181 (2009).
- Vrtovec, B., et al. Effects of intracoronary CD34+ stem cell transplantation in nonischemic dilated cardiomyopathy patients: 5-year follow-up. Circulation Research. 112, 165-173 (2013).
- Hare, J. M., et al. Comparison of allogeneic vs autologous bone marrow-derived mesenchymal stem cells delivered by transendocardial injection in patients with ischemic cardiomyopathy: the POSEIDON randomized trial. The Journal of American Medical Association. 308, 2369-2379 (2012).
- Guijarro, D., et al. Intramyocardial transplantation of mesenchymal stromal cells for chonic myocardial ischemia and impaired left ventricular function: Results of the MESAMI 1 pilot trial. International Journal of Cardiology. 209, 258-265 (2016).
- Bobi, J., et al. Intracoronary Administration of Allogeneic Adipose Tissue-Derived Mesenchymal Stem Cells Improves Myocardial Perfusion But Not Left Ventricle Function, in a Translational Model of Acute Myocardial Infarction. Journal of the American Heart Association. 6, (2017).
- Suzuki, E., Fujita, D., Takahashi, M., Oba, S., Nishimatsu, H. Adipose tissue-derived stem cells as a therapeutic tool for cardiovascular disease. World Journal of Cardiology. 7, 454-465 (2015).
- Gao, L. R., et al. Intracoronary infusion of Wharton’s jelly-derived mesenchymal stem cells in acute myocardial infarction: double-blind, randomized controlled trial. BMC Medicine. 13, 162 (2015).
- Simpson, D. L., et al. A strong regenerative ability of cardiac stem cells derived from neonatal hearts. Circulation. , S46-S53 (2012).
- Kazakov, A., et al. C-kit(+) resident cardiac stem cells improve left ventricular fibrosis in pressure overload. Stem Cell Research. 15, 700-711 (2015).
- Ong, S. G., et al. Cross talk of combined gene and cell therapy in ischemic heart disease: role of exosomal microRNA transfer. Circulation. 130, S60-S69 (2014).
- Sahoo, S., Losordo, D. W. Exosomes and cardiac repair after myocardial infarction. Circulation Research. 114, 333-344 (2014).
- Zhang, Z., et al. Pretreatment of Cardiac Stem Cells With Exosomes Derived From Mesenchymal Stem Cells Enhances Myocardial Repair. Journal of the American Heart Association. 5, (2016).
- Ibrahim, A. G., Cheng, K., Marban, E. Exosomes as critical agents of cardiac regeneration triggered by cell therapy. Stem Cell Reports. 2, 606-619 (2014).
- Emanueli, C., Shearn, A. I., Angelini, G. D., Sahoo, S. Exosomes and exosomal miRNAs in cardiovascular protection and repair. Vascular Pharmacology. 71, 24-30 (2015).
- Menasche, P. Cardiac cell therapy: lessons from clinical trials. Journal of Molecular and Cellular Cardiology. 50, 258-265 (2011).
- Trounson, A., McDonald, C. Stem Cell Therapies in Clinical Trials: Progress and Challenges. Cell Stem Cell. 17, 11-22 (2015).
- Takamiya, M., Haider, K. H., Ashaf, M. Identification and characterization of a novel multipotent sub-population of Sca-1(+) cardiac progenitor cells for myocardial regeneration. PLoS One. 6, e25265 (2011).
- Cambria, E., et al. Translational cardiac stem cell therapy: advancing from first-generation to next-generation cell types. NPJ Regenerative Medicine. 2, 17 (2017).
- Bruyneel, A. A., Sehgal, A., Malandraki-Miller, S., Carr, C. Stem Cell Therapy for the Heart: Blind Alley or Magic Bullet?. Journal of Cardiovascular Translational Research. 9, 405-418 (2016).
- Garbern, J. C., Lee, R. T. Cardiac stem cell therapy and the promise of heart regeneration. Cell Stem Cell. 12, 689-698 (2013).
- Oh, H., Ito, H., Sano, S. Challenges to success in heart failure: Cardiac cell therapies in patients with heart diseases. Journal of Cardiology. 68, 361-367 (2016).
- Smith, A. J., et al. Isolation and characterization of resident endogenous c-Kit+ cardiac stem cells from the adult mouse and rat heart. Nature Protocols. 9, 1662-1681 (2014).
- Rutering, J., et al. Improved Method for Isolation of Neonatal Rat Cardiomyocytes with Increased Yield of C-Kit+ Cardiac Progenitor Cells. Journal of Stem Cell Research and Therapy. 5, 1-8 (2015).
- Saravanakumar, M., Devaraj, H. Distribution and homing pattern of c-kit+ Sca-1+ CXCR4+ resident cardiac stem cells in neonatal, postnatal, and adult mouse heart. Cardiovascular Pathology. 22, 257-263 (2013).
- Monsanto, M. M., et al. Concurrent Isolation of 3 Distinct Cardiac Stem Cell Populations From a Single Human Heart Biopsy. Circulation Research. 121, 113-124 (2017).
- Vidyasekar, P., Shyamsunder, P., Santhakumar, R., Arun, R., Verma, R. S. A simplified protocol for the isolation and culture of cardiomyocytes and progenitor cells from neonatal mouse ventricles. European Journal of Cell Biology. 94, 444-452 (2015).
- Dergilev, K. V., et al. Comparison of cardiac stem cell sheets detached by Versene solution and from thermoresponsive dishes reveals similar properties of constructs. Tissue Cell. 49, 64-71 (2017).
- Zaruba, M. M., Soonpaa, M., Reuter, S., Field, L. J. Cardiomyogenic potential of C-kit(+)-expressing cells derived from neonatal and adult mouse hearts. Circulation. 121, 1992-2000 (1992).
- Wang, H., et al. Isolation and characterization of a Sca-1+/CD31- progenitor cell lineage derived from mouse heart tissue. BMC Biotechnology. 14, 75 (2014).
- Smits, A. M., et al. Human cardiomyocyte progenitor cells differentiate into functional mature cardiomyocytes: an in vitro model for studying human cardiac physiology and pathophysiology. Nature Protocols. 4, 232-243 (2009).
