Summary

En effektiv metode til rettet Hepatocyte-Lignende Cell Induktion fra Human Embryonale stamceller

Published: May 06, 2021
doi:

Summary

Dette manuskript beskriver en detaljeret protokol for differentiering af humane embryonale stamceller (hESC’er) til funktionelle hepatocytlignende celler (HLC’ er) ved løbende at supplere Activin A og CHIR99021 under hESC-differentiering til endelig endoderm (DE).

Abstract

De potentielle funktioner i hepatocytlignende celler (HLC’er) fra menneskelige embryonale stamceller (HESC’er) rummer store løfter om sygdomsmodellering og lægemiddelscreeningsapplikationer. Forudsat her er en effektiv og reproducerbar metode til differentiering af HESCs i funktionelle HLCs. Etableringen af en endoderm afstamning er et vigtigt skridt i differentieringen til HLCs. Ved vores metode regulerer vi de vigtigste signalveje ved løbende at supplere Activin A og CHIR99021 under hESC-differentiering til endelig endoderm (DE), efterfulgt af generering af lever stamceller og endelig HLCs med typisk hepatocytmorfologi i en trinvis metode med helt definerede reagenser. De hESC-afledte NPC’er, der produceres ved denne metode, udtrykker scenespecifikke markører (herunder albumin, HNF4α nuclear receptor og natrium taurocholat cotransporterende polypeptid (NTCP)) og udviser særlige egenskaber i forbindelse med modne og funktionelle hepatocytter (herunder indokyaningrøn farvning, glykogenlagring, hæmatoboxyl-eosin farvning og CYP3-aktivitet) og kan udgøre en platform for udvikling af HLC-baserede anvendelser i undersøgelsen af leversygdomme.

Introduction

Leveren er et meget metabolisk organ, der spiller flere roller, herunder deoxidation, opbevaring af glykogen og sekretion og syntese af proteiner1. Forskellige patogener, stoffer og arvelighed kan forårsage patologiske ændringer i leveren og påvirke dens funktioner2,3. Hepatocytter, som den vigtigste funktionelle enhed i leveren, spiller en vigtig rolle i kunstig leverstøtte systemer og narkotika toksicitet elimination. Men, ressourcen af primære menneskelige hepatocytter er begrænset i celle-baseret behandling, samt i leversygdom forskning. Derfor er udvikling af nye kilder til funktionelle menneskelige hepatocytter en vigtig forskningsretning inden for regenerativ medicin. Siden 1998, hvor hESC’er er blevet etableret4, hESC’er er blevet bredt overvejet af forskere på grund af deres overlegne differentieringspotentiale (de kan differentiere sig til forskellige væv i et passende miljø) og høj grad af selvfornyelse og dermed give ideelle kildeceller til bioartificial lever, hepatocyttransplantation og endda levervævsteknik5.

I øjeblikket kan den hepatisk differentieringseffektivitet øges betydeligt ved at berige endoderm6. I differentieringsdifferentiering af stamceller til endoderm er niveauer af den transformerende vækstfaktor β (TGF-β) signalering og WNT-signalveje de vigtigste faktorer i lyden i endodermdannelsesfasen. Aktivering af et højt niveau af TGF-β og WNT signalering kan fremme udviklingen af endoderm7,8. Activin A er en cytokin, der tilhører TGF-β superfamilien. Derfor anvendes Activin A i vid udstrækning til endoderminduktion af menneskeskabte pluripotente stamceller (hiPSC’er) og HESC’er9,10. GSK3 er en serine-threonine protein kinase. Forskere har konstateret, at CHIR99021, en specifik hæmmer af GSK3β, kan stimulere typiske WNT-signaler og kan fremme stamcelledifferentiering under visse betingelser, hvilket tyder på, at CHIR99021 har potentiale til at inducere stamcelledifferentiering i endoderm 11,12,13.

Her rapporterer vi om en effektiv og reproducerbar metode til effektivt at reducere differentieringen af HESC’er til funktionelle HLC’er. Den sekventielle tilføjelse af Activin A og CHIR99021 producerede omkring 89,7±0,8% SOX17 (DE-markør)-positive celler. Efter at være blevet yderligere modnet in vitro, udtrykte disse celler leverspecifikke markører og udøvede hepatocytlignende morfologi (baseret på hematoxylin-eosin farvning (H &E)) og funktioner, såsom optagelse af indocyaningrøn (ICG), glykogenlagring og CYP3-aktivitet. Resultaterne viser, at HESC’er med succes kan differentieres til modne funktionelle HLC’er ved denne metode og kan danne grundlag for leversygdomsrelateret forskning og in vitro-lægemiddelscreening.

Protocol

1. Vedligeholdelse af stamceller BEMÆRK: Den cellevedligeholdelsesprotokol, der er beskrevet nedenfor, gælder for hES03-cellelinjen, der vedligeholdes i et klæbende monolag. For alle følgende protokoller i dette manuskript skal celler håndteres under et biologisk sikkerhedsskab. Forbered 1x mTesR stamcellekultur medium ved at fortynde 5x supplerende medium til mTesR grundlæggende medium. Forbered 30x hESC-kvalificeret Matrigel medium ved at fortynde 5 mL hESC-kvalific…

Representative Results

Det skematiske diagram over HLC-induktion fra HESC’er og repræsentative lysfeltsbilleder af hvert differentieringsstadium er vist i figur 1. I fase I blev Activin A og CHIR99021 tilføjet i 3 dage for at få stamceller til at danne endodermceller. I fase II differentierede endodermcellerne sig til lever stamceller efter at være blevet behandlet med differentieringsmedium i 5 dage. I fase III var tidlige hepatocytter modnet og differentieret til HLC’er efter 10 dage i HGF og OSM (<strong cl…

Discussion

Her præsenterer vi en trinvis metode, der fremkalder HLC’er fra HESC’er i tre faser. I første fase blev Activin A og CHIR99021 brugt til at differentiere HESC’er til DE. I anden fase blev KO-DMEM og DMSO brugt til at differentiere DE til lever stamceller. I tredje fase blev HZM plus HGF, OSM og hydrocortison 21-hemisuccinat natriumsalt brugt til fortsat at differentiere lever stamceller til HLC’er.

Følgende kritiske trin skal tages i betragtning, når protokollen bruges. Den oprindelige dif…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af National Natural Science Foundation of China (Nr. 81870432 og 81570567 til X.L.Z.), (Nr. 81571994 til P.N.S.); Natural Science Foundation of Guangdong-provinsen, Kina (nr. 2020A1515010054 til P.N.S.), Li Ka Shing Shantou University Foundation (nr. L1111 2008 til P.N.S.). Vi vil gerne takke professor Stanley Lin fra Shantou University Medical College for nyttige råd.

Materials

2-Mercaptoethanol Sigma M7522 For hepatic progenitor differentiation
488 labeled goat against mouse IgG ZSGB-BIO ZF-0512 For IF,second antibody
488 labeled goat against Rabbit IgG ZSGB-BIO ZF-0516 For IF,second antibody
Accutase Stem Cell Technologies 7920 For cell passage
Activin A peproTech 120-14E For definitive endoderm formation
Anti – Albumin (ALB) Sigma-Aldrich A6684 For IF and WB, primary antibody
Anti – Human Oct4 Abcam Ab19587 For IF, primary antibody
Anti – α-Fetoprotein (AFP) Sigma-Aldrich A8452 For IF and WB, primary antibody
Anti -SOX17 Abcam ab224637 For IF, primary antibody
Anti-Hepatocyte Nuclear Factor 4 alpha (HNF4α) Sigma-Aldrich SAB1412164 For IF, primary antibody
B-27 Supplement Gibco 17504-044 For definitive endoderm formation
BSA Beyotime ST023-200g For cell blocking
CHIR99021 Sigma-Aldrich SML1046 For definitive endoderm formation
DAPI Beyotime C1006 For nuclear staining
DEPC-water Beyotime R0021 For RNA dissolution
DM3189 MCE HY-12071 For definitive endoderm formation
DMEM/F12 Gibco 11320-033 For cell culture
DMSO Sigma-Aldrich D5879 For hepatic progenitor differentiation
DPBS Gibco 14190-144 For cell culture
GlutaMAX Gibco 35050-061 For hepatic progenitor differentiation
H&E staining kit Beyotime C0105S For H&E staining
Hepatocyte growth factor (HGF) peproTech 100-39 For hepatocyte differentiation
HepatoZYME-SFM (HZM) Gibco 17705-021 For hepatocyte differentiation
Hydrocortisone-21-hemisuccinate Sigma-Aldrich H4881 For hepatocyte differentiation
Indocyanine Sangon Biotech A606326 For Indocyanine staining
Knock Out DMEM Gibco 10829-018 For hepatic progenitor differentiation
Knock Out SR Multi-Species Gibco A31815-02 For hepatic progenitor differentiation
Matrigel hESC-qualified Corning 354277 For cell culture
MEM NeAA Gibco 11140-050 For hepatic progenitor differentiation
mTesR 5X Supplement Stem Cell Technologies 85852 For cell culture
mTesR Basal Medium Stem Cell Technologies 85851 For cell culture
Oncostatin (OSM) peproTech 300-10 For hepatocyte differentiation
P450 – CYP3A4 (Luciferin – PFBE) Promega V8901 For CYP450 activity
PAS staining kit Solarbio G1281 For PAS staining
Pen/Strep Gibco 15140-122 For cell differentiation
Peroxidase-Conjugated Goat anti-Mouse IgG ZSGB-BIO ZB-2305 For WB,second antibody
Primary Antibody Dilution Buffer for Western Blot Beyotime P0256 For primary antibody dilution
ReverTraAce qPCR RT Kit TOYOBO FSQ-101 For cDNA Synthesis
RNAiso Plus TaKaRa 9109 For RNA Isolation
RPMI 1640 Gibco 11875093 For definitive endoderm formation
Skim milk Sangon Biotech A600669 For second antibody preparation
SYBR Green Master Mix Thermo Fisher Scientific A25742 For RT-PCR Analysis
Torin2 MCE HY-13002 For definitive endoderm formation
Tween Sigma-Aldrich WXBB7485V For washing buffer preparation

References

  1. Hou, Y., Hu, S., Li, X., He, W., Wu, G. Amino Acid Metabolism in the Liver: Nutritional and Physiological Significance. Advances in Experimental Medicine and Biology. 1265, 21-37 (2020).
  2. Huang, C., Li, Q., Xu, W., Chen, L. Molecular and cellular mechanisms of liver dysfunction in COVID-19. Discovery Medicine. 30, 107-112 (2020).
  3. Todorovic Vukotic, N., Dordevic, J., Pejic, S., Dordevic, N., Pajovic, S. B. Antidepressants- and antipsychotics-induced hepatotoxicity. Archives of Toxicology. , (2021).
  4. Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282, 1145-1147 (1998).
  5. Li, Z., et al. Generation of qualified clinical-grade functional hepatocytes from human embryonic stem cells in chemically defined conditions. Cell Death & Disease. 10, 763 (2019).
  6. Rassouli, H., et al. Gene Expression Patterns of Royan Human Embryonic Stem Cells Correlate with Their Propensity and Culture Systems. Cell Journal. 21, 290-299 (2019).
  7. Loh, K. M., et al. Efficient endoderm induction from human pluripotent stem cells by logically directing signals controlling lineage bifurcations. Cell Stem Cell. 14, 237-252 (2014).
  8. Mukherjee, S., et al. Sox17 and beta-catenin co-occupy Wnt-responsive enhancers to govern the endoderm gene regulatory network. Elife. 9, (2020).
  9. Ang, L. T., et al. A Roadmap for Human Liver Differentiation from Pluripotent Stem Cells. Cell Reports. 22, 2190-2205 (2018).
  10. Carpentier, A., et al. Engrafted human stem cell-derived hepatocytes establish an infectious HCV murine model. Journal of Clinical Investigation. 124, 4953-4964 (2014).
  11. Gomez, G. A., et al. Human neural crest induction by temporal modulation of WNT activation. Biologie du développement. 449, 99-106 (2019).
  12. Lee, J., Choi, S. H., Lee, D. R., Kim, D. S., Kim, D. W. Generation of Isthmic Organizer-Like Cells from Human Embryonic Stem Cells. Molecules and Cells. 41, 110-118 (2018).
  13. Matsuno, K., et al. Redefining definitive endoderm subtypes by robust induction of human induced pluripotent stem cells. Differentiation. 92, 281-290 (2016).
  14. Mathapati, S., et al. Small-Molecule-Directed Hepatocyte-Like Cell Differentiation of Human Pluripotent Stem Cells. Current Protocols in Stem Cell Biology. 38, 1-18 (2016).
  15. Hay, D. C., et al. Highly efficient differentiation of hESCs to functional hepatic endoderm requires ActivinA and Wnt3a signaling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105, 12301-12306 (2008).
  16. Siller, R., Greenhough, S., Naumovska, E., Sullivan, G. J. Small-molecule-driven hepatocyte differentiation of human pluripotent stem cells. Stem Cell Reports. 4, 939-952 (2015).
  17. Yu, J. S., et al. PI3K/mTORC2 regulates TGF-beta/Activin signalling by modulating Smad2/3 activity via linker phosphorylation. Nature Communications. 6, 7212 (2015).
  18. Borowiak, M., et al. Small molecules efficiently direct endodermal differentiation of mouse and human embryonic stem cells. Cell Stem Cell. 4, 348-358 (2009).
  19. Tahamtani, Y., et al. Treatment of human embryonic stem cells with different combinations of priming and inducing factors toward definitive endoderm. Stem Cells and Development. 22, 1419-1432 (2013).
  20. Song, Z., et al. Efficient generation of hepatocyte-like cells from human induced pluripotent stem cells. Cell Research. 19, 1233-1242 (2009).
  21. Sullivan, G. J., et al. Generation of functional human hepatic endoderm from human induced pluripotent stem cells. Hepatology. 51, 329-335 (2010).
  22. Xia, Y., et al. Human stem cell-derived hepatocytes as a model for hepatitis B virus infection, spreading and virus-host interactions. Journal of Hepatology. 66, 494-503 (2017).
  23. Li, S., et al. Derivation and applications of human hepatocyte-like cells. World Journal of Stem Cells. 11, 535-547 (2019).
  24. Ogawa, S., et al. Three-dimensional culture and cAMP signaling promote the maturation of human pluripotent stem cell-derived hepatocytes. Development. 140, 3285-3296 (2013).
  25. Kim, D. E., et al. Prediction of drug-induced immune-mediated hepatotoxicity using hepatocyte-like cells derived from human embryonic stem cells. Toxicology. 387, 1-9 (2017).
check_url/fr/62654?article_type=t

Play Video

Citer Cet Article
Zhou, Q., Xie, X., Zhong, Z., Sun, P., Zhou, X. An Efficient Method for Directed Hepatocyte-Like Cell Induction from Human Embryonic Stem Cells. J. Vis. Exp. (171), e62654, doi:10.3791/62654 (2021).

View Video