Mærkning stamceller med Ferumoxytol, en FDA-godkendt jernoxid Nanopartikel
Summary
Vi beskriver en teknik til mærkning og sporing af stamceller med FDA-godkendt, superparamagnetiske jernoxid (SPIO), ferumoxytol (Feraheme). Denne cellulære imaging teknik, der anvender magnetisk resonans (MR) billeddannelse til visualisering, er let tilgængelige for langsigtet overvågning og diagnosticering af vellykkede eller mislykkede stamcelle engraftments hos patienter.
Abstract
Stem cellebaserede behandlingsformer giver betydelige muligheder for inden for regenerativ medicin. Er dog stadig meget at blive forstået i forbindelse med in vivo-kinetik af transplanterede celler. En ikke-invasiv metode til gentagne gange at overvåge transplanterede stamceller in vivo ville give efterforskerne til direkte at overvåge stamcelle transplantationer og finde frem til vellykkede eller mislykkede engraftment resultater.
En bred vifte af stamceller fortsat undersøges for utallige applikationer. Denne protokol fokuserer på 3 forskellige stamceller populationer: humane embryonale nyre 293 (HEK293) celler, menneskelige mesenchymale stamceller (hMSC) og induceret pluripotente stamceller (iPS-celler). HEK 293 celler fra humane embryonale nyre celler dyrket i kultur med klippet adenovirus 5 DNA. Disse celler er meget udbredt i forskning, fordi de nemt dyrkes, vokser hurtigt og er let transfekteret. hMSCs findes i voksen marv. Disse celler CAn blive gentaget som udifferentierede celler, og samtidig opretholde multipotency eller potentiale til at differentiere sig til et begrænset antal celle skæbner. hMSCs kan differentiere til slægter af mesenchymale væv, herunder osteoblaster, adipocytter, chondrocytter, sener, muskler, og marv stroma. iPS celler er genetisk omprogrammering voksne celler, der er blevet ændret for at udtrykke gener og faktorer, der svarer til at definere egenskaber af embryonale stamceller. Disse celler er pluripotente betyder at de har kapacitet til at differentiere sig til alle celle slægter 1. Både hMSCs og iPS celler har demonstreret væv regenerationsevne in vivo.
Magnetisk resonans (MR) billeddannelse sammen med brugen af superparamagnetiske jernoxid (SPIO) nanopartikel celle etiketter har vist sig effektive til di vivo sporing af stamceller på grund af den nærmeste mikroskopiske anatomiske opløsning, en længere blodets halveringstid, som tillader langsgående billedbehandling og høj sensitivity for celle detektion leveret af MR billeddannelse af SPIO nanopartikler 2-4. Derudover er MR-scanning med brug af SPIOs klinisk oversættes. SPIOs er sammensat af et jernoxid kerne med en dextran, carboxydextran eller stivelse overflade pels, der tjener til at indeholde bioreactive jernkerne fra plasma komponenter. Disse agenter skaber lokale magnetfelt uensartetheder, der fører til en nedsat signal på T2-vægtede MR-billeder 5. Desværre er SPIOs ikke længere produceres. Anden generation, ultrasmå SPIOs (USPIO), dog give et levedygtigt alternativ. Ferumoxytol (FerahemeTM) er en USPIO består af en ikke-støkiometrisk magnetit kerne omgivet af en Polyglukose sorbitol carboxymethylether pels. De kolloide, kornstørrelse ferumoxytol er 17-30 nm, som bestemt ved lysspredning. Den molekylvægt er 750 kDa, og relaksivitet konstant på 2T MR felt er 58,609 mM-1 sec-1 styrke 4. Ferumoxytol blev for nylig FDA-godkendt ets en jern supplement til behandling af jernmangel hos patienter med nyresvigt 6. Vores gruppe har anvendt denne agent på en "off label" brug for celle mærkning applikationer. Vores teknik demonstrerer effektiv mærkning af stamceller med ferumoxytol, der fører til betydelige MR-signalet effekter af mærkede celler på MR-billeder. Denne teknik kan anvendes til ikke-invasiv monitorering af stamceller i præ-kliniske og kliniske omgivelser.
Protocol
Discussion
Forbedring af effektiviteten af stamceller engraftments er afgørende for fremme af regenerativ medicin. En ikke-invasiv visualisering teknik til stamceller in vivo markant forbedrer vores evne til at forstå mekanismer, der fører til vellykket transplantation resultater. Magnetisk mærkning for MR visualisering, som den procedure, vi har vist, giver in vivo sporing af stamceller med MR scanning. Magnetisk mærkede stamceller tidligere er blevet transplanteret ind i målvæv og er blevet visuali…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev støttet af en bevilling fra National Institute of Arthritis og bevægeapparatet og hudsygdomme: 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 |
Riferimenti
- 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).
