דור של cardiomyocytes אדם: פרוטוקול בידול מתאי גזע מושרה pluripotent אדם ללא מזין
Summary
תאי גזע pluripotent, או גזע pluripotent (שב"ס) תאים עובריים או מושרה, מהווים מקור חשוב של תאים מובחנים אדם, כוללים שריר לב. כאן, אנו נתמקד באינדוקצית לב של תאי iPS, מראים כיצד להשתמש בם כדי להשיג cardiomyocytes האנושי מתפקד באמצעות פרוטוקול המבוסס על גופי embryoid.
Abstract
על מנת לחקור את אירועי נהיגה לב ופיתוח כדי לקבוע את המנגנונים המולקולריים המובילים למחלות שריר הלב בבני אדם, זה חיוני ראשון ליצירת cardiomyocytes האנושי מתפקד (CMS). השימוש בתאים אלה בגילוי תרופות ומחקרי רעלים היינו גם להיות מועילים מאוד, המאפשרים מולקולות תרופתיות חדשות לטיפול בהפרעות בלב להיות מאומת טרום קליני בתאים ממקור אנושי. המקורות האפשריים של CMS, המושרה גזע pluripotent (שב"ס) תאים הם בין המבטיח ביותר, כפי שהם יכולים להיגזר מרקמת מטופל נגישה ובעלי יכולת פנימית כדי להצמיח את כל סוגי התאים בגוף 1. מספר שיטות הוצעו להפרדת תאי iPS למערכת ניהול תוכן, הנעות בין גופי embryoid הקלסיים (EBS) גישה לפרוטוקולי צבירת הגדרה כימית 2,3. במאמר זה אנו מציעים פרוטוקול מבוסס EBS ולהראות איך זה methoיכול להיות מועסק ד כדי לייצר ביעילות תאים דמויי CM פונקציונליים מתאי iPS מזין ללא.
Introduction
מבחינה היסטורית, החקירה של המנגנונים הגנטיים ומולקולריים הנהיגה פיתוח ומחלות של בני אדם הייתה מבוססת על הדור של מודלים של בעלי חיים מהונדסים גנטי. עם זאת, פנוטיפים אדם רבים אינם מצליח להיות משוכפלים בהצלחה בעכברים, בעיקר בגלל ההבדלים הביולוגיים הקיימים בין שני המינים. מצד השני, גישה לרקמות אדם עשוי להיות מוגבל, ולעתים קרובות אינו מאפשר מספיק חומר כדי להתקבל ללימודים ניסיוניים לעומק. תחום הביולוגיה לב וכלי דם סובל משתי המגבלות האלה: הפיסיולוגיה של הלב האנושי היא שונה באופן משמעותי מזה של העכבר, וכמות משמעותית של רקמת לב היא נגישה רק נתיחה שלאחר מוות או במהלך ניתוח לב. מציאת מקור אופטימלי לבידול של תפקודי האנושי CMS לכן הפכה נושא מרכזי בביולוגיה לב וכלי דם, והרבה מאמץ נעשה כדי לטפל בבעיה זו. סוגי תאים שונים הוצעו, אניncluding myoblasts שלד, תאים מקומיים לב גזע, תאי mononuclear מח עצם, תאי אב אנדותל, ותאי גזע mesenchymal. עם זאת, נתונים שהושגו באמצעות תאים אלה לא היו עקבי 4.
הגזירה של תאי גזע עובריים אנושיים (ESC) 5 והגילוי פורץ של (IPS) תאי גזע pluripotent מושרה על ידי יאמאנאקה ותומסון 6,7 נראו תחילה מאוחר יותר כדי לספק פתרונות: התאים הללו יש את היכולת לגדול ללא הגבלת זמן ואת הפוטנציאל לתת תעלה לכל נגזרי התא של שלוש השכבות הנבט, כולל מערכת ניהול התוכן. השימוש בתאי iPS מציע יתרונות נוספים: הנגזרים מתאי בוגרים אוטולוגי, הם נושאים את אותו הגנום כפרט או המטופל שממנו הם נובעים. לכן הם מאפשרים פיתוח של מודלים במבחנה המאפשרים החקירה של מחלות גנטיות באדם ובמנגנונים של התפתחות. בכוחו של מאפיין זה, תאי iPS יכולים גם oבעיות הקשורות לvercome דחייה חיסונית וסוגיות אתיות 8. מסיבות אלה, למרות שESCs עדיין מייצג את תקן הזהב בתחום הביולוגיה של תאי גזע, בכל העולם חוקרים כיום נעים יותר לכיוון טכנולוגיית תאי iPS.
תאי iPS כעת מועסקים למודל מחלה אנושית במבחנה לתנאים שונים, כולל הפרעות מולדות 9,10 לב וכלי דם. לאחרונה, יישום של מודלים מחלה תא iPS נעשה להפרעות בלב monogenic (תסמונות QT ארוכות, טכיקרדיה חדרית כלומר פולימורפית catecholaminergic) ומוזרויות שבו מומי לב הם חלק מהפנוטיפ מורכב (כלומר Leopard ותסמונות טימותי, קרדיומיופתיה מורחבת). דוחות אלה אישר כי תאי iPS מטופל ספציפי הנבדלים לCMS להציג מאפיינים פנוטיפי ופונקציונליים דומים כמו המחלה בגוף חי.
עם זאת, ישאתגרים עדיין רבים לשפר את היעילות של תאי iPS גרימת לשושלת לב. דור הספונטני של CMS מESCs אדם דרך היווצרות המצרפי נקרא גופי embryoid (EBS) הוכיחו 17 מוצלחים. מאז הגילוי הזה, שיטות רבות אחרות שהוצעו. קבוצות רבות הגבירו מאוד את היעילות של פרוטוקול הבידול ועברה לפעול בריאגנטים תרבות הגדרה כימית וללא בעלי החיים מוצר (ראה Mummery, ג, et al., מחקר מחזור (2012) לסקירה מקיפה של כל השיטות הקיימות 3 ).
עם זאת, השיטה הקלסית המבוססת על צבירת EB עדיין מייצגת מועסק הנפוצה ביותר לביצוע מחקרים תפקודיים וחוקר מנגנוני מחלה. הפרוטוקול המוצע שלנו מבוסס על הצבירה של תאי iPS לEBS והתרבות בנוכחות חומצה אסקורבית וסרום, אשר הוכח כדי לשפר את תהליך בידול הלב ולפוsitively להשפיע על ההבשלה של תאים אלה 18,19. במאמר זה אנו נעבור על מתודולוגיה זו בפירוט ונראים כיצד להשתמש בשורות תאי iPS מזין ללא ליצירת מטופל ספציפי CMS IPS-נגזר.
Protocol
Representative Results
Discussion
יש תאי גזע pluripotent פוטנציאל להבחין באופן ספונטני לCMS, אם כי ביעילות נמוכה ושונות גבוהה בין שורות. פיתוח שיטות אינדוקציה רומן ולכן התמקד בשיפור היעילות של התהליך ונע לעבר פרוטוקולים יותר מוגדרים. עם זאת, רוב שיטות הבידול החדשות אלה הם מורכבים למדי, הדורשים תנאים מורכבים…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
BS נתמכה על ידי אוניברסיטה של תכנית מחקר לסטודנט קיץ מילאנו-Bicocca הדרכה; מחקר נתמך מכספים של משרד בריאות האיטלקי ומשרד איטלקי לחינוך, אוניברסיטה ומחקר וFondazione Humanitas לGC, אנחנו מודה למיכאל VG Latronico לקריאה ביקורתית כתב יד.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Media and Reagents | |||
| Human ESC-qualified Matrix | BD Biosciences | 354277 | Thaw the 5 ml bottle at 4 °C on ice O/N, aliquot in pre-chilled cryo-tubes on ice, according to the data sheet dilution instructions and store at -20 °C . |
| Fibronectin, from human plasma, 0.1% solution | Sigma | F0896-2MG | Working concentration: 5 μg/cm2 |
| Laminin | Sigma | L2020-1MG | Working concentration: 5 μg/cm2 |
| PBS (no Mg and Ca), 10X | Lonza | BE17-515F | |
| PBS (with Mg and Ca), 10X | Bio Sera | XC-S2067/500 | |
| Dispase II, neutral protease, grade II | Roche | 4942078001 | Stock: 10 mg/ml in DMEM-F12 at -20 °C, working solution: 1 mg/ml in PBS (no Mg/Ca) |
| Trypsin/EDTA, 0.5% | Sigma | T3924 | |
| Collagenase type 2 | Worthington | 4176 | Dilute to 480 U/ml (e.g. 1.6 mg/ml) in PBS with Mg and Ca |
| DMEM-F12 | Life Technologies | 21331-020 | |
| Knockout DMEM | Life Technologies | 10829-018 | |
| Knockout Serum Replacement (KSR) | Life Technologies | 10828-028 | Thaw at 4 °C, aliquot and store at -20 °C |
| Foetal Bovine Serum (origin South America) | Invitrogen | 10270-106 | Batches should be tested for their cardiogenic potential. Thaw at 4 °C, heat-inactivate at 56 °C for 30 min, aliquot and store at -20 °C |
| PenStrep, penicillin-Streptomycin, 100X | Life Technologies | 15140-122 | |
| GlutaMAX, 100X | Life Technologies | 35050-038 | |
| MEM NEAA, 100X | Invitrogen | 11140-135 | |
| N2 supplement, 100X | Life Technologies | 17502-048 | |
| B27 supplement, 50X | Life Technologies | 12587-010 | |
| 2-mercaptoethanol | Invitrogen | 31350-010 | |
| Gelatin, from porcine skin | Sigma | G1890-100G | Make stock at 1% in water, store at -20 °C. Dilute to 0.1% in PBS and keep at 4 °C |
| mTeSR1 | Stem Cell Technologies | 5850 | Combine Supplement 5X with the basic medium, aliquot and store at -20 °C. Do not keep complete medium at 4 °C for more than 1 week |
| Nutristem hESC XF | Stemgent from Biological Industries | 05-100-1A | Thaw at 4 °C O/N, aliquot and store at -20 °C until use. Aliquots may be kept at 4 °C for no more than a week. |
| mFreSR | Stem Cell Technologies | 5853 | |
| Ascorbic acid | Sigma | A4544-25G | Prepare stocks at 10 mg/ml in water. Store aliquots at -20 °C in the dark. Add to EBM at the final concentration (500X) |
| Plasticware | |||
| 35 mm culture dishes | Becton Dickinson | 353001 | |
| Cell scraper | Corning Incorporated | 3008 | |
| 12-well plates | Becton Dickinson | 353043 | |
| Permanox 2-well chamber slides | Thermo Fisher Scientific | 177437 | |
| Glass 2-well chamber slides | Thermo Fisher Scientific | 177380 | |
| 6-well plates, ultra-low-attachment surface | Corning Incorporated | 3471 | |
| 18G needle | Becton Dickinson | 304622 | |
| Glass pasteur pipettes, 230 mm | VWR International | 612-1702 | |
| 2.5 ml syringe | Becton Dickinson | 300188 | |
| Equipments | |||
| IVF Workstation | KSystem, by Nikon | ||
| Nikon SMZ1500 Stereomicroscope | Nikon |
Riferimenti
- Di Pasquale, E., Latronico, M. V., Jotti, G. S., Condorelli, G. Lentiviral vectors and cardiovascular diseases: a genetic tool for manipulating cardiomyocyte differentiation and function. Gene Therapy. 19, 642-648 (2012).
- Laflamme, M. A., Murry, C. E. Heart regeneration. Nature. 473, 326-335 (2011).
- Mummery, C. L., et al. Differentiation of human embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells to cardiomyocytes: a methods overview. Circulation Research. 111, 344-358 (2012).
- Wu, S. M., Chien, K. R., Mummery, C. Origins and fates of cardiovascular progenitor cells. Cell. 132, 537-543 (2008).
- Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282, 1145-1147 (1998).
- Takahashi, K., et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 131, 861-872 (2007).
- Yu, J., et al. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science. 318, 1917-1920 (2007).
- Yamanaka, S. A fresh look at iPS cells. Cell. 137, 13-17 (2009).
- Josowitz, R., Carvajal-Vergara, X., Lemischka, I. R., Gelb, B. D. Induced pluripotent stem cell-derived cardiomyocytes as models for genetic cardiovascular disorders. Curr. Opin. Cardiol. 26, 223-229 (2011).
- Park, I. H., et al. Disease-specific induced pluripotent stem cells. Cell. 134, 877-886 (2008).
- Carvajal-Vergara, X., et al. Patient-specific induced pluripotent stem-cell-derived models of LEOPARD syndrome. Nature. 465, 808-812 (2012).
- Moretti, A., et al. Patient-specific induced pluripotent stem-cell models for long-QT syndrome. N. Engl. J. Med. 363, 1397-1409 (2010).
- Yazawa, M., et al. Using induced pluripotent stem cells to investigate cardiac phenotypes in Timothy syndrome. Nature. 471, 230-234 (2011).
- Itzhaki, I., et al. Modeling of catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia with patient-specific human-induced pluripotent stem cells. Journal of the American College of Cardiology. 60, 990-1000 (2012).
- Jung, C. B., et al. Dantrolene rescues arrhythmogenic RYR2 defect in a patient-specific stem cell model of catecholaminergic polymorphic ventricular tachycardia. EMBO Molecular Medicine. 4, 180-191 (2012).
- Sun, N., et al. Patient-specific induced pluripotent stem cells as a model for familial dilated cardiomyopathy. Science Translational Medicine. 4, 130ra147 (2012).
- Kehat, I., et al. Human embryonic stem cells can differentiate into myocytes with structural and functional properties of cardiomyocytes. The Journal of Clinical Investigation. 108, 407-414 (2001).
- Cao, N., et al. Ascorbic acid enhances the cardiac differentiation of induced pluripotent stem cells through promoting the proliferation of cardiac progenitor cells. Cell Research. 22, 219-236 (2012).
- Takahashi, T., et al. Ascorbic acid enhances differentiation of embryonic stem cells into cardiac myocytes. Circulation. 107, 1912-1916 (2003).
- Moretti, A., et al. Patient-specific induced pluripotent stem-cell models for long-QT syndrome. N. Engl. J. Med. 363, 1397-1409 (2011).
- Watanabe, K., et al. A ROCK inhibitor permits survival of dissociated human embryonic stem cells. Nature Biotechnology. 25, 681-686 (2007).
