Isolierung, Kultur und Transplantation von Muskel-Satelliten-Zellen
Summary
Die Isolierung und Kultur einer reinen Population von ruhenden Satellitenzellen, eine Muskelstammzellpopulation, ist wesentlich für das Verständnis der Muskelstammzelle Biologie und Regeneration sowie Stammzelltransplantation bei Therapien Muskeldystrophie und anderen degenerativen Erkrankungen.
Abstract
Muskel-Satelliten-Zellen sind eine Stammzellpopulation für die postnatale Entwicklung der Skelettmuskulatur und Regeneration benötigt, entfallen 2-5% der sublaminalen Kerne in Muskelfasern. Bei erwachsenen Muskel-, Satelliten-Zellen sind normalerweise mitotisch Ruhe. Nach einer Verletzung, aber Satelliten-Zellen die Zellproliferation zu initiieren, um Myoblasten, ihre Nachkommen, um die Regeneration der Muskulatur zu vermitteln produzieren. Transplantation von Satelliten-Zell-abgeleitete Myoblasten wurde weithin als eine mögliche Therapie für verschiedene Krankheiten wie regenerative Muskeldystrophie, Herzinsuffizienz, und urologische Funktionsstörungen untersucht. Myoblast Transplantation in dystrophischen Skelettmuskel, Herz Infarkt, und Funktionsstörungen Harnwege hat gezeigt, dass eingepflanzt Myoblasten kann in Muskelfasern in den Wirtsgewebe zu differenzieren und zeigen teilweise funktionelle Verbesserung bei diesen Erkrankungen. Daher ist die Entwicklung eines effizienten Reinigungsverfahren der Ruhesatellitenzellen aus Skelett muscle, sowie die Einrichtung von Satelliten-Zellen abgeleiteten Myoblastenkulturen und Transplantationsmethoden für Myoblasten, sind für das Verständnis der molekularen Mechanismen hinter Satellitenzelle Selbsterneuerung, Aktivierung und Differenzierung. Darüber hinaus sind auch die Entwicklung von zellbasierten Therapien für Muskeldystrophie und anderen regenerativen Krankheiten hängt dieser Faktoren.
Strom angehReinigungsVerfahren der Ruhesatellitenzellen erfordern jedoch den Einsatz teurer Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS)-Maschinen. Hier präsentieren wir eine neue Methode für die schnelle, kostengünstige und zuverlässige Reinigung der Ruhesatellitenzellen aus adulten Maus Skelettmuskel durch enzymatische Spaltung gefolgt von magnetischen Zellsortierung (MACS). Nach der Isolierung des reinen Ruhesatellitenzellen können diese Zellen kultiviert werden, um eine große Zahl von Myoblasten nach mehreren Durchgängen zu erhalten. Diese frisch isoliertRuhesatellitenzellen oder ex vivo expandierten Myoblasten kann in Cardio transplantiert werden (CTX)-induzierte Regeneration Maus Skelettmuskel um den Beitrag der Spender-abgeleiteten Zellen zu regenerierende Muskelfasern zu untersuchen, sowie die Satelliten Zellkompartimente für die Prüfung der Selbst-Erneuerung Aktivitäten.
Introduction
Muskel-Satelliten-Zellen sind eine kleine Population von myogenen Stammzellen unter der Basalmembran der Skelettmuskelfasern entfernt. 3 – sie werden durch die Expression von Pax7, Pax3, c-Met, M-Cadherin, CD34, Syndecan-3 Calcitonin 1 charakterisiert. Satelliten-Zellen haben sich für die Muskelregeneration als Muskel-Stammzellen verantwortlich sind. Bei erwachsenen Muskel-, Satelliten-Zellen sind normalerweise mitotisch Ruhe 4-8. Nach einer Verletzung, werden Satellitenzellen aktiviert, initiieren die Expression von MyoD, und geben Sie den Zellzyklus, um ihre Nachkommen zu erweitern, genannt myogenen Vorläuferzellen oder Myoblasten 3. Nach mehreren Runden der Zellteilung, Myoblasten verlassen den Zellzyklus und miteinander verschmelzen, um die Differenzierung in mehrkernigen Myotuben, gefolgt von reifen Muskelfasern zu unterziehen. Myoblasten aus adulten Muskel isoliert kann leicht erweitert werden ex vivo. Die Kapazität für die Myoblasten zu Muskelfasern in regenerierenden Muskeln und zu werdenForm Eileiter Muskelfasern in Nonmuscle Gewebe wird durch die Transplantation von Myoblasten, einem potenziellen Therapieansatz für Duchenne-Muskeldystrophie (DMD) 4, 9 urologischen Funktionsstörungen und Herzinsuffizienz 10 genutzt. Tatsächlich Myoblasten wurden erfolgreich in der Muskulatur beider mdx (DMD-Modell) Mäusen und 11-14 DMD-Patienten transplantiert. Die injizierten normalen Myoblasten fusionieren mit Host-Muskelfasern, die Histologie und Funktion des erkrankten Muskels zu verbessern. Frühere Arbeiten zeigten, dass Subpopulationen von Myoblasten sind mehr Stammzell-ähnliche und bleiben in einem undifferenzierten Zustand länger im Muskel während der Muskelregeneration 5. Neuere Arbeiten haben gezeigt, dass frisch isolierte Satellitenzellen aus adulten Muskel enthalten eine Stammzell-ähnlichen Bevölkerung, die effizienter Transplantation und Selbsterneuerung Aktivität in regenerierenden Muskeln 5-8 aufweist. Daher Reinigung einer reinen Population von ruhenden Satellitenzellen aus adulten Skelett muscle ist für das Verständnis der Biologie von Satellitenzellen, die Myoblasten und Muskelregeneration und für die Entwicklung von zellbasierten Therapien unerlässlich.
Strom angehReinigungsVerfahren der Ruhesatellitenzellen erfordern jedoch die Verwendung eines teuren Fluoreszenz-aktivierte Zellsortierung (FACS-) Maschine 1,2,6-8. Zusätzlich neigt Laserbelichtung FACS Zelltod während der Trennung, die niedriger Ausbeute Ruhesatellitenzellen 15 bewirkt, zu induzieren. Wir stellen hier ein neues Verfahren zur schnellen, wirtschaftlichen und zuverlässigen Reinigung der Ruhesatellitenzellen aus adulten Skelettmuskel der Maus. Dieses Verfahren verwendet enzymatische Spaltung, gefolgt von Magnetvermittelte Zellsortierung (MACS). Nach der Isolierung des reinen Ruhesatellitenzellen können diese Zellen kultiviert werden, um eine große Zahl von Myoblasten nach mehreren Durchgängen zu erhalten. Wir zeigen auch, dass die intramuskuläre Injektion dieser frisch isolierten ruhenden Satellitenzellen oder ex vivo erweitert Myoblasten kann in Cardio transplantiert werden (CTX)-induzierte Regeneration Maus Skelettmuskel um den Beitrag der Spender-abgeleiteten Zellen zu regenerierende Muskelfasern sowie zur Satellitenzelle Fächer für die Prüfung der Selbsterneuerungstätigkeiten.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Protokoll kann Ruhesatellitenzellen leicht von Erwachsenen Skelettmuskel von Mäusen, die durch Collagenase-Verdau und-Oberflächen-Antikörper-vermittelte MACS Trennung gereinigt werden. Diese Methode dauert etwa 6 Stunden und keine teure Ausrüstung wie einem FACS-Maschine benötigen. Außerdem ist dieses Verfahren relativ kostengünstig im Vergleich zu Oberflächen-Antikörper-vermittelte FACS-Trennung. Eine höhere Ausbeute Ruhesatellitenzellen wird auch im Vergleich zu FACS diesem Verfahren erwartet werde…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wir danken Dr. Shahragim Tajbakhsh für die Bereitstellung von Myf5 + / nLacZ Mäusen. Wir danken auch Alexander Hron und Michael Baumrucker für das kritische Lesen des Manuskripts. Diese Arbeit wurde durch Zuschüsse von der Gesellschaft für Muskeldystrophie (MDA) und Gregory Marzolf Jr. MD-Center-Award unterstützt.
Materials
| Materials | |||
| Collagenase Type 2 | Worthington | CLS-2 | 100 mg |
| Marigel | BD Biosciences | 356234 | 5 ml |
| DMEM | Gibco-Invitrogen | 10569010 | 500 ml |
| Collagen (Rat Tail) | BD Biosciences | 354236 | 100 mg (3-4 mg/ml) |
| Acetic Acid | Sigma-Aldrich | 320099-500ML | 500 ml |
| bFGF, human, Recombinant | Gibco-Invitrogen | PHG0263 | 1 mg |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A5611-1G | 1 g |
| Ham’s F10 Medium | Gibco-Invitrogen | 11550-043 | 500 ml |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Fisher Scientific | 3600511 | 500 ml |
| Horse Serum | Gibco-Invitrogen | 26050088 | 500 ml |
| Penicillin/Streptmycin | Gibco-Invitrogen | 15640055 | 100 ml |
| Phosphate Buffered Saline | Gibco-Invitrogen | 14190144 | 500 ml |
| 0.25% Trypsin/EDTA | Gibco-Invitrogen | 25200072 | 500 ml |
| 18G needle with 12cc Syringe | Fisher Scientific | 22-256-563 | |
| Cell strainer (70 μm) | Fisher Scientific | 22-363-548 | |
| Falcon 50 ml tube | BD Biosciences | 352098 | |
| Falcon 15 ml tube | BD Biosciences | 352097 | |
| 10 cm tissue culture plate | BD Biosciences | 353003 | |
| 6 cm tissue culture plate | BD Biosciences | 353004 | |
| Falcon 10 ml disposable pipet | BD Biosciences | 357551 | |
| Anti-CD31 antibody-PE | eBiosciences | 12-0311 | |
| Anti-CD45 antibody-PE | eBiosciences | 30-F11 | |
| Anti-Sca1 antibody-PE | eBiosciences | Dec-81 | |
| Anti-Integrin α7 antibody | MBL International | ABIN487462 | |
| Anti-PE MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-048-801 | |
| Anti-Mouse IgG MicroBeads | Miltenyi Biotec | 130-048-402 | |
| Mini & MidiMACS Starting Kit | Miltenyi Biotec | 130-091-632 | |
| MS Column | Miltenyi Biotec | 130-042-201 | |
| LD Column | Miltenyi Biotec | 130-042-901 | |
| Cardiotoxin | Sigma Aldrich | C9759-1MG | Stock 10 μM in PBS |
| 31G Insulin syringe | BD Biosciences | 328438 | |
| Refrigerated Microcentrifuge (Microfuge 22R) | Beckman Coulter | 368826 | |
| S241.5 Swinging Bucket Rotor | Beckman Coulter | 368882 | |
| Refrigerated Centrifuge (Allegra X-22R) | Beckman Coulter | 392187 | |
| Nod/Scid immunodeficient mice | Charles River Laboratories | Strain Code 394 | Use 2 months old mice |
| Reagents | |||
| Name of the reagent | Recipie | ||
| 10% and 2% FBS DMEM | DMEM (Gibco-Invitrogen #10569010) with 10% or 2% FBS (Fisher Scientific #03600511) and 1% Penicillin/Streptomycin (Gibco-Invitrogen #15640055). | ||
| 0.2% Collagenase solution | Collagenase Type 2 (Worthington, #CLS-2), Stock: 50 ml: 100 mg Collagenase Type 2 in 10% FBS DMEM. | ||
| 10% Matrigel solution | Matrigel (BD Biosciences: #356234) is placed on ice for thawing overnight. Five ml Matrigel is dilute by 45 ml DMEM and 5 ml aliquots are stored at -20°C until use. | ||
| Matrigel-coated plate | Five ml of 10% Matrigel solution is placed on ice for thawing and is used for coating 10 cm plate at room temprature for 1 minutes. The plate is placed in 5% CO2 incubator at 37°C for 30 minute after removing Matrigel solution, and let the plate dry in culture hood for another 30 minutes. Removed 10% Matrigel solution is stored at -20°C for reusing. | ||
| 0.01% Collagen solution | Mix to final: 0.01% Collagen (Collagen, Rat Tail: BD Biosciences #354236) in 0.2% acetic acid (320099-500ML) in ddH2O. | ||
| Collagen-coated plate | Add 5 ml or 2 ml of Collagen solution to a 10 cm or 6 cm tissue culture plate and let sit at room temperature for three hours. Then, aspirate off liquid and allow to dry in culture hood for 30 min to overnight. Plates can be stored at room temperature for several months. | ||
| bFGF stock solution | bFGF, Human, Recombinant (Gibco-Invitrogen #PHG0263, 1 mg) is dissolved with 0.1% BSA solution consisting of 1 mg BSA (Sigma-Aldrich #A5611-1G) and 2 ml ddH2O (0.5 mg/ml bFGF). Aliquot 20 μl in 500 μl microcentrifuge tubes and kept in -80°C. | ||
| Myoblast medium | 500 mL HAM’S F10 Medium (Gibco-Invitrogen #11550-043) supplemented with 20% FBS (Fisher Scientific #03600511), Penicillin/streptomycin (Gibco-Invitrogen #15640055), and 10 μg of bFGF (20 μl of bFGF stock). | ||
| Differentiation medium | 500 mL DMEM (Gibco-Invitrogen #10569010) supplemented with 5% Horse serum (Gibco-Invitrogen #26050088) and 1% Penicillin/streptomycin (Gibco-Invitrogen #15640055). | ||
| 10 μM Cardiotoxin stock | 1 mg Cardiotoxin (EMD Millipore #217504-1MG) is dissolved with 13.9 ml PBS. |
Riferimenti
- Fukada, S., et al. Purification and cell-surface marker characterization of quiescent satellite cells from murine skeletal muscle by a novel monoclonal antibody. Exp. Cell Res. 296, 245-255 (2004).
- Hirai, H., Verma, M., Watanabe, S. C. T., Asakura, Y., Asakura, A. MyoD regulates apoptosis of myoblasts through microRNA-mediated down-regulation of Pax3. J. Cell Biol. (191), 347-365 (2010).
- Asakura, A. Stem cells in adult skeletal muscle. Trends Cardiovasc. Med. 13, 123-128 (2003).
- Partridge, T. A. Cells that participate in regeneration of skeletal muscle. Gene Ther. 9, 752-753 (2002).
- Collins, C. A., et al. Stem cell function, self-renewal, and behavioral heterogeneity of cells from the adult muscle satellite cell niche. Cell. 122, 289-301 (2005).
- Montarras, D., et al. Direct isolation of satellite cells for skeletal muscle regeneration. Science. 309, 2064-2067 (2005).
- Sacco, A., Doyonnas, R., Kraft, P., Vitorovic, S., Blau, H. M. Self-renewal and expansion of single transplanted muscle stem cells. Nature. 456, 502-506 (2008).
- Conboy, M. J., Cerletti, M., Wagers, A. J., Conboy, I. M. Immuno-analysis and FACS sorting of adult muscle fiber-associated stem/precursor cells. Methods Mol. Biol. 621, 165-173 (2010).
- Yokoyama, T., Huard, J., Chancellor, M. B. Myoblast therapy for stress urinary incontinence and bladder dysfunction. World J. Urol. 18, 56-61 (2000).
- Menasche, P. Skeletal muscle satellite cell transplantation. Cardiovasc. Res. 58, 351-357 (2000).
- Huard, J., et al. Myoblast transplantation produced dystrophin-positive muscle fibres in a 16-year-old patient with Duchenne muscular dystrophy. Clin. Sci. 81, 287-288 (1991).
- Tremblay, J. P., et al. Results of a triple blind clinical study of myoblast transplantations without immunosuppressive treatment in young boys with Duchenne muscular dystrophy. Cell Transplant. 2, 99-112 (1993).
- Gussoni, E., Blau, H. M., Kunkel, L. M. The fate of individual myoblasts after transplantation into muscles of DMD patients. Nat. Med. 3, 970-977 (1997).
- Palmieri, B., Tremblay, J. P., Daniele, L. Past, present and future of myoblast transplantation in the treatment of Duchenne muscular dystrophy. Pediatr. Transplant. 14, 813-819 (2010).
- Mollet, M., Godoy-Silva, R., Berdugo, C., Chalmers, J. J. Acute hydrodynamic forces and apoptosis: a complex question. Biotechnol. Bioeng. 98, 772-788 (2007).
- Asakura, A., Rudnicki, M. A. Side population cells from diverse adult tissues are capable of in vitro hematopoietic differentiation. Exp. Hematol. 30, 1339-1345 (2002).
- Asakura, A., et al. Increased survival of muscle stem cells lacking the MyoD gene after transplantation into regenerating skeletal muscle. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 16552-16557 (2007).
- Gerard, X., et al. Real-time monitoring of cell transplantation in mouse dystrophic muscles by a secreted alkaline phosphatase reporter gene. Gene Ther. 16, 815-819 .
- Tajbakhsh, S., Rocancourt, D., Cossu, G., Buckingham, M. Redefining the genetic hierarchies controlling skeletal myogenesis Pax-3 and Myf-5 act upstream of MyoD. Cell. 89, 127-138 (1997).
- Beauchamp, J. R., et al. Expression of CD34 and Myf5 defines the majority of quiescent adult skeletal muscle satellite cells. J. Cell Biol. 151, 1221-1134 (2000).
- Sabourin, L. A., Girgis-Gabardo, A., Seale, P., Asakura, A., Rudnicki, M. A. Reduced differentiation potential of primary MyoD-/- myogenic cells derived from adult skeletal muscle. J. Cell Biol. 144, 631-643 (1999).
- Bischoff, R. Regeneration of single skeletal muscle fibers in vitro. Anat. Rec. 182, 215-235 (1975).
- Asakura, A., Seale, P., Girgis-Gabardo, A., Rudnicki, M. A. Myogenic specification of side population cells in skeletal muscle. J. Cell Biol. 159, 123-134 (2002).
- Kuang, S., Kuroda, K., Le Grand, F., Rudnicki, M. A. Asymmetric self-renewal and commitment of satellite stem cells in muscle. Cell. 129, 999-1010 (2007).
- Cerletti, M., et al. Highly efficient, functional engraftment of skeletal muscle stem cells in dystrophic muscles. Cell. 134, 37-47 (2008).
- Farina, N. H., et al. A role for RNA post-transcriptional regulation in satellite cell activation. Skelet. Muscle. 2, 21-21 (2012).
- Tanaka, K. K., Hall, J. K., Troy, A. A., Cornelison, D. D., Majka, S. M., Olwin, B. B. Syndecan-4-expressing muscle progenitor cells in the SP engraft as satellite cells during muscle regeneration. Cell Stem Cell. 4, 217-225 (2009).
- Pallafacchina, G., et al. An adult tissue-specific stem cell in its niche: a gene profiling analysis of in vivo quiescent and activated muscle satellite cells. Stem Cell Res. 4, 77-91 (2009).
