Summary

Beoordeling van de immuno-modulerende eigenschappen van humane mesenchymale stamcellen (MSC)

Published: December 24, 2015
doi:

Summary

De immuunmodulerende eigenschappen van menselijke mesenchymale stamcellen (MSC) lijken steeds belangrijker voor klinische toepassing. Het gebruik van een co-kweeksysteem van MSCs en perifeer bloed leukocyten vooraf gekleurd met de fluorescerende kleurstof carboxyfluoresceïne succinimidylester (CFSE), beschrijven we de in vitro beoordeling van MSC immunomodulatie bij effector leukocyt proliferatie en specifieke subpopulaties.

Abstract

The immunomodulatory properties of multilineage human mesenchymal stem cells (MSCs) appear to be highly relevant for clinical use towards a wide-range of immune-related diseases. Mechanisms involved are increasingly being elucidated and in this article, we describe the basic experiment to assess MSC immunomodulation by assaying for suppression of effector leukocyte proliferation. Representing activation, leukocyte proliferation can be assessed by a number of techniques, and we describe in this protocol the use of the fluorescent cellular dye carboxyfluorescein succinimidyl ester (CFSE) to label leukocytes with subsequent flow cytometric analyses. This technique can not only assess proliferation without radioactivity, but also the number of cell divisions that have occurred as well as allowing for identification of the specific population of proliferating cells and intracellular cytokine/factor expression. Moreover, the assay can be tailored to evaluate specific populations of effector leukocytes by magnetic bead surface marker selection of single peripheral blood mononuclear cell populations prior to co-culture with MSCs. The flexibility of this co-culture assay is useful for investigating cellular interactions between MSCs and leukocytes.

Introduction

Menselijke mesenchymale stamcellen (MSCs) zijn somatische voorlopers die kunnen differentiëren tot het paraxiale mesodermale lineages bot, kraakbeen en vetweefsel 1-4, alsmede enkele extramesodermal lineages 5. Eerst geïsoleerd uit volwassen beenmerg, zijn deze multilineage progenitors nu gevonden in talrijke weefsels 6-8 en onverwachts aangetoond sterke immunomodulerende eigenschappen die zeer ontvankelijk zijn voor klinische toepassing 12/09 weergegeven zijn. Gedetailleerde mechanismen betrokken bij de immunomodulerende effecten actief onderzocht voor effectieve uitvoering op bepaalde ziektebeelden. Een van de eenvoudigste manieren om immunomodulatie te beoordelen is door beoordeling van de onderdrukking van effector leukocyt proliferatie 13. De meeste effector leukocyten zoals T-lymfocyten en monocyten prolifereren prodigiously wanneer gestimuleerd of geactiveerd. Immunomodulerende functie kan worden beoordeeld bij de onderdrukking vanproliferatie blijkt.

Traditioneel is effector leukocyt proliferatie geëvalueerd door detectie van [3 H] thymidine incorporatie in DNA. Deze methode heeft belangrijke nadelen vanwege de zorgen van bestraling en na gebruik verwijdering, en de complexe apparatuur nodig. Hoewel er niet-radioactieve assays celproliferatie te beoordelen, de succinimidyl ester carboxyfluoresceïne (CFSE) test heeft andere voordelen zoals ter identificatie van specifieke cellulaire populaties, wat vooral nuttig in co-kweek-experimenten waarbij meerdere celtypen. CFSE is een fluorescente kleurstof die cellen kan worden bepaald door flow cytometrische analyse. Als cellen delen, wordt de intensiteit van de cellulaire label proportioneel verminderd; Dit maakt niet alleen de bepaling van de totale celproliferatie maar ook zorgt voor de beoordeling van het aantal celdelingen tot 8 divisies voordat de fluorescentie wordt het moeilijk om detect tegen achtergrond signaal. Bovendien is de stabiliteit van de fluorescerende CFSE maakt in vivo volgen van gemerkte cellen, die cellen kunnen worden gevisualiseerd vele maanden 14.

Deze test kan ook worden gevarieerd om bepaalde soorten effector leukocyten of immunomodulerende functie van specifieke populaties van evaluatie MSC-geïnduceerde immunomodulerende leukocyten-zoals interleukine-10 (IL-10) producerende CD14 + monocyten 15 door het uitvoeren van magnetische korrels oppervlaktemerker winkelwagentje celpopulaties van belang voor of na co-cultuur geschikt. Ons protocol beschrijft de basis assay beoordeling van de immunomodulerende effecten van MSCs voor effector leukocyten (stroomdiagram getoond in figuur 1) en een variatie op deze basis assay voor evaluatie van MSC-geïnduceerde leukocyt immunomodulatie bij allogene CD4 + effector T lymfocyten (getoonde stroomschema in figuur 4).

Protocol

Patiënt geïnformeerde toestemming zoals goedgekeurd door de institutionele review board moet worden verkregen voor het gebruik van menselijke cellen. 1. dichtheidsgradiënt Isolatie van humane perifere bloed mononucleaire cellen (PBMCs) Voeg 25 ml gehepariniseerd bloed in een 50 ml buisje met een pipet 25 ml. Verdun cellen met 25 ml met fosfaat gebufferde zoutoplossing (PBS). Voeg 15 ml Ficoll-Paque density in een nieuwe 50 ml buis en terwijl het kan…

Representative Results

Figuur 1 geeft het algemene schema van het experiment, en figuur 2 toont het uiterlijk van de verschillende celkweekomstandigheden zoals gevisualiseerd door fase-contrast omgekeerde microscoop. MSC's zijn hechtende cellen met een fibroblast, spoelvormige morfologie, terwijl PBMC en leukocyten zijn kleine ronde niet-hechtende cellen. Deze twee morfologisch verschillende celtypes is duidelijk te zien in de co-kweek. Aan het einde van de test, als de PBMC's (of leuckotyes) aangezogen v…

Discussion

Increasingly, the immunomodulatory properties of MSCs are being translated into clinical use more rapidly than the multilineage capacity of these stem cells18-20. Thus, co-culture techniques of MSCs with leukocytes and assays to evaluate immune function are important to further delineate the specific mechanisms involved in these properties for optimizing effective therapeutic application.

One of the most critical technical aspects for success in these assays is having adequate PBMC…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported in part by grants from NHRI (CS-104-PP-06 to B.L.Y.).

Materials

Ficoll-Paque PLUS GE Healthcare 71-7167-00 AG Density grandient for isolation of peripheral blood mononuclear cells (PBMCs)
Vibrant CFDA-SE Cell Tracer Kit (CFSE) Life Technologies V12883 Cellular label for detection of cell division
Phytoagglutinin (PHA) Sigma L8902 Activation of human PBMCs
Dynabeads Human T-Activator CD3/28 Life Technologies 111.32D Activation of human T lymphocytes, e.g. CD4+ T cells, CD8+ T cells,etc.
autoMACS™ Separator Miltenyi Biotec autoMACS™ Separator Magnetic based cell separator
autoMACS® Columns Miltenyi Biotec 130-021-101 separation columns
CD14 microbeads, human  Miltenyi Biotec 130-050-201 For positive selection of CD14+ human monocytes and macrophages from PBMCs
CD4 microbeads, human  Miltenyi Biotec 130-045-101 For positive selection of CD4+ human T lymphocytes from PBMCs
RPMI 1640 Medium Life Technologies 11875 Human PBMC/leukocyte culture medium
DMEM, Low glucose, pyruvate Life Technologies 11885 Human mesenchymal stem cell (MSC) culture medium
L-glutamine Life Technologies 25030-081 Supplementation for MSC complete medium
Penicillin/Streptomycin Life Technologies 15070-063 Supplementation for PBMC/leukocyte and MSC complete medium
Fetal bovine serum (FBS) 1) Hyclone, for MSC culture                   2) Life Technologies, for all other cells (i.e. PBMCs, specific leukocyte populations) 1) SH30070.03M 2) 10091-148 Pre-test lots for support of MSC in vitro culture
24-well cell culture plate Corning COR3524 Co-culture plate
50 mL centrifuge tube Corning 430291 Isolation PBMCs from whole blood by Ficoll-Paque PLUS
15 mL centrifuge tube  Corning 430766 Collection of the labeled and unlabeled cell fractions
Round-bottom tubes BD Falcon  352008 Collection of cells for flow cytometric analysis

Riferimenti

  1. Friedenstein, A. J. Precursor cells of mechanocytes. Int Rev Cytol. 47, 327-359 (1976).
  2. Pittenger, M. F., et al. Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells. Science. 284, 143-147 (1999).
  3. Prockop, D. J. Marrow stromal cells as stem cells for nonhematopoietic tissues. Science. 276, 71-74 (1997).
  4. Dominici, M., et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 8, 315-317 (2006).
  5. Engler, A. J., Sen, S., Sweeney, H. L., Discher, D. E. Matrix elasticity directs stem cell lineage specification. Cell. 126, 677-689 (2006).
  6. Zuk, P. A., et al. Multilineage cells from human adipose tissue: implications for cell-based therapies. Tissue Eng. 7, 211-228 (2001).
  7. Yen, B. L., et al. Isolation of multipotent cells from human term placenta. Stem Cells. 23, 3-9 (2005).
  8. Erices, A., Conget, P., Minguell, J. J. Mesenchymal progenitor cells in human umbilical cord blood. Br J Haematol. 109, 235-242 (2000).
  9. Bartholomew, A., et al. Mesenchymal stem cells suppress lymphocyte proliferation in vitro and prolong skin graft survival in vivo. Exp Hematol. 30, 42-48 (2002).
  10. Chang, C. J., et al. Placenta-derived multipotent cells exhibit immunosuppressive properties that are enhanced in the presence of interferon-gamma. Stem Cells. 24, 2466-2477 (2006).
  11. Uccelli, A., Moretta, L., Pistoia, V. Mesenchymal stem cells in health and disease. Nat Rev Immunol. 8, 726-736 (2008).
  12. Chen, P. M., Yen, M. L., Liu, K. J., Sytwu, H. K., Yen, B. L. Immunomodulatory properties of human adult and fetal multipotent mesenchymal stem cells. J Biomed Sci. 18, 49-59 (2011).
  13. Muul, L. M., et al. Measurement of proliferative responses of cultured lymphocytes. Curr Protoc Immunol. , (2011).
  14. Quah, B. J., Warren, H. S., Parish, C. R. Monitoring lymphocyte proliferation in vitro and in vivo with the intracellular fluorescent dye carboxyfluorescein diacetate succinimidyl ester. Nat Protoc. 2, 2049-2056 (2007).
  15. Chen, P. M., et al. Induction of immunomodulatory monocytes by human mesenchymal stem cell-derived hepatocyte growth factor through ERK1/2. J Leukoc Biol. 96, 295-303 (2014).
  16. Oughton, J. A., Kerkvliet, N. I., Costa, L. G., Davila, J. C., Lawrence, D. A., Reed, D. J., Will, Y. UNIT 18.8 Immune cell phenotyping using flow cytometry. Curr Protoc Toxicol. , 18.8.1-18.8.24 (2005).
  17. Phelan, M. C., Lawler, G., Robinson, J. P., et al. APPENDIX 3A Cell counting. Curr Protoc Cytom. , A.3A.1-A.3A.4 (2001).
  18. Gebler, A., Zabel, O., Seliger, B. The immunomodulatory capacity of mesenchymal stem cells. Trends Mol Med. 18, 128-134 (2012).
  19. Le Blanc, K., et al. Mesenchymal stem cells for treatment of steroid-resistant, severe, acute graft-versus-host disease: a phase II study. Lancet. 371, 1579-1586 (2008).
  20. Tan, J., et al. Induction therapy with autologous mesenchymal stem cells in living-related kidney transplants: a randomized controlled trial. JAMA. 307, 1169-1177 (2012).
  21. Le Blanc, K., et al. Mesenchymal stem cells inhibit and stimulate mixed lymphocyte cultures and mitogenic responses independently of the major histocompatibility complex. Scand J Immunol. 57, 11-20 (2003).
  22. Li, X. Y., et al. Long-term culture in vitro impairs the immunosuppressive activity of mesenchymal stem cells on T cells. Mol Med Rep. 6, 1183-1189 (2012).
  23. Moll, G., et al. Do cryopreserved mesenchymal stromal cells display impaired immunomodulatory and therapeutic properties?. Stem Cells. 32, 2430-2442 (2012).
  24. Ho, P. J., Yen, M. L., Tang, B. C., Chen, C. T., Yen, B. L. H2O2 accumulation mediates differentiation capacity alteration, but not proliferative decline, in senescent human fetal mesenchymal stem cells. Antioxid Redox Signal. 18, 1895-1905 (2013).
check_url/it/53265?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Hsu, P., Liu, K., Chao, Y., Sytwu, H., Yen, B. L. Assessment of the Immunomodulatory Properties of Human Mesenchymal Stem Cells (MSCs). J. Vis. Exp. (106), e53265, doi:10.3791/53265 (2015).

View Video