إعادة برمجة خلايا المشروطة للأطفال الإنسان المريء طلائي للاستخدام في هندسة الأنسجة وأمراض التحقيق
Summary
التوسع في خلايا المريء للأطفال الإنسان الظهارية باستخدام برمجة مشروطة يوفر المحققين ويبلغ عدد سكانها المريض محددة من الخلايا التي يمكن استخدامها لهندسة البنى المريء لزرع ذاتي لعلاج العيوب أو الإصابات وتكون بمثابة خزان لفحوصات الكشف العلاجية.
Abstract
Identifying and expanding patient-specific cells in culture for use in tissue engineering and disease investigation can be very challenging. Utilizing various types of stem cells to derive cell types of interest is often costly, time consuming and highly inefficient. Furthermore, undesired cell types must be removed prior to using this cell source, which requires another step in the process. In order to obtain enough esophageal epithelial cells to engineer the lumen of an esophageal construct or to screen therapeutic approaches for treating esophageal disease, native esophageal epithelial cells must be expanded without altering their gene expression or phenotype. Conditional reprogramming of esophageal epithelial tissue offers a promising approach to expanding patient-specific esophageal epithelial cells. Furthermore, these cells do not need to be sorted or purified and will return to a mature epithelial state after removing them from conditional reprogramming culture. This technique has been described in many cancer screening studies and allows for indefinite expansion of these cells over multiple passages. The ability to perform esophageal screening assays would help revolutionize the treatment of pediatric esophageal diseases like eosinophilic esophagitis by identifying the trigger mechanism causing the patient’s symptoms. For those patients who suffer from congenital defect, disease or injury of the esophagus, this cell source could be used as a means to seed a synthetic construct for implantation to repair or replace the affected region.
Introduction
وقد هندسة الأنسجة المريء والمريء يوزيني (EOE) والتركيز على البحوث في العديد من المختبرات على مدى العقد الماضي. العيوب الخلقية، مثل رتق المريء، وينظر في ما يقرب من 1 في 4000 ولادة حية، مما يؤدي إلى تطوير ناقصة من المريء مما يؤدي إلى عدم القدرة على تناول الطعام 1. وكانت الإصابة وانتشار EOE في الارتفاع منذ التعرف على كيان المرض في عام 1993. وقوع EOE تختلف 0،7 حتي 10 / 100،000 فرد في السنة وتراوح انتشار ،2-43 / 100000 2. نهج الجراحية جذابة جديدة لعلاج الفجوة الطويلة رتق المريء يتمثل في توليد بنيات الأنسجة لزرع باستخدام خلايا المريض نفسه. وهذه الخلايا بالتزامن مع السقالات الاصطناعية توليد وبناء ذاتي التي لا تتطلب قمع المناعي. وقد بدأت بعض الجماعات بالفعل للتحقيق في الولايات المتحدة(ه) من خلايا شبيهة بخلايا المنشأ لهندسة الأنسجة المريء 3 فضلا عن استخدام الخلايا الظهارية المريء الأم إلى إعادة في الغشاء المخاطي 4-7. الأمراض التي تكون موجودة في المريء من الأطفال المرضى من الصعب تشخيص أو دراسة دون تدخل في كثير من الأحيان. وعلاوة على ذلك، النماذج الحيوانية الاستفادة أو في المختبر تخليد نماذج خط الخلية لأمراض الأطفال مثل EOE لا تشمل المرض والتسبب في الدقيق أو الاختلافات المحددة للمرضى 8. ولذلك، فإن القدرة على دراسة عملية مرض المريض في المختبر من أجل تحديد المرض مما اثار مستضدات معينة، وتقييم الآليات الكامنة وتحقيق العلاجات الدوائية ستكون رواية وتوفير الأطباء مع المعلومات التي يمكن أن تساعد في علاج المريض.
كانت هناك العديد من أنواع الخلايا ذاتي أو المريض محددة التي تم اقتراحها لاستخدامها في TISSUالهندسة الإلكترونية ودراسة المرضية الأمراض التي تصيب البشر. ومع ذلك، تقتصر بعض هذه أنواع الخلايا في قدرتها على توليد ما يكفي من الخلايا من النمط الظاهري محدد البذور سقالة كبيرة أو أداء إنتاجية عالية في الدراسات المختبرية. وقد تم استخدام الخلايا الجذعية المحفزة أو متعددة القدرات موضوع الكثير من النقاش الأبحاث، ولكن، والقيود وأوجه القصور لاستخدام هذه الخلايا قد وصفت بشكل جيد 9. استخدام الخلايا الجذعية الجنينية البشرية وناقش غاية وتقدم العديد من القضايا الأخلاقية. الأهم من ذلك، هذه الخلايا تشكل مسخي المبيض، والتي تتشابه إلى الورم، إذا لم تكن متباينة من دولة المحفزة فيها قبل تسليمها إلى الحية المضيفة 10. وعلاوة على ذلك، فإن استخدام الخلايا الجذعية الجنينية لا يكون المريض محددة، ويمكن أن يثير رد فعل الصنعية والحاجة إلى قمع المناعة 10. الناجم عن الخلايا الجذعية المحفزة (iPSCs) هي الخلايا المحفزة التي يمكن أنأن تستمد من خلايا المريض نفسه. الخلايا الجسدية، مثل خلايا الجلد، ويمكن أن يتسبب في حالة المحفزة باستخدام مجموعة متنوعة من تقنيات متكاملة وغير متكاملة. هذه الخلايا بعد ذلك بمثابة مصادر خلية المريض محددة لهندسة الأنسجة أو التحقيق المرض. دمج المادة الوراثية غير المرغوب فيها في هذه الخلايا هو مصدر قلق كثير وقد وصفت وحتى لو المتتاليات هي تماما iPSCs إزالتها تظهر للحفاظ على "الذاكرة" جينية نحو نوع من الخلايا التي كانت مستمدة 11. هذه الخلايا أيضا ستشكل مسخي المبيض في الجسم الحي إن لم يكن يفرق قبل الزرع (11). وقد تم التحقيق في العديد من البروتوكولات التمايز التركيز على الأنساب الظهارية 12، 13، 14، ومع ذلك، فمن المهم جدا أن نلاحظ أن أنواع الخلايا مما يؤدي في نهاية التمايز ليست متجانسة و Oنلي امتلاك جزء من نوع من الخلايا في المصالح. وهذا يؤدي إلى انخفاض المحصول والحاجة إلى تنقية نوع من الخلايا المطلوبة. على الرغم من أن iPSCs هي مصدر الخلايا المحتمل المريض محددة، وعملية للحصول على نوع من الخلايا في المصالح إما هندسة الأنسجة أو التحقيق المرض غير فعال جدا.
وتم عزل الخلايا الظهارية البشرية بنجاح من مجموعة متنوعة من كل من الأنسجة المريضة وغير المريضة في الجسم البشري بما في ذلك: سرطان الرئة 15، وسرطان الثدي 16، الأمعاء الدقيقة 17 والقولون 18، المثانة 19 والمريء 20. من المهم أن نلاحظ أن الخلايا الأولية البشرية لديها عدد محدود من المقاطع التي يتم الحفاظ على النمط الظاهري 21، 22. للأسف، وهذا يعني أن عدد الخلايا اللازمة لتحقيق مرض أو لبذر سقالة هندسيالزرع قد لا يتحقق. لذلك، هناك حاجة إلى تقنيات جديدة لتوسيع خلايا المريض في حين لا يزال الحفاظ على النمط الظاهري الظهارية. وقد وصفت إعادة برمجة مشروطة من الخلايا الظهارية الطبيعية والسرطانية باستخدام الخلايا المغذية ومثبط ROCK في 2012 من قبل ليو وآخرون. 2 3. وقد استخدمت هذه التقنية لتوسيع الخلايا الظهارية السرطانية التي تم الحصول عليها من خزعات من البروستات وسرطان الثدي باستخدام الخلايا المغذية المشع، ROCK المانع والمتوسطة برمجة المشروط. وكان الهدف هو توليد ما يكفي من الخلايا لفحوصات في المختبر مثل فحص المخدرات. هذه التقنية قادرة على توسيع الخلايا الظهارية إلى أجل غير مسمى ب "إعادة برمجة" هذه الخلايا الجذعية أو حالة تشبه السلف، وهو التكاثري للغاية. وقد ثبت أن هذه الخلايا غير قابلة للمكون للأورام ولا تمتلك القدرة على تشكيل مسخي المبيض 23 و 24. وعلاوة على ذلك، لاكانت شذوذ الكروموسومات أو التلاعب الجيني الحالية بعد الركض هذه الخلايا في الثقافة باستخدام هذه التقنية 23، 24. الأهم من ذلك، هذه الخلايا قادرة على التمايز إلى نوع من الخلايا الأصلية من الفائدة فقط. لذلك، هذه التقنية توفر مخزون كبير من خلايا المريض محددة الظهارية للتحقيق مرض أو هندسة الأنسجة دون الحاجة لتخليد.
الحصول على الأنسجة الظهارية من جهاز معين لدراسة عمليات المرض غالبا ما يكون محدودا وليس من الممكن دائما بسبب خطر المريض. بالنسبة لأولئك المرضى الذين يعانون من أمراض المريء أو عيوب، بالمنظار استرجاع الخزعة هو نهج مينيملي للحصول على الأنسجة الظهارية التي يمكن فصلها وإعادة برمجتها مشروط لتوفير مصدر الخلية إلى أجل غير مسمى غير محددة في الغشاء المخاطي في المريء أن المريض. هذا ثم يسمح لفي الدراسات المختبريةمن الخلايا الظهارية لتقييم العمليات المرض والبحث عن العلاجات المحتملة. عملية مرض واحد التي يمكن أن تستفيد كثيرا من هذا النهج هو الإيزونوفيلي التهاب المريء، والتي وصفت بأنها أمراض الحساسية من المريء 8. اختبارات الحساسية وكذلك طرق علاجية يمكن تقييمها في المختبر باستخدام خلايا الظهارية الخاصة للمريض ويمكن بعد ذلك أن يتم تمرير هذه البيانات على الطبيب المعالج لوضع خطط العلاج الفردي. تقنية إعادة البرمجة الشرطية بالتعاون مع الحصول على الخزعات بالمنظار من الأطفال المرضى وتقدم القدرة على توسيع الخلايا الظهارية المريء العادية إلى أجل غير مسمى من أي مريض. ولذلك يمكن تعاونت هذا المصدر خلية جنبا إلى جنب مع السقالات الطبيعية أو الاصطناعية لتوفير خيار المريض محددة الجراحي للعيوب أو المرض أو الصدمة. أن وجود عدد الخلايا إلى أجل غير مسمى مساعدة مهندس يبني المريء التي تمتلك reseeded تماماالتجويف مع الخلايا الظهارية المريء من أجل المساعدة في تسهيل تجديد أنواع الخلايا المتبقية.
Protocol
Representative Results
Discussion
أهم الخطوات من أجل عزل وتوسيع الخلايا الظهارية المريء من الخزعات المريض هي: 1) عدم الربط على نحو كاف الأنسجة الخزعة مع الحد الأدنى من موت الخلايا. يضاف 2) ضمان المانع ROCK إلى مستنبت الخلية في كل تغيير المتوسط؛ 3) لا تستخدم أكثر من الخلايا المغذية من الموصى بها. 4) الحفاظ عل?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to acknowledge Connecticut Children’s Medical Center Strategic Research Funding for supporting this work.
Materials
| Primocin | InVivogen | ant-pm2 | |
| Isopentane | Sigma Aldrich | 277258-1L | |
| Gelatin From Porcine Skin | Sigma Aldrich | G1890-100G | |
| DMEM | Thermofisher Scientific | 11965092 | |
| Cryomold | TissueTek | 4565 | |
| Cryomatrix OCT | Thermofisher Scientific | 6769006 | |
| 15ml Conical Tubes | Denville Scientific | C1017-p | |
| Complete Keratinocyte Serum Free Medium | Thermofisher Scientific | 10724011 | |
| Penicillin Streptomycin | Thermofisher Scientific | 15140122 | |
| Glutamax | Thermofisher Scientific | 35050061 | |
| Insulin Solution | Sigma Aldrich | I9278-5ml | |
| Human Epidermal Growth Factor (EGF) | Peprotech | AF-100-15 | |
| ROCK Inhibitor (Y-27632) | Fisher Scientific | 125410 | |
| F-12 Medium | Thermofisher Scientific | 11765054 | |
| Fetal Bovine Serum | Denville Scientific | FB5001 | |
| Dispase | Thermofisher Scientific | 17105041 | |
| 0.05% Trypsin-EDTA | Thermofisher Scientific | 25300062 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA | Thermofisher Scientific | 25200072 | |
| 100mm Dishes | Denville Scientific | T1110-20 | |
| 150mm Dishes | Denville Scientific | T1115 | |
| 50ml Conicals | Denville Scientific | C1062-9 | |
| Phosphate Buffered Saline Tablets | Fisher Scientific | BP2944-100 | |
| 5ml Pipettes | Fisher Scientific | 1367811D | |
| 10ml Pipettes | Fisher Scientific | 1367811E | |
| 25ml Pipettes | Fisher Scientific | 1367811 | |
| 9" Pasteur Pipettes | Fisher Scientific | 13-678-20D | |
| NIH 3T3 Cells | ATCC | CRL1658 |
Riferimenti
- Clark, D. C. Esophageal atresia and tracheoesophageal fistula. Am Fam Physician. 59 (4), 910-920 (1999).
- Soon, I. S., Butzner, J. D., Kaplan, G. G., deBruyn, J. C. Incidence and prevalence of eosinophilic esophagitis in children. J Pediatr Gastroenterol Nutr. 57 (1), 72-80 (2013).
- Sjöqvist, S., et al. Experimental orthotopic transplantation of a tissue-engineered oesophagus in rats. Nat Commun. 5, 3562 (2014).
- Saxena, A. K. Esophagus tissue engineering: designing and crafting the components for the ‘hybrid construct’ approach. Eur J Pediatr Surg. 24 (3), 246-262 (2014).
- Saxena, A. K., Ainoedhofer, H., Höllwarth, M. E. Culture of ovine esophageal epithelial cells and in vitro esophagus tissue engineering. Tissue Eng Part C Methods. 16 (1), 109-114 (2010).
- Saxena, A. K., Kofler, K., Ainodhofer, H., Hollwarth, M. E. Esophagus tissue engineering: hybrid approach with esophageal epithelium and unidirectional smooth muscle tissue component generation in vitro. J Gastrointest Surg. 13 (6), 1037-1043 (2009).
- Macheiner, T., Kuess, A., Dye, J., Saxena, A. K. A novel method for isolation of epithelial cells from ovine esophagus for tissue engineering. Biomed Mater Eng. 24 (2), 1457-1468 (2014).
- Mishra, A. Significance of Mouse Models in Dissecting the Mechanism of Human Eosinophilic Gastrointestinal Diseases (EGID). J Gastroenterol Hepatol Res. 2 (11), 845-853 (2013).
- Medvedev, S. P., Shevchenko, A. I., Zakian, S. M. Induced Pluripotent Stem Cells: Problems and Advantages when Applying them in Regenerative Medicine. Acta Naturae. 2 (2), 18-28 (2010).
- Metallo, C. M., Azarin, S. M., Ji, L., de Pablo, J. J., Palecek, S. P. Engineering tissue from human embryonic stem cells. J Cell Mol Med. 12 (3), 709-729 (2008).
- Lee, H., Park, J., Forget, B. G., Gaines, P. Induced pluripotent stem cells in regenerative medicine: an argument for continued research on human embryonic stem cells. Regen Med. 4 (5), 759-769 (2009).
- Ghaedi, M., et al. Human iPS cell-derived alveolar epithelium repopulates lung extracellular matrix. J Clin Invest. 123 (11), 4950-4962 (2013).
- Huang, S. X., et al. Efficient generation of lung and airway epithelial cells from human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. , (2013).
- Ogaki, S., Morooka, M., Otera, K., Kume, S. A cost-effective system for differentiation of intestinal epithelium from human induced pluripotent stem cells. Sci Rep. 5, 17297 (2015).
- Ehrhardt, C., Kim, K. J., Lehr, C. M. Isolation and culture of human alveolar epithelial cells. Methods Mol Med. 107, 207-216 (2005).
- Zubeldia-Plazaola, A., et al. Comparison of methods for the isolation of human breast epithelial and myoepithelial cells. Front Cell Dev Biol. 3, 32 (2015).
- Spurrier, R. G., Speer, A. L., Hou, X., El-Nachef, W. N., Grikscheit, T. C. Murine and human tissue-engineered esophagus form from sufficient stem/progenitor cells and do not require microdesigned biomaterials. Tissue Eng Part A. 21 (5-6), 906-915 (2015).
- Roche, J. K. Isolation of a purified epithelial cell population from human colon. Methods Mol Med. 50, 15-20 (2001).
- Southgate, J., Hutton, K. A., Thomas, D. F., Trejdosiewicz, L. K. Normal human urothelial cells in vitro: proliferation and induction of stratification. Lab Invest. 71 (4), 583-594 (1994).
- Kalabis, J., et al. Isolation and characterization of mouse and human esophageal epithelial cells in 3D organotypic culture. Nat Protoc. 7 (2), 235-246 (2012).
- Geraghty, R. J., et al. Guidelines for the use of cell lines in biomedical research. Br J Cancer. 111 (6), 1021-1046 (2014).
- Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., et al. . Molecular Cell Biology. , (2000).
- Liu, X., et al. ROCK inhibitor and feeder cells induce the conditional reprogramming of epithelial cells. Am J Pathol. 180 (2), 599-607 (2012).
- Suprynowicz, F. A., et al. Conditionally reprogrammed cells represent a stem-like state of adult epithelial cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (49), 20035-20040 (2012).
- Davis, A. A., et al. A human retinal pigment epithelial cell line that retains epithelial characteristics after prolonged culture. Invest Ophthalmol Vis Sci. 36 (5), 955-964 (1995).
- Carro, O. M., Evans, S. A., Leone, C. W. Effect of inflammation on the proliferation of human gingival epithelial cells in vitro. J Periodontol. 68 (11), 1070-1075 (1997).
