Summary

Generation af 3D hud Organoid fra ledningen blod-afledte induceret pluripotente stamceller

Published: April 18, 2019
doi:

Summary

Vi foreslår en protokol, der viser hvordan du differentiere inducerede pluripotente stamceller-afledt keratinocytter og fibroblaster og generere en 3D hud organoid, ved hjælp af disse keratinocytter og fibroblaster. Denne protokol indeholder en yderligere skridt til at generere en humaniseret mus model. Teknikken præsenteret her vil forbedre dermatologiske forskning.

Abstract

Huden er kroppens største organ og har mange funktioner. Huden fungerer som en fysisk barriere og protektor af kroppen og regulerer kropsfunktioner. Biomimetik er efterligning af modeller, systemer og elementer i naturen med henblik på at løse komplekse menneskelige problemer1. Huden Biomimetik er et nyttigt værktøj til in vitro-sygdom forskning og in vivo regenerativ medicin. Menneskelige inducerede pluripotente stamceller (iPSCs) har karakteristisk for ubegrænset spredning og differentiering evne til tre Kim lag. Menneskets iPSCs er genereret ud fra forskellige primære celler, såsom blodlegemer, keratinocytter, fibroblaster og meget mere. Blandt dem, ledningen blod mononukleære celler (CBMCs) er dukket op som en alternativ celle kilde fra perspektivet af allogene regenerativ medicin. CBMCs er nyttige i regenerativ medicin, fordi human leukocyt antigen (HLA) at skrive er afgørende for cellen banksystem. Vi leverer en metode for differentiering af CBMC-iPSCs til keratinocytter og fibroblaster og generation af en 3D hud organoid. CBMC-iPSC-afledte keratinocytter og fibroblaster har kendetegn svarende til en primær cellelinie. 3D hud organoids genereres ved at lægge en epidermale lag på en dermal lag. Ved hjælp af transplantation denne 3D hud organoid, genereres en humaniseret mus model. Denne undersøgelse viser, at en 3D menneskelige iPSC-afledte hud organoid kan være en roman, alternative værktøj til dermatologiske research in vitro- og in vivo.

Introduction

Huden dækker den yderste overfladen af kroppen og beskytter indre organer. Huden har forskellige funktioner, herunder beskyttelse mod patogener, absorberende og opbevaring af vand, regulering af kropstemperatur, og udskiller kroppen affald2. Hudtransplantation kan klassificeres afhængig af huden kilde; grafts ved hjælp af huden fra en anden donor kaldes allografts, og grafts ved hjælp af patientens egen hud er autografts. Selv om en autograft er den foretrukne behandling på grund af sin lave afvisning risiko, er hud biopsier svære at udføre på patienter med alvorlige læsioner eller et utilstrækkeligt antal hudceller. Hos patienter med alvorlige forbrændinger er tre gange antallet af hudens celler nødvendige for at dække store områder. De begrænsede mængder af hudceller fra en patient krop resulterer i situationer, hvor allogenous transplantation er nødvendige. En allograft bruges midlertidigt, indtil autolog transplantation kan udføres, da det normalt er afvist af værtens immunsystem efter ca 1 uge3. For at overvinde afvisning af patientens immunsystem, skal grafts komme fra en kilde med de samme immune identitet som den patient4.

Menneskets iPSCs er en spirende kilde af celler for stamcelle terapi5. Menneskets iPSCs er genereret fra somatiske celler, ved hjælp af omprogrammering faktorer såsom OCT4, SOX2, Klf4 og c-Myc6. Ved hjælp af menneskelige iPSCs overvinder de etiske og immunologiske aspekter af embryonale stamceller (økonomiske)7,8. Menneskelige iPSCs har pluripotency og kan differentiere sig til tre Kim lag9. Forekomsten af HLA, en kritisk faktor for regenerativ medicin, bestemmer immunresponset og muligheden for afvisning10. Brugen af patient-afledte iPSCs løser problemerne med celle-kilde begrænsning og immunsystemet afvisning. CBMCs er også dukket op som en alternativ celle kilde for regenerativ medicin11. Obligatorisk HLA maskinskrivning, som opstår under CBMC bank, kan nemt bruges til forskning og transplantation. Yderligere, homozygot HLA-type iPSCs kan bredt anvende til forskellige patienter12. En CBMC-iPSC bank er en roman og effektiv strategi for Celleterapi og allogen regenerativ medicin12,13,14. I denne undersøgelse, vi bruger CBMC-iPSCs, differentierede keratinocytter og fibroblaster, og generere stratificeret 3D hudlag. Resultaterne fra denne undersøgelse tyder på, at en CBMC-iPSC-afledte 3D hud organoid er en roman værktøj til in vitro- og in vivo dermatologiske forskning.

Protocol

Alle procedurer, der involverer dyr blev udført i overensstemmelse med laboratoriet dyr Welfare Act, vejledning i pleje og brugen af forsøgsdyr, og de retningslinjer og politikker for gnaver eksperimenter, som de institutionelle Animal Care og Brug Udvalget (IACUC) af School of Medicine i det katolske universitet i Korea. Undersøgelse-protokollen blev godkendt af det institutionelle Review Board af katolske universitet i Korea (CUMC-2018-0191-01). IACUC og afdeling af laboratoriet dyr (DOLA) af den katolske universite…

Representative Results

Huden består for det meste af epidermis og dermis. Keratinocytter er den største celletype af epidermis, og fibroblaster er den største celletype af dermis. Ordningen af keratinocytter differentiering er vist i figur 1A. CBMC-iPCSc blev opretholdt i en vitronectin-belagte fad (figur 1B). I denne undersøgelse opdelte vi CBMC-iPSCs til keratinocytter og fibroblaster ved hjælp af EB dannelse. Vi genereret EBs ved hjælp af hæ…

Discussion

Menneskets iPSCs er blevet foreslået som et nyt alternativ til personlig regenerativ medicin17. Patient-afledte personlig iPSCs afspejle patient karakteristika, der kan anvendes til sygdom modellering, stof screening og autolog transplantation18,19. Brugen af patient-afledte iPSCs kan også overvinde problemer vedrørende primærelementer, mangel på passende celle numre og immun reaktioner5,<sup class="…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbejde blev støttet af en bevilling fra Korea Healthcare Technology R & D-projektet, Ministeriet for sundhed, velfærd og familiespørgsmål, Republikken Korea (H16C2177, H18C1178).

Materials

Adenine Sigma A2786 Component of differentiation medium for fibroblast
AggreWell Medium (EB formation medium) STEMCELL 05893 EB formation
Anti-Fibronectin antibody abcam ab23750 Fibroblast marker
Anti-KRT14 antibody abcam ab7800 Keratinocyte marker
Anti-Loricrin antibody abcam ab85679 Stratum corneum marker
Anti-p63 antibody abcam ab124762 Keratinocyte marker
Anti-Vimentin antibody Santa cruz sc-7558 Fibroblast marker
BAND AID FLEXIBLE FABRIC Johnson & Johnson Bandage
Basement membrane matrix (Matrigel) BD 354277 Component of differentiation medium for fibroblast
BLACK SILK suture AILEEE SK617 Skin graft
CaCl2 Sigma C5670 Component of epithelial medium for 3D skin organoid
Collagen type I BD 354236 3D skin organoid
Collagen type IV Santa-cruz sc-29010 Component of differentiation medium for keratinocyte
Defined keratinocyte-Serum Free Medium Gibco 10744-019 Component of differentiation medium for keratinocyte
DMEM, high glucose Gibco 11995065 Component of differentiation medium
DMEM/F12 Medium Gibco 11330-032 Component of differentiation medium
Essential 8 medium Gibco A1517001 iPSC medium
FBS, Qualified Corning 35-015-CV Component of differentiation medium for fibroblast and keratinocyte
Glutamax Supplement  Gibco 35050061 Component of differentiation medium for fibroblast
Insulin Invtrogen 12585-014 Component of differentiation medium for fibroblast and keratinocyte
Iris standard curved scissor Professional PC-02.10 Surgical instrument
Keratinocyte Serum Free Medium Gibco 17005-042 Component of differentiation medium for keratinocyte
L-ascorbic acid 2-phosphata sesquimagnesium salt hydrate Sigma A8960 Component of differentiation medium for keratinocyte
MEM Non-Essential Amino Acid Gibco 1140050 Component of differentiation medium for fibroblast
Meriam Forceps Thumb 16 cm HIROSE HC 2265-1 Surgical instrument
NOD.CB17-Prkdc SCID/J The Jackson Laboratory 001303 Mice strain for skin graft
Petri dish 90 mm Hyundai Micro H10090 Plastic ware
Recombinant Human BMP-4 R&D 314-BP Component of differentiation medium for keratinocyte
Recombinant human EGF protein R&D 236-EG Component of differentiation medium for keratinocyte
Retinoic acid Sigma R2625 Component of differentiation medium for keratinocyte
T/C Petridish 100 mm, 240/bx TPP 93100 Plastic ware
Transferrin Sigma T3705 Component of epithelial medium for 3D skin organoid
Transwell-COL collagen-coated membrane inserts  Corning CLS3492 Plastic ware for 3D skin organoid 
Vitronectin Life technologies A14700 iPSC culture
Y-27632 Dihydrochloride peprotech 1293823 iPSC culture

Riferimenti

  1. Vincent, J. F., Bogatyreva, O. A., Bogatyrev, N. R., Bowyer, A., Pahl, A. K. Biomimetics: its practice and theory. Journal of The Royal Society Interface. 3 (9), 471-482 (2006).
  2. Madison, K. C. Barrier function of the skin: “la raison d’etre” of the epidermis. Journal of Investigative Dermatology. 121 (2), 231-241 (2003).
  3. Chen, M., Przyborowski, M., Berthiaume, F. Stem cells for skin tissue engineering and wound healing. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 37 (4-5), 399-421 (2009).
  4. Dixit, S., et al. Immunological challenges associated with artificial skin grafts: available solutions and stem cells in future design of synthetic skin. Journal of Biological Engineering. 11, 49 (2017).
  5. Yamanaka, S. Induced pluripotent stem cells: past, present, and future. Cell Stem Cell. 10 (6), 678-684 (2012).
  6. Yamanaka, S. Pluripotency and nuclear reprogramming. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 363 (1500), 2079-2087 (2008).
  7. Scheiner, Z. S., Talib, S., Feigal, E. G. The potential for immunogenicity of autologous induced pluripotent stem cell-derived therapies. Journal of Biological Chemistry. 289 (8), 4571-4577 (2014).
  8. Zimmermann, A., Preynat-Seauve, O., Tiercy, J. M., Krause, K. H., Villard, J. Haplotype-based banking of human pluripotent stem cells for transplantation: potential and limitations. Stem Cells and Development. 21 (13), 2364-2373 (2012).
  9. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126 (4), 663-676 (2006).
  10. Terasaki, P. I. A brief history of HLA. Immunologic Research. 38 (1-3), 139-148 (2007).
  11. Haase, A., et al. Generation of induced pluripotent stem cells from human cord blood. Cell Stem Cell. 5 (4), 434-441 (2009).
  12. Rim, Y. A., et al. Recent progress of national banking project on homozygous HLA-typed induced pluripotent stem cells in South Korea. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 12 (3), 1531-1536 (2018).
  13. Nakatsuji, N., Nakajima, F., Tokunaga, K. HLA-haplotype banking and iPS cells. Nature Biotechnology. 26 (7), 739-740 (2008).
  14. Pappas, D. J., et al. Proceedings: human leukocyte antigen haplo-homozygous induced pluripotent stem cell haplobank modeled after the california population: evaluating matching in a multiethnic and admixed population. Stem Cells Translational Medicine. 4 (5), 413-418 (2015).
  15. Embryoid body formation from human pluripotent stem cells in chemically defined E8 media. StemBook Available from: https://www.stembook.org/node/6632 (2008)
  16. Kim, Y., et al. Establishment of a complex skin structure via layered co-culture of keratinocytes and fibroblasts derived from induced pluripotent stem cells. Stem Cell Research & Therapy. 9 (1), 217 (2018).
  17. Diecke, S., Jung, S. M., Lee, J., Ju, J. H. Recent technological updates and clinical applications of induced pluripotent stem cells. The Korean Journal of Internal Medicine. 29 (5), 547-557 (2014).
  18. Shi, Y., Inoue, H., Wu, J. C., Yamanaka, S. Induced pluripotent stem cell technology: a decade of progress. Nature Reviews Drug Discovery. 16 (2), 115-130 (2017).
  19. Yoshida, Y., Yamanaka, S. Recent stem cell advances: induced pluripotent stem cells for disease modeling and stem cell-based regeneration. Circulation. 122 (1), 80-87 (2010).
  20. Pham, T. L., Nguyen, T. T., Van Bui, A., Nguyen, M. T., Van Pham, P. Fetal heart extract facilitates the differentiation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells into heart muscle precursor cells. Cytotechnology. 68 (4), 645-658 (2016).
  21. Stecklum, M., et al. Cell differentiation mediated by co-culture of human umbilical cord blood stem cells with murine hepatic cells. In Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal. 51 (2), 183-191 (2015).
  22. Nam, Y., Rim, Y. A., Ju, J. H. Chondrogenic Pellet Formation from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells. Journal of Visualized Experiments. (124), e55988 (2017).
  23. Rim, Y. A., Nam, Y., Ju, J. H. Application of Cord Blood and Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells for Cartilage Regeneration. Cell Transplantation. , (2018).
  24. Shevde, N. K., Mael, A. A. Techniques in embryoid body formation from human pluripotent stem cells. Methods in Molecular Biology. 946, 535-546 (2013).
  25. Shamis, Y., et al. iPSC-derived fibroblasts demonstrate augmented production and assembly of extracellular matrix proteins. In Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal. 48 (2), 112-122 (2012).
  26. Bikle, D. D., Xie, Z., Tu, C. L. Calcium regulation of keratinocyte differentiation. Expert Review of Endocrinology & Metabolism. 7 (4), 461-472 (2012).
  27. Bernstam, L. I., Vaughan, F. L., Bernstein, I. A. Keratinocytes grown at the air-liquid interface. In Vitro Cellular & Developmental Biology. 22 (12), 695-705 (1986).
  28. Prunieras, M., Regnier, M., Woodley, D. Methods for cultivation of keratinocytes with an air-liquid interface. Journal of Investigative Dermatology. 81, 28-33 (1983).
  29. Steven, A. C., Bisher, M. E., Roop, D. R., Steinert, P. M. Biosynthetic pathways of filaggrin and loricrin–two major proteins expressed by terminally differentiated epidermal keratinocytes. Journal of Structural Biology. 104 (1-3), 150-162 (1990).
  30. Hohl, D., et al. Characterization of human loricrin. Structure and function of a new class of epidermal cell envelope proteins. Journal of Biological Chemistry. 266 (10), 6626-6636 (1991).
  31. Bern, R., et al. Original and modified technique of tie-over dressing: Method and application in burn patients. Burns. 44 (5), 1357-1360 (2018).
  32. Joyce, C. W., Joyce, K. M., Kennedy, A. M., Kelly, J. L. The Running Barbed Tie-over Dressing. Plastic and Reconstructive Surgery – Global Open. 2 (4), 137 (2014).
  33. Wang, C. K., Nelson, C. F., Brinkman, A. M., Miller, A. C., Hoeffler, W. K. Spontaneous cell sorting of fibroblasts and keratinocytes creates an organotypic human skin equivalent. Journal of Investigative Dermatology. 114 (4), 674-680 (2000).
  34. Yang, R., et al. Generation of folliculogenic human epithelial stem cells from induced pluripotent stem cells. Nature Communications. 5, 3071 (2014).
check_url/it/59297?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Kim, Y., Ju, J. H. Generation of 3D Skin Organoid from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells. J. Vis. Exp. (146), e59297, doi:10.3791/59297 (2019).

View Video