肺発生生物学と疾患をモデル化するための人工多能性幹細胞からの3D全肺オルガノイドの生成
Summary
本稿では、近位および遠位上皮肺細胞と共に近位および遠位上皮肺細胞の両方を含む3次元全肺オルガノイドに対する誘導多能性幹細胞のステップ指向分化について説明する。
Abstract
ヒトの肺の発達と疾患は、生体関連の インビトロ モデルシステムがないため、研究が困難であった。ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)は、上皮細胞と間葉系細胞集団の両方からなる3D多細胞性肺オルガノイドに段階的に分化することができる。胚発生の手掛かりを、様々な成長因子と小分子を一時的に導入し、決定的な内胚、前腸内胚の内胚体、そしてその後肺前駆細胞を効率的に生成することによって再現します。これらの細胞は、次に成長因子還元(GFR)基膜マトリックス培地に埋め込まれ、外部の成長因子に応答して3D肺オルガノイドに自発的に発達することを可能にする。これらの全肺オルガノイド(WLO)は、デキサメタゾン、環状AMPおよびイソブチルキサンチンへの暴露後の分岐形態形成および成熟を含む初期の肺発達段階を受ける。Wloは、マーカーKRT5(基底)、SCGB3A2(クラブ)およびMUC5AC(ゴブレット)、およびHOPX(肺胞タイプI)およびSP-C(肺胞タイプII)を発現する肺胞上皮細胞を発現する気道上皮細胞を有する。間葉系細胞は、平滑筋アクチン(SMA)、および血小板由来増殖因子受容体A(PDGFRα)を含む存在も存在する。iPSC由来のWloは、何か月の間、3D培養条件で維持することができ、特定の細胞集団を精製するために表面マーカーのためにソートすることができる。iPSC由来のWlosは、肺上皮と間葉系間のシグナル伝達を含むヒト肺の発達を研究し、ヒト肺細胞の機能および発達に関する遺伝子変異をモデル化し、感染剤の細胞毒性を決定するためにも利用することができる。
Introduction
肺は、胚性、仮頭腺、運河、嚢胞、眼胞、微小血管成熟の6つの異なる段階で発達する複雑で異質な動的器官である1,2。後者の2つの段階は人間の発達において出生前および出生後に起こり、最初の4段階は早産が起こらない限り胎児の発達中に排他的に起こる3。胚期は内胚芽層から始まり、気管と肺の芽の出芽で終わる。肺の発達は、上皮細胞と間葉系細胞4との間のシグナル伝達を介して部分的に起こる。これらの相互作用は、肺の分岐、増殖、細胞の運命決定および発達中の肺の細胞分化をもたらす。肺は伝導域(末端気管支への気管)と呼吸帯(肺胞への呼吸気管支)に分けられる。各ゾーンには、ユニークな上皮細胞タイプが含まれています。導体気道内に基底、分泌、毛様体、ブラシ、神経内分泌、ヨウノサイト細胞を含む5、続いて肺胞型I型およびII細胞を呼吸上皮6に含む。様々な細胞型の損傷に対する発達と反応については、まだ多くのことが不明である。iPSC由来の肺オルガノイドモデルは、ヒト肺の発達を促進するメカニズム、肺機能に対する遺伝子変異の影響、および原発性ヒト肺組織を必要とせずに感染因子に対する上皮および間葉の両方の反応を促進する。
胚分化の様々な段階に対応するマーカーとしては、CXCR4、cKit、FOXA2、およびSOX17が決定的な内胚(DE)7、FOXA2、TBX1、および前前腸内胚葉(AFE)8のSOX2、早期肺前駆細胞用NKX2-1が含まれる。胚性肺の発達では、前腸は食道および腹側気管に分かれる。右と左の肺の芽は気管の芽10のまわりの2つの独立した外挿として現れる。分岐形態形成の間葉形成の間葉は、伸縮性組織、平滑筋、軟骨、脈管構造11を生成する。上皮と間葉系の相互作用は、正常な肺の発達に不可欠である。これには、上皮によって産生される間葉系およびSHH13によるFGF1012の分泌が含まれる。
ここでは、HIPSCを3次元(3D)全肺オルガノイド(WLO)に誘導分化するためのプロトコルについて説明する。LPC段階で並べ替えを行って肺胞状の14,15(遠位)オルガノイドまたは気道16(近位)オルガロイドを作ったり、腹側前腸前腸球体を生成して肺胞細胞とmesenterのマーカーと親子のマーカーと前駆体のマーカーと前足のマーカーを選別することによって肺前駆細胞の単離を組み込む同様のアプローチがある。この方法の強さは、肺分岐形態形成、成熟、およびインビトロでの拡張をパターン化し、調整するための肺上皮および間葉細胞型の両方を含めることである。
このプロトコルは、小分子と成長因子を使用して、決定的な内胚葉、前腸内臓内臓、肺前駆細胞を介して多能性幹細胞の分化を指示する。これらの細胞は、分岐および成熟を含む重要な発達段階を通じて3D全肺オルガノイドに誘導される。分化プロトコルの概要は、図1bに示す内胚葉およびオルガノイド分化の代表的な明視野画像を用いて図1aに示されている。図1c,dは、分化を完了した後の肺上皮細胞の近位および遠位の両方の集団の遺伝子発現と同様に、内皮分化の遺伝子発現の詳細を示す。
Protocol
Representative Results
Discussion
3D全肺オルガノイド(WLO)の分化が成功したのは、成長因子や小分子への暴露時間、通過後の細胞密度、HiPSCの品質など、細部に注意を払った6週間のマルチステッププロトコルに依存しています。トラブルシューティングについては、 表 2 を参照してください。hiPSCは、解離前に約70%〜80%のコンフルエントで、5%未満の自発的分化を行う必要があります。このプロトコルは”mTeSR プラ?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、カリフォルニア再生医療研究所(CIRM)(DISC2-COVID19-12022)によって支援されました。
Materials
| Cell Culture | |||
| 12 well plates | Corning | 3512 | |
| 12-well inserts, 0.4um, translucent | VWR | 10769-208 | |
| 2-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M3148 | |
| Accutase | Innovative Cell Tech | AT104 | |
| ascorbic acid | Sigma | A4544 | |
| B27 without retinoic acid | ThermoFisher | 12587010 | |
| Bovine serum albumin (BSA) Fraction V, 7.5% solution | Gibco | 15260-037 | |
| Dispase | StemCellTech | 7913 | |
| DMEM/F12 | Gibco | 10565042 | |
| FBS | Gibco | 10082139 | |
| Glutamax | Life Technologies | 35050061 | |
| Ham’s F12 | Invitrogen | 11765-054 | |
| HEPES | Gibco | 15630-080 | |
| Iscove’s Modified Dulbecco’s Medium (IMDM) + Glutamax | Invitrogen | 31980030 | |
| Knockout Serum Replacement (KSR) | Life Technologies | 10828028 | |
| Matrigel | Corning | 354230 | |
| Monothioglycerol | Sigma | M6145 | |
| mTeSR plus Kit (10/case) | Stem Cell Tech | 5825 | |
| N2 | ThermoFisher | 17502048 | |
| NEAA | Life Technologies | 11140050 | |
| Pen/strep | Lonza | 17-602F | |
| ReleSR | Stem Cell Tech | 5872 | |
| RPMI1640 + Glutamax | Life Technologies | 12633012 | |
| TrypLE | Gibco | 12605-028 | |
| Y-27632 (Rock Inhibitor) | R&D Systems | 1254/1 | |
| Growth Factors/Small Molecules | |||
| Activin A | R&D Systems | 338-AC | |
| All-trans retinoic acid (RA) | Sigma-Aldrich | R2625 | |
| BMP4 | R&D Systems | 314-BP/CF | |
| Br-cAMP | Sigma-Aldrich | B5386 | |
| CHIR99021 | Abcam | ab120890 | |
| Dexamethasone | Sigma-Aldrich | D4902 | |
| Dorsomorphin | R&D Systems | 3093 | |
| EGF | R&D Systems | 236-EG | |
| FGF10 | R&D Systems | 345-FG/CF | |
| FGF7 | R&D Systems | 251-KG/CF | |
| IBMX (3-Isobtyl-1-methylxanthine) | Sigma-Aldrich | I5879 | |
| SB431542 | R&D Systems | 1614 | |
| VEGF/PIGF | R&D Systems | 297-VP/CF | |
| Primary antibodies | Dilution rate | ||
| CXCR4-PE | R&D Systems | FAB170P | 1:200 (F) |
| HOPX | Santa Cruz Biotech | sc-398703 | 0.180555556 |
| HTII-280 | Terrace Biotech | TB-27AHT2-280 | 0.145833333 |
| KRT5 | Abcam | ab52635 | 0.180555556 |
| NKX2-1 | Abcam | ab76013 | 0.25 |
| NKX2-1-APC | LS-BIO | LS-C264437 | 1:1000 (F) |
| proSPC | Abcam | ab40871 | 0.215277778 |
| SCGB3A2 | Abcam | ab181853 | 0.25 |
| SOX2 | Invitrogen | MA1-014 | 0.180555556 |
| SOX9 | R&D Systems | AF3075 | 0.180555556 |
| SPB (mature) | 7 Hills | 48604 | 1: 1500 (F) 1:500 (W)a |
| SPC (mature) | LS Bio | LS-B9161 | 1:100 (F); 1:500 (W) a |
Riferimenti
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