ביים הבידול של אבות Hematopoietic פרימיטיבי, מהווים הסופית מתאי גזע Pluripotent אנושי
Summary
כאן, אנו מציגים pluripotent האנושי פרוטוקולים התרבות תאי גזע (hPSC), נהגו להבדיל hPSCs לתוך CD34+ אבות hematopoietic. שיטה זו משתמשת ספציפיות שלב מניפולציה של חגיגת הקנוני איתות לציין תאים באופן בלעדי לתוכנית או סופית או פרימיטיבי hematopoietic.
Abstract
אחת ממטרותיה העיקריות עבור רפואה רגנרטיבית היא הדור ואת התחזוקה של תאי גזע hematopoietic (HSCs) נגזר מתאי גזע pluripotent אנושי (hPSCs). עד לאחרונה, יש מאמצים כדי להתמיין hPSCs HSCs שנוצר בעיקר אבות hematopoietic כי חוסר HSC פוטנציאל, ומזכירים במקום שק החלמון hematopoiesis. אלה אבות hematopoietic המתקבלת תהיה מוגבלת השירות עבור במבחנה מידול המחלה של מבוגרים hematopoietic הפרעות שונות, בעיקר אלו של שושלות הלימפה. עם זאת, לאחרונה תארנו שיטות לייצר erythro-myelo-הלימפה multilineage אבות hematopoietic סופית hPSCs באמצעות פרוטוקול התמיינות מכוונת בשלב הספציפי, בו אנחנו כאן. דרך הדיסוציאציה אנזימטי של hPSCs על קרום המרתף מצופים מטריצה plasticware, embryoid הגופות (EBs) נוצרות. EBs מובדלים כדי והמזודרם באמצעות recombinant BMP4, אשר לאחר מכן שצוין לתוכנית hematopoietic סופית על ידי מעכב GSK3β, CHIR99021. לחלופין, hematopoiesis פרימיטיבית צוין על ידי מעכב PORCN, IWP2. Hematopoiesis הוא מונע נוסף באמצעות תוספת של רקומביננטי VEGF וציטוקינים hematopoietic תומכת. המוצא לאגס hematopoietic וכתוצאה מכך שנוצר בשיטה זו יש פוטנציאל לשמש המחלה ומודלים התפתחותית, חוץ גופית בתוך.
Introduction
תאי גזע pluripotent אנושי (hPSCs) מוגדרים המקיף תאי גזע עובריים (hESCs) והן אנושית המושרה גזע pluripotent (hiPSCs), יש את היכולת הייחודית של לא רק בתהליך התחדשות עצמית תחת תנאי הגידול המתאימים, אבל גם היכולת להתמיין לכל סוגי תאים שמקורם שלושת הרבדים נבט: האנדודרם, והמזודרם ו האאקטודרם1. בשל יכולות ייחודיות אלה, hPSCs החזק הבטחה גדולה עבור רפואה רגנרטיבית, מידול המחלה, טיפולים מבוססי תא2. בעוד סוגי תאים מרובים יש כבר בהצלחה תריז hPSCs, אתגר משמעותי אחד הוא המפרט במבחנה של אך ורק למבוגרים כמו נגזר hPSC hematopoietic תאי גזע (HSCs), אבות hematopoietic סופית.
אחד סביר מכשול להתפתחות של האדם HSCs מן hPSCs היא הנוכחות של תוכניות hematopoietic מרובות בתוך העובר3. בתוכנית הראשונה שעלתה, כינה “hematopoiesis פרימיטיבית,” מקורו בתוך רקמת extraembryonic שק חלמון, מאופיין בצורה הטובה ביותר שלה ארעי ייצור אבות erythroblast (EryP-CFC), מקרופאגים, megakaryocytes. ראוי לציין, תוכנית זו אינה מעניקה עלייתו HSCs, וגם זה נותן עלייה אבות הלימפה T ו- B. עם זאת, שק החלמון transiently להצמיח אבות hematopoietic סופית מוגבלת, כגון erythro-מיאלואידית המייצר (EMP4,5,6,7,8) erythroid לקויה הלימפה בשלה multipotent המייצר (LMPP9). אולם, פעימה וגם LMPPs הם multipotent באופן מלא, או מסוגל כמו HSC engraftment ב נמענים למבוגרים. לעומת זאת, מאוחר יותר בהתפתחות, התוכנית בסגנון קלאסי מוגדר hematopoietic “סופית” צוין באזור אבי העורקים-בלוטת המין-mesonephros של העובר תקין, והוליד כל שושלות hematopoietic למבוגרים, כולל את מועדון הכדורגל מונפלייה. המפרט של תאים אינטרה-עובריים אלה hematopoietic סופית מתרחשת באופן תלוי-חריץ, דרך המעבר אנדותל-אל-hematopoietic hemogenic אנדותל (הוא)3,10,11 ,12,13,14. מלבד יכולת שיחזור, multilineage פוטנציאליים חריץ-התלות של תאים אלה ניתן להשתמש כדי להבחין בין אלה אבות hematopoietic מוחלטת מן השדה האלקטרומגנטי של LMPP (נבדקה הפניות3,13 ).
הבנת את mechanism(s) המסדירים פרימיטיביים ומוחלטת מפרט hematopoietic מ- hPSCs סביר קריטי לייצור לשחזור של אבות hematopoietic סופית על פני מגוון רחב של קווי hPSC. עד לאחרונה, פרוטוקולים של בידול hPSC יכול להפריד אבות hematopoietic multipotent פרימיטיבית ומוחלטת לא היה קיים15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25. גישות רבות שימוש בסרום שור עוברית (FBS) ו/או תרבות משותפת סטרומה תחילה בקווים כלליים את הפוטנציאל hematopoietic של בידול hPSC, עם תערובות של פרימיטיביים ומוחלטת hematopoietic פוטנציאליים15,16, 17,19,22,23,25. זה עוד רחוק, פרוטוקולים ללא סרום hematopoietic רבים תיארו את האות דרישות המפרט של והמזודרם של hPSCs זה בנמלים hematopoietic פוטנציאליים18,20,21, 24. עם זאת, כמו שיטות אלה עדיין הולידה תערובות הטרוגניות של שתי התוכניות, השימוש בהם במסגרת מנגנוני התפתחות ההבנה ויישומים קליניים עלולה להיות מוגבלת.
לאחרונה בנינו על מחקרים אלה, נתקל בקווים כלליים את דרישות ספציפיות שלב אות עבור ACTIVIN/NODAL והאיתות ונ ט במפרט hematopoietic פרימיטיבית ומוחלטת מ נגזר hPSC והמזודרם18,26 . האחרון היה ייחודי במיוחד, בזכות השימוש הספציפי הבמה ונ ט אות מניפולציה מאפשר עבור המפרט באופן בלעדי פרימיטיבי או באופן בלעדי סופית אבות hematopoietic26. במהלך והמזודרם מפרט, עיכוב של חגיגת הקנוני איתות עם החומר המדכא PORCN IWP2 תוצאות במפרט של CD43+ EryP-CFC ואת אבות מיאלואידית, עם פוטנציאל הלימפה לזיהוי. בניגוד חריף, גירוי של קנוניקל ונ ט איתות עם החומר המדכא GSK3β, CHIR99021, בשלב זהה של בידול, גרמו העדר מוחלט של CD43 לזיהוי+ EryP-CFC, בזמן בו זמנית שהוביל אל מפרט של CD34+CD43− הוא. אוכלוסייה זו דיבוק מיאלואידית, HBG-ביטוי erythroid, ואת הפוטנציאל T-הלימפה. ניתוחים לאחר מכן זיהה זה הוא כמו חסר ההבעה של27,CD7328 , CD18428, הפוטנציאל hematopoietic היה תלוי חריץ-28. ניתוחים נוספים, תא בודד המשובטים הוכיח כי אלה שושלות hematopoietic סופי יכול להיגזר תאים בודדים multipotent28. יחדיו, מחקרים אלה מציינים כי שלב ספציפי ונ ט איתות מניפולציה ניתן לציין טהור פרימיטיביים אבות hematopoietic, או multipotent תלויי-דרגה סופית hematopoietic אבות.
כאן, אנחנו חלוקה לרמות אסטרטגיית הבידול שלנו המניבה אבות hematopoietic באופן בלעדי פרימיטיבי או סופי, באמצעות מניפולציה של חגיגת הקנוני איתות במהלך המתבנת mesodermal, השושלת hematopoietic במורד הזרם שלהם מבחני. פרוטוקול זה הוא בעל ערך רב לחוקרים המעוניינים בייצור של אבות hematopoietic פרימיטיבי או מוחלטת של hPSCs עבור רפואה רגנרטיבית יישומים.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר שיטה מהירה, ללא סרום, נטולת משתית הבידול של אבות hematopoietic פרימיטיבי או סופית. מפרט mesodermal של אבות hematopoietic פרימיטיבי או סופית תושג באופן אמין באמצעות פרוטוקול שלנו, המנצלת באופן ייחודי מעכבי מולקולה קטנה של איתות ונ ט הקנוני. ההפעלה ונ ט בשלב הספציפי על ידי החומר המדכא GSK3β CHIR9902…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו בתמיכתם של המחלקה לרפואה פנימית, המחלקה להמטולוגיה, באוניברסיטת וושינגטון בית הספר לרפואה. תקליטור נתמכה על ידי T32HL007088 מן הלאומי ללב, ריאות, מכון דם. CMS נתמכה על ידי האגודה האמריקאית של המטולוגיה מלומד בפרס.
Materials
| Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMD) | Corning | 10-016 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS), ES cell rated | Gemini Bioproducts | 100-500 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Hyclone | SH30396.03 | |
| L-glutamine, 200 mM solution | Life Technologies | 25030-081 | |
| Penicillin-streptomycin | Life Technologies | 15070-063 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25200056 | |
| 0.05% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25300054 | |
| Gelatin, porcine skin, Type A | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| Alpha-MEM | Life Technologies | 12000-022 | |
| DMEM-F12 | Corning | 10-092-CV | |
| Knock-out serum replacement | Life Technologies | 10828028 | "KOSR" |
| Non-essential amino acids (NEAA) | Life Technologies | 11140050 | |
| b-mercaptoethanol, 55 mM solution | Life Technologies | 21985023 | |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | H1758 | |
| Fraction V, Bovine Serum Albumin | Fisher Scientific | BP1605 | |
| Ham's F12 | Corning | 10-080 | |
| N2 supplement | Life Technologies | 17502048 | |
| B27 supplement, no vitamin A | Life Technologies | 12587010 | |
| Stempro-34 (SP34) | Life Technologies | 10639011 | "SP34" |
| Growth factor reduced Matrigel | Corning | 354230 | "MAT" |
| L-absorbic acid | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| Human serum transferrin | Sigma-Aldrich | 10652202001 | |
| Monothioglycerol (MTG) | Sigma-Aldrich | M6145 | |
| Collagenase B | Roche | 11088831001 | |
| Collagenase II | Life Technologies | 17101015 | |
| DNaseI | Calbiochem | 260913 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Life Technologies | 14190144 | |
| bFGF | R&D Systems | 233-FB | |
| BMP4 | R&D Systems | 314-BP | |
| Activin A | R&D Systems | 338-AC | |
| VEGF | R&D Systems | 293-VE | |
| SCF | R&D Systems | 255-SC | |
| IGF-1 | R&D Systems | 291-G1 | |
| IL-3 | R&D Systems | 203-IL | |
| IL-6 | R&D Systems | 206-IL | |
| IL-7 | R&D Systems | 207-IL | |
| IL-11 | R&D Systems | 218-1L | |
| TPO | R&D Systems | 288-TP | |
| EPO | Peprotech | 100-64 | |
| Flt-3 ligand (FLT3-L) | R&D Systems | 308-FK | |
| CHIR99021 | Tocris | 4423 | |
| IWP2 | Tocris | 3533 | |
| Angiotensin II | Sigma-Aldrich | A9525 | |
| Losartan Potassium | Tocris | 3798 | |
| CD4 PerCP Cy5.5 Clone RPA-T4 | BD Biosciences | 560650 | Dilution 1:100; T cell assay |
| CD8 PE Clone RPA-T8 | BD Biosciences | 561950 | Dilution 1:10; T cell assay |
| CD34 APC Clone 8G12 | BD Biosciences | 340441 | Dilution 1:100; EHT assay |
| CD34 PE-Cy7 Clone 8G12 | BD Biosciences | 348801 | Dilution 1:100; Hemogenic endothelium |
| CD43 FITC Clone 1G10 | BD Biosciences | 555475 | Dilution 1:10; Hemogenic endothelium |
| CD45 APC-Cy7 Clone 2D1 | BD Biosciences | 557833 | Dilution 1:50; T cell assay |
| CD45 eFluor450 Clone 2D1 | BD Biosciences | 642284 | Dilution 1:50; EHT assay |
| CD56 APC Clone B159 | BD Biosciences | 555518 | Dilution 1:20; T cell assay |
| CD73 PE Clone AD2 | BD Biosciences | 550257 | Dilution 1:50; Hemogenic endothelium |
| CD184 APC Clone 12G5 | BD Biosciences | 555976 | Dilution 1:50; Hemogenic endothelium |
| 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | BD Biosciences | 564907 | Dilution 1:10,000; T cell assay |
| OP9 DL4 cells | Holmes, R. and J.C. Zuniga-Pflucker. Cold Spring Harb Protoc, 2009. 2009(2): p. pdb prot5156 | ||
| MethoCult H4034 | Stemcell Technologies | 4034 | "MeC" |
| Milli-Q water purification system | EMD Millipore | ||
| 5% CO2 incubator | Set at 37 C | ||
| Multigas incubator | Set at 37 C, 5% CO2, 5% O2 | ||
| 6 well tissue culture plate | Corning | 353046 | |
| 24 well tissue culture plate | Corning | 353226 | |
| 6 well low-adherence tissue culture plate | Corning | 3471 | |
| 24 well low-adherence tissue culture plate | Corning | 3473 | |
| 35 mm tissue culture dishes | Corning | 353001 | |
| Blunt-end needle, 16 gauge | Corning | 305198 | |
| 3 cc syringes | Corning | 309657 | |
| 5 mL polypropylene test tube | Corning | 352063 | |
| 5 mL polystyrene test tube | Corning | 352058 | |
| 15 mL polypropylene conical | Corning | 430791 | |
| 50 mL polypropylene conical | Corning | 430921 | |
| 2 mL serological pipette | Corning | 357507 | |
| 5 mL serological pipette | Corning | 4487 | |
| 10 mL serological pipette | Corning | 4488 | |
| 25 mL serological pipette | Corning | 4489 | |
| Cell scrapers | Corning | 353085 | |
| 2.0 mL cryovials | Corning | 430488 | |
| 5 mL test tube with 40 µM cell strainer | Corning | 352235 | |
| 40 µM cell strainer | Corning | 352340 | |
| Cell culture centrifuge | |||
| Biosafety hood | |||
| FACS AriaII or equivalent | |||
| LSRii or equivalent | |||
| FlowJo software | TreeStar | ||
| Water bath | Set at 37 C | ||
| 0.22 µM filtration system | Corning | ||
| Autoclave | |||
| 4 C refrigerator | |||
| -20 C Freezer | |||
| -80 C Freezer |
References
- Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282 (5391), 1145-1147 (1998).
- Murry, C. E., Keller, G. Differentiation of embryonic stem cells to clinically relevant populations: lessons from embryonic development. Cell. 132 (4), 661-680 (2008).
- Ditadi, A., Sturgeon, C. M., Keller, G. A view of human haematopoietic development from the Petri dish. Nat Rev Mol Cell Biol. 18 (1), 56-67 (2017).
- Chen, M. J., et al. Erythroid/myeloid progenitors and hematopoietic stem cells originate from distinct populations of endothelial cells. Cell Stem Cell. 9 (6), 541-552 (2011).
- McGrath, K. E., et al. Distinct Sources of Hematopoietic Progenitors Emerge before HSCs and Provide Functional Blood Cells in the Mammalian Embryo. Cell Rep. 11 (12), 1892-1904 (2015).
- McGrath, K. E., et al. A transient definitive erythroid lineage with unique regulation of the beta-globin locus in the mammalian embryo. Blood. 117 (17), 4600-4608 (2011).
- Palis, J., et al. Spatial and temporal emergence of high proliferative potential hematopoietic precursors during murine embryogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (8), 4528-4533 (2001).
- Palis, J., Robertson, S., Kennedy, M., Wall, C., Keller, G. Development of erythroid and myeloid progenitors in the yolk sac and embryo proper of the mouse. Development. 126 (22), 5073-5084 (1999).
- Boiers, C., et al. Lymphomyeloid contribution of an immune-restricted progenitor emerging prior to definitive hematopoietic stem cells. Cell Stem Cell. 13 (5), 535-548 (2013).
- Bertrand, J. Y., et al. Haematopoietic stem cells derive directly from aortic endothelium during development. Nature. 464 (7285), 108-111 (2010).
- Hadland, B. K., et al. A requirement for Notch1 distinguishes 2 phases of definitive hematopoiesis during development. Blood. 104 (10), 3097-3105 (2004).
- Kumano, K., et al. Notch1 but not Notch2 is essential for generating hematopoietic stem cells from endothelial cells. Immunity. 18 (5), 699-711 (2003).
- Medvinsky, A., Rybtsov, S., Taoudi, S. Embryonic origin of the adult hematopoietic system: advances and questions. Development. 138 (6), 1017-1031 (2011).
- Robert-Moreno, A., Espinosa, L., de la Pompa, J. L., Bigas, A. RBPjkappa-dependent Notch function regulates Gata2 and is essential for the formation of intra-embryonic hematopoietic cells. Development. 132 (5), 1117-1126 (2005).
- Chadwick, K., et al. Cytokines and BMP-4 promote hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells. Blood. 102 (3), 906-915 (2003).
- Davis, R. P., et al. Targeting a GFP reporter gene to the MIXL1 locus of human embryonic stem cells identifies human primitive streak-like cells and enables isolation of primitive hematopoietic precursors. Blood. 111 (4), 1876-1884 (2008).
- Kaufman, D. S., Hanson, E. T., Lewis, R. L., Auerbach, R., Thomson, J. A. Hematopoietic colony-forming cells derived from human embryonic stem cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (19), 10716-10721 (2001).
- Kennedy, M., et al. T lymphocyte potential marks the emergence of definitive hematopoietic progenitors in human pluripotent stem cell differentiation cultures. Cell Rep. 2 (6), 1722-1735 (2012).
- Ledran, M. H., et al. Efficient hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells on stromal cells derived from hematopoietic niches. Cell Stem Cell. 3 (1), 85-98 (2008).
- Ng, E. S., et al. The primitive streak gene Mixl1 is required for efficient haematopoiesis and BMP4-induced ventral mesoderm patterning in differentiating ES cells. Development. 132 (5), 873-884 (2005).
- Pick, M., Azzola, L., Mossman, A., Stanley, E. G., Elefanty, A. G. Differentiation of human embryonic stem cells in serum-free medium reveals distinct roles for bone morphogenetic protein 4, vascular endothelial growth factor, stem cell factor, and fibroblast growth factor 2 in hematopoiesis. Stem Cells. 25 (9), 2206-2214 (2007).
- Vodyanik, M. A., Bork, J. A., Thomson, J. A., Slukvin, I. I. Human embryonic stem cell-derived CD34+ cells: efficient production in the coculture with OP9 stromal cells and analysis of lymphohematopoietic potential. Blood. 105 (2), 617-626 (2005).
- Vodyanik, M. A., Thomson, J. A., Slukvin, I. I. Leukosialin (CD43) defines hematopoietic progenitors in human embryonic stem cell differentiation cultures. Blood. 108 (6), 2095-2105 (2006).
- Yu, C., et al. Retinoic acid enhances the generation of hematopoietic progenitors from human embryonic stem cell-derived hemato-vascular precursors. Blood. 116 (23), 4786-4794 (2010).
- Zambidis, E. T., Peault, B., Park, T. S., Bunz, F., Civin, C. I. Hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells progresses through sequential hematoendothelial, primitive, and definitive stages resembling human yolk sac development. Blood. 106 (3), 860-870 (2005).
- Sturgeon, C. M., Ditadi, A., Awong, G., Kennedy, M., Keller, G. Wnt Signaling Controls the Specification of Definitive and Primitive Hematopoiesis From Human Pluripotent Stem Cells. Nat Biotechnol. 32 (6), 554-561 (2014).
- Choi, K. D., et al. Identification of the hemogenic endothelial progenitor and its direct precursor in human pluripotent stem cell differentiation cultures. Cell Rep. 2 (3), 553-567 (2012).
- Ditadi, A., et al. Human Definitive Haemogenic Endothelium and Arterial Vascular Endothelium Represent Distinct Lineages. Nat Cell Biol. 17 (5), 580-591 (2015).
- Conner, D. A. Mouse embryo fibroblast (MEF) feeder cell preparation. Curr Protoc Mol Biol. Chapter 23, (2001).
- La Motte-Mohs, R. N., Herer, E., Zuniga-Pflucker, J. C. Induction of T-cell development from human cord blood hematopoietic stem cells by Delta-like 1 in vitro. Blood. 105 (4), 1431-1439 (2005).
- Schmitt, T. M., et al. Induction of T cell development and establishment of T cell competence from embryonic stem cells differentiated in vitro. Nat Immunol. 5 (4), 410-417 (2004).
- Holmes, R., Zuniga-Pflucker, J. C. The OP9-DL1 system: generation of T-lymphocytes from embryonic or hematopoietic stem cells in vitro. Cold Spring Harb Protoc. 2009 (2), (2009).
- Polychronopoulos, P., et al. Structural basis for the synthesis of indirubins as potent and selective inhibitors of glycogen synthase kinase-3 and cyclin-dependent kinases. J Med Chem. 47 (4), 935-946 (2004).
- Chen, B., et al. Small molecule-mediated disruption of Wnt-dependent signaling in tissue regeneration and cancer. Nat Chem Biol. 5 (2), 100-107 (2009).
- Sugimura, R., et al. Haematopoietic stem and progenitor cells from human pluripotent stem cells. Nature. , (2017).
- Ohgushi, M., et al. Molecular pathway and cell state responsible for dissociation-induced apoptosis in human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. 7 (2), 225-239 (2010).
- Peschle, C., et al. Embryonic—-Fetal Hb switch in humans: studies on erythroid bursts generated by embryonic progenitors from yolk sac and liver. Proc Natl Acad Sci U S A. 81 (8), 2416-2420 (1984).
