Usando humanos inducida por células de hepatocito-como derivado de células madre pluripotentes de descubrimiento de fármacos
Summary
El protocolo que presentamos describe una plataforma para la identificación de pequeñas moléculas para el tratamiento de la enfermedad hepática. Se presenta una descripción paso a paso detallando cómo iPSCs se diferencian en células con características de hepatocitos en placas de 96 pocillos y utilizar las células para detectar pequeñas moléculas con potencial actividad terapéutica.
Abstract
La capacidad de las células madre humanas pluripotentes inducidas (iPSCs) se diferencian en células similares a hepatocitos (HLCs) proporciona nuevas oportunidades para el estudio de errores innatos en el metabolismo hepático. Sin embargo, para proporcionar una plataforma que apoya la identificación de pequeñas moléculas que potencialmente pueden utilizarse para tratar la enfermedad hepática, el procedimiento requiere un formato de cultura que es compatible con la proyección de miles de compuestos. Aquí, describimos un protocolo usando las condiciones de cultivo totalmente definidos, que permiten la diferenciación reproducible de iPSCs humano a hepatocitos como las células en placas de cultivo de tejidos de 96 pocillos. También ofrecemos un ejemplo del uso de la plataforma a los compuestos de la pantalla por su capacidad para bajar la apolipoproteína B (APOB) producido a partir de derivados de iPSC hepatocitos generados a partir de un paciente de hipercolesterolemia familiar. La disponibilidad de una plataforma que sea compatible con el descubrimiento de medicamentos debería permitir a los investigadores identificar nuevas terapias para enfermedades que afectan el hígado.
Introduction
Éxito en la identificación de los medicamentos que pueden usarse para atacar una enfermedad rara se basa en el desarrollo de los análisis que pueden utilizarse para la investigación. Hipótesis o pantallas basado en destino (farmacología inversa) son útiles, pero requieren una comprensión detallada de la base molecular de la enfermedad. Pantallas fenotípicas (farmacología clásica) evitar la necesidad de una comprensión detallada de las vías bioquímicas, pero en lugar de otro confían en el desarrollo de modelos que reflejan con exactitud la fisiopatología de la enfermedad. A pesar del entusiasmo de los enfoques basados en el objetivo, análisis de drogas de primera clase aprobado por la FDA revelan que pantallas fenotípicos han sido mucho más exitosa1. El objetivo general de este método es establecer una plataforma de alto rendimiento de detección pueden utilizarse para identificar pequeñas moléculas para el tratamiento de la enfermedad hepática metabólica. Se han descrito varios modelos en vitro incluyendo primarias hepatocitos, células de hepatoma y de células progenitoras hepáticas2. Sin embargo, la mayoría de estos modelos tienen limitaciones, y hay una necesidad de nuevos modelos que pueden recapitular con exactitud la fisiopatología metabólica hepática deficiencias en la cultura. Recientemente, las células de vástago pluripotent humanas combinadas con la edición de genes han ofrecido una oportunidad para modelar las más raras de las enfermedades raras en la cultura sin la necesidad de acceso a pacientes directamente3. Mientras que el uso de iPSCs específico para cada paciente como una herramienta para descubrir pequeñas moléculas para el tratamiento de las enfermedades hepáticas raras es razonable conceptualmente, hay solamente algunos informes demostrando la factibilidad de este enfoque4. Sin embargo, recientemente hemos establecido una plataforma que utiliza hepatocitos derivados de iPSC para identificar con éxito fármacos que pueden reutilizar para el tratamiento de las deficiencias en el metabolismo del hígado5.
Este protocolo explica el proceso de diferenciación humana iPSCs a hepatocitos como las células en placas de 96 pocillos y usarlos para una biblioteca de moléculas pequeñas de la pantalla. También describe el análisis de punto final con hipercolesterolemia como un ejemplo de enfermedad hepática metabólica. Este enfoque puede ser útil para estudiar el papel y la aplicación de moléculas pequeñas en el contexto de enfermedad infecciosa del hígado, enfermedades hepáticas metabólicas, toxicidad de la droga y otros trastornos del hígado.
Protocol
Representative Results
Discussion
Objetivo basado en el descubrimiento de medicamentos, donde se identifican pequeñas moléculas que influyen en la actividad de una proteína específica, ha sido el foco de muchos esfuerzos de investigación existentes. Aunque este enfoque ha proporcionado numerosos productos farmacéuticos, pantallas basados en revertir un fenotipo, la farmacología clásica, han tenido más éxito en la identificación de compuestos de primera clase que han sido clínicamente eficaz1. Una desventaja para el des…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue financiado por los institutos nacionales de salud (DK55743, DK087377, DK102716 y HG006398 a S.A.D). Nos gustaría agradecer al Dr. Behshad Pournasr, Dr. James Heslop y Jing Ran sus contribuciones.
Materials
| 100 mm x 20 mm sterile tissue culture dishes | Corning | 430167 | |
| 100 mm x 20 mm sterile suspension culture dishes | Corning | 430591 | |
| 96-wells tissue culture plate | Corning | 3595 | |
| Anti-human Albumin | Dako | A 0001 | |
| Anti-human FOXA2(6C12) | Novus Biological | H00003170-M12 | |
| Anti-human HNF4 alpha | Santa Cruz | SC-6556 | |
| Anti-human Oct-3/4 antibody | Santa Cruz | SC-9081 | |
| Anti-human SOX17 | R&D | AF1924 | |
| Anti-human TRA-1-60 FITC conjugated | Millipore | FCMAB115F | |
| Activin A Recombinant Human Protein | Invitrogen | PHC9563 | |
| B-27 Supplement, minus insulin | Invitrogen | 0050129SA | |
| B-27 Supplement, serum free | Invitrogen | 17504044 | |
| BMP4 Recombinant Human Protein | Invitrogen | PHC9533 | |
| Cell Dissociation Reagent StemPro Accutase | Invitrogen | A1110501 | |
| CellTiter-Glo Luminescent Cell Viability Assay | Promega | 7572 | |
| DPBS+(calcium, magnesium) | Invitrogen | 14040-133 | |
| DPBS-(no calcium, no magnesium) | Invitrogen | 14190-144 | |
| DMEM/F-12, HEPES | Invitrogen | 11330057 | |
| ELISA human APOB ELISA development kit | Mabtech | 3715-1H-20 | |
| Fibroblast Growth Factor 2 (FGF2) | Invitrogen | PHG0023 | |
| Hepatocyte Culture Medium (HCM Bullet Kit) | Lonza | CC-3198 | |
| Hepatocyte Growth Factor (HGF) | Invitrogen | PHC0321 | |
| L-Glutamine | Invitrogen | 25030081 | |
| MEM Non-Essential Amino Acids Solution | Invitrogen | 11140076 | |
| Oncostatin M (OSM) Recombinant Human Protein | Invitrogen | PHC5015 | |
| Penicillin-Streptomycin | Invitrogen | 15140163 | |
| Feeder free pluripotent stem cell medium: mTesR1 | STEMCELL technologies | 5850 | |
| Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | Invitrogen | A1413301 | |
| RPMI 1640 Medium, HEPES | Invitrogen | 22400105 | |
| StemAdhere Defined Matrix for hPSC (E-cad-Fc) | Primorigen Biosciences | S2071 | |
| TMB-ELISA Substrate Solution | Thermo Scientific | 34022 | |
| Anti-TRA-1-60 FITC conjugated | Millipore | FCMAB115F | |
| Versene (EDTA) 0.02% | Lonza | 17-711E | |
| Y-27632 ROCK inhibitor | STEMCELL Technologies | 72302 |
References
- Swinney, D. C., Anthony, J. How were new medicines discovered?. Nat Rev Drug Discov. 10 (7), 507-519 (2011).
- Zeilinger, K., Freyer, N., Damm, G., Seehofer, D., Knospel, F. Cell sources for in vitro human liver cell culture models. Exp Biol Med (Maywood. 241 (15), 1684-1698 (2016).
- Robinton, D. A., Daley, G. Q. The promise of induced pluripotent stem cells in research and therapy. Nature. 481 (7381), 295-305 (2012).
- Lee, G., et al. Modelling pathogenesis and treatment of familial dysautonomia using patient-specific iPSCs. Nature. 461 (7262), 402-406 (2009).
- Cayo, M. A., et al. A Drug Screen using Human iPSC-Derived Hepatocyte-like Cells Reveals Cardiac Glycosides as a Potential Treatment for Hypercholesterolemia. Cell Stem Cell. 20 (4), 478-489 (2017).
- Nagaoka, M., et al. E-cadherin-coated plates maintain pluripotent ES cells without colony formation. PLoS One. 1, e15 (2006).
- Ludwig, T. E., et al. Feeder-independent culture of human embryonic stem cells. Nat Methods. 3 (8), 637-646 (2006).
- International Stem Cell Initiative. Characterization of human embryonic stem cell lines by International Stem Cell Initiative. Nat Biotechnol. 25 (7), 803-816 (2007).
- Cayo, M. A., et al. JD induced pluripotent stem cell-derived hepatocytes faithfully recapitulate the pathophysiology of familial hypercholesterolemia. Hepatology. 56 (6), 2163-2171 (2012).
- DeSilva, B., et al. Recommendations for the bioanalytical method validation of ligand-binding assays to support pharmacokinetic assessments of macromolecules. Pharm Res. 20 (11), 1885-1900 (2003).
- Rowland, T. J., et al. Roles of integrins in human induced pluripotent stem cell growth on Matrigel and vitronectin. Stem Cells Dev. 19 (8), 1231-1240 (2010).
- Nagaoka, M., Si-Tayeb, K., Akaike, T., Duncan, S. A. Culture of human pluripotent stem cells using completely defined conditions on a recombinant E-cadherin substratum. BMC Dev Biol. 10, 60 (2010).
- Hay, D. C., et al. Efficient differentiation of hepatocytes from human embryonic stem cells exhibiting markers recapitulating liver development in vivo. Stem Cells. 26 (4), 894-902 (2008).
- Mallanna, S. K., Cayo, M. A., Twaroski, K., Gundry, R. L., Duncan, S. A. Mapping the Cell-Surface N-Glycoproteome of Human Hepatocytes Reveals Markers for Selecting a Homogeneous Population of iPSC-Derived Hepatocytes. Stem Cell Reports. 7 (3), 543-556 (2016).
- Zhang, J. H., Chung, T. D., Oldenburg, K. R. A Simple Statistical Parameter for Use in Evaluation and Validation of High Throughput Screening Assays. J Biomol Screen. 4 (2), 67-73 (1999).
- Zhang, X. D. Illustration of SSMD, z score, SSMD*, z* score, and t statistic for hit selection in RNAi high-throughput screens. J Biomol Screen. 16 (7), 775-785 (2011).
- Lorenz, C., et al. Human iPSC-Derived Neural Progenitors Are an Effective Drug Discovery Model for Neurological mtDNA Disorders. Cell Stem Cell. 20 (5), 659-674 (2017).
- Rashid, S. T., et al. Modeling inherited metabolic disorders of the liver using human induced pluripotent stem cells. J Clin Invest. 120 (9), 3127-3136 (2010).
- Lu, W. Y., et al. Hepatic progenitor cells of biliary origin with liver repopulation capacity. Nat Cell Biol. 17 (8), 971-983 (2015).
- Ogawa, M., et al. Directed differentiation of cholangiocytes from human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. 33 (8), 853-861 (2015).
- Sampaziotis, F., et al. Cholangiocytes derived from human induced pluripotent stem cells for disease modeling and drug validation. Nat Biotechnol. 33 (8), 845-852 (2015).
- Mallanna, S. K., Duncan, S. A. Differentiation of hepatocytes from pluripotent stem cells. Curr Protoc Stem Cell Biol. 26 (Unit 1G 4), (2013).
- Song, Z., et al. Efficient generation of hepatocyte-like cells from human induced pluripotent stem cells. Cell Res. 19 (11), 1233-1242 (2009).
- Cai, J., et al. Directed differentiation of human embryonic stem cells into functional hepatic cells. Hepatology. 45 (5), 1229-1239 (2007).
- Si-Tayeb, K., et al. Highly efficient generation of human hepatocyte-like cells from induced pluripotent stem cells. Hepatology. 51 (1), 297-305 (2010).
- Pashos, E. E., et al. Diverse Population Cohorts of hiPSCs and Derived Hepatocyte-like Cells Reveal Functional Genetic Variation at Blood Lipid-Associated Loci. Cell Stem Cell. 20 (4), 558-570 (2017).
- Davidson, M. D., Ware, B. R., Khetani, S. R. Stem cell-derived liver cells for drug testing and disease modeling. Discov Med. 19 (106), 349-358 (2015).
- Choi, S. M., et al. Efficient drug screening and gene correction for treating liver disease using patient-specific stem cells. Hepatology. 57 (6), 2458-2468 (2013).
- Tafaleng, E. N., et al. Induced pluripotent stem cells model personalized variations in liver disease resulting from alpha1-antitrypsin deficiency. Hepatology. 62 (1), 147-157 (2015).
- Jing, R., Duncan, C. B., Duncan, S. A. A small-molecule screen reveals that HSP90beta promotes the conversion of induced pluripotent stem cell-derived endoderm to a hepatic fate and regulates HNF4A turnover. Development. 144 (10), 1764-1774 (2017).
