Målrettet og selektiv behandling av Pluripotent Stamcelle-avledet Teratomas bruke ekstern stråle stråling i en liten-dyr modell
Summary
Forskning på behandling strategier for pluripotent Stamcelle-avledet teratomer er viktig for klinisk oversettelse av stilk cellen terapi. Her beskriver vi en protokoll for, først generere Stamcelle-avledet teratomer i mus, og deretter velge mål og behandle disse svulstene i vivo bruker en liten-dyr irradiator.
Abstract
Det økende antallet ofre for “stem cell turisme,” uregulert transplantasjon av stamceller over hele verden, har reist bekymringer om sikkerheten av stilk cellen transplantasjon. Selv om transplantasjon av differensiert stedet udifferensierte celler er vanlig praksis, teratomer kan fortsatt oppstå fra tilstedeværelsen av gjenværende udifferensierte stamceller ved transplantasjon eller fra spontane mutasjoner i atskilte celler. Siden stilk cellen terapi ofte leveres til anatomisk følsomme områder, kan selv små svulster være klinisk ødeleggende, som fører til blindhet, lammelser, kognitiv unormalt og hjerte dysfunksjon. Kirurgisk tilgang til disse sidene kan også være begrenset, forlater pasienter med noen behandlingsalternativer. Kontrollere stamcelleforskningen dårlig oppførsel er derfor avgjørende for klinisk oversettelsen av stilk cellen terapi.
Ekstern stråle strålebehandling tilbyr en effektiv måte å levere målrettet terapi redusere teratoma byrden samtidig minimere skader omkringliggende organer. I tillegg denne metoden unngår genetisk manipulasjon eller viral Albin på stamceller, som er forbundet med ytterligere kliniske sikkerhet og effekt bekymringer. Her beskriver vi en protokoll til å opprette pluripotent Stamcelle-avledet teratomer i mus og bruke ekstern stråle strålebehandling for å selektivt ablate disse svulstene i vivo.
Introduction
Utvikling av stilk cellen terapi for vev gjenfødelse oppdaget flere barrierer i de siste tiårene, hindrer innsats for effektiv klinisk distribusjon. Disse hindringene inkluderer dårlig celle oppbevaring på steder av leveringsmåte, Stamcelle immunogenisitet og neoplastic potensialet til skjemaet teratomer1. Tumorigenicity er klinisk problem som det kan skade stilk cellen transplantasjon mottakere2. Kontoer av tumor formasjon på grunn av uregulert stem cell injeksjoner er allerede rapportert i flere kliniske innstillinger3,4,5. Potensialet for teratoma formasjon er de ofte sitert klinisk bekymring i pluripotent stamceller (PSC) utvikling og har resultert i forsinkelser og avlysninger flere høyprofilerte til embryonale stamceller (ESC) og indusert pluripotent stilk cellen (iPSC) forsøk6,7,8,9. Dermed er det et presserende behov for en translational undersøkelse dedikert mot gir riktig behandling, bør disse iatrogenic svulster oppstår.
Hittil har mest strategier for å control stamcelleforskningen misbehavior fokusert på å redusere antall PSCer med tumorigenic potensielle2,10. Dessverre kreves bare et lite antall gjenværende celler (f.eks., 1 x 104 til 1 x 105 celler11) for teratoma formasjon, som er langt under Deteksjonsgrensen sitert av tilgjengelige analyser12, 13. andre begrensninger ved å bruke metodene preseparation inkluderer lav effektivitet og høy kostnad, avhengighet av encellede suspensjoner som ikke kan være passende for nyere vev utvikling tilnærminger og potensielle svekkelse av cellen overlevelse og engraftment.
Noen studier har adressert behandlingstilbud etter teratoma formasjon. Kanskje er den mest godt studert strategien inkorporering av “selvmord” gener stamceller14,15. Denne metoden innebærer genetisk manipulering stamceller å innlemme en induserbart apoptose-aktivere genet som kan aktiveres av farmakologiske stimulering postinjection, og dermed gir en redning tilnærming hvis injisert celler produserer teratomer. Denne lider imidlertid betydelige ulemper, inkludert off-målet av genetiske modifikasjoner av PSCer og potensialet for en gradvis utvikling narkotika motstand16. En lignende tilnærming benytter små molekyler å indusere selektiv celledød PSCer via hemming av anti-apoptotisk veier17. Andre grupper har målrettet celledød PSCer bruker antistoffer mot pluripotency overflate markører, som podocalyxin som protein-1 (PODXL)18. Tidspunktet for små molekyl eller antistoff levering står å ha en betydelig innvirkning på terapeutisk potensialet i PSCer hvis levert for tidlig og kan mangle terapeutiske effekten hvis levert for sent. I tillegg har de systemiske effektene av små molekyler og antistoffer brukes på denne måten ikke blitt studert.
En alternativ tilnærming til behandling av disse svulstene er avhengig av benytter ekstern stråle strålebehandling (EBRT). EBRT er en av de primære modalitetene for tiden ansatt i behandlingen av solide svulster19. Innovasjoner i EBRT, inkludert utvikling av proton strålen, og stereotactic radiosurgery, har aktivert utvidet målretting av patologisk strukturer og unngå skade på normalt vev, gjør conformal EBRT ideelt for adressering teratoma formasjon i anatomisk følsom strukturer20. I tillegg denne metoden unngår den genetisk manipulasjon eller viral Albin på stamceller, som begge er nervøs med ytterligere kliniske sikkerhet og effekt gjelder15. Endelig har fremskritt i mikro-irradiators aktivert anvendelse av EBRT i Red21.
I denne artikkelen viser vi hvordan du oppretter en liten-dyr modell av teratoma dannelsen ved å injisere menneskelige iPSCs i mus. Deretter viser vi hvordan du bruker EBRT for å selektivt utrydde disse svulstene i vivo med minimal skade omkringliggende vev. Denne tilnærmingen gir en målrettet behandling for PSC-avledet teratomer mens du unngår off-målet effekten av systemisk levering av biologiske molekyler og peptider og genetisk manipulering av PSCene. For investigational formål tilbyr vi et valgfritt trinn for å transduce stamceller med reporter gener spore tumor respons på strålebehandling via bioluminescens imaging (BLI).
Protocol
Representative Results
Discussion
Prekliniske data og anekdotiske saker fra ofrene for “stem cell turisme” bekrefte at risikoen for å utvikle teratomer er en alvorlig ulempe tilknyttet PSC behandlinger23. Utviklingen av forsiktig tilnærminger for å forebygge og behandle neoplastic risikoen forbundet med stilk cellen terapi er derfor et viktig skritt i tilrettelegge klinisk oversettelsen av regenererende stilk cellen terapi. I denne artikkelen vi beskrev en metode for terapeutisk målretting av PSC-forbundet teratomer ved hjelp …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne gjerne takke den nasjonale institutter for helse R01 HL134830 (PKN), K08 HL135343 (KS) og 5F32HL134221 (JWR); Howard Hughes Medical Institute (Oh); og Stanford hjerte Institute (ASL) for deres støtte.
Materials
| Induced Pluripotent Stem Cell Control Line | Stanford University | Nguyen Lab | Cell culture of iPSC |
| Corning matrigel basement membrane matrix 354234 | Fisher Scientific | CB-40234 | Cell culture of iPSC |
| Essential 8 culture medium | ATCC-The global bioresource center | 30-2203 | Cell culture of iPSC |
| Tryple E | Gibco | 12605-036 | Cell culture of iPSC |
| Y27632 inhibitor 2 HCL (ROCK Inhibitor) | Fisher Scientific | S104950MG | Cell culture of iPSC |
| Lentivirus | Cyagen | P170721-1001cjn | Transduction of iPSC with double fusion reporter gene |
| Polyrbrene Infection/Transfection Reagent | Millipore Sigma | TR-1003-G | Transduction of iPSC with double fusion reporter gene |
| Fluc-eGFP reporter gene driven by ubiquitin promoter | Stanford University | Sam Gambhir lab | Transduction of iPSC with double fusion reporter gene |
| D-luciferin | Perkin Elmer | 122799 | Transduction of iPSC with double fusion reporter gene and BLI |
| Flow cytometer (BD FACSARIA III) | BD Biosciences | FACSAria | Transduction of iPSC with double fusion reporter gene |
| microplate spectrofluorometer (Glomax Navigator System) | Promega Bio Systems, Sunnyvale, CA | GM2000 | Transduction of iPSC with double fusion reporter gene |
| Xenogen IVIS 200 | Perkin Elmer | 124262 | BLI |
| Isoflurane | Sigma-Aldrich | CDS019936 | irradiation |
| X-Rad SmART image-guided irradiator | Precision X-ray Inc., North Branford, CT | X-Rad SmART | irradiation |
| RT_Image software package | Stanford University (http://rtimage.sourceforge.net/) | RT_Image v0.2β | Irradiation |
References
- Sallam, K., Wu, J. C. Embryonic stem cell biology: insights from molecular imaging. Methods in Molecular Biology. 660, 185-199 (2010).
- Lee, A. S., Tang, C., Rao, M. S., Weissman, I. L., Wu, J. C. Tumorigenicity as a clinical hurdle for pluripotent stem cell therapies. Nature Medicine. 19 (8), 998-1004 (2013).
- Amariglio, N., et al. Donor-derived brain tumor following neural stem cell transplantation in an ataxia telangiectasia patient. PLOS Medicine. 6 (2), e1000029 (2009).
- Kuriyan, A. E., et al. Vision Loss after Intravitreal Injection of Autologous "Stem Cells" for AMD. The New England Journal of Medicine. 376 (11), 1047-1053 (2017).
- Berkowitz, A. L., et al. Glioproliferative Lesion of the Spinal Cord as a Complication of "Stem-Cell Tourism". The New England Journal of Medicine. 375, 196-198 (2016).
- Zhang, W. Y., de Almeida, P. E., Wu, J. C. Teratoma formation: A tool for monitoring pluripotency in stem cell research. StemBook. , (2012).
- Scott, C. T., Magnus, D. Wrongful termination: lessons from the Geron clinical trial. STEM CELLS Translational Medicine. 3 (12), 1398-1401 (2014).
- Strauss, S. Geron trial resumes, but standards for stem cell trials remain elusive. Nature Biotechnology. 28 (10), 989-990 (2010).
- Coghlan, A. Unexpected mutations put stem cell trial on hold. New Scientist. 227 (3033), 9 (2015).
- Tang, C., et al. An antibody against SSEA-5 glycan on human pluripotent stem cells enables removal of teratoma-forming cells. Nature Biotechnology. 29 (9), 829-834 (2011).
- Lee, A. S., et al. Effects of cell number on teratoma formation by human embryonic stem cells. Cell Cycle. 8 (16), 2608-2612 (2009).
- Tano, K., et al. A novel in vitro method for detecting undifferentiated human pluripotent stem cells as impurities in cell therapy products using a highly efficient culture system. PLoS One. 9 (10), e110496 (2014).
- Kuroda, T., et al. Highly sensitive in vitro methods for detection of residual undifferentiated cells in retinal pigment epithelial cells derived from human iPS cells. PLoS One. 7 (5), e37342 (2012).
- Cao, F., et al. In vivo visualization of embryonic stem cell survival, proliferation, and migration after cardiac delivery. Circulation. 113 (7), 1005-1014 (2006).
- Cao, F., et al. Molecular imaging of embryonic stem cell misbehavior and suicide gene ablation. Cloning Stem Cells. 9 (1), 107-117 (2007).
- Kotini, A. G., de Stanchina, E., Themeli, M., Sadelain, M., Papapetrou, E. P. Escape Mutations, Ganciclovir Resistance, and Teratoma Formation in Human iPSCs Expressing an HSVtk Suicide Gene. Molecular Therapy – Nucleic Acids. 5, e284 (2016).
- Smith, A. J., et al. Apoptotic susceptibility to DNA damage of pluripotent stem cells facilitates pharmacologic purging of teratoma risk. STEM CELLS Translational Medicine. 1 (10), 709-718 (2012).
- Choo, A. B., et al. Selection against undifferentiated human embryonic stem cells by a cytotoxic antibody recognizing podocalyxin-like protein-1. Stem Cells. 26 (6), 1454-1463 (2008).
- Yorke, E., Gelblum, D., Ford, E. Patient safety in external beam radiation therapy. American Journal of Roentgenology. 196 (4), 768-772 (2011).
- Zhou, H., et al. Development of a micro-computed tomography-based image-guided conformal radiotherapy system for small animals. International Journal of Radiation Oncology • Biology • Physics. 78 (1), 297-305 (2010).
- Slatkin, D. N., Spanne, P., Dilmanian, F. A., Gebbers, J. O., Laissue, J. A. Subacute neuropathological effects of microplanar beams of x-rays from a synchrotron wiggler. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 92 (19), 8783-8787 (1995).
- Lee, A. S., et al. Brief Report: External Beam Radiation Therapy for the Treatment of Human Pluripotent Stem Cell-Derived Teratomas. Stem Cells. 35 (8), 1994-2000 (2017).
- Berkowitz, A. L., et al. Glioproliferative Lesion of the Spinal Cord as a Complication of "Stem-Cell Tourism". The New England Journal of Medicine. 375 (2), 196-198 (2016).
- Swijnenburg, R. J., et al. In vivo imaging of embryonic stem cells reveals patterns of survival and immune rejection following transplantation. Stem Cells and Development. 17 (6), 1023-1029 (2008).
- Cao, F., et al. Noninvasive de novo imaging of human embryonic stem cell-derived teratoma formation. 암 연구학. 69 (7), 2709-2713 (2009).
- Priddle, H., et al. Bioluminescence imaging of human embryonic stem cells transplanted in vivo in murine and chick models. Cloning and Stem Cells. 11 (2), 259-267 (2009).
- Dale, R. G. Dose-rate effects in targeted radiotherapy. Physics in Medicine & Biology. 41 (10), 1871-1884 (1996).
