Merking Stem Cells med Ferumoxytol, en FDA-godkjent Iron Oxide nanopartikler
Summary
Vi beskriver en teknikk for merking og sporing stamceller med FDA-godkjent, superparamagnetiske jernoksid (SPIO), ferumoxytol (Feraheme). Dette cellular avbildningsteknikk som benytter magnetisk resonans (MR) avbildning for visualisering, er lett tilgjengelig for langsiktig overvåking og diagnostisering av vellykket eller mislykket stamcelleforskningen engraftments hos pasienter.
Abstract
Stamceller basert terapi gi betydelig potensial for feltet av regenerativ medisin. Imidlertid fortsatt mye å bli forstått om in vivo kinetikk av transplanterte celler. En ikke-invasiv metode for å gjentagelser overvåke transplanterte stamceller in vivo ville tillate etterforskere å direkte overvåke stilk cellen transplantasjon, og identifisere vellykket eller mislykket engraftment utfall.
Et bredt spekter av stamceller fortsetter å bli etterforsket for utallige bruksområder. Denne protokollen fokuserer på 3 forskjellige stamcelle populasjoner: humane embryonale nyre 293 (HEK293) celler, menneskelige stamceller (hMSC) og indusert pluripotent stilk (IPS) celler. HEK 293 celler stammer fra humane embryonale nyre celler dyrket i kultur med skåret adenovirus fem DNA. Disse cellene er mye brukt i forskning fordi de er lett dyrkes, vokser raskt og er lett transfektert. hMSCs finnes i voksen benmarg. Disse cellene can være kopiert som udifferensierte celler samtidig opprettholde multipotency eller potensial til å differensiere i et begrenset antall celle skjebner. hMSCs kan differensiere til linjer av mesenkymale vev, inkludert osteoblaster, adipocytter, chondrocytes, sener, muskler, og marg stroma. iPS celler er genetisk omprogrammeres voksne celler som har blitt modifisert til å uttrykke gener og faktorer lik definere egenskapene til embryonale stamceller. Disse cellene er pluripotent betyr at de har kapasitet til å differensiere i alle celle overleveringslinjer 1. Både hMSCs og iPS celler har vist vev regenerativ kapasitet i-vivo.
Magnetisk resonans (MR) avbildning sammen med bruk av superparamagnetiske jernoksid (SPIO) nanopartikkel cell etiketter har vist seg effektive for in vivo sporing av stamceller på grunn av nærheten mikroskopiske anatomiske oppløsning, tillater en lengre blod halveringstid som langsgående bildebehandling og høy sensitivity for celle påvisning leveres av MR avbildning av SPIO nanopartikler 2-4. I tillegg er MR med bruk av SPIOs klinisk oversettbare. SPIOs er sammensatt av en jernoksid kjerne med dekstran, carboxydextran eller stivelse overflate frakk som tjener til å inneholde bioreactive kjerne av jern fra plasma komponenter. Disse agentene opprette lokale magnetfelt inhomogeneities som fører til en redusert signal på T2-vektet MR-bilder 5. Dessverre er SPIOs ikke lenger blir produsert. Andre generasjon, ultrasmall SPIOs (USPIO), men tilbyr et levedyktig alternativ. Ferumoxytol (FerahemeTM) er en USPIO består av en ikke-støkiometrisk magnetitt kjerne omgitt av en polyglucose sorbitol carboxymethylether pels. Den kolloidale, partikkelstørrelse på ferumoxytol er 17-30 nm som bestemmes av lysspredning. Den molekylære vekten er 750 kDa, og relaksivitet konstant på 2T MR-feltet er 58.609 mM-1 sek-1 styrke fire. Ferumoxytol ble nylig FDA-godkjent ener en jern supplement for behandling av jernmangel hos pasienter med nyresvikt 6. Vår gruppe har anvendt denne agenten i en "off label" bruk for celle merking applikasjoner. Vår teknikk demonstrerer effektiv merking av stamceller med ferumoxytol som fører til betydelige MR signal effekter av merket celler på MR-bilder. Denne teknikken kan brukes for non-invasiv monitorering av stilk cellen terapi i pre-kliniske og kliniske innstillinger.
Protocol
Discussion
Bedre effekt av stamcelleforskningen engraftments er kritisk for fremme av regenerativ medisin. En ikke-invasiv visualisering teknikk for stamceller in vivo øker betydelig vår evne til å forstå mekanismene som fører til vellykkede engraftment utfall. Magnetisk merking for MR visualisering, slik som prosedyren vi har vist, gjør in vivo sporing av stamceller med MR imaging. Magnetisk merkede stamceller har tidligere blitt transplantert inn i target vev og har blitt visualisert opp til uker med MR <…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av et stipend fra National Institute of leddgikt og muskel og hudsykdommer: 3R01AR054458-02S2.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| D-MEM High Glucose | Sigma | D5648 | Or other base medium for desired stem cell line to be used |
| D-PBS (Ca++, Mg++ free) | GIBCO | 14190-144 | |
| Trypsin-EDTA 0.05% | Invitrogen | 25300-120 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Hyclone | SH30071.03 | |
Ferumoxytol (Feraheme) |
AMAG | 59338-0775-01 | |
| Protamine Sulfate | APP Pharm. | 22930 |
References
- Narsinh, K. H., Plews, J., Wu, J. C. Comparison of human induced pluripotent and embryonic stem cells: fraternal or identical twins?. Mol Ther. 19, 635-638 (2011).
- Bulte, J. W. In vivo MRI cell tracking: clinical studies. AJR. Am. J. Roentgenol. 193, 314-325 (2009).
- Henning, T. D., Boddington, S., Daldrup-Link, H. E. Labeling hESCs and hMSCs with Iron Oxide Nanoparticles for Non-Invasive in vivo Tracking with MR Imaging. J. Vis. Exp. (13), e685-e685 (2008).
- Tallheden, T., Nannmark, U., Lorentzon, M. In vivo MR imaging of magnetically labeled human embryonic stem cells. Life. Sci. 79, 999-1006 (2006).
- Jung, C. W., Jacobs, P. Physical and chemical properties of superparamagnetic iron oxide MR contrast agents: ferumoxides, ferumoxtran, ferumoxsil. Magn. Reson. Imaging. 13, 661-674 (1995).
- Coyne, D. W. Ferumoxytol for treatment of iron deficiency anemia in patients with chronic kidney disease. Expert. Opin. Pharmacother. 10, 2563-2568 (2009).
- Li, Z., Suzuki, Y., Huang, M. Comparison of reporter gene and iron particle labeling for tracking fate of human embryonic stem cells and differentiated endothelial cells in living subjects. Stem Cells. 26, 864-873 (2008).
- Metz, S., Bonaterra, G., Rudelius, M. Capacity of human monocytes to phagocytose approved iron oxide MR contrast agents in vitro. Eur. Radiol. 14, 1851-1858 (2004).
- Nedopil, A., Klenk, C., Kim, C. MR signal characteristics of viable and apoptotic human mesenchymal stem cells in matrix-associated stem cell implants for treatment of osteoarthritis. Invest. Radiol. 45, 634-640 (2010).
- Kraitchman, D. L., Heldman, A. W., Atalar, E. In vivo magnetic resonance imaging of mesenchymal stem cells in myocardial infarction. Circulation. 107, 2290-2293 (2003).
- Stuckey, D. J., Carr, C. A., Martin-Rendon, E. Iron particles for noninvasive monitoring of bone marrow stromal cell engraftment into, and isolation of viable engrafted donor cells from, the heart. Stem Cells. 24, 1968-1975 (2006).
- Henning, T. D., Sutton, E. J., Kim, A. The influence of ferucarbotran on the chondrogenesis of human mesenchymal stem cells. Contrast. Media. Mol. Imaging. 4, 165-173 (2009).
- Arbab, A. S., Yocum, G. T., Kalish, H. Efficient magnetic cell labeling with protamine sulfate complexed to ferumoxides for cellular MRI. Blood. 104, 1217-1223 (2004).
- Nedopil, A. J., Mandrussow, L. G., Daldrup-Link, H. E. Implantation of Ferumoxides Labeled Human Mesenchymal Stem Cells in Cartilage Defects. J. Vis. Exp. (38), e1793-e1793 (2010).
- Arbab, A. S., Yocum, G. T., Wilson, L. B. Comparison of transfection agents in forming complexes with ferumoxides, cell labeling efficiency, and cellular viability. Mol Imaging. 3, 24-32 (2004).
- Babic, M., Horak, D., Trchova, M. Poly(L-lysine)-modified iron oxide nanoparticles for stem cell labeling. Bioconjug Chem. 19, 740-750 (2008).
- Golovko, D. M., T, H. e. n. n. i. n. g., Bauer, J. S. Accelerated stem cell labeling with ferucarbotran and protamine. Eur. Radiol. 20, 640-648 (2010).
- Lu, M., Cohen, M. H., Rieves, D. FDA report: Ferumoxytol for intravenous iron therapy in adult patients with chronic kidney disease. Am. J. Hematol. 85, 315-319 (2010).
