Stencil micropatterning di cellule staminali umane pluripotenti per Probing spaziale Organizzazione di differenziazione Fates

Summary

Le cellule staminali pluripotenti umane (hPSCs) hanno la capacità intrinseca di differenziare e di auto-organizzarsi in schemi dei tessuti distinti; anche se questo richiede la presentazione di gradienti spaziali ambientali. Presentiamo stencil micropatterning come metodo semplice e robusto per generare gradienti biochimici e meccanici per controllare modelli differenziazione HPSC.

Abstract

Human pluripotent stem cells (hPSCs), including embryonic stem cells and induced pluripotent stem cells, have the intrinsic ability to differentiate into all three germ layers. This makes them an attractive cell source for regenerative medicine and experimental modeling of normal and diseased organogenesis. However, the differentiation of hPSCs in vitro is heterogeneous and spatially disordered. Cell micropatterning technologies potentially offer the means to spatially control stem cell microenvironments and organize the resultant differentiation fates. Micropatterning hPSCs needs to take into account the stringent requirements for hPSC survival and maintenance. Here, we describe stencil micropatterning as a method that is highly compatible with hPSCs. hPSC micropatterns are specified by the geometries of the cell stencil through-holes, which physically confine the locations where hPSCs can access and attach to the underlying extracellular matrix-coated substrate. Due to this mode of operation, there is greater flexibility to use substrates that can adequately support hPSCs as compared to other cell micropatterning methods. We also highlight critical steps for the successful generation of hPSC micropatterns. As an example, we demonstrate that stencil micropatterning of hPSCs can be used to modulate spatial polarization of cell-cell and cell-matrix adhesions, which in turn determines mesoendoderm differentiation patterns. This simple and robust method to micropattern hPSCs widens the prospects of establishing experimental models to investigate tissue organization and patterning during early embryonic development.

Introduction

Le cellule staminali pluripotenti umane (hPSCs), comprese le cellule staminali embrionali (hESC) e le cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSCs), sono ampiamente sfruttati in medicina rigenerativa, nonché la modellazione sperimentale di organogenesi normale e malati a causa del loro potenziale di differenziazione in linee cellulari di tutti tre strati germinali ^1,2. I destini di differenziazione di hPSCs sono estremamente sensibili ai fattori ambientali locali in grado di modulare i processi meccanotrasduzione autocrini o paracrini segnalazione ¹ e mediate da stimoli fisici ^3-5. Cellulare micropatterning comprende un insieme di tecniche che sono state sviluppate per organizzare spazialmente la geometria e la posizione di una popolazione di cellule come un mezzo per controllare il microambiente cellulare locale, come le interazioni cellula-cellula ⁶ e interazioni cellula-matrice ^3. Nel contesto di hPSCs, micropatterning cellulare è stato impiegato per ottenere informazioni importanti sul modo in cui nicchia dipendeent segnalazione autocrina modula hESC pluripotenza decisioni-differenziazione ⁷ e organizzazione in primi modelli di differenziazione embrionali ^6. 2D e 3D hPSCs micropatterned sono stati utilizzati per controllare la dimensione delle colonie di modelli multicellulari, che a sua volta influenzato decisioni differenziazione nei tre strati germinali ^8,9. Abbiamo impiegato multicellulari microdisegni HPSC di modulare la portata di cellula-cellula e cellula-matrice interazioni all'interno di una colonia HPSC per sondare come integrina-E-caderina crosstalk può dare origine a destino cellulare eterogeneità ^10. Le manifestazioni delle suddette relazioni aprire nuove strade verso l'applicazione di microdisegni multicellulari di hPSCs come modelli sperimentali per lo screening tossicità dei farmaci per le malattie dello sviluppo ^11, per studiare l'effetto di fattori di crescita e ormoni durante tessuti o lo sviluppo degli organi, e per svelare la formazione di modelli tessuti.

Una miriade di cellule micropattertecniche ning sono stati sviluppati come recensito da Falconnet et. al. ^12, ma solo una manciata, come il micro-contatto stampa ^7,8,13, cultura micropozzetti ^14,15, photopatterning ⁶ e microstencils ¹⁶ sono state implementate con successo con hPSCs. La sfida con hPSCs micropatterning risiede nella loro vulnerabilità e un requisito stringente di matrici specifiche extracellulare (ECM) e condizioni di crescita per il fissaggio e la sopravvivenza cellulare. Per i modelli 2D HPSC, stampa micro-contatto è uno dei metodi più comuni per generare microdisegni HPSC per la cultura dei tessuti e del vetro substrati ^13. Il metodo può essere utilizzato per modello ECM comune utilizzato in coltura HPSC, compresi laminina e membrana basale matrici, come Matrigel. Tuttavia, esso richiede in genere un processo di rivestimento in due fasi aiutati da poli-D-lisina, e ha bisogno di particolari condizioni atmosferiche e di umidità inerti per rendere microdisegni ECM stabili per hPSCs di allegare a ^6,13. La più importante considerazione di ciascun metodo micropatterning è se il regime di modifica della superficie in grado di generare modelli di ECM HPSC-adesivo alla risoluzione geometrica desiderata, riducendo al minimo l'adesione cellulare non specifica alle aree circostanti.

Qui, si segnala l'uso di stencil micropatterning come un metodo semplice per generare microdisegni HPSC senza ulteriori passaggi la modifica della superficie prima della generazione di modelli ECM adesivi per hPSCs per fissare su. La cella comprende stencil di una sottile membrana, foglio per esempio, polidimetilsilossano (PDMS), con Micron per millimetriche dimensioni fori passanti sigillati su un substrato di coltura cellulare per contenere fisicamente rivestimenti ECM e hPSCs successivamente seminate. Come stencil patterning agisce trattenendo fisicamente la posizione in cui HPSC può accedere e collegare direttamente al substrato sottostante ECM rivestite, questo metodo è compatibile con vari substrati che possono sostenere culture HPSC. Gli unici requirement è che la scelta del materiale matrice può formare una tenuta reversibile con il substrato. Tali substrati comprendono convenzionale polistirene coltura tissutale (TCPS) ^17, substrati coniugati ligando ^18, così come substrati elastomerici rigidità sintonizzabile (ad es., PDMS) ^19. Questo metodo permette anche di rivestimento di diversi ECM, come ad esempio vitronectina (o proteine ​​VTN), laminina e matrici membrana basale (ad esempio, Matrigel e Geltrax) per consentire il corretto fissaggio e la differenziazione di hPSCs. Pertanto, siamo in grado di trasferire ottimizzati configurazioni ECM-substrato per una specifica linea di HPSC a stencil micropatterning per ottimale cellula-matrice di adesione, la sopravvivenza e la differenziazione. Recentemente, un metodo simile è stato anche segnalato per dirigere la differenziazione epatica da hESC micropatterning utilizzando poli (metacrilato di metile) (PMMA) matrici di micro-stencil ^16.

stencil cellulari possono essere fabbricate con materiali diversi, tra cui incontratials ^20,21, poli (p-xililene) polimeri ^22,23, PMMA ¹⁶ e più comunemente, PDMS ^24-28. Silicone e poli (p-xililenici) polimeri stencil richiedono incisione diretta dei fori passanti con attrezzature specializzate ^20-23, che limita la loro accessibilità agli utenti biologici. PDMS stencil possono essere fabbricati con metodi diversi a seconda della dimensione del tratto richiesto, che varia tipicamente da 3 micron a 2000 micron ^11,26-29. Se piccole caratteristiche si desiderano, fogli Stenciling sottili possono essere prodotti da stampa stampaggio PDMS pre-polimero su un modello di silicio microfabbricazione contenente rilievi dei microdisegni ^28. Per le caratteristiche> 1.000 micron, un taglio laser CO ₂ fornisce un metodo semplice e di basso costo per tagliare direttamente i modelli su un foglio pre-fuso PDMS durante stencil fabbricazione. La riciclabilità dei stencil PDMS li rende anche conveniente per condurre una serie di esperimenti con sufficiente coerenza.

<p class = "jove_content"> Qui, vi presentiamo la metodologia dettagliata per la fabbricazione di uno stencil PDMS con 1.000 micron caratteristiche da taglio laser e la generazione di microdisegni hESC. Questi microdisegni hESC sono stati usati per modulare l'entità della integrina ed E-caderina mediati aderenze all'interno di una colonia hESC coesa in modo da indagare come la polarizzazione spaziale di adesione cellulare portato nella cella destino eterogeneità ^10.

Protocol

NOTA: Questo protocollo descrive la fabbricazione di PDMS stencil con 1.000 micron modelli di taglio laser e micropatterning della linea hESC, H9 con lo stencil PDMS. 1. progettazione e fabbricazione di PDMS Stencil per micropatterning Progettare il foglio di stencil con fori passanti della geometria desiderata e le dimensioni (ad esempio, 1.000 micron cerchi) e la guarnizione stencil utilizzando il computer-aided software di progettazione 10. Laser-t…

Representative Results

In questo articolo, descriviamo la fabbricazione di uno stencil cella utilizzando una taglierina laser per generare 1.000 micron caratteristiche. La matrice è composta da 2 parti: un sottile foglio stencil (circa 100-200 micron di spessore), contenente la micropattern fori passanti, ed una guarnizione PDMS a contenere la soluzione di rivestimento ECM o sospensione cellulare. Qui, 127 micron e 2 mm di spessore fogli PDMS disponibili in commercio sono stati usati come foglio stencil e la …

Discussion

Fabbricazione di stencil micropatterning

micropatterning Stencil fornisce un metodo ideale per generare microdisegni HPSC per indagare nicchia mediata differenziazione patterning. Il vantaggio principale di stencil patterning rispetto ad altre tecniche micropatterning, come la stampa microcontact e photopatterning, è che non richiede la modifica della superficie e può essere implementato su supporti TCP convenzionali. Pertanto, terreni di coltura ottimizzati e riv…

Materials

2 mm thick PDMS sheet	Specialty Silicone Products Inc., USA	SSPM823-.005	Used to form reservoir for stencil
120-150 μm thick PDMS sheet	Specialty Silicone Products Inc., USA	SSPM823-.040	Used to form stencil
60 mm petri dish	Nunc Nunclon Delta	150326	Substrate for micropatterning
Accutase	Accutase, Merck Millipore, Singapore	SCR005	Enzyme to break H9 Cells into single cells
Activin	R&D Systems, Singapore	338-AC-010	Growth factor for H9 differentiation
BMP4	R&D Systems, Singapore	338-BP-010	Growth factor for H9 differentiation
Plasma system	Femto Science, Korea	CUTE-MP	For plasma oxidation of stencil
Dispase	StemCell™ Technologies, Singapore	7923	Enzyme used to weaken the cell-ECM adhesion during passaging
DMEM/F12	GIBCO, USA	11330032	Basal medium for H9 cells
FGF2	R&D Systems, Singapore	233–FB–025	Growth factor for H9 differentiation
H9 Cell line	WiCell Research Institute, Inc., USA	WA09	Human embryonic stem cells
hESC-qualified basement membrane matrix	Matrigel, BD Biosciences, Singapore	354277	Extra-cellular matrix coating to support growth of H9 cells
Inverted microscope	Leica Microsystems, Singapore	DMi1	For capturing bright-field images
Laser cutter	Epilog Helix 24 Laser System		Used to generate through holes in PDMS sheet
mTeSR™1 medium	StemCell™ Technologies, Singapore	5850	Maintainence medium for H9 cells
PDMS	SYLGARD® 184, Dow Corning Co., USA	3097358-1004	Used for sticking the PDMS stencil and reservior
ROCKi Y27632	Calbiochem, Merck Millipore, Singapore	688000	Maintains H9 cells as single cells
STEMdiff™ APEL™ medium	StemCell™ Technologies, Singapore	5210	Differentiation medium for H9 cells
Polyethylene terephthalate film	SureMark Singapore	SQ-6633	Used to form stencil
Cell culture compatible non-ionic surfactant	Pluronic acid F-127, Sigma, Singapore	P2443	Passivating reagent to repel cell adhesion in non-micropatterned substrates