Summary

제대혈 유래 다 능성 줄기 세포로부터 연골 형성 펠렛 형성

Published: June 19, 2017
doi:

Summary

여기, 우리는 제대혈 단핵 세포 유래 인간 유도 pluripotent 줄기 세포에서 연골 분화에 대한 프로토콜을 제안합니다.

Abstract

인간 관절 연골 자체를 복구하는 능력이 부족합니다. 따라서 연골 퇴행은 치유 적 치료가 아니라 보존 적 치료로 치료됩니다. 현재, 생체 외 팽창 된 연골 세포 또는 골수 유래 중간 엽 줄기 세포 (BMSC)로 손상된 연골을 재생시키기위한 노력이 진행되고있다. 그러나, 이들 세포의 생존력 및 불안정성이 제한적이어서 연골 재건에 대한 적용이 제한적이다. 인간 유도 pluripotent 줄기 세포 (hiPSCs) 재생 응용 프로그램에 대한 새로운 대안으로 과학적 관심을 받았다. 무제한자가 재생 능력과 다 기능성을 가진 hiPSCs는 연골 수리를위한 새로운 대체 세포원으로 주목 받았다. 그러나 고품질의 연질 펠릿을 대량으로 얻는 것은 임상 적용에 중요한 과제입니다. 이 연구에서 우리는 연쇄상 구별을 위해 배아 체 (EB) 유래 증식 세포를 사용했다. 성공적인 연골 형성은 PCR 및알 시안 블루, 톨루이딘 블루, 콜라겐 타입 I 및 II에 대한 항체 (각각 COL1A1 및 COL2A1)로 염색 하였다. 우리는 제대혈 단핵 세포 유래 iPSCs (CBMC-hiPSCs)를 연골 알약으로 분화시키는 방법을 상세히 제시한다.

Introduction

hiPSC의 사용은 약물 스크리닝 및 다양한 질병에 대한 기계 론적 연구를위한 새로운 전략을 대표합니다. 재생산 관점에서, hiPSC는 또한 관절 연골 1,2 와 같은 치유력이 제한적인 손상된 조직의 대체를위한 잠재적 인 원천입니다.

네이티브 관절 연골의 재생은 수십 년 동안 도전 과제였습니다. 관절 연골은 부드럽고 하얀 조직으로 뼈의 끝 부분을 덮어 마찰로부터 보호합니다. 그러나 손상시 재생 능력이 제한되어있어자가 수리가 거의 불가능합니다. 따라서 연골 재생에 초점을 맞춘 연구가 수십 년 동안 진행되어왔다.

이전에, 연골 세포 계통으로의 시험 관내 분화는 보통 무릎 관절로부터 분리 된 BMSC 또는 천연 연골 세포로 수행되었다. 원인o 연골 세포의 잠재력, BMSC 및 천연 연골 세포는 연골 형성에서의 사용을 지원하는 많은 장점을 가지고있다. 그러나, 제한된 팽창 및 불안정한 표현형 때문에, 이들 세포는 관절 연골 결손의 재건에 몇 가지 한계점에 직면한다. 시험 관내 배양 조건 하에서,이 세포들은 3-4 계대 후 자신의 특성을 잃어 버리는 경향이 있으며, 결과적으로 분화 능력에 영향을 미친다. 또한, 천연 연골 세포의 경우, 이들 세포를 수득 할 때 무릎 관절에 부가적인 손상이 불가피하다.

BMSC 또는 천연 연골 세포와는 달리, hiPSC 는 시험 관내에서 무한히 확장 될 수있다. 적절한 배양 조건에서, hiPSC는 연골 분화의 대체 원으로서의 큰 가능성을 가지고있다. 그러나 hiPSCs 5 의 본질적인 특성을 변경하는 것은 어렵습니다. 또한, 그것은 몇 가지 복잡한 in vitro steps는 특정 세포 유형으로 hiPSCs의 운명을 지시합니다. 이러한 합병증에도 불구하고, 높은 자체 재생 능력과 chondrocytes 6 을 포함하여 표적화 된 세포로 분화 할 수있는 능력 때문에 hiPSCs의 사용이 권장됩니다.

연골 세포 분화는 일반적으로 펠렛 배양 또는 마이크로 럼 배양과 같은 3 차원 배양 시스템을 사용하여 MSC 유사 전구 세포를 사용하여 수행됩니다. hiPSCs를 사용하는 경우 MSC 유사 전구 세포를 생성하는 프로토콜은 기존 프로토콜과 다릅니다. 일부 그룹에서는 표현형을 MSC 유사 세포로 직접 변환하기 위해 hiPSC의 단일 층 배양액을 사용합니다. 그러나 대부분의 연구에서는 EBs를 사용하여 MSCs 8 , 9 , 10 , 11 과 유사한 세포를 생성합니다.

다양한 형태의 성장 인자가 chondroge 유도에 사용됩니다.네 시스. 일반적으로, BMP 및 TGFβ 계열 단백질은 단독으로 또는 조합하여 사용됩니다. GDF5, FGF2, IGF1 12,13,14,15와 같은 다른 인자들도 분화가 유도되었다. TGFβ1은 MSCs 16 에서 용량 의존적으로 연골 형성을 자극하는 것으로 나타났다. 다른 isotype, TGFβ3와 비교하여, TGFβ1은 연골 전엽 간질 농축을 증가시킴으로써 연골 형성을 유도한다. TGFβ3은 간엽 세포 증식을 유의 적으로 증가시킴으로써 연골 형성을 유도한다. 그러나 TGFβ3은 TGFβ1 7 , 10 , 18 , 19 보다 연구자들에 더 자주 사용된다. BMP2는 인간의 연골 기질 성분과 관련된 유전자 발현을 증가시킨다체외 조건 하에서 관절 연골 세포 20 . BMP2는 TGFβ 단백질 21 과 함께 MSCs에서 연골 형성에 중요한 유전자의 발현을 증가시킵니다. 또한 BMP2가 Smad와 MAPK 경로를 통해 TGFβ3의 효과를 상승적으로 향상 시킨다는 것이 밝혀졌다.

이 연구에서, CBMC-hiPSCs는 낮은 부착 배양 접시에서 EB 배지를 사용하여 EB로 응집되었다. EBs를 젤라틴 코팅 접시에 부착시킴으로써 외생 세포를 유도 하였다. outgrowth 세포를 이용한 연골 세포 분화는 pellet 배양으로 수행 하였다. BMP2와 TGFβ3 모두의 치료는 성공적으로 연축 성 펠렛 형성을 위해 세포를 응축시키고 세포 외 기질 (ECM) 단백질 축적을 유도했다. 이 연구는 CBMC-hiPSCs를 사용하여 간단하지만 효율적인 연골 세포 분화 프로토콜을 제안합니다.

Protocol

이 프로토콜은 한국 가톨릭 대학교의 기관 검토위원회 (KC12TISI0861)의 승인을 받았습니다. 리 프로그래밍에 사용 된 CBMC는 서울 성모 병원의 코드 혈액 은행에서 직접 입수했습니다. 1. iPSC와의 연동 분화 CBMC-iPSC 세대 이전 연구에서 보여준 프로토콜을 사용하여 CBMC-hiPSCs를 생성하십시오. 혈액 세포를 15 ML 원뿔 튜브에 수집하고 hemocytometer를 ?…

Representative Results

이 연구에서, 우리는 EBs에서 번식 세포를 유도하여 CBMC – hiPSCs에서 연골 펠렛을 생성했습니다. 연골 형성 분화는 CBMC-hiPSCs를 사용하여 유도되었다. 우리의 프로토콜의 간단한 구성이 그림 1A 에 나와 있습니다. 분화하기 전에 iPSC 콜로니가 확장되었습니다 ( 그림 1B ). 확장 된 iPSCs는 EB로 분화를 시작하기 위…

Discussion

이 프로토콜은 CBMC로부터 hiPSCs를 성공적으로 생성했습니다. 야마나카 요인을 포함하는 센다이 바이러스 벡터를 사용하여 CBMCs를 hiPSCs로 재 프로그램 화했다. 세 가지 경우가 분화에 사용되었으며, 모든 실험은 성공적으로이 프로토콜을 사용하여 연골 펠릿을 생성했습니다. 많은 연구에 의해 hiPSC가 연골 세포로 분화되는 프로토콜이보고되었다 25 , 26 <s…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

이 연구는 보건 복지 가족부 한국 보건 의료 기술 연구 개발 사업 (HI16C2177)의 지원을 받아 수행되었다.

Materials

Plasticware
100mm Dish TPP 93100
6-well Plate TPP 92006
50 mL Cornical Tube SPL 50050
15 mL Cornical Tube SPL 50015
10 mL Disposable Pipette Falcon 7551
5 mL Disposable Pipette Falcon 7543
12-well Plate TPP 92012
Name Company Catalog Number Description
E8 Medium Materials
DMEM/F12, HEPES Life Technologies 11330-057 E8 Medium (500 mL)
Sodium Bicarbonate Life Technologies 25080-094 E8 Medium (Conc.: 543 μg/mL)
Sodium Selenite Sigma Aldrich S5261 E8 Medium  (Conc.: 14 ng/mL)
Human Transfferin Sigma Aldrich T3705 E8 Medium (Conc.: 10.7 μg/mL)
Basic FGF2 Peprotech 100-18B E8 Medium  (Conc.: 100 ng/mL)
Human Insulin Life Technologies 12585-014 E8 Medium (Conc.: 20 μg/mL)
Human TGFβ1 Peprotech 100-21 E8 Medium (Conc.: 2 ng/mL)
Ascorbic Acid Sigma Aldrich A8960 E8 Medium  (Conc.: 64 μg/mL)
DPBS Life Technologies 14190-144
Vitronectin Life Technologies A14700
ROCK Inhibitor Sigma Aldrich Y0503
Name Company Catalog Number Description
Quality Control Materials
18 mm Cover Glass Superior HSU-0111580
4% Paraformaldyhyde Tech & Innovation BPP-9004
Triton X-100 BIOSESANG 9002-93-1
Bovine Serum Albumin Vector Lab SP-5050
Anti-SSEA4 Antibody Millipore MAB4304
Anti-Oct4 Antibody Santa Cruz SC9081
Anti-TRA-1-60 Antibody Millipore MAB4360
Anti-Sox2 Antibody Biolegend 630801
Anti-TRA-1-81 Antibody Millipore MAB4381
Anti-Klf4 Antibody Abcam ab151733
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L) antibody Molecular Probe A11029
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG (H+L) antibody Molecular Probe A11037
DAPI Molecular Probe D1306
Prolong gold antifade reagent Invitrogen P36934
4% Paraformaldyhyde Tech & Innovation BPP-9004
Tween 20 BIOSESANG T1027
Bovine Serum Albumin Vector Lab SP-5050
Anti-Collagen II antibody abcam  ab34712 1:100
Alcian blue Sigma Aldrich A3157-10G
Fast Green FCF Sigma Aldrich F7252-25G
Safranin O Sigma Aldrich 090m0039v
Nuclear fast red Americanmastertech STNFR100 
xylene Duksan 115 
Ethanol Duksan 64-17-5
Mayer's hematoxylin solution wako pure chemical industries LAK7534
DAP VECTOR LABORATORIES SK-4100
Slide Glass, Coated Hyun Il Lab-Mate HMA-S9914
Trizol Invitrogen 15596-018
Chloroform Sigma Aldrich 366919
Isoprypylalcohol Millipore 109634
Ethanol Duksan 64-17-5
RevertAid First Strand cDNA Synthesis kit Thermo Scientfic K1622
Name Company Catalog Number Description
Chondrogenic Differentiation Materials
DMEM Life Technologies 11885 Chondrogenic media component (500 mL)
Penicilin Streptomycin Life Technologies P4333 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
Ascorbic Acid Sigma Aldrich A8960 Chondrogenic media component (Conc.: 64 μg/mL) 
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X) Life Technologies 11140-050 Chondrogenic media component (Conc.: 100 mM)
rhBMP-2 R&D 355-BM-050 Chondrogenic media component (Conc.:100ng/ml)
Recombinant Hman TGF-beta3 R&D 243-B3-002 Chondrogenic media component (Conc.:10ng/ml)
KnockOut Serum Replacement Life Technologies 10828-028 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
ITS+ Premix BD 354352 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
Dexamethasone-Water Soluble  Sigma Aldrich D2915-100MG Chondrogenic media component (Conc.:10-7 M)
GlutaMAX Supplement Life Technologies 35050-061 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
Sodium pyruvate solution Sigma Aldrich S8636 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
L-Proline Sigma Aldrich P5607-25G Chondrogenic media component (40μg/ml)

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Citar este artigo
Nam, Y., Rim, Y. A., Ju, J. H. Chondrogenic Pellet Formation from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells. J. Vis. Exp. (124), e55988, doi:10.3791/55988 (2017).

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