Isolierung von mesenchymalen Stammzellen des Fettgewebes von Ratten zur Differenzierung in insulinproduzierende Zellen

Summary

Aus Fettgewebe gewonnene mesenchymale Stammzellen (Ad-MSCs) können eine potenzielle Quelle für MSCs sein, die sich in insulinproduzierende Zellen (IPCs) differenzieren. In diesem Protokoll stellen wir detaillierte Schritte zur Isolierung und Charakterisierung von epididymalen Ad-MSCs von Ratten bereit, gefolgt von einem einfachen, kurzen Protokoll zur Generierung von IPCs aus denselben Ratten-Ad-MSCs.

Abstract

Mesenchymale Stammzellen (MSCs) – insbesondere solche, die aus Fettgewebe isoliert wurden (Ad-MSCs) – haben als erneuerbare, reichlich vorhandene Quelle von Stammzellen, die keine ethischen Bedenken aufwirft, besondere Aufmerksamkeit erregt. Die derzeitigen Methoden zur Isolierung von Ad-MSCs sind jedoch nicht standardisiert und verwenden komplizierte Protokolle, die eine spezielle Ausrüstung erfordern. Wir isolierten Ad-MSCs aus dem Nebenhodenfett von Sprague-Dawley-Ratten mit einer einfachen, reproduzierbaren Methode. Die isolierten Ad-MSCs erscheinen normalerweise innerhalb von 3 Tagen nach der Isolierung, da adhärente Zellen eine fibroblastische Morphologie aufweisen. Diese Zellen erreichen innerhalb von 1 Woche nach der Isolierung eine Konfluenz von 80%. Danach, in der Passage 3-5 (P3-5), wurde eine vollständige Charakterisierung für die isolierten Ad-MSCs durch Immunphänotypisierung für charakteristische MSC-Cluster-of-Differentiation-Oberflächenmarker (CD) wie CD90, CD73 und CD105 sowie durch Induktion der Differenzierung dieser Zellen entlang der osteogenen, adipogenen und chondrogenen Linien durchgeführt. Dies wiederum impliziert die Multipotenz der isolierten Zellen. Darüber hinaus induzierten wir die Differenzierung der isolierten Ad-MSCs in Richtung der insulinproduzierenden Zellen (IPCs) über ein einfaches, relativ kurzes Protokoll, indem wir das modifizierte Eagle-Medium (HG-DMEM), β-Mercaptethanol, Nicotinamid und Exendin-4 von Dulbecco mit hoher Glucose einbehielten. Die IPC-Differenzierung wurde genetisch bewertet, indem zunächst die Expressionsniveaus spezifischer β-Zell-Marker wie MafA, NKX6.1, Pdx-1 und Ins1 sowie die Dithizon-Färbung für die erzeugten IPCs gemessen wurden. Zweitens wurde die Bewertung auch funktionell durch einen Glukose-stimulierten Insulinsekretions-Assay (GSIS) durchgeführt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Ad-MSCs leicht isoliert werden können, indem sie alle MSC-Charakterisierungskriterien aufweisen, und sie können in der Tat eine reichliche, erneuerbare Quelle von IPCs im Labor für die Diabetesforschung bieten.

Introduction

Mesenchymale Stammzellen (MSCs), auch mesenchymale Stromazellen genannt, gehören zu den am häufigsten verwendeten Zelltypen für die regenerative Medizin ^1,2. Sie werden als adulte Stammzellen klassifiziert und zeichnen sich durch Multilineage-Differenzierungspotenzial und Selbsterneuerungskapazität^{aus 3}. MSCs können isoliert und aus verschiedenen Quellen gewonnen werden, einschließlich Fettgewebe, Knochenmark, peripherem Blut, Nabelschnurgewebe und Blut, Haarfollikeln und Zähnen ^4,5.

Die Isolierung von Stammzellen aus Fettgewebe wird aufgrund ihres einfachen Zugangs, ihrer schnellen Expansion in vitro und ihrer hohen Ausbeute als attraktiv und vielversprechend angesehen⁶. Aus Fettgewebe gewonnene mesenchymale Stammzellen (Ad-MSCs) können aus verschiedenen Arten wie Menschen, Rindern, Mäusen, Ratten und in jüngster Zeit auch aus Ziegen^{isoliert werden 7}. Es wurde nachgewiesen, dass Ad-MSCs jetzt potenzielle Kandidaten für Tissue Engineering und Gen-/Zelltherapie sind, die sogar verwendet werden können, um eine autologe Alternative für die langfristige Reparatur von Weichteilverletzungen oder -defekten zu entwickeln ^7,8.

Die International Society for Cell and Gene Therapy (ISCT) hat drei Mindestkriterien definiert, die von MSCs für eine vollständige Charakterisierung nachgewiesen werden müssen⁹. Erstens müssen sie plastikhaltig sein. Zweitens sollten MSCs mesenchymale Stammzelloberflächenmarker wie CD73, CD90 und CD105 exprimieren und die hämatopoetischen Marker CD45, CD34, CD14 oder CD11b, CD79α oder CD19 und HLA-DR nicht exprimieren. Schließlich sollten MSCs die Fähigkeit aufweisen, sich in die drei mesenchymalen Linien zu differenzieren: Adipozyten, Osteozyten und Chondrozyten. Interessanterweise können MSCs auch in andere Linien wie neuronale Zellen, Kardiomyozyten, Hepatozyten und Epithelzellen^{differenzieren 10,11}.

Tatsächlich besitzen MSCs einzigartige Eigenschaften, die es ermöglichen, sie als potenzielle Therapeutika in der regenerativen Therapie für verschiedene Krankheiten einzusetzen. MSCs können lösliche Faktoren absondern, um eine immunmodulatorische Umgebung zu induzieren, die therapeutische Vorteile bietet¹². Darüber hinaus können MSCs zu Verletzungsstellen und Tumormikroumgebungen migrieren, um eine zielgerichtete Therapie durchzuführen. Die Mechanismen sind jedoch nicht vollständig aufgeklärt¹³. Darüber hinaus haben MSCs die Fähigkeit, Exosomen abzusondern, extrazelluläre Vesikel im Nanobereich, die eine Ladung nicht-kodierender RNAs, Proteine und löslicher Faktoren tragen, die sich in letzter Zeit als neuartiger Mechanismus des therapeutischen Potenzials der MSCs bei verschiedenen Krankheiten herausgestellt^{haben 14}.

Noch wichtiger ist, dass MSCs deutliche Aufmerksamkeit für ihr Potenzial zur Differenzierung in insulinproduzierende Zellen (IPCs) erzeugt haben, entweder durch genetische Veränderung ^15,16 oder durch die Verwendung verschiedener extrinsisch induzierender Faktoren innerhalb der Kulturmedien in vitro¹⁷. Die IPC-Induktionsperiode variiert stark, da sie vom verwendeten Induktionsprotokoll und den verwendeten extrinsischen Faktoren abhängt. Der Prozess der Differenzierung kann von Tagen bis zu Monaten dauern und erfordert eine Kombination von exogen induzierenden Faktoren, die in verschiedenen Stadien hinzugefügt und / oder zurückgezogen werden müssen. Viele dieser Faktoren, die für die endokrine Pankreasdifferenzierung verwendet wurden, sind biologisch aktive Verbindungen, von denen gezeigt wurde, dass sie die Proliferation oder Differenzierung / Neogenese von insulinsezernierenden ^β-Zellen fördern und / oder den Insulingehalt von IPCs 18,19,20,21 erhöhen. Es ist hier bemerkenswert, dass MSCs auch therapeutische Wirkungen bei Diabetes und seinen Komplikationen über mehrere Mechanismen, einschließlich ihres Sekrets, sowie eine breite Palette von immunmodulatorischen Wirkungen haben^22,23,24.

In diesem Protokoll stellen wir ein detailliertes Stufenprotokoll zur Isolierung und Charakterisierung von Ad-MSCs aus Eileiterfett von Ratten vor, gefolgt von einem einfachen, relativ kurzen Protokoll zur Generierung von IPCs aus Ad-MSCs.

Protocol

Alle Experimente wurden gemäß den genehmigten Richtlinien durchgeführt, und alle Verfahren wurden von der Ethikkommission der Fakultät für Pharmazie der British University in Egypt (BUE), Kairo, Ägypten, genehmigt. Das Ad-MSC-Isolationsprotokoll wurde von Lopez und Spencer übernommen, mit Modifikationen15. 1. Isolierung von Ad-MSCs aus epididymalen Fettpölstigen von Ratten Verwenden Sie männliche Sprague-Dawley-Ratten mit einem Gewich…

Representative Results

Isolierung und Charakterisierung von Ad-MSCsWie in Abbildung 2 gezeigt, zeigten die isolierten Zellen aus Fettgewebe eine heterogene Population von abgerundeten und fibroblastenähnlichen Zellen ab dem nächsten Tag der Isolierung (Abbildung 2A). 4 Tage nach der Isolierung begannen die Fibroblastenzellen in Anzahl und Größe zuzunehmen und als homogene Population durch Passage 1 zu wachsen (Abbildung 2B…

Discussion

In diesem Protokoll ist es uns gelungen, ein detailliertes Protokoll für die Isolierung von Ad-MSCs aus Ratten-Nebenhodenfett und die Differenzierung dieser Ad-MSCs in IPCs vorzustellen. Tatsächlich ist das epidydimale Fett der Ratte eine leicht zugängliche Quelle von Fettgewebe zur Gewinnung von Ad-MSCs und erfordert keine spezielle Ausrüstung, weder für die Sammlung noch für die Verarbeitung 15,26,27. Die isolierten Ad-M…

Materials

Albumin, bovine serum Fraction V	MP Biomedicals
Alcian Blue 8GX	Sigma-Aldrich, USA	A3157
Alizarin Red S	Sigma-Aldrich, USA	A5533
Ammonium hydroxide	Fisher Scientific, Germany
Antibody for Rat CD90, FITC	Stem Cell Technologies	60024FI
Bovine serum albumin	Sigma Aldrich	A3912
Calcium Chloride	Fisher Scientific, Germany
CD105 Monoclonal Antibody, FITC	Thermo Fisher Scientific, Invitrogen, USA	MA1-19594
CD34 Polyclonal Antibody	Thermo Fisher Scientific, Invitrogen, USA	PA5-85917
Chloroform	Fisher Scientific, USA
Collagenase type I, powder	Gibco, Thermo Fisher, USA	17018029
D-Glucose anhydrous, extra pure	Fisher Scientific, Germany	G/0450/53
Dimethyl sulfoxide (DMSO)	Fisher Scientific, Germany	BP231-100
Dithizone staining	Sigma-Aldrich, USA	D5130
DMEM – High Glucose 4.5 g/L	Lonza, Switzerland	12-604F
DMEM – Low Glucose 1 g/L	Lonza, Switzerland	12-707F
DMEM/F12 medium	Lonza, Switzerland	BE12-719F
DNAse/RNAse free water	Gibco Thermo Fisher, USA	10977-035
Ethanol absolute, Molecular biology grade	Sigma-Aldrich, Germany	24103
Exendin-4	Sigma-Aldrich, Germany	E7144
Fetal Bovine Serum (FBS)	Gibco Thermo Fisher, Brazil	10270-106
Formaldehyde 37%	Fisher Scientific
Hydrochloric acid (HCl)	Fisher Scientific, Germany
Isopropanol, Molecular biology grade	Fisher Scientific, USA	BP2618500
L-Glutamine	Gibco Thermo Fisher, USA	25030-024
Magnesium Chloride (Anhydrous)	Fisher Scientific, Germany
Mesenchymal Stem Cell Functional identification kit	R&D systems Inc., MN, USA	SC006
Nicotinamide	Sigma-Aldrich, Germany	N0636
Oil Red Stain	Sigma-Aldrich, USA	O0625
Penicillin-Streptomycin-Amphotericin	Gibco Thermo Fisher, USA	15240062
Phosphate buffered saline, 1X, without Ca/Mg	Lonza, Switzerland	BE17-516F
Potassium Chloride	Fisher Scientific, Germany
Rat Insulin ELISA Kit	Cloud-Clone Corp., USA	CEA682Ra
Sodium Bicarbonate	Fisher Scientific, Germany
Sodium Chloride	Fisher Scientific, Germany
Sodium Phosphate Dibasic (Anhydrous)	Fisher Scientific, Germany
Sodium Phosphate Monobasic (Anhydrous)	Fisher Scientific, Germany
SYBR Green Maxima	Thermo Scientific, USA	K0221
Syringe filter, 0.2 micron	Corning, USA	431224
TRIzol	Thermo Scientific, USA	15596026
Trypan blue	Gibco Thermo Fisher, USA	15250061
Trypsin-Versene-EDTA, 1X	Lonza, Switzerland	CC-5012
Verso cDNA synthesis kit	Thermo Scientific, USA	AB-1453/A
β-mercaptoethanol	Sigma-Aldrich, Germany	M3148