Chip de glomérulo renal isogênico projetado a partir de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos
Summary
Apresentamos aqui um protocolo para projetar um sistema personalizado de organ-on-a-chip que recapitula a estrutura e a função da barreira de filtração glomerular renal, integrando células endoteliais epiteliais e vasculares geneticamente combinadas diferenciadas de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos. Este sistema de bioengenharia pode avançar a medicina de precisão renal e aplicações relacionadas.
Abstract
A doença renal crônica (DRC) afeta 15% da população adulta dos EUA, mas o estabelecimento de terapias direcionadas tem sido limitado pela falta de modelos funcionais que possam prever com precisão as respostas biológicas humanas e a nefrotoxicidade. Os avanços na medicina de precisão renal podem ajudar a superar essas limitações. No entanto, modelos in vitro previamente estabelecidos do glomérulo renal humano – o local primário para a filtração do sangue e um alvo-chave de muitas doenças e toxicidades de drogas – normalmente empregam populações celulares heterogêneas com características funcionais limitadas e antecedentes genéticos incomparáveis. Essas características limitam significativamente sua aplicação para modelagem de doenças específicas do paciente e descoberta terapêutica.
Este trabalho apresenta um protocolo que integra o epitélio glomerular derivado de células-tronco pluripotente induzido por humanos (iPS) (podócitos) e endotélio vascular de um único paciente para projetar um chip de glomérulo renal microfluídico isogênico e vascularizado. O chip glomérulo resultante é composto de camadas de células endoteliais e epiteliais derivadas de células-tronco que expressam marcadores específicos de linhagem, produzem proteínas da membrana basal e formam uma interface tecido-tecido semelhante à barreira de filtração glomerular do rim. O chip de glomérulo modificado filtra seletivamente moléculas e recapitula a lesão renal induzida por drogas. A capacidade de reconstituir a estrutura e a função do glomérulo renal usando tipos de células isogênicas cria a oportunidade de modelar a doença renal com a especificidade do paciente e avançar a utilidade de órgãos em chips para medicina de precisão renal e aplicações relacionadas.
Introduction
Os dispositivos organ-on-a-chip são modelos dinâmicos 3D in vitro que empregam estimulação molecular e mecânica, bem como vascularização, para formar interfaces tecido-tecido que modelam a estrutura e a função de órgãos específicos. Dispositivos organ-on-a-chip previamente estabelecidos que visavam recapitular o glomérulo do rim (chips de glomérulo) consistiam em linhagens celulares animais1 ou linhagens celulares primárias e imortalizadas humanas de fontes heterogêneas 2,3. O uso de fontes celulares geneticamente heterogêneas apresenta variações que limitam significativamente os estudos de respostas específicas do paciente e genética ou mecanismos da doença 4,5. Enfrentar esse desafio depende da disponibilidade de linhagens celulares isogênicas originárias de indivíduos específicos com perfis moleculares e genéticos preservados para fornecer um microambiente mais preciso para a engenharia de modelos in vitro 2,3,6. Linhagens celulares isogênicas de origem humana agora podem ser facilmente geradas devido aos avanços na cultura de células iPS humanas. Como as células iPS humanas são tipicamente de origem não invasiva, podem se auto-renovar indefinidamente e se diferenciar em quase qualquer tipo de célula, elas servem como uma fonte atraente de células para o estabelecimento de modelos in vitro, como o chip glomérulo 7,8. A barreira de filtração glomerular é o principal local para a filtração do sangue. O sangue é primeiro filtrado através do endotélio vascular, da membrana basal glomerular e, finalmente, através do epitélio especializado chamado podócitos. Todos os três componentes da barreira de filtração contribuem para a filtração seletiva de moléculas. Apresentamos aqui um protocolo para estabelecer um dispositivo organ-on-a-chip em interface com endotélio vascular e epitélio glomerular a partir de uma única fonte de célula iPS humana. Embora este protocolo seja especialmente útil para projetar um chip isogênico e vascularizado para recapitular a barreira de filtração glomerular, ele também fornece um modelo para o desenvolvimento de outros tipos de órgãos personalizados em chips e plataformas multi-órgãos, como um sistema isogênico “corpo-em-um-chip”.
O protocolo aqui descrito começa com a diferenciação divergente de células iPS humanas em duas linhagens separadas – mesoderma lateral e mesoderma, que são posteriormente diferenciadas em endotélio vascular e epitélio glomerular, respectivamente. Para gerar células mesodérmicas laterais, as células iPS humanas foram semeadas em placas revestidas de matriz de membrana basal 1 e cultivadas por 3 dias (sem troca de mídia) em meio N2B27 suplementado com o ativador Wnt, CHIR 99021, e o potente indutor mesodérmico, osso-morfogenético 4 (BMP4). As células mesodérmicas laterais resultantes foram previamente caracterizadas pela expressão de braquiúria (T), homeobox pareada mista (MIXL) e eomesodermina (EOMES)9. Posteriormente, as células mesodérmicas laterais foram cultivadas por 4 dias em meio suplementado com VEGF165 e Forskolin para induzir células endoteliais vasculares que foram classificadas com base na expressão de VE-Caderrina e/ou PECAM-1 usando classificação celular ativada por magnetismo (MACS). As células endoteliais vasculares resultantes (viEC) foram expandidas cultivando-as em frascos de matriz de membrana basal de 3 revestimentos até estarem prontas para semear no dispositivo microfluídico.
Para gerar células mesodérmicas, células iPS humanas foram semeadas em placas revestidas de 2 placas revestidas de matriz de membrana basal e cultivadas por 2 dias em meio contendo Activin A e CHIR99021. As células mesodérmicas resultantes foram caracterizadas pela expressão de HAND1, goosecoid e brachury (T), conforme descrito anteriormente 2,10,11. Para induzir a diferenciação celular do mesoderma intermediário (IM), as células mesodérmicas foram cultivadas por 14 dias em meio suplementado com BMP-7 e CHIR99021. As células IM resultantes expressam o Tumor de Wilm 1 (WT1), o gene caixa emparelhada 2 (PAX2) e a proteína relacionada 1 (OSR-1)2,10,11.
Um chip microfluídico à base de polidimetilsiloxano (PDMS) de dois canais foi projetado para recapitular a estrutura da barreira de filtração glomerular in vitro. O canal urinário é de 1.000 μm x 1.000 μm (a x h) e a dimensão do canal capilar é de 1.000 μm x 200 μm (a x h). Os ciclos cíclicos de alongamento e relaxamento foram facilitados pelas câmaras ocas presentes em cada lado dos canais fluídicos. As células foram semeadas em uma membrana PDMS flexível (50 μm de espessura) que separa os canais urinário e capilar. A membrana é equipada com poros hexagonais (7 μm de diâmetro, 40 μm de distância) para ajudar a promover a sinalização intercelular (Figura 1A)2,12. Dois dias antes da indução do MI ser concluída, os cavacos microfluídicos foram revestidos com matriz de membrana basal 2. viECs foram semeados no canal capilar do chip microfluídico usando meio de Manutenção Endotelial 1 dia antes da indução IM ser concluída, e o chip foi virado de cabeça para baixo para permitir a adesão celular no lado basal da membrana PDMS revestida de ECM. No dia em que a indução do IM foi concluída, as células foram semeadas no canal urinário do chip microfluídico usando um meio suplementado com BMP7, Activin A, CHIR99021, VEGF165 e todo o ácido retinóico trans para induzir a diferenciação de podócitos dentro do chip. No dia seguinte, os reservatórios do meio foram preenchidos com meio de Indução de Podócito e meio de Manutenção Endotelial, e 10% de deformação mecânica a 0,4 Hz e fluxo de fluido (60 μL/h) foram aplicados aos chips.
Os chips microfluídicos celularizados foram cultivados por mais 5 dias utilizando meio de Indução de Podócito (no canal urinário) e meio de Manutenção Endotelial (no canal vascular). Os chips de glomérulo renal resultantes foram cultivados por até 7 dias adicionais em meios de manutenção para as células podócitas e endoteliais. Os podócitos diferenciados expressaram positivamente proteínas específicas da linhagem, incluindo podocina e nefrina 13,14, enquanto os viECs expressaram positivamente as proteínas de identificação de linhagem PECAM-1 e VE-Caderina, todas moléculas essenciais para a manutenção da integridade da barreira de filtração glomerular 15,16 . Verificou-se que os podócitos e os viECs secretam a proteína da membrana basal glomerular mais abundante, o colágeno IV, que também é importante para a maturação e função do tecido.
Descobriu-se que o sistema de três componentes da barreira de filtração – endotélio, membrana basal e epitélio – nos chips de glomérulo filtrava seletivamente as moléculas e respondia a um tratamento medicamentoso nefrotóxico quimioterápico. Os resultados do tratamento medicamentoso indicaram que o chip de glomérulo pode ser usado para estudos de nefrotoxicidade e para modelagem de doenças. Este protocolo fornece a diretriz geral para a engenharia de um chip funcional de glomérulo renal microfluídico a partir de derivados isogênicos de células iPS. Análises a jusante do chip de engenharia podem ser realizadas conforme desejado pelo pesquisador. Para obter mais informações sobre o uso do chip glomérulo para modelar a lesão glomerular induzida por medicamentos, consulte publicações anteriores 2,12.
Protocol
Representative Results
Discussion
Neste relatório, delineamos um protocolo para derivar o endotélio vascular e o epitélio glomerular (podócitos) de uma linhagem celular iPS humana isogênica e o uso dessas células para projetar um sistema de órgão em um chip 3D que imita a estrutura, a interface tecido-tecido e a função de filtração molecular do glomérulo renal. Este chip de glomérulo é equipado com endotélio e epitélio glomerular que, juntos, fornecem uma barreira para filtrar seletivamente as moléculas.
Os …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pela Escola Pratt de Engenharia da Duke University, pela Divisão de Nefrologia do Departamento de Medicina de Duke, por uma Bolsa de Estudos Whitehead em Pesquisa Biomédica e por um Prêmio de Pesquisa Genentech para S. Musah. Y. Roye recebeu a Duke University-Alfred P. Sloan Foundation Scholarship e William M. “Monty” Reichert Graduate Fellowship do Departamento de Engenharia Biomédica da Duke University. A linhagem celular iPS DU11 (Duke University clone #11) foi gerada no Duke iPSC Core Facility e fornecida a nós pelo Bursac Lab da Duke University. Os autores agradecem a N. Abutaleb, J. Holmes, R. Bhattacharya e Y. Zhou pela assistência técnica e discussões úteis. Os autores também gostariam de agradecer aos membros do Musah Lab por comentários úteis sobre o manuscrito. Os autores agradecem ao Laboratório Segura pela doação de um citômetro de fluxo Acuri C6.
Materials
| Antibodies | |||
| Alexa Fluor 488- and Alexa Fluor 594-conjugated secondary antibodies | Thermo/Life Technologies | A32744; A32754; A-11076; A32790; A21203; A11015 | |
| Collagen IV | Thermo/Life Technologies | 14-9871-82 | |
| Nephrin | Progen | GP-N2 | |
| PECAM-1 | R&D Systems | AF806 | |
| Podocin | Abcam | ab50339 | |
| VE-Cadherin | Santa Cruz | sc-9989 | |
| Basement membrane matrices | |||
| Corning Fibronectin, Human | Corning | 356008 | Basement membrane (3) |
| iMatrix-511 Laminin-E8 (LM-E8) fragment | Iwai North America | N8922012 | Basement membrane matrix (2) |
| Matrigel hESC-qualified matrix, 5-mL vial | BD Biosciences | 354277 | Basement membrane matrix (1); may show lot-to-lot variation |
| Cells | |||
| DU11 human iPS cells | The DU11 (Duke University clone #11) iPS cell line was generated at the Duke iPSC Core Facility and provided to us by the Bursac Lab at Duke University. The line has been tested and found to be free of mycoplasma (last test in November 2021) and karyotype abnormalities (July 2019) | ||
| Culture medium growth factors and media supplements | |||
| 0.5M EDTA, pH 8.0 | Invitrogen | 15575020 | |
| 2-Mercaptoethanol | Thermo/Life Technologies | 21985023 | |
| Albumin from Bovine serum, Texas Red conjugate | Thermo/Life Technologies | A23017 | |
| All-trans retinoic acid (500 mg) | Stem Cell Technologies | 72262 | |
| B27 serum-free supplement | Thermo/Life Technologies | 17504044 | |
| B-27 supplement (50x) without Vitamin A | Thermo/Life Technologies | 12587010 | |
| Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A9418 | |
| CHIR99021 | Stemgent | 04-0004 | May show lot-to-lot variation |
| Complete medium kit with CultureBoost-R | Cell Systems | 4Z0-500-R | Podocyte maintenance media |
| DMEM/F12 | Thermo/Life Technologies | 12634028 | |
| DMEM/F12 with GlutaMAX supplement | Thermo/Life Technologies | 10565042 | DMEM/F12 with glutamine |
| Forskolin (Adenylyl cyclase activator) | Abcam | ab120058 | |
| GlutaMAX supplement | Thermo/Life Technologies | 35050061 | glutamine supplement |
| Heat-inactivated FBS | Thermo/Life Technologies | 10082147 | |
| Heparin solution | Stem Cell Technologies | 7980 | |
| Human Activin A | Thermo/Life Technologies | PHC9544 | |
| Human BMP4 | Preprotech | 120-05ET | |
| Human BMP7 | Thermo/Life Technologies | PHC9544 | |
| Human VEGF | Thermo/Life Technologies | PHC9394 | |
| Inulin-FITC | Sigma-Aldrich | F3272 | |
| mTeSR1 medium | Stem Cell Technologies | 05850 | Human iPS cell culture media (CCM). Add 5x supplement according to the manufacturer. Human iPS CCM can be stored for up to 6 months at -20 °C. |
| N-2 Supplement (100x) | Thermo/Life Technologies | 17502048 | |
| Neurobasal media | Thermo/Life Technologies | 21103049 | Lateral mesoderm basal media |
| PBS (Phosphate-buffered saline) | Thermo/Life Technologies | 14190-250 | |
| Penicillin-streptomycin, liquid (100x) | Thermo/Life Technologies | 15140-163 | |
| ROCK inhibitor (Y27632) | Tocris | 1254 | |
| StemPro-34 SFM | Thermo/Life Technologies | 10639011 | Endothelial cell culture medium (CCM). Add supplement according to manufacturer. Endothelial CCM can be stored for up to two weeks at 4 °C or -20 °C for up to 6 months. |
| TGF-Beta inhibitor (SB431542) | Stem Cell Technologies | 72234 | |
| Enzymes and other reagents | |||
| Accutase | Thermo/Life Technologies | A1110501 | Cell detachment buffer |
| Dimethyl Suloxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2438 | |
| Ethanol solution, 70% (vol/vol), biotechnology grade | VWR | 97065-058 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Thermo/Life Technologies | 28906 | |
| Sterile distilled water | Thermo/Life Technologies | 15230162 | |
| Triton X-100 | VWR | 97062-208 | |
| Equipment | |||
| Trypsin EDTA, 0.05% | Thermo/Life Technologies | 25300-120 | |
| (Orb) Hub module | Emulate | ORB-HM1 | |
| 100mm x 15 mm round petri dish | Fisherbrand | FB087579B | |
| 120 x 120 mm square cell culture dish | VWR | 688161 | |
| Accuri C6 | BD Biosciences | ||
| Aspirating pipettes, individually wrapped | Corning | 29442-462 | |
| Aspirating Unit | SP Bel-Art | F19917-0150 | |
| Avanti J-15R Centrifuge | Beckman Coulter | B99516 | |
| Conical centrifuge tube, 15 mL | Corning | 352097 | |
| Conical centrifuge tube, 50 mL | Corning | 352098 | |
| EVOS M7000 | Thermo/Life Technologies | AMF7000 | Fluorescent microscope to take images of fixed and stained cells. |
| Hemocytometer | VWR | 100503-092 | |
| Heracell VIOS 160i CO2 incubator | Thermo/Life Technologies | 51030403 | |
| Inverted Zeiss Axio Observer equipeed with AxioCam 503 camera | Carl Zeiss Micrscopy | 491916-0001-000(microscope) ; 426558-0000-000(camera) | |
| Kimberly-Clark nitrile gloves | VWR | 40101-346 | |
| Kimwipes, large | VWR | 21905-049 | |
| Leoca SP8 Upright Confocal Microscope | |||
| Media reservoir (POD Portable Module) | Emulate | POD-1 | |
| Microplate shaker | VWR | 12620-926 | |
| Organ-chip | Emulate | S-1 Chip | |
| Organ-chip holder | Emulate | AK-CCR | |
| P10 precision barrier pipette tips | Denville Scientific | P1096-FR | |
| P100 barrier pipette tips | Denville Scientific | P1125 | |
| P1000 barrier pipette tips | Denville Scientific | P1121 | |
| P20 barrier pipette tips | Denville Scientific | P1122 | |
| P200 barrier pipette tips | Denville Scientific | P1122 | |
| Plasma Asher | Quorum tech | K1050X RF | This Plasma Etcher/Asher/Cleaner was used as a part of Duke University's Shared Materials Instrumentation Facility (SMiF). |
| Round bottom polystyrene test tube with cell strainer snap cap | Corning | 352235 | |
| Serological pipette, 10 mL, indivdually wrapped | Corning | 356551 | |
| Serological pipette, 25 mL, indivdually wrapped | Corning | 356525 | |
| Serological pipette, 5 mL, indivdually wrapped | Corning | 356543 | |
| Steriflip, 0.22 µm, PES | EMD Millipore | SCGP00525 | |
| Sterile Microcentrifuge tubes | Thomas Scientific | 1138W14 | |
| T75cm2 cell culture flask with vent cap | Corning | 430641U | |
| Tissue culture-treated 12 well plates | Corning | 353043 | |
| Tissue culture-treated 6 well plates | Corning | 353046 | |
| Vacuum modulator and perstaltic pump (Zoe Culture Module) | Emulate | ZOE-CM1 | Organ Chip Bioreactor |
| VE-Cadherin CD144 anti-human antibody – APC conjugated | Miltenyi Biotec | 130-126-010 | |
| Wide-beveled cell lifter | Corning | 3008 | |
| MACS | |||
| CD144 MicroBeads, human | Miltenyi Biotec | 130-097-857 | |
| CD31 MicroBead Kit, human | Miltenyi Biotec | 130-091-935 | |
| LS columns | Miltenyi Biotec | 130-042-401 |
Referências
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