Generazione di cardiomiociti umani: Un protocollo di differenziazione da alimentatore-Free umani cellule staminali pluripotenti indotte

Summary

Le cellule staminali pluripotenti, sia staminali (iPS), le cellule embrionali pluripotenti o indotto, costituiscono una preziosa fonte di cellule differenziate umani, tra cardiomiociti. Qui, ci si concentrerà sulla induzione cardiaco di cellule iPS, che mostra come usarli per ottenere cardiomiociti umani funzionali attraverso un protocollo embryoid corpi-based.

Abstract

Al fine di indagare gli eventi di guida lo sviluppo del cuore e per determinare i meccanismi molecolari responsabili delle malattie del miocardio negli esseri umani, è essenziale prima di generare cardiomiociti umani funzionali (CMS). L'uso di queste cellule in scoperta di farmaci e studi tossicologici sarebbe anche molto vantaggioso, permettendo nuove molecole farmacologici per il trattamento dei disturbi cardiaci essere convalidate preclinicamente su cellule di origine umana. Delle possibili fonti di CMS, staminali pluripotenti (iPS) indotte sono tra i più promettenti, in quanto possono essere ricavati direttamente dal tessuto del paziente prontamente accessibile e possiedono una intrinseca capacità di dare origine a tutti i tipi di cellule del corpo ^1. Sono stati proposti diversi metodi per differenziare le cellule iPS in CMS, che vanno dai corpi embrionali classiche (EBS) approccio aggregazione chimica definita protocolli ^2,3. In questo articolo vi proponiamo un protocollo EB-based e mostriamo come questa metodologiad può essere impiegato per generare in modo efficiente le cellule CM-come funzionali di cellule iPS alimentatore-Free.

Introduction

Storicamente, l'indagine dei meccanismi genetici e molecolari che guida lo sviluppo umano e la malattia si è basata sulla generazione di modelli animali geneticamente modificati. Tuttavia, numerosi fenotipi umani non riescono ad essere replicato correttamente nei topi, soprattutto a causa delle differenze biologiche esistenti tra le due specie. D'altra parte, l'accesso ai tessuti umani può essere limitata e spesso non permettono abbastanza materiale da ottenere per studi sperimentali approfonditi. Il campo della biologia cardiovascolare soffre di entrambe queste limitazioni: la fisiologia del cuore umano è significativamente diversa da quella del topo, e una quantità significativa di tessuto cardiaco è accessibile solo post mortem o durante la chirurgia cardiaca. Trovare una fonte ottimale per la differenziazione delle funzionale umana CM è quindi diventato un tema centrale in biologia cardiovascolare, ed è stato fatto molto sforzo per risolvere questo problema. Sono stati proposti vari tipi di cellule, including mioblasti scheletrici, cellule locali cardiache staminali del midollo osseo, cellule mononucleari, progenitori endoteliali e cellule staminali mesenchimali. Tuttavia, i dati ottenuti utilizzando queste cellule non sia stato coerente ^4.

La derivazione di cellule staminali embrionali umane (ESC) prima ⁵ e la scoperta rivoluzionaria di staminali pluripotenti (iPS), cellule indotte da Yamanaka e Thomson ^6,7 poi sembrava fornire soluzioni: queste cellule hanno la capacità di crescere indefinitamente e il potenziale per dare salire a tutti i derivati ​​delle cellule dei tre foglietti embrionali, tra cui il CMS. L'uso di cellule iPS offre ulteriori vantaggi: essendo derivati ​​da cellule adulte autologhe, portano lo stesso genoma come l'individuo o paziente da cui sono derivati. Essi consentono quindi lo sviluppo di modelli in vitro che facilitano l'indagine di malattie genetiche umane e meccanismi di sviluppo. In virtù di questa caratteristica, le cellule iPS possono anche Oproblemi legati alla vercome rigetto immunitario e questioni etiche ^8. Per queste ragioni, anche se i CES rappresentano ancora il gold standard nel campo della biologia delle cellule staminali, i ricercatori in tutto il mondo si stanno ora orientando più verso la tecnologia delle cellule iPS.

cellule iPS vengono ora impiegati per modellare la malattia umana in vitro per le varie condizioni, tra cui disturbi cardiovascolari congenite ^9,10. Recentemente, l'applicazione di modelli di malattia delle cellule iPS è stata eseguita per i disturbi cardiaci monogeniche (cioè lunghe sindromi del QT, tachicardia ventricolare polimorfa catecolaminergica) e patologie nelle quali difetti cardiaci fanno parte di un fenotipo complesso (cioè Leopard e Timothy sindromi, cardiomiopatia dilatativa). Questi rapporti hanno confermato che le cellule iPS specifiche per ogni paziente che si differenziano in CM presentano caratteristiche fenotipiche e funzionali simili, come la malattia in vivo.

Tuttavia, cisono ancora molte sfide per migliorare l'efficacia di indurre le cellule iPS nella discendenza cardiaco. Spontanea generazione di CMS dalla CES umane attraverso la formazione di aggregati chiamati corpi embrionali (EBS) si sono dimostrati di successo ^17. Dopo questa scoperta, sono stati proposti molti altri metodi. Molti gruppi hanno notevolmente migliorato l'efficienza del protocollo di differenziazione e si sono spostati verso i reagenti di coltura chimicamente definite e animale-prodotto-libero (vedi Mummery, C., et al., Ricerca Circolazione (2012) per una rassegna completa di tutti i metodi esistenti ³ ).

Tuttavia, il metodo classico basato su EB aggregazione rappresenta ancora il più comunemente impiegato per l'esecuzione di studi funzionali e di indagare i meccanismi di malattia. La nostra proposta di protocollo si basa sull'aggregazione di cellule iPS in EBs e cultura in presenza di acido ascorbico e di siero, che ha dimostrato di migliorare il processo di differenziazione cardiaca e di Positively influenzare la maturazione di queste cellule ^18,19. In questo articolo andremo attraverso questa metodologia in dettaglio e vi mostreremo come utilizzare alimentatore-Free linee di cellule iPS per la generazione di paziente-specifici iPS derivate CMS.

Protocol

1. Manutenzione alimentatore-Free e Passaging delle iPS umane Cell Lines Preparare i piatti Matrigel rivestite. Scongelare una fiala di Matrix ESC-umano qualificato in ghiaccio per un'ora e diluirlo in 25 ml di DMEM-F12 medium. Aggiungere 1 ml di ciascuna piastra 35 mm (o importi equivalenti per superficie, se sono utilizzati altri piatti), mantenendo tutto il ghiaccio e la garanzia che tutte le lastre e tubi sono pre-raffreddata. Coprire le piastre con un foglio di alluminio. <p class="jove_con…

Representative Results

Nei nostri studi abbiamo generato CM da diverse linee di cellule iPS. Queste linee sono state inizialmente generate su uno strato di alimentatore MEF ma sono stati immediatamente immessi sul Matrigel usando un terreno specifico (sia mTESR1 o Nutristem). Vari metodi sono stati utilizzati per verificare mantenimento delle proprietà morfologiche, l'espressione di marcatori tipici di cellule pluripotenti (OCT-4, SSEA4 e TRA1-60) e la loro stabilità genoma (Figura 1). Induz…

Discussion

Cellule staminali pluripotenti hanno la potenzialità di differenziarsi spontaneamente in CMS, anche se con bassa efficienza ed elevata variabilità tra le linee. Lo sviluppo di nuovi metodi di induzione è quindi concentrata sul miglioramento dell'efficienza del processo e muoversi verso protocolli più definiti. Tuttavia, la maggior parte di questi nuovi metodi di differenziazione sono piuttosto complessi, che richiedono condizioni elaborate cultura, controllo fine dei tempi e la concentrazione dei reagenti, e il …

Materials

Name of the reagent	Company	Catalogue number	Comments (optional)
			Media and Reagents
Human ESC-qualified Matrix	BD Biosciences	354277	Thaw the 5 ml bottle at 4 °C on ice O/N, aliquot in pre-chilled cryo-tubes on ice, according to the data sheet dilution instructions and store at -20 °C .
Fibronectin, from human plasma, 0.1% solution	Sigma	F0896-2MG	Working concentration: 5 μg/cm2
Laminin	Sigma	L2020-1MG	Working concentration: 5 μg/cm2
PBS (no Mg and Ca), 10X	Lonza	BE17-515F
PBS (with Mg and Ca), 10X	Bio Sera	XC-S2067/500
Dispase II, neutral protease, grade II	Roche	4942078001	Stock: 10 mg/ml in DMEM-F12 at -20 °C, working solution: 1 mg/ml in PBS (no Mg/Ca)
Trypsin/EDTA, 0.5%	Sigma	T3924
Collagenase type 2	Worthington	4176	Dilute to 480 U/ml (e.g. 1.6 mg/ml) in PBS with Mg and Ca
DMEM-F12	Life Technologies	21331-020
Knockout DMEM	Life Technologies	10829-018
Knockout Serum Replacement (KSR)	Life Technologies	10828-028	Thaw at 4 °C, aliquot and store at -20 °C
Foetal Bovine Serum (origin South America)	Invitrogen	10270-106	Batches should be tested for their cardiogenic potential. Thaw at 4 °C, heat-inactivate at 56 °C for 30 min, aliquot and store at -20 °C
PenStrep, penicillin-Streptomycin, 100X	Life Technologies	15140-122
GlutaMAX, 100X	Life Technologies	35050-038
MEM NEAA, 100X	Invitrogen	11140-135
N2 supplement, 100X	Life Technologies	17502-048
B27 supplement, 50X	Life Technologies	12587-010
2-mercaptoethanol	Invitrogen	31350-010
Gelatin, from porcine skin	Sigma	G1890-100G	Make stock at 1% in water, store at -20 °C. Dilute to 0.1% in PBS and keep at 4 °C
mTeSR1	Stem Cell Technologies	5850	Combine Supplement 5X with the basic medium, aliquot and store at -20 °C. Do not keep complete medium at 4 °C for more than 1 week
Nutristem hESC XF	Stemgent from Biological Industries	05-100-1A	Thaw at 4 °C O/N, aliquot and store at -20 °C until use. Aliquots may be kept at 4 °C for no more than a week.
mFreSR	Stem Cell Technologies	5853
Ascorbic acid	Sigma	A4544-25G	Prepare stocks at 10 mg/ml in water. Store aliquots at -20 °C in the dark. Add to EBM at the final concentration (500X)
			Plasticware
35 mm culture dishes	Becton Dickinson	353001
Cell scraper	Corning Incorporated	3008
12-well plates	Becton Dickinson	353043
Permanox 2-well chamber slides	Thermo Fisher Scientific	177437
Glass 2-well chamber slides	Thermo Fisher Scientific	177380
6-well plates, ultra-low-attachment surface	Corning Incorporated	3471
18G needle	Becton Dickinson	304622
Glass pasteur pipettes, 230 mm	VWR International	612-1702
2.5 ml syringe	Becton Dickinson	300188
			Equipments
IVF Workstation	KSystem, by Nikon
Nikon SMZ1500 Stereomicroscope	Nikon