Summary

Isolation, Kultur og transplantation af Muskel satellit celler

Published: April 08, 2014
doi:

Summary

Isoleringen og kultur af en ren population af hvilende satellit-celler, en muskel stamcellepopulation, er afgørende for forståelsen af ​​muskel stamcellebiologiske og regenerering, samt stamcelletransplantation terapier i muskelsvind og andre degenerative sygdomme.

Abstract

Muskel satellit celler er en stamcelle population kræves for postnatal skeletmuskulatur udvikling og revitalisering, der tegner sig for 2-5% af sublaminal kerner i muskelfibrene. Hos voksne muskel, satellit-celler normalt mitotisk hvilende. Efter skaden dog satellit celler indlede cellulær proliferation at producere myoblaster, deres afkom, for at mægle regenerering af musklen. Transplantation af satellitbaserede celleafledte myoblaster er blevet bredt undersøgt som en mulig behandling for flere regenerative sygdomme herunder muskeldystrofi, hjertesvigt og urologiske dysfunktion. Myoblast transplantation i dystrofisk skeletmuskulatur, infarktramte hjerte, og funktionsforstyrrelser urin kanaler har vist, at transplanteret myoblaster kan differentiere i muskelfibre i værtsvævene og vise delvis funktionelle forbedringer på disse sygdomme. Derfor er udviklingen af ​​effektive oprensningsmetoder af hvilende satellit celler fra skelet muscle, samt etablering af satellit celleafledte myoblast kulturer og transplantationscentre metoder til myoblaster, er afgørende for at forstå de molekylære mekanismer bag satellit celle selvfornyelse, aktivering og differentiering. Derudover udviklingen af ​​cellebaserede behandlingsformer til muskelsvind og andre regenerative sygdomme er også afhængig af disse faktorer.

De nuværende potentielle oprensningsmetoder af hvilende satellit celler kræver anvendelse af dyre fluorescens-aktiveret cellesortering (FACS) maskiner. Her præsenterer vi en ny metode til hurtig, økonomisk og pålidelig rensning af hvilende satellit celler fra voksne mus skeletmuskulatur ved enzymatisk dissociation efterfulgt af magnetisk cellesortering (MACS). Efter isolering af rene hvilende satellit-celler, kan disse celler dyrkes for at opnå store mængder af myoblaster efter flere passager. Disse frisk isolerethvilende satellit celler eller ex vivo ekspanderede myoblaster kan transplanteres ind i cardiotoxin (CTX)-induceret regenererende mus skeletmuskulatur at undersøge bidraget fra donor-afledte celler til at regenerere muskelfibre samt satellit celle rum til undersøgelse af selv-fornyelse aktiviteter.

Introduction

Muskel satellit-celler er en lille population af myogene stamceller placeret under den basale lamina af skelet muskelfibre. De er kendetegnet ved ekspressionen af Pax7, PAX3, c-Met, M-cadherin, CD34, Syndecan-3 og calcitonin 1-3. Satellit celler har vist sig at være ansvarlig for muskelregenerationen som muskel stamceller. Hos voksne muskel, satellit-celler normalt mitotisk hvilende 4-8. Efter skaden er satellit celler aktiveres, indlede udtryk for MyoD, og indtast cellecyklus at udvide deres afkom, betegnes myogene præcursorceller eller myoblaster 3. Efter adskillige runder af celledeling, myoblaster forlade cellecyklen og sikring til hinanden med henblik på at undergå differentiering til multi-kerneholdige myorør, efterfulgt af modne muskelfibre. Myoblaster isoleret fra voksne muskel kan let udvides ex vivo. Kapacitet til myoblaster blive muskelfibre i regenererende muskler ogdanner ektopiske muskelfibre i nonmuscle væv udnyttes af myoblast transplantation, en potentiel terapeutisk tilgang til Duchennes muskeldystrofi (DMD) 4, urologisk dysfunktion 9, og hjertesvigt 10. Faktisk har myoblaster blevet transplanteret i musklen af både mdx (DMD model) mus og DMD patienter 11-14. De injicerede normale myoblaster fusionerer med værten muskelfibre at forbedre histologi og funktion af syge muskler. Tidligere arbejde viste, at subpopulationer af myoblaster er mere stamcelle-lignende og forbliver i en udifferentieret tilstand længere muskel under muskelregenerationen 5. Nyligt arbejde har vist, at frisk isolerede satellit celler fra voksne muskel indeholde en stamcelle-lignende befolkning, der udstiller mere effektiv transplantation og selv-fornyelse aktivitet i regenererende muskler 5-8. Derfor oprensning af en ren population af hvilende satellit celler fra voksne skelet muscle er væsentlige for forståelsen af ​​biologi, myoblaster og muskelregenerationen og til udviklingen af ​​cellebaserede behandlingsformer.

De nuværende potentielle oprensningsmetoder af hvilende satellit celler kræver anvendelse af et dyrt fluorescens-aktiveret cellesortering (FACS) maskine 1,2,6-8. Desuden FACS laserstråling tendens til at inducere celledød under adskillelse, hvilket medfører lavere udbytte af hvilende satellit celler 15. Her præsenterer vi en ny metode til hurtig, økonomisk og pålidelig rensning af hvilende satellit celler fra voksne mus skeletmuskulatur. Denne metode udnytter enzymatisk dissociation efterfulgt af magnetisk cellesortering (MACS). Efter isolering af rene hvilende satellit-celler, kan disse celler dyrkes for at opnå store mængder af myoblaster efter flere passager. Vi viser også, at intramuskulær injektion af disse frisk isolerede hvilende satellit celler eller ex vivo udvidet myoblaster kan transplanteres ind i cardiotoxin (CTX)-induceret regenererende mus skeletmuskulatur at undersøge bidraget fra donor-afledte celler til at regenerere muskelfibre, samt satellit celle rum til undersøgelse af selvfornyelse aktiviteter.

Protocol

Dyrene blev opstaldet i en SPF miljø og blev overvåget af Research Animal Resources (RAR) fra University of Minnesota. . Dyrene blev aflivet ved passende midler (CO 2 inhalation eller KCl indsprøjtning efter at være blevet bedøvet med IP injektion af Avertin (250 mg / kg) Alle protokoller blev godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg (IACUC kodenummer: 1304-30.492 ) fra University of Minnesota. 1.. Isolering af mononukleære celler fra mus Skeletmuskel …

Representative Results

Frisk isolerede hvilende satellit celler vise en lille, rund form (figur 1G) og hurtig Pax7 som en endelig markør for hvilende satellit celler. Mere end 90% af frisk isolerede celler udtrykker Pax7 (figur 1H og 1I). Mest forurenede celler fra blodlegemer, som ikke effektivt vokse in vitro efter myoblast dyrkningsbetingelser. Således satellit celleafledte myoblaster dominerer i kulturen. Eventuelt kan vi gentage trinnene for MS søjleoprensning (trin 2,11-2,14…

Discussion

I denne protokol, kan hvilende satellit celler let oprenses fra voksen skeletmuskulatur af mus ved collagenasefordøjelse og overflade antistof-medieret MACS separation. Denne metode tager cirka 6 timer og behøver ikke noget dyrt udstyr, såsom en FACS-maskine. Desuden er denne metode relativt billig i forhold til overfladen antistofmedieret FACS adskillelse. Et højere udbytte af hvilende satellit celler forventes også i forhold til FACS for denne metode, da FACS laserstråling tendens til at inducere celledød under…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Dr. Shahragim Tajbakhsh for at levere Myf5 + / nLacZ mus. Vi takker også Alexander Hron og Michael Baumrucker for kritisk læsning af dette manuskript. Dette arbejde blev støttet af tilskud fra Muskelsvindfonden Association (MDA) og Gregory Marzolf Jr. MD center Award.

Materials

Materials
Collagenase Type 2 Worthington CLS-2 100 mg
Marigel BD Biosciences 356234 5 ml
DMEM Gibco-Invitrogen 10569010 500 ml
Collagen (Rat Tail) BD Biosciences 354236 100 mg (3-4 mg/ml)
Acetic Acid Sigma-Aldrich 320099-500ML 500 ml
bFGF, human, Recombinant Gibco-Invitrogen PHG0263 1 mg
Bovine Serum Albumin (BSA) Sigma-Aldrich A5611-1G 1 g
Ham’s F10 Medium Gibco-Invitrogen 11550-043 500 ml
Fetal Bovine Serum (FBS) Fisher Scientific 3600511 500 ml
Horse Serum Gibco-Invitrogen 26050088 500 ml
Penicillin/Streptmycin Gibco-Invitrogen 15640055 100 ml
Phosphate Buffered Saline Gibco-Invitrogen 14190144 500 ml
0.25% Trypsin/EDTA Gibco-Invitrogen 25200072 500 ml
18G needle with 12cc Syringe Fisher Scientific 22-256-563
Cell strainer (70 μm) Fisher Scientific 22-363-548
Falcon 50 ml tube BD Biosciences 352098
Falcon 15 ml tube BD Biosciences 352097
10 cm tissue culture plate BD Biosciences 353003
6 cm tissue culture plate BD Biosciences 353004
Falcon 10 ml disposable pipet BD Biosciences 357551
Anti-CD31 antibody-PE eBiosciences 12-0311
Anti-CD45 antibody-PE eBiosciences 30-F11
Anti-Sca1 antibody-PE eBiosciences Dec-81
Anti-Integrin α7 antibody MBL International ABIN487462
Anti-PE MicroBeads Miltenyi Biotec 130-048-801
Anti-Mouse IgG MicroBeads Miltenyi Biotec 130-048-402
Mini & MidiMACS Starting Kit Miltenyi Biotec 130-091-632
MS Column Miltenyi Biotec 130-042-201
LD Column Miltenyi Biotec 130-042-901
Cardiotoxin Sigma Aldrich C9759-1MG Stock 10 μM in PBS
31G Insulin syringe BD Biosciences 328438
Refrigerated Microcentrifuge (Microfuge 22R) Beckman Coulter 368826
S241.5 Swinging Bucket Rotor Beckman Coulter 368882
Refrigerated Centrifuge (Allegra X-22R) Beckman Coulter 392187
Nod/Scid immunodeficient mice Charles River Laboratories Strain Code 394 Use 2 months old mice
Reagents
Name of the reagent Recipie
10% and 2% FBS DMEM DMEM (Gibco-Invitrogen #10569010) with 10% or 2% FBS (Fisher Scientific #03600511) and 1% Penicillin/Streptomycin (Gibco-Invitrogen #15640055).
0.2% Collagenase solution Collagenase Type 2 (Worthington, #CLS-2), Stock: 50 ml: 100 mg Collagenase Type 2 in 10% FBS DMEM.
10% Matrigel solution Matrigel (BD Biosciences: #356234) is placed on ice for thawing overnight. Five ml Matrigel is dilute by 45 ml DMEM and 5 ml aliquots are stored at -20°C until use.
Matrigel-coated plate Five ml of 10% Matrigel solution is placed on ice for thawing and is used for coating 10 cm plate at room temprature for 1 minutes. The plate is placed in 5% CO2 incubator at 37°C for 30 minute after removing Matrigel solution, and let the plate dry in culture hood for another 30 minutes. Removed 10% Matrigel solution is stored at -20°C for reusing.
0.01% Collagen solution Mix to final: 0.01% Collagen (Collagen, Rat Tail: BD Biosciences #354236) in 0.2% acetic acid (320099-500ML) in ddH2O.
Collagen-coated plate Add 5 ml or 2 ml of Collagen solution to a 10 cm or 6 cm tissue culture plate and let sit at room temperature for three hours. Then, aspirate off liquid and allow to dry in culture hood for 30 min to overnight. Plates can be stored at room temperature for several months.
bFGF stock solution bFGF, Human, Recombinant (Gibco-Invitrogen #PHG0263, 1 mg) is dissolved with 0.1% BSA solution consisting of 1 mg BSA (Sigma-Aldrich #A5611-1G) and 2 ml ddH2O (0.5 mg/ml bFGF). Aliquot 20 μl in 500 μl microcentrifuge tubes and kept in -80°C.
Myoblast medium 500 mL HAM’S F10 Medium (Gibco-Invitrogen #11550-043) supplemented with 20% FBS (Fisher Scientific #03600511), Penicillin/streptomycin (Gibco-Invitrogen #15640055), and 10 μg of bFGF (20 μl of bFGF stock).
Differentiation medium 500 mL DMEM (Gibco-Invitrogen #10569010) supplemented with 5% Horse serum (Gibco-Invitrogen #26050088) and 1% Penicillin/streptomycin (Gibco-Invitrogen #15640055).
10 μM Cardiotoxin stock 1 mg Cardiotoxin (EMD Millipore #217504-1MG) is dissolved with 13.9 ml PBS.

References

  1. Fukada, S., et al. Purification and cell-surface marker characterization of quiescent satellite cells from murine skeletal muscle by a novel monoclonal antibody. Exp. Cell Res. 296, 245-255 (2004).
  2. Hirai, H., Verma, M., Watanabe, S. C. T., Asakura, Y., Asakura, A. MyoD regulates apoptosis of myoblasts through microRNA-mediated down-regulation of Pax3. J. Cell Biol. (191), 347-365 (2010).
  3. Asakura, A. Stem cells in adult skeletal muscle. Trends Cardiovasc. Med. 13, 123-128 (2003).
  4. Partridge, T. A. Cells that participate in regeneration of skeletal muscle. Gene Ther. 9, 752-753 (2002).
  5. Collins, C. A., et al. Stem cell function, self-renewal, and behavioral heterogeneity of cells from the adult muscle satellite cell niche. Cell. 122, 289-301 (2005).
  6. Montarras, D., et al. Direct isolation of satellite cells for skeletal muscle regeneration. Science. 309, 2064-2067 (2005).
  7. Sacco, A., Doyonnas, R., Kraft, P., Vitorovic, S., Blau, H. M. Self-renewal and expansion of single transplanted muscle stem cells. Nature. 456, 502-506 (2008).
  8. Conboy, M. J., Cerletti, M., Wagers, A. J., Conboy, I. M. Immuno-analysis and FACS sorting of adult muscle fiber-associated stem/precursor cells. Methods Mol. Biol. 621, 165-173 (2010).
  9. Yokoyama, T., Huard, J., Chancellor, M. B. Myoblast therapy for stress urinary incontinence and bladder dysfunction. World J. Urol. 18, 56-61 (2000).
  10. Menasche, P. Skeletal muscle satellite cell transplantation. Cardiovasc. Res. 58, 351-357 (2000).
  11. Huard, J., et al. Myoblast transplantation produced dystrophin-positive muscle fibres in a 16-year-old patient with Duchenne muscular dystrophy. Clin. Sci. 81, 287-288 (1991).
  12. Tremblay, J. P., et al. Results of a triple blind clinical study of myoblast transplantations without immunosuppressive treatment in young boys with Duchenne muscular dystrophy. Cell Transplant. 2, 99-112 (1993).
  13. Gussoni, E., Blau, H. M., Kunkel, L. M. The fate of individual myoblasts after transplantation into muscles of DMD patients. Nat. Med. 3, 970-977 (1997).
  14. Palmieri, B., Tremblay, J. P., Daniele, L. Past, present and future of myoblast transplantation in the treatment of Duchenne muscular dystrophy. Pediatr. Transplant. 14, 813-819 (2010).
  15. Mollet, M., Godoy-Silva, R., Berdugo, C., Chalmers, J. J. Acute hydrodynamic forces and apoptosis: a complex question. Biotechnol. Bioeng. 98, 772-788 (2007).
  16. Asakura, A., Rudnicki, M. A. Side population cells from diverse adult tissues are capable of in vitro hematopoietic differentiation. Exp. Hematol. 30, 1339-1345 (2002).
  17. Asakura, A., et al. Increased survival of muscle stem cells lacking the MyoD gene after transplantation into regenerating skeletal muscle. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 16552-16557 (2007).
  18. Gerard, X., et al. Real-time monitoring of cell transplantation in mouse dystrophic muscles by a secreted alkaline phosphatase reporter gene. Gene Ther. 16, 815-819 .
  19. Tajbakhsh, S., Rocancourt, D., Cossu, G., Buckingham, M. Redefining the genetic hierarchies controlling skeletal myogenesis Pax-3 and Myf-5 act upstream of MyoD. Cell. 89, 127-138 (1997).
  20. Beauchamp, J. R., et al. Expression of CD34 and Myf5 defines the majority of quiescent adult skeletal muscle satellite cells. J. Cell Biol. 151, 1221-1134 (2000).
  21. Sabourin, L. A., Girgis-Gabardo, A., Seale, P., Asakura, A., Rudnicki, M. A. Reduced differentiation potential of primary MyoD-/- myogenic cells derived from adult skeletal muscle. J. Cell Biol. 144, 631-643 (1999).
  22. Bischoff, R. Regeneration of single skeletal muscle fibers in vitro. Anat. Rec. 182, 215-235 (1975).
  23. Asakura, A., Seale, P., Girgis-Gabardo, A., Rudnicki, M. A. Myogenic specification of side population cells in skeletal muscle. J. Cell Biol. 159, 123-134 (2002).
  24. Kuang, S., Kuroda, K., Le Grand, F., Rudnicki, M. A. Asymmetric self-renewal and commitment of satellite stem cells in muscle. Cell. 129, 999-1010 (2007).
  25. Cerletti, M., et al. Highly efficient, functional engraftment of skeletal muscle stem cells in dystrophic muscles. Cell. 134, 37-47 (2008).
  26. Farina, N. H., et al. A role for RNA post-transcriptional regulation in satellite cell activation. Skelet. Muscle. 2, 21-21 (2012).
  27. Tanaka, K. K., Hall, J. K., Troy, A. A., Cornelison, D. D., Majka, S. M., Olwin, B. B. Syndecan-4-expressing muscle progenitor cells in the SP engraft as satellite cells during muscle regeneration. Cell Stem Cell. 4, 217-225 (2009).
  28. Pallafacchina, G., et al. An adult tissue-specific stem cell in its niche: a gene profiling analysis of in vivo quiescent and activated muscle satellite cells. Stem Cell Res. 4, 77-91 (2009).
check_url/50846?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Motohashi, N., Asakura, Y., Asakura, A. Isolation, Culture, and Transplantation of Muscle Satellite Cells. J. Vis. Exp. (86), e50846, doi:10.3791/50846 (2014).

View Video