Productie en toediening van therapeutische mesenchymale stamcellen / Stromal Cell (MSC) sferoïden primer in 3-D Cultures Onder Xeno-free Voorwaarden
Summary
The therapeutic potential of mesenchymal stem/stromal cells (MSCs) is well-documented, however the best method of preparing the cells for patients remains controversial. Herein, we communicate protocols to efficiently generate and administer therapeutic spherical aggregates or ‘spheroids’ of MSCs primed under xeno-free conditions for experimental and clinical applications.
Abstract
Mesenchymale stamcellen / stromale cellen (MSC) houdt een grote belofte in biotechnologie en regeneratieve geneeskunde. MSC's kunnen uit verschillende volwassen weefsels worden geïsoleerd door hun sterke hechting aan weefselkweek plastic en vervolgens verder uitgebreid in vitro, meestal via foetaal runderserum (FBS). Omdat FBS kunnen veroorzaken MSCs op immunogene worden, zijn aanwezigheid in MSC kweken beperkt zowel klinische en experimentele toepassingen van de cellen. Daarom is het in dienst hebben studies chemisch gedefinieerde xeno-vrij (XF) media voor MSC culturen zijn zeer waardevol. Vele gunstige effecten van MSC's zijn toegeschreven aan hun vermogen om ontsteking en immuniteit regelen, vooral door secretie van immunomodulerende factoren zoals tumor necrosis factor-gestimuleerde gen 6 (TSG6) en prostaglandine E2 (PGE2). Echter, MSC's moeten worden geactiveerd om deze factoren produceren en omdat het effect van MSCs dikwijls voorbijgaande, grote belangstelling ontstaan om manieren pre-activering van de cellen prio ontdekkenr het gebruik ervan, zodat het niet langer de vertragingstijd voor activering in vivo. Hier presenteren we protocollen om efficiënt te activeren of prime MSC's in de driedimensionale (3D) culturen onder chemisch welbepaald XF voorwaarden en deze pre-geactiveerde MSC's in vivo toe te dienen. In het bijzonder, we eerst beschrijven methoden om sferische MSC micro-weefsels of 'bolletjes' in opknoping druppels gebruik XF medium te genereren en laten zien hoe de sferen en geconditioneerd medium (CM) voor verschillende toepassingen kunnen worden geoogst. Ten tweede, beschrijven we genexpressie schermen en in vitro functionele testen om snel het niveau van MSC activering in sferoïden beoordelen, met nadruk op de anti-inflammatoire en anti-kanker potentieel van de cellen. Ten derde, beschrijven we een nieuwe methode om intacte MSC sferoïden injecteren in de peritoneale holte muis in vivo testen. Over het geheel genomen de protocollen hierin te overwinnen grote uitdagingen van het verkrijgen van pre-geactiveerde MSC onder chemisch welbepaald XF convoorwaarden en een flexibel systeem MSC sferoïden administreren therapieën.
Introduction
Mesenchymale stamcellen / stromale cellen (MSC) hebben laten zien een groot potentieel voor diverse regeneratieve geneeskunde benaderingen. MSCs werden aanvankelijk geïsoleerd als een stromale component van beenmerg maar zijn inmiddels verkregen zoveel andere volwassen weefsels, zoals vetweefsel 1, 2, 3. Interessant is dat de belangrijkste isolatiewerkwijze omarmt de opmerkelijke eigenschap van MSCs strak hechten aan weefselkweek kunststof in de aanwezigheid van foetaal runderserum (FBS). Hoewel dit traditionele isolatietechniek maakt gemakkelijke en snelle expansie van MSCs in tweedimensionale (2D) cultuur, is ook erg kunstmatige en voorbij betekenis van de natieve driedimensionale (3D) omgeving waarvoor eventueel verlies van belangrijke cellulaire elementen 4, 5 , 6. Daarom is de studie van MSCs in 3D culturen, diezijn meer fysiologische dan de traditionele 2D-culturen, is ontstaan in de zoektocht naar "verloren / verminderd" MSC kenmerken. Bovendien heeft grote belangstelling gestegen tot xeno-vrij (XF) chemisch welbepaalde voorwaarden te identificeren voor MSC cultuur en activering, en zodoende de cellen meer vatbaar voor klinische toepassingen.
Veel studies zijn gepubliceerd waaruit de 3D cultuur van MSC's zowel in biomaterialen en als bolvormige aggregaten of sferoïden. MSCs in biomaterialen werden oorspronkelijk ontworpen voor weefselengineering om beschadigde weefsels te vervangen cel geplaatste steigers, terwijl sferoïde culturen van MSC's werden als manier om MSC gedrag in vivo na toediening van de cellen voor therapieën in preklinische of klinische proeven begrijpen 4, 5, 7. Interessant is dat MSC vorm bolletjes spontaan bij hechting aan weefselkweek plastic is niet toegestaan8, 9, 10. Traditioneel werd celaggregatie vergemakkelijkt door centrifugekolf methoden of vloeibare overlaytechnieken, die aanvankelijk zijn gebruikt in kankerbiologie bij pogingen om te proberen de tumor micro-omgeving nabootsen. Meer recent zijn andere methoden opgedoken die aantonen celaggregatie in kweekschalen vooraf gecoat met specifieke chemicaliën om cel-adhesie kunststof 4, 5, 6 voorkomen. Een van de eenvoudigste en goedkoopste methode MSC sferoïden te genereren is om ze in cultuur opknoping druppels, een techniek die vaak werd gebruikt om embryoiden organen uit embryonale stamcellen. Met opknoping druppel cultuur techniek wordt celhechting de weefselkweekkunststof voorkomen door suspenderen van de cellen in een medium druppel op de onderkant van een weefselkweekplaat deksel en waardoor zwaartekracht cel vergemakkelijken aggregatie in de top van de druppel. De sferoïde grootte kan gemakkelijk worden gemanipuleerd door het veranderen van de celconcentratie of druppelvolume, waardoor hangende druppel culturen bijzonder eenvoudig te bedienen.
Vroege studies op de 3D cultuur van MSC's aangetoond radicale verschillen in de eigenschappen van de cellen in 3D vergelijking met hun tegenhangers 2D 6, 8, 9. Tegelijkertijd, rapporten aangetoond dat de gunstige effecten van MSC's in vivo gesteund op hun vermogen om geactiveerd door micro-omgevingsfactoren en in reactie worden, produceren anti-inflammatoire en immunomodulerende factoren 11. Interessant, veel van deze factoren, zoals prostaglandine E2 (PGE2), tumornecrose-factor gestimuleerde gen 6 (TSG6) en hepatocyt groeifactor (HGF) werden geproduceerd in veel grotere hoeveelheden door MSC sferoïden dan traditionele 2D MSC weg vrijmaakt voor de idee vangebruiken 3D culturen naar cellen 8, 12, 13 te activeren. Bovendien genactivering in 3D culturen bleek mechanismen herhalen, ten minste gedeeltelijk, van celactivering na injectie in muizen 12. Door het activeren van MSCs vóór hun gebruik in experimenten kunnen effecten van de cellen verlengd en prominent als de traditionele MSC effect in vivo vaak vertraagd en voorbijgaand en kan worden omschreven als "hit and run". Gedurende de afgelopen jaren belangrijke onderbouwd met MSC sferoïden hebben aangetoond dat zij ontstekingsreacties kunnen onderdrukken en moduleren immuniteit in vivo door beïnvloeding effectorcellen zoals macrofagen, dendritische cellen, neutrofielen, en T-cellen die sferoïden een aantrekkelijke vorm van geprimede MSCs 2 , 3. Bovendien productie van anti-kanker moleculen, zoals interleukin-24 (IL-24) en tumor necrosis factor-gerelateerde apoptose inducerende ligand (TRAIL), zijn verhoogd bij 3D culturen van MSC's ten opzichte van MSC monolaag, een fenomeen dat kan worden benut voor gerichte kankertherapieën 8, 10, 14.
Aangezien de traditionele cultuur MSC vereist niet alleen het gebruik van weefselkweek plastic maar FBS, andere hindernis MSC sferoïden ontvankelijker te maken voor klinisch gebruik moesten worden overwonnen. Om deze hindernis te pakken, hebben we onlangs toonde vorming van MSC sferoïden onder specifieke omstandigheden chemisch gedefinieerde XF en vastgesteld dat de verkregen MSC sferoïden werden geactiveerd met dezelfde anti-inflammatoire en anti-kanker moleculen als sferoïden gegenereerd onder omstandigheden met FBS 14 produceren. Hier worden deze bevindingen in een aantal gedetailleerde protocollen die de generatie van de pre-geactiveerde MSC's te tonen in 3D culturen met behulp XFmedia. Daarnaast zijn protocollen geleverd dat manieren om het activeringsniveaus van de MSC's met betrekking tot hun ontstekingsremmende, immunomodulerende en anti-kanker effecten te evalueren, alsmede een praktische methode om de intacte bolletjes geven in muizen beschreven.
Protocol
Representative Results
Discussion
De optimale MSC voor gebruik in sommige onderzoek en klinische toepassingen moet sterk worden geactiveerd om hun voordeel te maximaliseren, en bij voorkeur opgesteld onder chemisch gedefinieerde XF voorwaarden voor de afgifte van potentiële antigenen van xenogene mediumbestanddelen zoals FBS minimaliseren. In de hier beschreven protocollen hebben we aangetoond methoden 1) activeren MSCs in 3D cultuur door de vorming van sferoïden, 2) bereiken de 3D activatie van MSCs onder omstandigheden XF, 3) hoe de activering nivea…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
This work was funded in part by grant P40RR17447 from the National Institute of Health and award RP150637 from the Cancer Prevention and Research Institute of Texas. We would like to thank Dr. Darwin J. Prockop for his support on the project.
Materials
| MEM-α (minimal essential medium alpha) | ThermoFisher/Gibco | 12561049; 12561056; 12561072 | minimal essential medium for preparation of MSC growth medium (CCM) |
| FBS (fetal bovine serum), premium select | Atlanta Biologicals | S11595; S11510; S11550; S11595-24 | component of complete culture media for all types of cells |
| L-glutamine | ThermoFisher/Gibco | 25030081; 25030149; 25030164 | component of complete culture media for all types of cells |
| Penicillin/Streptomycin | ThermoFisher/Gibco | 15070063 | component of complete culture media for all types of cells |
| Sterilization Filter Units, 0.22 µm PES membrane | MilliporeSigma | SCGPU01RE; SCGPU02RE; SCGPU05RE; SCGPU10RE; SCGPU11RE | media sterilization |
| 150 mm cell culture dish | Nunc | D8554 SIGMA | cell culture |
| Thermo Forma water-jacketed CO2 humidified incubator | Thermo Fisher | Model 3110 | incubation of cultured cells |
| Early passage MCSs | Center for the preparation and Distribution of Adult Stem Cells at The Texas A&M Health Science Center College of Medicine Institute for Regenerative Medicine at Scott & White | NA | preparation of 2D and 3D cultures of MSCs |
| water bath | VWR | 89501-468 | warming media to 37 °C |
| Pipettes | Eppendorf | 492000904 | manual liquid handling |
| Pipete-Aid | Drummond Scientific Company | 4-000-300 | handling sereological pipetes |
| Costar sterile serological pipet (5, 10, 25 and 50 ml) | Corning | 4487; 4101; 4251; 4490 | liquid handling |
| PBS (phosphate buffered saline), pH 7.4 | ThermoFisher/Gibco | 10010023; 10010072; 10010031; 10010049 | cell culture processing |
| 0.25% trypsin/EDTA solution | ThermoFisher/Gibco | 25200056; 25200072; 25200114 | lifting adherent cells and dispersing cell aggregates |
| 15 ml conical tube | Corning/BD Falcon | 352097 | cell centrifugation |
| 50 ml conical tube | Corning/BD Falcon | 352098 | cell centrifugation |
| Eppendor refrigerated centrifuge | Eppendorf/Fisher Scientific | Model 5810R | cell centrifugation |
| hemocytometer | Fisher Scientific | 26716 | cell counting |
| trypan blue | Sigma-Aldrich | T8154 SIGMA | dead cell exclusion during cell counting in hemacytometer |
| Defined xenofree MSC medium-1 (XFM-1) | ThermoFisher/Gibco | A1067501 | Xeno-free media specifically formulated for the growth and expansion of human mesenchymal stem cells |
| Defined xenofree MSC medium-2 (XFM-2) | Stem Cell Technologies | 5420 | Defined, xeno-free medium for human mesenchymal stem cells |
| HSA (Human serum albumin) | Gemini | 800-120 | Component of xeno-free MSC media |
| rHSA (recombinant Human serum albumin) | Sigma-Aldrich | A9731 SIGMA | Component of xeno-free MSC media |
| 8-channel pipette, 10 – 100 µL | Eppendorf | 022453904 | preparation of hanging drops |
| Total RNA isolation Mini Kit | Qiagen | 74104 | Total RNA extraction |
| Qiashredder | Qiagen | 79654 | Sample homogenization prior to total RNA extraction |
| RNAse-free DNase Set | Qiagen | 79254 | On-column DNA elimination during total RNA extraction |
| β-mercaptoethanol | Sigma-Aldrich | M6250 ALDRICH | inhibition of RNAses in RLT buffer |
| Vortex | VWR | 97043-562 | mixing sample |
| Spectrophotometer | Biorad | NA | RNA concentration and quality |
| High capacity cDNA Reverse Transcription Kit | ThermoFisher/Applied Biosystems | 4368814 | transcription of total RNA into cDNA |
| Gene Expression Assays | ThermoFisher/Applied Biosystems | varies | primer/probe combination for real-time PCR |
| Fast Universal PCR Master Mix | ThermoFisher/Applied Biosystems | 4352042; 4364103; 4366073; 4367846 | master mix for real-time PCR reaction |
| Real-time PCR system (ABI Prism 7900 HT Sequence Detection System) | ABI Prizm | NA | real-time PCR |
| 1.5 ml centrifuge tube | Eppendorf | 22364111 | cell centrifugation, sample collection and storage |
| (-80°C) freezer | Thermo Fisher | Model Thermo Forma 8695 | sample storage |
| PGE2 (Prostaglandin E2) ELISA Kit | R&D Systems | KGE004B | estimation of cytokine concentration in the sample |
| DMEM (Dulbecco’s modified Eagle medium) | ThermoFisher/Gibco | 10566-016; 10566-024;10566-032 | macrophage culture media |
| J774 mouse macrophages | ATCC | TIB-67 | mouse macrophage cell line |
| 12-well plate | Corning | 3513 | in-vitro macrophage stimulation |
| LPS (lipopolysaccharide) | Sigma-aldrich | L4130 | in vitro macrophage stimulation |
| Mouse TNF-a ELISA kit | R&D Systems | MTA00B | estimation of cytokine concentration in the sample |
| Mouse IL-10 (interleukin 10) ELISA kit | R&D Systems | M1000B | estimation of cytokine concentration in the sample |
| RPMI-1640 medium | ThermoFisher/Gibco | 11875-085 | splenocyte culture media |
| BALB/c mice | The Jackson Laboratory | 651 | in vivo spheroid delivery; splenocyte preparation |
| Anti-Mouse CD3e Functional Grade Purified | eBioscience | 145-2C11 | In vitro splenocyte stimulation |
| 70 μm strainer | Corning | 352350 | Splenocyte preparation |
| Red blood cell lysis solution (1x) | Affymetrix eBioscience | 00-4333 | removal of red blood cells during splenocyte isolation |
| Mouse IFN-y (interferon gamma) ELISA kit | R&D Systems | MIF 00 | estimation of cytokine concentration in the sample |
| LNCaP prostate cancer cells | ATCC | CRL-1740 | study the effect of 3D MSCs on cancer cell lines in vitro |
| DNA-based cell proliferation assay kit | ThermoFisher | C7026 | cell number measurement based on DNA content |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S5150 | component of lysis reagent |
| EDTA (ethylenediaminetetraacetic acid) | ThermoFisher | FERR1021 | calcium chelator, component of lysis reagent |
| Rnase A | Qiagen | 19101 | RNA degradation for measurement of DNA |
| Filter-based multi-mode microplate reader | BMG Technology | NA | Microplate assays (ELISA, cell quantification, e.t.c.) |
| HBSS (Hanks balanced salt solution), no calcium, no magnesium, no phenol red | ThermoFisher/Gibco | 14175079 | resupsension of MSC spheroids prior to in vivo injections |
| Isoflurane | MWI Vet Supply | 502017 | Anesthesia for in vivo injections |
| Oxygen, compressed gas | Praxair | NA | For use with isoflurane |
| Thermo Forma BSL-2 cabinet | Thermo Fisher | Model 1385 | Sterile cell culture |
| Safety I.V. catheter/needle stiletto, 20G, 1 inch | Terumo | SR*FNP2025 | Delivery of shperoids into peritoneal cavity |
| Sterile micropipette tips | Eppendorf | varies | liquid/cells handling |
References
- Keating, A. Mesenchymal stromal cells: New directions. Cell Stem Cell. 10 (6), 709-716 (2012).
- English, K., Wood, K. J. Mesenchymal stromal cells in transplantation rejection and tolerance. Cold Spring Harb Perspect.Med. 3 (5), a015560 (2013).
- Le Blanc, K., Mougiakakos, D. Multipotent mesenchymal stromal cells and the innate immune system. Nat.Rev.Immunol. 12 (5), 383-396 (2012).
- Follin, B., Juhl, M., Cohen, S., Perdersen, A. E., Kastrup, J., Ekblond, A. Increased Paracrine Immunomodulatory Potential of Mesenchymal Stromal Cells in Three-Dimensional Culture. Tissue Eng.Part B.Rev. , (2016).
- Cesarz, Z., Tamama, K. Spheroid Culture of Mesenchymal Stem Cells. Stem Cells Int. , 9176357 (2016).
- Achilli, T. M., Meyer, J., Morgan, J. R. Advances in the formation, use and understanding of multi-cellular spheroids. Expert Opin.Biol. Ther. 12 (10), 1347-1360 (2012).
- Sart, S., Tsai, A. C., Li, Y., Ma, T. Three-dimensional aggregates of mesenchymal stem cells: cellular mechanisms, biological properties, and applications. Tissue Eng.Part B.Rev. 20 (5), 365-380 (2014).
- Bartosh, T. J., et al. Aggregation of human mesenchymal stromal cells (MSCs) into 3D spheroids enhances their antiinflammatory properties. Proc.Natl.Acad.Sci.U.S.A. 107 (31), 13724-13729 (2010).
- Potapova, I. A., et al. Mesenchymal stem cells support migration, extracellular matrix invasion, proliferation, and survival of endothelial cells in vitro. Stem Cells. 25 (7), 1761-1768 (2007).
- Frith, J. E., Thomson, B., Genever, P. G. Dynamic three-dimensional culture methods enhance mesenchymal stem cell properties and increase therapeutic potential. Tissue Eng.Part C.Methods. 16 (4), 735-749 (2010).
- Lee, R. H., et al. Intravenous hMSCs Improve Myocardial Infarction in Mice because Cells Embolized in Lung Are Activated to Secrete the Anti-inflammatory Protein TSG-6. Cell Stem Cell. 5 (1), 54-63 (2009).
- Bartosh, T. J., Ylostalo, J. H., Bazhanov, N., Kuhlman, J., Prockop, D. J. Dynamic compaction of human mesenchymal stem/precursor cells into spheres self-activates caspase-dependent il1 signaling to enhance secretion of modulators of inflammation and immunity (PGE2, TSG6, and STC1). Stem Cells. 31 (11), 2443-2456 (2013).
- Ylostalo, J. H., Bartosh, T. J., Coble, K., Prockop, D. J. Human mesenchymal stem/stromal cells cultured as spheroids are self-activated to produce prostaglandin E2 that directs stimulated macrophages into an anti-inflammatory phenotype. Stem Cells. 30 (10), 2283-2296 (2012).
- Ylostalo, J. H., Bartosh, T. J., Tiblow, A., Prockop, D. J. Unique characteristics of human mesenchymal stromal/progenitor cells pre-activated in 3-dimensional cultures under different conditions. Cytotherapy. 16 (11), 1486-1500 (2014).
- Pittenger, M. F., et al. Multilineage potential of adult human mesenchymal stem cells. Science. 284 (5411), 143-147 (1999).
- Uccelli, A., Moretta, L., Pistoia, V. Mesenchymal stem cells in health and disease. Nat.Rev.Immunol. 8 (9), 726-736 (2008).
- Dominici, M., et al. Minimal criteria for defining multipotent mesenchymal stromal cells. The International Society for Cellular Therapy position statement. Cytotherapy. 8 (4), 315-317 (2006).
- Fontaine, M. J., Shih, H., Schafer, R., Pittenger, M. F. Unraveling the Mesenchymal Stromal Cells’ Paracrine Immunomodulatory Effects. Transfus.Med.Rev. 30 (1), 37-43 (2016).
- Nemeth, K., et al. Bone marrow stromal cells attenuate sepsis via prostaglandin E(2)-dependent reprogramming of host macrophages to increase their interleukin-10 production. Nat.Med. 15 (1), 42-49 (2009).
- Prockop, D. J. Concise review: two negative feedback loops place mesenchymal stem/stromal cells at the center of early regulators of inflammation. Stem Cells. 31 (10), 2042-2046 (2013).
- Krampera, M. Mesenchymal stromal cell ‘licensing’: a multistep process. Leukemia. 25 (9), 1408-1414 (2011).
- Saleh, F. A., Genever, P. G. Turning round: multipotent stromal cells, a three-dimensional revolution?. Cytotherapy. 13 (8), 903-912 (2011).
- Tsai, A. C., Liu, Y., Yuan, X., Ma, T. Compaction, fusion, and functional activation of three-dimensional human mesenchymal stem cell aggregate. Tissue Eng.Part A. 21 (9-10), 1705-1719 (2015).
- Yeh, H. Y., Liu, B. H., Hsu, S. H. The calcium-dependent regulation of spheroid formation and cardiomyogenic differentiation for MSCs on chitosan membranes. Biomaterials. 33 (35), 8943-8954 (2012).
- Lee, E. J., et al. Spherical bullet formation via E-cadherin promotes therapeutic potency of mesenchymal stem cells derived from human umbilical cord blood for myocardial infarction. Mol.Ther. 20 (7), 1424-1433 (2012).
