조직 공학 및 질병 조사에있는 사용을위한 소아 인간의 식도 상피 세포의 조건부 재 프로그래밍
Summary
조건부 재 프로그래밍을 이용하여 인간의 소아 식도 상피 세포의 확장 결함이나 부상을 치료 및 치료 심사 분석을위한 저수지 역할을하는자가 이식을 위해 식도 구조 엔지니어링에 이용 될 수있는 셀의 환자 별 인구와 수사관을 제공합니다.
Abstract
Identifying and expanding patient-specific cells in culture for use in tissue engineering and disease investigation can be very challenging. Utilizing various types of stem cells to derive cell types of interest is often costly, time consuming and highly inefficient. Furthermore, undesired cell types must be removed prior to using this cell source, which requires another step in the process. In order to obtain enough esophageal epithelial cells to engineer the lumen of an esophageal construct or to screen therapeutic approaches for treating esophageal disease, native esophageal epithelial cells must be expanded without altering their gene expression or phenotype. Conditional reprogramming of esophageal epithelial tissue offers a promising approach to expanding patient-specific esophageal epithelial cells. Furthermore, these cells do not need to be sorted or purified and will return to a mature epithelial state after removing them from conditional reprogramming culture. This technique has been described in many cancer screening studies and allows for indefinite expansion of these cells over multiple passages. The ability to perform esophageal screening assays would help revolutionize the treatment of pediatric esophageal diseases like eosinophilic esophagitis by identifying the trigger mechanism causing the patient’s symptoms. For those patients who suffer from congenital defect, disease or injury of the esophagus, this cell source could be used as a means to seed a synthetic construct for implantation to repair or replace the affected region.
Introduction
식도 조직 공학 및 호산 구성 식도염 (삼킴)는 지난 10 년간 많은 실험실에서 연구의 초점이되고있다. 이러한 식도 폐쇄증과 같은 선천성 결함, 1 먹을 수 없다는 선도 식도의 불완전 개발 결과 약 1 4,000에서 출산에 볼 수 있습니다. 호산구 식도염의 발생률과 유병률은 1993 년 질병 엔티티의 식별이 호산구 식도염의 빈도는 10 인 – 연간 / 100,000 0.7에서 변화와 유병률은 43 / 10 만 2 0.2에서 원거리 이후로 증가하고있다. 롱갭 식도 폐쇄증의 치료에 대한 새로운 매력적인 접근법 수술은 환자 자신의 세포를 이용하여 이식을위한 조직 구조를 생성하는 것으로 이루어진다. 합성 비계와 함께이 세포들은 면역 억제를 필요로하지 않는자가 구조를 생성합니다. 일부 그룹은 이미 우리를 조사하기 시작했다7 – 식도 조직 공학 (3)뿐만 아니라 고유의 식도 상피 세포의 사용과 같은 줄기 세포의 예는 점막 4를 다시 채울. 소아 환자의 식도에 존재하는 질병은 종종 진단이나 간섭없이 공부하기 어렵다. 또한, 사용 동물 모델 또는 시험 관내에서 정확한 질병의 발병 또는 환자 별 차이 (8)을 포함하지 않는 호산구 식도염 등 소아 질환 세포주 모델을 불멸. 따라서, 위해 체외에서 환자의 질병 과정을 연구 할 수있는 기능은 특정 질병 유발 항원을 식별하는 기본 메커니즘을 평가하고 새로운 일 및 환자 치료에 도움이되는 정보와 임상의를 제공 할 것이다 약물 치료를 조사합니다.
tissu에서 사용하기 위해 제안 된 많은 환자는자가 또는 특정 세포 유형이 있었다전자 공학 및 인간 질병의 발병 기전을 연구. 그러나, 이들 세포 유형의 일부 큰 지지체 시드 또는 시험 관내 연구에서 높은 처리량을 수행 할 특정 표현형의 충분한 세포를 생성하는 그들의 능력에 제한된다. 다 능성 또는 다 능성 줄기 세포의 사용은 많은 연구의 논의의 주제왔다 그러나, 이들 세포를 사용 제한 및 단점도 9를 설명 하였다. 인간 배아 줄기 세포의 사용은 매우 많은 논쟁 윤리적 문제를 제시한다. 가장 중요한 것은, 이러한 세포는 그들의 능성 상태 사전 거실 호스트 (10)로 전달을 구별하지 않는 경우, 종양과 유사한 기형 종을 형성한다. 또, 배아 줄기 세포의 사용은 환자의 특정되지 않을 것 및 동종 면역 반응 억제 (10)의 필요성을 유도 할 수있다. 유도 만능 줄기 세포 (iPSCs)는 그 수있는 만능 세포이다환자 자신의 세포로부터 유도 될 수있다. 피부 세포 등의 체세포, 통합 및 비 통합하는 다양한 기술을 사용하여 다 능성 상태로 유도 할 수있다. 이 세포는 조직 공학 또는 질병 연구를위한 환자 맞춤형 세포 소스 역할을합니다. 이들 세포에 원하지 않는 유전 물질의 통합은 여러 설명하고 서열하더라도 완전히 제거 iPSCs들이 11 유도되었던 세포 유형 향해 후생 유전 학적 "메모리"보존 나타날 우려이다. 이식 11 일 전에 분화되지 않는 경우 상기 세포는 생체 내에서 기형 종을 형성한다. 많은 분화 프로토콜 그러나, 분화의 끝에서 생성 된 세포 유형이 균일 및 O 아니라는 것을주의하는 것이 중요 상피 계통 (12, 13), (14)에 집중 조사되었다할수 있답니다 관심의 세포 유형의 일부를 소유한다. 이것은 낮은 수율 및 목적하는 세포 유형을 정제 할 필요성을 초래한다. iPSCs 잠재적 환자 별 셀 소스이지만, 처리는 조직 공학 또는 질병 조사 중 하나에 대한 관심의 세포 유형은 매우 비효율적이다 얻었다.
폐 15 유 16 17 소장, 결장 (18), 방광 (19) 및 식도 (20) : 인간 상피 세포가 성공적 포함한 인체에 질병 및 비 병변 조직 모두 다양한 분리되었다. 이는 일차 인간 세포 표현형 (21), (22)이 유지되는 통로 유한 수있는 것이 중요하다. 불행하게도,이 즉, 질병 조사 또는 설계 발판을 시드에 필요한 세포의 수주입 달성되지 않을 수 있습니다. 따라서, 새로운 기술은 여전히 상피 표현형을 유지하면서 환자의 세포를 확대 할 필요가있다. 피더 세포와 ROCK 저해제를 이용하여 정상 및 암 상피 세포의 조건부 재 프로그래밍은 리우 등에 의해 2012 년에 설명했다. 2 3. 이 기술은 조사 된 피더 세포, 암 억제제 및 조건부 프로그래밍 매체를 이용하여 전립선 및 유방암의 생검에서 얻은 암성 상피 세포를 확장하는 데에 이용 하였다. 목표는 약물 검사 등의 체외 분석을위한 충분한 세포를 생성하는 것이 었습니다. 이 기술은 높은 증식하는 줄기 또는 선조 같은 상태를 "리 프로그래밍"이 무기한 세포 상피 세포를 확대 할 수있다. 이들 세포가 아닌 종양이며 기형 종 (23), (24)을 형성하는 능력을 갖고 있지 않는 것이 입증되었다. 또한, 아니염색체 이상 또는 유전자 조작이 기술 23, 24을 사용 문화에 이러한 세포를 계대 후 참석했다. 가장 중요한 것은, 이들 세포는 주목 원시 세포 유형으로 분화 할 수있다. 따라서,이 기술은 불멸화 없이도 질환 조사 또는 조직 공학을위한 환자 별 상피 세포의 큰 저장 용기를 제공한다.
질병 과정을 연구하기 위해 특정 기관의 상피 조직을 얻기 때문에, 환자의 위험을 가능 종종 한정되지 항상. 식도 질환 또는 결함을 앓고있는 환자의 경우, 내시경 생검 검색이 해리 조건이 환자의 식도 점막 고유 부정 셀 소스를 제공하기 위해 재 프로그램 될 수있는 상피 조직을 얻기위한 최소 침습적 방법이다. 이것은 다음 체외 연구 허용상피 세포의 잠재적 치료제에 대한 질병 프로세스와 화면을 평가합니다. 크게 이러한 접근법으로부터 이익을 얻을 수 한 질병 과정 식도 (8)의 알레르기 질환과 같은 설명했지만 호산구 식도염이다. 알레르기 시험뿐만 아니라 치료 방법은 환자 자신의 상피 세포를 사용하여 시험 관내에서 평가 될 수 있고,이 데이터는 개별 치료 계획을 수립하기 위해 치료 의사에 전달 될 수있다. 소아 환자에서 내시경 생검을 얻기과 함께 조건부 프로그래밍의 기술은 모든 환자에서 무기한 정상 식도 상피 세포를 확장 할 수있는 기능을 제공합니다. 이 셀 소스 따라서 결함, 질병이나 외상에 대한 환자 맞춤형 수술 옵션을 제공하는 천연 또는 합성 비계와 함께 협력 할 수있다. 무기한 세포 수를 갖는 것은 완전히 시드 가지고 식도 구조 엔지니어링 도움이 될 것이다위해 식도 상피 세포와 루멘하면 나머지 세포 유형의 재생을 촉진하는 데 도움.
Protocol
Representative Results
Discussion
환자로부터 생검 식도 상피 세포를 분리하고 확장하기 위해 가장 중요한 단계가있다 : 1) 적절히 최소 세포사와 생검 조직 해리; 2) 보장 ROCK 억제제마다 변화 매체에서 세포 배양 배지에 첨가되고; 3) 권장보다 더 피더 세포를 사용하지 마십시오 4) 깨끗한 무균 문화를 유지; 5) 합류에 도달하기 직전 통로 세포.
조건부 인해 프로그래밍 얻어 생검 표본에서 환자 – 관련 차이로는…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We would like to acknowledge Connecticut Children’s Medical Center Strategic Research Funding for supporting this work.
Materials
| Primocin | InVivogen | ant-pm2 | |
| Isopentane | Sigma Aldrich | 277258-1L | |
| Gelatin From Porcine Skin | Sigma Aldrich | G1890-100G | |
| DMEM | Thermofisher Scientific | 11965092 | |
| Cryomold | TissueTek | 4565 | |
| Cryomatrix OCT | Thermofisher Scientific | 6769006 | |
| 15ml Conical Tubes | Denville Scientific | C1017-p | |
| Complete Keratinocyte Serum Free Medium | Thermofisher Scientific | 10724011 | |
| Penicillin Streptomycin | Thermofisher Scientific | 15140122 | |
| Glutamax | Thermofisher Scientific | 35050061 | |
| Insulin Solution | Sigma Aldrich | I9278-5ml | |
| Human Epidermal Growth Factor (EGF) | Peprotech | AF-100-15 | |
| ROCK Inhibitor (Y-27632) | Fisher Scientific | 125410 | |
| F-12 Medium | Thermofisher Scientific | 11765054 | |
| Fetal Bovine Serum | Denville Scientific | FB5001 | |
| Dispase | Thermofisher Scientific | 17105041 | |
| 0.05% Trypsin-EDTA | Thermofisher Scientific | 25300062 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA | Thermofisher Scientific | 25200072 | |
| 100mm Dishes | Denville Scientific | T1110-20 | |
| 150mm Dishes | Denville Scientific | T1115 | |
| 50ml Conicals | Denville Scientific | C1062-9 | |
| Phosphate Buffered Saline Tablets | Fisher Scientific | BP2944-100 | |
| 5ml Pipettes | Fisher Scientific | 1367811D | |
| 10ml Pipettes | Fisher Scientific | 1367811E | |
| 25ml Pipettes | Fisher Scientific | 1367811 | |
| 9" Pasteur Pipettes | Fisher Scientific | 13-678-20D | |
| NIH 3T3 Cells | ATCC | CRL1658 |
References
- Clark, D. C. Esophageal atresia and tracheoesophageal fistula. Am Fam Physician. 59 (4), 910-920 (1999).
- Soon, I. S., Butzner, J. D., Kaplan, G. G., deBruyn, J. C. Incidence and prevalence of eosinophilic esophagitis in children. J Pediatr Gastroenterol Nutr. 57 (1), 72-80 (2013).
- Sjöqvist, S., et al. Experimental orthotopic transplantation of a tissue-engineered oesophagus in rats. Nat Commun. 5, 3562 (2014).
- Saxena, A. K. Esophagus tissue engineering: designing and crafting the components for the ‘hybrid construct’ approach. Eur J Pediatr Surg. 24 (3), 246-262 (2014).
- Saxena, A. K., Ainoedhofer, H., Höllwarth, M. E. Culture of ovine esophageal epithelial cells and in vitro esophagus tissue engineering. Tissue Eng Part C Methods. 16 (1), 109-114 (2010).
- Saxena, A. K., Kofler, K., Ainodhofer, H., Hollwarth, M. E. Esophagus tissue engineering: hybrid approach with esophageal epithelium and unidirectional smooth muscle tissue component generation in vitro. J Gastrointest Surg. 13 (6), 1037-1043 (2009).
- Macheiner, T., Kuess, A., Dye, J., Saxena, A. K. A novel method for isolation of epithelial cells from ovine esophagus for tissue engineering. Biomed Mater Eng. 24 (2), 1457-1468 (2014).
- Mishra, A. Significance of Mouse Models in Dissecting the Mechanism of Human Eosinophilic Gastrointestinal Diseases (EGID). J Gastroenterol Hepatol Res. 2 (11), 845-853 (2013).
- Medvedev, S. P., Shevchenko, A. I., Zakian, S. M. Induced Pluripotent Stem Cells: Problems and Advantages when Applying them in Regenerative Medicine. Acta Naturae. 2 (2), 18-28 (2010).
- Metallo, C. M., Azarin, S. M., Ji, L., de Pablo, J. J., Palecek, S. P. Engineering tissue from human embryonic stem cells. J Cell Mol Med. 12 (3), 709-729 (2008).
- Lee, H., Park, J., Forget, B. G., Gaines, P. Induced pluripotent stem cells in regenerative medicine: an argument for continued research on human embryonic stem cells. Regen Med. 4 (5), 759-769 (2009).
- Ghaedi, M., et al. Human iPS cell-derived alveolar epithelium repopulates lung extracellular matrix. J Clin Invest. 123 (11), 4950-4962 (2013).
- Huang, S. X., et al. Efficient generation of lung and airway epithelial cells from human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. , (2013).
- Ogaki, S., Morooka, M., Otera, K., Kume, S. A cost-effective system for differentiation of intestinal epithelium from human induced pluripotent stem cells. Sci Rep. 5, 17297 (2015).
- Ehrhardt, C., Kim, K. J., Lehr, C. M. Isolation and culture of human alveolar epithelial cells. Methods Mol Med. 107, 207-216 (2005).
- Zubeldia-Plazaola, A., et al. Comparison of methods for the isolation of human breast epithelial and myoepithelial cells. Front Cell Dev Biol. 3, 32 (2015).
- Spurrier, R. G., Speer, A. L., Hou, X., El-Nachef, W. N., Grikscheit, T. C. Murine and human tissue-engineered esophagus form from sufficient stem/progenitor cells and do not require microdesigned biomaterials. Tissue Eng Part A. 21 (5-6), 906-915 (2015).
- Roche, J. K. Isolation of a purified epithelial cell population from human colon. Methods Mol Med. 50, 15-20 (2001).
- Southgate, J., Hutton, K. A., Thomas, D. F., Trejdosiewicz, L. K. Normal human urothelial cells in vitro: proliferation and induction of stratification. Lab Invest. 71 (4), 583-594 (1994).
- Kalabis, J., et al. Isolation and characterization of mouse and human esophageal epithelial cells in 3D organotypic culture. Nat Protoc. 7 (2), 235-246 (2012).
- Geraghty, R. J., et al. Guidelines for the use of cell lines in biomedical research. Br J Cancer. 111 (6), 1021-1046 (2014).
- Lodish, H., Berk, A., Zipursky, S. L., et al. . Molecular Cell Biology. , (2000).
- Liu, X., et al. ROCK inhibitor and feeder cells induce the conditional reprogramming of epithelial cells. Am J Pathol. 180 (2), 599-607 (2012).
- Suprynowicz, F. A., et al. Conditionally reprogrammed cells represent a stem-like state of adult epithelial cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (49), 20035-20040 (2012).
- Davis, A. A., et al. A human retinal pigment epithelial cell line that retains epithelial characteristics after prolonged culture. Invest Ophthalmol Vis Sci. 36 (5), 955-964 (1995).
- Carro, O. M., Evans, S. A., Leone, C. W. Effect of inflammation on the proliferation of human gingival epithelial cells in vitro. J Periodontol. 68 (11), 1070-1075 (1997).
