Summary

Chondrogenic גלולה היווצרות דם טבורי הנגזרות Pluripotent תאים גזעיים

Published: June 19, 2017
doi:

Summary

כאן, אנו מציעים פרוטוקול לבידול chondrogenic מ דם טבורי mononuclear תאים נגזר האדם המושרה בתאי גזע pluripotent.

Abstract

לסחוס המפרקי של האדם אין יכולת לתקן את עצמו. ניוון הסחוס ולכן מטופל לא על ידי טיפולים שמרניים אלא על ידי שמרני. נכון לעכשיו, המאמצים נעשים כדי לחדש סחוס פגום עם chivrocytes לשעבר vivo מורחבת או מוח העצם נגזר תאי גזע mesenchymal (BMSCs). עם זאת, המוגבלות הכדאיות וחוסר היציבות של תאים אלה להגביל את היישום שלהם שחזור סחוס. תאי גזע pluripotent האדם המושרה (hiPSCs) קיבלו תשומת לב מדעית כחלופה חדשה ליישומים משובי. עם יכולת חידוש עצמי בלתי מוגבלת ורב-יכולות, hiPSCs הודגשו כמקור חלופי חדש לתיקון סחוס. עם זאת, השגת כמות גבוהה של כדורי chondrogenic באיכות גבוהה היא אתגר גדול היישום הקליני שלהם. במחקר זה, השתמשנו בתאי גדילה של תאי גופרית (EB). CHondrogenesis מוצלח אושרה על ידי PCR אD מכתים עם כחול alcian, כחול toluidine, ונוגדנים נגד סוגי קולגן I ו- II (COL1A1 ו COL2A1, בהתאמה). אנו מספקים שיטה מפורטת להבדיל של דם טבורי mononuclear תא נגזר iPSCs (CBMC-hiPSCs) לתוך כדורי chondrogenic.

Introduction

השימוש hiPSCs מייצג אסטרטגיה חדשה עבור בדיקות סמים ומחקרים מכניסטיים של מחלות שונות. מנקודת מבט משובי, hiPSCs הם גם מקור פוטנציאלי להחלפת רקמות שנפגעו בעלי יכולת ריפוי מוגבלת, כגון סחוס מפרקי 1 , 2 .

התחדשות של סחוס articular יליד כבר אתגר במשך כמה עשרות שנים. סחוס המפרק הוא רקמה רכה, לבנה, המעטפת את קצה העצמות ומגינה עליהם מפני חיכוך. עם זאת, יש לו יכולת regenerative מוגבל כאשר פגום, מה שהופך תיקון עצמי כמעט בלתי אפשרי. לכן, מחקר התמקדות התחדשות הסחוס כבר מתמשך במשך כמה עשורים.

בעבר, ב מבחנה חוץ גופית לתוך השושלת chondrogenic בוצעה בדרך כלל עם BMSCs או chondrocytes יליד מבודד מפרק הברך 3 . בשל TO הפוטנציאל chondrogenic שלהם, BMSCs ו chondrocytes יליד יש יתרונות רבים התומכים בשימוש שלהם chondrogenesis. עם זאת, בשל ההתפשטות המוגבלת שלהם פנוטיפ יציב, תאים אלה בפני מספר מגבלות שחזור של מומים הסחוס המפרקי. תחת תנאים תרבות חוץ גופית , תאים אלה נוטים לאבד את המאפיינים שלהם לאחר 3-4 מעברים, אשר בסופו של דבר משפיע על יכולות ההבחנה שלהם 4 . כמו כן, במקרה של chondrocytes יליד, נזק נוסף למפרק הברך הוא בלתי נמנע בעת קבלת תאים אלה.

שלא כמו BMSCs או chondrocytes יליד, hiPSCs יכול להאריך ללא הגבלת במבחנה . עם התנאים תרבות נאותה, hiPSCs יש פוטנציאל גדול כמקור חלופי עבור בידול chondrogenic. עם זאת, זה מאתגר לשנות את המאפיינים המהותיים של hiPSCs 5 . יתר על כן, זה לוקח כמה מסובך במבחנה stePS לכוון את גורלם של hiPSCs לסוג תא מסוים. למרות סיבוכים אלה, השימוש hiPSCs עדיין מומלץ בשל יכולת ההתחדשות העצמית שלהם ואת יכולתם להבדיל תאים ממוקד, כולל chondrocytes 6 .

בידול chondrogenic נעשה בדרך כלל עם מערכות תרבות תלת מימדי, כגון תרבות גלולה או תרבות micromass, באמצעות תאים MSC כמו. אם באמצעות hiPSCs, פרוטוקול לייצר תאים כמו MSC כמו שונה הפרוטוקולים הקיימים. כמה קבוצות להשתמש בתרבות monolayer של hiPSCs כדי להמיר ישירות את הפנוטיפ לתוך תאים כמו MSC 7 . עם זאת, רוב המחקרים משתמשים ב- EBS כדי ליצור תאי תמותה הדומים ל- MSC 8 , 9 , 10 , 11 .

סוגים שונים של גורמי גדילה משמשים לגרום chondrogeNesis. בדרך כלל, BMP ו TGFβ משפחה חלבונים משמשים, לבד או בשילוב. הבידול גם הוא המושרה עם גורמים אחרים, כגון GDF5, FGF2, ו IGF1 12 , 13 , 14 , 15 . TGFβ1 הוכח לעורר chondrogenesis באופן תלוי מינון MSCs 16 . בהשוואה לאיזוטופיפ השני, TGFβ3, TGFβ1 גורם chondrogenesis על ידי הגדלת pre-cartilage תא התעבות mesenchymal מראש. TGFβ3 גורם chondrogenesis על ידי הגדלה משמעותית של התפשטות תאים mesenchymal 17 . עם זאת, TGFβ3 משמש לעתים קרובות יותר על ידי חוקרים מאשר TGFβ1 7 , 10 , 18 , 19 . BMP2 משפר את הביטוי של גנים הקשורים רכיבים chondrogenic מטריקס האדםChondrocytes מפרקי תחת בתנאים חוץ גופית 20 . BMP2 מגביר את הביטוי של גנים קריטיים להיווצרות סחוס ב- MSCs בשילוב עם חלבונים TGFβ 21 . כמו כן הוכח כי BMP2 סינרגיסטי משפר את ההשפעה של TGFβ3 דרך מסלולי Smad ו- MAPK 22 .

במחקר זה, CBMC-hiPSCs היו מצטברים לתוך EBS באמצעות EB בינוני בצלחת פטרי מצורף נמוך. תאי תולדה נגרמו על ידי הצמדת ה- EBS לצלחת מצופה ג'לטין. בידול chondrogenic באמצעות תאים תולדה בוצעה על ידי תרבות גלולה. טיפול עם שני BMP2 ו TGFβ3 בהצלחה מרוכז התאים המושרה תאי מטריקס תאי (ECM) הצטברות חלבון עבור היווצרות chondrogenic גלולה. מחקר זה מציע פרוטוקול בידול chondrogenic פשוטה אך יעילה באמצעות CBMC-hiPSCs.

Protocol

פרוטוקול זה אושר על ידי המועצה המוסדית סקירה של האוניברסיטה הקתולית של קוריאה (KC12TISI0861). CBMCs המשמשים לתכנות מחדש הושגו ישירות מהבנק הטבורי של בית החולים סנט מרי בסיאול. 1. בידול Chondrogenic מ iPSCs <li style=";text-align:right;di…

Representative Results

במחקר זה, יצרנו כדורי chondrogenic מ CBMC-hiPSCs על ידי גרימת תאים outgrowth מ EBS. בידול chondrogenic היה המושרה באמצעות CBMC-hiPSCs עם pluripotency 1 אישר 11 . תוכנית פשוטה של ​​הפרוטוקול שלנו מוצג באיור 1A . לפני בידול, מושבות iPSC הורחבו ( איור 1 ב…

Discussion

פרוטוקול זה נוצר בהצלחה hiPSCs מ CBMCs. אנחנו תכנות מחדש CBMCs כדי hiPSCs באמצעות וקטור ויראלי Sendai המכיל גורמים Yamanaka 24 . שלושה מקרים שימשו בידול, וכל הניסויים בהצלחה נוצר chondrogenic pellets באמצעות פרוטוקול זה. מחקרים רבים דיווחו על פרוטוקולים להבחנה של hiPSCs לתוך chondrocytes <sup cl…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

עבודה זו נתמכה על ידי מענק מהפרויקט למחקר ופיתוח של טכנולוגיה בקוריאה, משרד הבריאות, הרווחה והמשפחה, הרפובליקה של קוריאה (HI16C2177).

Materials

Plasticware
100mm Dish TPP 93100
6-well Plate TPP 92006
50 mL Cornical Tube SPL 50050
15 mL Cornical Tube SPL 50015
10 mL Disposable Pipette Falcon 7551
5 mL Disposable Pipette Falcon 7543
12-well Plate TPP 92012
Name Company Catalog Number Description
E8 Medium Materials
DMEM/F12, HEPES Life Technologies 11330-057 E8 Medium (500 mL)
Sodium Bicarbonate Life Technologies 25080-094 E8 Medium (Conc.: 543 μg/mL)
Sodium Selenite Sigma Aldrich S5261 E8 Medium  (Conc.: 14 ng/mL)
Human Transfferin Sigma Aldrich T3705 E8 Medium (Conc.: 10.7 μg/mL)
Basic FGF2 Peprotech 100-18B E8 Medium  (Conc.: 100 ng/mL)
Human Insulin Life Technologies 12585-014 E8 Medium (Conc.: 20 μg/mL)
Human TGFβ1 Peprotech 100-21 E8 Medium (Conc.: 2 ng/mL)
Ascorbic Acid Sigma Aldrich A8960 E8 Medium  (Conc.: 64 μg/mL)
DPBS Life Technologies 14190-144
Vitronectin Life Technologies A14700
ROCK Inhibitor Sigma Aldrich Y0503
Name Company Catalog Number Description
Quality Control Materials
18 mm Cover Glass Superior HSU-0111580
4% Paraformaldyhyde Tech & Innovation BPP-9004
Triton X-100 BIOSESANG 9002-93-1
Bovine Serum Albumin Vector Lab SP-5050
Anti-SSEA4 Antibody Millipore MAB4304
Anti-Oct4 Antibody Santa Cruz SC9081
Anti-TRA-1-60 Antibody Millipore MAB4360
Anti-Sox2 Antibody Biolegend 630801
Anti-TRA-1-81 Antibody Millipore MAB4381
Anti-Klf4 Antibody Abcam ab151733
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse IgG (H+L) antibody Molecular Probe A11029
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG (H+L) antibody Molecular Probe A11037
DAPI Molecular Probe D1306
Prolong gold antifade reagent Invitrogen P36934
4% Paraformaldyhyde Tech & Innovation BPP-9004
Tween 20 BIOSESANG T1027
Bovine Serum Albumin Vector Lab SP-5050
Anti-Collagen II antibody abcam  ab34712 1:100
Alcian blue Sigma Aldrich A3157-10G
Fast Green FCF Sigma Aldrich F7252-25G
Safranin O Sigma Aldrich 090m0039v
Nuclear fast red Americanmastertech STNFR100 
xylene Duksan 115 
Ethanol Duksan 64-17-5
Mayer's hematoxylin solution wako pure chemical industries LAK7534
DAP VECTOR LABORATORIES SK-4100
Slide Glass, Coated Hyun Il Lab-Mate HMA-S9914
Trizol Invitrogen 15596-018
Chloroform Sigma Aldrich 366919
Isoprypylalcohol Millipore 109634
Ethanol Duksan 64-17-5
RevertAid First Strand cDNA Synthesis kit Thermo Scientfic K1622
Name Company Catalog Number Description
Chondrogenic Differentiation Materials
DMEM Life Technologies 11885 Chondrogenic media component (500 mL)
Penicilin Streptomycin Life Technologies P4333 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
Ascorbic Acid Sigma Aldrich A8960 Chondrogenic media component (Conc.: 64 μg/mL) 
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X) Life Technologies 11140-050 Chondrogenic media component (Conc.: 100 mM)
rhBMP-2 R&D 355-BM-050 Chondrogenic media component (Conc.:100ng/ml)
Recombinant Hman TGF-beta3 R&D 243-B3-002 Chondrogenic media component (Conc.:10ng/ml)
KnockOut Serum Replacement Life Technologies 10828-028 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
ITS+ Premix BD 354352 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
Dexamethasone-Water Soluble  Sigma Aldrich D2915-100MG Chondrogenic media component (Conc.:10-7 M)
GlutaMAX Supplement Life Technologies 35050-061 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
Sodium pyruvate solution Sigma Aldrich S8636 Chondrogenic media component (Conc.: 1 %)
L-Proline Sigma Aldrich P5607-25G Chondrogenic media component (40μg/ml)

References

  1. van Osch, G. J., et al. Cartilage repair: past and future–lessons for regenerative medicine. J Cell Mol Med. 13 (5), 792-810 (2009).
  2. Ahmed, T. A., Hincke, M. T. Strategies for articular cartilage lesion repair and functional restoration. Tissue Eng Part B Rev. 16 (3), 305-329 (2010).
  3. Diekman, B. O., et al. Cartilage tissue engineering using differentiated and purified induced pluripotent stem cells. Proc Natl Acad Sci USA. 109 (47), 19172-19177 (2012).
  4. Solchaga, L. A., Penick, K., Goldberg, V. M., Caplan, A. I., Welter, J. F. Fibroblast growth factor-2 enhances proliferation and delays loss of chondrogenic potential in human adult bone-marrow-derived mesenchymal stem cells. Tissue Eng Part A. 16 (3), 1009-1019 (2010).
  5. Guzzo, R. M., Drissi, H. Differentiation of Human Induced Pluripotent Stem Cells to Chondrocytes. Methods Mol Biol. 1340, 79-95 (2015).
  6. Drissi, H., Gibson, J. D., Guzzo, R. M., Xu, R. H. Derivation and Chondrogenic Commitment of Human Embryonic Stem Cell-Derived Mesenchymal Progenitors. Methods Mol Biol. 1340, 65-78 (2015).
  7. Nejadnik, H., et al. Improved approach for chondrogenic differentiation of human induced pluripotent stem cells. Stem Cell Rev. 11 (2), 242-253 (2015).
  8. Teramura, T., et al. Induction of mesenchymal progenitor cells with chondrogenic property from mouse-induced pluripotent stem cells. Cell Reprogram. 12 (3), 249-261 (2010).
  9. Koyama, N., et al. Human induced pluripotent stem cells differentiated into chondrogenic lineage via generation of mesenchymal progenitor cells. Stem Cells Dev. 22 (1), 102-113 (2013).
  10. Ko, J. Y., Kim, K. I., Park, S., Im, G. I. In vitro chondrogenesis and in vivo repair of osteochondral defect with human induced pluripotent stem cells. Biomaterials. 35 (11), 3571-3581 (2014).
  11. Nam, Y., Rim, Y. A., Jung, S. M., Ju, J. H. Cord blood cell-derived iPSCs as a new candidate for chondrogenic differentiation and cartilage regeneration. Stem Cell Res Ther. 8 (1), 16 (2017).
  12. Hotten, G. C., et al. Recombinant human growth/differentiation factor 5 stimulates mesenchyme aggregation and chondrogenesis responsible for the skeletal development of limbs. Growth Factors. 13 (1-2), 65-74 (1996).
  13. Murphy, M. K., Huey, D. J., Hu, J. C., Athanasiou, K. A. TGF-beta1, GDF-5, and BMP-2 stimulation induces chondrogenesis in expanded human articular chondrocytes and marrow-derived stromal cells. Stem Cells. 33 (3), 762-773 (2015).
  14. Shintani, N., Siebenrock, K. A., Hunziker, E. B. TGF-ss1 enhances the BMP-2-induced chondrogenesis of bovine synovial explants and arrests downstream differentiation at an early stage of hypertrophy. PLoS One. 8 (1), e53086 (2013).
  15. Fukumoto, T., et al. Combined effects of insulin-like growth factor-1 and transforming growth factor-beta1 on periosteal mesenchymal cells during chondrogenesis in vitro. Osteoarthritis Cartilage. 11 (1), 55-64 (2003).
  16. Worster, A. A., Nixon, A. J., Brower-Toland, B. D., Williams, J. Effect of transforming growth factor beta1 on chondrogenic differentiation of cultured equine mesenchymal stem cells. Am J Vet Res. 61 (9), 1003-1010 (2000).
  17. Knippenberg, M., et al. Differential effects of bone morphogenetic protein-2 and transforming growth factor-beta1 on gene expression of collagen-modifying enzymes in human adipose tissue-derived mesenchymal stem cells. Tissue Eng Part A. 15 (8), 2213-2225 (2009).
  18. Jang, Y., et al. Centrifugal gravity-induced BMP4 induces chondrogenic differentiation of adipose-derived stem cells via SOX9 upregulation. Stem Cell Res Ther. 7 (1), 184 (2016).
  19. Kang, R., et al. Mesenchymal stem cells derived from human induced pluripotent stem cells retain adequate osteogenicity and chondrogenicity but less adipogenicity. Stem Cell Res Ther. 6, 144 (2015).
  20. Tao, H., et al. Biological evaluation of human degenerated nucleus pulposus cells in functionalized self-assembling peptide nanofiber hydrogel scaffold. Tissue Eng Part A. 20 (11-12), 1621-1631 (2014).
  21. Sekiya, I., Larson, B. L., Vuoristo, J. T., Reger, R. L., Prockop, D. J. Comparison of effect of BMP-2, -4, and -6 on in vitro cartilage formation of human adult stem cells from bone marrow stroma. Cell Tissue Res. 320 (2), 269-276 (2005).
  22. Shen, B., Wei, A., Tao, H., Diwan, A. D., Ma, D. D. BMP-2 enhances TGF-beta3-mediated chondrogenic differentiation of human bone marrow multipotent mesenchymal stromal cells in alginate bead culture. Tissue Eng Part A. 15 (6), 1311-1320 (2009).
  23. Rim, Y. A., Nam, Y., Ju, J. H. Induced Pluripotent Stem Cell Generation from Blood Cells Using Sendai Virus and Centrifugation. J Vis Exp. (118), (2016).
  24. Kim, Y., et al. The Generation of Human Induced Pluripotent Stem Cells from Blood Cells: An Efficient Protocol Using Serial Plating of Reprogrammed Cells by Centrifugation. Stem Cells Int. 2016, 1329459 (2016).
  25. Oldershaw, R. A., et al. Directed differentiation of human embryonic stem cells toward chondrocytes. Nat Biotechnol. 28 (11), 1187-1194 (2010).
  26. Toh, W. S., et al. Differentiation and enrichment of expandable chondrogenic cells from human embryonic stem cells in vitro. J Cell Mol Med. 13 (9B), 3570-3590 (2009).
  27. Hwang, N. S., Varghese, S., Elisseeff, J. Derivation of chondrogenically-committed cells from human embryonic cells for cartilage tissue regeneration. PLoS One. 3 (6), e2498 (2008).
  28. Nakagawa, T., Lee, S. Y., Reddi, A. H. Induction of chondrogenesis from human embryonic stem cells without embryoid body formation by bone morphogenetic protein 7 and transforming growth factor beta1. Arthritis Rheum. 60 (12), 3686-3692 (2009).
  29. Guzzo, R. M., Scanlon, V., Sanjay, A., Xu, R. H., Drissi, H. Establishment of human cell type-specific iPS cells with enhanced chondrogenic potential. Stem Cell Rev. 10 (6), 820-829 (2014).
  30. Rim, Y. A., Park, N., Nam, Y., Ju, J. H. Generation of Induced-pluripotent Stem Cells Using Fibroblast-like Synoviocytes Isolated from Joints of Rheumatoid Arthritis Patients. J Vis Exp. (116), (2016).
  31. Pfaff, N., et al. Efficient hematopoietic redifferentiation of induced pluripotent stem cells derived from primitive murine bone marrow cells. Stem Cells Dev. 21 (5), 689-701 (2012).
  32. Xu, H., et al. Highly efficient derivation of ventricular cardiomyocytes from induced pluripotent stem cells with a distinct epigenetic signature. Cell Res. 22 (1), 142-154 (2012).
  33. Lee, S. B., et al. Contribution of hepatic lineage stage-specific donor memory to the differential potential of induced mouse pluripotent stem cells. Stem Cells. 30 (5), 997-1007 (2012).
  34. Hu, S., et al. Effects of cellular origin on differentiation of human induced pluripotent stem cell-derived endothelial cells. JCI Insight. 1 (8), 1-12 (2016).
  35. Vonk, L. A., de Windt, T. S., Slaper-Cortenbach, I. C., Saris, D. B. Autologous, allogeneic, induced pluripotent stem cell or a combination stem cell therapy? Where are we headed in cartilage repair and why: a concise review. Stem Cell Res Ther. 6 (94), 1-11 (2015).
  36. Gomez-Leduc, T., et al. Chondrogenic commitment of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells in collagen matrices for cartilage engineering. Sci Rep. 6, 32786 (2016).
  37. Mareschi, K., et al. Isolation of human mesenchymal stem cells: bone marrow versus umbilical cord blood. Haematologica. 86 (10), 1099-1100 (2001).
  38. Wexler, S. A., et al. Adult bone marrow is a rich source of human mesenchymal ‘stem’ cells but umbilical cord and mobilized adult blood are not. Br J Haematol. 121 (2), 368-374 (2003).
  39. Zhang, X., et al. Isolation and characterization of mesenchymal stem cells from human umbilical cord blood: reevaluation of critical factors for successful isolation and high ability to proliferate and differentiate to chondrocytes as compared to mesenchymal stem cells from bone marrow and adipose tissue. J Cell Biochem. 112 (4), 1206-1218 (2011).
  40. Wagner, W., et al. Replicative senescence of mesenchymal stem cells: a continuous and organized process. PLoS One. 3 (5), e2213 (2008).
  41. Tarte, K., et al. Clinical-grade production of human mesenchymal stromal cells: occurrence of aneuploidy without transformation. Blood. 115 (8), 1549-1553 (2010).
  42. Chen, W. C., et al. Prediction of poor survival by cyclooxygenase-2 in patients with T4 nasopharyngeal cancer treated by radiation therapy: clinical and in vitro studies. Head Neck. 27 (6), 503-512 (2005).
  43. Guzzo, R. M., Gibson, J., Xu, R. H., Lee, F. Y., Drissi, H. Efficient differentiation of human iPSC-derived mesenchymal stem cells to chondroprogenitor cells. J Cell Biochem. 114 (2), 480-490 (2013).

Play Video

Cite This Article
Nam, Y., Rim, Y. A., Ju, J. H. Chondrogenic Pellet Formation from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells. J. Vis. Exp. (124), e55988, doi:10.3791/55988 (2017).

View Video