Summary

Omprogrammere primære fostervann og membran celler Pluripotency Xeno-gratis forhold

Published: November 27, 2017
doi:

Summary

Denne protokollen beskriver omprogrammering av primære amniotic væske og membran mesenchymal stamceller til indusert pluripotent stamceller med en ikke-integrere episomal tilnærming i fullt kjemisk definerte forhold. Prosedyrer for utvinning, kultur, omprogrammering og karakterisering av resulterende indusert pluripotent stamceller strenge metoder er detaljerte.

Abstract

Autologous cellen-basert behandling fikk et skritt nærmere virkeligheten med innføringen av indusert pluripotent stamceller. Fetal stamceller, som fostervann og membran mesenchymal stamceller, representerer en unik udifferensierte celler med løfte vev engineering og omprogrammere til iPSC for fremtidige pediatric intervensjoner og stilk cellen bank. Protokollen presenteres her beskriver en optimalisert prosedyre for å trekke ut og dyrking primære amniotic væske og membran mesenchymal stamceller og generere episomal indusert pluripotent stamceller fra disse cellene i fullt kjemisk definerte kultur forhold menneskelige rekombinant vitronectin og E8 medium. Karakterisering av de nye linjene ved å bruke strenge metoder-flowcytometri, AC confocal imaging, teratoma dannelse og transcriptional profilering-er også beskrevet. De nyopprettede linjene uttrykke markører av embryonale stamceller-Oct3/4A, Nanog, Sox2, TRA-1-60, TRA-1-81, SSEA-4-samtidig er negativt for SSEA-1 markøren. Stamcelleforskningen linjer danner teratomer i scid-beige mus i 6-8 uker og i teratomer inneholder vev representant for alle tre bakterie lag. Transcriptional profilering av linjene ved sending av globale uttrykk microarray data til en bioinformatic pluripotency vurdering algoritme anses alle linjer pluripotent og derfor denne tilnærmingen er et attraktivt alternativ til dyreforsøk. De nye iPSC linjene kan lett brukes i nedstrøms forsøk med optimalisering av differensiering og vev engineering.

Introduction

Teknologien for indusert pluripotent stamceller (iPSC) bringer om potensielle celle erstatning terapi, sykdom og utviklingsmessige modellering, og narkotika og toksikologisk screening1,2,3. Erstatning terapi kan konseptuelt oppnås ved celle injeksjon, in vitro differensiert vev (som cardiac patcher) implantasjon, eller guidet fornyelse ved hjelp av vev engineering. Fostervann (AFSC) og membran stamceller (AMSC) er en utmerket kilde til celler for disse intervensjonene enten direkte4,5,6,7 eller som en start celle befolkningen omprogrammere i pluripotency8,9,10,11,12.

Tidlig tilnærminger brukt udefinert kultur systemer eller omprogrammering metoder som krever innebære genomisk integrering av konstruerer9,10,11,12. En nyere studie ansatt en xeno-fri medium, selv om en mindre definerte kjelleren membran vedlegg matrise (BMM) ble brukt, generere iPSC fra amniotic væske epitelceller. Imidlertid var teratoma formasjon analysen ikke inkludert i studien en rekke in vitro og molekylære data. Amniotic væske epitelceller ble funnet for å ha en omtrent 8-fold høyere reprogramming effektivitet sammenlignet med neonatal fibroblaster13. I en annen studie fant også mesenchymal stamceller fra fostervann omprogrammeres til iPSC med en mye høyere effektivitet12.

Pluripotent stamceller kan differensieres til vev representant for alle 3 bakterie lag og dermed har den bredeste muligheten. Pediatriske pasienter kan dra nytte av høsting, omprogrammering og vev utvikling av sine autologous amniotic væske stamceller prenatally og amniotic membran stamceller øye. Videre kan på relativt lavt nivå av (lavere enn voksne stamceller14,15) fetal stamceller teoretisk hjelpe i adressering observert oppbevaring av epigenetic bias fra kildecellene i iPSC16.

Presenterer her vi en protokoll for å omprogrammere fostervann og membran stamceller til pluripotency i kjemisk definert xeno-fri E8 medium på rekombinant vitronectin17 (VTN) bruker episomal plasmider18. Den største fordelen med amniotic væske og membran celler som cellene omprogrammere ligger i tilgjengelighet pre og øye og dermed denne tilnærmingen vil hovedsakelig nytte forskning i pediatric tissue engineering.

Protocol

Protokollen følger institusjonelle retningslinjer av den etiske komiteen for menneskelig forskning. Skriftlig samtykke fra pasienten ble oppnådd for bruk av amniotic væ for forskning. Denne protokollen følger retningslinjene i institusjonelle Animal Care og bruk komiteen av University of South Alabama. 1. isolering og kultur av primære Amniotic Mesenchymal stamceller Plating av amniotic væske celler Få minst 2,5 mL foster…

Representative Results

Informert skriftlig samtykke ble innhentet fra pasienter før høsting fostervann for genetisk testing formål og dedikere en liten aliquot væske for forskning. Ingen samtykke er nødvendig for bruk av amniotic membranen i forskning som morkaken representerer medisinsk avfall. Amniotic væske og membran stamceller vise typiske mesenchymal egenskaper, morphologically sine celler er spindel-formet og fase-lyse. Ved reprogramming, cellene gjennomgår mesenchymal-til-epitelial (MET) transiti…

Discussion

Den innledende fasen av iPSC generasjon fra fetal stamceller innebærer utvinning av kildecellene fra fosterets vev, kultur, utvidelse og innføring av episomal reprogramming plasmider. Denne fasen er etterfulgt av en kultur periode på rundt 14-18 dager før første fullt omprogrammeres koloniene kan utvides. Sluttfasen er modning iPSC kloner. Første utvinning av amniotic membran stamceller oppnås ved hjelp av en kombinert mekanisk og enzymatiske fordøyelsen av amnion. Vi fant som en inkubering periode av 30 min resu…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dette arbeidet ble støttet av Fonds Medizinische Forschung Universitetet i Zurich, Forschungskredit Universitetet i Zurich, The SCIEX NMSlm under stipend 10.216 og 12.176, den sveitsiske Society of Cardiology, The Swiss National Science Foundation under Grant [320030-122273] og [310030-143992], 7th Framework Programme, livet Valve, Europakommisjonen under Grant [242008], Olga Mayenfisch Foundation, EMDO stiftelsen, oppstart stipendet 2012 universitetssykehus Zürich, og intern finansiering av Mitchell Cancer Institute.

Materials

Tumor Dissociation Kit, human Miltenyi Biotec 130-095-929 tissue dissociation system, reagent kit, includes tissue dissociation tubes and tissue dissociation enzymes
gentleMACS Dissociator Miltenyi Biotec 130-093-235 tissue dissociation system, dissociator
Thermo Scientific™ Shandon™ Disposable Scalpel No. 10, Sterile, Individually Wrapped, 5.75 (14.6cm) Thermo-Fisher 3120032
70 µm cell strainers Corning 10054-456
RPMI 1640 medium Thermo-Fisher 32404014 
rocking platform VWR 40000-300
50 ml centrifuge tubes Thermo-Fisher 339652
15 ml centrifuge tubes Thermo-Fisher 339650
EBM-2 basal medium Lonza CC-3156 basal medium for AFMC medium
FGF 2 Human (expressed in E. coli, non-glycosylated) Prospec Bio CYT-218 bFGF, supplement for AFMC medium
EGF Human, Pichia Prospec Bio CYT-332  EGF, supplement for AFMC medium
LR3 Insulin Like Growth Factor-1 Human Recombinant Prospec Bio CYT-022 IGF, supplement for AFMC medium
Fetal Bovine Serum, embryonic stem cell-qualified Thermo-Fisher 10439024 FBS
Antibiotic-Antimycotic (100X) Thermo-Fisher 15240062  for primary AFSC/AMSC, for routine AFSC/AMSC it should not be necessary, do not use in medium for transfected cells!
Accutase cell detachment solution StemCell Technologies 07920 cell detachment enzyme
CryoStor™ CS10 StemCell Technologies 07930 complete freezing medium
PBS, pH 7.4 Thermo-Fisher Scientific 10010023 
EndoFree Plasmid Maxi Kit (10) Qiagen 12362 for plasmid isolation
pEP4 E02S EN2K Addgene 20925 EN2K, reprogramming factors Oct4+Sox2, Nanog+Klf4
pEP4 E02S ET2K Addgene 20927 ET2K, reprogramming factors Oct4+Sox2, SV40LT+Klf4
pCEP4-M2L Addgene 20926 M2L, reprogramming factors c-Myc+LIN28
NanoDrop 2000c UV-Vis Spectrophotometer Thermo-Fisher ND-2000C spectrophotometer
Neon® Transfection System Thermo-Fisher MPK5000 transfection system, components:
Neon pipette – transfection pipette
Neon device – transfection device
Neon® Transfection System 10 µL Kit Thermo-Fisher MPK1025 consumables kit for the Neon Transfection System, it contains:
Neon tip – transfection tip
Neon tube – transfection tube
buffer R – resuspension buffer
buffer E – electrolytic buffer
Stemolecule™ Sodium Butyrate StemGent 04-0005 small molecule enhancer of reprogramming
TeSR-E8 StemCell Technologies 05940 E8 medium
Vitronectin XF™ StemCell Technologies 07180 VTN, stock concentration 250 µg/ml, used for coating at 1 µg/cm2 in vitronectin dilution (CellAdhere) buffer
CellAdhere™ Dilution Buffer StemCell Technologies 07183 vitronectin dilution buffer
UltraPure™ 0.5M EDTA, pH 8.0 Thermo-Fisher 15575020 dilute with PBS to 0.5 mM before use
EVOS® FL Imaging System Thermo-Fisher Scientific AMF4300 LCD imaging microscope system
CKX53 Inverted Microscope Olympus phase contrast cell culture microscope
Pierce™ 16% Formaldehyde (w/v), Methanol-free Thermo-Fisher 28908 dilute to 4% with PBS before use, diluted can be stored at 2-8 °C for 1 week
Perm Buffer III BD Biosciences 558050 permeabilization buffer, chill to -20 °C before use
Mouse IgG1, κ Isotype Control, Alexa Fluor® 488 BD Biosciences 557782 isotype control for Oct3/4A, Nanog
Mouse IgG1, κ Isotype Control, Alexa Fluor® 647 BD Biosciences 557783 isotype control for Sox2
Mouse anti-human Oct3/4 (Human Isoform A), Alexa Fluor® 488 BD Biosciences 561628
Mouse anti-human Nanog, Alexa Fluor® 488 BD Biosciences 560791
Mouse anti-human Sox-2, Alexa Fluor® 647 BD Biosciences 562139
Mouse IgGM, κ Isotype Control, Alexa Fluor® 488 BD Biosciences 401617 isotype control for TRA-1-60
Mouse IgGM, κ Isotype Control, Alexa Fluor® 647 BD Biosciences 401618 isotype control for TRA-1-81
Mouse anti-human TRA-1-60, Alexa Fluor® 488 BD Biosciences 330613
Mouse anti-human TRA-1-81, Alexa Fluor® 647 BD Biosciences 330705
Mouse IgG1, κ Isotype Control, Alexa Fluor® 488 BD Biosciences 400129 isotype control for SSEA-1
Mouse IgG3, κ Isotype Control, Alexa Fluor® 647 BD Biosciences 401321 isotype control for SSEA-4
Mouse anti-human SSEA-1, Alexa Fluor® 488 BD Biosciences 323010
Mouse anti-human SSEA-4, Alexa Fluor® 647 BD Biosciences 330407
Affinipure F(ab')2 Fragment Goat Anti-Mouse IgG+IgM, Alexa Fluor® 488 Jackson Immunoresearch 115-606-068 use at a dilution of 1:600 or further optimize
Affinipure F(ab')2 Fragment Goat Anti-Mouse IgG+IgM, Alexa Fluor® 647 Jackson Immunoresearch 115-546-068 use at a dilution of 1:600 or further optimize
DAPI Thermo-Fisher Scientific D21490 stock solution 10 mM, further dilute to 1:12.000 for a working solution
Corning® Matrigel® Growth Factor Reduced, Phenol Red-Free Corning 356231 basement membrane matrix (BMM)
scid-beige mice, female Taconic CBSCBG-F
RNeasy Plus Mini Kit (50) Qiagen 74134 RNA isolation kit
T-25 flasks, tissue culture-treated Thermo-Fisher 156367
T-75 flasks, tissue culture-treated Thermo-Fisher 156499
Nunc™ tissue-culture dish Thermo-Fisher 12-567-650  10 cm tissue culture dish
6-well plates, tissue-culture treated Thermo-Fisher 140675
Neubauer counting chamber (hemacytometer) VWR 15170-173
Mr. Frosty™ Freezing Container Thermo-Fisher 5100-0001  freezing container
FACS tubes, Round Bottom Polystyrene Test Tube, 5ml Corning 352058 5 ml polystyrene tubes
Eppendorf tubes, 1.5 ml Thermo-Fisher 05-402-96 1.5 ml microcentrifuge tubes
PCR tubes, 200 µl Thermo-Fisher 14-222-262
pipette tips, 100 to 1250 µl Thermo-Fisher 02-707-407 narrow-bore 1 mL tips
pipette tips, 5 to 300 µl Thermo-Fisher 02-707-410
pipette tips, 0.1 to 10 µl Thermo-Fisher 02-707-437
wide-bore pipette tips, 1000 µl VWR 89049-166 wide-bore 1 mL tips
glass Pasteur pipettes Thermo-Fisher 13-678-20A
ethanol, 200 proof Thermo-Fisher 04-355-451
vortex mixer VWR 10153-842
chambered coverglass, 8-well, 1.5mm borosilicate glass Thermo-Fisher 155409 glass-bottom confocal-grade cultureware
22G needles VWR 82002-366
insulin syringes Thermo-Fisher 22-253-260
Formalin solution, neutral buffered, 10% Sigma-Aldrich HT501128-4L fixation of explanted teratomas
Illumina HT-12 v4 Expression BeachChip Illumina BD-103-0204 expression microarray, supported by PluriTest, discontinued by manufacturer
PrimeView Human Genome U219 Array Plate Thermo-Fisher 901605 expression microarray (formerly Affymetrix brand), soon to be supported by PluriTest
GeneChip™ Human Genome U133 Plus 2.0 Array Thermo-Fisher 902482 expression microarray (formerly Affymetrix brand), supported by CellNet, soon to be supported by PluriTest
PluriTest® Coriell Institute www.pluritest.org, free service for bioinformatic assessment of pluripotency, accepts microarray data – *.idat files from HT-12 v4 platform, soon to support U133, U219 microarray and RNA sequencing data
CellNet Johns Hopkins University cellnet.hms.harvard.edu, free service for bioinformatic identification of cell type, including plutipotent stem cells, based on U133 microarray data – *.cel files, soon to support RNA sequencing data

References

  1. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126 (4), 663-676 (2006).
  2. Yu, J., et al. Induced Pluripotent Stem Cell Lines Derived from Human Somatic Cells. Science. 318 (5858), 1917-1920 (2007).
  3. Trounson, A., DeWitt, N. D. Pluripotent stem cells progressing to the clinic. Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 17 (3), 194-200 (2016).
  4. Schmidt, D., et al. Prenatally fabricated autologous human living heart valves based on amniotic fluid derived progenitor cells as single cell source. Circulation. 116 (11 Suppl), I64-I70 (2007).
  5. Weber, B., Zeisberger, S. M., Hoerstrup, S. P. Prenatally harvested cells for cardiovascular tissue engineering: Fabrication of autologous implants prior to birth. Placenta. 32, S316-S319 (2011).
  6. Weber, B., et al. Prenatally engineered autologous amniotic fluid stem cell-based heart valves in the fetal circulation. Biomaterials. 33 (16), 4031-4043 (2012).
  7. Kehl, D., Weber, B., Hoerstrup, S. P. Bioengineered living cardiac and venous valve replacements: current status and future prospects. Cardiovasc. Pathol. 25 (4), 300-305 (2016).
  8. Slamecka, J., et al. Non-integrating episomal plasmid-based reprogramming of human amniotic fluid stem cells into induced pluripotent stem cells in chemically defined conditions. Cell Cycle. 15 (2), 234-249 (2016).
  9. Jiang, G., et al. Human Transgene-Free Amniotic-Fluid-Derived Induced Pluripotent Stem Cells for Autologous Cell Therapy. Stem Cells Dev. 23 (21), 2613-2625 (2014).
  10. Pipino, C., et al. Trisomy 21 mid-trimester amniotic fluid induced pluripotent stem cells maintain genetic signatures during reprogramming: implications for disease modeling and cryobanking. Cell. Reprogram. 16 (5), 331-344 (2014).
  11. Cai, J., et al. Generation of human induced pluripotent stem cells from umbilical cord matrix and amniotic membrane mesenchymal cells. J Biol. Chem. 285 (15), 11227-11234 (2010).
  12. Ge, X., et al. Human Amniotic Mesenchymal Stem Cell-Derived Induced Pluripotent Stem Cells May Generate a Universal Source of Cardiac Cells. Stem Cells Dev. 21 (15), 2798-2808 (2012).
  13. Drozd, A. M., Walczak, M. P., Piaskowski, S., Stoczynska-Fidelus, E., Rieske, P., Grzela, D. P. Generation of human iPSCs from cells of fibroblastic and epithelial origin by means of the oriP/EBNA-1 episomal reprogramming system. Stem Cell Res. Ther. 6 (1), (2015).
  14. Kang, N. -. H., et al. Potential antitumor therapeutic strategies of human amniotic membrane and amniotic fluid-derived stem cells. Cancer Gene Ther. 19 (8), 517-522 (2012).
  15. Moschidou, D., et al. Valproic Acid Confers Functional Pluripotency to Human Amniotic Fluid Stem Cells in a Transgene-free Approach. Mol. Ther. 20 (10), 1953-1967 (2012).
  16. Kim, K., et al. Epigenetic memory in induced pluripotent stem cells. Nature. 467 (7313), 285-290 (2010).
  17. Chen, G., et al. Chemically defined conditions for human iPSC derivation and culture. Nature Methods. 8 (5), 424-429 (2011).
  18. Yu, J., et al. Human Induced Pluripotent Stem Cells Free of Vector and Transgene Sequences. Science. 324 (5928), 797-801 (2009).
  19. Martí, M., et al. Characterization of pluripotent stem cells. Nat. Protoc. 8 (2), 223-253 (2013).
  20. Chan, E. M., et al. Live cell imaging distinguishes bona fide human iPS cells from partially reprogrammed cells. Nat. Biotechnol. 27 (11), 1033-1037 (2009).
  21. Adewumi, O., et al. Characterization of human embryonic stem cell lines by the International Stem Cell Initiative. Nat. Biotechnol. 25 (7), 803-816 (2007).
  22. Müller, F. -. J., et al. A bioinformatic assay for pluripotency in human cells. Nature Methods. 8 (4), 315-317 (2011).
  23. Cahan, P., Li, H., Morris, S. A., Lummertz da Rocha, E., Daley, G. Q., Collins, J. J. CellNet: Network Biology Applied to Stem Cell Engineering. Cell. 158 (4), 903-915 (2014).
  24. Schopperle, W. M., DeWolf, W. C. The TRA-1-60 and TRA-1-81 Human Pluripotent Stem Cell Markers Are Expressed on Podocalyxin in Embryonal Carcinoma. STEM CELLS. 25 (3), 723-730 (2007).
  25. Ohnishi, K., et al. Premature Termination of Reprogramming In Vivo Leads to Cancer Development through Altered Epigenetic Regulation. Cell. 156 (4), 663-677 (2014).
  26. Schlaeger, T. M., et al. A comparison of non-integrating reprogramming methods. Nature Biotechnology. 33 (1), 58-63 (2014).
  27. Müller, F. -. J., Goldmann, J., Löser, P., Loring, J. F. A call to standardize teratoma assays used to define human pluripotent cell lines. Cell Stem Cell. 6 (5), 412-414 (2010).
  28. Beers, J., et al. Passaging and colony expansion of human pluripotent stem cells by enzyme-free dissociation in chemically defined culture conditions. Nat. Protoc. 7 (11), 2029-2040 (2012).
check_url/56003?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Slamecka, J., Laurini, J., Shirley, T., Hoerstrup, S. P., Weber, B., Owen, L., McClellan, S. Reprogramming Primary Amniotic Fluid and Membrane Cells to Pluripotency in Xeno-free Conditions. J. Vis. Exp. (129), e56003, doi:10.3791/56003 (2017).

View Video