Suppression de la signalisation profibrotiques potentialise médiée par les facteurs reprogrammation des fibroblastes embryonnaires de souris dans les Cardiomyocytes induites
Summary
Nous présentons ici une méthode robuste pour reprogrammer les fibroblastes embryonnaires primaires dans les cardiomyocytes fonctionnelles par le biais de la surexpression de GATA4, Hand2, Mef2c, Tbx5, miR-1 et miR-133 (GHMT2m) aux côtés de l’inhibition de la signalisation TGF-β. Notre protocole génère des cardiomyocytes raclée dès transduction après 7 jours avec jusqu’à 60 % efficacité.
Abstract
TRANS-différenciation d’une cellule somatique type en un autre a un potentiel énorme à modéliser et à traiter des maladies humaines. Études antérieures ont montré que la souris embryonnaires, fibroblastes dermiques et cardiaques peuvent être reprogrammés dans fonctionnelles induites cardiomyocyte-cellules (SGIC) par le biais de la surexpression des facteurs cardiogénique transcription GATA4, Hand2, Mef2c, et Tbx5 in vitro et in vivo. Toutefois, ces études antérieures ont montré une efficacité relativement faible. Afin de rétablir la fonction cardiaque après une blessure, mécanismes qui régissent la reprogrammation cardiaque doivent être élucidés afin d’accroître l’efficacité et la maturation du SGCI.
Nous avons démontré précédemment que l’inhibition de la signalisation profibrotiques considérablement augmente l’efficacité de la reprogrammation. Nous détaillons ici, les méthodes pour atteindre une efficacité de reprogrammation de jusqu’à 60 %. En outre, nous décrire plusieurs méthodes dont la cytométrie en flux, imagerie par immunofluorescence et imagerie calcique pour quantifier l’efficacité et la maturation des fibroblastes reprogrammés reprogrammation. En utilisant le protocole détaillé ici, études mécanistes peuvent être menées pour déterminer les régulateurs positifs et négatifs de reprogrammation cardiaque. Ces études peuvent identifier des voies de signalisation qui peuvent être ciblés pour promouvoir la reprogrammation de l’efficacité et de maturation, ce qui pourrait mener à des thérapies nouvelles pour traiter les maladies du cœur humain.
Introduction
Cardiopathie ischémique est des principales causes de décès chez les États-Unis1. Environ 800 000 américains d’expérience un premier ou récurrente infarctus du myocarde (MI) par année1. Suite MI, la mort de cardiomyocytes (CMs) et la fibrose cardiaque, déposés par les fibroblastes cardiaques activés, atteinte cardiaque fonction2,3. Progression de l’insuffisance cardiaque suite MI est largement irréversible en raison de la mauvaise capacité de régénération des adultes CMs4,5. Alors que les traitements cliniques actuels ralentissent la progression de la maladie et diminuent le risque d’événements cardiaques futurs6,7,8,9, aucune thérapie n’inverse de progression de la maladie en raison de l’incapacité de régénérer le CMs après infarctus du myocarde10. Thérapies cellulaires nouvelles font leur apparition pour traiter les patients après mi décevant, essais cliniques offrant des cellules souches au cœur après MI jusqu’à présent ont montré peu concluantes régénératrice potentiels11,12, 13 , 14 , 15 , 16 , 17 , 18.
La génération de cellules souches pluripotentes induites anthropique (hiPSCs) les fibroblastes par la surexpression des quatre facteurs de transcription, d’abord démontrée par Takahashi & Yamanaka, a ouvert la porte à nouvelles percées dans cell therapy19. Ces cellules peuvent se différencier en tous les trois couches de germe19, et plusieurs méthodes très efficaces pour générer un grand nombre de CMs ont démontré antérieurement20,21. Dérivés de HiPSC CMs (hanches-CMs) offre une plate-forme puissante pour étudier cardiomyogénèse et peut avoir des implications importantes pour réparer le coeur après une blessure. Cependant, les hanches-CMs font actuellement face à des haies translationnelles en raison du risque de formation de tératome22, et leur nature immature peut être pro-arythmogène23. Reprogrammation des fibroblastes dans hiPSCs suscité l’intérêt en reprogrammation directement des fibroblastes en un autre type de cellule. IEDA et coll. ont démontré que la surexpression de GATA4, Mef2c et Tbx5 (GMT) dans les résultats de fibroblastes en reprogrammation directe à la lignée cardiaque, mais à faible efficacité24. Reprogrammation de l’efficacité a été améliorée avec l’ajout de Hand2 (GHMT)25. Depuis ces premières études, nombreuses publications ont démontré que des facteurs altérant la reprogrammation cocktail facteur avec transcription supplémentaire26,27,28,29, chromatine modificateurs30,31, microARN32,33ou petites molécules34 mène à une reprogrammation efficacité et/ou de la maturation des cellules semblables à des cardiomyocytes induites (SGIC ).
Ici, nous fournissons un protocole détaillé pour générer du SGCI de fibroblastes embryonnaires de souris (MEFs) avec une grande efficacité. Nous avons montré précédemment que le GHMT cocktail est nettement améliorée avec l’ajout de miR-1 et miR-133 (GHMT2m) et est ensuite amélioré quand y compris transformant le facteur de croissance (TGF-β) de β signalisation de voies de signalisation pro-fibreuses ou associée à Rho voies de signalisation de protéine kinase (ROCK) sont inhibés35. En utilisant ce protocole, nous montrons qu’environ 60 % des cellules express cardiaque troponine T (cTnT), environ 50 % express α-actinine, et un nombre élevé de cellules de battements peut être observé dès 11 jour après transduction de reprogrammation des facteurs et traitement avec le TGF-β j’ai type inhibiteur du récepteur A-83-01. En outre, ces SGIC expriment des protéines des jonctions lacunaires dont la connexine 43 et pièce contraction spontanée et transitoires de calcium. Cette amélioration de l’efficacité par rapport aux études antérieures de la reprogrammation démontre le potentiel de régénération CMs de populations de cellules endogènes qui restent dans le post infarctus.
Protocol
Representative Results
Discussion
La présente étude décrit une stratégie hautement efficace pour reprogrammer directement des fibroblastes dans le SGCI fonctionnel via la livraison de GHMT2m reprogrammation facteurs combinés avec la suppression des voies de signalisation pro-fibreuses. À l’aide de la cytométrie en flux, imagerie par immunofluorescence, calcium d’imagerie et battant les globules, nous montrons la majorité des cellules dans le présent protocole subissent une reprogrammation réussie et adopter sort de lignée CM. Nous avons d?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette recherche a été financée par des fonds de programme de la Fondation Webb-Waring Boettcher Biomedical Research, American Heart Association scientifique Development Grant (13SDG17400031), Université du Colorado et la médecine remarquable début de carrière Scholar Program, University of Colorado Division de cardiologie Nyle de Barlow endowment et R01HL133230 NIH (à kaki). A.S.R était soutenue par les NIH/NCATS Colorado CSTC Grant nombre TL1TR001081 et une bourse pré-doctorale auprès du Consortium de l’Université du Colorado pour la recherche sur la fibrose & traduction (CFReT). Cette recherche a été également pris en charge par la subvention de soutien Cancer Center (P30CA046934), la subvention du noyaux de la recherche des maladies peau (P30AR057212) et le Flow Cytometry Core à l’Université du Colorado Campus médical d’Anschutz.
Materials
| C57BL/6 Mice | Charles River's Laboratory | 027 | For MEF isolation |
| Platinum E (PE) Cells | Cell Biolabs, INC | RV-101 | For retrovirus production |
| DMEM High Glucose | Gibco | SH30022.FS | Component of iCM, PE, and Growth media |
| Medium 199 | Life Technologies | 11150-059 | Component of iCM media |
| Fetal Bovine Serum | Gemini | 100106 | Component of iCM, PE, and Growth media |
| Donor Horse Serum | Gemini | 100508 500 | Component of iCM media |
| MEM Essential Amino Acids, 50X | Life Technologies | 11130051 | Component of iCM media |
| Sodium Pyruvate Solution, 100X | Life Technologies | 11360070 | Component of iCM media and for calcium imaging |
| MEM Non-Essential Amino Acids, 100X | Life Technologies | 11140050 | Component of iCM media |
| MEM Vitamin Solution, 100X | Life Technologies | 11120-052 | Component of iCM media |
| Insulin-Transferrin-Selenium | Gibco | 41400045 | Component of iCM media |
| B27 | Gibco | 17504-044 | Component of iCM media |
| Penicilin-Streptomycin | Gibco | 15140-122 | Component of iCM, PE, and Growth media |
| GlutaMAX (L-Glutamine Supplement) | Gibco | 35050-061 | Component of iCM, PE, and Growth media |
| Blasticidin-HCl | Life Technologies | A11139-03 | Component of PE media |
| Puromycin dihydrochloride | Life Technologies | A11138-03 | Component of PE media |
| 0.25% Trypsin/EDTA | Gibco | 25200-056 | For detaching cells from culture dishes |
| A-83-01 | R&D Systems – Tocris | 2939/10 | Treat cells to inhibit TGF-β signaling – promotes high efficiecy reprogramming. Use at 0.5 µM |
| DMSO | Thermo Scientific | 85190 | For dilution and storage of A-83-01 and component of Freeze Medium |
| SureCoat | Cellutron | SC-9035 | For coating dishes to plate MEFs |
| FuGENE 6 Transfection Reagent | Promega | E2692 | Transfection Reagent |
| Opti-MEM Reduced Serum Media | Gibco | 11058-021 | Transfection Reagent |
| pBabe-X Myc-GATA4 | Plasmid containing reprogramming factor | ||
| pBabe-X Myc-Hand2 | Plasmid containing reprogramming factor | ||
| pBabe-X Myc-Mef2c | Plasmid containing reprogramming factor | ||
| pBabe-X Myc-Tbx5 | Plasmid containing reprogramming factor | ||
| pBabe-X miR-1 | Plasmid containing reprogramming factor | ||
| pBabe-X miR-133 | Plasmid containing reprogramming factor | ||
| pBabe-X GFP | Plasmid containing reprogramming factor | ||
| Polybrene (Hexadimethrine bromide) | Sigma | H9268-5G | For viral induction. Use at a concentration of 6 µg/mL |
| Vacuum Filter + bottles (0.22 µm pores) | Nalgene | 569-0020 | For filtering media |
| Syringes | Bd Vacutainer Labware | 309654 | For viral filtration |
| 0.45 µm Filters | Celltreat | 229749 | For viral filtration |
| 70 µm cell strainers | Falcon | 352350 | For MEF isolation and Flow Cytometry |
| Cytofix/Cytoperm Solution | BD | 554722 | For fixation and permeabilization of cells for flow cytometry |
| perm/wash buffer | BD | 554723 | For washing cells for flow cytometry |
| DPBS 1X | Gibco | 14190-250 | For washing cells |
| Bovine Serum Albumin | VWR | 0332-100g | For flow cytometry and calcium imaging |
| Goat Serum | Sigma | G9023 | For blocking cells for Flow Cytometry |
| Donkey Serum | Sigma | D9663-10mg | For blocking cells for Flow Cytometry |
| Mouse Troponin T | Thermo Scientific | ms-295-p | 1:400 IF, 1:200 Flow Cytometry |
| Mouse α-actinin | Sigma | A7811L | 1:400 IF, 1:200 Flow Cytometry |
| Rabbit Connexin 43 | Sigma | C6219 | 1:400 IF |
| Rabbit Troponin I | PhosphoSolutions | 2010-TNI | 1:400 IF |
| Hoechst | Life Technologies | 62249 | 1:10000 IF |
| Alexa 488, rabbit | Life Technologies | A-11034 | 1:800 IF |
| Alexa 555, mouse | Life Technologies | A-21422 | 1:800 IF |
| Alexa 647, mouse | Life Technologies | A-31571 | 1:200 Flow Cytometry |
| 27-color ZE5 Flow Cytometer | Bio-RAD | For FACS | |
| Paraformaldehyde | sigma | P6148-500mg | For fixing cells for IF |
| Triton X-100 | Promega | H5142 | For permeabilization of cells for IF |
| EVOS™ FL Color Imaging System | Thermo Scientific | AMEFC4300 | For IF |
| NaCl | RPI | S23020-5000 | For calcium imaging |
| KCl | VWR | 395 | For calcium imaging |
| CaCl2 | Fisher | C614-500 | For calcium imaging |
| MgCl2 | VWR | 97061-352 | For calcium imaging |
| glucose | sigma | G7528-250g | For calcium imaging |
| HEPES | sigma | H4034-500g | For calcium imaging |
| Fura-2 AM | Life Technologies | F1221 | For calcium imaging |
| Fluronic F-127 | Sigma | P2443-250g | For calcium imaging |
| Nifedipine | Sigma | N7634-1G | For disruption calcium transients in iCMs – use at 10 µM |
| Isoproterenol | sigma | I6504-1g | For increasing number of calcium transients in iCMs – use at 1-2 µM |
| Marianas Spinning Disk Confocal microscope | 3i | For calcium imaging | |
| ethanol | Decon Laboratories | 2801 | |
| bleach | Clorox | ||
| 50 mL conical tubes | GREINER BIO-ONE | 227261 | |
| 15 mL conical tubes | GREINER BIO-ONE | 188271 | |
| 15 cm cell culture dishes | Falcon | 353025 | |
| 10 cm cell culture dishes | Falcon | 353003 | |
| 60 mm cell culture dishes | GREINER BIO-ONE | 628160 | |
| 6 well cell culture plates | GREINER BIO-ONE | 657160 | |
| 12 well cell culture plates | GREINER BIO-ONE | 665180 | |
| 24 well cell culture plates | GREINER BIO-ONE | 662160 |
References
- Benjamin, E. J., et al. Heart Disease and Stroke Statistics-2017 Update: A Report From the American Heart Association. Circulation. 136 (20), (2017).
- Laflamme, M. A., Murry, C. E. Regenerating the heart. Nat. Biotechnol. 23 (7), 845-856 (2005).
- Mercola, M., Ruiz-Lozano, P., Schneider, M. D. Cardiac muscle regeneration: lessons from development. Genes & Development. 25 (4), 299-309 (2011).
- Bergmann, O., et al. Evidence for cardiomyocyte renewal in humans. Science. 324 (5923), 98-102 (2009).
- Senyo, S. E., et al. Mammalian heart renewal by pre-existing cardiomyocytes. Nature. 493 (7432), 433-436 (2013).
- Nabel, E. G., Braunwald, E. A tale of coronary artery disease and myocardial infarction. N Engl J Med. 366 (1), 54-63 (2012).
- Packer, M., et al. Effect of carvedilol on the morbidity of patients with severe chronic heart failure: results of the carvedilol prospective randomized cumulative survival (COPERNICUS) study. Circulation. 106 (17), 2194-2199 (2002).
- The CAPRICORN Investigators. Effect of carvedilol on outcome after myocardial infarction in patients with left-ventricular dysfunction: the CAPRICORN randomized trial. The Lancet. 357 (9266), 1385-1390 (2001).
- Marangou, J., Paul, V. Current attitudes on cardiac devices in heart failure: a review. Clin Ther. 37 (10), 2206-2214 (2015).
- Xin, M., Olson, E. N., Bassel-Duby, R. Mending broken hearts: cardiac development as a basis for adult heart regeneration and repair. Nat Rev Mol Cell Bio. 14 (8), 529-541 (2013).
- Wollert, K. C., et al. Intracoronary autologous bone-marrow cell transfer after myocardial infarction: the BOOST randomized controlled clinical trial. Lancet. 364 (9429), 141-148 (2004).
- Schachinger, V., et al. Intracoronary bone marrow-derived progenitor cells in acute myocardial infarction. N. Engl. J. Med. 355 (12), 1210-1221 (2006).
- Huikuri, H. V., et al. Effects of intracoronary injection of mononuclear bone marrow cells on left ventricular function, arrhythmia risk profile, and restenosis after thrombolytic therapy of acute myocardial infarction. Eur. Heart J. 29 (22), 2723-2732 (2008).
- Janssens, S., et al. Autologous bone marrow-derived stem-cell transfer in patients with ST-segment elevation myocardial infarction: double-blind, randomised controlled trial. Lancet. 367 (9505), 113-121 (2006).
- Lunde, K., et al. Intracoronary injection of mononuclear bone marrow cells in acute myocardial infarction. N. Engl. J. Med. 355 (12), 1199-1209 (2006).
- Hirsch, A., et al. Intracoronary infusion of autologous mononuclear bone marrow cells or peripheral mononuclear blood cells after primary percutaneous coronary intervention: rationale and design of the HEBE trial – a prospective, multicenter, randomized trial. Am. Heart J. 152 (3), 434-441 (2006).
- Hirsch, A., et al. Intracoronary infusion of mononuclear cells from bone marrow or peripheral blood compared with standard therapy in patients after acute myocardial infarction treated by primary percutaneous coronary intervention: results of the randomized controlled HEBE trial. Eur. Heart J. 32 (14), 1736-1747 (2011).
- Karantalis, V., et al. Autologous mesenchymal stem cells produce concordant improvements in regional function, tissue perfusion, and fibrotic burden when administered to patients undergoing coronary artery bypass grafting: The Prospective Randomized Study of Mesenchymal Stem Cell Therapy in Patients Undergoing Cardiac Surgery (PROMETHEUS) trial. Circ Res. 114 (8), 1302-1310 (2014).
- 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).
- Lian, X., et al. Robust cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells via temporal modulation of canonical Wnt signaling. Proc Natl Acad Sci. 109 (27), E1848-E1857 (2012).
- Loh, K. M., et al. Mapping the Pairwise Choices Leading from Pluripotency to Human Bone, Heart, and Other Mesoderm Cell Types. Cell. 166 (2), 451-467 (2016).
- Yoshida, Y., Yamanaka, S. iPS cells: A source of cardiac regeneration. J. Mol. Cell. Cardiol. 50 (2), 327-332 (2011).
- Shiba, Y., et al. Allogeneic transplantation of iPS cell-derived cardiomyocytes regenerates primate hearts. Nature. 538, 388-391 (2016).
- Ieda, M., et al. Direct reprogramming of fibroblasts into functional cardiomyocytes by defined factors. Cell. 142 (3), 357-386 (2010).
- Song, K., et al. Heart repair by reprogramming non-myocytes with cardiac transcription factors. Nature. 485, 599-604 (2012).
- Hirai, H., Katoku-Kikyo, N., Keirstead, S. A., Kikyo, N. Accelerated direct reprogramming of fibroblasts into cardiomyocyte-like cells with the MyoD transactivation domain. Cardiovasc Res. 100 (1), 105-113 (2013).
- Qian, L., Berry, E. C., Fu, J., Ieda, M., Srivastava, D. Reprogramming of mouse fibroblasts into cardiomyocyte-like cells in vitro. Nat Protoc. 8 (6), 1204-1215 (2013).
- Addis, R. C., et al. Optimization of direct fibroblast reprogramming to cardiomyocytes using calcium activity as a functional measure of success. J Mol Cell Cardiol. 60, 97-106 (2013).
- Ifkovitz, J. L., Addis, R. C., Epstein, J. A., Gearhart, J. D. Inhibition of TGFβ signaling increases direct conversion of fibroblasts to induced cardiomyocytes. PLoS One. 9 (2), e89678 (2014).
- Zhou, Y., et al. Bmi1 Is a Key Epigenetic Barrier to Direct Cardiac Reprogramming. Cell Stem Cell. 18 (3), 382-395 (2016).
- Christoforou, N., et al. Transcription factors MYOCD, SRF, Mesp1 and SMARCD3 enhance the cardio-inducing effect of GATA4, TBX5, and MEF2C during direct cellular reprogramming. PLoS One. 8 (5), e63577 (2013).
- Jayawardena, T. M., et al. MicroRNA induced cardiac reprogramming in vivo: evidence for mature cardiac myocytes and improved cardiac function. Circ Res. 116 (3), 418-424 (2015).
- Jayawardena, T. M., et al. MicroRNA-mediated in vitro and in vivo direct reprogramming of cardiac fibroblasts to cardiomyocytes. Circ Res. 110 (11), 1465-1473 (2012).
- Cao, N., et al. Conversion of human fibroblasts into functional cardiomyocytes by small molecules. Science. 352 (6290), 1216-1220 (2016).
- Zhao, Y., et al. High-efficiency reprogramming of fibroblasts into cardiomyocytes requires suppression of pro-fibrotic signalling. Nature Communications. 6, 1-15 (2015).
- Morita, S., Kojima, T., Kitamura, T. Plat-E: an efficient and stable system for transient packaging of retroviruses. Gene Therapy. 7, 1063-1066 (2000).
- Zhou, H., Dickson, M. E., Kim, M. S., Bassel-Duby, R., Olson, E. N. Akt1/protein kinase B enhances reprogramming of fibroblasts to functional cardiomyocytes. Proc Natl Acad Sci. 112 (38), 11864-11869 (2015).
- Zhou, H., et al. ZFN281 enhances cardiac reprogramming by modulating cardiac and inflammatory gene expression. Genes & Dev. 31, 1770-1783 (2017).
- Mohamed, T. M., et al. Chemical Enhancement of In Vitro and In Vivo Direct Cardiac Reprogramming. Circulation. 135, 978-995 (2017).
- Qian, L., et al. In vivo reprogramming of murine cardiac fibroblasts into induced cardiomyocytes. Nature. 485, 593-598 (2012).
- Mathison, M., et al. In situ reprogramming to transdifferentiate fibroblasts into cardiomyocytes using adenoviral vectors: Implications for clinical myocardial regeneration. J Thorac Cardiovasc Surg. , 329-339 (2017).
