3次元スフェロイド培養からの幹様細胞の分離
Summary
ヒト原発性前立腺上皮細胞を用いて、スフェロイドベースの標識保持アッセイによる幹様細胞の機能的特徴付けの新規バイオマーカーフリー法を報告する。BrdU、CFSE、またはファーレッド2Dセルラベリングのステップバイステッププロトコルについて説明します。三次元回転楕円体形成;免疫細胞化学による標識保持幹細胞同定;FACS による分離。
Abstract
成体幹細胞研究の進歩にもかかわらず、組織標本からの幹細胞の同定と単離は依然として大きな課題である。常駐幹細胞は成体組織のニッチ拘束を伴う比較的静止しているが、アンカーフリー三次元(3D)培養では細胞周期に入り、対称細胞分裂と非対称細胞分裂の両方を受け、幹と前駆体の両方を生み出す細胞。後者は急速に増殖し、系統コミットメントの様々な段階で主要な細胞集団であり、異種回転楕円体を形成する。原発性正常ヒト前立腺上皮細胞(HPrEC)を用いて、スフェロイドベースの標識保持アッセイを用いて、スフェロイド開始幹細胞の同定と機能的単離を単一細胞分解能で可能にする。
HPrECまたは細胞株は、自己更新幹細胞を含むすべての分裂細胞のDNAへの組み込みを可能にするために、BrdUで10日間培養された2次元(2D)である。3D培養への転移時に5日間洗い流し、その間、幹細胞は非対称分裂を介して自己更新し、回転楕円体形成を開始する。比較的静止した娘幹細胞はBrdU標識の親DNAを保持するが、娘の前駆者は急速に増殖し、BrdU標識を失う。BrdUは、FACSによる生きた幹細胞分離を可能にするCFSEまたはファーレッドのプロ染料で置き換えることができます。幹細胞の特徴は、インビトロ回転楕円体形成、生体組織再生アッセイ、およびそれらの対称/非対称細胞分裂を文書化することによって確認される。単離された標識保持幹細胞は、RNA-seq、ChIP-seq、単一細胞捕捉、代謝活性、プロテオームプロファイリング、免疫細胞化学、オルガノイド形成、および生体内組織再生を含む下流の分子および生物学的研究によって厳密に尋問することができる。重要なことに、このマーカーフリー機能性幹細胞分離アプローチは、新鮮な癌標本および癌細胞株から幹細胞細胞を複数の器官から識別し、広い適用性を示唆している。がん幹細胞様細胞バイオマーカーの同定、がん幹細胞様細胞を標的とする医薬品のスクリーニング、がんの新しい治療標的の発見に利用できます。
Introduction
ヒト前立腺には、分泌機能を有する明るい上皮と、その根底にある基底細胞と、異常な神経内分泌細胞成分が含まれています。上皮細胞は、この場合、生体内で比較的静止している前立腺幹細胞の稀な集団から生成され、生涯を通じて腺恒常性を維持するための修復システムとして作用する。多くの進歩にもかかわらず、前立腺幹細胞の同定および機能的単離は、この分野における主要な課題であり続ける。幹細胞バイオマーカーは、フローサイトメトリーと組み合わせた細胞表面マーカーベースの方法論を含む、幹細胞研究2、3、4に一般的に使用される。しかしながら、濃縮および単離の結果は、マーカーの組み合わせおよび抗体特異性5、6の機能として大きく異なり、単離された細胞の同一性に関する疑問を提起する。幹細胞様細胞濃縮のためのもう一つの広く用いられているアプローチは、三次元(3D)回転楕円体培養物2、3、4である。常駐幹細胞はニッチ拘束を伴う生体内で比較的静止しているが、それらは3Dマトリックス培養(対称と非対称の両方)で細胞分裂を受け、系統コミットメント7、8に向けて急速に再生する幹細胞および前駆細胞の両方を生成する。形成された回転楕円体は、初期段階および後期前駆細胞を含む系統コミットメントの様々な段階で幹細胞と前駆細胞の両方を含む異種混合物である。したがって、スフェロイド全体を用いたアッセイは幹細胞を排他的ではなく、独特の幹細胞特性の同定は決定的ではない。したがって、前立腺幹細胞を識別し、娘の前駆体から分離するアッセイを作成することが重要です。この目的に向かって、現在のプロトコルの目標は、ヒト前立腺組織からの幹細胞の効率的な同定と単離を可能にするアッセイシステムを確立し、その生物学的機能の堅牢な下流分析を行うことです。
長期5-ブロモ-2′-デオキシウリジン(BrdU)標識保持は、その長期倍増時間9、10に基づいて幹細胞のインビボおよびインビトロ系統トレースに広く使用されている。本明細書に記載される前立腺幹細胞同定および単離のための現在のアプローチは、混合上皮集団内の相対的な静止特性および標識保持特性に基づいている。さらに、不死鎖DNA仮説に基づいて、幹細胞のみが非対称細胞分裂を受けることができる。幹細胞は、古い親のDNAを含む娘細胞を表し、コミットされた娘細胞である前駆細胞は、新たに合成されたDNAを受け取ります。上記のユニークな幹細胞特性は、一次培養における親幹細胞におけるBrdU標識を行い、3Dアンカーフリー回転楕円体培養への転写時にBrdU-ウォッシュアウト後にそのラベルを追跡するために利用される。一次前立腺上皮細胞の大部分は、2D培養において基底および通過増幅表現型を保持する一方で、3Dシステム3、12への転移時に対応する培養媒体を有するスフェロイドまたは完全に分化したオルガノイドの形成によって証明されるように、多能性幹細胞の補充および維持の稀な集団もある。現在のプロトコルでは、HPrEC前立腺回転楕円体またはプロスタスフィアベースのBrdU、CFSE、またはファーレッド保持アッセイを使用し、続いて蛍光活性化細胞選別(FACS)を使用して、単一細胞レベル13でスフェロイド中の標識保持幹細胞を同定する。
重要なことに、系統へのコミットメントを有する前駆細胞と比較して、早期スフェロイド内の標識保持細胞の幹細胞特性をさらに確認した。これらには、幹細胞不斉分裂、インビトロ回転楕円体形成能および生体内組織再生能、オートファジー活性の上昇、増強リボソーム生体形成および代謝活性の低下が含まれる。続いて、RNAAseq分析を行った。標識保持スフェロイド細胞において微分発現した遺伝子は、ヒト前立腺幹細胞の新規バイオマーカーとなる可能性が認められた。この回転楕円体ベースの標識保持アプローチは、少数の癌幹細胞を同様に同定する癌検体に適用され得る。以下に提示する、ヒト原発性前立腺上皮細胞(HPrEC)を例に用いたプロスタスフィアベースの標識保持アッセイである。
Protocol
Representative Results
Discussion
複数の幹細胞表面マーカーを用いたフローサイトメトリーは、特異性と選択性の両方を欠いているにもかかわらず、幹細胞研究に一般的に用いられるアプローチである。3D培養系における回転楕円体形成は、HPrECを含む一次上皮細胞からの稀な幹細胞集団を濃縮する上でもう一つの有用な方法であるが、得られる回転楕円?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この研究は、国立がん研究所R01-CA172220(GSP、WYH)、R01-ES02207(GSP、WYH)からの助成金によって支持されました。私たちは、細胞選別の支援をイリノイ大学シカゴ校のフローサイトメトリーコアに感謝します。
Materials
| 0.05% Trypsin-EDTA | Gibco | 25300-054 | |
| 1 mL tuberculin syringes | Bectin Dickinson | BD 309625 | |
| 1.5 mL microcentrifuge tubes, sterile | |||
| 100 mm culture dishes | Corning/Falcon | 353003 | |
| 12-well culture plate | Corning/Falcon | 353043 | |
| 15 mL centrifuge tubes | Corning/Falcon | 352097 | |
| 22 x 22 mm coverslips, sq | Corning | 284522 | For MatTek 35 mm culture dish |
| 24 x 50 mm coverslips | Corning | 2975245 | |
| 26G x 1.5 inch hypodermic needle | Monoject | 1188826112 | |
| 2N HCl | |||
| 35 mm culture dish with cover glass bottom | MatTek Corp | P35G-0-10-C | Glass bottom No. 0, uncoated,  irradiated |
| 40 µm pore nylon cell strainer | Corning | 352340 | |
| 5% CO2 culture incubator, 37 °C | Forma | ||
| 50 mL centrifuge tubes | Corning/Falcon | 352098 | |
| 5mL Polystyrene Round-Bottom Tube with strainer snap cap | Corning | 352235 | 35 µm nylon mesh |
| 6-well culture plates | Corning | 353046 | |
| 8-well chamber slides | Millipore Sigma | PEZGS0816 | |
| Aqueous mounting medium containing DAPI | Vector Laboratories | H-1200 | A nuclear fluorescent dye |
| Biological safety cabinet, Level 2 certified | |||
| BrdU (5-bromo-2′-deoxyuridine) | Sigma-Aldrich | B5002 | 1 mM stock solution in DMSO |
| Centrifuge for 1.5 mL microcentrifuge tubes | Eppendorf | ||
| Centrifuge for 15 mL tubes | Beckman Coulter | Allegra 6 | |
| CFSE (carboxyfluorescein succinimidyl ester) | Thermo Fisher Scientific | C34554 | 5 mM stock solution in DMSO |
| cytochalasin D | Thermo Fisher Scientific | PHZ1063 | |
| Dispase 1U/mL | StemCell Technologies | 07923 | |
| FACS CellSorter MoFlo XDP | Beckman Coulter | s | |
| Far-Red pro-dye | Thermo Fisher | C34564 | 5 mM stock solution in DMSO |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | |||
| Fibronectin | Sigma-Aldrich | F0895 | For coating 100 mm culture dishes |
| Fluorescent microscope with color digital camera | Carl Zeiss | Axioskop 20 fluorescent microscope; color digital Axiocamera | |
| Goat anti-Mouse IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher | A-11029 | |
| HPrEC (Primary normal human prostate epithelial cells) | Lifeline Cell Technology | FC-0038 | Pooled from 3 young (19-21yr od) disease-free organ donors; 1 x 105 cells/mL; stored in liquid nitrogen |
| ice bucket and ice | |||
| Inverted microsope with digital camera | |||
| Matrigel, low growth factor, phenol-red free | Corning | 356239 | |
| Methanol | Corning | A452-4 | |
| Mouse anti-BrdU antibody | Cell Signaling | 5292S | |
| Mouse IgG antibody (negative control) | Santa Cruz Biotechnology | sc-2025 | |
| Normal goat serum | Vector Laboratories | S-1000 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS), pH 7.4 | Sigma-Aldrich | P5368-10PAK | |
| Pipettors and tips, various sizes | |||
| PrEGM (ProstaLife Epithelial Cell Growth Medium) | Lifeline Cell Technology | LL-0041 | |
| Propidium Iodide (PI) | R & D Systems | 5135/10 | 10 μg/mL PI in PBS stored at 4 °C in the dark |
| Serological pipets, various sizes | |||
| Software for sphere counting and size measurements | |||
| Software: 3D images using Imaris an imageing software with freeform drawing capabilities | |||
| Triton X-100 | Millipore Sigma | T8787 | |
| Water bath, 37 °C | |||
| z-stack images using a transmitted light inverted fluorescent confocal microscope |
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