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Developmental Biology

患者末梢血単核細胞からのヒト心筋細胞の発生と拡大

Published: February 12, 2021
doi:
10.3791/62206
, , , , , ,
1Center for Cardiovascular Research, The Abigail Wexner Research Institute,Nationwide Children’s Hospital, 2The Heart Center,Nationwide Children’s Hospital, 3Department of Physiology and Cell Biology,The Ohio State University College of Medicine, 4Department of Anatomy,The Ohio State University College of Medicine, 5MCDB Graduate Program,The Ohio State University, 6Department of Pediatrics,The Ohio State University College of Medicine

Summary

ここでは、患者末梢血単核細胞からヒト心筋細胞を強固に生成・拡張するプロトコルを提示する。

Abstract

単一の血液引き分けから患者固有の心筋細胞を生成することは、心血管疾患の精密医療に大きな関心を集めています。ヒト人工多能性幹細胞(iPSC)からの心臓分化は、胚性心臓の発達に不可欠なシグナル伝達経路によって調節される。2次元および3次元プラットホーム上の多数の心臓分化方法は、様々な効率および心筋細胞収率と開発された。これらの方法の多様性は従うのが難しい可能性があり、これは現場外の調査官を困惑させた。ここでは、末梢血単核細胞(PBMC)からの患者特異的心筋細胞の堅牢な生成と拡大を詳述した包括的なプロトコルを提示する。まず、非集積センダイウイルスベクターを用いた患者の血液サンプルからの高効率iPSCリプログラミングプロトコルについて説明する。次に、ほとんどのヒトiPSCラインから打ち負かす心筋細胞を堅牢に生成できる、小分子媒介単層分化法を詳述する。さらに、スケーラブルな心筋細胞拡張プロトコルは、産業および臨床グレードのアプリケーションのために患者由来の心筋細胞を急速に拡大することができる低分子(CHIR99021)を使用して導入されています。最後に、これらのiPSC-CMの分子同定と電気生理学的特徴付けのための詳細なプロトコルが描かれています。このプロトコルは、心血管の発達と幹細胞生物学に関する限られた知識を持つ初心者にとって実用的なものになることを期待しています。

Introduction

ヒト人工多能性幹細胞の発見は、現代の心臓血管医学1,2に革命を起こしました。ヒトのiPSCは、心筋細胞、内皮細胞、平滑筋細胞、心臓線維芽細胞を含む、心臓内のすべての細胞タイプを自己再生し、生成することができます。iPSC由来心筋細胞(iPSC-CM)は、遺伝的に遺伝性心血管疾患(CVD)をモデル化し、新薬の心の安全性をテストするための無期限のリソースとして役立つことができる3。特に、iPSC-CMは、長いQT症候群4および拡張型心筋症(DCM)5のような心筋細胞の欠陥に由来するCVDの遺伝的および分子的病因を調査する準備が整っている。CRISPR/Cas9媒介ゲノム編集と組み合わせることで、患者iPSC-CMは先天性心不全(CHD)6、7、8を含むCVDの複雑な遺伝的基盤を理解するための前例のない道を開いた。ヒトiPSC-CMは、心臓発作9の間に損傷した心筋を補充するための自己細胞源として役立つ可能性を示している。近年、心臓再生および薬物検査10に対して、定義されたサブタイプ(心房、心室および節状)を有する高品質のヒトiPSC-CMを生成することが最も重要になっている。

ヒトiPSCとの心臓分化は、過去10年間で大きく進歩してきました。分化方法は、胚体(EB)ベースの自発的分化から化学的に定義され、指示された心臓分化11に行った。Wnt、BMP、Nodal、FGFなどの胚性心臓の発達に不可欠な主要なシグナル伝達分子は、ヒトiPSC10,12からの心筋細胞分化を増強するために操作される。顕著な進歩は、ヒトiPSC13,14から心筋細胞の堅牢な生成のためのWntシグナル伝達(活性化後の阻害)の順次変調を含む。化学的に定義された心臓分化のレシピは、産業および臨床レベルの生産にアップグレードされる可能性を有する拍動心筋細胞15、16の大規模な生産を容易にするために探求されてきた。また、初期ヒトiPSC-CMの堅牢な拡張は、小型化学物質(CHIR99021)17を用いた構成的なWnt活性化への曝露によって達成される。最近では、ヒトiPSC18、19、20、21、22からの心筋細胞系統のコミットメント中に特定の分化窓におけるレチノイン酸(RA)およびWntシグナル伝達経路の操作を介してサブタイプ特異的な心筋細胞が生成される。

本プロトコルでは、患者末梢血単核細胞由来のヒトCMの堅牢な生成と増殖のための作業手順を詳述する。1)ヒトPBMCをiPSCにリプログラミングするプロトコル、2)ヒトiPSCからの打ち負拍起動細胞の堅牢な生成、3)初期iPSC-CMの急速な拡大、4)ヒトiPSC-CMの分子特性化、および5)パッチクランプによる単一細胞レベルでのヒトiPSC-CMの電気生理学的測定のためのプロトコルを提示する。このプロトコルは、患者の血液細胞を拍動心筋細胞に変換する詳細な実験手順をカバーしています。

Protocol

実験議定書とヒト被験者のインフォームド・コンセントは、全国小児病院の機関審査委員会(IRB)によって承認されました。 1. 細胞培養培地、溶液、試薬の製造 PBMC メディアの準備 20 mLの基礎PBMC培養培地(1x)と0.52 mLのサプリメントを混ぜます。SCFとFLT3の20 μL(ストック濃度:100 μg/mL)、4 μLのIL3、IL6、EPO(ストック濃度:100 μg/mL)、L-グルタミン代替(100x)を200 μL加え?…

Representative Results

PBMCからのヒトiPSCリプログラミング完全な血液培地を7日間用いて培養した後、PBMCsは可視核と細胞質(図1B)で大きくなり、ウイルストランスフェクションの準備ができていることを示す。センダイウイルスのリプログラミング因子によるトランスフェクションの後、PBMCはエピジェネティックなリプログラミングプロセスを1週間受?…

Discussion

iPSCリプログラミングの間、明確な核と細胞質で拡大されるまで1週間培養PBMCsに重要です。PBMCsは増殖しないため、iPSCのリプログラミングを成功させるためには、ウイルス導入に適切な細胞数が重要です。PBMCsの細胞数、感染の多重度(MOI)およびウイルスの価動体は、最適なトランスダクション結果に到達するために考慮され、調整されるべきである。心臓分化の場合、初期シード密度は、chiR9…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

この研究は、米国心臓協会(AHA)キャリア開発賞18CDA34110293(M-T.Z.)、追加ベンチャーズAVIFおよびSVRF賞(M-T.Z.)、国立衛生研究所(NIH NHLBI)が1R01HL1242245、1R01HL1225220およびR010.I096(D010.6)によって支援されました。明タオ・ジャオ博士は、全国小児病院のアビゲイル・ウェクスナー研究所のスタートアップ資金にも支えられてきました。

Materials

ABI 7300 Fast Real-Time PCR System Thermo Fisher Scientific
Axon Axopatch 200B Microelectrode Amplifier Molecular Devices Microelectrode Amplifier
B27 supplement Thermo Fisher Scientific 17504044
B27 supplement minus insulin Thermo Fisher Scientific A1895601
BD Cytofix/Cytoperm Fixation/Permeabilization Kit BD Biosciences 554714 Fixation/Permeabilization solution, Perm/Wash buffer
BD Vacutainer CPT tube BD Biosciences 362753 Blood cell separation tube
CHIR99021 Selleck Chemicals S2924
CytoTune-iPS 2.0 Sendai Reprogramming Kit Thermo Fisher Scientific A16517 Sendai virus reprogramming kit
Digidata 1200B Axon Instruments Acquisition board
Direct-zol RNA Miniprep kit Zymo Research R2050 RNA extraction kit
DMEM/F12 Thermo Fisher Scientific 11330057
Essential 8 medium Thermo Fisher Scientific A1517001 E8 media for iPSC culture
GlutaMAX supplement Thermo Fisher Scientific 35050061 L-glutamine alternative
Growth factor reduced Matrigel Corning 356231 Basement membrane matrix
iScript cDNA Snythesis Kit Bio-Rad 1708891 cDNA synthesis
IWR-1-endo Selleck Chemicals S7086
KnockOut Serum Replacement (KSR) Thermo Fisher Scientific 10828028
pCLAMP 7.0 Molecular Devices Electrophysiology data acquisition & analysis software
Recombinant human EPO Thermo Fisher Scientific PHC9631
Recombinant human FLT3 Thermo Fisher Scientific PHC9414
Recombinant human IL3 Peprotech 200-03
Recombinant human IL6 Thermo Fisher Scientific PHC0065
Recombinant human SCF Peprotech 300-07
RPMI 1640 medium Thermo Fisher Scientific 11875093
RPMI 1640 medium, no glucose Thermo Fisher Scientific 11879020
SlowFade Gold Antifade Mountant Thermo Fisher Scientific S36936 Mounting media
StemPro-34 SFM Thermo Fisher Scientific 10639011 PBMC culture media
TaqMan Fast Advanced Master Mix Thermo Fisher Scientific 4444964 qPCR master mix
TrypLE Select Enzyme 10x, no phenol red Thermo Fisher Scientific A1217703 CM dissociation solution
UltraPure 0.5 M EDTA Thermo Fisher Scientific 15575020 iPSC dissociation solution
Y-27632 2HCl Selleck Chemicals S1049
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References

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Keywords: Cardiomyocyte GenerationPeripheral Blood Mononuclear CellsIPSC ReprogrammingCardiovascular Disease ModelingCardiac Toxicity TestingDifferentiation ProtocolCell CultureSendai VirusPBMCE8 MediumCardiomyocyte Differentiation Media
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Ye, S., Wan, X., Su, J., Patel, A., Justis, B., Deschênes, I., Zhao, M. Generation and Expansion of Human Cardiomyocytes from Patient Peripheral Blood Mononuclear Cells. J. Vis. Exp. (168), e62206, doi:10.3791/62206 (2021).
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