The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1San Diego Regenerative Medicine Institute, 2Xcelthera, 3Department of Neurosurgery, Harvard Medical School, 4Division of SCI Research, VA Boston Healthcare System, 5Program in Stem Cell & Regenerative Biology, Sanford-Burnham Medical Research Institute, 6La Jolla IVF
Parsons, X. H., Teng, Y. D., Parsons, J. F., Snyder, E. Y., Smotrich, D. B., Moore, D. A. Efficient Derivation of Human Neuronal Progenitors and Neurons from Pluripotent Human Embryonic Stem Cells with Small Molecule Induction. J. Vis. Exp. (56), e3273, doi:10.3791/3273 (2011).
Det finns ett stort ouppfyllda behov av ett kliniskt lämpligt mänskliga neuronala celler källa för reparation eller förnyelse av de skadade centrala nervsystemet (CNS) struktur och kretsar i dagens sjukvården. Cellbaserade terapier är mycket lovande för att återställa förlorad nervvävnad och funktion för CNS-sjukdomar. Dock har cellterapi bygger på CNS härstammar-neurala stamceller stött på utbudet restriktioner och svårigheter att använda i klinisk miljö på grund av deras begränsade expansionen förmåga i kultur och i avsaknad av plasticitet efter omfattande passaging 1-3. Trots vissa positiva resultat, CNS-derived mänskliga neurala stamceller (hNSCs) förefaller utöva sina terapeutiska effekter främst genom sin icke-neuronala avkommor genom att producera trofiska och nervskyddande molekyler för att rädda den endogena celler 1-3. Alternativt pluripotenta mänskliga embryonala stamceller (hESCs) proffer botemedel för ett brett spektrum av neurologiska störningar av supplying den mångfald av mänskliga neuronala celltyper i utvecklingsländerna CNS för regenerering 1,4-7. Men hur har att kanalisera det stora differentiering potential pluripotenta hESCs effektivt och förutsägbart till en önskad fenotyp varit en stor utmaning för både utvecklings-studier och kliniska översättning. Konventionella metoder är beroende av flera härstamning lutning pluripotenta celler genom spontana könsceller lager differentiering, vilket resulterar i ineffektiva och okontrollerbar härstamning-engagemang som ofta följs av fenotypisk heterogenitet och instabilitet därmed en stor risk för tumorigenicitetsprov 7-10. Dessutom kan odefinierade utländska / djur biologiska kosttillskott och / eller matare som vanligen har använts för isolering, expansion och differentiering av hESCs direkt använder sådan cell-specialiserade kneg hos patienter problematiskt 11-13. För att övervinna dessa hinder, vi har löst delar av ett definierat kultur som är nödvändiga och tillräckliga för sustaining den epiblast pluripotence av hESCs, fungerar som en plattform för de novo härledning av kliniskt lämplig hESCs och effektivt styra ett sådant hESCs jämnt mot kliniskt relevant härstamningar av små molekyler 14 (se ett schema i bild. 1). Retinoinsyra (RA) inducerar inte neuronal differentiering av odifferentierade hESCs underhållas på matare 1, 14. Och till skillnad från mus ekonomiska och sociala råd, behandlar hESC differentierade embryoid organ (EBS) endast marginellt ökar låg avkastning av nervceller 1, 14, 15. Men, efter säkerhetskontroll en mängd små molekyler och tillväxtfaktorer, fann vi att dessa definierade villkor återges retinoinsyra (RA) är tillräcklig för att framkalla specifikationen av neuroectoderm direkt från pluripotenta hESCs att ytterligare utvecklats till neuroblaster som genereras mänskliga neuronala stamceller och nervceller i utveckla CNS med hög verkningsgrad (bild 2). Vi fastställda villkor för induktion av neuroblaster direkt från pluripotenta hESCs utan en mellanliggande flera härstamning embryoid kroppen skede, så välkontrollerad effektiv härledning av ett stort utbud av mänskliga neuronala celler inom hela spektrumet av utvecklingsstadier för cell-baserad terapi.
1. Lösning och Media förberedelse
2. Plate Beläggning
3. Passaging och såmaskiner diverse hESCs fastställda villkor
4. Neurala Induktion av hESCs under definierade kultur-system med retinoinsyra
5. Fortsatta neuronal differentiering i suspension Kultur
6. Neuronal Fenotyp mognad i Självhäftande Kultur
7. Representativa resultat:
Retinoinsyra (RA) återges tillräckligt för att framkalla hESCs upprätthålls i definierade kultur för att övergången från pluripotens uteslutande till en neuroektodermal fenotyp (Fig. 2A). Vid exponering av odifferentierade hESCs till RA kommer alla celler i kolonin genomgå morfologi förändringarstora differentierade celler som upphör uttrycker pluripotens-relaterade markörer, vilket framgår av oktober-4, och börja uttrycka olika neuroectoderm-relaterade markörer, såsom HNK1, AP2 och TrkC (Fig. 2B). Dessa stora differentierade celler kommer att fortsätta att föröka sig och kolonierna kommer att öka i storlek, fortsätter spontant uttrycka det tidiga neuronala markör β-III-tubulin (Fig. 2B). De mer mogna neuronal markör Karta-2 kommer att börja synas i områden i kolonierna där cellerna har staplat upp (Fig. 2B). Sammanfaller med utseendet på neuroektodermal celler och neuronal differentiering kommer neuronala specifika transkriptionell faktor Nurr1, inblandad i dopaminerga neuronal differentiering och aktivering av tyrosin hydroxylas (TH) genen 16, translocate till kärnan (Fig. 2B). Efter lossnat kommer de RA-behandlade hESCs bilda flytande cellulär kluster (neuroblaster) i en suspension kulture att fortsätta neurala differentiering processen. Vid borttagning av bFGF och efter tillåter neuroblaster att fästa en vävnadsodling tallrik eller seedade i ett laminin / kollagen polymeriserade 3-dimensionell matris i en definierad serumfritt medium, β-III-tubulin-och Map-2-uttryckande, neurite bärande celler och pigmenterade celler kommer att börja visas med en drastisk ökning i effektivitet jämfört med spontan flera härstamning differentiering av hESCs utan behandling under samma tidsperiod, och kunde upprätthållas i över 3 månader (Fig. 2C).

Figur 1 En schematisk av de välkontrollerade effektiv induktion av mänskliga pluripotenta stamceller enbart till ett visst kliniskt relevant härstamning genom en enkel tillhandahållande av små molekyler.

Figur 2 (A) Schematisk skildrar i protokollet tiden raden av riktade neuronal differentiering av hESCs. (B) vid exponering av odifferentierade hESCs till retinoinsyra (RA) under definierade kultur-systemet, stora differentierade oktober-4 (röd) negativ celler i kolonin började dyka upp, jämfört med mock-behandlade (DMSO) hESCs som kontroll . RA-inducerad differentierade oktober-4-negativa celler började uttrycka HNK-1 (röd), AP2 (röd), TrkC (grön) och β-III-tubulin (röd), i linje med tidiga neuroektodermal differentiering. Dessa celler har fortsatt att mogna slutligen uttrycka neuronala markör Map-2 (grön), oftast i områden där cellerna började stapla upp. Sammanfaller med utseendet på neuroektodermal celler och neuronal differentiering, den neuronala specifika transkriptionell faktor Nurr1 (grön), inblandad idopaminerga neuronal differentiering och aktivering av tyrosin hydroxylas (TH) genen, flyttas till kärnan. Alla celler visas med DAPI färgning av sina kärnor (blå). (C) RA behandling inducerar differentiering mot en neuronal härstamning med hög verkningsgrad enligt bedömning av omfattande nätverk av neurite-bärande celler som uttrycker β-III-tubulin (röd) och Map-2 (grön, visas i en 3-dimentional matris). Pilarna anger pigmenterade celler som är typiska för de i CNS. Alla celler visas med DAPI färgning av sina kärnor (blå) i inläggningar. Skala staplar: 0,1 mm.
En av de stora utmaningar för både utvecklingsstudie och kliniska översättningen har varit att kanalisera de breda differentiering potential pluripotenta mänskliga stamceller till önskad fenotyp effektivt och förutsägbart. Även om sådana celler kan skilja spontant in vitro i celler av alla groddblad genom att gå igenom en flera härstamning samlade skede, bara en bråkdel av celler utöva ett visst släktskap 1,4. I de hESC-derived aggregat gör samtidiga en stor mängd vitt skilda oönskade celltyper som kan finnas i tre embryonala groddblad ofta uppkomsten av önskade fenotyper inte bara ineffektivt, men okontrollerbara och opålitliga också. Även hjärt-och neurala linjerna har härletts i tidigare rapporter, men ineffektiviteten generera specialiserade celler genom könsceller lager-induktion av pluripotenta celler och hög risk för tumorigenicitetsprov följande transplantation ha hindrat ytterligare kliniska översättning.
Den hESC linjer ursprungligen härstammar och underhålls i samarbete kultur med tillväxt-greps möss embryonala fibroblaster (MEFs) 4. Trots att flera människor feeder, matare-fri, och kemiskt formulerade system kulturen har utvecklats för hESCs 11-13, elementen är nödvändig och tillräcklig för att upprätthålla den självförnyelse för mänskliga pluripotenta celler förblir olösta. Dessa exogena feeder celler och biologiska reagens bidra till att upprätthålla långsiktigt stabil tillväxt av odifferentierade hESCs medan masken förmåga pluripotenta celler att reagera på utvecklings-signaler. Att upprätthålla odifferentierade hESCs i ett definierat biologiska-fri kultur som gör det möjligt trogna expansion och kontrollerbar direkt differentiering är en av nycklarna till deras terapeutiska nyttan och potential. RA var inte tillräcklig för att framkalla neuronal differentiering av odifferentierade hESCs upprätthålls enligt tidigare redovisade Conditjoner innehåller exogena feeder celler. Även om neurala linjer visas på ett relativt tidigt skede i hESC differentiering, behandla hESC differentierade flera härstamning aggregat (embryoid organ) med RA endast marginellt ökat den låga avkastningen av nervceller 1, 14, 15. För att uppnå enhetligt konvertering av mänskliga pluripotenta stamceller till en viss härstamning, anställde vi en definierad kultur system som kan försäkra spridning av odifferentierade hESCs att identifiera förutsättningar för välkontrollerade effektiv induktion av pluripotenta hESCs enbart till ett visst kliniskt relevant härstamning genom en enkel tillhandahållande av små molekyler (Fig. 1, Fig.. 2). Framtida studier kommer att avslöja genetiska och epigenetiska kontroll molekyler i människans CNS utveckling som alternativ, vilket kan bana väg för liten molekyl-medierad direkt kontroll och modulering av hESC pluripotenta öde när härrör kliniskt relevanta linjer för regenerativ terapi. Utan RA behandling, 1-5% HESCs kommer att genomgå spontan differentiering till nervceller 1, 14, 15. Med RA behandling, har vi kunnat generera> 95% embryonala neuronala stamceller och nervceller från hESCs bibehålls som ett definiera kulturen i en process som kan efterlikna mänskliga embryonala utvecklingen 14. Nyligen har känt neurala-ödet bestämma gener använts för att transdifferentiate musfibroblaster i vuxen neurala stamceller och nervceller med en låg verkningsgrad på mellan 0,5-8% 17, 18. Dock har omprogrammeras kroppsceller historiskt förknippats med onormalt genuttryck och accelererat åldrande med nedsatt terapeutiska nyttan 19-21. Slutligen är det protokoll som vi etablerat här begränsat till pluripotenta hESCs härrör från den inre cellmassan (ICM) eller epiblast av den mänskliga blastocysten 4 får inte tillämpas på andra pluripotenta celler, inklusive djur har sitt ursprung ekonomiska och sociala råd, ekonomiska och sociala råden från tidigare Morula (åtta -cell)-stadiet embryon 22, och Artificially omprogrammerade celler 23.
Författarna förklarar konkurrerande intressen. XHP är grundare av Xcelthera. XHP och EYS har intellektuella egenskaper relaterade till hESCs.
XHP har fått stöd av National Institute of Health (NIH) anslag från National Institute on Aging (NIHK01AG024496) och The Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health och Human Development (NIHR21HD056530).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| Matrigel | BD Biosciences | 356231 | Growth factor reduced |
| Human laminin | Sigma-Aldrich | L6274 | |
| all-trans-Retinoic acid | Sigma-Aldrich | R2625 | |
| DMEM/F12 | Invitrogen | 10565018 | |
| DMEM | Invitrogen | 31053036 | |
| DMEM-KO | Invitrogen | 10829018 | |
| Knock-out serum replacement | Invitrogen | 10828028 | |
| MEM nonessential amino acid solution (MNAA, 100X) | Invitrogen | 11140050 | |
| MEM amino acids solution(MEAA, 100X) | Invitrogen | 11130050 | |
| β-Mercaptoethanol | Invitrogen | 21985023 | |
| Albumax | Invitrogen | 11020021 | |
| Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| Human transferrin | Sigma-Aldrich | T8158 | |
| Human bFGF | PeproTech Inc | AF-100-18B | |
| Human insulin | Invitrogen | 12585014 | |
| Human activin A | PeproTech Inc | 120-14E | |
| Human BDNF | PeproTech Inc | AF-450-02 | |
| Human VEGF | PeproTech Inc | AF-100-20 | |
| Human NT-3 | PeproTech Inc | 450-03 | |
| Heparin | Sigma-Aldrich | H5284 | |
| N-2 supplement (100X) | Invitrogen | 17502048 | |
| 6-well ultralow attachment plate | Corning | 3471 | |
| 6-well plate | Corning | 3516 |