The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
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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 Cardiac Precursors and Cardiomyocytes from Pluripotent Human Embryonic Stem Cells with Small Molecule Induction. J. Vis. Exp. (57), e3274, doi:10.3791/3274 (2011).
Até o momento, a falta de uma fonte de células adequado cardíaco humano tem sido o grande revés na regeneração do miocárdio humano, seja por celular baseado em transplante cardíaco ou por engenharia tecidual 1-3. Cardiomiócitos se tornar terminalmente diferenciadas logo após o nascimento e perdem a capacidade de proliferar. Não há evidências de que haste / progenitor células derivadas de outras fontes, tais como a medula óssea ou do sangue do cordão umbilical, são capazes de dar origem a células musculares de contração do coração após o transplante para o coração 1-3. A necessidade de regenerar ou reparar o músculo cardíaco danificado não foi cumprido pela terapia de células-tronco adultas, seja endógena ou através da entrega de célula 1-3. O geneticamente estáveis células estaminais embrionárias humanas (hESCs) têm capacidade de expansão ilimitada e irrestrita plasticidade, proferindo um reservatório pluripotentes no derivação in vitro de grandes quantidades de células somáticas humanas que são restritos à linhagem em necessidadede reparo e regeneração 4,5. Devido à prevalência de doença cardiovascular em todo o mundo e aguda escassez de doadores de órgãos, existe grande interesse em terapias CTEh baseado em desenvolvimento como uma abordagem alternativa. No entanto, como canalizar o potencial de diferenciação gama de hESCs pluripotentes de forma eficiente e previsível para um fenótipo desejado tem sido um grande desafio tanto para estudo de desenvolvimento e tradução clínica. Abordagens convencionais dependem de multi-linhagem inclinação de células pluripotentes através da diferenciação espontânea germe de camada, resultando em ineficiência e incontrolável linhagem compromisso, que é muitas vezes seguido de heterogeneidade fenotípica e instabilidade, portanto, um risco elevado de tumorigenicidade 6-8 (ver um esquema em fig. 1A). Além disso, indefinido estrangeiros / animal suplementos biológicos e / ou alimentadores que tenham sido tipicamente usadas para o isolamento, expansão e diferenciação de hESCs pode fazer uso direto de tais células-specialized enxertos em pacientes problemáticos 9-11. Para superar esses obstáculos, temos resolvido os elementos de um sistema de cultura definidas necessárias e suficientes para sustentar o epiblasto pluripotence de hESCs, servindo como uma plataforma para a derivação de novo de hESCs clinicamente adequado e eficaz direcionando hESCs tais uniformemente para linhagens clinicamente relevante por pequenas moléculas 12 (ver um diagrama esquemático na fig. 1B). Após a triagem de uma variedade de pequenas moléculas e fatores de crescimento, verificou-se que tais condições definidas prestados nicotinamida (NAM) suficiente para induzir a especificação de cardiomesoderm direta de hESCs pluripotentes que mais progrediu para cardioblasts que gerou humana cardiomiócitos batendo com alta eficiência (Fig. 2 ). Nós definimos as condições para a indução de cardioblasts direta de hESCs pluripotentes sem uma intervenção multi-estágio corpo linhagem embrióides, permitindo bem controlados derivação eficiente de umgrande oferta de células cardíacas humanas em todo o espectro de estágios de desenvolvimento para a célula-base terapêutica.
1. Solução e Mídia Preparação
2. Revestimento placa
3. Passaging e propagação hESCs indiferenciado sob condições definidas
4. Indução cardíaca de hESCs em Sistema Cultura Definido com Nicotinamida
5. Continuando Diferenciação Cardíaca em Cultura Suspensão
6. Maturação batendo Fenótipo Cardiomyocyte em Cultura Adhesive
7. Resultados representativos:
Nicotinamida (NAM) é processada suficiente para induzir hESCs mantido no sistema de cultura definida para a transição de pluripotência exclusivamente a um fenótipo cardiomesodermal (Fig. 2B). Após a exposição de hESCs indiferenciado para NAM, todas as células dentro da colônia vai sofrer alterações morfologia de grandes células diferenciadas que baixo-regulam a expressão de Oct-4 e começam a expressar o fator de transcrição cardíacas específicas (CSX) Nkx2.5 e α- actinina, consistente com um fenótipo cardiomesoderm (Fig. 2B). Estas células diferenciadas continuarão a se multiplicar e as colônias aumentam de tamanho. Aumento da intensidade das Nkx2.5 vaigeralmente ser observado nas áreas das colônias, onde as células começam a se acumular (Fig. 2B). Depois de separado, o hESCs NAM-tratados formarão flutuante aglomerados celulares (cardioblasts) em uma cultura de suspensão para continuar o processo de diferenciação cardíaca. Depois de permitir a cardioblasts para anexar e continuar a tratar com NAM por 1 semana, batendo cardiomiócitos começarão a aparecer em cerca de 1-2 semanas de cultivo contínuo após a retirada do NAM com um aumento drástico em termos de eficiência, em comparação com diferenciação multi-linhagem espontânea de hESCs sem tratamento sobre o mesmo período de tempo (Fig. 2C). Células dentro dos clusters vai bater cardiomiócitos expressam marcadores característicos de cardiomiócitos, incluindo Nkx2.5 e α-actinina (Fig. 2C). As contrações dos cardiomiócitos batendo foram confirmados por perfis elétricos para ser forte, rítmica, bem coordenada e bem arrastado, com impulsos regulares lembra do p-QRS-T-complexos de visto a partir de eletrodos de superfície do corpo em clínica eletrocardiogramas (Fig. 2C, também ver o vídeo). Os cardiomiócitos poderia manter a sua contratilidade forte por mais de 3 meses.

Figura 1. Esquemas geral da abordagem convencional versus abordagem de pequena molécula de indução de diferenciação de células-tronco humanas pluripotentes para células especializadas funcional. (A) Um esquema de abordagem convencional, usando multi-linhagem inclinação de células-tronco humanas pluripotentes através da diferenciação espontânea germe de camada. (B) Um esquema de bem-controlados de indução eficiente de células-tronco pluripotentes humanas exclusivamente a uma linhagem particular clinicamente relevante pelo simples fornecimento de pequenas moléculas.

Figura 2. Nicotinamida induz especificação linhagem cardíaca direta de pluripotência em condições definidas e progressão para bater cardiomiócitos. (A) Esquema mostrando a linha do tempo de protocolo de diferenciação dirigida cardíaca de hESCs. (B) Após a exposição de hESCs indiferenciada a nicotinamida (NAM), sob o sistema de cultura definido, grande diferenciados Oct-4 (vermelho) células negativas dentro da colônia começaram a surgir, em comparação com o mock-tratados (DMSO) hESCs como controle. NAM induzida por células Oct-4-negativos começaram a expressar Nkx2.5 (verde) e α-actinina (vermelho), de acordo com a diferenciação cardíaca precoce. Intensidade progressivamente aumentado de Nkx2.5 era normalmente observada em áreas da colônia onde as células começaram a se acumular. Todas as células são indicados por DAPI coloração de seus núcleos (azul). (C) NAM-cardíaca induzida comprometido hESCs rendeu cardiomiócitos batendo com um aumento drástico em termos de eficiência, avaliada pela clus celularters que mostrava contrações rítmicas (ver perfil eletrofisiológicos e vídeos), e imunopositivas para Nkx2.5 (verde) e α-actinina (vermelho). Imagens da fase de grupos representativos de bater grandes cardiomiócitos e imagens de maior poder de representante contrair músculos cardíacos são mostrados (veja também vídeos correspondente). As setas indicam o cluster cardiomiócitos grande batendo utilizado para a gravação eletrofisiológico. Perfil eletrofisiológico dos cardiomiócitos bater mostra regular, arrastado, impulsos rítmicos reminiscência da p-QRS-T-complexos visto em eletrocardiogramas clínicos. Barras de escala: 0,1 mm.
Vídeos: Entidade cardiomiócitos diferenciados NAM induzida hESCs. Vídeos 1 e 2 mostram representante vídeo batendo grandes aglomerados de cardiomiócitos em cerca de 1 e 3 meses após a fixação. Video 3 e 4 mostram representante contraindo os músculos cardíacos com maior poder. 5 mostra uma typical aglomerado de cardiomiócitos pequenos batendo espontaneamente diferenciado de hESCs NAM sem tratamento como controle.
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Um dos grandes desafios tanto para estudos de desenvolvimento e tradução clínica tem sido a forma de canalizar o potencial de diferenciação gama de células-tronco pluripotentes humanas a um fenótipo desejado de forma eficiente e previsível. Apesar de tais células podem se diferenciar espontaneamente in vitro em células de todas as camadas germinativas, passando por uma fase agregado multi-linhagem, em CTEh derivados multi-linhagem agregados (corpos embrióides), apenas uma fração muito pequena de células (<2%) espontaneamente diferenciar em cardiomiócitos 13-15 (Fig. 1A). Immunoselection seguintes, a população enriquecida de cardiomiócitos foram capazes de funcionar como marca-passos biológicos para resgatar a função de um miocárdio danificado mecanicamente e eletronicamente após a injeção no coração de modelos animais 13. Em modelos de roedores infartada, enxertada CTEh progênies derivadas cardíacos foram capazes de sobreviver e amadurecer até 12 semanas, e parcialmente remuscularize o coração ferido e melhorar a função contrátil 14,15. No entanto, a ineficiência na geração cardíaco humano comprometido células através de multi-linhagem diferenciação de células pluripotentes e alto risco de transplante tumorigenicidade seguintes têm impedido de nova tradução clínica. Desenvolvimento de estratégias para canalizar o potencial de diferenciação gama de hESCs pluripotentes exclusiva e previsivelmente a um fenótipo cardíaco é vital para aproveitar o poder da biologia CTEh no campo do coração. A fim de alcançar uniformemente conversão de células pluripotentes estaminais humanas a uma linhagem especial, empregamos um sistema de cultura definido capaz de segurar a proliferação de hESCs indiferenciado para identificar as condições para o bem-controlados de indução eficiente de hESCs pluripotentes exclusivamente para uma determinada linhagem clinicamente relevante pelo simples fornecimento de pequenas moléculas (Fig. 1B). Descobrimos que a nicotinamida induzida comprometimento cardíaco de linhagem direta de phESCs luripotent sob cultura definido que mais progrediu para bater cardiomiócitos com alta eficiência (Fig. 2). Nkx2.5 é um fator de transcrição evolutivamente conservada homeobox indispensável para o desenvolvimento cardíaca normal e mutações do gene são associadas à doença cardíaca humana congênitas (CC), o defeito de nascimento mais comuns humana 16. Expressão de Nkx2.5 é o primeiro marcador de células precursoras de coração em todos os vertebrados, até agora examinado e é essencial para a septação cardíaca adequada e formação / amadurecimento do sistema de condução elétrica 16. Nos vertebrados, o início eo padrão de expressão Nkx2.5 início cerca de coincidir com o calendário e área de especificação na embriogênese cardíaca precoce, e Nkx2.5 gene continua a ser expressa através do desenvolvimento no coração 16. Em nosso modelo CTEh, NAM apareceu para acionar a indução direta de hESCs cardíaca pluripotentes através da promoção da expressão de cardíacas específicas transcriNkx2.5 PÇÃO fator em um processo que pode emular a especificação de cardiomesoderm do epiblasto pluripotentes em cardiogenesis embrionárias humanas. Futuros estudos revelarão moléculas controle genéticas e epigenéticas no desenvolvimento coração humano como alternativas, que podem pavimentar o caminho para o controle de molécula pequena mediada direta e modulação do destino pluripotentes CTEh quando derivar linhagens clinicamente relevantes para terapias regenerativas. Sem tratamento NAM, <hESCs 2% passarão por diferenciação espontânea em bater cardiomiócitos 12-15. Com o tratamento NAM, temos sido capazes de gerar> 95% embrionárias precursores cardíacos e cardiomiócitos batendo> 50% de hESCs mantido sob uma cultura define em um processo que pode emular o desenvolvimento embrionário do coração humano 12. Recentemente, conhecido destino cardíacas genes determinantes têm sido usados para transdifferentiate fibroblastos de rato em pós-natal cardiomiócitos batendo com uma baixa eficiência de <0,5% 17, 18 </ Sup>. No entanto, as células somáticas reprogramadas têm sido historicamente associada com a expressão do gene anormal e senescência acelerada com utilidade terapêutica prejudicada 19-21. Finalmente, o protocolo que estabelecemos aqui é limitado a hESCs pluripotentes derivadas da massa celular interna (ICM) ou epiblasto do blastocisto humano 4,5, pode não se aplicar a outras células pluripotentes, incluindo animais originou-CES, CES derivado de mórula anterior (oito células) em estágio embriões 22, e as células reprogramadas artificialmente 23.
Os autores declaram interesses conflitantes. XHP é o fundador da Xcelthera. XHP e EYS têm propriedades intelectuais relacionadas com hESCs.
XHP foi apoiado pelo National Institute of Health (NIH) doações do National Institute on Aging (NIHK01AG024496) e A Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health e Desenvolvimento Humano (NIHR21HD056530).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| Matrigel | BD Biosciences | 356231 | Growth factor reduced |
| Human laminin | Sigma-Aldrich | L6274 | |
| Nicotinamide | Sigma-Aldrich | N0636 | |
| DMEM/F12 | Invitrogen | 10565042 | |
| 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 | |
| Defined FBS | Hyclone | SH30073-03 | |
| 6-well ultralow attachment plate | Corning | 3471 | |
| 6-well plate | Corning | 3516 |
breast cancer, Alzheimer's disease,ADHD, SARS
go take a look.
I have not touch measles ,bvFTD Ag85B,Pax6,CD34,SGA,shRNA,
HMGB2,CDK5 ,SOX2, siRNA, mRNA!,
I work with Dr. Bernard Roizman on HSV-1,Vaccine at U of Chicago , 27 years ago! http://www.gene2gene.com TB in here http://www.gene2gene.com/P53.htm stem cells,breast cancer, Dr. Verma,you did it on 2002 http://www.gene2gene.com/Bdnf.htm ADHD/Autism
2002,I left Biocarta to work at ITRI Research Institute at Taiwan,
Early Oct My mother pass away at San Diego, End of Oct,
I participated running exercise at ITRI, I fall down, I saw my
mother, She told me " It is not the time for you to come here,
go back!" I also saw my brother in law, two uncles, and
grandma! Few days later, I was moved to major hospital at Taipei!
One night, I waked up, and knell down against the window,
my wife ask me "What you doing?" I told her , I saw Jesse!
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ReplyPosted by: mDecember 21, 2011, 11:43 AM