Dieses Protokoll stellt die Differenzierung humaner Osteoklasten aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) dar und beschreibt Methoden zur Charakterisierung von Osteoklasten und Osteoklastenvorläufern.
Method Article
Dieses Protokoll stellt die Differenzierung humaner Osteoklasten aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) dar und beschreibt Methoden zur Charakterisierung von Osteoklasten und Osteoklastenvorläufern.
Dieses Protokoll beschreibt die Vermehrung und Passage von humanen iPS-Zellen und ihre Differenzierung in Osteoklasten. Zunächst werden iPS-Zellen in eine einzellige Suspension dissoziiert, um sie in der Induktion des Embryoidkörpers weiter zu verwenden. Nach der mesodermalen Induktion durchlaufen die Embryoidkörper eine hämatopoetische Differenzierung, wodurch eine schwimmende hämatopoetische Zellpopulation entsteht. Anschließend durchlaufen die geernteten hämatopoetischen Zellen einen Makrophagenkolonie-stimulierenden Faktorreifungsschritt und schließlich eine Osteoklastendifferenzierung. Nach der Osteoklastendifferenzierung werden die Osteoklasten durch eine Färbung für TRAP in Verbindung mit einer methylgrünen Kernfärbung charakterisiert. Osteoklasten werden als mehrkernige, TRAP+-Polykaryonen beobachtet. Ihre Identifizierung kann durch die Cathepsin-K-Färbung weiter unterstützt werden. Knochen- und Mineralresorptionsassays ermöglichen eine funktionelle Charakterisierung und bestätigen die Identität von echten Osteoklasten. Dieses Protokoll stellt eine robuste und vielseitige Methode zur Unterscheidung menschlicher Osteoklasten von iPS-Zellen dar und ermöglicht eine einfache Anwendung in Anwendungen, die große Mengen an funktionellen menschlichen Osteoklasten erfordern. Denkbar wären Anwendungen in den Bereichen Knochenforschung, Krebsforschung, Tissue Engineering und Endoprothesenforschung.
Osteoklasten (OCs) sind hämatopoetische 1,2, vielseitige Zelltypen, die häufig von Forschern in Bereichen wie der Erforschung von Knochenkrankheiten 3,4, derKrebsforschung 5,6, dem Tissue Engineering 7,8 undder Endoprothesenforschung 9,10 verwendet werden. Nichtsdestotrotz kann die OC-Differenzierung eine Herausforderung darstellen, da die Fusion von mononukleären Vorläufern zu mehrkernigen OCs notwendig ist, um funktionelle OCs zu erzeugen11. Mehrere biologische Faktoren, wie z.B. der Rezeptoraktivator des NF-κB-Liganden (RANKL) und der Makrophagen-Kolonie-stimulierende Faktor (M-CSF), sind für die OC-Differenzierung notwendig. Es wurde berichtet, dass M-CSF einen positiven Effekt auf die Zellproliferation, das Zellüberleben und die RANK-Expression hat 12,13,14. Auf der anderen Seite bindet RANKL an RANK, das nachgeschaltete Signalkaskaden aktiviert, die die Osteoklastogenese induzieren. Die Aktivierung wird über den TNF-Rezeptor-assoziierten Faktor 6 (TRAF6) vermittelt, der zum Abbau des nukleären Faktors des Kappa-Light-Polypeptid-Genverstärkers im B-Zell-Inhibitor alpha (IκB-α) führt, einem Bindungsprotein, das NF-kB-Dimerebindet 16,17. Daher werden beim Abbau von IκB-α NF-kB-Dimere freigesetzt, die dann in den Zellkern translozieren und die Expression der Transkriptionsfaktoren c-Fos und Nuclear Factor of Activated T-Cells 1 (NFATc1) induzieren. Dies wiederum löst die Transkription einer Vielzahl von Proteinen aus, die mit der OC-Differenzierung zusammenhängen15,18. Hochregulierte Proteine wie DC-Stamp und Atp6v0d2 vermitteln die Zell-Zell-Fusion von OC-Vorläufern, was zur Bildung von Synzytium führt 19,20,21.
In Bezug auf humane Primärzellen sind CD34+ und CD14+ PBMCs derzeit die am häufigsten verwendeten Zelltypen für die Differenzierung in OCs22. Dieser Ansatz ist jedoch durch die Heterogenität innerhalb der CD34+ -Population von geernteten Zellen von Spendern23 und ihre begrenzte Erweiterbarkeit begrenzt. Humane iPS-Zellen stellen eine alternative Quelle für OCs dar. Da sie unbegrenzt vermehrt werden können24, ermöglichen sie eine Erweiterbarkeit und Hochskalierung der OC-Produktion. Dies ermöglicht die Differenzierung einer großen Anzahl von OCs, was die OC-Forschung erleichtert.
Es wurden mehrere Protokolle zur Differenzierung von iPS-Zellen in OCs veröffentlicht 25,26,27. Der gesamte Differenzierungsprozess kann in einen iPSC-Propagationsteil, einen mesodermalen und einen hämatopoetischen Differenzierungsteil und eine OC-Differenzierung unterteilt werden. Die Vermehrung von iPS-Zellen vor dem Differenzierungsprozess ermöglicht die Hochskalierung der OC-Produktion vor der Differenzierung. Es existieren mehrere Ansätze zur mesodermalen und hämatopoetischen Differenzierung. Traditionell wurde die Bildung von Embryoidkörpern (EB) zur Differenzierung hämatopoetischer Zellen verwendet, aber Monolayer-basierte Ansätze stellen eine weitere hämatopoetische Differenzierungsstrategie dar, die keine EB-Induktion erfordert. Nichtsdestotrotz scheinen monolayer-basierte Systeme weiterer Optimierung zu bedürfen, da wir und andere festgestellt haben, dass EB-basierte Ansätze robuster für die Differenzierung von OCs sind.
Hier beschreiben wir die Differenzierung von OCs von humanen iPSCs mit Hilfe eines EB-basierten Protokolls. Dieses Protokoll wurde von Rössler et al.26 adaptiert und modifiziert, um die Robustheit zu erhöhen und die Kryokonservierung während des Differenzierungsprozesses zu ermöglichen. Erstens haben wir hämatopoetische Zellen nur einmal nach 10 Tagen der Differenzierung geerntet. Die hämatopoetischen Zellen wurden dann kryokonserviert, um mehr Flexibilität während des Differenzierungsprozesses zu ermöglichen. Zusätzlich haben wir die hämatopoetische Zellaussaatdichte von 1 x 105 auf 2 x 105 Zellen/cm2 für die OC-Differenzierung erhöht. Es wurde ein neueres humanes iPSC-serumfreies Medium (hiPSC-SFM, siehe Materialtabelle) verwendet, und die Beschichtung der Wells wurde mit 200-300 μg/ml eines Basalmembranextrakts (siehe Materialtabelle) anstelle von 0,1% Gelatine durchgeführt. Penicillin/Streptomycin wurde den Medien nicht hinzugefügt.
Das Protokoll von Rössler et al.26 wurde ursprünglich von einem iPSC-Protokoll auf ein Makrophagen-Differenzierungsprotokoll28 adaptiert, das die EB-Bildung zur hämatopoetischen Differenzierung nutzt. Während die EB-Bildung von Forschern seit längerer Zeit für die hämatopoetische Differenzierung verwendet wird29,30, wurden in der Literatur mehrere Methoden der EB-Induktion beschrieben, wie z. B. spontane Aggregation, Zentrifugation in einer Well-Platte mit rundem Boden, hängende Tropfenkultur, Bioreaktorkultur, konische Röhrchenkultur, langsam drehende laterale Gefäße und Mikroformgelkultur31. Dieses Protokoll verwendet die Zentrifugation von dissoziierten iPS-Zellen in einer Well-Platte mit rundem Boden, um einzelne iPSC-Zellen in die Nähe zueinander zu bringen und die Bildung von Kugeln (EB) zu ermöglichen, wie im Folgenden beschrieben.
HINWEIS: Alle in diesem Protokoll verwendeten Reagenzien finden Sie in der Materialtabelle. Sofern nicht anders angegeben, wurden alle Medien vor der Verwendung auf 37 °C voräquilibriert. Alle Zentrifugationsschritte werden bei 37 °C und im langsamsten Beschleunigungs-/Verzögerungsmodus durchgeführt. Sofern nicht anders angegeben, wird der Überstand immer mit Einweg-Pasteur-Glaspipetten entfernt.
1. Auftauen und Vermehrung humaner iPS-Zellen
2. Weiterleitung von iPS-Zellen
3. Einfrieren von iPS-Zellen
4. Induktion des Embryoidkörpers
5. Hämatopoetische Differenzierung
6. M-CSF-Reifung und OC-Differenzierung
Überwachung der Zellmorphologie während des gesamten Differenzierungsprozesses
Alle unten beschriebenen Ergebnisse wurden mit der MCND-TENS2 iPSC-Linie zur OC-Differenzierung generiert. Diese iPSC-Linie wurde bereits in mehreren Studien eingesetzt 32,33. Nichtsdestotrotz wurden auch andere iPSC-Linien mit diesem Differenzierungsprotokoll erfolgreich eingesetzt.
Regelmäßige visuelle Untersuchungen zeigen unterschiedliche und ausgeprägte morphologische Merkmale von iPS-Zellen während des gesamten Differenzierungsprozesses zu OCs (Abbildung 2). iPSC-Kolonien (Abbildung 2A) wurden in eine einzellige Suspension dissoziiert, die vor der Zentrifugation als einzelne Zellen in der runden Well-Platte erscheint (Abbildung 2B). Nach der Zentrifugation (Schritt 4.9 des Protokolls) sammeln sich die Zellen in der Mitte der Well-Platte mit rundem Boden und extrem niedriger Befestigung und bilden anschließend Kugeln (Embryoidkörper, EBs, Abbildung 2C). EBs nehmen während des mesodermalen Differenzierungsprozesses um das Zwei- bis Dreifache zu (Abbildung 2D) und werden am Ende der 4-tägigen Differenzierungsperiode für das Auge gut sichtbar (Abbildung 2E). Es ist zu sehen, wie EBs nach dem Transfer einer 6-Well-Platte zur hämatopoetischen Differenzierung in die Wells (Schritt 5.3 im Protokoll, Abbildung 2F) mit dem Wellplattenboden haften und verschmelzen. Nach 7-8 Tagen werden große Mengen schwimmender hämatopoetischer Zellen im Kulturmedium sichtbar (Abbildung 2G). Nach der Entnahme und Neuplattierung der hämatopoetischen Zellen folgt eine M-CSF-Reifungsphase, in der die OC-Differenzierung eingeleitet wird (Schritt 6.4 im Protokoll). Innerhalb von 5-6 Tagen werden zunächst mehrkernige Zellen mit einem großen transparenten Zellkörper sichtbar (Abbildung 2H). Zu diesem Zeitpunkt ist noch eine große Anzahl von mononukleären Zellen sichtbar. Nach 2-3 weiteren Tagen der OC-Differenzierung verschmelzen die OCs weiter mit benachbarten Zellen und bilden große Polykarionen mit noch mehr Zellkernen (Abbildung 2I).
Beurteilung der EB-abgeleiteten hämatopoetischen Population
Die hämatopoetische Differenzierung kann über einen variablen Zeitraum durchgeführt werden. In der Literatur wurden Zeiträume von 7 Tagen bis zu 9 Wochen beschrieben. In diesem Protokoll wird die hämatopoetische Differenzierung über einen Zeitraum von 10 Tagen durchgeführt. Wir fanden heraus, dass 10 Tage hämatopoetischer Differenzierung eine geringe Anzahl von CD34+ im Frühstadium (0,53 %, Abbildung 3A) und eine größere Anzahl von CD43+ im mittleren Stadium (48,5 %, Abbildung 3B) ergaben. Noch kritischer ist, dass nach einer Behandlungszeit von 10 Tagen ausreichende Mengen an CD45+ (96,2 %, Abbildung 3C), CD14+ (33 %, Abbildung 3D) und CD11b+ (35,9 %, Abbildung 3E) HPCs erzeugt wurden, um sie erfolgreich weiter in OCs zu differenzieren. Der Zytokinbehandlungszeitraum für die hämatopoetische Differenzierung (Schritt 5.4 im Protokoll) muss jedoch möglicherweise auf der Grundlage der iPSC-Linie angepasst und optimiert werden, um ausreichende Mengen an CD45+-, CD14+- und CD11b+ -Zellen zu erzeugen.
Im Durchschnitt wurden 6 Millionen hämatopoetische Zellen nach 10 Tagen Differenzierung aus jeder Vertiefung mit 8 EBs geerntet.
Beurteilung der OC-Morphologie und -Aktivität
Im Anschluss an die OC-Differenzierung können OCs morphologisch und funktionell beurteilt werden. OC-Vorläufer werden nach dem M-CSF-Reifungsschritt auf Kammerobjektträger oder Deckglas-Objektträger zurückgesät, um die Bildqualität bei der Färbung für TRAP oder Cathepsin K zu verbessern. Die enzymatische TRAP-Färbung nach OC-Differenzierung zeigt große, mehrkernige, TRAP-positive OCs (Abbildung 4A). Zusätzlich sind leicht TRAP-positive mononukleäre Zellen zu sehen, die zwischen multinukleären OCs eingestreut sind. Negativkontrollen ohne Zusatz von RANKL zeigen kein fusioniertes multinukleares OC an. Nichtsdestotrotz kann eine kleine Anzahl leicht TRAP-positiver mononukleärer Zellen dargestellt werden (Abbildung 4B).
Bilder der konfokalen Laser-Scanning-Mikroskopie (CLSM) zeigen OCs, die für Cathepsin K (türkis) und F-Aktin (rot) in Verbindung mit der DAPI-Kernfärbung (blau) gefärbt sind (Abbildung 4C, 4D). Große multinukleäre OCs sind sichtbar, wenn sie gemäß dem Protokoll mit RANKL behandelt werden, das eine ausgedehnte F-Aktin-Zytoskelettstruktur und eine positive Färbung für Cathepsin K darstellt (Abbildung 4C). Negativkontrollen ohne Zusatz von RANKL zeigen dagegen keine fusionierten mehrkernigen Zellen.
OCs können durch die Messung der resorptiven Aktivität weiter funktionell beurteilt werden. Knochen- oder Mineralresorptionsassays können verwendet werden, um die resorptive Aktivität zu bestimmen. Hier wurden OC-Vorläufer auf Kalziumphosphat-beschichtete Wells gesät und terminalisiert differenziert. Große Bereiche, in denen die mineralische Beschichtung resorbiert wurde, sind bläulich-grau sichtbar (Abbildung 4E). Resorptionsgruben unterschiedlicher Größe können identifiziert werden. Nicht resorbiert, ist die verbleibende Kalziumphosphatschicht braun sichtbar. Das Vorhandensein von Resorptionsgruben bestätigt die Identität der differenzierten mehrkernigen Zellen als OCs. Darüber hinaus können Resorptionsgruben weiter quantifiziert werden, um die Resorptionsaktivität zu bewerten und zu vergleichen. Die Gesamtfläche des resorbierten Minerals über die gesamte Bohrlochoberfläche kann als prozentuales Maß quantifiziert werden. Zusätzlich kann die Größe und Anzahl der Resorptionsgruben weiter quantifiziert werden. Unbehandelte Negativkontrollen wiesen keine Resorptionsgruben auf (Abbildung 4F).

Abbildung 1: Schematische Darstellung des Osteoklasten-Differenzierungsprozesses aus humanen iPS-Systemen. Illustration gezeichnet von Hannah Blümke mit Affinity Designer 2.1.1. Die Darstellung verwendet zuvor verwendete Zeichnungen33. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Mikroskopische Aufnahmen während des gesamten Differenzierungsprozesses von humanen iPS-Zellen zu Osteoklasten. (A) Undifferenzierte iPSC-Kolonien während der gesamten Vermehrung. (B) iPS-Zellen in Vertiefungen mit rundem Boden nach Dissoziation in eine Einzelzellsuspension vor der Zentrifugation. (C) Zentral gesammelte Einzelzell-iPS-Zellen nach Zentrifugation. (D) EBs nehmen während der 4-tägigen mesodermalen Differenzierungsperiode an Größe zu. (E) Sichtbare Embryoidkörper nach mesodermaler Differenzierung. (F) Nach dem Transfer der Embryoidkörper auf mit Basalmembranextrakt beschichtete 6-Well-Platten kann man sehen, wie die Embryoidkörper am Well-Boden haften und mit ihm verschmelzen. (G) Nach 5-7 Tagen hämatopoetischer Differenzierung kann eine große Anzahl von schwimmenden hämatopoetischen Zellen im Medium beobachtet werden. (H) Nach der M-CSF-Reifung erscheinen nach 5-7 Tagen Differenzierung mit RANKL die ersten Osteoklasten mit 3-4 Zellkernen. (I) Am Ende der Osteoklastendifferenzierung können große mehrkernige Zellen beobachtet werden. Maßstabsleisten: A, D, F, G = 200 μm, B, C, H, I = 50 μm, E = 1 mm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Oberflächenmarkeranalyse von hämatopoetischen Zellen des Embryoidkörpers mittels Durchflusszytometrie. Die Markerexpression ermöglicht die Analyse hämatopoetischer Zellen und die Identifizierung von Subpopulationen nach Gating für Singuletts und lebende Zellen. (A) Ontogenetisch frühe CD34+ hämatopoetische Vorläuferzellpopulation ist in Verbindung mit diesem Protokoll sehr klein bis gar nicht vorhanden. (B) CD43+ -Zellen machen etwa 50% der gesamten Bevölkerung aus. (C) CD45+ hämatopoetische Vorläuferzellen im Spätstadium machen mit 96,2% den größten Teil der hämatopoetischen Population aus. (D, E) Direktere CD14+ - und CD11b+ -OC-Vorläufer machen 33 % bzw. 36 % aus. In rot: ungefärbte Negativkontrolle, in blau: Isotyp-Kontrollen, in gelb: Zellen, die mit dem jeweiligen Marker-Antikörper gefärbt sind. Für die Diagramme werden zuvor veröffentlichte Datenverwendet 33. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Morphologische und funktionelle Beurteilung von iPSC-differenzierten humanen Osteoklasten. (A) Die TRAP-Färbung nach Osteoklastendifferenzierung zeigt große, mehrkernige, TRAP-positive Osteoklasten. Leicht TRAP-positive mononukleäre Zellen sind zwischen multinukleären Osteoklasten eingestreut. (B) Negativkontrollen ohne Zusatz von RANKL, das für TRAP gefärbt wurde, zeigen keine fusionierten multinukleären Osteoklasten. Nichtsdestotrotz kann eine kleine Anzahl leicht TRAP-positiver, mononukleärer Zellen dargestellt werden. (C) Konfokale Laser-Scanning-mikroskopische Aufnahmen von Osteoklasten-differenzierten hämatopoetischen Zellen auf einem Deckglas-Objektträger, der für F-Aktin (rot) und Cathepsin K (türkis) gefärbt ist, in Verbindung mit DAPI-Kernfärbung (blau) zeigen große mehrkernige Cathepsin K-positive Osteoklasten. (D) Negativkontrollen ohne Zusatz von RANKL zeigen ähnliche wie (B) mononukleäre Zellen bei geringerer Zelldichte. (E) Die funktionelle Beurteilung kann durch die Beurteilung der Resorptionsaktivität von Osteoklasten erfolgen. Dazu wird die Osteoklastendifferenzierung mit einem Knochen- oder Mineralresorptionsassay durchgeführt. Gekachelte Well-Bilder, die mit einem inversen Weitfeldmikroskop im Phasenkontrastmodus aufgenommen wurden, zeigen große Resorptionsbereiche der Kalziumphosphat-Mineralschicht. Die resorptive Aktivität kann weiter quantifiziert werden, indem die Resorptionsfläche über die Gesamtfläche gemessen wird. (F) Negativkontrollen ohne Zusatz von RANKL zeigen keine Resorptionsbereiche. Maßstabsleisten: A, B = 100 μm, C, D = 50 μm, E, F = 1 mm. Die Bilder wurden aus zuvor veröffentlichten Daten bearbeitet33. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Dieses Protokoll bietet eine zuverlässige und robuste Methode zur Unterscheidung von iPS-Zellen in OCs. Dennoch gibt es einige Fallstricke, die während des gesamten Differenzierungsprozesses auftreten können. Humane iPSC-Linien, die aus Zellen unterschiedlicher Gewebeherkunft erzeugt wurden, wurden mit diesem Protokoll erfolgreich differenziert33. Beim Einfrieren von iPS-Zellen (siehe Protokollschritt "3. Einfrieren von iPS-Geräten") wurde eine Vertiefung zum Zeitpunkt des Durchgangs wieder in ein Kryoröhrchen eingefroren. Beim Auftauen (siehe Protokollschritt "1. Auftauen und Vermehrung humaner iPS-Platten") wurde ein Kryoröhrchen in einer einzigen Vertiefung einer 6-Well-Platte aufgetaut. Verschiedene iPSC-Linien verhalten sich leicht unterschiedlich und die Proliferationsraten variieren. Die Split-Rate muss entsprechend angepasst werden.
Bei der Passage von iPS-Zellen oder der Dissoziation von iPS-Zellen in eine Einzelzellsuspension für die EB-Induktion ist es wichtig, alle spontan differenzierten Kolonien oder Aggregate toter Zellen zu entfernen, um die Wirksamkeit und Effizienz der mesodermalen und hämatopoetischen Differenzierung zu verbessern. Dies kann unter einem Stereomikroskop unter Verwendung eines Zellschabers, Pipettenspitzen einer P10- oder P20-Pipette oder eines Schabwerkzeugs aus einer Pasteur-Pipette35 erfolgen.
Wie oben erwähnt, beinhaltet dieses Protokoll die Dissoziation von iPSC-Kolonien in eine Einzelzellsuspension für die EB-Induktion, während bei anderen Protokollen iPS-Zellen als Aggregate belassen werden, die für die EB-Induktion zentrifugiert werden36. Es wurde berichtet, dass die Größe, die Zellzahl, die Form und die Morphologie der EB die Differenzierung beeinflussen 37,38,39. Daher stellen wir die Hypothese auf, dass die Dissoziation in eine einzellige Suspension eine bessere EB-zu-EB-Gleichmäßigkeit in Größe und Form nach der Zentrifugation und damit konsistentere Ergebnisse der hämatopoetischen Zellproduktion ermöglicht31.
Andere Methoden zur EB-Induktion wurden beschrieben. Es wurde berichtet, dass solche Methoden, die eine Einzelzellsuspension in Verbindung mit einem ROCK-Inhibitor verwenden, um das Zellüberleben zu verbessern, bei der Kontrolle der EB-Größe und des Differenzierungsergebnisses vorteilhaft sind31.
Die in diesem Protokoll beschriebene 96-Well-Platten-EB-Induktionsmethode mit rundem Boden eignet sich für die Produktion von EBs in großem Maßstab und ermöglicht die Hochskalierung der OC-Produktion. In jüngster Zeit wurden weitere neuartige Methoden zur hämatopoetischen Differenzierung ohne Induktionsschritt des Embryoidkörpers beschrieben, die das Potenzial haben, den Differenzierungsprozess zu erleichtern32. Nichtsdestotrotz sind diese Protokolle für die OC-Differenzierung noch nicht etabliert33.
Im oben erwähnten Protokoll beschreiben wir den Mediumwechsel am Tag 5 der hämatopoetischen Differenzierung. Eine kleine Anzahl von schwimmenden Zellen kann bereits am 4. bis 5. Tag der Differenzierung auftreten. Um zu vermeiden, dass schwimmende Zellen verworfen werden, sollte das Medium in einem Röhrchen aufgefangen und zentrifugiert werden, bevor es verworfen wird. Das Zellpellet am Boden des Röhrchens muss dann mit dem frischen Medium gelöst und in die Vertiefungen einer 6-Well-Platte zurückgeführt werden. Die Bedeutung der frühen Floating-Zell-Population für die OC-Differenzierung muss jedoch noch bestimmt werden.
Die Produktion von hämatopoetischen Zellen kann mittels Durchflusszytometrie beurteilt werden. Hohe Ausbeuten an CD45+-, CD14+- und CD11b+-Zellen sind für die Osteoklastendifferenzierung wünschenswert33. Es wurde berichtet, dass die Kryokonservierung von geernteten schwimmenden hämatopoetischen Zellen mit allgemein begrenzten Wiederfindungsraten und geringer Zelllebensfähigkeit eine Herausforderung darstellt40,41. Durch die Kryokonservierung hämatopoetischer Zellen in einem Kryokonservierungsmedium, das zu 50 % aus einem serumfreien hämatopoetischen Zellexpansionsmedium (siehe Materialtabelle), 40 % FBS und 10 % DMSO bestand, konnten wir Zellen mit einer Zellviabilität von ca. 90,3 % ± 2,62 SD (n = 7) nach dem Auftauen gewinnen.
Die Osteoklastogenese erfordert die Fusion mehrerer einkerniger OC-Vorläufer zu mehrkernigen Osteoklasten, die zur Mineral- und Knochenresorption fähig sind. Während murine OC-Vorläuferzelllinien lediglich die Zugabe von RANKL benötigen, um die OC-Bildung zu induzieren42, benötigen humane Vorläufer zusätzlichen M-CSF für das Überleben und die Zellproliferation43. OSCAR wurde kürzlich als zusätzlicher Rezeptor entdeckt, der an der OC-Differenzierung beteiligt ist, obwohl bisher nur Typ-I-Kollagen als Ligand identifiziert wurde. Während die Forschung an OSCAR mit iPSC-abgeleiteten OCs noch begrenzt ist, scheinen supraphysiologische in vitro RANKL- und M-CSF-Konzentrationen in einer murinen Zelllinie die Notwendigkeit einer OSCAR-Aktivierung zu umgehen44, die Aktivierung von OSCAR in vivo scheint ein notwendiges kostimulatorisches Signal für die Osteoklastogenese zu sein45. Ein weiterer Faktor, der berücksichtigt werden muss, ist die Oberfläche der Well-Platte. Es ist bekannt, dass chemische46 und physikalische47 Oberflächeneigenschaften die Osteoklastendifferenzierung beeinflussen und eine erfolgreiche Differenzierung entweder fördern oder behindern können. Eine gewisse Heterogenität innerhalb der Vorläuferpopulation scheint ebenfalls entscheidend für eine erfolgreiche Fusion von OCs zu sein, da verschiedene fusionsbezogene Faktoren wie CD47 und DC-STAMP in unterschiedlichen Stadien der Osteoklastenfusion wirken48.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Protokoll die Unterscheidung von humanem OC von iPS-Zellen ermöglicht, um die OC-Forschung zu erleichtern und zu beschleunigen.
Die Autoren erklären, dass es keine konkurrierenden Interessen gibt.
Die Autoren danken den Mitgliedern des Giachelli-Labors für ihre technische Hilfe und Unterstützung. Wir danken dem W. M. Keck Mikroskopiezentrum und dem Leiter des Keck-Zentrums, Dr. Nathanial Peters, für die Unterstützung bei der Beschaffung der konfokalen Mikroskopie- und Weitfeldmikroskopiebilder. Wir danken auch der UW Flow Core Facility und dem Leiter der Flow Core Facility, Aurelio Silvestroni, für die technische Unterstützung und Unterstützung. Abschließend bedanken wir uns bei Hannah Blümke für die Unterstützung bei Illustration und Grafikdesign.
Die Finanzierung erfolgte durch den Zuschuss der National Institutes of Health R35 HL139602-01. Wir danken auch dem NIH S10 Grant S10 OD016240 für die Instrumentenfinanzierung am W. M. Keck Center sowie dem NIH Grant 1S10OD024979-01A1 für die Instrumentenfinanzierung in der UW Flow Core Facility.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 2-Mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M6250-10ML | |
| Antikörper - Anti-Cathepsin K | Abcam | ab19027 | |
| Antikörper - APC-konjugiertes Anti-Human-CD45 | BD | 555485 | |
| Antikörper - APC-konjugiertes Maus-IgG1, κ Isotyp-Kontrolle | BD | 555751 | |
| Antikörper - BV711-konjugierter Anti-Human-CD14 | BD | 563372 | |
| Antikörper - BV711-Konjugate Maus IgG2b, κ Isotypkontrolle | BD | 563125 | |
| Antikörper - Ziege Anti-Kaninchen IgG H& L Alexa Fluor® 647 | Abcam | ab150079 | |
| Antikörper - PE-konjugiertes Anti-Human-CD14 | R& D Systems | FAB3832P-025 | |
| Antikörper - PE-konjugiertes Anti-Human-Integrin alpha M/CD11b | R& D Systems | FAB16991P-025 | |
| Antikörper - PE-Cy7-konjugiertes Anti-Human-CD34 | BD | 560710 | |
| Antikörper - PE-Cy7-konjugiertes Maus-IgG1 & Kappa; Isotypkontrolle | BD | 557872 | |
| Antikörper - PE/Cyanin5-konjugiertes Anti-Human-CD11b | Biolegend | 301308 | |
| Antikörper - PE/Cyanin5-konjugiertes Maus-IgG1, κ Isotyp Ctrl | Biolegend | 400118 | |
| Antikörper - PerCP-Cy5.5-konjugiertes Maus-IgG1 & kappa; Isotypkontrolle | BD | 550795 | |
| Antikörper - PerCpCy5.5-konjugiertes Anti-Human-CD43 | BD | 563521 | |
| Knochenresorptions-Assay-Kit | CosmoBioUSA | CSR-BRA-24KIT | |
| Countess 3 Automatisierter Zellzähler | ThermoFisher | 16812556 | |
| Cultrex Stammzell-qualifizierter Basalmembranextrakt mit reduziertem Wachstumsfaktor | R& D Sytems | 3434-010-02 | Basalmembranextrakt |
| DAPI | R& D Systems | 5748/10 | |
| Dispase (5 U/ml) | STEMCELL Technologies | 7913 | |
| DMEM/F-12 mit 15 mM HEPES-Stammzelle | 36254 | ||
| DMSO | Sigma Aldrich | D2650 | |
| DPBS | Sigma Aldrich | D8537-500ML | |
| Morphogenetisches Protein 4 (hBMP4) | STEMCELL Technologies | 78211 | |
| Humaner IL-3 | STEMCELL | 78146.1 | |
| Humaner Makrophagen-Kolonie-stimulierender Faktor (hM-CSF) | STEMCELL Technologies | 78150.1 | |
| Humaner löslicher Rezeptoraktivator des Kernfaktors-κ B-Ligand (hsRANKL) | STEMCELL Technologies | 78214.1 | |
| Humaner Stammzellfaktor (hSCF) | STEMCELL Technologies | 78155.1 | |
| Humaner TruStain FcX (Fc-Rezeptor-Blockierungslösung) | Biolegend | 422301 | |
| Humaner vaskulärer endothelialer Wachstumsfaktor-165 (hVEGF165) | STEMCELL Technologies | 78073 | |
| Invitrogen Rhodamin-Phalloidin | Invitrogen | R415 | |
| MEM α, Nukleoside, kein Phenolrot | ThermoFisher | 41061029 | |
| mFreSR | STEMCELL Technologies | 05855 | Serumfreies Kryokonservierungsmedium |
| mTeSR Plus Medium | STEMCELL Technologies | 100-0276 | Humanes iPSC-Serummedium (hiPSC-SFM) |
| Nunclon Sphera 96-Well, Nunclon Sphera-behandelt, U-förmiger-Boden Mikrotiterplatte | Thermo Scientific | 174925 | 96-Well-Platte mit rundem Boden und extrem niedriger Bindung |
| P1000 Spitzen mit breiter Bohrung | ThermoFisher | 2079GPK | |
| ROCK-Inhibitor Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72304 | |
| StemSpan SFEM | StemCell | 09650 | Hämatopoetisches Zellkulturmedium |
| TrypLE Select Enzym (1X), ohne Phenolrot | Thermo Fisher | 12563011 | Einzelzell-Dissoziationsreagenz |
| Ultraglutamin | Bioscience | Lonza BE17-605E/U1 | |
| X-VIVO 15 Serumfreies hämatopoetisches Zellmedium | Bioscience | Lonza 04-418Q | Hämatopoetisches Basalmedium |
| & Mikro;-Slide 8 Well High | Ibidi | 80806 |
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