Proporcionamos un protocolo mínimamente invasivo para el trasplante intramuscular de islotes de células madre pancreáticas derivadas de células madre humanas en ratones inmunodeficientes, para implantación in vivo y análisis posteriores.
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Proporcionamos un protocolo mínimamente invasivo para el trasplante intramuscular de islotes de células madre pancreáticas derivadas de células madre humanas en ratones inmunodeficientes, para implantación in vivo y análisis posteriores.
Las células endocrinas del páncreas derivadas de células madre pluripotentes humanas (hPSC) constituyen una fuente prometedora para la terapia celular de la diabetes y la modelización de enfermedades. Aunque se han establecido varios protocolos de diferenciación, la implantación in vivo es comúnmente necesaria para estudiar la maduración y la función dentro de un contexto fisiológico. La mayoría de los enfoques de trasplante dependen de sitios como la cápsula renal o el espacio subcutáneo, lo que puede presentar limitaciones técnicas o fisiológicas. Aquí presentamos un protocolo detallado para el trasplante intramuscular de islotes SC pancreáticos derivados de hPSC en ratones inmunodeficientes. Este sitio permite un acceso quirúrgico sencillo, una reducción de la invasividad y una extracción fiable de injertos para análisis posteriores. El procedimiento permite la implantación intramuscular de islotes derivados de células madre y apoya su recuperación para la evaluación posterior de la secreción de insulina tras un desafío oral con glucosa. El protocolo incluye pasos para la preparación y compactación de racmos, cirugía de trasplante, secreción de insulina estimulada por glucosa in vivo (GSIS) y extracción de injertos para análisis histológico, proporcionando un marco reproducible para el trasplante intramuscular en modelos murinos preclínicos.
La diabetes es un trastorno metabólico heterogéneo cuya prevalencia se ha duplicado en las últimas tres décadas y se espera que afecte a 1.300 millones de personas para 2050. Aunque factores ambientales, como la dieta y el estilo de vida, juegan un papel significativo en la aparición de la diabetes tipo 2 (DT2), la predisposición genética también contribuye sustancialmente a supatogénesis 2. Las células β pancreáticas son responsables de la síntesis y secreción de insulina y desempeñan un papel central en la fisiopatología dela diabetes 3. Para entender cómo el riesgo genético contribuye a la disfunción de las células β, las células β derivadas de células madre humanas organizadas como clústeres endocrinos tridimensionales (en adelante denominados islotes SC) proporcionan un sistema modelo altamente informativoy relevante 4,5. Los protocolos recientes guían eficazmente la diferenciación de las células madre humanas en células β productoras de insulina al recapitular etapas clave del desarrollo pancreático utilizando inhibidores y factores de crecimiento específicos 6,7.
Estos sistemas replican de forma fiable los hitos del desarrollo de forma escalable y reproducible, superando las limitaciones de los islotes derivados de donantes, que no apoyan modelado del desarrollo y están sujetos a limitaciones de suministro. Los modelos de murina han proporcionado valiosas ideas sobre el desarrollo pancreático, pero a menudo no logran reproducir completamente las manifestaciones fenotípicas observadas en pacienteshumanos 5. En consecuencia, el uso de un sistema basado en células madre permite caracterizar variantes genéticas implicadas en el desarrollo pancreático humano y β disfunción celular8.
A pesar de estos avances, los islotes SC generados in vitro siguen siendo transcriptómica y funcionalmente inmaduros en comparación con las células β adultas nativas. Exhiben una secreción de insulina estimulada por glucosa subóptima y carecen de expresión de marcadores maduros de β células como MAFA y G6PC2 9,10. Para cerrar esta brecha, a menudo se emplea la maduración in vivo mediante trasplante en ratones inmunodeficientes; Esto suele mejorar tanto la dinámica de la secreción de insulina como los perfiles de expresióngénica 6.
El metabolismo de la glucosa está estrictamente regulado y requiere la integración de señales sistémicas. Los islotes SC trasplantados son capaces de integrar señales de múltiples órganos, proporcionando un entorno fisiológicamente más relevante crucial para evaluar las consecuencias funcionales de la variación genética en células βhumanas 11.
El trasplante de islotes SC en ratones se ha realizado en diferentes sitios anatómicos. El sitio convencional es la cápsula renal, eficaz para promover la maduración de células β y revertir la diabetes en roedores tratados con estreptozotocina (STZ) 12, pero implica una cirugía invasiva compleja, lo que limita su implementación enlaboratorios 13. Además, este método no es trasladable a entornos clínicos para tratar a pacientes con diabetes tipo 1 debido a limitaciones de tamaño yvascularización 14. Se han informado de sitios alternativos de trasplante, como los de tejido intramuscular, subcutáneo y adiposo, que ofrecen vías menos invasivas y más aplicables clínicamente. Aunque el trasplante intramuscular puede presentar desafíos para lograr una maduración óptima de células β y secreción de insulina en comparación con la cápsularenal 12, puede lograr una secreción eficaz de insulina y el mantenimiento de la homeostasis de glucosa, ofreciendo al mismo tiempo un enfoque quirúrgico más sencillo yaccesible 15,16.
Por lo tanto, en este protocolo, presentamos un enfoque de trasplante intramuscular que aborda varias limitaciones de otros protocolos de trasplante. Este método es mínimamente invasivo y proporciona una estrategia in vivo fiable para madurar los islotes SC e investigar variantes genéticas relacionadas con la disfunción de las células β.
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Todos los experimentos que involucraron células madre pluripotentes (hPSC) y animales de laboratorio fueron aprobados por comités de ética institucionales, regionales y nacionales. Las líneas hPSC utilizadas aquí se derivaron y distribuyeron originalmente de acuerdo con las aprobaciones éticas adecuadas y los procedimientos de consentimiento informado en las instituciones de origen. La Figura 1 muestra el flujo de trabajo general, desde el mantenimiento de hPSC hasta la diferenciación dirigida y maduración del linaje pancreático hacia islotes SC adecuados para trasplante.
1. Diferenciación de hPSC a progenitores pancreáticos
NOTA: Este protocolo se basa en dos pasos preparatorios esenciales: 1) el mantenimiento y expansión de los hPSC, y 2) su diferenciación dirigida hacia la línea endocrina del páncreas. Ambos pasos han sido descritos endetalle 7,17. Los hPSC se mantienen en placas recubiertas con medios B8 siguiendo las recomendaciones de Lyria-Leyte et al.17. Cosechar hPSCs para diferenciación durante el crecimiento exponencial antes de que se confluyan. A la densidad de siembra recomendada, deberían alcanzar una confluencia del 90-100% al día siguiente, listas para comenzar la diferenciación. La diferenciación hacia la línea endocrina del páncreas se realiza según el procedimiento descrito por Barsby et al.7. Los detalles completos de los medios se pueden encontrar en la Tabla 1.
2. Generación de clústeres 3D y diferenciación en células productoras de insulina
NOTA: En el día 11, las células diferenciadas deberían haberse desarrollado en progenitores pancreáticos. Para promover aún más la diferenciación endocrina en esta etapa, las células pasan de un cultivo planar a un cultivo 3D.
3. Trasplante de islotes SC al músculo tenso de ratones inmunodeficientes
NOTA: Los islotes SC se han trasplantado en varias etapas de diferenciación (de la etapa 4 a la etapa 7). Aunque el trasplante de islotes SC diferenciados de S7 representa la estrategia óptima para evaluar la respuesta a laglucosa 6, el trasplante de progenitores en etapas tempranas (S4-S5) o islotes SC inmaduros (S6) puede ayudar a revelar diferencias de diferenciación o maduración que se ocultan in vitro mediante el uso de condiciones de cultivo definidas. Sin embargo, el trasplante de progenitores menos diferenciados conlleva un mayor riesgo de formación de teratomas, principalmente debido a poblaciones celulares residuales no diferenciadas.
4. Secreción de insulina estimulada con glucosa in vivo (GSIS)
NOTA: GSIS in vivo, mediante desafío oral de glucosa, evalúa la secreción funcional de insulina en respuesta a un estímulo fisiológico. Todos los procedimientos deben seguir las directrices institucionales de cuidado y uso de animales. Las respuestas funcionales de las células β trasplantadas mejoran con la maduración in vivo : el péptido C humano puede detectarse tan pronto como a las 2 semanas del trasplante, mientras que la secreción robusta y responsiva a la glucosa suele lograrse a las 4 semanas. Estos plazos pueden variar según la etapa de desarrollo de los islotes SC en el momento del trasplante
5. Recuperación de racimos injertados
6. Tinción de explantaciones
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Los resultados presentados corresponden a un trasplante intramuscular de islotes SC de estadio 7 en ratones inmunodeficientes y a análisis realizados 6 semanas después del trasplante. Se analizó un número limitado de animales con injertos representativos para ilustrar la viabilidad del procedimiento. En este estudio, un resultado exitoso se define como la recuperación macroscópica del injerto intramuscular seguida de la confirmación histológica de la supe...
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En este protocolo, describimos el trasplante intramuscular de islotes SC como un enfoque sencillo, reproducible y mínimamente invasivo para la maduración in vivo , con potencial para la evaluación funcional. Aunque el trasplante bajo la cápsula renal es ampliamente considerado el "estándar de oro" para el injerto de islotes o islotes SC en roedores, requiere mayor experiencia técnica y un procedimiento quirúrgico más largo. En cambio, el sitio intramuscular ofrece simplicidad pr...
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Los autores no tienen conflictos de interés que declarar.
Agradecemos al Dr. Danwei Huangfu (Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Nueva York, EE. UU.) por proporcionar generosamente las líneas de hPSC utilizadas en este estudio. Este trabajo contó con el apoyo de las subvenciones PID2021-122284NA-I00 y CNS2023-145179 del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España MICIU/AEI/10.13039/501100011033 y Next GenerationEU/PRTR (A.B.), y del Consorcio CIBER-Consortium for Biomedical Research in Network, CB07/08/0029 y PID2023-150719OB-I00 (M.V.), Instituto de Salud Carlos III (ISCIII). El Centro de Investigación Biomédica en Diabetes y Trastornos Metabólicos Asociados (CIBERDEM) es una iniciativa de ISCIII y cuenta con el apoyo parcial del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER).
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| 2-Phosfo-L-ácido ascórbico trisodio sal | Sigma Aldrich | 49752 | |
| Activina A | Qkine | Qk001 | |
| AggreWell 400 24-well (placa de micropocillo) | Stemcell | 34415 | |
| Betacelulina | GenScript | Z03102 | |
| Albúmina de suero bovino, Fracción V, Libre de Ácidos Grasos | Goldbio | A-421 | |
| CHIR 99021 | LC labs | C-6556 | |
| Chroman-1 | Medchem Express | HY-15392 | Cocktail CEPT |
| CMRL-1066 | Pan Biotech | P04-84600 | |
| D-(+)-Glucosa | Sigma Aldrich | G7021 | |
| Dibenzazepina (DBZ) | Syncom | Producto personalizado | Inhibidor de gamma-secretasa |
| Medio de Eagle modificado de Dulbecco y medio de Ham’s F12 (DMEM/F12) | Corning | 15383541 | |
| EGF | Qkine | Qk011 | |
| Emricasan | Medchem Express | HY-10396 | Cocktail CEPT |
| Etanolamina | Sigma Aldrich | E9508 | |
| FGF2-G3 | GenScript | Producto personalizado | |
| FGF7 | GenScript | Z03047 | |
| Heparina | Sigma Aldrich | H3149 | |
| Insulina | Gibco | 30284510 | |
| L-Alanil-L-Glutamina | Linus | X0551-100 | |
| Ácido L-Ascórbico | Santa Cruz | sc-202686 | |
| LDN-193189 | Sigma Aldrich | SML0559 | |
| Concentrado de Lípidos | Gibco | 11548846 | |
| Matrigel (matriz extracelular derivada de membrana basal) | Falcon | 354230 | |
| MCDB 131 | Corning | 15-100-CV | |
| N-acetilcisteína | Thermo Scientific | 10521221 | |
| NaHCO3 | Fisher Scientific | 10553325 | |
| Nicotinamida | Sigma Aldrich | N0636 | |
| NRG-1 | Qkine | Qk045 | |
| Pluronic F-127 (solución anti-adherencia) | Sigma Aldrich | 82184 | Usado al 5% (p/v) |
| Suplemento de Poliamina (1000×) | Sigma Aldrich | P8483 | Cocktail CEPT |
| RepSox | MedChemExpress | HY-13012 | Inhibidor de Alk5 |
| Ácido Retinoico | Sigma Aldrich | R2625 | |
| SANT-1 | Selleckchem | S7092 | |
| Sobetirome (GC1) | Sigma Aldrich | SML1900-5MG | Análogo T3 permeabilizante para células |
| Pirvetato de Sodio | Corning | 25-000-CI | |
| Selenito de Sodio | Sigma Aldrich | S5261 | |
| T3 (3,3′,5-Triyodo-L-tironina sal sódica) | Sigma Aldrich | T6397 | |
| TGF-β1 | Qkine | Qk010 | |
| TPB | Tocris | 5343 | |
| Elementos Traza A | Corning | 15333641 | |
| Elementos Traza B | Corning | 15343641 | |
| Trans-ISRIB | Medchem Express | HY-12495 | Cocktail CEPT |
| Transferrina | InVitria | 777TRF029 | |
| Triton X-100 (tensioactivo no iónico) | Thermo Scientific | 11488696 | |
| TrypLE | Gibco | 11538856 | |
| Y-27632 | LC Laboratories | Y-5301 | Inhibidor de ROCK |
| ZM-447439 | MedChemExpress | HY-10128 | |
| ZnSO4 | Sigma Aldrich | Z0251 | |
| Anticuerpos | |||
| Anti-Humano Ratón C-péptido (insulina) | DSHB | GN-ID4-s | Usado a 150 ng/mL |
| Anti-glucagón ratón | Proteintech | 67286-1-Ig | 1:2000 |
| Anti-somatostatina conejo | Millipore | AB5494 | 1:500 |
| Anti-rata AF488 conejo | Invitrogen | A-11006 | 1:500 |
| Anti-ratón AF488 burro | Invitrogen | A-21202 | 1:500 |
| Anti-conejo AF488 burro | Invitrogen | A-21206 | 1:500 |
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