Ce protocole présente la différenciation des ostéoclastes humains à partir des cellules souches pluripotentes induites (CSPi) et décrit des méthodes de caractérisation des ostéoclastes et des précurseurs d’ostéoclastes.
Un abonnement JoVE est requis pour visualiser ce contenu. Connectez-vous ou commencez votre période d'essai gratuite.
Article de méthode
Ce protocole présente la différenciation des ostéoclastes humains à partir des cellules souches pluripotentes induites (CSPi) et décrit des méthodes de caractérisation des ostéoclastes et des précurseurs d’ostéoclastes.
Ce protocole détaille la propagation et le passage des cellules iPS humaines et leur différenciation en ostéoclastes. Tout d’abord, les cellules iPS sont dissociées en une suspension unicellulaire pour une utilisation ultérieure dans l’induction du corps embryoïde. Après induction mésodermique, les corps embryoïdes subissent une différenciation hématopoïétique, produisant une population de cellules hématopoïétiques flottantes. Par la suite, les cellules hématopoïétiques récoltées subissent une étape de maturation du facteur de stimulation des colonies de macrophages et, enfin, une différenciation des ostéoclastes. Après différenciation des ostéoclastes, les ostéoclastes sont caractérisés par une coloration pour TRAP en conjonction avec une coloration nucléaire au vert de méthyle. Les ostéoclastes sont observés sous forme de polycaryons multinucléés TRAP+. Leur identification peut être renforcée par la coloration à la cathepsine K. Les tests de résorption osseuse et minérale permettent une caractérisation fonctionnelle, confirmant l’identité d’ostéoclastes authentiques. Ce protocole démontre une méthode robuste et polyvalente pour différencier les ostéoclastes humains des cellules iPS et permet une adoption facile dans les applications nécessitant de grandes quantités d’ostéoclastes humains fonctionnels. Des applications dans les domaines de la recherche sur les os, du cancer, de l’ingénierie tissulaire et de la recherche sur les endoprothèses pourraient être envisagées.
Les ostéoclastes (OC) sont des types cellulaires polyvalents dérivés de l’hématopoïétique 1,2 qui sont couramment utilisés par les chercheurs dans des domaines tels que la recherche sur les maladies osseuses 3,4, la recherche sur le cancer 5,6, l’ingénierie tissulaire 7,8 et la recherche sur les endoprothèses 9,10. Néanmoins, la différenciation des CO peut être difficile car la fusion des précurseurs mononucléaires en CO multinucléés est nécessaire pour créer des CO fonctionnels11. Plusieurs facteurs biologiques, tels que l’activateur du récepteur du ligand NF-κB (RANKL) et le facteur de stimulation des colonies de macrophages (M-CSF), sont nécessaires à la différenciation du CO. Il a été rapporté que le M-CSF a un effet positif sur la prolifération cellulaire, la survie cellulaire et l’expression de RANK 12,13,14. D’autre part, RANKL se lie à RANK, qui active des cascades de signalisation en aval qui induisent l’ostéoclastogenèse. L’activation est médiée par le facteur 6 associé au récepteur TNF (TRAF6), qui conduit à la dégradation du facteur nucléaire de l’activateur du gène polypeptidique léger kappa dans l’inhibiteur des lymphocytes B, alpha (IκB-α), une protéine de liaison qui se lie aux dimères NF-kB16,17. Par conséquent, la dégradation de l’IκB-α libère des dimères NF-kB, qui se transloquent ensuite dans le noyau et induisent l’expression des facteurs de transcription c-Fos et Nuclear Factor of Activated T-Cells 1 (NFATc1). Ceci, à son tour, déclenche la transcription d’une multitude de protéines liées à la différenciation OC 15,18. Des protéines régulées à la hausse telles que DC-Stamp et Atp6v0d2 interviennent dans la fusion cellule-cellule des précurseurs de CO, conduisant à la formation de syncytium 19,20,21.
En ce qui concerne les cellules primaires humaines, les PBMC CD34+ et CD14+ sont actuellement les types de cellules les plus utilisés pour la différenciation en OC22. Cependant, cette approche est limitée par l’hétérogénéité au sein de la population CD34+ des cellules prélevées sur des donneurs23 et leur capacité d’extensibilité limitée. Les CSPi humaines constituent une source alternative de CO. Comme ils peuvent être propagésindéfiniment 24, ils permettent l’évolutivité et la mise à l’échelle de la production de CO. Cela permet de différencier un grand nombre de CO, ce qui facilite la recherche sur les CO.
Plusieurs protocoles pour la différenciation des CSPi en CO ont été publiés 25,26,27. L’ensemble du processus de différenciation peut être divisé en une partie de propagation des CSPi, une partie de différenciation mésodermique et hématopoïétique et une partie de différenciation des CO. La propagation des cellules iPS avant le processus de différenciation permet la mise à l’échelle de la production de CO avant la différenciation. Plusieurs approches existent en ce qui concerne la différenciation mésodermique et hématopoïétique. Traditionnellement, la formation du corps embryoïde (EB) a été utilisée pour différencier les cellules hématopoïétiques, mais les approches basées sur des monocouches représentent une autre stratégie de différenciation hématopoïétique qui ne nécessite pas d’induction EB. Néanmoins, les systèmes monocouches semblent nécessiter une optimisation supplémentaire, car nous et d’autres avons constaté que les approches basées sur l’EB étaient plus robustes pour la différenciation des OC.
Ici, nous décrivons la différenciation des CO des iPSC humains à l’aide d’un protocole basé sur EB. Ce protocole a été adapté de Rössler et al.26 et modifié pour augmenter la robustesse et permettre la cryoconservation pendant le processus de différenciation. Tout d’abord, nous n’avons récolté des cellules hématopoïétiques qu’une seule fois après 10 jours de différenciation. Les cellules hématopoïétiques ont ensuite été cryoconservées pour permettre une plus grande flexibilité pendant le processus de différenciation. De plus, nous avons augmenté la densité d’ensemencement des cellules hématopoïétiques de 1 x 105 à 2 x 105 cellules/cm2 pour la différenciation du CO. Un milieu humain sans sérum iPSC plus récent (hiPSC-SFM, voir le tableau des matériaux) a été utilisé, et le revêtement des puits a été effectué avec 200 à 300 μg/mL d’un extrait de membrane basale (voir le tableau des matériaux) au lieu de 0,1 % de gélatine. La pénicilline/streptomycine n’a pas été ajoutée aux médias.
Le protocole de Rössler et al.26 a été adapté à l’origine d’une CSPi à un protocole de différenciation des macrophages28 qui utilise la formation d’EB pour la différenciation hématopoïétique. Bien que la formation d’EB ait été utilisée pendant une longue période par les chercheurs pour la différenciation hématopoïétique29,30, plusieurs méthodes d’induction d’EB ont été décrites dans la littérature, telles que l’agrégation spontanée, la centrifugation dans une plaque à fond rond, la culture de gouttes suspendues, la culture de bioréacteurs, la culture de tubes coniques, les vaisseaux latéraux à rotation lente et la culture de gel de micromoules31. Ce protocole utilise la centrifugation de cellules iPS dissociées dans une plaque à puits à fond rond pour rapprocher les cellules iPSC individuelles les unes des autres et permettre la formation de sphères (EB), comme décrit ci-dessous.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
REMARQUE : Tous les réactifs utilisés dans ce protocole se trouvent dans la table des matériaux. Sauf indication contraire, tous les milieux ont été pré-équilibrés à 37 °C avant utilisation. Toutes les étapes de centrifugation sont effectuées à 37 °C et en utilisant le mode d’accélération/décélération le plus lent. Sauf indication contraire, le surnageant est toujours éliminé à l’aide de pipettes jetables en verre Pasteur.
1. Décongélation et propagation des cellules iPS humaines
2. Transmission des cellules iPS
3. Congélation des cellules iPS
4. Induction du corps embryoïde
5. Différenciation hématopoïétique
6. Maturation M-CSF et différenciation OC
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Suivi de la morphologie cellulaire tout au long du processus de différenciation
Tous les résultats décrits ci-dessous ont été générés à l’aide de la lignée MCND-TENS2 iPSC pour la différenciation OC. Cette lignée iPSC a déjà été utilisée dans plusieurs études 32,33. Néanmoins, d’autres lignées iPSC ont également été utilisées avec succès avec ce protocole de différenciation.
L’évaluation visuelle régulière révèle de...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Ce protocole offre une méthode fiable et robuste pour différencier les cellules iPS en CO. Néanmoins, il existe plusieurs pièges qui peuvent être rencontrés tout au long du processus de différenciation. Des lignées de CSPi humaines générées à partir de cellules d’origines tissulaires différentes ont été différenciées avec succès à l’aide de ce protocole33. Lors de la congélation des cellules iPS (voir l’étape de protocole « 3. Congélation des cellules iPS »), un puits au point de passage a été rec...
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
Les auteurs ne déclarent pas d’intérêts concurrents.
Les auteurs tiennent à remercier les membres du laboratoire Giachelli pour leur aide technique et leur soutien. Nous remercions le Centre de microscopie W. M. Keck et le directeur du Centre Keck, le Dr Nathanial Peters, pour leur aide dans l’obtention des images de microscopie confocale et de microscopie à grand champ. Nous remercions également l’UW Flow Core Facility et le directeur de Flow Core Facility, Aurelio Silvestroni, pour leur soutien technique et leur assistance. Enfin, nous remercions Hannah Blümke pour son soutien en matière d’illustration et de conception graphique.
Le financement a été fourni par le biais de la subvention R35 HL139602-01 des National Institutes of Health. Nous remercions également la subvention S10 S10 OD016240 du NIH pour le financement des instruments au W. M. Keck Center, ainsi que la subvention 1S10OD024979-01A1 des NIH pour le financement des instruments de l’UW Flow Core Facility.
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.
| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Anticorps 2-Mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M6250-10ML | |
| - Anti-Cathepsine K ; | Anticorps | Abcam ab19027 | |
| - Anticorps anti-humain CD45 | BD | 555485 | |
| - IgG1 de souris conjugué à l’APC, &kappa ; Contrôle des isotypes | BD | 555751 | |
| Anticorps - Anticorps anti-humains CD14 | 563372 | ||
| BV711 - IgG2b de souris conjugués à la BV711, &kappa ; Contrôle d’isotype | BD | 563125 | |
| Anticorps - Chèvre Anti-Lapin IgG H& L Alexa Fluor® ; 647 | Abcam | ab150079 | |
| Anticorps anti-CD14 humain conjugué au PE | R& D Systems | FAB3832P-025 | |
| Anticorps - Intégrine humaine alpha M/CD11b conjuguée au PE | & D Systems | FAB16991P-025 | |
| Anticorps anti-humain conjugué au PE-Cy7 CD34 | BD | 560710 | |
| Anticorps - IgG1 de souris conjugué au PE-Cy7 &kappa ; Contrôle des isotypes | BD | 557872 | |
| Anticorps anti-CD11b humain conjugué PE/Cyanine5 | Biolegend | 301308 | |
| Anticorps - IgG1 de souris conjugué à PE/Cyanine5, &kappa ; Isotype Ctrl | Biolegend | 400118 | |
| Anticorps - Souris conjuguée PerCP-Cy5.5 IgG1 &kappa ; Contrôle d’isotype | BD | 550795 | |
| Anticorps - PerCpCy5.5-conjugué Anti-Human CD43 | BD | 563521 | |
| Kit de dosage de résorption osseuse | CosmoBioUSA | CSR-BRA-24KIT | |
| Countess 3 Compteur de cellules automatisé ThermoFisher | 16812556 | ||
| Cultrex Qualifié de cellules souches Facteur de croissance réduit Extrait de membrane basale | R& D Sytems | 3434-010-02 | Extrait de membrane basale |
| DAPI | R& D Systems | 5748/10 | |
| Dispase (5 U/mL) | STEMCELL Technologies | 7913 | |
| DMEM/F-12 avec 15 mM | de cellules souches | 36254 | |
| DMSO | Sigma Aldrich | D2650 | |
| DPBS | Sigma Aldrich | D8537-500ML | |
| Protéine morphogénétique osseuse humaine 4 (hBMP4) | STEMCELL Technologies | 78211 | |
| IL-3 humaine | STEMCELL Technologies | 78146.1 | |
| Facteur de stimulation des colonies de macrophages humains (hM-CSF) | STEMCELL Technologies | 78150.1 | |
| Activateur du récepteur soluble humain du facteur nucléaire-&kappa ; B Ligand (hsRANKL) | STEMCELL Technologies | 78214.1 | |
| Facteur de cellules souches humaines (hSCF) | STEMCELL Technologies | 78155.1 | |
| Human TruStain FcX (solution de blocage du récepteur Fc) | Biolegend | 422301 | |
| Facteur de croissance de l’endothélium vasculaire humain-165 (hVEGF165) | STEMCELL Technologies | 78073 | |
| Invitrogen Rhodamine Phalloidin | Invitrogen | R415 | |
| MEM &alpha ;, nucléosides, sans rouge de phénol | ThermoFisher | 41061029 | |
| mFreSR | STEMCELL Technologies | 05855 | Milieu de cryoconservation sans sérum |
| mTeSR Plus milieu | STEMCELL Technologies | 100-0276 | Milieu sans sérum iPSC humain (hiPSC-SFM) |
| Nunclon Sphera 96-Well, Nunclon Sphera-Treated, U Bottom-Saw Microplaque | Thermo Scientific | 174925 | Fond rond fixation ultra-basse Plaque à 96 puits |
| P1000 Embouts à alésage large | ThermoFisher | 2079GPK | |
| ROCK-Inhibitor Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72304 | |
| StemSpan SFEM | StemCell | 09650 | Milieu de culture cellulaire hématopoïétique |
| TrypLE Select Enzyme (1X), sans rouge de phénol | Thermo Fisher | 12563011 | Réactif de dissociation unicellulaire |
| Ultraglutamine | Bioscience Lonza | BE17-605E/U1 | |
| X-VIVO 15 Milieu cellulaire hématopoïétique sans sérum | Bioscience Lonza | 04-418Q | Milieu basal hématopoïétique |
| µ ;-Slide 8 Bien élevé | Ibidi | 80806 |
Accès restreint. Veuillez vous connecter ou commencer un essai pour afficher ce contenu.