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Research Article
Hege Brincker Fjerdingstad1, Joel C. Glover1,2
1Norwegian Center for Stem Cell Research, Department of Immunology and Transfusion Medicine,Oslo University Hospital, 2Laboratory of Neural Development and Optical Recording (NDEVOR), Department of Molecular Medicine, Institute of Basic Medical Sciences,University of Oslo
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Per evitare le limitazioni associate al passaggio enzimatico o meccanico di cellule staminali embrionali umane (hESC) e cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) coltivate su cellule feeder, abbiamo stabilito un metodo rapido, efficace, economico e ad alto rendimento per la raccolta di colonie hESC o hiPSC mantenute su uno strato di cellule feeder di fibroblasti prepuzi umani utilizzando la disadesione mediata da EDTA.
Le cellule staminali pluripotenti umane (cellule staminali embrionali umane, hESC e cellule staminali pluripotenti indotte umane, hiPSC) sono state originariamente coltivate su diversi tipi di cellule feeder per il mantenimento in uno stato indifferenziato in coltura a lungo termine. Questo approccio è stato soppiantato in larga misura dai protocolli di coltura feeder-free, ma questi comportano reagenti più costosi e possono promuovere una transizione verso uno stato primed, che limita la capacità di differenziazione delle cellule. Sia in condizioni di alimentazione che di alimentazione libera, la raccolta di colonie hESC o hiPSC per il passaggio è una procedura necessaria per espandere le colture.
Per fornire una procedura semplice e ad alto rendimento per il passaggio di hESCs/hiPSCs coltivate su cellule feeder, abbiamo stabilito un metodo di raccolta che utilizza la disadesione suscitata dal chelante del calcio acido etilendiamminotetraacetico (EDTA). Abbiamo valutato la resa e la qualità delle cellule passate risultanti confrontando questo approccio con l'approccio originale di raccolta meccanica, in cui le colonie vengono isolate con un bisturi al microscopio (la raccolta meccanica è stata scelta come comparatore per evitare la variabilità dei reagenti associata alla raccolta enzimatica).
In una serie di esperimenti, due diverse linee di hESC sono state mantenute su uno strato di cellule feeder di fibroblasti prepuzi umani. Ogni linea è stata sottoposta a passaggi multipli utilizzando la raccolta meccanica o basata su EDTA e valutata per le dimensioni e la morfologia della colonia, la densità cellulare, l'espressione dei marcatori di staminalità, la differenziazione nei tre strati germinali nei corpi embrioidi e le aberrazioni genomiche. In un'altra serie di esperimenti, abbiamo utilizzato il picking a base di EDTA su due diverse linee di hiPSC e abbiamo ottenuto risultati simili. La disadesione indotta dall'EDTA ha fatto risparmiare tempo e ha dato una maggiore resa di colonie di dimensioni più favorevoli e morfologia più uniforme rispetto alla raccolta meccanica. Era anche più veloce della raccolta enzimatica e non era soggetto a variabilità del lotto enzimatico. Il metodo di disadesione indotto da EDTA facilita anche il trasferimento di linee hESC/hiPSC da colture basate su cellule feeder a condizioni prive di feeder, se lo si desidera, per l'uso e l'analisi a valle.
Il corretto mantenimento delle hESC e delle hiPSC in vitro è una metodologia di base e conveniente per diverse strade di ricerca nella biologia cellulare umana e dello sviluppo. A causa della spinta intrinseca delle hESC e delle hiPSC a differenziarsi, il mantenimento dello stato indifferenziato in vitro richiede particolare cura e attenzione. Pertanto, lo sviluppo di protocolli efficienti in termini di costi per il mantenimento e il passaggio di hESC e hiPSC con la minor variabilità metodologica possibile è di grande utilità generale.
Originariamente, le hESC e le hiPSC sono state coltivate su diversi tipi di cellule feeder per aiutare nella coltura a lungo termine e nel mantenimento dello stato indifferenziato 1,2,3. Più recentemente, la coltura in condizioni di alimentazione libera è diventata la norma, in quanto evita del tutto di trattare con le cellule nutritrici4. Tuttavia, alcuni laboratori e strutture di base coltivano ancora hESC o hiPSC su cellule feeder. La coltura senza alimentatore è più costosa perché richiede l'uso di terreni di coltura di composizioni speciali e una qualche forma di rivestimento della superficie di coltura per garantire l'aderenza della colonia (principali componenti della matrice extracellulare [ECM] o un composto ECM commerciale, o utilizzando piastre rivestite disponibili in commercio). La spesa non è banale e rappresenta un potenziale ostacolo finanziario per alcuni laboratori interessati a perseguire attività di ricerca e sviluppo basate su hESC o hiPSC. Inoltre, la coltura in condizioni di feeder-free tende a portare le hESC e le hiPSC ad uno stato meno naïve rispetto a quello mantenuto sulle cellule feeder5, e questo può compromettere il successivo differenziamento e portare a variazioni genetiche6.
Storicamente, il passaggio di hESC e hiPSCs coltivate su cellule feeder ha comportato la raccolta meccanica - utilizzando un bisturi per asportare le colonie al microscopio7 - ma questo è stato in seguito in gran parte soppiantato dalla digestione enzimatica con o senza raschiamento delicato per isolare le colonie o le cellule dissociate. La raccolta meccanica è noiosa e richiede una microchirurgia di precisione. Il prelievo enzimatico può variare in efficienza a causa delle differenze enzimatiche da lotto a lotto e tende a favorire la completa dissociazione, che promuove la morte cellulare a meno che non sia contrastata dagli inibitori di ROCK 8,9 e aumenta l'incidenza di cariotipi anomali9.
Per sfruttare la minore spesa e il maggiore potenziale di differenziazione della coltura di hESC e hiPSC su cellule feeder, evitando gli svantaggi del prelievo meccanico ed enzimatico, abbiamo stabilito un metodo rapido, efficace, economico e ad alto rendimento per la raccolta di colonie hESC e hiPSC mantenute su uno strato di alimentazione di fibroblasti prepuziali umani utilizzando la disadesione mediata da EDTA. Abbiamo confrontato la resa, la variabilità e la qualità delle cellule staminali con quella ottenuta con la raccolta meccanica (non abbiamo confrontato la digestione enzimatica a causa della variabilità aggiuntiva che questo approccio comporta). Notiamo che la disadesione mediata dall'EDTA funziona bene anche per il trasferimento di colonie da colture basate su feeder a condizioni prive di feeder, se lo si desidera per l'uso e le analisi a valle. Questo metodo fornisce una transizione con un metodo di passaggio coerente, poiché la disadesione indotta da EDTA è un approccio popolare impiegato per le colture prive di feeder.
Vedere la Tabella dei materiali per i dettagli su tutti i materiali, i reagenti e gli strumenti utilizzati in questo protocollo.
1. Coltivazione di cellule di fibroblasti umani e preparazione dello strato di cellule di alimentazione
2. Raccolta meccanica delle colonie hESC o hiPSC
3. Raccolta delle colonie hESC o hiPSC mediante disadesione mediata da EDTA
Nei saggi e nei confronti documentati di seguito, sono state utilizzate due linee hESC (H9 e HS429, rispettivamente di WiCell e del Karolinska Institute) e due linee hiPSC (NCS001 e NCS002, entrambe generate dalla Norwegian Core Facility for Human Pluripotent Stem Cells). I dati presentati nelle figure e nelle tabelle provengono dalle linee hESC, ma risultati del tutto simili sono stati ottenuti dalle linee hiPSC.
Nelle nostre mani, la raccolta meccanica ha portato alla divisione delle colonie in circa cinque o sei ciuffi di ~200-250 μm di diametro, mentre con la disadesione indotta dall'EDTA seguita da triturazione, ogni colonia è stata divisa in ~10-20 ciuffi di ~60 μm di diametro. Stimiamo che il numero di cellule in ogni grumo raccolto con EDTA sia ~20. Poiché non è pratico dividere una colonia in grumi di queste dimensioni con un bisturi, a questo proposito, la disadesione indotta dall'EDTA è superiore, in quanto genera grumi di dimensioni più favorevoli per la sopravvivenza delle cellule della colonia10,11.
Le colonie hESC/hiPSC raccolte utilizzando EDTA erano anche più omogenee in termini di dimensioni e forma rispetto alle colonie raccolte meccanicamente (Figura 1A-F). Questo perché il taglio necessario per la raccolta meccanica genera bordi irregolari e dimensioni variabili dei ciuffi. Per valutarlo quantitativamente, abbiamo valutato la circolarità della colonia (come misura di quanto fossero arrotondati i bordi della colonia; un valore di 1 indica un cerchio perfetto) 5 giorni dopo il passaggio utilizzando il protocollo ImageJ-win6412. La circolarità delle colonie è risultata significativamente più bassa nelle colonie raccolte meccanicamente (raccolta meccanica: 0,61 ± 0,10; Raccolta a base di EDTA: 0,84 ± 0,01; n = 10, p < 0,001, U-test di Mann-Whitney, U = 10).
La densità cellulare nelle colonie raccolte e ripiastre, che è una misura delle interazioni cellula-cellula post-raccolta durante la formazione della colonia, è risultata simile alla raccolta basata su EDTA e alla raccolta meccanica (Tabella 1 e Figura 1G,H). Le colonie raccolte meccanicamente avevano una maggiore tendenza a sviluppare necrosi nelle loro regioni centrali (Figura 1J). Ciò era probabilmente dovuto alla variabilità nella forma e, in particolare, alle dimensioni dei grumi cellulari isolati meccanicamente, poiché quando questi grumi sono troppo grandi, possono facilmente ripiegarsi su se stessi quando vengono trasferiti in nuove piastre di coltura. Questo non è stato il caso delle colonie raccolte utilizzando l'EDTA, che hanno mostrato uniformemente un aspetto traslucido con bordi distinti (Figura 1I).
Utilizzando la raccolta basata sull'EDTA, siamo stati in grado di raccogliere essenzialmente tutte le colonie che erano state stabilite in un pozzo entro 2-3 minuti. Utilizzando la raccolta meccanica, raccogliere tutte le colonie in un pozzo sarebbe noioso e richiederebbe molto tempo. In genere siamo riusciti a raccogliere solo ~ 30%, o ~ 20-25 colonie, utilizzando la raccolta meccanica, e questo ha richiesto ~ 20 minuti. Allo stesso modo, utilizzando la digestione della collagenasi seguita da una raschiatura delicata, era in genere difficile raccogliere tutte le colonie, anche se la procedura totale richiedeva solo pochi minuti. Pertanto, la raccolta a base di EDTA è altrettanto veloce o più veloce della raccolta enzimatica e più efficiente della raccolta meccanica o enzimatica.
Per valutare l'effetto dei diversi metodi di raccolta sulla staminalità e sulla pluripotenza, abbiamo prima sottoposto le colonie ottenute dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta meccanica o basata su EDTA all'analisi qPCR (Figura 2) e alla colorazione immunocitochimica (Figura 3 e Figura 4) per i marcatori di staminalità. Le colonie ottenute utilizzando entrambi i metodi hanno mostrato un'espressione stabile dei marcatori di staminalità sia a livello di mRNA che di proteina. Abbiamo quindi valutato la pluripotenza differenziando i tre strati germinali nei corpi embrioidi (Figura 5 e Figura 6). I corpi embrioidi generati dalle hESC o dalle hiPSC ottenuti dopo 20 passaggi utilizzando entrambi i metodi contenevano una miscela di cellule che esprimevano marcatori comunemente valutati per ectoderma, mesoderma ed endoderma.
Infine, è stata valutata l'incidenza di aberrazioni genomiche nelle hESC e nelle hiPSC passate da ciascun metodo utilizzando l'analisi genetica basata sulla qPCR (vedi la Tabella dei Materiali). Le colonie ottenute dopo 20 passaggi utilizzando entrambi i metodi di prelievo hanno mostrato alcuni esempi di modesta deviazione da un pattern cromosomico diploide di riferimento (le anomalie valutate erano quelle comunemente associate alla riprogrammazione delle hiPSC ma possono essere ottenute anche nelle hESC) (Figura 7). Tuttavia, il modello di queste deviazioni era essenzialmente lo stesso nelle colonie ottenute dopo entrambi i metodi di raccolta, indicando che non erano collegate al metodo di raccolta.

Figura 1: Morfologia della colonia e densità cellulare dopo raccolta meccanica o a base di EDTA. (A-F) Immagini rappresentative in campo chiaro di colonie hESC H9 stabilite in coltura senza feeder per 5 giorni dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta meccanica a base di EDTA (A-C) o (D-F). (G,H) Immagini rappresentative in fluorescenza della densità cellulare nelle colonie hESC H9 stabilite dopo 20 passaggi utilizzando (G) raccolta meccanica a base di EDTA o (H). I nuclei cellulari sono colorati con DAPI. (I,J) Immagini rappresentative in campo chiaro delle colonie hESC H9 stabilite dopo 20 passaggi utilizzando (I) raccolta meccanica basata su EDTA o (J). Si noti la regione centrale necrotica nella colonia raccolta meccanicamente (freccia in J). Tutte le immagini sono state acquisite 5 giorni dopo il 20° passaggio. Barre di scala = 100 μm. Abbreviazioni: hESC = cellula staminale embrionale umana; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Espressione dell'mRNA marcatore di staminalità in due linee hESC (H9 e HS429) generate dopo raccolta meccanica o basata su EDTA. Reazione a catena quantitativa della polimerasi in tempo reale dei marcatori indicati nelle hESC H9 (pannello superiore) e HS429 (pannello inferiore) dopo un singolo passaggio mediante raccolta meccanica, dopo 20 passaggi mediante raccolta meccanica e dopo 20 passaggi mediante raccolta a base di EDTA (diluizione 1:5). Il livello di espressione è relativo a quello del gene housekeeping ACTB (beta-actina). Le barre di errore indicano la deviazione standard. Abbreviazioni: hESC = cellula staminale embrionale umana; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Espressione di proteine marcatrici di staminalità nella linea H9 hESC dopo diverse condizioni di raccolta. Colorazione rappresentativa in immunofluorescenza di colonie hESC H9 raccolte meccanicamente (A-E) prima di un ulteriore passaggio, (F-J) dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta meccanica e (K-O) dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta basata su EDTA. Barre di scala = 100 μm. Abbreviazioni: hESC = cellula staminale embrionale umana; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Espressione di proteine marcatrici di staminalità nella linea HS429 hESC dopo diverse condizioni di raccolta. Colorazione rappresentativa in immunofluorescenza di colonie hESC HS429 raccolte meccanicamente (A-E) prima di un ulteriore passaggio, (F-J) dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta meccanica e (K-O) dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta basata su EDTA. Barre di scala = 100 μm. Abbreviazioni: hESC = cellula staminale embrionale umana; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindolo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Espressione dei marcatori per i tre strati germinali nei corpi embrioidi generati dalla linea H9 hESC dopo il prelievo meccanico o a base di EDTA. Colorazione rappresentativa in immunofluorescenza di marcatori per (file A e D), ectoderma (ECTO, TUJI), endoderma (file B ed E) (ENDO, AFP) e mesoderma (file C e F) (MESO, SMA). EB generati (A-C) dopo 20 passaggi di raccolta meccanica o (D-F) dopo 20 passaggi di raccolta a base di EDTA. Barre di scala = 40 μm. Abbreviazioni: hESC = cellula staminale embrionale umana; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico; EB = corpi embrioidi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Espressione dei marcatori per i tre strati germinali nei corpi embrioidi generati dalla linea HS429 hESC a seguito di prelievo meccanico o a base di EDTA. Colorazione rappresentativa in immunofluorescenza di marcatori per (file A e D), ectoderma (ECTO, TUJI), endoderma (file B ed E) (ENDO, AFP) e mesoderma (file C e F) (MESO, SMA). EB generati (A-C) dopo 20 passaggi di raccolta meccanica (A-C) o (D-F) dopo 20 passaggi di raccolta a base di EDTA. Barre di scala = 40 μm. Abbreviazioni: hESC = cellula staminale embrionale umana; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico; EB = corpi embrioidi. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: analisi genetica basata su qPCR di aberrazioni genomiche comuni nelle linee ESC HS9 e HS429 e nella linea iPSC NCS002 a seguito di 20 passaggi utilizzando il prelievo meccanico o basato su EDTA. La linea di base al valore 2 rappresenta la normale diploidia in tutti i marcatori cromosomici. Un valore di 1 o 3 rappresenterebbe una perdita o un guadagno, rispettivamente, del marcatore cromosomico indicato in tutte le cellule. Valori intermedi compresi tra 1 e 2 o tra 2 e 3 indicano la presenza di una perdita o di un guadagno del marcatore indicato in una frazione delle cellule. Si noti che il modello di aberrazioni è simile nelle due condizioni di raccolta. Abbreviazioni: ESC = cellula staminale embrionale; EDTA = acido etilendiamminotetraacetico; iPSC = cellula staminale pluripotente indotta. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Densità cellulare (celle/mm2) | ||
| H9 | Significare | stdev |
| Raccolta meccanica prima dell'ulteriore passaggio | 3918 | 263.3 |
| Raccolta meccanica 20 volte | 3868 | 197.7 |
| Raccolta EDTA 20 volte | 4080 | 127.8 |
| HS429 | Significare | stdev |
| Raccolta meccanica prima dell'ulteriore passaggio | 5249 | 565.4 |
| Raccolta meccanica 20 volte | 5247 | 726.3 |
| Raccolta EDTA 20 volte | 4963 | 448.8 |
Tabella 1: Confronto delle densità cellulari nelle colonie delle due linee hESC (H9 e HS429) generate dopo la raccolta meccanica o basata su EDTA. Le densità cellulari sono state valutate dopo un singolo passaggio utilizzando la raccolta meccanica, dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta meccanica o dopo 20 passaggi utilizzando la raccolta basata su EDTA (alla diluizione 1:5). In tutti i casi, n = 5 colonie.
Joel C. Glover è il direttore e Hege Brincker Fjerdingstad è il direttore quotidiano della Norwegian Core Facility for Human Pluripotent Stem Cells. Gli autori non hanno interessi finanziari concorrenti o altri conflitti di interesse da divulgare.
Per evitare le limitazioni associate al passaggio enzimatico o meccanico di cellule staminali embrionali umane (hESC) e cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) coltivate su cellule feeder, abbiamo stabilito un metodo rapido, efficace, economico e ad alto rendimento per la raccolta di colonie hESC o hiPSC mantenute su uno strato di cellule feeder di fibroblasti prepuzi umani utilizzando la disadesione mediata da EDTA.
Ringraziamo Lars Moen per l'assistenza durante gli esperimenti preliminari e la Norwegian Core Facility for Human Pluripotent Stem Cells presso il Norwegian Center for Stem Cell Research, Oslo University Hospital, per l'uso delle strutture. La linea hESC H9 è stata ottenuta da WiCell e la linea hESC HS429 è stata ottenuta da Outi Hovatta presso il Karolinska Institute. Entrambi sono stati utilizzati in conformità con gli accordi di trasferimento dei materiali. Le linee hiPSC NCS001 e NCS002 sono state generate dalla Norwegian Core Facility for Human Pluripotent Stem Cells. Tale riprogrammazione e tutto il lavoro qui riportato sono stati eseguiti con l'approvazione del Comitato etico regionale della Norvegia sudorientale (approvazione REK 2017/110).
| 0,5 M EDTA pH 8,0 | Invitrogen | 15575020 | |
| Provette da centrifuga da 15 mL | Sarstedt | 62.554.502 | |
| 2-mercaptoetanolo | Gibco | 31350-010 | |
| Provette da centrifuga da 50 mL | Sarstedt | 62.547.254 | |
| Fattore di crescita dei fibroblasti basici (bFGF) | PeproTech | AF-100-18B-250UG | |
| Marca Bü rker Chamber | Fisher Scientific | 10628431 | |
| Bisturi monouso n.15 | Susann-Morton | 505 | |
| DPBS (1x) senza Ca/Mg | Gibco | 14190-094 | |
| Piatto per coltura tissutale Easy Grip, 35 x 10 mm | Falcon | 353001 | |
| Eppendorf pipetta 1 mL | Eppendorf | ||
| pipetta 200 μ L | Eppendorf | ||
| FBS (Siero fetale bovino) | Gibco | 10270-106 | |
| Puntale filtrante 1.000 μ L | Sarstedt | 70.1186.210 | |
| Punta filtro 200 μ L | Sarstedt | 70.760.211 | |
| Gamma Cell 3000 ELAN irradiazione macchina (in alternativa, utilizzare la mitomicina C per arrestare la proliferazione) | Best Theratronics | BT / MTS 8007 GC3000E | |
| Glutamax 100x | Gibco | 35050-038 | |
| Fattore di crescita ridotto | Matrixgel Corning | 734-0269 | |
| H9 hESC line | WiCell | WAe009-A | |
| Kit di Analisi Genetica hPSC | Stem Cell Technologies | #07550 | |
| HS429 linea hESC | ECACC | KIe024-A | |
| Fibroblasti del prepuzio umano -linea CRL2429 | ATTC | CRL2429 | |
| IMDM (1x) | Gibco | 21980-032 | |
| linee iPSC | Norwegian Core Facility per cellule staminali pluripotenti umane | NCS001 & NCS002 | |
| Knockout DMEM | Gibco | 10829-018 | |
| Microscopio confocale a scansione laser o equivalente (usiamo l'LSM 700 di Zeiss) | Microscopio Zeiss | ||
| CETI | |||
| Mitomicina C | Sigma Aldrich | M4287 | |
| Aminoacidi non essenziali (NEAA) | Gibco | 11140.035 | |
| Pipette, plastica 10 mL | Sarstedt | 86.1254.001 | |
| Pipette, plastica, 5 mL | Sarstedt | 86.1253.001 | |
| Siero sostitutivo (SR) | Gibco | 10828-028 | |
| Filtri sterili 0,22 um | Sarstedt | 83.1826.102 | |
| Pallone di coltura T-75 | ThermoScientific | 156499 | |
| Trypan Blue Stain (0,4 %) | Gibco | 15250-061 | |
| Tripsina-EDTA, 500 mL | Gibco | 25300062 |