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Research Article
Fangqin Wang1, Langping Gao2,3, Xudong Fu4, Qintao Yan2, Lidan Hu1,2, Jianhua Mao2,3
1National Clinical Research Center for Child Health,The Children's Hospital, Zhejiang University School of Medicine, 2Department of Nephrology,The Children's Hospital, Zhejiang University School of Medicine, 3Zhejiang University School of Medicine, 4Liangzhu Laboratory,Zhejiang University
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Questo protocollo descrive e confronta due metodi rappresentativi per differenziare le hiPSC in cellule stromali mesenchimali (MSC). Il metodo monostrato è caratterizzato da un costo inferiore, da un funzionamento più semplice e da una più facile differenziazione osteogenica. Il metodo dei corpi embrioidi (EBs) è caratterizzato da un minor consumo di tempo.
Le cellule stromali mesenchimali (MSC) sono cellule staminali pluripotenti adulte che sono state ampiamente utilizzate nella medicina rigenerativa. Poiché le MSC derivate da tessuti somatici sono limitate da donazioni limitate, variazioni di qualità e biosicurezza, negli ultimi 10 anni si è assistito a un grande aumento degli sforzi per generare MSC da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC). Gli sforzi passati e recenti nella differenziazione delle hiPSC in MSC sono stati incentrati su due metodologie di coltura: (1) la formazione di corpi embrioidi (EB) e (2) l'uso di colture monostrato. Questo protocollo descrive questi due metodi rappresentativi per derivare le MSC dalle hiPSC. Ogni metodo presenta i suoi vantaggi e svantaggi, tra cui il tempo, il costo, la capacità di proliferazione cellulare, l'espressione dei marcatori MSC e la loro capacità di differenziazione in vitro. Questo protocollo dimostra che entrambi i metodi possono derivare MSC mature e funzionali dalle hiPSC. Il metodo monostrato è caratterizzato da un costo inferiore, da un funzionamento più semplice e da una più facile differenziazione osteogenica, mentre il metodo EB è caratterizzato da un minor consumo di tempo.
Le cellule stromali mesenchimali (MSC) sono cellule staminali pluripotenti adulte derivate dal mesoderma1. Le MSC sono presenti in quasi tutti i tessuti connettivi2. Da quando le MSC sono state scoperte per la prima volta negli anni '70 e isolate con successo dal midollo osseo nel 1987 da Friedenstein et al.3,4,5, una varietà di tessuti somatici umani (inclusi fetali e adulti) sono stati utilizzati per isolare le MSC come ossa, cartilagine, tendini, muscoli, tessuto adiposo e stroma di supporto ematopoietico 1,2,6,7. Le MSC dimostrano elevate capacità proliferative e plasticità per differenziarsi in molte linee cellulari somatiche e potrebbero migrare verso tessuti danneggiati e infiammati 2,8,9. Queste proprietà rendono le MSC un potenziale candidato per la medicina rigenerativa10. Tuttavia, le MSC derivate da tessuti somatici (st-MSC) sono limitate da una donazione limitata, da una limitata capacità proliferativa cellulare, da variazioni di qualità e da preoccupazioni di biosicurezza per la possibile trasmissione di agenti patogeni, se presenti, dai donatori11,12.
Le cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) derivano dalla riprogrammazione di cellule adulte con fattori di trascrizione (Oct4, Sox2, Klf4 e c-Myc), che hanno funzioni simili a quelle delle cellule staminali embrionali13,14. Possono auto-rinnovarsi e possedere il potenziale di differenziarsi in qualsiasi tipo di cellule somatiche, comprese le MSC. Rispetto alle st-MSC, le iPSC-MSC hanno il vantaggio di una fornitura illimitata, un costo inferiore, una maggiore purezza, convenienza nel controllo di qualità, facile per la produzione su larga scala e la modificazione genica 15,16,17.
A causa di questi vantaggi delle iPSC-MSC, sono stati riportati una varietà di metodi che guidano le MSC dalle iPSC. Questi metodi di differenziazione sono stati incentrati su due metodologie di coltura: (1) la formazione di corpi embrioidi (EB) e (2) l'uso di colture monostrato 11,18,19,20. In questo caso, è stato caratterizzato un approccio rappresentativo per ciascuna delle due metodologie. Inoltre, sono stati effettuati confronti tra due approcci rappresentativi basati su tempo, costo, capacità proliferativa, espressione di biomarcatori MSC e capacità di differenziazione in vitro.
1. Mantenimento delle hiPSCs
2. Differenziazione delle MSC dalle hiPSC attraverso la formazione di EB
NOTA: Il metodo è derivato dalla letteratura precedente 21,22,23,24. Una panoramica del metodo è illustrata nella Figura 1. Le caratteristiche del metodo sono riassunte nella Tabella 1.
3. Differenziazione delle MSC dalle hiPSC tramite coltura monostrato
NOTA: Il metodo è derivato dalla letteratura precedente 25,26,27,28. Una panoramica di questo metodo è illustrata nella Figura 1. Le caratteristiche del metodo sono riassunte nella Tabella 1.
4. Analisi degli antigeni di superficie delle MSC che guidano le hiPSC mediante citometria a flusso
NOTA: Analogamente agli antigeni di superficie delle MSC derivate dal midollo osseo, le MSC che guidano le hiPSC esprimono CD105, CD73 e CD90, ma non esprimono CD45, CD3429. Inoltre, le hiPSC possono essere utilizzate come cellule di controllo negativo. L'analisi degli antigeni di superficie delle MSC e delle hiPSC che guidano le hiPSC mediante citometria a flusso è mostrata nella Figura 2.
5. Differenziamento osteogenico delle MSC che guidano le hiPSC
NOTA: Le MSC che guidano le hiPSC possiedono un potenziale di differenziazione osteogenica (Figura 3A, B). Di seguito è riportato il protocollo per la differenziazione osteogenica.
6. Differenziamento adipogenico delle MSC che guidano le hiPSC
NOTA: Le MSC che guidano le hiPSC possiedono un potenziale di differenziazione adipogenica (Figura 3C, D). Di seguito è riportato il protocollo per la differenziazione adipogenica.
7. Differenziamento condrogenico delle MSC che guidano le hiPSC
NOTA: Le MSC che guidano le hiPSC possiedono un potenziale di differenziazione condrogenica (Figura 3E, F). Di seguito è riportato il protocollo per il differenziamento condrogenico.
Seguendo il protocollo (Figura 1A), le hiPSC sono state differenziate in MSC attraverso i metodi di formazione EB e di coltura monostrato. Durante il differenziamento, le cellule hanno mostrato diverse morfologie rappresentative (Figura 1B,C).
Come mostrato nella Figura 1B, le colonie di hiPSCs mostrano una tipica morfologia compatta prima della differenziazione con un bordo chiaro composto da cellule strettamente impacchettate. EB sferici uniformi si sono formati dopo la dissociazione e la coltura delle hiPSC per 24 ore sull'agitatore. Durante il giorno 1-7 di coltura nel mezzo di differenziazione delle MSC, il bordo liscio dell'EB è diventato ruvido e il volume dell'EB è cresciuto. Dal giorno 8 al giorno 17, dopo aver trasferito gli EB su una piastra a 6 pozzetti rivestita di gel con matrice extracellulare GFR, gli EB hanno gradualmente aderito alla piastra e molte cellule monostrato aderenti si sono diffuse intorno agli EB. Quando le cellule hanno raggiunto il 90% di confluenza il giorno 18, le cellule sono state digerite e seminate su una piastra di coltura rivestita di gelatina. Il giorno 19, la cellula ha aderito e ha mostrato una forma poligonale. Consecutivamente, le cellule sono state passate due volte quando erano confluenti al 90%. Le MSC derivate sono gradualmente maturate e hanno mostrato una tipica forma a fuso, e la colonia è cresciuta in un vortice.
Come mostrato nella Figura 1C, il volume delle cellule è aumentato e si è diffuso intorno alla colonia dopo aver sostituito il terreno di mantenimento iPSC con il terreno di mantenimento MSC per 24 ore. Durante la coltivazione in un terreno di mantenimento MSC, le cellule sono gradualmente proliferate e hanno formato cellule aderenti multistrato. Il giorno 14, le cellule sono state digerite e seminate su una piastra di coltura rivestita di gelatina. Il giorno 15, la cellula ha aderito e ha mostrato una forma poligonale. Consecutivamente, le cellule sono state passate 6 volte quando erano confluenti al 90%. Le MSC derivate sono gradualmente maturate e hanno mostrato una tipica forma a fuso, e la colonia è cresciuta in un vortice.
Gli antigeni di superficie delle hiPSC e delle MSC che guidano le hiPSC sono stati analizzati mediante citometria a flusso (Figura 2). Come mostrato nella Figura 2C, le hiPSC erano positive per CD90 e negative per CD34, CD45, CD73 e CD105. Dopo aver differenziato le hiPSC in MSC attraverso entrambi i metodi, le MSC di pilotaggio erano positive per CD90, CD73 e CD105 e negative per CD34 e CD45 (Figura 2A, B).
La capacità di differenziazione delle MSC che guidano le hiPSC è stata studiata mediante differenziamento osteogenico, adipogenico e condrogenico. Come mostrato nella Figura 3, entrambe le MSC che guidano le hiPSC dei due metodi si sono differenziate in osteoblasti, adipociti e condrociti. Le MSC che guidano le hiPSC del metodo monostrato hanno formato più depositi di calcio rispetto al metodo EB (Figura 3B). I due metodi non presentavano differenze significative nella differenziazione adipogenica e nella capacità di differenziazione condrogenica (Figura 3D,F).
La capacità di proliferazione delle MSC che guidano hiPSC è stata esaminata mediante coltura a passaggio continuo. Come mostrato nella Figura 3G, le MSC che guidano le hiPSC di entrambi i metodi possono essere fatte passare per più di 20 passaggi e mantenere comunque una rapida capacità di proliferazione.
Il confronto tra i due approcci mostrati nella Tabella 1 si basa sul tempo di differenziamento, il costo, la capacità di proliferazione cellulare, l'espressione dei marcatori MSC e la loro capacità di differenziazione in vitro.

Figura 1: Differenziazione delle hiPSC in MSC tramite il metodo di formazione EB e il metodo di coltura monostrato. (A) Schema che mostra la differenziazione delle hiPSC in MSC attraverso la formazione di EB e la coltura monostrato. Morfologia di rappresentazione delle cellule a fagi chiave durante la derivazione delle MSC da hiPSCs tramite (B) formazione di EB e (C) coltura monostrato. Barre graduate: 300 μm e 50 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: analisi degli antigeni di superficie delle MSC che guidano le hiPSC mediante citometria a flusso. Percentuali di espressione degli antigeni di superficie delle MSC nelle MSC che guidano le iPSC attraverso (A) la formazione di EB e (B) la coltura monostrato. (C) le hiPSC sono state utilizzate come controllo negativo. Marcatori negativi delle MSC: CD34, CD45; Marcatori positivi delle MSC: CD73, CD90 e CD105. marcatori negativi delle hiPSCs: CD34, CD45, CD73 e CD105; Marcatori positivi delle hiPSCs: CD90. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Differenziazione a tre linee e capacità di proliferazione delle MSC che guidano le hiPSC. (A) Colorazione rossa con alizarina di depositi di calcio di MSC che guidano hiPSC in terreno di differenziazione osteogenica per 2 settimane. Barre di scala: 300 μm. (B) Quantificazione della colorazione del rosso Alizarina S mediante analisi ImageJ. (C) Colorazione con Oli red O di goccioline lipidiche di MSC che guidano hiPSC in terreno di differenziazione adipogenica per 2 settimane. Barre di scala: 300 μm. (D) Quantificazione della colorazione di Oli Red O mediante analisi ImageJ. (E) Colorazione con blu di toluidina della matrice condrocitaria extracellulare. Barre della scala: 300 μm e 150 μm. (F) Quantificazione della colorazione con blu di toluidina mediante analisi ImageJ. (G) calcolo del tempo di raddoppio della popolazione di MSC che guidano le hiPSC. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Paragone | Metodo di formazione dell'EB | Metodo delle colture monostrato |
| Tempo di differenziazione | 27 giorni | 35 giorni |
| Costo | Alto | Basso |
| Velocità di proliferazione | Veloce | Veloce |
| Capacità di proliferazione | ≥20 passaggio | ≥20 passaggio |
| Espressione dei marcatori MSC | CD73/CD90/CD105 positivo, CD34/CD45 nagative | CD73/CD90/CD105 positivo, CD34/CD45 nagative |
| Capacità di differenziazione | Differenziamento adipogenico, differenziamento condrogenico e capacità di differenziamento osteogenico | Differenziamento adipogenico, differenziamento condrogenico e maggiore capacità di differenziamento osteogenico |
| Operazione | Complicato | Semplice |
Tabella 1: Caratteristiche dei due metodi per differenziare le hiPSC in MSC.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo protocollo descrive e confronta due metodi rappresentativi per differenziare le hiPSC in cellule stromali mesenchimali (MSC). Il metodo monostrato è caratterizzato da un costo inferiore, da un funzionamento più semplice e da una più facile differenziazione osteogenica. Il metodo dei corpi embrioidi (EBs) è caratterizzato da un minor consumo di tempo.
Siamo estremamente grati a tutti i membri del Mao and Hu Lab, passati e presenti, per le interessanti discussioni e i grandi contributi al progetto. Siamo grati al National Clinical Research Center for Child Health per il grande supporto. Questo studio è stato sostenuto finanziariamente dalla National Natural Science Foundation of China (U20A20351 a Jianhua Mao, 82200784 a Lidan Hu), dalla Natural Science Foundation of Zhejiang Province of China (No. LQ22C070004 a Lidan Hu).
| Kit di colorazione rosso alizarina | Beyotime Biotecnologia | C0148S | |
| Anti-umano-CD105 (PE) | Biolegend | 323206 | |
| Anti-umano-CD34 (FITC) | Biolegend | 343503 | |
| Anti-umano-CD45 (APC) | Biolegend | 304011 | |
| Anti-umano-CD73 ( APC) | Biolegend | 344006 | |
| Anti-umano-CD90 (FITC) | Biolegend | 328108 | |
| Acido ascorbico | Solarbio | A8100 | |
| BMP-6 | Novoprotein | C012 | |
| Agitatore di livello di anidride carbonica | Cristallo | CO-06UC6 | |
| Perle di compensazione | BioLegend | 424601 | |
| CryoStor CS10 | Tecnologia STEMCELL | 07959 | |
| Desametasone | Beyotime Biotecnologia | ST1254 | |
| DMEM/F12 medium | Servicebio | G4610 | |
| Siero fetale bovino | HAKATA | HS-FBS-500 | |
| FGF2 | Stemcell | 78003.1 | |
| Gelatina | Sigma-Aldrich | G2500-100G | |
| GlutaMAX | Gibco | 35050061 | |
| controllo dell'isotipo umano IgG1 APC | BioLegend | 403505 | |
| controllo dell'isotipo IgG1 umano FITC | BioLegend | 403507 | |
| controllo dell'isotipo IgG1 umano PE | BioLegend | 403503 | |
| TGF umano-β 1 | Proteina staminale | 78067 | |
| TruStain umana FcX | BioLegend | 422301 | |
| IBMX | Beyotime Biotecnologia | ST1398 | |
| Indometacina | Solarbio | SI9020 | |
| Insulina | Beyotime Biotecnologia | P3376 | |
| iPSC mezzo di manutenzione | STEMCELL Technology | 85850 | |
| ITS Media Supplement | Beyotime Biotecnologia | C0341-10mL | |
| Matrigel, fattore di crescita ridotto | BD Corning | 354230 | |
| Kit di colorazione Oli Red O | Beyotime Biotecnologia | C0158S | |
| Prolina | Solarbio | P0011 | |
| Piruvato di sodio | ThermoFisher | 11360-070 | |
| TGFβ 3 | Kit di colorazione bludi toluidina Novoprotein | CJ44 | |
| Solarbio | G2543 | ||
| TrypLE Express Enzyme(1x) | Gibco | 12604013 | |
| Piastra a 6 pozzetti con attacco ultrabasso | Costar | 3471 | |
| Versene | Gibco | 15040-66 | |
| Y-27632 | Stemcell | 72304 | |
| &alfa;-MEM | Hyclone | SH30265 | |
| β-glicerofosfato | Solarbio | G8100 |