Forniamo un protocollo minimamente invasivo per il trapianto intramuscolare di isolotti di cellule staminali pancreatiche derivate da cellule staminali umane in topi immunodeficienti per l'impianto in vivo e l'analisi a valle.
Articolo metodologico
Forniamo un protocollo minimamente invasivo per il trapianto intramuscolare di isolotti di cellule staminali pancreatiche derivate da cellule staminali umane in topi immunodeficienti per l'impianto in vivo e l'analisi a valle.
Le cellule endocrine del pancreas derivate dalle cellule staminali pluripotenti umane (hPSC) costituiscono una fonte promettente per la terapia delle cellule del diabete e la modellazione delle malattie. Sebbene siano stati stabiliti diversi protocolli di differenziazione, l'impianto in vivo è comunemente necessario per studiare la maturazione e la funzione in un contesto fisiologico. La maggior parte degli approcci di trapianto si basa su siti come la capsula renale o lo spazio sottocutaneo, che possono presentare limitazioni tecniche o fisiologiche. Qui presentiamo un protocollo dettagliato per il trapianto intramuscolare di isolotti SC pancreatici derivati da hPSC in topi immunodeficienti. Questo sito consente un accesso chirurgico semplice, una riduzione dell'invasività e un prelievo affidabile di trapianti per analisi successive. La procedura consente l'impianto intramuscolare degli isolotti derivati da cellule staminali e ne supporta il recupero per la valutazione a valle della secrezione di insulina dopo una sfida orale del glucosio. Il protocollo include passaggi per la preparazione e compattazione del cluster, la chirurgia di trapianto, la secrezione di insulina stimolata dal glucosio in vivo (GSIS) e il prelievo di innesti per l'analisi istologica, fornendo un quadro riproducibile per il trapianto intramuscolare in modelli murini preclinici.
Il diabete è un disturbo metabolico eterogeneo la cui prevalenza è raddoppiata negli ultimi trent'anni e si prevede colpirà 1,3 miliardi di persone entro il 2050. Sebbene fattori ambientali, come dieta e stile di vita, svolgano un ruolo significativo nell'insorgenza del diabete di tipo 2 (T2D), la predisposizione genetica contribuisce anche in modo sostanziale alla suapatogenesi 2. Le cellule β pancreatiche sono responsabili della sintesi e della secrezione di insulina e svolgono un ruolo centrale nella fisiopatologia deldiabete 3. Per comprendere come il rischio genetico contribuisca alla disfunzione delle cellule β, le cellule β derivate dalle cellule staminali umane organizzate come cluster endocrini tridimensionali (d'ora in poi denominati isolotti SC) forniscono un sistema modello altamente informativoe rilevante 4,5. I protocolli recenti guidano efficacemente la differenziazione delle cellule staminali umane in cellule β produttrici di insulina, ricapitolando le fasi chiave dello sviluppo pancreatico utilizzando inibitori e fattori di crescitaspecifici 6,7.
Questi sistemi replicano in modo affidabile le tappe dello sviluppo in modo scalabile e riproducibile, superando i limiti degli isolotti derivati dal donatore, che non supportano la modellizzazione dello sviluppo e sono soggetti a vincoli di approvvigionamento. I modelli murini hanno fornito preziose intuizioni sullo sviluppo pancreatico, ma spesso non riescono a riprodurre completamente le manifestazioni fenotipiche osservate nei pazientiumani 5. Di conseguenza, l'uso di un sistema basato su cellule staminali consente la caratterizzazione delle varianti genetiche coinvolte nello sviluppo pancreasico umano e nella disfunzione cellulareβ 8.
Nonostante questi progressi, gli isolotti SC generati in vitro rimangono trascrittomicamente e funzionalmente immaturi rispetto alle cellule β adulte native. Mostrano una secrezione di insulina stimolata dal glucosio subottimale e mancano l'espressione di marcatori β cellule mature come MAFA e G6PC2 9,10. Per colmare questo divario, spesso viene impiegata la maturazione in vivo tramite trapianto in topi immunodeficienti; Questo migliora tipicamente sia la dinamica della secrezione insulinica sia i profili di espressionegenica 6.
Il metabolismo del glucosio è strettamente regolato e richiede l'integrazione di segnali sistemici. Gli isolotti SC trapiantati sono in grado di integrare segnali provenienti da più organi, fornendo un ambiente fisiologicamente più rilevante, cruciale per valutare le conseguenze funzionali della variazione genetica nelle cellule βumane 11.
Il trapianto di isolotti SC su topi è stato eseguito in diversi siti anatomici. Il sito convenzionale è la capsula renale, efficace per promuovere la maturazione delle cellule β e invertire il diabete nei roditori trattati con streptozotocina(STZ) 12, ma comporta un intervento chirurgico invasivo complesso, che ne limita l'implementazione nei laboratori13. Inoltre, questo metodo non è adatto a contesti clinici per trattare pazienti con diabete di tipo 1 a causa delle limitazioni di dimensioni evascolarizzazione 14. Sono stati segnalati siti alternativi di trapianto, come intramuscolare, sottocutaneo e tessuto adiposo, che offrono vie meno invasive e più clinicamente applicabili. Sebbene il trapianto intramuscolare possa rappresentare difficoltà per raggiungere una maturazione ottimale delle cellule β e una secrezione di insulina rispetto alla capsularenale 12, può comunque garantire una secrezione efficace di insulina e il mantenimento dell'omeostasi del glucosio, offrendo al contempo un approccio chirurgico più semplice eaccessibile 15,16.
Pertanto, in questo protocollo, presentiamo un approccio di trapianto intramuscolare che affronta diverse limitazioni di altri protocolli di trapianto. Questo metodo è minimamente invasivo e fornisce una strategia affidabile in vivo per maturare gli isolotti SC e indagare varianti genetiche legate alla disfunzione delle cellule β.
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Tutti gli esperimenti che coinvolgevano cellule staminali pluripotenti (hPSC) e animali da laboratorio erano stati approvati da comitati etici istituzionali, regionali e nazionali. Le linee hPSC utilizzate qui sono state originariamente derivate e distribuite in conformità con le appropriate approvazioni etiche e procedure di consenso informato presso le istituzioni di origine. La Figura 1 mostra il flusso di lavoro complessivo, dalla manutenzione degli hPSC fino alla differenziazione e maturazione della linea pancreatica diretta in isolotti SC adatti al trapianto.
1. Differenziazione degli hPSC in progenitori pancreati
NOTA: Questo protocollo si basa su due passaggi preparatorii essenziali: 1) il mantenimento e l'espansione degli hPSC, e 2) la loro differenziazione diretta verso la linea endocrina del pancreas. Entrambi i passaggi sono stati descritti indettaglio 7,17. Gli hPSC sono mantenuti in lastre rivestite con substrati B8 seguendo le raccomandazioni di Lyria-Leyte et al.17. Raccogliere gli hPSC per la differenziazione durante la crescita esponenziale prima che diventino confluenti. Alla densità di semina raccomandata, dovrebbero raggiungere il 90-100% di confluenza il giorno successivo, pronti a iniziare la differenziazione. La differenziazione verso la linea endocrina del pancreas viene effettuata secondo la procedura descritta da Barsby et al.7. I dettagli completi dei media si trovano nella Tabella 1.
2. Generazione di cluster 3D e differenziazione verso cellule produttrici di insulina
NOTA: Al giorno 11, le cellule differenziate dovrebbero essersi sviluppate in progenitori pancreatici. Per promuovere ulteriormente la differenziazione endocrina in questa fase, le cellule passano dalla coltura planare alla coltura 3D.
3. Trapianto di isolotti SC nel muscolo teso di topi immunodeficienti
NOTA: Gli isolotti SC sono stati trapiantati in vari stadi di differenziazione (dalla fase 4 alla fase 7). Mentre il trapianto di isolotti SC differenziati S7 rappresenta la strategia ottimale per valutare la risposta alglucosio 6, il trapianto di progenitori in stadio precoce (S4-S5) o isolotti SC immaturi (S6) può aiutare a rivelare differenziazioni o differenziazioni di maturazione che vengono mascherate in vitro dall'uso di condizioni di coltura definite. Tuttavia, il trapianto di progenitori meno differenziati comporta un rischio aumentato di formazione di teratoma, principalmente a causa delle popolazioni cellulari residue indifferenziate.
4. Secrezione di insulina in vivo stimolata dal glucosio (GSIS)
NOTA: GSIS in vivo, tramite sfida orale del glucosio, valuta la secrezione funzionale di insulina in risposta a uno stimolo fisiologico. Tutte le procedure devono seguire le linee guida istituzionali per la cura e l'uso degli animali. Le risposte funzionali delle cellule β trapiantate migliorano con la maturazione in vivo : il peptide C umano può essere rilevato già a 2 settimane dal trapianto, mentre una secrezione robusta e responsiva al glucosio si ottiene tipicamente entro 4 settimane. Questi tempi possono variare a seconda dello stadio di sviluppo degli isolotti SC al momento del trapianto
5. Recupero di grappoli innestati
6. Colorazione degli espiantili
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
I risultati mostrati corrispondono al trapianto intramuscolare di isolotti SC di stadio 7 in topi immunodeficienti e all'analisi effettuata 6 settimane dopo il trapianto. Un numero limitato di animali con innesti rappresentativi è stato analizzato per illustrare la fattibilità della procedura. In questo studio, un esito positivo è definito come il prelievo macroscopico dell'innesto intramuscolare seguito dalla conferma istologica della sopravvivenza e del...
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
In questo protocollo, descriviamo il trapianto intramuscolare di isolotti SC come un approccio diretto, riproducibile e minimamente invasivo per la maturazione in vivo , con potenziale di valutazione funzionale. Sebbene il trapianto sotto capsula renale sia ampiamente considerato il "standard d'oro" per l'intrazione di isolotti o isolotti SC nei roditori, richiede maggiore competenza tecnica e una procedura chirurgica più lunga. Al contrario, il sito intramuscolare offre semplic...
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Ringraziamo il Dr. Danwei Huangfu (Memorial Sloan Kettering Cancer Center, New York, USA) per aver generosamente fornito le linee hPSC utilizzate in questo studio. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni PID2021-122284NA-I00 e CNS2023-145179 dal Ministero spagnolo della Scienza, dell'Innovazione e delle Università MICIU/AEI/10.13039/501100011033 e Next GenerationEU/PRTR (A.B.), e dal CIBER-Consortium for Biomedical Research in Network, CB07/08/0029 e PID2023-150719OB-I00 (M.V.), Instituto de Salud Carlos III (ISCIII). Il Centro per la Ricerca Biomedica sul Diabete e i Disturbi Metabolici Associati (CIBERDEM) è un'iniziativa di ISCIII e parzialmente sostenuto dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (FEDER).
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 2-Phospho-L-ascorbic acid trisodium salt | Sigma Aldrich | 49752 | |
| Activin A | Qkine | Qk001 | |
| AggreWell 400 24-well (microwell plate) | Stemcell | 34415 | |
| Betacellulin | GenScript | Z03102 | |
| Bovine Serum Albumin, Fraction V, Fatty Acid Free | Goldbio | A-421 | |
| CHIR 99021 | LC labs | C-6556 | |
| Chroman-1 | Medchem Express | HY-15392 | CEPT cocktail |
| CMRL-1066 | Pan Biotech | P04-84600 | |
| D-(+)-Glucose | Sigma Aldrich | G7021 | |
| Dibenzazepine (DBZ) | Syncom | Custom product | Gamma-secretase inhibitor |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium and Ham’s F12 media (DMEM/F12) | Corning | 15383541 | |
| EGF | Qkine | Qk011 | |
| Emricasan | Medchem Express | HY-10396 | CEPT cocktail |
| Ethanolamine | Sigma Aldrich | E9508 | |
| FGF2-G3 | GenScript | Custom product | |
| FGF7 | GenScript | Z03047 | |
| Heparin | Sigma Aldrich | H3149 | |
| Insulin | Gibco | 30284510 | |
| L-Alanyl-L-Glutamine | Linus | X0551-100 | |
| L-Ascorbic Acid | Santa Cruz | sc-202686 | |
| LDN-193189 | Sigma Aldrich | SML0559 | |
| Lipid Concentrate | Gibco | 11548846 | |
| Matrigel (basement membrane-derived extracellular matrix) | Falcon | 354230 | |
| MCDB 131 | Corning | 15-100-CV | |
| N-acetylcysteine | Thermo Scientific | 10521221 | |
| NaHCO3 | Fisher Scientific | 10553325 | |
| Nicotinamide | Sigma Aldrich | N0636 | |
| NRG-1 | Qkine | Qk045 | |
| Pluronic F-127 (anti-adherence solution) | Sigma Aldrich | 82184 | Used at 5% (w/v) |
| Polyamine Supplement (1000×) | Sigma Aldrich | P8483 | CEPT cocktail |
| RepSox | MedChemExpress | HY-13012 | Alk5 Inhibitor |
| Retinoic Acid | Sigma Aldrich | R2625 | |
| SANT-1 | Selleckchem | S7092 | |
| Sobetirome (GC1) | Sigma Aldrich | SML1900-5MG | Cell-permeable T3 analog |
| Sodium Pyruvate | Corning | 25-000-CI | |
| Sodium Selenite | Sigma Aldrich | S5261 | |
| T3 (3,3′,5-Triiodo-L-thyronine sodium salt) | Sigma Aldrich | T6397 | |
| TGF-β1 | Qkine | Qk010 | |
| TPB | Tocris | 5343 | |
| Trace Elements A | Corning | 15333641 | |
| Trace Elements B | Corning | 15343641 | |
| Trans-ISRIB | Medchem Express | HY-12495 | CEPT cocktail |
| Transferrin | InVitria | 777TRF029 | |
| Triton X-100 (nonionic surfactant) | Thermo Scientific | 11488696 | |
| TrypLE | Gibco | 11538856 | |
| Y-27632 | LC Laboratories | Y-5301 | ROCK inhibitor |
| ZM-447439 | MedChemExpress | HY-10128 | |
| ZnSO4 | Sigma Aldrich | Z0251 | |
| Antibodies | |||
| Rat anti-Human C-peptide (insulin) | DSHB | GN-ID4-s | Used at 150 ng/mL |
| Mouse anti-glucagon | Proteintech | 67286-1-Ig | 1:2000 |
| Rabbit anti-somatostatin | Millipore | AB5494 | 1:500 |
| Goat anti-rat AF488 | Invitrogen | A-11006 | 1:500 |
| Donkey anti-mouse AF488 | Invitrogen | A-21202 | 1:500 |
| Donkey anti-rabbit AF488 | Invitrogen | A-21206 | 1:500 |
Accesso limitato. Accedi o avvia una prova gratuita per visualizzare questo contenuto.
Richiedi il permesso di riutilizzare il testo o le figure di questo articolo JoVE
Richiedi permesso