ここでは、ヒト人工多能性幹細胞から分化した遺伝的に一致する上皮細胞と血管内皮細胞を統合することにより、腎臓糸球体濾過バリアの構造と機能を要約するパーソナライズされた臓器チップシステムを設計するためのプロトコルを紹介します。このバイオエンジニアリングシステムは、腎臓精密医療および関連アプリケーションを進歩させることができます。
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ここでは、ヒト人工多能性幹細胞から分化した遺伝的に一致する上皮細胞と血管内皮細胞を統合することにより、腎臓糸球体濾過バリアの構造と機能を要約するパーソナライズされた臓器チップシステムを設計するためのプロトコルを紹介します。このバイオエンジニアリングシステムは、腎臓精密医療および関連アプリケーションを進歩させることができます。
慢性腎臓病(CKD)は米国の成人人口の15%に影響を及ぼしますが、ヒトの生物学的反応と腎毒性を正確に予測できる機能モデルがないため、標的療法の確立は制限されてきました。腎臓精密医療の進歩は、これらの制限を克服するのに役立つ可能性があります。しかし、以前に確立されたヒト腎臓糸球体の in vitro モデル(血液濾過の主要な部位であり、多くの疾患や薬物毒性の主要な標的)は、通常、限られた機能的特徴と比類のない遺伝的背景を持つ不均一な細胞集団を採用しています。これらの特性は、患者固有の疾患モデリングおよび治療法の発見への適用を大幅に制限します。
この論文では、ヒト人工多能性幹(iPS)細胞由来糸球体上皮(足細胞)と単一の患者の血管内皮を統合して、同質遺伝子および血管化マイクロ流体腎臓糸球体チップを設計するプロトコルを提示します。得られた糸球体チップは、幹細胞由来の内皮細胞層と上皮細胞層で構成されており、系統特異的マーカーを発現し、基底膜タンパク質を産生し、腎臓の糸球体濾過バリアに似た組織-組織界面を形成します。操作された糸球体チップは、分子を選択的にろ過し、薬物誘発性腎障害を再現します。同質遺伝子細胞型を使用して腎臓糸球体の構造と機能を再構成する能力は、患者の特異性で腎臓病をモデル化し、腎臓精密医療および関連アプリケーションのための臓器オンチップの有用性を促進する機会を生み出します。
Organ-on-a-chipデバイスは、分子刺激と機械的刺激、血管新生を使用して、特定の臓器の構造と機能をモデル化する組織-組織界面を形成する動的な3Din vitroモデルです。腎臓糸球体(糸球体チップ)を再現することを目的とした以前に確立された臓器チップデバイスは、動物細胞株1または不均一な供給源のヒト初代および不死化細胞株で構成されていました2,3。遺伝的に不均一な細胞源の使用は、患者特異的反応および疾患の遺伝学またはメカニズムの研究を著しく制限する変動を提示する4,5。この課題に対処するには、in vitroモデル2,3,6を設計するためのより正確な微小環境を提供するために、保存された分子および遺伝的プロファイルを持つ特定の個人に由来する同質遺伝子細胞株の利用可能性にかかっています。ヒトiPS細胞培養の進歩により、ヒト由来の同質遺伝子細胞株を容易に作製できるようになりました。ヒトiPS細胞は通常、非侵襲的に供給され、無期限に自己複製でき、ほぼすべての細胞型に分化できるため、糸球体チップ7,8などのin vitroモデルを確立するための魅力的な細胞源として機能します。糸球体濾過バリアは、血液濾過の主要な部位である。血液は、最初に血管内皮、糸球体基底膜、そして最後にポドサイトと呼ばれる特殊な上皮を通してろ過されます。ろ過バリアの3つのコンポーネントすべてが、分子の選択的ろ過に貢献します。ここでは、単一のヒトiPS細胞源から血管内皮および糸球体上皮とインターフェースする臓器チップデバイスを確立するためのプロトコルを紹介します。このプロトコルは、糸球体濾過バリアを再現するために同質遺伝子および血管化チップを設計するのに特に役立ちますが、同質遺伝子の「ボディオンチップ」システムなどの他のタイプのパーソナライズされた臓器オンチップおよび多臓器プラットフォームを開発するための青写真も提供します。
本明細書に記載されるプロトコルは、ヒトiPS細胞を2つの別々の系統(外側中胚葉細胞および中胚葉細胞)に分岐させることから始まり、その後、それぞれ血管内皮および糸球体上皮に分化する。側方中胚葉細胞を作製するために、ヒトiPS細胞を基底膜マトリックス1コートプレートに播種し、WntアクチベーターCHIR 99021および強力な中胚葉誘導剤である骨形成4(BMP4)を添加したN2B27培地中で3日間(培地交換なしで)培養した。得られた外側中胚葉細胞は、ブラキュリー(T)、ミックスペア様ホメオボックス(MIXL)、およびエオメソデルミン(EOMES)9の発現によって以前に特徴付けられました。続いて、VEGF165およびフォルスコリンを添加した培地で外側中胚葉細胞を4日間培養し、磁気活性化細胞選別(MACS)を用いてVE-カドヘリンおよび/またはPECAM-1発現に基づいて選別された血管内皮細胞を誘導した。得られた血管内皮細胞(viEC)を、マイクロ流体デバイスに播種する準備ができるまで基底膜マトリックス3コートフラスコ上で培養して増殖させた。
中胚葉細胞を作製するために、基底膜マトリックス2コートプレート上にヒトiPS細胞を播種し、アクチビンAおよびCHIR99021を含む培地で2日間培養した。得られた中胚葉細胞は、先に述べたようにHAND1、グースコイド、および腕管(T)の発現によって特徴付けられた2、10、11。中間中胚葉(IM)細胞分化を誘導するために、中胚葉細胞をBMP-7およびCHIR99021を添加した培地中で14日間培養した。得られたIM細胞は、ウィルム腫瘍1(WT1)、ペアボックス遺伝子2(PAX2)、および奇数スキップ関連タンパク質1(OSR-1)2,10,11を発現する。
2チャンネルポリジメチルシロキサン(PDMS)ベースのマイクロ流体チップは、糸球体濾過バリアの構造をin vitroで再現するために設計されました。尿路は1,000 μm x 1,000 μm(幅 x 高さ)で、毛細血管チャネルの寸法は1,000 μm x 200 μm(幅 x 高さ)です。周期的な延伸および緩和サイクルは、流体チャネルの両側に存在する中空チャンバーによって促進された。細胞は、尿路と毛細血管チャネルを分離する柔軟なPDMS膜(厚さ50μm)に播種されました。メンブレンは、細胞間シグナル伝達を促進するために六角形の細孔(直径7 μm、間隔40 μm)を備えています(図1A)2,12。IM誘導が完了する2日前に、マイクロ流体チップを基底膜マトリックス2でコーティングした。IM誘導が完了する1日前に、内皮維持培地を用いてマイクロ流体チップのキャピラリーチャネルにviECを播種し、チップを逆さまにして、ECMコーティングPDMS膜の基底側に細胞接着を可能にしました。IM誘導が完了した日に、BMP7、アクチビンA、CHIR99021、VEGF165、およびすべてのトランスレチノイン酸を添加した培地を使用して、細胞をマイクロ流体チップの尿路に播種し、チップ内でポドサイト分化を誘導しました。翌日、培地リザーバーにポドサイト誘導培地と内皮維持培地を充填し、0.4Hzで10%の機械的ひずみと流体の流れ(60 μL/h)をチップに加えました。
細胞化マイクロ流体チップを、ポドサイト誘導培地(尿路内)および内皮維持培地(血管チャネル内)を用いてさらに5日間培養した。得られた腎糸球体チップを、足細胞および内皮細胞の両方について維持培地中でさらに最大7日間培養した。分化したポドサイトは、ポドシンおよびネフリンを含む系統特異的タンパク質を正に発現し13,14、一方、viECは、糸球体濾過バリアの完全性を維持するために必須の分子である系統識別タンパク質PECAM-1およびVE-Cadherinを陽性発現した15,16。.ポドサイトとviECはどちらも、最も豊富な糸球体基底膜タンパク質であるコラーゲンIVを分泌することがわかり、これは組織の成熟と機能にも重要です。
糸球体チップの濾過バリアの3成分系(内皮、基底膜、上皮)は、分子を選択的に濾過し、化学療法、腎毒性薬物治療に反応することがわかりました。薬物治療の結果は、糸球体チップが腎毒性試験および疾患モデリングに使用できることを示した。このプロトコルは、同質遺伝子iPS細胞誘導体から機能的なマイクロ流体腎臓糸球体チップを設計するための一般的なガイドラインを提供します。設計されたチップの下流分析は、研究者が望むように実行できます。薬物誘発性糸球体損傷をモデル化するための糸球体チップの使用の詳細については、以前の出版物2,12を参照してください。
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1. 基底膜マトリックス溶液とコーティング基板の調製
2. ヒトiPS細胞培養
注:このプロトコルで使用されているDU11ラインはテストされ、マイコプラズマおよび核型の異常がないことがわかりました。
3. 0〜16日目:ヒトiPS細胞の中間中胚葉細胞への分化
4. 0〜15日目:ヒトiPS細胞の血管内皮細胞への分化と増殖
5. 14日目:細胞培養用マイクロ流体臓器チップデバイスの作製
6. viECおよび中間中胚葉細胞のマイクロ流体デバイスへの播種
7. 17〜21日目以降:足細胞誘導とチップメンテナンス
8. 機能アッセイと免疫蛍光イメージング
注:フローサイトメトリー解析、チップ流出液のELISA、およびmRNAの分離の詳細については、 補足ファイル1 を参照してください。
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ここでは、糸球体の機能的な3Din vitroモデルが、ヒトiPS細胞の同質遺伝子源から血管新生および上皮化できることを示しています。具体的には、ヒトiPS細胞技術、特に特殊な細胞型への分化能力を適用して、マイクロ流体デバイスと統合して患者固有のレベルでヒト腎臓の構造と機能をモデル化できる腎糸球体上皮(ポドサイト)と血管内皮(viEC)を生成する方法に関する指示を提供します。このプロトコルとタイムラインの概略概要(図1A)では、有糸分裂活性ヒトiPS細胞を培養し(図1B)、それらを(並行して)中胚葉および側胚葉細胞系譜に分化させる方法について説明しています(図1C、D)。得られた中胚葉細胞はブラキュリー(T)を発現し、一方外側中胚葉細胞はブラキュリ(T)、MIXL、およびEOMES 2,9,10,11
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本報告では、同質遺伝子ヒトiPS細胞株から血管内皮および糸球体上皮(ポドサイト)を誘導するためのプロトコルと、これらの細胞を使用して、腎臓糸球体の構造、組織-組織界面、および分子ろ過機能を模倣する3D臓器チップシステムを設計する方法について概説します。この糸球体チップには内皮と糸球体上皮が装備されており、これらが一緒になって分子を選択的にろ過するためのバリアを提供します。
このプロトコルの適応に関心のある研究者は、次の考慮事項を行う必要があります:まず、使用されている幹細胞株の固有の成長特性に応じて、細胞播種の最適化が必要になる場合があります。細胞播種密度は、ヒトiPS細胞の増殖速度の固有の違いにより変化する可能性があります。研究者は、プロトコルによって提案された中胚葉の播種密度から始めて、必要に応じて調整することをお勧めします。同様に、側方中胚葉分化は、viEC収量と50%以上の選別効率を達成するために必要に応じて調整する前に、提案された細胞播種密度から始めることが推奨されます。選別後に十分な細胞が分化しない場合は、TGF-Beta阻害剤(SB431542)を使用して静止を防ぎ...
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S.M.は、ヒトiPS細胞からのポドサイト分化に関する特許の発明者です。他の著者は開示するものは何もありません。
この研究は、デューク大学のプラット工学部、デューク医学部の腎臓科、生物医学研究におけるホワイトヘッド奨学金、およびS.ムサのジェネンテック研究賞によってサポートされました。Y.ロイは、デューク大学-アルフレッドP.スローン財団奨学金とデューク大学の生物医学工学科のウィリアムM.「モンティ」ライカート大学院フェローシップの受領者です。DU11(デューク大学のクローン#11)iPS細胞株は、デューク大学のiPSコア施設で生成され、デューク大学のBursac Labから提供されました。著者らは、N. Abutaleb、J. Holmes、R. Bhattacharya、Y. Zhouの技術支援と有益な議論に感謝する。著者はまた、原稿に関する有益なコメントをしてくれたMusahラボのメンバーに感謝したいと思います。著者らは、Acuri C6フローサイトメーターを贈ってくれたSeguraラボに感謝しています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 抗体 | |||
| Alexa Fluor 488およびAlexa Fluor 594標識二次抗体 | Thermo/Life Technologies | A32744;A32754;A-11076;A32790;A21203;A11015 | |
| コラーゲンIV | サーモ/ライフテクノロジー | 14-9871-82 | |
| フリン | プロゲン | GP-N2 | |
| PECAM-1 | R&D Systems | AF806 | |
| Podocin | Abcam | ab50339 | |
| VE-Cadherin | Santa Cruz | sc-9989 | |
| Basement membrane matrixs | |||
| Corning Fibronectin, Human | Corning | 356008 | Basement membrane (3) |
| iMatrix-511 Laminin-E8 (LM-E8) fragment | Iwai North America | N8922012 | 基底膜マトリックス (2) |
| マトリゲルhESC適格マトリックス、5mLバイアル | BD Biosciences | 354277 | 基底膜マトリックス (1);ロット間変動を示す可能性があります |
| Cells | |||
| DU11ヒトiPS細胞 | DU11 (Duke University clone#11) iPS細胞株は、デューク大学のiPS細胞コア施設で作製され、デューク大学のBursac研究室から提供されました。このラインは試験済みで、マイコプラズマ(最終試験は2021年11月)および核型異常(2019年7月)がないことが確認 | ||
| 培養培地成長因子および培地サプリメント | |||
| 0.5M EDTA、pH 8.0 | Invitrogen | 15575020 | |
| 2-Mercaptoethanol | Thermo/Life Technologies | 21985023 | |
| 牛血清由来アルブミン、テキサスレッドコンジュゲート | サーモ/ライフ テクノロジー | ズ A23017 | |
| オールトランス レチノイン酸 (500 mg) | 幹細胞テクノロジー | ズ 72262 | |
| B27 無血清サプリメント | サーモ/ライフ テクノロジー | ズ 17504044 | |
| B-27 サプリメント (50x) ビタミン A なし | サーモ/ライフ テクノロジー | 12587010 | |
| ウシ血清アルブ | ミン シグマ-アルドリッチ | A9418 | |
| CHIR99021 | Stemgent | 04-0004 | ロット間のばらつきを示す場合があります |
| CultureBoost-R | Cell Systems | 4Z0-500-R | Podocyte メンテナンス培地 |
| DMEM/F12 | Thermo/Life Technologies | 12634028 | |
| DMEM/F12 with GlutaMAX supplement | Thermo/Life Technologies | 10565042 | DMEM/F12 with glutamine |
| フォルスコリン(アデニリルシクラーゼ活性化剤) | アブカム | ab120058 | |
| GlutaMAXサプリメント | サーモ/ライフテクノロジー | 35050061グルタミンサプリメント | |
| 熱不活性化FBS | サーモ/ライフテクノロジー | ズ | |
| ヘパリン溶液 | 幹細胞テクノロジー | 7980 | |
| ヒューマンアクチビンA | サーモ/ライフテクノロジー | ズ PHC9544 | |
| ヒト BMP4 | Preprotech | 120-05ET | |
| ヒト BMP7 | サーモ/ライフ テクノロジー | ズ PHC9544 | |
| ヒト VEGF | サーモ/ライフ テクノロジー | ズ PHC9394 | |
| イヌリン-FITC | シグマ-アルドリッチ | F3272 | |
| mTeSR1 中型 | 幹細胞テクノロジー | 05850 | ヒトiPS細胞培養培地(CCM)。メーカーに応じて5倍のサプリメントを追加します。ヒトiPS細胞CCMは、-20°Cで最大6ヶ月間保存できます。 |
| N-2サプリメント (100x) | Thermo/Life Technologies | 17502048 | |
| Neurobasal 培地 | Thermo/Life Technologies | 21103049 | 外側中胚葉基礎培地 |
| PBS (リン酸緩衝生理食塩水) | Thermo/Life Technologies | 14190-250 | |
| ペニシリン-ストレプトマイシン、液体 (100x) | Thermo/Life Technologies | 15140-163 | |
| ROCK阻害剤(Y27632) | Tocris | 1254 | |
| StemPro-34 SFM | Thermo/Life Technologies | 10639011 | 内皮細胞培養培地(CCM)。メーカーに応じてサプリメントを追加します。内皮CCMは、4°Cで最大2週間保存できます。C または -20 °Cは最長6ヶ月間。 |
| TGF-Beta inhibitor (SB431542) | Stem Cell Technologies | 72234 | |
| Enzymes and other reagents | |||
| Accutase | Thermo/Life Technologies | A1110501 | Cell detachment buffer |
| Dimethyl Suloxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D2438 | |
| エタノール溶液、70% (vol/vol)、バイオテクノロジーグレード | VWR | 97065-058 | |
| パラホルムアルデヒド (PFA) | サーモ/ライフ テクノロジー | ズ 28906 | |
| 滅菌蒸留水 | サーモ/ライフ テクノロジー | ズ 15230162 | |
| トリトン X-100 | VWR | 97062-208 | |
| <ストロング>機器 | |||
| トリプシン EDTA、0.05% | サーモ/ライフ テクノロジー | ズ25300-120 | |
| (Orb) ハブモジュール | エミュレート | ORB-HM1 | |
| 100mm x 15 mm 丸型ペトリ皿 | フィッシャーブランド | FB087579B | |
| 120 x 120 mm 角 細胞培養皿 | VWR | 688161 | |
| Accuri C6 | BD Biosciences | ||
| 吸引ピペット、個別包装 | コーニング | 29442-462 | |
| 吸引ユニット | SP Bel-Art | F19917-0150 | |
| Avanti J-15R 遠心分離機 | ベックマン・コールター | B99516 | |
| 円錐形遠心分離管、15 mL | コーニング | 352097 | |
| 円錐形遠心分離管、50 mL | コーニング | 352098 | |
| EVOS M7000 | Thermo/Life Technologies | AMF7000 | 固定および染色された蛍光顕微鏡の画像を撮影細胞。 |
| 血球計算盤 | VWR | 100503-092 | |
| Heracell VIOS 160i CO2 インキュベーター | Thermo/Life Technologies | 51030403 | |
| Inverted Zeiss Axio Observer equipped with AxioCam 503 camera | Carl Zeiss Micrscopy | 491916-0001-000(microscope) ; 426558-0000-000(camera) | |
| Kimberly-Clark ニトリル手袋 | VWR | 40101-346 | |
| Kimwipes, large | VWR | 21905-049 | |
| Leoca SP8 直立共焦点顕微鏡 | |||
| メディアリザーバー (POD ポータブルモジュール) | エミュレート | POD-1 | |
| マイクロプレートシェイカー | VWR | 12620-926 | |
| オルガンチップ | ミュレート | S-1 チップ | |
| オルガンチップホルダー | ミュレート | AK-CCR | |
| P10精密バリアピペットチップ | デンビルサイエンティフィック | P1096-FR | |
| P100バリアピペットチップ | デンビルサイエンティフィック | P1125 | |
| P1000バリアピペットチップ | デンビルサイエンティフィック | P1121 | |
| P20バリアピペットチップ | デンビルサイエンティフィック | P1122 | |
| P200バリアピペットチップ | デンビルサイエンティフィック | P1122 | |
| プラズマアッシャー | クォーラムテック | K1050X RF | このプラズマエッチャー/アッシャー/クリーナーは、デューク大学のShared Materials Instrumentation Facility(SMiF)の一部として使用されました。 |
| 細胞ストレーナースナップキャップ付き丸底ポリスチレン試験管 | Corning | 352235 | |
| Serological ピペット、10 mL、個別に包まれている | Corning | 356551 | |
| Serological pipette、25 mL、個別に包まれている | Corning | 356525 | |
| Serological pipette、5 mL、個別に包まれている | Corning | 356543 | |
| Steriflip、0.22 µm, PES | EMD ミリポア | SCGP00525 | |
| 滅菌マイクロ遠心チューブ | トーマス・サイエンティフィック | 1138W14 | |
| T75cm2 ベントキャップ付き細胞培養フラスコ | コーニング | 430641U | |
| 組織培養処理済み12ウェルプレート | コーニング | 353043 | |
| 組織培養処理済み6ウェルプレート | コーニング | 353046 | |
| 真空変調器とパースタルティックポンプ(Zoe Culture Module) | エミュレート | ZOE-CM1 | チップバイオリ |
| アクターVE-Cadherin CD144抗ヒト抗体-APC結合ミル | テニバイオテック | 130-126-010 | |
| ベベルセルリフター | コーニング | 3008 | |
| MACS | |||
| CD144マイクロビーズ、ヒト | Miltenyi Biotec | 130-097-857 | |
| CD31 MicroBead Kit、人間 | Miltenyi Biotec | 130-091-935 | |
| LSカラム | Miltenyi Biotec | 130-042-401 |
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