このプロトコールは、ヒト多能性幹細胞を使用して血管オルガノイドを生成する方法を示します。
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方法論記事
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このプロトコールは、ヒト多能性幹細胞を使用して血管オルガノイドを生成する方法を示します。
ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)に由来する血管オルガノイドは、ヒト血管ネットワークの細胞型の多様性と複雑な構造を再現しています。この3次元(3D)モデルは、血管病理モデリングや in vitro 薬物スクリーニングに大きな可能性を秘めています。近年の進歩にもかかわらず、一貫した品質のオルガノイドを再現性よく作製するという重要な技術的課題が残っており、これはダウンストリームのアッセイやアプリケーションにとって非常に重要です。ここでは、血管オルガノイド生成の均質性と再現性の両方を改善する修正されたプロトコルを示します。修正されたプロトコルには、マイクロウェルとCEPTカクテル(クロマン1、エムリカサン、ポリアミン、および統合ストレス応答阻害剤であるtrans-ISRIB)の使用が組み込まれており、胚様体の形成と細胞生存を改善します。このプロトコールを使用して作製した分化した成熟血管オルガノイドは、ホールマウント3D免疫蛍光顕微鏡によって特徴付けられ、その形態と複雑な血管系を解析します。このプロトコルにより、高品質な血管オルガノイドをスケーラブルな方法で作製することができ、疾患モデリングや薬物スクリーニングアプリケーションでの使用が容易になる可能性があります。
オルガノイド系やTissue-on-a-chip系などのin vitro微生理学的モデルが、過去10年間で登場しました1,2,3。これらの3次元(3D)ヒト細胞由来システムは、従来の2次元(2D)細胞培養および動物モデルにおける制限(生理学的微小環境における多くの成分の欠如や種間の遺伝的差異など)に対処します。従来のモデルよりも生理学的な洞察が得られ、疾患モデリングや薬物スクリーニングに適しています。ミクロ生理学的モデルの中で、ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)に由来するオルガノイドは、天然のヒト組織の構造的特徴を効果的に再現することが証明されており、脳4,5、腎臓6、肝臓7,8、網膜9などのさまざまなヒト臓器を模倣するように開発されています.ここでは、特にヒトiPS細胞からの血管オルガノイドの作製に焦点を当て、異なるオルガノイドサンプルやバッチ間のばらつきを最小限に抑え、全体的な再現性を向上させることを目的とした合理化されたプロトコールの概要を説明します。
血管系は、すべての人間の臓器の生理学的恒常性を維持する上で重要な役割を果たします。血管系の形成には、血管新生および血管新生の過程が関与し、内皮細胞と壁細胞(例えば、周皮細胞および血管平滑筋細胞)細胞との間の相互作用を通じて調整され、さまざまな刺激によって影響を受ける10。Penninger、Wimmerらは、これら2つのプロセスを模倣した最初の血管オルガノイド生成法11,12を開発した。この方法で生成されたオルガノイドにより、彼らのグループ12と私たち13,14は、血管オルガノイドが疾患の血管機能不全をモデル化する可能性を実証しました。例えば、最近の研究13,14では、疾患を模倣する血管オルガノイドとそれに対応する野生型オルガノイドとの間で、血管の発芽や壁細胞組成の変動など、異なる表現型が観察された。これらの例は、血管オルガノイドモデルが、疾患関連の血管機能不全を模倣することにより、薬物スクリーニングのプラットフォームとして役立つ可能性があることを強調しています。
初期の血管オルガノイド生成研究11,12に基づいて、同じオルガノイド生成バッチ内でしばしば見られる変動を最小限に抑えるための重要な要素である均質な胚様体(EB)形成を促進するためのマイクロウェルの使用を含む改訂されたプロトコルが提示されます。さらに、クロマン1、エムリカサン、ポリアミン、および統合ストレス応答阻害剤(trans-ISRIB)15を組み合わせたCEPTカクテルは、EB形成過程におけるhiPS細胞および分化細胞の生存率を改善するために用いられる。この変更は、主に異なるオルガノイドサンプルとバッチ間のばらつきを減らすためのものです。この約2週間のプロトコルでは、1日目に血管形成を誘導して内皮を原始的な尿細管網に組織化させ、続いて5日目に血管新生を誘導してオルガノイドに複雑な血管網を発達させるという、均一な血管オルガノイドを作製することができます。12-15日目に、生成されたオルガノイドは、内皮細胞と壁細胞の両方で構成される成熟した血管ネットワークを示すはずです。
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図 1 は、このプロトコルに関連する手順の概要を示しています。このプロトコールで使用される試薬および材料に関する詳細な情報は、 材料の表に記載されています。特に指定がない限り、すべてのメディアは使用前に37°Cで予温することをお勧めします。すべての細胞培養材料と消耗品はオートクレーブ滅菌または滅菌済みで、細胞の取り扱いはバイオセーフティキャビネットで行う必要があります。さらに、コラーゲンI混合物のpH値は、固化の問題を避けるために、pH 7.3に慎重に調整する必要があります。
1. ヒトiPS細胞のメンテナンス
2. EB形成(0日目)
3. 血管分化(1日目 - 5日目)
4. ハイドロゲル包埋(5日目)
5. 3D 免疫蛍光染色法
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図1Aは、各ステージで使用される主要なコンポーネントを含む、このプロトコルのスキームを示しています。分化はEB形成から始まり、中胚葉誘導と血管系譜の仕様が続きました(図1B-D)。凝集体は時間の経過とともに大きくなり、球形が少なくなりました。オルガノイドは5日目から粗いエッジを示し始めました。コラーゲンI基底膜マトリックス混合物に包埋された後、血管内皮細胞と周皮細胞は発芽して成長し、7日目には早くも複雑な血管網を形成しました(図1E)。この修正法の主な目的は、異なる世代のバッチ間のばらつきを最小限に抑えることであるため、2つの独立したバッチからEBサイズを測定し、サイズ測定と統計分析の両方で、この方法の一貫性と均一性を確認しました(図1F)。
血管の分化を検証するために、オルガノ...
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記載されているプロトコールには、高品質の血管オルガノイドを均一で再現性よく生成するための2つの主要な修飾が含まれています。最初の変更は、EB均一性をより適切に制御できるようにするためのマイクロウェルプレートの使用です。血管分化の出発点として、EBのサイズは幹細胞の運命とさまざまな系統に対する分化効果を調節するため、非常に重要です。EBサイズの変動は、通常、一貫性のない構造と組織を持つ不均一なオルガノイドにつながります16,17。従来のhiPSCコロニー11,12をリフティングするEB作製法は、個々のEBの細胞数の制御を困難にし、通常、不均一なEB形成をもたらす。このプロトコルでは、hiPSCは単一細胞懸濁液に解離され、マイクロウェル16,18
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著者は、競合する金銭的利益を宣言しません。
コロンビア大学のHerbert Irving Comprehensive Cancer Centerの共焦点顕微鏡および特殊顕微鏡共有リソースからの技術サポートに感謝します。これは、NIH Center Grant(P30CA013696)を通じて一部資金提供されています。この研究は、NIH(R21NS133635、Y.-H.L.;UH3TR002151、K. W. L.)。図 1A は BioRender を使用して作成しました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2-メルカプトエタノール (1000x) | Gibco | 21985023 | |
| Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 711-546-152 | recomposition with 0.25 mL 50% glycerol, -20 °C 最長 1 年間、希釈倍率: 1:1000 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Goat IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 705-606-147 | 、0.25 mL 50%グリセロールで再構成します。 -20°Cで保存します。C 最長 1 年間、希釈倍率:1:1000 |
| B27 サプリメントからビタミン A を差し引いたもの (50x) | Gibco | 12587010 | 4 °C で解凍。C、アリコート、-20°Cで保存。C、凍結融解サイクルを避け |
| BMP4 | ProSpec | CYT-081 | 100 ng/µ の濃度で滅菌 ddH2O で再構成します。L、アリコート、-20°Cで保存。C |
| CD31抗体 | abcam | ab28364 | 希釈比:1:400 |
| 遠心分離機 | エッペンドルフ | 022626001 | |
| CHIR99021 | トクリス・バイオサイエンス | 4423/10 | DMSOで12mMで原液を作り、-20°Cで保存します。Cは最長1年間。 |
| Chroman 1 | Tocris | 7163/10 | 、100µでストックソリューションを作成します。MはDMSO付きで、-20°Cで保存します。Cは最長1年間。 |
| コラーゲンI | Corning | 40236 | |
| 共焦点顕微鏡 | Nikon | AXRMP/Ti2 | |
| Corning Elplasia プレート | Corning | 4441 | |
| Countess II FL 自動セルカウンター | Thermo Fisher | AMQAF1000 | |
| DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Gibco | 10565018 | |
| DMEM/F-12, 粉末 | Gibco | 12500062 | バイオグレードddH2Oで10倍ストック溶液を作成し、0.2µで滅菌します。mフィルター。4°Cで保管してください。 |
| Edi042A | Cedars Sinai | ||
| Emricasan | Medchemexpress LLC | HY1039610MG | DMSOを使用して1 mMでストック溶液を作成し、-20°Cで保存します。Cは最長1年間。 |
| ERG抗体 | Cell Singali Technology | 97249 | 希釈比:1:400 |
| ウシ胎児血清 - プレミアム | アトランタバイオロジカルズ | S11150 | 4°Cで解凍。C そしてアリコート、で保存 -20 °C;Cは最長5年間、または4°Cで保管します。C 最大 1 か月間 |
| FGF2 | ProSpec | CYT557 | 100 ng/µ の濃度で滅菌 ddH2O で再構成します。L、アリコート、-20°Cで保存。C |
| フルオロディッシュ細胞培養ディッシュ | ワールド精密機器 | FD35-100 | |
| Forskolin | Tocris Bioscience | 1099 | 12 mM の濃度で DMSO で再構成し、分注して -20 °C で保存します。C |
| ゲンタマイシン (50 mg/mL) | Gibco | 15710064 | |
| GlutaMAX サプリメント (100x) | Gibco | 35050061 | |
| Heparin, 100 kU | MilliporeSigma | 375095100KU | recomposition with sterile ddH2O at a concentration of 4 kU/mL |
| HEPES (1 M) | Gibco | 15630080 | |
| Incubator | Thermo Scientific | 13998123 | |
| ノックアウト血清交換用 | Gibco | 10828028 | 4°Cで解凍します。C、アリコートと-20°Cで保管。C、凍結融解サイクル |
| マトリゲル、GFR基底膜マトリックス | コーニング | 356230 | 4°Cで解凍することを避けてください。C、アリコートと-80°Cで保管。C、凍結融解サイクルを避ける |
| MEM 非必須アミノ酸溶液 (NEAA、100x) | Gibco | 11140050 | |
| Molecular Biology Grade Water | Corning | 46000CV | |
| mTeSR plus kit | STEMCELL Technologies | 1001130 | 4 °C で解凍します。C、アリコートと-20°Cで保管。C、凍結融解サイクルN2 |
| サプリメント(100x) | Gibco | 17502048 | 4°で解凍しないでください。C、アリコートと-20°Cで保管。C、凍結融解サイクルを避け |
| NaOH溶液(1 M) | Cytiva HyClone | SH31088.01 | |
| NeuroBasal medium | Gibco | 21103049 | |
| NIS-Elements, ver 5.42 | Nikon | ||
| Normal Donkey Serum | Jackson Immuno Research Labs | 17000121 | 10 mL 滅菌 ddH2O で再構成し、4 °C で保存します。C 最大 2 週間の |
| パラホルムアルデヒド、20% | 電子顕微鏡 Sciences | 15713S | PBS で希釈 |
| 、20x | Thermofisher | 28352 | |
| PDGFR&β; 抗体 | R&D | AF385 | 希釈比: 1:400 |
| ポリアミンサプリメント (1000x) | Sigma-Aldrich | P8483 | |
| Rapiclear clearing reagent, 1.49 | SUNJIN LAB | RC149001 | |
| 重炭酸ナトリウム (7.5%) | Gibco | 25080094 | |
| デオキシコール酸ナトリウム一水和物 | サーモフィッシャー | J6228822 | ddH2O で 1% (wt/v) ストック溶液に溶解 |
| TBST、20x | Thermofisher | 28360 | |
| trans-ISRIB | Tocris Bioscience | 5284/10 | DMSOで1 mMでストック溶液を作り、-20°Cで保存します。Cは最長1年間。 |
| トリチン X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
| トリパン ブルーステイン (0.4%) | サーモフィッシャー | 15250061 | |
| Tween 20 | シグマ-アルドリッチ | P7949-100ML | |
| VEGF-A | ProSpec | CYT-116 | 、100 ng/µ の濃度で滅菌 ddH2O で再構成します。L、アリコート、-20°Cで保管。ハ |
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