2017年2月24日
機械的ストレスは幹細胞の軟骨分化を誘発し、損傷した軟骨の修復のための潜在的な治療アプローチを提供します。遠心重力(CG)を使用して脂肪由来幹細胞(ASC)の軟骨形成分化を誘導するプロトコルを提示します。CGによるSOX9のアップレギュレーションは、軟骨原性表現型の発症をもたらします。
この手順の全体的な目標は、欠陥のある軟骨修復のためにASCの軟骨形成分化を誘導することです。この方法は、遠心重力を使用してASCの軟骨形成前分化を誘導することです。この方法は、ASCの軟骨形成分化に関する洞察を提供することができますが、骨形成分化や線維形成分化などの他のシステムにも適用できます。
この技術の主な利点は、サイトカインを一切処理せずに幹細胞から軟骨形成分化を容易に誘導できることです。手順を実演するのは、私の研究室のYeri Alice RimとYoojun Namです。まず、100ミリリットルの培養皿から80%コンフルエントな脂肪由来幹細胞を回収し、培地を廃棄し、5ミリリットルのPBSで洗浄します。
次に、1ミリモルEDTAを含むPBS1ミリリットルを加え、5%二酸化炭素を含む加湿インキュベーターで摂氏37度で2分間インキュベートします。2分後、培養プレートを軽くたたき、4ミリリットルの新鮮な培地を加え、細胞を15ミリリットルの円錐管に移します。細胞を250 gで室温で2分間遠心分離します。
遠心分離後、ペレットを乱さずに上清を除去してください。次に、ペレットを10ミリリットルの培地に再懸濁します。血球計算盤を使用して細胞をカウントします。
遠心重力負荷の場合、新しい15ミリリットルの円錐管に5番目の細胞の2.5倍のテンを移し、2400倍のgで15分間遠心分離します。遠心分離後、ペレット培養またはマイクロマス培養に進みます。遠心分離の直後に、上清を吸引し、500マイクロリットルの軟骨分化培地(CDM)と、新たに調製したL-アスコルビン酸2-リン酸の1ミリリットルあたり50マイクログラムをペレットに吸引します。
ポジティブコントロールは、軟骨形成分化を誘導し、ミリリットルTGF-β-1あたり10ナノグラムを含むCDMを添加することにより、その細胞を収集します。チューブを緩くキャップし、5%の二酸化炭素を含む加湿インキュベーターで摂氏37度で3週間インキュベートします。重力負荷遠心分離の直後に、上清を吸引し、ペレットを10マイクロリットルのCDMに再懸濁します。
マイクロマスを形成するには、再懸濁した細胞を24ウェルプレートのウェルの中央にピペットで移し、プレートをインキュベーターに入れます。2時間後、500マイクロリットルのCDMをウェルに慎重に追加し、プレートの壁にピペッティングして、マイクロマスが乱れないようにします。ポジティブコントロールとして、1ミリリットルあたり10ナノグラムのTGF-β-1を含むCDMを添加することにより、遠心分離されていない細胞でマイクロマス培養を行います。
マイクロマスを3週間インキュベートします。マイクロマス形成後21日目に、ピペットを使用してスフェロイドペレットを回収し、1X PBSで洗浄します。スフェロイドペレットを4%パラホルムアルデヒドに24時間浸漬して固定します。
翌日、固定液を廃棄し、細胞ペレットを脱イオン水ですすいでください。ティッシュカセットにガーゼを1枚重ね、固定したスフェロイドペレットをピペットで移し替えます。ガーゼを折りたたんでペレットを覆い、カセットの蓋を閉めます。
次に、スフェロイドペレットを70%エタノールに室温で5分間浸漬して脱水します。次に、一連のエタノール濃度をそれぞれ5分間続けます。次に、ペレットを100%キシレンに15分間浸します。
スフェロイドペレットを56°Cのパラフィンに浸して包埋します。次に、パラフィン包埋細胞ペレットから回転式ミクロトームを用いて5ミクロンの厚さの切片を切り取ります。切片を50%エタノールで浮かべ、摂氏50度の水浴に移します。
フローティングセクションをスライドにマウントし、次にサフラニンoとアルシアンブルーに進み、免疫蛍光染色を行います。適切な遠心重力を決定するために、ASCを0、300、600、1、200、および2、400倍のgの遠心重力で15分間回転させた。SOX9 mRNAの発現は、CG刺激の24時間後に評価されました。
2,400倍のgのCGは、SOX9 mRNA発現を有意に誘導しました。軟骨新生関連遺伝子の発現を評価するために、刺激を受けていないASCから全RNAを抽出し、遠心分離したASCまたはTGF-β-ONで処理した。このように、CG刺激によりコラーゲン2型やアグリカンの発現が誘導されます。
CGで処理したASCにおけるコラーゲン2型コラーゲンの過剰発現は、Alexa Fluor 594標識二次抗体のコラーゲン2型に対する抗体を用いた免疫蛍光法によって確認されました。軟骨新生関連のECM過剰発現に対するCGの影響を決定するために、ASCを陽性対照としてTGF-β-oneで治療しました。陰性対照は、CGローディングまたはTGF-β-ONE処理を受けていないペレット培養物であった。
軟骨形成関連ECMの過剰発現は、遠心分離されたASCからなるスフェロイドペレットにおいて、サフラニンoおよびアルシアンブルー染色を用いて評価されました。関節軟骨の主成分であるグリコサミノグリカンは、アルシアンブルーで青色に染色されたか、サフラニンoによってオレンジ色に染色されました。14日間のマイクロマス培養後、軟骨細胞の縮合を凝集体のサイズによって評価しました。
CGで生成された各骨材のサイズは約0.5ミリメートルでした。このテクニックを習得すると、適切に実行すれば、30分で完了します。このビデオを見れば、遠心重力を使用して幹細胞の軟骨分化がどのように誘導されるかをよく理解できるはずです。
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この記事では、遠心重力(CG)を使用して脂肪由来幹細胞(ASC)の軟骨分化を誘導するためのプロトコルを紹介します。この方法は、SOX9のアップレギュレーションを促進し、軟骨表現型の発達につながる機械的ストレスの軟骨修復における可能性を強調しています。
Mechanical induction of chondrogenic differentiation offers a cytokine-free alternative for cartilage repair, reducing contamination risks and process complexity in stem cell-based therapies. This approach supports target validation by enabling functional assessment of chondrogenic potential in adipose-derived stem cells under defined biomechanical conditions. The method provides a scalable, reproducible system for early-stage de-risking of cartilage regeneration strategies.
The method fits within the discovery continuum from target validation to preclinical modeling by providing a biomechanical induction system for chondrogenesis.