본 프로토콜은 에피좀형 플라스미드 전기천공법을 이용하여 일차 양수 세포로부터 통합-프리(integration-free) 이배체 인간 iPSC를 생성하는 재현 가능한 방법을 제공합니다. 본 방법은 염색체 이상을 안정화하기 위한 전달 및 배양 조건을 최적화함으로써, 후속 연구 및 임상 적용을 위한 질병 특이적 모델 구축을 위한 실용적인 플랫폼을 제공합니다.
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방법 논문
본 프로토콜은 에피좀형 플라스미드 전기천공법을 이용하여 일차 양수 세포로부터 통합-프리(integration-free) 이배체 인간 iPSC를 생성하는 재현 가능한 방법을 제공합니다. 본 방법은 염색체 이상을 안정화하기 위한 전달 및 배양 조건을 최적화함으로써, 후속 연구 및 임상 적용을 위한 질병 특이적 모델 구축을 위한 실용적인 플랫폼을 제공합니다.
특정 염색체 이배체(aneuploidy)를 보유한 양수 세포(AFCs)로부터 환자 맞춤형 유도만능줄기세포(iPSCs)를 생성하는 것은 유전 질환 모델링을 위한 강력한 플랫폼을 제공합니다. 그러나 이러한 세포의 내재적인 게놈 불안정성과 가변적인 증식 능력으로 인해, 이배체 AFCs를 위한 신뢰할 수 있고 재현 가능한 리프로그래밍 파이프라인을 구축하는 것은 여전히 기술적으로 어려운 과제로 남아 있습니다. 본 논문에서는 에피솜 플라스미드 전기천공법을 이용하여 일차 AFCs로부터 이배체 인간 iPSCs를 생성하는 포괄적인 비통합법을 제시합니다. 본 프로토콜에서는 세포 해동 및 점진적 배지 적응 전략을 통한 세포 확장을 포함하여, 최적화된 플라스미드 전달까지 전체 워크플로우를 상세히 설명합니다. ~을 통해 / ~을 경유하여 전기천공 시스템, 중간엽-상피 전이(MET) 유도 배지 교체를 통한 순차적 전기천공 후 배양, 그리고 정의된 형태학적 기준에 기반한 기계적 콜로니 피킹을 설명합니다. 또한 핵심 다능성 마커에 대한 면역형광 염색, 이배체 핵형 유지를 확인하기 위한 G-banding 핵형 분석, PCR 기반의 에피솜 벡터 제거 확인을 포함한 검증 절차를 상세히 기술합니다. 이 무피더(feeder-free), 무통합(integration-free) 프로토콜은 질환 모델링, 약물 스크리닝 및 염색체 생물학 연구에 적합한 이배체 iPSC 라인을 생성합니다.
유도 만능 줄기세포 기술의 등장은 인간 배아 줄기세포(hESCs)와 관련된 윤리적 문제 없이 환자 맞춤형 만능 세포의 생성을 가능하게 함으로써 재생 의학, 질병 모델링 및 약물 발견 분야를 변화시켰습니다. 세포 리프로그래밍의 개념적 토대는 Gurdon의 체세포 핵 이식 입증1에서 시작되었으며, 이후 배아 줄기세포의 확립2,3,4을 거쳐, 최종적으로 OCT4, SOX2, KLF4 및 c-MYC의 이소성 발현을 통한 유도 만능성 개발5 로 이어졌습니다. 이후 iPSC 기술은 인간의 발달, 유전 질환 및 정밀 의료를 연구하는 데 필수적인 플랫폼이 되었습니다. 초기 리프로그래밍 방법은 레트로바이러스 또는 렌티바이러스 벡터를 사용했으나, 통합과 관련된 위험으로 인해 임상 적용에 한계가 있었습니다. 이에 따라, 임상 적용을 위한 비통합형 리프로그래밍 방법의 개발이 우선순위가 되었습니다. 이러한 방법에는 Sendai 바이러스6 사용, 합성 mRNA7, oriP/EBNA1(Epstein-Barr nuclear antigen-1) 메커니즘 기반의 에피소말 벡터8, 그리고 저분자 화합물만을 이용한 화학적 리프로그래밍9,10,11,12이 포함됩니다.
이배체성(Aneuploidy)은 인간의 유산과 선천성 기형의 주요 원인입니다. 이배체성 관련 발달 이상에 내재된 세포 및 분자적 기전을 이해하기 위해서는 이러한 상태의 유전적 배경을 충실히 재현하는 적절한 세포 모델이 필요합니다. 양수 세포(AFCs)는 환자 맞춤형 iPSC 제작을 위한 매력적이고 효율적인 출발 물질이며13,14,15, 특히 산전 진단된 유전 질환의 경우 더욱 그러합니다16,17. 일반적인 양수 검사 중에 얻은 잔여 양수는 출생 후 추가적인 침습적 조직 생검 없이도 태아 유래 세포를 확보할 수 있게 해줍니다. 성인 체세포와 비교하여 AFCs는 일반적으로 더 높은 증식 능력, 더 긴 텔로미어, 더 낮은 누적 환경 돌연변이 부담 및 더 큰 발달 가소성을 나타내며, 이는 모두 세포 리프로그래밍을 용이하게 합니다18,19. 중요한 점은, AFCs가 발달 중인 태아의 염색체 구성을 충실히 보존하므로, 21번 삼염색체성20, 18번 삼염색체성21, 터너 증후군 및 클라인펠터 증후군22을 포함한 염색체 이상에 대한 질환 특이적 iPSC 모델을 구축하는 데 이상적인 공급원이 된다는 것입니다.
본 프로토콜은 에피솜 벡터(episomal vectors)를 사용하여 이배수성 양수 세포로부터 통합-프리(integration-free) iPSC를 생성하기 위한 종합적인 가이드를 제공합니다. 이 방법에는 세포 분리, 리프로그래밍, 클론 선택 및 특성 분석을 위한 상세한 절차가 포함되어 있습니다. 다른 통합-프리 리프로그래밍 방법과 비교했을 때, 에피솜 플라스미드 시스템은 게놈 안전성, 기술적 단순성 및 비용 효율성 사이의 실질적인 균형을 제공하여, 일반적인 실험실 사용 및 대규모 바이오뱅킹 응용 분야에 특히 적합합니다. 본 프로토콜은 기존 바이오뱅크에 보관된 냉동 AFC와 정기 산전 진단 중에 얻은 신선한 잔여 양수 샘플 모두에 적용 가능합니다. AFC에 대해 보고된 에피솜 리프로그래밍 효율은 상대적으로 낮고, 리프로그래밍 또는 장기 배양 과정에서 특히 특정 이배수성의 경우 자발적인 염색체 복구(chromosome rescue)가 발생할 수 있지만, 이 워크플로우는 질환 특이적 iPSC 바이오뱅크 구축, 염색체 생물학 및 초기 인간 발달 연구, 그리고 계통 특이적 세포 유형으로의 하위 분화 연구에 쉽게 적용될 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 질환 모델링 및 염색체 이상에 대한 기전 연구를 위해 산전 샘플로부터 임상적으로 유의미한 통합-프리 iPSC 라인을 생성하는 데 특히 적합합니다.
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인간 양수 샘플을 이용한 모든 절차는 헬싱키 선언(Declaration of Helsinki)을 준수하여 수행되었으며, 북경대학교 제3병원(Peking University Third Hospital)의 기관생명윤리위원회(IRB)/인간연구윤리위원회의 승인을 받았습니다(프로토콜 번호 M2023406). 이배체성 샘플은 인간 발달 및 생식 자원 전문 국가 인증 임상 보관소인 북경대학교 제3병원 생식의학센터 바이오뱅크에서 제공받았습니다. 이 표본들은 임상적 산전 진단을 위한 정기적 양수 검사 중 수집된 잔여 양수로, 별도의 조치가 없었다면 폐기되었을 샘플들입니다. 모든 기증자로부터 수집 전 서면 동의를 얻었으며, 여기에는 잔여 샘플의 바이오뱅크 보관 및 이후 연구 활용에 대한 명시적인 권한 부여가 포함되었습니다. 환자의 개인정보 보호를 위해 모든 샘플은 엄격하게 익명화되었습니다. 임상 G-banding 분석을 통해 확인된 이배체 핵형 샘플 중 21번 삼염색체성(다운 증후군, N = 2), 18번 삼염색체성(에드워즈 증후군, N = 1), X 단일염색체성(터너 증후군, N = 1), 클라인펠터 증후군(N = 2) 샘플을 iPSC 유도를 위해 선정하였습니다. 리프로그래밍에 사용된 이배체 세포주에 대한 상세 정보는 다음에서 요약하여 설명합니다. 표 1.
1. 바이오뱅크 보관 양수 세포의 해동 및 일차 배양
참고: 이 섹션에서는 바이오뱅크에서 이배수성 AFC를 검색 및 회수하는 표준화된 절차에 대해 상세히 설명합니다. 배양된 세포는 후속 에피솜 재프로그래밍을 위해 충분한 개체 수를 확보하도록 확장됩니다.
2. 세포 전기천공 시스템을 이용한 AFC로의 에피솜 플라스미드 전기천공
3. 전기천공 후 리프로그래밍 배양
참고: 이 섹션에서는 AFC를 iPSC로 완전히 리프로그래밍하기 위한 순차적인 배지 교체 과정을 설명합니다. 전체 일정은 전기천공법부터 콜로니 피킹까지 약 25일이 소요됩니다.
4. iPSC 콜로니의 기계적 피킹 및 확립된 iPSC 라인의 확장
참고: 아래의 형태학적 기준에 따라 실제 iPSC 콜로니를 재프로그래밍되었거나 재프로그래밍되지 않은 세포와 구별하십시오. 다음의 형태학적 특징을 바탕으로 "이상적인" 콜로니를 식별하십시오: (1) 경계 정의: 콜로니와 주변 양수 세포가 명확하게 구분되는 날카롭고 매끄러우며 원형인 가장자리를 확인하십시오. (2) 세포 밀도: 콜로니 내의 세포가 작고 조밀하게 배열되어 있으며, 뚜렷한 인을 가진 높은 핵-세포질 비율을 가지는지 확인하십시오. (3) 굴절률: 고품질의 콜로니는 위상차 현미경 하에서 밝고 굴절률이 높게 보입니다. (4) 평탄도: 콜로니는 3차원적인 "덩어리" 형태가 아니라 평평한 2차원 시트 형태로 성장해야 합니다. 부분적으로 재프로그래밍된 콜로니는 종종 실제 iPSC 콜로니보다 더 빨리 나타나며, 더 크고 두껍고 3차원적인 경향이 있습니다. 이러한 콜로니들은 피킹 및 계대 배양 시 자발적으로 분화합니다. "공포", 들쭉날쭉한 가장자리 또는 중앙 분화 징후가 보이는 콜로니는 피킹하지 마십시오.
5. 이배체 iPSC 라인의 특성 분석
참고: 다능성, 핵형 무결성 및 에피솜 벡터 제거를 확인하기 위해 구축된 iPSC 라인(계대 10회 이상)에 대해 다음의 검증 분석을 수행하십시오.
6. 단일 세포 클론 유도 및 검증
참고: 각 iPSC 라인이 단일 세포에서 유래했는지 확인하기 위해 2단계 클론 검증 과정이 권장됩니다. 기계적 피킹 및 증식 후, 핵형 확인을 거쳐 2차 단일 세포 클론 시딩을 수행하는 것이 권장됩니다. 각 iPSC 라인이 단일 세포로부터 유래했음을 검증하는 것은 iPSC 생성의 필수 요구 사항입니다. 이를 통해 부모의 체세포 모자이시즘을 제거하고, 진단적 이배체 시그니처가 전체 집단에서 균일함을 확인할 수 있습니다.
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리프로그래밍 중의 형태학적 진행 과정
일차 양수 세포는 E형 및 F형 세포를 포함하여 이질적인 형태를 나타냈습니다(그림 1A). 리프로그래밍을 위해서는 F형 세포를 증식시켜 사용해야 합니다. Epi5 에피소말 플라스미드를 AFC에 전기천공한 후, 특유의 형태학적 변화 과정이 관찰됩니다. 0일 차에 AFC는 전형적인 방추형의 섬유아세포 유사 형태를 보입니다. 3~5일 차가 되면 리프로그래밍의 첫 번째 형태학적 증거가 나타납니다. 중간엽 세포 집단 내에 상피 유사 세포의 작은 클러스터가 출현하며, 이는 MET의 시작을 의미합니다. 이러한 전이 세포들은 주변의 중간엽 세포보다 크기가 더 작고 조밀합니다. 7~10일 차 사이에는 세포 클러스터의 응집도가 증가하며, 이는 전형적인 상피 형태로의 전환을 반영합니다. 완전히 리프로그래밍된 iPSC 콜로니는 14~16일 차 사이에 나타나기 시작합니다. 21~25일 차가 되면 성숙한 iPSC ...
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본 프로토콜은 에피솜 플라스미드 전달 방식을 이용하여 양수 세포로부터 비통합형, 무피더(feeder-free) 방식으로 이배체성(aneuploid) 인간 유도만능줄기세포(iPSCs)를 생성하는 방법을 설명합니다. ~을 통해 / ~을 경유하여 전기천공법. 리프로그래밍의 성공 여부는 몇 가지 결정적인 단계에 의해 결정됩니다. 우선, 시작 단계의 AFC 집단의 품질이 무엇보다 중요합니다. 임상 세포유전학 실험실에서 AFC는 일반적으로 다음과 같은 목적의 배지에서 증식시킵니다. 장기 배양보다는 산전 핵형 분석을 위해 세포 증식을 가속화하는 방식이 사용됩니다. 이러한 방식이 이후의 iPSC 생성 효율에 미치는 영향은 아직 완전히 밝혀지지 않았습니다. 따라서 시료 준비 과정에서 배지 조성을 고려해야 하며, 전기천공법(electroporation) 전 최적의 세포 품질을 확보하기 위해 해동 후 계代(passage) 수가 낮고 증식력이 높은 양수 세포(AFC) 집단을 농축해야 합니다. 둘째, 세포 생존력을 유지하면서 ...
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저자들은 상충하는 재정적 이해관계가 없음을 선언합니다. 그림 7A의 도식적 일러스트레이션은 AI 보조 도구를 사용하여 생성되었으며, 이후 저자들에 의해 검토 및 수정되었습니다.
본 연구는 중국 국가핵심연구개발계획(Grant No. 2022YFA0913300)과 베이징 대학 제3병원 임상 핵심 프로젝트(Grant No. BYSY2022054, Jianying Guo 지원)의 지원을 받아 수행되었습니다.
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| 0.25% Trypsin-EDTA | Thermo Fisher (Gibco) | 25200056 | AFC 계대 배양을 위한 세포 해리 |
| 100bp Plus II DNA Ladder | TransGen Biotech | BM321-01 | DNA Ladder |
| -80 °C 냉동고 | Thermo Fisher | FDE60086fv | 플라스미드 DNA 및 시료의 장기 보관 |
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| 아가로스 | Sigma-Aldrich | A9539 | PCR 생성물 전기영동용 (2%) |
| AmnioType-1 배지 | VivaCell BIOSCIENCES | C3620-0100 | 일차 AFC 배양 배지 |
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