Hier wordt een eenvoudig protocol gepresenteerd voor de gerichte differentiatie van hemogene endotheelcellen van menselijke pluripotente stamcellen in ongeveer 1 week.
Methodenartikel
Hier wordt een eenvoudig protocol gepresenteerd voor de gerichte differentiatie van hemogene endotheelcellen van menselijke pluripotente stamcellen in ongeveer 1 week.
Bloedvaten zijn alomtegenwoordig verdeeld in alle weefsels van het lichaam en vervullen verschillende functies. Dus, afleiding van volwassen vasculaire endotheelcellen, die bloedvatlumen bekleden, van menselijke pluripotente stamcellen is cruciaal voor een veelheid aan weefselmanipulatie- en regeneratietoepassingen. In vivo zijn primordiale endotheelcellen afgeleid van de mesodermale afstamming en worden gespecificeerd voor specifieke subtypen, waaronder arteriële, veneuze, capillaire, hemogene en lymfatische. Hemogene endotheelcellen zijn van bijzonder belang omdat ze tijdens de ontwikkeling aanleiding geven tot hematopoëtische stam- en voorlopercellen, die vervolgens alle bloedlijnen gedurende het hele leven genereren. Het creëren van een systeem om hemogene endotheelcellen in vitro te genereren, zou dus een mogelijkheid bieden om de endotheel-naar-hematopoietische overgang te bestuderen, en kan leiden tot ex vivo productie van menselijke bloedproducten en verminderde afhankelijkheid van menselijke donoren. Hoewel er verschillende protocollen bestaan voor de afleiding van voorloper- en primordiale endotheelcellen, is de generatie van goed gekarakteriseerde hemogene endotheelcellen uit menselijke stamcellen niet beschreven. Hier wordt een methode gepresenteerd voor de afleiding van hemogene endotheelcellen uit menselijke embryonale stamcellen in ongeveer 1 week: een differentiatieprotocol met primitieve streakcellen gevormd als reactie op GSK3β-remmer (CHIR99021), vervolgens mesoderm-afstammingsinductie gemedieerd door bFGF, gevolgd door primordiale endotheelcelontwikkeling bevorderd door BMP4 en VEGF-A, en ten slotte hemogene endotheelcelspecificatie geïnduceerd door retinoïnezuur. Dit protocol levert een goed gedefinieerde populatie van hemogene endotheelcellen op die kunnen worden gebruikt om hun moleculaire regulatie en endotheel-naar-hematopoietische overgang verder te begrijpen, wat het potentieel heeft om te worden toegepast op downstream therapeutische toepassingen.
Endotheelcellen (EC's) zijn een heterogene populatie van cellen die meerdere functies vervullen in het menselijk lichaam en in gemanipuleerde weefsels. Naast het ondersteunen en reguleren van andere celtypen (d.w.z. cardiomyocyten1, osteoblastische cellen2), omvatten deze functies het vormen van een selectieve barrière tussen bloed en weefsels en het helpen bij weefselvorming3. Differentiatie van volwassen EC's tijdens de normale ontwikkeling vereist diverse signaalroutes. Primordiale EC's zijn afgeleid van mesoderm-voorlopers en worden vervolgens gespecificeerd in de richting van volwassen arteriële, veneuze, capillaire en lymfatische fenotypen4. Bovendien wordt ook een kleine subset van EC's in het extra-embryonale dooierzak- en embryonale Aorta-Gonad-Mesonephros (AGM) -gebied gespecificeerd om hemogene EC's te worden, die aanleiding geven tot hematopoietische stam- en voorlopercellen (HSPC's) die migreren naar de foetale lever en het foetale beenmerg, waar ze postnataal blijven en alle bloedceltypen gedurende het hele leven genereren4. Het gevarieerde scala aan EC-fenotypen is essentieel voor alle weefselontwikkeling en -onderhoud.
ECs en hun derivaten zijn dus kritische componenten van studies gericht op het modelleren en ophelderen van mechanismen van menselijke ontwikkeling en / of ziekte, evenals regeneratieve geneeskunde en weefselmanipulatietoepassingen 5,6,7,8. De belangrijkste beperking voor dit soort studies is echter het gebrek aan beschikbaarheid van primaire menselijke EC's in de vereiste hoeveelheid. Geschat wordt dat voor de meeste therapeutische toepassingen minimaal 3 x 108 EC's nodig zouden zijn6. Om dit probleem op te lossen, is het gebruik van menselijke embryonale stamcellen (hESCs) en door de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSC's) voorgesteld vanwege hun gevarieerde afstammingspotentieel en hun vermogen om grote aantallen nakomelingen te genereren 6,9.
Inderdaad, het nut van cellen afgeleid van hESCs of hiPSC's is aangetoond in meerdere studies gericht op ziektemodellering en medicijnscreening 10,11,12. Organ-on-a-Chip (OOC) -technologie is gebruikt om de fysiologie van het menselijk lichaam getrouwer samen te vatten door cellen en weefsels te integreren in driedimensionale steigers. Bovendien kan verbinding van meerdere individuele OIC's (een zogenaamde body- of human-on-a-chip, BOC / HOC) worden bereikt via microfluïdica om kruisverwijzing tussen de organen van belang mogelijk te maken 13,14,15. Ondersteunende weefsels, zoals de vasculatuur, zijn kritieke componenten van OAG's en BOC / HOCs; het opnemen van vasculatuur maakt het transport van voedingsstoffen, zuurstof en paracriene factoren door de weefsels mogelijk, waardoor de vereiste weefselspecifieke micro-omgeving wordt bevorderd 3,12. Methoden voor het afleiden van volwassen menselijke EC's, zoals arteriële, veneuze, lymfatische en hemogene EC's, zijn dus cruciaal voor het bevorderen van deze weefselmanipulatiebenaderingen.
Er zijn meerdere protocollen gepubliceerd met gedetailleerde stappen voor de afleiding van menselijke primordiale of voorloper-EC's van hESCs of hiPSCs 5,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26 . Veel van deze protocollen zijn afhankelijk van embryoïde lichaamsvorming (EB) of co-cultuur van SER's / iPSC's met een muizentoevoerlaag van stromale cellen. Deze strategieën zijn vaak moeilijk en tijdrovend, met lage EC-opbrengsten en/of besmetting van menselijke EC's met muizencellen. Protocollen die strikt afhankelijk zijn van 2D-cultuur zonder het gebruik van stromale cellen vereisen vaak lange inducties, gebruiken complexe combinaties van groeifactoren en / of remmers voor inductie, hebben langere expansieperioden na celscheiding of een combinatie van deze factoren. De voortschrijdende kennis van signaalroutes en factoren die betrokken zijn bij de afleiding van volwassen EC-typen in vivo biedt de basis voor een eenvoudig en robuust in vitro differentiatieprotocol.
Eerder werden belangrijke rollen voor notch- en retinoïnezuur (RA) signaleringsroutes geïdentificeerd in de specificatie van respectievelijk muriene arteriële en hemogene EC's tijdens de ontwikkeling. De Notch-signaleringsroute speelt meerdere rollen bij de specificatie en het onderhoud van het arteriële EC-fenotype. Werk met behulp van het murine retinale vascularisatiemodel identificeerde een route waarin vloeistofschuifspanning een Notch-Cx37-p27-signaleringsas induceert, waardoor G1-celcyclusstilstand wordt bevorderd, wat arteriële EC-specificatie27 mogelijk maakt. Celcyclustoestanden zijn verondersteld een rol te spelen bij beslissingen over het lot van cellen door verschillende kansen te bieden waarin cellen ontvankelijk zijn voor bepaalde signalen die genexpressie en fenotypische veranderingen kunnen induceren28. Deze notch-gemedieerde G1-arrestatie maakte de expressie mogelijk van genen verrijkt in arteriële EC's, waaronder ephrinB2, Cx40, DLL4, Notch1 en Notch 4 (beoordeeld in29,30). Het is ook aangetoond dat hemogene EC-specificatie in vivo wordt bevorderd via RA-signalering 31,32. Aanvullende studies hebben aangetoond dat, stroomafwaarts van RA-signalering, expressie van c-Kit en Notch p27 upreguleren, wat hemogene specificatie in de murine dooierzak en AGM33 mogelijk maakt. Murine hemogene EC's kunnen minimaal worden geïdentificeerd door expressie van zowel endotheel (d.w.z. CD31, KDR) als hematopoëtische (d.w.z. c-Kit, CD34) markers4. Ten slotte ondergaan hemogene EC's een endotheel-naar-hematopoietische overgang (EHT) om HSPC's te vormen, die aanleiding kunnen geven tot alle bloedceltypen 4,34,35.
Recent werk testte of dezelfde signaleringshiërarchie de menselijke hemogene EC-specificatie kan bevorderen. Om dit te doen, werd een serum- en feedervrij 2D-kweekprotocol ontwikkeld om hemogene EC's af te leiden van hESCs, en deze hemogene EC's werden op eencellig niveau gekarakteriseerd als CD31 + KDR + c-Kit + CD34 + VE-Cadherin- CD45-. Deze studie maakte ook gebruik van de Fluorescent Ubiquitination Cell Cycle Indicator (FUCCI) reporter, die verschillende celcyclustoestanden identificeert, met behulp van H9-hESCs die de FUCCI-reporterconstructie uitdrukken (H9-FUCCI-hESC)36. In studies met deze cellen werd aangetoond dat RA vroege G1-celcyclusstilstand in EC's bevordert, en vroege G1-toestand maakt hemogene specificatie in vitromogelijk 37. Hierin wordt een gedetailleerd protocol verstrekt voor de differentiatie van deze menselijke hemogene endotheelcellen en testen die hun identiteit bevestigen. Deze eenvoudige methode biedt een nuttig middel om deze gespecialiseerde subset van EC's te genereren voor toekomstige studies van mechanismen van de ontwikkeling van menselijke bloedcellen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Reagentia en reagensbereiding
OPMERKING: Een lijst met reagentia is opgenomen in de tabel met materialen.
2. Celkweek en passaging van hESCs
3. Differentiatie van hESCs naar primordiale endotheelcellen
4. FACS-zuivering van primordiale endotheelcellen
5. Bepaling ter bevestiging van het fenotype van de primordiale endotheelcel
6. Differentiatie van hESCs naar hemogene endotheelcellen
OPMERKING: Differentieer de cellen tot dag 4 primordiale EC's, zoals hierboven beschreven in rubrieken 3.1-3.6.
7. FACS-isolatie van hemogene endotheelcellen
8. Kolonievormende eenheidstest
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Een schema met de specificatie van primordiale EC's en hemogene EC's uit hESCs, en een representatief beeld van cellen 24 uur na plating zijn weergegeven in figuur 1. Volgens specificatie worden primordiale EC's en hemogene EC's FACS gezuiverd op respectievelijk dag 5 en 8. Primordiale EC's worden gedefinieerd als CD31+ CD45- en hemogene EC's worden gedefinieerd als CD31+ KDR+ c-Kit+ CD34+ VE-Cadherin- CD45-
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Hierin worden de stappen beschreven voor het produceren van hemogene endotheelcellen uit menselijke embryonale stamcellen in ongeveer 1 week met behulp van een muizenvoeder- en serumvrij 2D-kweeksysteem (figuur 1). Dit protocol borduurt voort op een methode beschreven door Sriram et al. (2015) om primordiale EC's38 te verkrijgen. De primordiale aard en het specificatiepotentieel van de CD31+ CD45-EC's wordt aangetoond door deze cellen op DLL4-gecoate platen...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteur heeft niets te onthullen.
Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door NIH-subsidies HL128064 en U2EB017103. Verdere ondersteuning werd geboden door CT Innovations 15-RMB-YALE-04 subsidie.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 15 cm schalen | Corning | 430599 | voor weefselkweek behandeld |
| 35 mm schalen | Corning | 430165 | voor weefselkweek behandeld |
| 6-welplaten | Corning | 3516 | voor weefselkweek behandeld |
| Antimicrobiële reagent Merknaam: Normocin | Invitrogen | ant-nr-1 | |
| bFGF | R&D systems | 233-FB-025 | gebruik op 50 ng/mL |
| BMP4 | BioLegend | 595202 | gebruik op 25 ng/mL |
| Bovine Serum Albumine (BSA) | Fisher Scientific | BP1600-1 | |
| Cellulair losmaakmiddel Merknaam: Accutase | Stemcell Technologies | 7920 | |
| Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Sigma Aldrich | D2650-100mL | |
| Dispase | Stemcell Technologies | 7913 | |
| DLL4 | R&D systems | 1506-D4/CF | recombinant humaan; gebruik op 10 μg/mL |
| DMEM:F12 | Gibco | 11320-033 | |
| Dulbecco's Phosphate Buffered Saline (PBS) | Gibco | 14190144 | |
| Endotheelcelgroeimedium Merknaam: EGM-2 Endotheelcelgroeimedium-2 BulletKit (EGM-2) | Lonza | CC-3162 | |
| FACS-buizen | Corning | 352235 | polystyreen ronde bodem met filterdop |
| Fetaal bovien serum (FBS) | Gemini Bio | 100-106 | |
| Fibronectine | ThermoFisher Scientific | 33016015 | gebruik op 4 μg/cm2 |
| GSK3i/CHIR99021 | Stemgent | 04-0004-02 | 10 mM stock; gebruik op 5 μM |
| Hanks Balanced Salt Solution (HBSS) | Gibco | 14175-095 | |
| Zoutzuur (HCl) | Fisher Scientific | A144S-500 | |
| Matrixproteïne Merknaam: Matrigel | Corning | 356230 | Groeifactor verminderd. Raadpleeg het certificaat van analyse voor de batch om de proteïne (Matrigel) concentratie te bepalen. Deze concentratie is vereist om het volume van Matrigel dat 1 mg proteïne bevat te berekenen. |
| Methylcellulose-gebaseerd medium Merknaam: MethoCult H4435 Verrijkt | Stemcell Technologies | 4435 | |
| Pluripotente stamceldifferentiatiemedium Merknaam: STEMdiff APEL 2 | Stemcell Technologies | 5270 | |
| Pluripotente stamcellen: H1, H9, H9-FUCCI | WiCell | WA09 (H9), WA01 (H1) | menselijk; H9-FUCCI verkregen van Dr. Ludovic Vallier's lab aan Cambridge Stem Cell Institute |
| Proteïne-vrij hybridoma medium (PFMH) | Gibco | 12040077 | |
| Retinoic Acid | Sigma Aldrich | R2625-50mg | gebruik op 0,5 μM |
| Omgekeerde transcriptie master mix Merknaam: iScript Reverse Transcription Supermix | BioRad | 1708840 | |
| RNA extractiekit Merknaam: RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | |
| Natriumhydroxide (NaOH) | Fisher Scientific | SS255-1 | |
| Stamcelgroeimedium Merknaam: mTeSR1 | Stemcell Technologies | 85850 | |
| SYBR Green master mix Merknaam: iTaq Universal SYBR Green Master Mix | BioRad | 1725121 | |
| Trypsine-EDTA | Gibco | 25299956 | 0,25% |
| VEGF165 (VEGF-A) | PeproTech | 100-20 | gebruik op 50 ng/mL |
| α-CD31-FITC | BioLegend | 303104 | 2 μg/mL* |
| α-CD34-Pacific Blue | BioLegend | 343512 | 2 μg/mL* |
| α-CD45-APC/Cy7 | BioLegend | 304014 | 2 μg/mL* |
| α-c-Kit-APC | BioLegend | 313206 | 2 μg/mL* |
| α-Flk-1-PE/Cy7 | BioLegend | 359911 | 2 μg/mL* |
| α-VE-Cadherin-PE | BioLegend | 348506 | 2 μg/mL* |
| * Antilichaam fluoresceine conjugates moeten worden geoptimaliseerd op basis van de gebruikte celsorteerder. Hier worden de uiteindelijke concentraties gepresenteerd die in dit onderzoek zijn gebruikt. |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken
Toestemming aanvragen