1. Hodowla komórek
- Komórki hESC H1 (WiCell) hodowano w studzienkach powlekanych Matrigelem kwalifikowanym dla hESC w pożywce mTeSR1, z codzienną wymianą pożywki. Studzienki powlekano rozcieńczonym roztworem Matrigelu, przygotowanym poprzez dodanie 300 μl Matrigelu dla hESC do 25 ml DMEM:F12. Do każdej studzienki płytki 6-studzienkowej dodawano 1 ml tego roztworu Matrigelu, lub 400 μl do każdej studzienki płytki 12-studzienkowej, po czym pozostawiano do powlekania przez 1 godzinę w temperaturze pokojowej. Komórki pasażowano mechanicznie w stosunku rozdzielenia 1:4 poprzez zeskrobywanie kolonii, gdy osiągnęły średnicę od 1 do 1,5 mm.
- Komórki RHMVEC (VEC technologies) hodowano w pożywce MCDB-131 z wymianą pożywki co drugi dzień. Komórki rozdzielano poprzez trypsynizację w stosunku 1:3 po osiągnięciu 80% konfluencji. Do niniejszego badania wykorzystano komórki śródbłonka z pasażów od 3 do 7.
2. Przygotowanie roztworów zapasowych
- Aktywina A została zrekonstytuowana w stężeniu 50 μg/mL w sterylnym PBS zawierającym 0,1% albuminy surowicy bydlęcej. Roztwór podzielono na aliquoty i przechowywano w temperaturze -20 °C.
- EGF został zrekonstytuowany w stężeniu 500 μg/mL w sterylnym 10 mM kwasie octowym. Roztwór podzielono na aliquoty i przechowywano w temperaturze -20 °C.
- Insulinę zrekonstytuowano w stężeniu 10 mg/ml poprzez dodanie zakwaszonej wody H2O (pH ≤2), przygotowanej przez dodanie 0,1 ml lodowatego kwasu octowego do 10 ml wody.
- DAPT zrekonstytuowano w DMSO w stężeniu 18 mg/ml. Następnie rozcieńczono go do stężenia 300 μM w DMEM:F12, podzielono na aliquoty i przechowywano w temperaturze -20 °C.
- KAAD-cyklopamina została zrekonstytuowana w DMSO w stężeniu 5mg/ml. Następnie rozcieńczono ją do stężenia 2 μM w DMEM:F12, podzielono na aliquoty i przechowywano w temperaturze -20 °C.
- Kwas retinowy all-trans zrekonstytuowano w stężeniu 2,7 mg/ml w 95% etanolu. Następnie rozcieńczono go do stężenia 2mM w DMEM:F12, podzielono na aliquoty i przechowywano w temperaturze -80 °C.
3. Indukcja ostatecznej endodermy (DE) i progenitorów trzustki (PP)
- Gdy kolonie hESC osiągnęły średnicę od 1 do 1,5 mm, przeprowadzono indukcję DE poprzez dodanie DMEM:F12 uzupełnionego o B27, 0,2% BSA, 100 ng/ml aktywiny A i 1 μM wortmanniny na 4 dni (Dzień 0-Dzień 4), przy codziennej wymianie pożywki.
- Po zakończeniu indukcji DE zaindukowano różnicowanie w kierunku progenitorów trzustki, zmieniając pożywkę na DMEM:F12 uzupełnioną o B27, 0,2% BSA oraz KAAD-cyklopaminę w stężeniu 0,2 μM na 24 godziny (Dzień 4-Dzień 5).
- Po 24 godzinach pożywkę zmieniono na DMEM:F12 uzupełnioną o B27, 0,2% BSA, KAAD-cyklopaminę w stężeniu 0,2 μM oraz all-trans kwas retinowy w stężeniu 2 μM na 3 dni, przy codziennej wymianie pożywki (Dzień 5-Dzień 8).
4. Dojrzewanie trzustki
- Po indukcji PP wszystkie grupy przeniesiono do pożywki dojrzewania składającej się z DMEM:F12 uzupełnionego o B27, 0,2% BSA, 10 mM nikotynamidu, 25 μg/ml insuliny, 30 nM Na2SeO3 oraz 50 μg/ml transferryny na 2 dni, z codzienną wymianą pożywki (Dzień 8-Dzień 10).
- Po 2 dniach w pożywce dojrzewania, końcowy etap dojrzewania jest przeprowadzany równolegle w kilku różnych warunkach w celu porównania. Różnicowanie indukowano w następujących warunkach: (i) przy użyciu inhibitora notch DAPT (ii) przy użyciu wyłącznie pożywki do kokultury, bez komórek śródbłonka jako kontroli oraz (iii) przy użyciu kokultury kontaktowej z komórkami RHMVEC. Komórki utrzymywano w pożywce z DAPT lub pożywce do kokultury przez tydzień (Dzień 10-Dzień 17) z codzienną wymianą pożywki.
- Pożywka z DAPT została przygotowana poprzez uzupełnienie pożywki dojrzewania o 30 μM DAPT. Komórki w tych grupach były najpierw eksponowane na pełną pożywkę MCDB131 przez 24 godziny, a następnie na pożywkę z DAPT przez 6 dni (Dzień 11-Dzień 17).
- Pożywka do kokultury została przygotowana poprzez uzupełnienie pożywki MCDB-131 o B27, 0,2% BSA, 10 mM nikotynamidu, 10 ng/ml EGF, 1 μg/ml hydrokortyzonu, 10 mg EndoGro, 90 μg/ml heparyny. W warunkach kontroli pożywki różnicujące się komórki eksponowano na pełną pożywkę MCDB-131 przez 24 godziny (Dzień 10-Dzień 11), po czym pożywkę zmieniono na pożywkę do kokultury na 6 dni (Dzień 11-Dzień 17) (bez komórek śródbłonka).
- W przypadku kokultury kontaktowej jeden milion komórek RHMVEC dodano do różnicujących się komórek w pełnej pożywce MCDB-131 (VEC technologies) na 24 godziny (Dzień 10-Dzień 11), aby umożliwić ich przytwierdzenie. Po 24 godzinach pożywkę zmieniono na pożywkę do kokultury na 6 dni (Dzień 11-Dzień 17) z codzienną wymianą pożywki.
5. Analiza qRT-PCR
- Pod koniec każdego etapu różnicowania (endodermy, progenitora trzustki, dojrzałej wysepki) przeprowadzono lizę komórek i wyekstrahowano RNA za pomocą zestawu do ekstrakcji NucleoSpin RNA II zgodnie z instrukcjami producenta.
- Jakość RNA analizowano poprzez pomiar absorbancji RNA przy 260 nm i 280 nm, a następnie przeprowadzono kwantyfikację RNA przy użyciu spektrofotometru SmartSpec Plus.
- Transkrypcję odwrotną przeprowadzono za pomocą zestawu do transkrypcji odwrotnej ImProm II zgodnie z instrukcjami producenta. Wszystkie reakcje przeprowadzono z użyciem 100 ng RNA.
- Reakcję qRT-PCR przeprowadzono przy użyciu systemu Mx3005P QPCR (Agilent) oraz mieszaniny Brilliant II SYBR Green QPCR master mix zgodnie z instrukcjami producenta. Użyte primery wymieniono w tabeli 1. Etap inicjalizacji przeprowadzono w temperaturze 50 °C przez 2 minuty, a następnie w 95 °C przez 10 minut. Przeprowadzono 50 cykli amplifikacji według następującego schematu: 95 °C przez 30 sekund, 54 °C przez 30 sekund i 72 °C przez 1 minutę.
- Krotność zmiany ekspresji docelowego mRNA względem komórek nieróżnicujących się obliczono z wartości CT, korzystając z następujących wzorów:
ΔCT(Markeri)= CT(Markeri) - CT (GAPDH)
Δ ΔCT(Markeri)= ΔCT(Markeri)(Próbka)- ΔCT(Markeri)(Komórki nieróżnicujące się)
Ekspresja względna (Markeri)= 2-ΔΔCT(markeri)
6. Immunocytochemia
- Na koniec każdego etapu różnicowania (endoderma, progenitorów trzustkowych, dojrzałych wysepek) komórki utrwalono w 4% formaldehydzie przez 15 minut w temperaturze pokojowej.
- Utrwalone komórki poddano permeabilizacji z użyciem 0,25% Triton X-100 (TX) przez 15 minut.
- Barwienie nieswoiste zablokowano poprzez inkubację w 10% surowicy osła w 0,05% TX przez 30 minut.
- Inkubację z przeciwciałem pierwszorzędowym przeprowadzono przez noc w temperaturze 4 °C w buforze blokującym, stosując zalecane rozcieńczenie przeciwciała (patrz tabela 1).
- Komórki przemyto trzykrotnie 0,05% TX przez 5 minut.
- Inkubację z przeciwciałem drugorzędowym przeprowadzono przez jedną godzinę w temperaturze pokojowej, w ciemności, stosując odpowiednie przeciwciała rozcieńczone w buforze blokującym.
- Komórki przemyto trzykrotnie 0,05% TX przez 5 minut.
- Barwienie jąder przeprowadzono poprzez inkubację z barwnikiem Hoescht w rozcieńczeniu 1:1000 w PBS przez 5 minut, a następnie trzykrotnie przemyto komórki w PBS.
- Utrwalone i zabarwione komórki obrazowano przy użyciu odwróconego mikroskopu Olympus IX81 oraz oprogramowania do obrazowania Metamorph.
7. Reprezentatywne wyniki
Dodatek aktywiny A oraz wortmanniny do niezróżnicowanych hESC przez 4 dni indukuje powstawanie endeodermy definitywnej, co potwierdzono analizą qRT-PCR dla markerów DE: Sox17, Cxcr4 i Foxa2 oraz barwieniem immunologicznym dla Sox17, jak przedstawiono na Rysunku 2. Różnicowanie do komórek progenitorowych trzustki po dodaniu cyklopaminy i kwasu retinowego potwierdzono za pomocą qRT-PCR dla markerów progenitorowych trzustki oraz barwienia immunologicznego dla Pdx1, jak pokazano na Rysunku 3.
W końcowej fazie różnicowania kontaktowa kokultura z komórkami RHMVEC silnie indukowała zwiększenie ekspresji insuliny w komórkach progenitorowych trzustki pochodzących z hESC. Efektywność różnicowania pośredniczonego przez kokulturę przeanalizowano poprzez porównanie z warunkiem kontrolnym z zastosowaniem DAPT. DAPT posłużył jako kontrola pozytywna, ponieważ jest obecnie jedną z najszerzej stosowanych metod osiągania dojrzewania trzustki. Ponieważ kokulturę przeprowadzono w zmodyfikowanym medium uzupełnionym o czynniki wspierające komórki śródbłonka, wykonano dodatkową kontrolę z użyciem medium bez komórek śródbłonka, aby zweryfikować wpływ medium na różnicowanie. Szczegóły tej analizy przedstawiono na Rysunku 4.

Rysunek 1. Wieloetapowy protokół różnicowania hESC w komórki wykazujące ekspresję insuliny.

Rycina 2. Indukcja endeodermy definitywnej z ludzkich embrionalnych komórek macierzystych. A) Analiza qRT-PCR reprezentatywnych markerów DE w komórkach hESC poddanych działaniu Aktywiny A i wortmanniny przez 4 dni. Wyniki zostały znormalizowane względem nieróżniczkowanych hESC. B) Barwienie Sox17 (zielone) i DAPI (niebieskie) wykazuje jądrową ekspresję Sox17. Pasek skali: 50 μm.

Rycina 3. Indukcja progenitorów trzustki w komórkach endodermy pochodzących z embrionalnych komórek macierzystych. A) Analiza qRT-PCR wczesnych markerów trzustkowych w komórkach endodermy pochodzących z hESC, poddanych działaniu cyklopaminy i kwasu retinowego przez 4 dni po indukcji DE. Wyniki znormalizowane względem niezróżnicowanych hESC. B) Barwienie Pdx1 (fiolet) i DAPI (niebieski) wykazuje jądrową ekspresję Pdx1. Pasek skali: 50 μm.

Rysunek 4. Etap dojrzewania trzustki. A) Analiza qRT-PCR hormonów trzustkowych w hESC po dojrzewaniu trzustki z użyciem DAPT, kokultury kontaktowej lub pożywek do kokultury (kontrola). Wyniki znormalizowane względem niedróżnicowanych hESC. Wartości p wyznaczone testem t-Studenta. B) Kokultura z RHMVEC znakowanymi Dil-Ac-LDL (kolor czerwony) pokazuje obszary, w których komórki śródbłonka (EC) przylegają do płytki w przypadku występowania pustych przestrzeni (góra); inne RHMVEC znajdują się w bezpośrednim kontakcie z różnicującymi się ESC (dół). C) Barwienie C-peptydu (kolor zielony) dla komórek różnicowanych metodą kokultury. Pasek skali: 12,5 μm (góra) i 50 μm (dół). D) Immunobarwienie RHMVEC wykazuje brak ekspresji insuliny w RHMVEC.
| Marker | Starter 1 (5' do 3') | Starter 2 (5' do 3') | Ref. |
| SOX17 | CTCTGCCTCCTCCACGAA | CAGAATCCAGACCTGCACAA | 12 |
| CXCR4 | CACCGCATCTGGAGAACCA | GCCCATTTCCTCGGTGTAGTT | 4 |
| FOXA2 | GGAGCGGTGAAGATGGAA | TACGTGTTCATGCCGTTCAT | 12 |
| PDX1 | AAGTCTACCAAAGCTCACGCG | GTAGGCGCCGCCTGC | 4 |
| PTF1 | CATAGAGAACGAAACCACCCTTTGAG | GCACGGAGTTTCCTGGACAGAGTTC | 12 |
| HLXB9 | CACCGCGGGCATGATC | ACTTCCCCAGGAGGTTCGA | 4 |
| HNF6 | TGTGGAAGTGGCTGCAGGA | TGTGAAGACCAACCTGGGCT | 5 |
| PAX6 | CGAATTCTGCAGGTGTCCAA | ACAGACCCCCTCGGACAGTAAT | 5 |
| NKX6.1 | AGACCCACTTTTTCCGGACA | CCAACGAATAGGCCAAACGA | 5 |
| ISL1 | GATCTATGTCACCTCGCAAGG | TACAACCACCATTTCACTG | 12 |
| GLUKAGON | AGGCAGACCCACTCAGTGA | AACAATGGCGACCTCTTCTG | 4 |
| INSULINA | AAGAGGCCATCAAGCAGATCA | CAGGAGGCGCATCCACA | 12 |
Tabela 1. Primery użyte do reakcji qPCR.