Tutaj opisujemy protokół generowania ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych z krwi obwodowej przy użyciu strategii przeprogramowania opartej na episomach i inhibitorów deacetylazy histonowej.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Tutaj opisujemy protokół generowania ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych z krwi obwodowej przy użyciu strategii przeprogramowania opartej na episomach i inhibitorów deacetylazy histonowej.
Ten manuskrypt ilustruje protokół efektywnego tworzenia bezintegracyjnych ludzkich indukowanych pluripotencjalnych komórek macierzystych (iPSC) z krwi obwodowej przy użyciu plazmidów epizodycznych i inhibitorów deacetylazy histonowej (HDAC). Do zalet tego podejścia należą: (1) wykorzystanie minimalnej ilości krwi obwodowej jako materiału źródłowego; (2) niecałkujące wektory przeprogramowania; 3) opłacalną metodę wytwarzania bezwektorowych iPSC; 4) pojedyncza transfekcja; oraz (5) wykorzystanie małych cząsteczek w celu ułatwienia przeprogramowania epigenetycznego. Krótko mówiąc, komórki jednojądrzaste krwi obwodowej (PBMC) są izolowane z rutynowych próbek flebotomii, a następnie hodowane w określonych czynnikach wzrostu, aby uzyskać wysoce proliferacyjną populację komórek progenitorowych erytrocytów, która jest niezwykle podatna na przeprogramowanie. Nieintegrujące, niezakaźne plazmidy episomalne eksprymujące OCT4, SOX2, KLF4, MYCL, LIN28A i krótki spinka do włosów (sh) RNA p53 są wprowadzane do pochodnych erytroblastów za pomocą pojedynczego nukleofekcji. Kotransfekcja episomu wyrażającego wzmocnione białko zielonej fluorescencji (eGFP) pozwala na łatwą identyfikację transfekowanych komórek. Do mieszaniny reakcyjnej dodaje się również oddzielny plazmid z niedoborem replikacji eksprymujący antygen jądrowy Epsteina-Barr 1 (EBNA1) w celu zwiększenia ekspresji białek episomalnych. Transfekowane komórki są następnie umieszczane na warstwie napromieniowanych mysich fibroblastów embrionalnych (iMEF) w celu dalszego przeprogramowania. Gdy tylko kolonie podobne do iPSC pojawią się po około dwunastu dniach od nukleofekcji, inhibitory HDAC są dodawane do pożywki, aby ułatwić przebudowę epigenetyczną. Odkryliśmy, że włączenie inhibitorów HDAC rutynowo zwiększa wytwarzanie w pełni przeprogramowanych kolonii iPSC 2-krotnie. Gdy kolonie iPSC wykazują typową morfologię ludzkich embrionalnych komórek macierzystych (hESC), są delikatnie przenoszone na indywidualne płytki do hodowli tkankowych pokrytych iMEF w celu dalszego wzrostu i ekspansji.
iPSC pochodzą z tkanek somatycznych poprzez ektopową ekspresję minimalnego zestawu genów pluripotencji. Technika ta została początkowo zademonstrowana przez transdukcję retrowirusową ludzkich fibroblastów z OCT4, SOX2, KLF4 i cMYC, które ulegają silnej ekspresji w stanie pluripotencjalnym1. Te przejściowo ulegające ekspresji "czynniki przeprogramowujące" zmieniają krajobraz epigenetyczny komórki docelowej i profil ekspresji genów analogicznie do ludzkich embrionalnych komórek macierzystych2. Po utworzeniu, iPSC można potencjalnie różnicować w dowolny typ tkanki w celu dalszych badań. W związku z tym są obiecujące do wykorzystania w medycynie regeneracyjnej, modelowaniu chorób i zastosowaniach terapii genowej. Jednak zakłócenie genomu poprzez integrację wirusów może potencjalnie zmienić endogenną ekspresję genów, wpłynąć na fenotyp komórkowy i ostatecznie zniekształcić wyniki naukowe. Co więcej, losowe integracje wirusowe mogą prowadzić do szkodliwych skutków komórkowych, w tym możliwości złośliwejtransformacji3 lub ponownej ekspresji onkogennych transgenów4. Przyszłe zastosowania kliniczne będą wymagały generowania nieintegrujących iPSC.
Episomy, które są dodatkowymi chromosomalnymi kolistymi cząsteczkami DNA, oferują strategię generowania efektywnych kosztowo, bezintegracyjnych iPSC5. Kombinacja wektorów epizodycznych przedstawiona w tabeli 1 wyraża czynniki przeprogramowania OCT4, SOX2, KLF4, MYCL i LIN28A. Plazmid pCXLE_hOCT3/4-shp53-F zawiera również shRNA p53 do tymczasowej supresji TP53 w celu usprawnienia przeprogramowania komórkowego6. Wektor pCXWB-EBNA1 z niedoborem replikacji sprzyja amplifikacji czynników przeprogramowywania i zwiększa wydajność przeprogramowywania, zapewniając przejściowy wzrost ekspresji EBNA1 7. Plazmid pCXLE_EGFP można dodać do mieszaniny nukleofekcji w celu określenia wydajności transfekcji lub do zastosowań związanych z sortowaniem komórek. Z wyjątkiem pCXWB-EBNA1, plazmidy episomalne stosowane w tym protokole zawierają wirus Epsteina-Barr pochodzący z replikacji wirusa i gen EBNA1, które pośredniczą w replikacji i podziale episomu podczas podziału komórki gospodarza8. Episomy są spontanicznie tracone wraz z kolejną ekspansją iPSC7. Subklonowanie i charakterystyka iPSC z utratą wektora episomalnego, którą można wywnioskować z utraty ekspresji eGFP, może prowadzić do całkowicie wolnych od integracji iPSC do przyszłych zastosowań klinicznych.
Nieodłącznym elementem procesu generowania iPSC jest tłumienie genów specyficznych dla danej linii i reaktywacja genów związanych z pluripotencją. Regulacja ekspresji genów zachodzi na wielu poziomach w jądrze, w tym modyfikacje DNA i chromatyny, aby umożliwić czynniki transkrypcyjne, regulatorowe elementy DNA i dostęp polimerazy RNA do genów docelowych. Przemodelowanie krajobrazu epigenetycznego poprzez globalne modyfikacje chromatyny jest kluczowym elementem reekspresji programu genetycznego pluripotencji. Specyficzną modyfikacją chromatyny, która jest istotna w regulacji ekspresji genów, jest acetylacja histonów przy określonych resztach lizyny, co umożliwia dostęp do docelowych genów poprzez zmniejszenie napięcia cewki histon-DNA. Inhibitory HDAC to małe cząsteczki, które, jak wykazano, usprawniają przeprogramowanie iPSC i samoodnawianie się hESC9,10, prawdopodobnie ze względu na wspieranie stanu acetylowanego11. Opisany poniżej protokół, zaadaptowany z wcześniejszej publikacji z wykorzystaniem integracji lentiwirusów12, zapewnia metodę krok po kroku do zoptymalizowanego generowania iPSC z krwi obwodowej przy użyciu episomów i inhibitorów HDAC. Zastosowane tutaj stężenia inhibitorów HDAC są o połowę mniejsze niż opisane przez Ware'a i wsp.9 i rutynowo doprowadziły do 2-krotnego wzrostu w pełni przeprogramowanych kolonii iPSC w porównaniu ze standardowymi protokołami przeprogramowania episomalnego bez inhibitorów HDAC. Ten poziom przeprogramowania jest na równi ze skutecznością, którą obserwujemy w przypadku metod lentiwirusowych. Korzystając z tego protokołu, skutecznie wygenerowaliśmy iPSC od osób w wieku nawet 87 lat.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Pisemna świadoma zgoda, zatwierdzona przez Instytucjonalne Komisje Rewizyjne Fred Hutchinson Cancer Research Center i Children's Hospital of Philadelphia, została uzyskana od pacjentów przed pobraniem próbek krwi obwodowej. Przestrzegano wszystkich wytycznych instytucjonalnych. Wszystkie eksperymenty na zwierzętach, w tym generowanie MEF i tworzenie potworniaków, zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Wykorzystania Zwierząt.
1. Oddzielenie PBMCS metodą Ficoll i ekspansja erytroblastów – Dzień 0
2. Przeprogramowanie komórek przez nukleofekcję – Dzień 9
3. Ogniwa poszycia - Dzień 10 lub 11
4. Posiewanie komórek na komórkach zasilających i zmiana podłoża – Dzień 12
5. Izolowanie klonów iPSC
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Trzy dni po nukleofekcji i przed wysianiem nukleofektowanych komórek na iMEF-y, należy ocenić wydajność nukleofekcji za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej pod kątem ekspresji eGFP. Rysunek 1 przedstawia typowy eksperyment z nukleofekcją, w którym około 5-10% całkowitej populacji komórek wykazuje ekspresję eGFP.
Klonie przeprogramowanych iPSC zaczną pojawiać się około dwóch tygodni po nukleofekcji. Kolonie są zazwyczaj okrągłe z wyraźnymi granicami i można je zidentyfikować po...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Aby pomyślnie wygenerować iPSC podczas korzystania z tego protokołu, należy wziąć pod uwagę kilka ważnych zastrzeżeń. Na etapie ekspansji erytroblastów należy ściśle przestrzegać harmonogramu wymiany pożywki, ponieważ odchylenia mogą prowadzić do nieefektywnej stymulacji docelowej populacji komórek progenitorowych i niższej efektywności wytwarzania iPSC. Ważne jest, aby przy każdej zmianie podłoża wytwarzać nową pożywkę ekspansywną ze świeżym deksametazonem; a podłoże bazowe QBSF-60 i deksametazon należy chronić przed św...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.
Autorzy pragną podziękować następującym grantom z NIH za wsparcie tych badań: K08DK082783 (AR), P30DK56465 (BTS), U01HL099993 (BTS), T32HL00715036 (SKS) i K12HL0806406 (SKS); oraz Fundacji JP McCarthy (AR).
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Ficoll-Paque PLUS | Fisher Scientific | 45-001-750 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. Przed użyciem ogrzać do temperatury pokojowej. |
| DPBS | Life Technologies | 14190-250 | Przechowywać pod adresem 4 & st. C. |
| RPMI 1640 | Life Technologies | 11875-093 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| płodowa surowica bydlęca (FBS) | Life Technologies | 10437028 | Sklep w temperaturze -20 & deg; C, dopóki nie będzie potrzebny. Rozmrozić, podwielokrotność, przechowywać w temperaturze 4 °C. |
| dimetylosulfotlenek (DMSO) | Sigma-Aldrich | 154938 | Przechowywać w temperaturze pokojowej. |
| QBSF-60 podłoże bez surowicy | Fisher Scientific | 50-983-234 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni C. |
| penicylina/streptomycyna | Life Technologies | 15140122 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| Zestaw nukleofektorów linii komórkowej V | Lonza | VCA-1003 | Przechowywać w temperaturze 4 & st. C. |
| 2% roztwór żelatyny | Sigma-Aldrich | G1393 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni; C, upłynnić w 37 stopniach; C kąpiel wodna przed użyciem. |
| Hank's Balanced Saline Solution (HBSS) | Life Technologies | 14175-103 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Life Technologies | 11965-092 | Sklep pod adresem 4 °C. |
| Zmodyfikowany Iscove's Dulbecco's Medium (IMDM) | Life Technologies | 12440-061 | Sklep pod adresem 4 & st. C. |
| L-glutamina, 200 mM | Life Technologies | 25030-081 | Aliquot, zamrażać w temperaturze -20 & C. |
| aminokwasy endogenne (NEAA), 100X | Life Technologies | 11140-050 | Przechowywać w 4 & stopni; C, z dala od światła. |
| DMEM/Ham's F12, 1:1 | Fisher Scientific | SH30023.02 | Przechowywać w temperaturze 4 & stopni C. |
| KnockOut Serum Replacement | Life Technologies | 10828-028 | Podwielokrotność, zamrażać w temperaturze -20 stopni C. |
| pirogronian sodu, 100 mM | Life Technologies | 11360-070 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni C. |
| Wodorowęglan sodu, 7,5% | Life Technologies | 25080094 | Przechowywać w temperaturze 4 stopni C. |
| podstawowy czynnik wzrostu fibroblastów (bFGF) | Life Technologies | PHG0263 | Wytwarzać 10 mg/ml zapasu w DPBS, podwielokrotnie, zamrażać w temperaturze -20 & stopni C. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| Maślan sodu | Sigma-Aldrich | B5887-1G | Wytwarzaj 2000x zapas (400 mM) w DPBS, podwielokrotność, zamrażanie w temperaturze -20 & st. C. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| Klonowanie komórek hES i Suplement regeneracyjny | Stemgent | 01-0014-500 | Przechowywać w temperaturze -20 ° C, dopóki nie będzie potrzebny. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| Certyfikat ESC BD matrigel | BD Biosciences | 35-4277 | Rozmrozić przez noc na lodzie w temperaturze 4 & stopni; C, podwielokrotność do wstępnie schłodzonych probówek za pomocą wstępnie schłodzonych końcówek pipet. Przechowywać w temperaturze -20 stopni; C, dopóki nie będzie potrzebny. Rozmrażanie w 4 & stopni; C, zużyć natychmiast. |
| Rozpiętość łodygi SFEM | STEMCELL Technologies | 9650 | Podwielokrotność, zamrażać w temperaturze -20 stopni Celsjusza. |
| kwas askorbinowy, sproszkowany | Sigma-Aldrich | A4403-100MG | Zrobić 5 mg/ml bulionu w DPBS, sterylny filtr, przechowywać w temperaturze 4 stopni C. |
| rekombinowany czynnik ludzkich komórek macierzystych (SCF) | R & D Systems | 255-SC-010 | Marka 100 μ g/m zapas w SFEM, podwielokrotność, zamrażanie w temperaturze -20 °C. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| rekombinowana ludzka interleukina 3 (IL-3) | R & D Systems | 203-IL-010 | Produkcja 100 μ g/ml zapasu w SFEM, podwielokrotność, zamrażać w temperaturze -20 °C. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| erytropoetyna (EPO) | R & D Systems | 287-TC-500 | Zrobić 1000 U/ml zapasu w SFEM, podwielokrotność, zamrozić w temperaturze -20 & deg;C. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| rekombinowany ludzki insulinopodobny czynnik wzrostu 1 (IGF-1) | R & D Systems | 291-G1-200 | Marka 100 μ g/ml zapasu w SFEM, podwielokrotność, zamrażać w temperaturze -20 °C. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| β-merkaptoetanol | Sigma-Aldrich | M7522 | Wyprodukuj 1000x zapas (100 mM) w DPBS. |
| deksametazon | Sigma-Aldrich | D4902-25MG | Make 50x kolba (50 μ M) w DPBS, sterylny filtr, przechowywać w temperaturze 4 °C. |
| SAHA (vorinostat) | Cayman Chemical | 149647-78-9 | Zrobić 2,000x zapas (400 mM) w DPBS, podwielokrotność, zamrozić w temperaturze -20 & stopni C. Po rozmrożeniu przechowywać w temperaturze 4 stopni Celsjusza. |
| 12-dołkowa płytka do hodowli tkankowej | Fisher Scientific | 08-772-29 | |
| 15 ml probówka stożkowa | Sarstedt | 62553002 | |
| 1,5 ml Probówka Eppendorfa | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| 6-dołkowa płytka do hodowli tkankowej | Fisher Scientific | 08-772-1B | |
| Płytki hodowlane tisue 35 mm | BD Biosciences | 353001 | |
| Jednorazowe pipety serologiczne 10 ml | Fisher Scientific | 13-675-20 | |
| Jednorazowe pipety serologiczne 5 ml | Fisher Scientific | 13-675-22 | |
| Jednorazowe pipety serologiczne 2 ml | Fisher Scientific | 13-675-17 | |
| 20 μ l końcówki do pipet, końcówki barierowe | Genessee | 24-404 | |
| szklane pipety Pasteura | Fisher Scientific | 13-678-20D | |
| pipet | Fisher Scientific | 13-681-15 | |
| pCXLE-hOCT3/4-shp53-F | Addgene | 27077 | |
| pCXLE-hSK | Addgene | 27078 | |
| pCXLE-hUL | Addgene | 27080 | |
| pCXLE-EGFP | Addgene | 27082 | |
| pCXWB-EBNA1 | Addgene | 37624 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.