$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Ludzkie pluripotencjalne komórki macierzyste (hPSC) są zdefiniowane jako obejmujące zarówno ludzkie embrionalne komórki macierzyste (hESC), jak i ludzkie indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste (hiPSC) i mają unikalną zdolność nie tylko do samoodnawiania się w odpowiednich warunkach wzrostu, ale także zdolność do różnicowania się na wszystkie typy komórek pochodzących z trzech listków zarodkowych: endodermy, mezodermy i ektodermy1. Ze względu na te unikalne zdolności, hPSC są bardzo obiecujące dla medycyny regeneracyjnej, modelowania chorób i terapii komórkowych2. Chociaż udało się odróżnić wiele typów komórek od hPSC, jednym z istotnych wyzwań jest specyfikacja in vitro wyłącznie dorosłych hematopoetycznych komórek macierzystych (HSC) pochodzących z hPSC i ostatecznych hematopoetycznych komórek progenitorowych.
Jedną z prawdopodobnych przeszkód dla rozwoju ludzkich HSC z hPSC jest obecność wielu programów krwiotwórczych w ludzkim embrionie3. Pierwszy program, który się pojawia, określany jako "prymitywna hematopoeza", pochodzi z pozaembrionalnej tkanki woreczka żółtkowego i najlepiej charakteryzuje się przejściową produkcją progenitorów erytroblastów (EryP-CFC), makrofagów i megakariocytów. Warto zauważyć, że program ten nie powoduje powstawania HSC, ani nie powoduje powstawania komórek progenitorowych limfoidalnych T i B. Jednak woreczek żółtkowy przejściowo powoduje powstawanie ograniczonych ostatecznych komórek progenitorowych układu krwiotwórczego, takich jak erytro-szpikowy prekursor (EMP4,5,6,7,8) oraz wielosilny progenitor z niedoborem erytroidów (LMPP9). Jednak ani EMP, ani LMPP nie są w pełni multipotencjalne ani zdolne do wszczepienia podobnego do HSC u dorosłych biorców. W przeciwieństwie do tego, w późniejszym okresie rozwoju, klasycznie zdefiniowany "ostateczny" program hematopoetyczny jest określony w regionie aorta-gonad-mesonephros właściwego zarodka, dając początek wszystkim dorosłym liniom krwiotwórczym, w tym HSC. Specyfikacja tych wewnątrzembrionalnych ostatecznych komórek krwiotwórczych zachodzi w sposób zależny od Notch, poprzez przejście śródbłonka do hematopoetycznego ze śródbłonka hemopochodnego (HE)3,10,11,12,13,14. Oprócz zdolności do rekonstytucji, potencjał wieloliniowy i zależność tych komórek od Notch można wykorzystać do odróżnienia tych ostatecznych hematopoetycznych komórek progenitorowych od EMP i LMPP (przegląd w references3,13).
Zrozumienie mechanizmu(ów) rządzącego pierwotną i ostateczną specyfikacją hematopoetyczną z hPSC jest prawdopodobnie kluczowe dla powtarzalnej produkcji ostatecznych komórek progenitorowych hematopoetycznych na różnych liniach hPSC. Do niedawna nie istniały protokoły różnicowania hPSC, które mogłyby oddzielić mnożących pierwotnych i ostatecznych przodków hematopoetycznych15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25. Wiele podejść wykorzystujących płodową surowicę bydlęcą (FBS) i/lub kokulturę zrębu najpierw nakreśliło potencjał hematopoetyczny różnicowania hPSC, z mieszaninami pierwotnego i ostatecznego potencjału hematopoetycznego15,16,17,19,22,23,25. Co więcej, wiele protokołów hematopoetycznych bez surowicy opisało wymagania dotyczące sygnału dla specyfikacji mezodermy z hPSC, która zawiera potencjał hematopoetyczny18,20,21,24. Ponieważ jednak metody te nadal prowadziły do powstania heterogenicznych mieszanin obu programów, ich zastosowanie w zastosowaniach klinicznych i zrozumieniu mechanizmów rozwojowych może być ograniczone.
Ostatnio rozbudowaliśmy te badania, przedstawiając wymagania dotyczące sygnału specyficznego dla etapu sygnalizacji ACTIVIN/NODAL i WNT w prymitywnej i ostatecznej specyfikacji hematopoetycznej z mezodermy pochodzącej z hPSC18,26. Ten ostatni był szczególnie wyjątkowy, ponieważ jego zastosowanie specyficznej dla etapu manipulacji sygnałem WNT pozwala na określenie wyłącznie prymitywnych lub wyłącznie ostatecznych komórek progenitorowych układu krwiotwórczego26. Podczas specyfikacji mezodermy hamowanie kanonicznej sygnalizacji WNT za pomocą inhibitora PORCN IWP2 skutkuje specyfikacją CD43 + EryP-CFC i komórek progenitorowych szpiku, bez wykrywalnego potencjału limfatycznego. W przeciwieństwie do tego, stymulacja kanonicznej sygnalizacji WNT za pomocą inhibitora GSK3β, CHIR99021, na tym samym etapie różnicowania spowodowała całkowity brak wykrywalnego CD43 + EryP-CFC, jednocześnie prowadząc do specyfikacji CD34 + CD43-HE. Populacja ta posiadała potencjał mieloidalny, erytroidalny eksprymujący HBG i limfoidalny T. Późniejsze analizy wykazały, że ten HE nie ma wyrażenia CD7327,28 i CD18428, a jego potencjał krwiotwórczy był zależny od NOTCH28. Co więcej, analizy klonalne pojedynczych komórek wykazały, że te ostateczne linie hematopoetyczne mogą pochodzić z multipotencjalnych pojedynczych komórek28. Podsumowując, badania te wskazują, że specyficzna dla etapu manipulacja sygnalizacją WNT może określać albo czysto prymitywnych hematopoetycznych progenitorów, albo multipotencjalnych ostatecznych hematopoetycznych progenitorów zależnych od NOTCH.
Tutaj przedstawiamy naszą strategię różnicowania, która daje wyłącznie prymitywne lub ostateczne hematopoetyczne prekursory, poprzez manipulację kanoniczną sygnalizacją WNT podczas mezodermalnego wzorca i ich dalsze testy linii hematopoetycznej. Protokół ten ma ogromną wartość dla badaczy, którzy są zainteresowani produkcją pierwotnych lub ostatecznych hematopoetycznych komórek progenitorowych z hPSC do zastosowań w medycynie regeneracyjnej.