Tutaj prezentujemy metodę efektywnego wykorzystania potencjału różnicowania serca młodych źródeł ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych w celu generowania funkcjonalnych, kurczących się, kardiomiocytów komórek in vitro.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Tutaj prezentujemy metodę efektywnego wykorzystania potencjału różnicowania serca młodych źródeł ludzkich mezenchymalnych komórek macierzystych w celu generowania funkcjonalnych, kurczących się, kardiomiocytów komórek in vitro.
Zawał mięśnia sercowego i następująca po nim kaskada niedokrwienna powodują rozległą utratę kardiomiocytów, prowadząc do zastoinowej niewydolności serca, głównej przyczyny śmiertelności na całym świecie. Mezenchymalne komórki macierzyste (MSC) są obiecującą opcją dla terapii komórkowych, która może zastąpić obecne, inwazyjne techniki. MSCs mogą różnicować się w linie mezenchymalne, w tym typy komórek serca, ale nie osiągnięto jeszcze pełnego różnicowania w funkcjonalne komórki. Dotychczasowe metody różnicowania opierały się na środkach farmakologicznych lub czynnikach wzrostu. Jednak bardziej fizjologicznie istotne strategie mogą również umożliwić MSCs przejście transformacji kardiomiogennej. W tym artykule przedstawiono metodę różnicowania z wykorzystaniem agregatów MSC na warstwach zasilających kardiomiocyty w celu wytworzenia kurczących się komórek przypominających kardiomiocyty. Wykazano, że
Wykazano, że ludzkie komórki okołonaczyniowe pępowiny (HUCPVC) mają większy potencjał różnicowania niż powszechnie badane typy MSC, takie jak MSC szpiku kostnego (BMSC). Jako ontogenetycznie młodsze źródło, zbadaliśmy potencjał kardiomiogenny HUCPVC w pierwszym trymestrze ciąży (FTM) w porównaniu ze starszymi źródłami. HUCPVC FTM są nowym, bogatym źródłem MSC, które zachowują swoje właściwości immunouprzywilejowane w macicy podczas hodowli in vitro. Korzystając z tego protokołu różnicowania, FTM i term HUCPVC osiągnęły znacznie zwiększone różnicowanie kardiomiogenne w porównaniu z BMSC, na co wskazuje zwiększona ekspresja markerów kardiomiocytów (tj. czynnika wzmacniającego miocyty 2C, troponiny sercowej T, miozyny serca łańcucha ciężkiego, białka regulatorowego sygnału α i koneksyny 43). Utrzymywały również znacznie niższą immunogenność, o czym świadczy ich niższa ekspresja HLA-A i wyższa ekspresja HLA-G. Stosując różnicowanie oparte na agregatach, HUCPVC FTM wykazały zwiększony potencjał tworzenia agregatów i wygenerowały kurczące się klastry komórek w ciągu 1 tygodnia od kohodowli na warstwach zasilających serce, stając się pierwszym typem MSC, który tego dokonał.
Nasze wyniki pokazują, że ta strategia różnicowania może skutecznie wykorzystać kardiomiogenny potencjał młodych MSC, takich jak FTM HUCPVC, i sugeruje, że predyferencjacja in vitro może być potencjalną strategią zwiększenia ich skuteczności regeneracyjnej in vivo.
Zastoinowa niewydolność serca (CHF) nadal jest główną przyczyną zachorowalności i śmiertelności na całym świecie. Niewydolność serca często występuje w wyniku masywnej utraty kardiomiocytów i rozwoju bezkomórkowej tkanki bliznowatej jako patologiczny wynik zawału mięśnia sercowego (MI)1. Podczas gdy serce jest częściowo samoodnawiającym się narządem, rezydentna pula komórek macierzystych i progenitorowych odpowiedzialnych za regenerację tkanek znacznie zmniejsza się pod względem liczebności i funkcji u starszych pacjentów, często stając się niewystarczająca do optymalnego powrotu do zdrowia po urazie. W związku z tym istnieje duże zainteresowanie opracowywaniem eksperymentalnych metod leczenia, które polegają na przeszczepianiu zdrowych komórek dawcy do uszkodzonego mięśnia sercowego. Konieczne jest, aby komórki dawcy nie tylko odbudowały strukturę tkanki, ale także osiągnęły funkcjonalne odzyskanie dotkniętego mięśnia sercowego.
Rodzime serce wykorzystuje komórki macierzyste pochodzące z tkanki serca i endogennego szpiku kostnego do naprawy po urazie2,3,4. Komórki regeneracyjne – zarówno pochodzące od gospodarza, jak i dawcy – muszą mieć zdolność do uzyskania odpowiedniego fenotypu i funkcji w mikrośrodowisku przebudowywanego mięśnia sercowego, a także zdolność do skutecznego i bezpiecznego zastępowania utraconych komórek. Metody różnicowania in vitro są szeroko stosowane w celu osiągnięcia wysokiej wydajności produkcji kardiomiocytów opartej na komórkach macierzystych5,6. Profil ekspresji markerów linii serca służy do zdefiniowania procesu różnicowania komórek macierzystych w kierunku linii serca7. Wczesne markery różnicowania, takie jak NKX2.5, czynnik wzmacniający miocyty 2C (Mef2c) i GATA48,9, mogą wskazywać na inicjację procesu kardiomiogennego. Dojrzałe markery kardiomiocytów powszechnie stosowane do oceny skuteczności różnicowania to α białka regulatorowego sygnału (SIRPA)10, troponina sercowa T (cTnT)11, miozyna sercowa o ciężkim łańcuchu (MYH6)8,12,13 i connexin 43 (Cx43)14,15,16. Metody wykorzystujące embrionalne komórki macierzyste (ESC) i pluripotencjalne komórki macierzyste (PSC) zostały dokładnie zoptymalizowane i omówione pod kątem szczegółów czynników indukcyjnych, gradientów tlenu i składników odżywczych oraz dokładnego czasu działania5,6,7,17,18. Niemniej jednak technologie oparte na ESC i PSC nadal wiążą się z wieloma problemami etycznymi i bezpieczeństwa, a także z nieoptymalnymi cechami elektrofizjologicznymi i immunologicznymi19,20. Gospodarze, którym przeszczepiono te komórki, często doświadczają odrzucenia immunologicznego i wymagają trwałej immunosupresji. Wynika to głównie z niedopasowania cząsteczek głównego kompleksu zgodności tkankowej (MHC) u gospodarza i dawcy oraz z wynikającej z tego odpowiedzi limfocytów T21. Podczas gdy indywidualne dopasowanie MHC klasy I jest możliwym rozwiązaniem, bardziej dostępna praktyka kliniczna wymagałaby źródła komórek, które jest powszechnie immunouprzywilejowane, aby przezwyciężyć problem odrzucenia.
Jako alternatywne źródło komórek do zastosowań klinicznych, MSC, a w szczególności BMSC, były badane pod kątem wykorzystania w regeneracji tkanek od czasu ich początkowego opisu w 1995 roku22. Uważa się, że MSCs są rezydentnymi komórkami regeneracyjnymi, które można znaleźć w prawie każdej unaczynionej tkance23. Po wyizolowaniu od pożądanego źródła, MSCs mogą być łatwo namnażane w hodowli, mają dużą pojemność parakrynną i często posiadają właściwości immunouprzywilejowane lub immunomodulujące24,25. Ich bezpieczeństwo i skuteczność zostały już wykazane w kilku badaniach przedklinicznych, w szczególności dotyczących regeneracji serca3,26.
Wiele strategii różnicowania MSC wykorzystuje środki farmakologiczne, takie jak 5-azacytydyna22 i DMSO27, oraz czynniki wzrostu lub morfogenne, takie jak BMPs5,7,28,29 lub angiotensyna II30, ze zmienną wydajnością. Strategie te nie opierają się jednak na przeszkodach, które naiwna komórka regeneracyjna może napotkać po naprowadzeniu lub dostarczeniu do miejsca uszkodzenia in vivo. Bardziej fizjologicznie istotne strategie, choć trudniejsze do zdefiniowania i manipulowania, opierają się na założeniu, że różnicowanie MSC może być indukowane przez sygnały z samego mikrośrodowiska tkankowego. Wcześniejsze badania wykazały, że narażenie na lizaty komórek serca 31 lub komorowy mięsień sercowy32,33, lub bezpośredni kontakt z pierwotnymi kardiomiocytami in vitro15,34, może zwiększyć ekspresję markerów sercowych w MSCs. Inni wykazali spontaniczną kardiomiogenezę po leczeniu urazów serca za pomocą MSCs35,36,37,38, chociaż częściowo, fuzja BMSC i kardiomiocytów39,40 wygenerował powstający mięsień sercowy. Zgodnie z naszą wiedzą, nie zgłoszono jeszcze funkcjonalnych, spontanicznie kurczących się kardiomiocytów z ludzkich MSC (hMSC) z jakiegokolwiek źródła tkankowego.
Obecny konsensus jest taki, że wszystkie MSCs powstają z komórek okołonaczyniowych23. Młode MSCs o właściwościach perycytów można wyizolować z obszaru okołonaczyniowego tkanki pępowiny człowieka41,42,43. W porównaniu z BMSC, HUCPVC mają zwiększony potencjał różnicowania i kilka innych zalet regeneracyjnych, zarówno in vitro41,44, jak i in vivo45,46,47. Warto zauważyć, że źródłem jest interfejs matka-płód, HUCPVC mają znacznie niższą immunogenność w porównaniu z dorosłymi źródłami MSC. Nasze badania koncentrują się na charakterystyce i przedklinicznych zastosowaniach HUCPVC FTM, najmłodszego badanego źródła MSC, które, jak wykazaliśmy wcześniej, mają zwiększoną proliferację i wyższą zdolność różnicowania wieloliniowego, w tym w linii kardiomiogennej41.
Tutaj prezentujemy protokół, który łączy tworzenie agregatów i główne warstwy zasilające komórki serca jako siły indukcyjne, aby osiągnąć pełne kardiomiogenne różnicowanie MSC. Agregaty zapewniają środowisko 3D, które lepiej modeluje warunki in vivo w porównaniu do kultur przylegających do 2D. Wykorzystanie warstw zasilających serce zapewnia środowisko, które jest reprezentatywne dla ostatecznego miejsca przeszczepu dla MSC. Wykazaliśmy, że młodsze źródła MSC wyizolowane z pępowiny przed lub po urodzeniu mają większą zdolność do tworzenia agregatów i osiągania fenotypu serca w porównaniu z dorosłymi BMSC, przy jednoczesnym zachowaniu ich przywilejów immunologicznych. Oprócz gwałtownego wzrostu genów markerowych linii serca i indukowanej ekspresji białek wewnątrzkomórkowych (tj. cTnT i MYH6) i powierzchniowych komórek (tj. SIRPA i Cx43) specyficznych dla kardiomiocytów, pokazujemy, że potencjał różnicowania HUCPVC FTM można wykorzystać tą metodą i że mogą one powodować spontanicznie kurczące się komórki podobne do kardiomiocytów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie badania z udziałem zwierząt zostały przeprowadzone i zgłoszone zgodnie z wytycznymi ARRIVE48. Wszystkie badania zostały przeprowadzone za zgodą instytucjonalnej komisji bioetycznej ds. badań naukowych (numer REB 454-2011, Sunnybrook Research Institute; REB 29889, Uniwersytet w Toronto, Toronto, Kanada). Wszystkie procedury na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Komitet ds. Opieki nad Zwierzętami Uniwersyteckiej Sieci Zdrowia (Toronto, Kanada), a wszystkie zwierzęta otrzymały humanitarną opiekę zgodnie z Przewodnikiem opieki i wykorzystania zwierząt laboratoryjnych, wydanie 8 (National Institutes of Health 2011).
1. Hodowla tkankowa
2. Przygotowanie pierwotnych kardiomiocytów szczurów i kokultur MSC
3. Przygotowanie zbiorczych kokultur
4. Cytometria przepływowa (FC) i sortowanie komórek aktywowane fluorescencją (FACS)
5. Immunocytochemia (ICC) i mikroskopia
6. Izolacja RNA i ilościowy RT-PCR
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
HUCPVCs wykazują wyższy potencjał tworzenia agregatów i poziomy ekspresji CD49f w porównaniu do BMSCs:
Aby indukowć różnicowanie hMSC (tj. FTM HUCPVCs, term HUCPVCs oraz BMSCs), zawiesiny pojedynczych niezróżnicowanych komórek MSC lub krople wiszące zawierające MSC (Table 1) przeniesiono na monowarstwy pierwotnych kardiomiocytów szczura w celu utworzenia odpowiednio bezpośrednich współh...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Różnicowanie komórek macierzystych serca jest rozwijane od ponad 2 dekad, przy czym do generowania komórek podobnych do kardiomiocytów ze źródeł MSC stosuje się kilka różnych strategii. Wiele z tych strategii jest jednak nieskutecznych, a stosowane warunki często nie są reprezentatywne dla środowiska, z którym przeszczepiane komórki stykają się in vivo.
W przeciwieństwie do istniejących metod, przedstawiony tutaj protokół wykorzystuje kombinację pierwotnych warstw zasilających serce i...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Dr Clifford L. Librach jest współposiadaczem patentu: Metody izolacji i wykorzystania komórek pochodzących z tkanki pępowinowej pierwszego trymestru, przyznanego w Kanadzie i Australii.
Autorzy dziękują następującym pracownikom i pracownikom naukowym za ich wkład: Matthew Librach, Leila Maghen, Tanya A. Baretto, Shlomit Kenigsberg i Andrée Gauthier-Fisher. Prace te były wspierane przez The Ontario Research Fund - Research Excellence (ORF-RE, Round #7) oraz CReATe Program Inc.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 0,25% Trypsyna / EDTA | Gibco | 25200056 | Do dysocjacji komórek |
| Alpha-MEM | Gibco | 12571071 | Do pożywek hodowlanych HUCPVC i BMSC. |
| Przeciwciało anty-ludzkie/mysie CD49f sprzężone z PE | Biolegend | 313612 | Marker integrynowy dla |
| FC Sprzężone z APC ludzkie przeciwciało Cx43 / GJA1 | R& D Systems | FAB7737A | marker Connexin 43 dla |
| przeciwciała HLA-A2 sprzężonego z FC FITC | Genway Biotech Inc. | GWB-66FBD2 | Marker immunogenności dla |
| przeciwciała anty-HLA-HLA-G [MEM-G/9] sprzężonego z FITC | ABCAM | AB7904 | Marker immunogenności dla |
| mysiego przeciwciała antyludzkiego SIRPA/CD172a skoniugowanego z FC FITC | AbD Serotec/Bio-Rad | MCA2518F | Marker sercowy dla |
| ludzkiego przeciwciała TRA-1-1-85/CD147 sprzężonego z FC APC | R& D Systems | FAB3195A | Marker komórek ludzkich dla |
| ludzkiego przeciwciała TRA-1-85 / CD147 sprzężonego z FC i FACS FITC | R& D Systems | FAB3195F | Marker komórek ludzkich dla przeciwciała |
| antykoneksynowego 43 / GJA1 | Abcam | ab11370 | Cx43. Dla |
| wtórnego ICC Goat anty-króliczego IgG (H + L) wchłoniętego krzyżowo, Alexa Fluor 555 | Life Technologies | A-21428 | Dla przeciwciała ICC |
| Anty-sarkomerycznej alfa aktyniny [EA-53] | Abcam | ab9465 | aSARC. Dla |
| wtórnego ICC Goat anty-mysiego łańcucha ciężkiego IgM wchłoniętego krzyżowo, Alexa Fluor 555 | Life Technologies | A-21426 | królika ICC |
| Mef2C (D80C1) XP | New England BioLabs Ltd. | 5030S | Dla |
| przeciwciała wtórnego ICC Donkey anty-króliczego IgG (H + L), Alexa Fluor 488 | Life Technologies | A-21206 | Dla przeciwciała ICC |
| Anti-nuclei (HuNu) (klon 235-1) | EMD Millipore | MAB1281 | Dla ICC |
| MZ9.5 Stereomikroskop | Leica | Do agregacji obrazowania. | |
| 1,5 ml mikroprobówki wirówkowe | Axygen | MCT-150-C | Do barwienia MSCs barwnikiem fluorescencyjnym. |
| ImageJ | Oprogramowanie do przetwarzania obrazów o otwartym kodzie źródłowym. | ||
| Aria II | Placówka BD | UHN SickKids FC. Do sortowania komórek. | |
| Szpik kostny, mezechomalne komórki zrębowe | Lonza | PT-2501 | BMSCs, |
| albumina surowicy bydlęcej | Sigma-Aldrich | A7030-100G | , BSA. Aby przygotować roztwory dla ICC |
| BrdU | EMD Millipore | MAB3424 | Uwaga: BrdU jest silnym teratogenem i podejrzewa się działanie mutagenne. Przed użyciem upewnij się, że jesteś odpowiednio przeszkolony i zapoznaj się z kartą charakterystyki. |
| Obiekt Canto II | BD | UHN SickKids FC. Do cytometrii przepływowej. | |
| cDNA EcoDry Premix | Clontech/Takara | 639570 | Do przygotowania cDNA do qPCR |
| CellTracker Green CMFDA Dye | Life Technologies | C7025 | Obrazowanie fluorescencyjne cytoplazmy komórkowej |
| Countess automatyczny licznik komórek | Invitrogen Inc. | C10227 | Do zliczania komórek |
| DMEM-F12 | Sigma-Aldrich | D6421 | Do pierwotnej pożywki hodowli kardiomiocytów szczurów. |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanami | Gibco | firmy Dulbecco 10010023 | D-PBS, bez Ca2+, Mg2+ |
| EVOS | Life Technologies | Własny mikroskop fluorescencyjny | |
| FACSCalibur | BD | In-house. Do cytometrii przepływowej. | |
| Płodowa surowica bydlęca (Hyclon) | GE Healthcare | SH3039603 | FBS. Składnik pożywki do hodowli komórkowych. |
| Sondy IDT Prime Time qPCR | Zintegrowane technologie danych | FAM fluorofor | http://www.idtdna.com/pages/products/gene-expression/primetime-qpcr-assays-and-primers |
| Lab Vision Wodne medium montażowe PermaFluor | ThermoScientific | TA-030-FM | Do przechowywania komórek, które mają zostać poddane ICC |
| LSR II | Placówka BD | UHN SickKids FC. Do cytometrii przepływowej. | |
| MoFlo Astrios | Beckman Coulter | UHN SickKids FC Facility. Do sortowania komórek. | |
| Normalna surowica kozia | Technologia sygnalizacji komórkowej | 5425S | NGS. Stosowany w roztworze blokującym do ICC |
| Nunc Lab-Tek II Chamber Coverglass, 8-dołkowy | Thermo Scientific Nunc | 155409 | Do przygotowania próbek do ICC |
| OmniPur Triton X-100 Surfaktant | EMD Millipore | 9410-OP | Jako składnik roztworu przepuszczalnego podczas przygotowywania komórek do |
| ICC Paraformaldehyd, 16% roztwór, EM Grade | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Do mocowania komórek do ICC. |
| Penicylina/streptomycyna | Gibco | 15140122 | Składnik pożywki do hodowli komórkowych. |
| Startery | Sigma | Niestandardowe standardowe oligonukleotydy DNA, odsolone, 0,2 μ mol | CTnT_F: GGC AGC GGA AGA GGA TGC TGA A; CTnT_R: GAG GCA CCA AGT TGG GCA TGA ACG A; MYH6 F: GCA AAG TAC TGG ATG ACA CGC T; MYH6 R: GTC ATT GCT GAA ACC GAG AAT G |
| Quorum Spinning Disk Confocal | Zeiss | SickKids Imaging Facility | |
| ReproCardio Kardiomiocyty pochodzące z komórek hiPS | ReproCell | RCD001N | Kontrola pozytywna dla qPCR |
| RNeasy mini kit | Qiagen | 74106 | Do izolacji RNA do qPCR |
| Rotor-Gene SYBR Green PCR Kit | Qiagen | 204074 | Do qPCR z mieszanką główną |
| RPMI 1640 | Gibco | A1049101 | Do MSC, pożywka do kohodowli monocytów. |
| Testy starterowe TaqMan qPCR | Thermo Fisher Scientific | 4444556 | Dla qPCR |
| Trypan Blue | Life Technologies | T10282 | Barwienie komórek pod kątem żywotności i liczenia |
| Trypsyna | Gibco | 272500108 | Do dysocjacji komórek |
| Moc | Perkin-Elmer | Volocity 6.3 | Oprogramowanie do obrazowania |
| 0,2 i mu; m filtr porowy | Thermo Fisher Scientific | 566-0020 | Do sterylizacji pożywek do hodowli |
| tkankowych HERAcell 150i Inkubator CO2 | Thermo Fisher Scientific | 51026410 | Do inkubacji komórek |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanem Dulbecco | Sigma-Aldrich | D8537 | PBS. 1X, Bez chlorku wapnia i chlorku magnezu |
| Kleszcze | Almedic | 7727- A10-704 | Do podawania serca szczura. Można użyć dowolnych podobnych kleszczy. |
| Nożyczki | Fine Science Tools | 14059-11 | Do mielenia serca szczura. Zalecane zakrzywione nożyczki. |
| Probówka 50 ml | BD Falcon | 352070 | Do pobierania podczas pobierania kardiomiocytów i ogólnych procedur hodowli tkanek |
| Probówka 15 ml | BD Falcon | 352096 | Do ogólnych procedur hodowli tkanek |
| Płytki 6-dołkowe | Thermo Scientific Nunc | CA73520-906 | Do hodowli tkankowych |
| 10 cm Naczynia do hodowli tkankowych | Corning | 25382-428 | Do formowania agregatów |
| Mikroskop Axiovert 40C | Zeiss | Do obrazowania w jasnym polu przez naszą hodowlę tkankową i resztę protokołu | |
| 70 μ m Sitko | komórkowe Fisherbrand | 22363548 | Aby zapewnić zawiesinę pojedynczej komórki przed cytometrią przepływową lub sortowaniem |
| Triton X-100 | EMD Millipore | 9410-1L | Stosowany w roztworze przepuszczalnym dla ICC |
| Hoechst 33342 | Thermo Fisher Scientific | H1399 | Bejca stosowanego podczas wizualizacji lokalizacji Cx43 |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.