System kultury 2i (inhibitor MEK/ERK i GSK3β) został pierwotnie opracowany w celu uszlachetnienia heterogenicznych kultur komórek macierzystych zarodkowych myszy (mESC) opartych na surowicy do jednolitego stanu podstawowego pluripotencji podobnego do mysiego epiblastu przedimplantacyjnego1. Jednak 2i nie wspiera stabilnego utrzymania ludzkich linii komórek macierzystych wielopotencjalnych (hPSC)2. Różne złożone małe cząsteczki, czynniki wzrostu uzupełnione i podejścia transgeniczne zostały niedawno zgłoszone jako zdobycie podobnych ludzkich stanów pluripotencjalnych przypominających stan naiwny2. Jednak wiele z "naiwnych" stanów stworzonych tymi metodami wykazywało również niestabilność kariotypów, wady epigenomowe (np. globalna utrata rodzicowskiego imprintingu genomowego) lub upośledzone potencjały różnicowania.
Natomiast koktajl potrójnej chemicznej inhibicji sygnałowania GSK3β, ERK i tankyrazy oraz czynnik hamujący białaczki (LIF-3i) był wystarczający do stabilnej naiwnej rewersji szerokiego repertuaru konwencjonalnych linii hPSC3. Nawrócone na LIF-3i naiwne hPSC (N-hPSC) utrzymywały normalne kariotyp i zwiększały ekspresję genów epiblastu przedimplantacyjnego specyficznych dla stanu naiwnego u ludzi (np. NANOG, KLF2, NR5A2, DNMT3L, HERVH, Stella (DPPA3), KLF17, TFCP2L1). Rewersja LIF-3i nadała również hPSC szereg cech molekularnych i biochemicznych unikalnych dla wielopotencjalności naiwnej podobnej do mESC, w tym zwiększone fosforylowane sygnałowanie STAT3, zmniejszone fosforylację ERK, globalną hipometylację 5-metylocytozyny CpG, genomową demetylację CpG w promotorach genów komórek macierzystych zarodkowych (ESC) i dominujące odległe użycie enhancera OCT4. Co więcej, w porównaniu z innymi metodami rewersji naiwnej, które prowadziły do nieprawidłowo hipometylowanych genomowych locus imprintowanych, nawrócone na LIF-3i N-hPSC nie wykazywały systematycznej utraty imprintowanych wzorców CpG lub utraty ekspresji metylotransferazy DNA (np. DNMT1, DNMT3A, DNMT3B)3.
Bezpośrednia kultura LIF-3i szerokiego wachlarza konwencjonalnych ludzkich komórek macierzystych zarodkowych (hESC) i ludzkich komórek macierzystych wielopotencjalnych indukowanych (hiPSC) hodowane na feederach lub warunkach bez feederów E8 osiągnęła szybkie i masowe odwrócenie do stanu naiwnego przypominającego epiblast. Jednak bezpośrednia naiwna rewersja LIF-3i może być nieefektywna w niektórych niestabilnych konwencjonalnych liniach hPSC z powodu wrodzonych różnic genomowych i związanych z linią plemienną zmienności wynikających z genetycznie zróżnicowanego pochodzenia donorów.
Dlatego, aby poszerzyć przydatność metody LIF-3i, opracowano i przedstawiono tutaj stopniową optymalizację, która pozwala na uniwersalną naiwną rewersję z prawie każdą konwencjonalną linią hESC lub wolną od transgenów linią hiPSC hodowanych na feederach. Ta uniwersalna metoda naiwnej rewersji stosuje początkowy tymczasowy krok kultury w konwencjonalnych hPSC, która uzupełnia koktajl LIF-3i o dwa dodatkowe małe cząsteczki (LIF-5i), które wzmacniają sygnałowanie kinazy białkowej A (forskolin) i sonic hedgehog (sHH) (purmorphaminę). Jeden początkowy przebieg konwencjonalnych hPSC w LIF-5i przystosowuje je do kolejnej stabilnej rewersji LIF-3i w dużych ilościach. Początkowa adaptacja LIF-5i znacząco zwiększa początkową klonalną proliferację jednokomórkowych konwencjonalnych hPSC hodowanych na E8 lub feederach (przed ich kolejnym stabilnym, ciągłym przebiegom w LIF-3i). Konwencjonalne linie hPSC zaadaptowane najpierw do jednego przebiegu w LIF-5i tolerują następnie masowe klonalne przebiegową naiwnie odwróconych komórek w warunkach LIF-3i, co eliminuje konieczność wybierania i subklonowania rzadkich stabilnych kolonii lub rutynowego stosowania anty-apoptotycznych cząsteczek lub inhibitorów Rho-skojarzonej białkowej kinazy (ROCK).
Metoda LIF-3i została pomyślnie zastosowana do stabilnego ekspandowania i utrzymywania szerokiego repertuaru ponad 30 niezależnych, genetycznie zróżnicowanych konwencjonalnych linii hPSC przez ponad 10-30 przebiegów za pomocą metod nieswoistych enzymatycznych lub enzymatycznych, bez występowania indukcji chromosomalnych lub epigenomowych anomalii, w tym anomalii w locus genów imprintowanych. Dodatkowo, sekwencyjna kultura LIF-5i/LIF-3i jest jedyną metodą naiwnej rewersji, która dotychczas została zgłoszona, która poprawia funkcjonalną pluripotencję szerokiego repertuaru konwencjonalnych linii hPSC, zmniejszając ich ekspresję genów związanych z linią i dramatycznie poprawiając ich wielopotacyjną potencjał różnicowania. Metoda naiwnej rewersji LIF-3i eliminuje wrodzoną zmienność międzyliniową różnicowania konwencjonalnych linii hPSC związanych z linią i będzie miała dużą przydatność w zastosowaniach medycyny regeneracyjnej i terapii komórkowych.