Fornecemos um protocolo minimamente invasivo para o transplante intramuscular de ilhéus de células-tronco pancreáticas derivadas de células-tronco humanas em camundongos imunodeficientes, para implantação in vivo e análise posterior.
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Fornecemos um protocolo minimamente invasivo para o transplante intramuscular de ilhéus de células-tronco pancreáticas derivadas de células-tronco humanas em camundongos imunodeficientes, para implantação in vivo e análise posterior.
As células endócrinas pancreáticas derivadas de células-tronco pluripotentes humanas (hPSC) constituem uma fonte promissora para terapia celular do diabetes e modelagem de doenças. Embora vários protocolos de diferenciação tenham sido estabelecidos, a implantação in vivo é comumente necessária para estudar maturação e função dentro de um contexto fisiológico. A maioria das abordagens de transplante depende de locais como a cápsula renal ou o espaço subcutâneo, que podem apresentar limitações técnicas ou fisiológicas. Aqui, apresentamos um protocolo detalhado para o transplante intramuscular de ilhéus SC pancreáticos derivados de hPSC em camundongos imunodeficientes. Este site permite acesso cirúrgico simples, redução da invasividade e coleta confiável de enxertos para análises posteriores. O procedimento possibilita a implantação intramuscular de ilhéus derivados de células-tronco e apoia sua recuperação para avaliação posterior da secreção de insulina após um desafio oral de glicose. O protocolo inclui etapas para preparação e compactação de clusters, cirurgia de transplante, secreção de insulina estimulada por glicose in vivo (GSIS) e coleta de enxertos para análise histológica, fornecendo uma estrutura reprodutível para transplante intramuscular em modelos de camundongos pré-clínicos.
O diabetes é um distúrbio metabólico heterogêneo cuja prevalência dobrou nas últimas três décadas e espera-se que afete 1,3 bilhão de pessoas até 2050. Embora fatores ambientais, como dieta e estilo de vida, desempenhem um papel significativo no aparecimento do diabetes tipo 2 (DT2), a predisposição genética também contribui substancialmente para suapatogênese 2. As células β pancreáticas são responsáveis pela síntese e secreção de insulina e desempenham um papel central na fisiopatologiado diabetes 3. Para entender como o risco genético contribui para a disfunção das células β, as células β derivadas de células-tronco humanas, organizadas como agrupamentos endócrinos tridimensionais (doravante chamados de ilhotas SC) fornecem um sistema modelo altamente informativoe relevante 4,5. Protocolos recentes orientam efetivamente a diferenciação das células-tronco humanas em células β produtoras de insulina, recapitulando estágios-chave do desenvolvimento pancreático usando inibidores e fatores de crescimento específicos 6,7.
Esses sistemas replicam de forma confiável marcos do desenvolvimento de forma escalável e reprodutível, superando as limitações dos ilhéus derivados de doadores, que não suportam modelagem de desenvolvimento e estão sujeitos a restrições de oferta. Modelos de Murine forneceram insights valiosos sobre o desenvolvimento pancreático, mas frequentemente não conseguem reproduzir totalmente as manifestações fenotípicas observadas em pacienteshumanos 5. Consequentemente, o uso de um sistema baseado em células-tronco permite a caracterização de variantes genéticas envolvidas no desenvolvimento pancreático humano e β disfunçãocelular 8.
Apesar desses avanços, ilhéus SC gerados in vitro permanecem transcriptomicamente e funcionalmente imaturos em comparação com as células nativas de β adultas. Eles apresentam secreção de insulina estimulada pela glicose subótima e falta de expressão de marcadores maduros de β células, como MAFA e G6PC2 9,10. Para preencher essa lacuna, a maturação in vivo via transplante em camundongos imunodeficientes é frequentemente empregada; Isso normalmente melhora tanto a dinâmica da secreção de insulina quanto os perfis de expressãogênica 6.
O metabolismo da glicose é rigidamente regulado e requer a integração de sinais sistêmicos. Ilhéus SC transplantados são capazes de integrar sinais de múltiplos órgãos, proporcionando um ambiente fisiologicamente mais relevante, crucial para avaliar as consequências funcionais da variação genética em células βhumanas 11.
O transplante de ilhotas SC em camundongos já foi realizado em diferentes locais anatômicos. O local convencional é a cápsula renal, eficaz para promover a maturação de células β e reverter o diabetes em roedores tratados com estreptozotocina (STZ) 12, mas envolve uma cirurgia invasiva complexa, que limita sua implementação emlaboratórios 13. Além disso, esse método não é aplicável para ambientes clínicos para tratar pacientes com diabetes tipo 1 devido às limitações de tamanho evascularização 14. Locais alternativos de transplante, como tecido intramuscular, subcutâneo e adiposo, foram relatados, oferecendo vias menos invasivas e mais clinicamente aplicáveis. Embora o transplante intramuscular possa apresentar desafios para alcançar a maturação ideal das células β e secreção de insulina em comparação com a cápsularenal 12, ainda assim pode alcançar secreção eficaz de insulina e manutenção da homeostase glicose, ao mesmo tempo em que oferece uma abordagem cirúrgica mais simplese acessível 15,16.
Portanto, neste protocolo, apresentamos uma abordagem de transplante intramuscular que aborda várias limitações de outros protocolos de transplante. Esse método é minimamente invasivo e oferece uma estratégia in vivo confiável para amadurecer ilhéus-SC e investigar variantes genéticas ligadas à disfunção β-celular.
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Todos os experimentos envolvendo células-tronco pluripotentes (hPSCs) e animais de laboratório foram aprovados por comitês de ética institucionais, regionais e nacionais. As linhas hPSC usadas aqui foram originalmente derivadas e distribuídas de acordo com as aprovações éticas apropriadas e os procedimentos de consentimento informado nas instituições de origem. A Figura 1 mostra o fluxo de trabalho geral, desde a manutenção do hPSC até a diferenciação e maturação dirigida da linhagem pancreática em ilhéus SC adequados para transplante.
1. Diferenciação de hPSCs em progenitores pancreáticos
NOTA: Este protocolo se baseia em dois passos preparatórios essenciais: 1) a manutenção e expansão dos hPSCs, e 2) sua diferenciação direcionada para a linhagem endócrina do pâncreas. Ambos os passos foram descritos emdetalhes 7,17. Os hPSCs são mantidos em placas revestidas com meio B8, seguindo as recomendações de Lyria-Leyte et al.17. Colhe hPSCs para diferenciação durante crescimento exponencial antes que se tornem confluentes. Na densidade de semeadura recomendada, elas devem atingir 90-100% de confluência no dia seguinte, prontas para iniciar a diferenciação. A diferenciação em direção à linhagem endócrina do pâncreas é realizada de acordo com o procedimento descrito por Barsby et al.7. Detalhes completos da mídia podem ser encontrados na Tabela 1.
2. Geração de aglomerados 3D e diferenciação para células produtoras de insulina
NOTA: No 11º dia, as células diferenciadas deveriam ter se desenvolvido em progenitores pancreáticos. Para promover ainda mais a diferenciação endócrina nessa etapa, as células fazem a transição da cultura planar para a cultura 3D.
3. Transplante de ilhéus SC para o músculo tenso de camundongos imunodeficientes
NOTA: Ilhéus SC foram transplantados em vários estágios de diferenciação (do estágio 4 ao estágio 7). Enquanto o transplante de ilhéus SC diferenciados S7 representa a estratégia ideal para avaliar a resposta àglicose 6, o transplante de progenitores em estágio anterior (S4-S5) ou ilhéus SC imaturos (S6) pode ajudar a revelar diferenças de diferenciação ou maturação que são mascaradas in vitro pelo uso de condições definidas em cultura. No entanto, o transplante de progenitores menos diferenciados traz um risco aumentado de formação de teratomas, principalmente devido à população celular residual e indiferenciada.
4. Secreção de insulina estimulada por glicose in vivo (GSIS)
NOTA: GSIS in vivo, via desafio oral da glicose, avalia a secreção funcional de insulina em resposta a um estímulo fisiológico. Todos os procedimentos devem seguir as diretrizes institucionais de cuidado e uso dos animais. As respostas funcionais das células β transplantadas melhoram com a maturação in vivo : o peptídeo C humano pode ser detectado já duas semanas após o transplante, enquanto a secreção robusta responsiva à glicose é tipicamente alcançada em 4 semanas. Esses prazos podem variar dependendo do estágio de desenvolvimento dos ilhéus SC no momento do transplante
5. Recuperação de aglomerados enxertados
6. Coloração dos explantações
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Os resultados apresentados correspondem ao transplante intramuscular de ilhéus SC de estágio 7 em camundongos imunodeficientes e a análise realizada 6 semanas após o transplante. Um número limitado de animais com enxertos representativos foi analisado para ilustrar a viabilidade do procedimento. Neste estudo, um resultado bem-sucedido é definido como a retirada macroscópica do enxerto intramuscular, seguida pela confirmação histológica da sobrevivência e ...
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Neste protocolo, descrevemos o transplante intramuscular de ilhéus SC como uma abordagem direta, reproduzível e minimamente invasiva para maturação in vivo , com potencial para avaliação funcional. Embora o transplante sob a cápsula renal seja amplamente considerado o "padrão ouro" para o entrétimento de ilhotas ou ilhotas SC em roedores, requer maior expertise técnica e um procedimento cirúrgico mais longo. Em contraste, o local intramuscular oferece simplicidade procedimental ...
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Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.
Agradecemos ao Dr. Danwei Huangfu (Memorial Sloan Kettering Cancer Center, Nova York, EUA) por fornecer generosamente as linhas de hPSC utilizadas neste estudo. Esse trabalho foi apoiado por bolsas PID2021-122284NA-I00 e CNS2023-145179 do Ministério da Ciência, Inovação e Universidades da Espanha MICIU/AEI/10.13039/501100011033 e Next GenerationEU/PRTR (A.B.), e do CIBER-Consórcio para Pesquisa Biomédica em Rede, CB07/08/0029 e PID2023-150719OB-I00 (M.V.), Instituto de Salud Carlos III (ISCIII). O Centro de Pesquisa Biomédica em Diabetes e Distúrbios Metabólicos Associados (CIBERDEM) é uma iniciativa do ISCIII e parcialmente apoiado pelo Fundo Europeu de Desenvolvimento Regional (FEDER).
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| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| 2-Phospho-L-ascorbic acid trisodium salt | Sigma Aldrich | 49752 | |
| Activin A | Qkine | Qk001 | |
| AggreWell 400 24-well (microwell plate) | Stemcell | 34415 | |
| Betacellulin | GenScript | Z03102 | |
| Bovine Serum Albumin, Fraction V, Fatty Acid Free | Goldbio | A-421 | |
| CHIR 99021 | LC labs | C-6556 | |
| Chroman-1 | Medchem Express | HY-15392 | CEPT cocktail |
| CMRL-1066 | Pan Biotech | P04-84600 | |
| D-(+)-Glucose | Sigma Aldrich | G7021 | |
| Dibenzazepine (DBZ) | Syncom | Custom product | Gamma-secretase inhibitor |
| Dulbecco's Modified Eagle Medium and Ham’s F12 media (DMEM/F12) | Corning | 15383541 | |
| EGF | Qkine | Qk011 | |
| Emricasan | Medchem Express | HY-10396 | CEPT cocktail |
| Ethanolamine | Sigma Aldrich | E9508 | |
| FGF2-G3 | GenScript | Custom product | |
| FGF7 | GenScript | Z03047 | |
| Heparin | Sigma Aldrich | H3149 | |
| Insulin | Gibco | 30284510 | |
| L-Alanyl-L-Glutamine | Linus | X0551-100 | |
| L-Ascorbic Acid | Santa Cruz | sc-202686 | |
| LDN-193189 | Sigma Aldrich | SML0559 | |
| Lipid Concentrate | Gibco | 11548846 | |
| Matrigel (basement membrane-derived extracellular matrix) | Falcon | 354230 | |
| MCDB 131 | Corning | 15-100-CV | |
| N-acetylcysteine | Thermo Scientific | 10521221 | |
| NaHCO3 | Fisher Scientific | 10553325 | |
| Nicotinamide | Sigma Aldrich | N0636 | |
| NRG-1 | Qkine | Qk045 | |
| Pluronic F-127 (anti-adherence solution) | Sigma Aldrich | 82184 | Used at 5% (w/v) |
| Polyamine Supplement (1000×) | Sigma Aldrich | P8483 | CEPT cocktail |
| RepSox | MedChemExpress | HY-13012 | Alk5 Inhibitor |
| Retinoic Acid | Sigma Aldrich | R2625 | |
| SANT-1 | Selleckchem | S7092 | |
| Sobetirome (GC1) | Sigma Aldrich | SML1900-5MG | Cell-permeable T3 analog |
| Sodium Pyruvate | Corning | 25-000-CI | |
| Sodium Selenite | Sigma Aldrich | S5261 | |
| T3 (3,3′,5-Triiodo-L-thyronine sodium salt) | Sigma Aldrich | T6397 | |
| TGF-β1 | Qkine | Qk010 | |
| TPB | Tocris | 5343 | |
| Trace Elements A | Corning | 15333641 | |
| Trace Elements B | Corning | 15343641 | |
| Trans-ISRIB | Medchem Express | HY-12495 | CEPT cocktail |
| Transferrin | InVitria | 777TRF029 | |
| Triton X-100 (nonionic surfactant) | Thermo Scientific | 11488696 | |
| TrypLE | Gibco | 11538856 | |
| Y-27632 | LC Laboratories | Y-5301 | ROCK inhibitor |
| ZM-447439 | MedChemExpress | HY-10128 | |
| ZnSO4 | Sigma Aldrich | Z0251 | |
| Antibodies | |||
| Rat anti-Human C-peptide (insulin) | DSHB | GN-ID4-s | Used at 150 ng/mL |
| Mouse anti-glucagon | Proteintech | 67286-1-Ig | 1:2000 |
| Rabbit anti-somatostatin | Millipore | AB5494 | 1:500 |
| Goat anti-rat AF488 | Invitrogen | A-11006 | 1:500 |
| Donkey anti-mouse AF488 | Invitrogen | A-21202 | 1:500 |
| Donkey anti-rabbit AF488 | Invitrogen | A-21206 | 1:500 |
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