В данном исследовании описан метод получения хондроцитарных сфероидов путем агрегации клеток в сфероиды в условиях низкой адгезии с использованием силы тяжести с последующим культивированием полученных сфероидов в мини-биореакторах.
Методическая статья
В данном исследовании описан метод получения хондроцитарных сфероидов путем агрегации клеток в сфероиды в условиях низкой адгезии с использованием силы тяжести с последующим культивированием полученных сфероидов в мини-биореакторах.
Восстановление хряща при хронических заболеваниях суставов требует передовой клеточной терапии для эффективной регенерации поврежденных тканей. Этот протокол представляет собой пошаговый метод дифференцировки индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК) в сфероиды на основе хондроцитов, поддерживая применение тканевой инженерии и клеточной терапии. Процесс дифференцировки тщательно структурирован таким образом, чтобы способствовать приверженности хондрогенной линии, начиная с иПСК, культивируемых в определенных средах, которые последовательно направляют клетки через критические стадии дифференцировки. Первоначально ИПСК расширяют для достижения оптимального слияния перед индукцией к хондрогенной линии с использованием серии определенных изменений среды. К 10-му дню клетки переходят в среду, способствующую хондрогенезу, которая усиливает образование хондроцитоподобных клеток, экспрессирующих ключевые маркеры зрелых хондроцитов. Дальнейшая агрегация в 96-луночных пластинах, покрытых агарозой, приводит к образованию трехмерных сфероидов, которые затем культивируются в специализированных мини-биореакторах, предназначенных для моделирования микросреды, способствующей осаждению внеклеточного матрикса (ВКМ). Обеспечивая масштабируемое производство сфероидов хондроцитов, которые имитируют характеристики нативного хряща, этот подход предлагает многообещающее, воспроизводимое решение для разработки клеточных методов лечения дефектов хряща, обеспечивая широкую полезность для клинических и исследовательских применений в регенеративной медицине опорно-двигательного аппарата.
Распространенность заболеваний суставов приводит к значительному экономическому бремени из-за растущего числа нетрудоспособных пациентов и расходов, связанных с их лечением. Гиалиновый хрящ представляет собой соединительную аваскулярную ткань с ограниченным регенеративным потенциалом1. Длительное использование некоторых нестероидных противовоспалительных препаратов (НПВП), глюкокортикоидов, а также химиотерапии или лучевой терапии может еще больше снизить регенеративную способность хряща, практически уничтожая его способность к заживлению. Это затрудняет получение аутологичных хрящевых клеток для клеточной терапии.
Технология трехмерного (3D) культивирования клеток, в том числе хондроцитов, уже давно признана новой областью исследований со значительным потенциалом. Эти 3D-структуры изучаются для применения как в фундаментальных биологических исследованиях, так и в регенеративной медицине. Сфероиды, полученные из аутологичных хондроцитов, являются терапевтическими перспективами для борьбы с дегенерацией хрящевой ткани, состоянием, которому в настоящее время уделяетсязначительное внимание во всем мире.
Сфероиды, полученные из хондроцитов, дифференцированных от иПСК, представляют собой многообещающую альтернативу первичным хондроцитам, предлагая значительные преимущества для восстановления хряща. ИПСК обеспечивают практически безграничную способность к самообновлению и обладают широким потенциалом дифференцировки, что позволяет производить хондроциты в количествах, достаточных для клинического применения без инвазивныхпроцедур сбора клеток. Более того, переход от традиционных двумерных (2D) культур хондроцитов к 3D-системам культивирования, таким как хондросферы, еще больше повышает жизнеспособность и функциональность этих клеток за счет создания более физиологически значимой среды. Исследования показывают, что хондроциты, культивируемые в 3D-сфероидах, лучше сохраняют свой фенотип, демонстрируя более низкие темпы дедифференцировки и более высокие уровни экспрессии ключевых маркеров гиалинового хряща, таких как коллаген II типа и агрекан5.
Несмотря на потенциал хондросфер, полученных из iPSC, стандартизированные протоколы для генерации высококачественных хондросфер остаются ограниченными. Вариабельность протоколов в разных исследованиях часто приводит к несоответствиям в качестве хондроцитов и составе внеклеточного матрикса, что влияет на их эффективность для терапевтического использования6. Здесь представлен усовершенствованный протокол, который стандартизирует генерацию сфероидов из хондроцитов, полученных из iPSC, с использованием доступных, изготовленных по индивидуальному заказу мини-биореакторов. Фаза культивирования в мини-биореакторе имеет важное значение, так как она обеспечивает контролируемую настройку с низким уровнем адгезии, которая оптимизирует распределение питательных веществ, созревание ECM и уплотнение сфероидов7. Эта фаза способствует устойчивой экспрессии основных маркеров хондроцитов, включая коллаген II типа, аггрекан и SOX9, а также композицию ВКМ, которая очень похожа на нативный хрящ. Регулярная смена среды и тщательный контроль условий окружающей среды – температуры,CO2 и скорости вращения – еще больше обеспечивают жизнеспособность и созревание сфероидов хондроцитов. Этот протокол был оптимизирован для создания высококачественных хондросфер с сильной экспрессией маркеров гиалинового хряща экономически эффективным и масштабируемым способом, пригодных для исследований и клинического применения в области восстановления хряща.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Исследование прошло рецензирование и одобрение Этического комитета ФНКЦ ПКМ «ФНК им. Н.И. Лопухина» (протокол No 2019/02 от 9 апреля 2019 года). Все донорские образцы были получены в соответствии с принципами Хельсинкской декларации. Информированное согласие было получено от всех участников и/или их законных опекунов.
ПРИМЕЧАНИЕ: Поддерживайте стерильную технику на протяжении всего протокола. Нагрейте все питательные среды и растворы до 37 °C перед нанесением на клетки или сфероиды. Культивируйте клетки в инкубаторе сCO2 при температуре 37 °C, с 5%CO2 при влажности 80%. Схема протокола представлена на рисунке 1.

Рисунок 1: Протокол получения хондросфер из линии IPSRG4S iPSC. (A) Первоначально iPSCs культивируют в средах плюрипотентных стволовых клеток до тех пор, пока не будет достигнуто 80% слияние. (В) Чтобы индуцировать дифференцировку в направлении хондроцитарной линии, иПСК затем культивируют в среде А в течение 2 дней. Затем среду заменяют композицией, в которой отсутствует Chir 99021 и ингибитор рокиназы, и клетки культивируют в течение дополнительных 6 дней со сменой среды каждые 2 дня. (C) Затем клетки переносят в среду B для стимулирования хондрогенеза в течение следующих 10 дней. (D) Как только достигнуто достаточное количество клеток, процесс переходит к стадии производства сфероидов. (E) Клетки агрегируются в сфероиды в условиях низкой адгезии под действием силы тяжести. (F) Полученные сфероиды культивируются в мини-биореакторах со средой B. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
1. Превращение чашек Петри в мини-биореакторы
ПРИМЕЧАНИЕ: Подробности в предыдущей статье5.
2. Обработка посуды с культурой желатином
3. Выделение и культивирование хондроцитов
Хондроциты выделяются из хрящевых областей, не несущих вес, у пациентов, перенесших полную замену коленного сустава. Соберите все образцы в стерильных условиях и храните их в стерильных пробирках, заполненных DMEM, содержащим 200 Ед/мл раствора пенициллина/стрептомицина. Хранить хрящевую ткань в холодильнике при температуре 2-8 °C.
4. Культивирование плюрипотентных стволовых клеток
ПРИМЕЧАНИЕ: В сотрудничестве с Лабораторией стволовых клеток Группы молекулярных исследований мозга, Департамент нейробиологии, Институт А.И. Виртанена, Университет Восточной Финляндии, Куопио, Финляндия, впредыдущем исследовании была успешно создана линия iPSCs IPSRG4S.
5. Хондрогенная дифференцировка ИПСК
6. Образование сфероидов из хондроцитоподобных клеток, полученных из iPSC
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Описанный протокол проиллюстрирован на рисунке 1. В данной методологии используются две различные питательные среды для дифференцировки иПСК в сфероиды хондроцитов в течение минимального периода времени в 1 месяц (рис. 2). Процесс дифференцировки инициируется, когда ИПСК достигают 75%-90% конфлюенции (Рисунок 1B). Ранние признаки хондрогенной дифференцировки проявляются примерно на 9-10-е сутки культ...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
ИПСК представляют собой преобразующий инструмент в регенеративной медицине, предлагающий потенциал для создания специфических для пациента хондроцитов для восстановления хряща. Современные протоколы используют направленную дифференцировку через мезодермальные пути, при этом ключевые сигнальные молекулы, такие как TGF-β и BMP-2, способствуют приверженности хондроцитарной линии. Эти методы направлены на репликацию эмбрионального развития хряща, что позволяет производить компоненты внеклето...
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда #22-15-00250.
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 0,05% раствор трипсина | Thermo Fisher Scientific | 25300-062 | |
| 0,25% раствор трипсина | Thermo Fisher Scientific | 25200-072 | |
| Advanced DMEM/F12 Eagle's medium | Thermo Fisher Scientific | 12634028 | |
| Aggrecan Моноклональное антитело | Invitrogen | AHP0022 | хозяина: мышь; Разбавление: 1/500 |
| Аскорбиновая кислота | Sigma | A4544 | 50 μ г/мл |
| добавка B-27 | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | 1x или 2% |
| Бета-меркаптоэтанол | Serva | 28625 | 90 мМ |
| BMP2 | Miltenyi biotec | 130-110-922 | 10 нг/мл |
| Chir 99021 | Miltenyi biotec | 130-103-926 | 10 μ M |
| COL1A1 (E6A8E) Моноклональное антитело | CellSignalling | 39952 | Хозяин: Кролик; Разведение: 1/800 |
| COL2A1 (M2139) Моноклональное антитело | Santa Cruz | sc-52658 | Хозяин: мышь; Разведение: 1/50 |
| раствора коллагеназы II типа | PanEco | P011-2 | 0,01% |
| DAPI (4',6-диамидино-2-фенилиндол) | Sigma-Aldrich | D9542-5MG | 1 μ г/мл |
| DMEM среда без глутамина | PanEco | ?420? | |
| Фетальная бычья сыворотка | Thermo Fisher Scientific | 10270106 | 10% |
| раствор Хэнкса | ПанЭко | ?020? | |
| Hybris 8 medium | PanEco | ?780?/?780 | |
| Инсулин-Трансферрин-Селен раствор | PanEco | ?065 | 1x раствор имеет следующие концентрации: Инсулин: 10 & микро; г/мл; Трансферрин: 5,5 и микро; г/мл; Селен 5 нг/мл |
| L-аланил-L-глутамин | Thermo Fisher Scientific | 35050038 | 2 мМ |
| матрица Matrigel | BD | 354277 | 300 мкм; г/мл |
| раствора пенициллин-стрептомицина | PanEco | ?063? | 100 Ед/мл |
| Ретиноевая кислота | Miltenyi biotec | 130-117-339 | 10 нМ |
| ингибитор рокиназы Y27632 | Miltenyi biotec | 130-103-922 | 10 мМ |
| Вторичное антитело козье антимышиное IgG (H+L) с перекрестной адсорбцией, Alexa Fluor 555 | Thermo Fisher Scientific | A21422 | Хозяин: Коза; Разведение: 1/500 |
| вторичного антитела козьего антикроличьего IgG (H+L) с высокой степенью перекрестной адсорбции, Alexa Fluor Plus 555 | Thermo Fisher Scientific | ?32732 | Хозяин: Коза; Разведение: 1/500 |
| Sox9 (D8G8H) Моноклональное антитело | CellSignalling | 82630 | Хозяин: Rb; Разведение: 1/400 |
| TeSR-1 средние | технологии стволовых клеток | 85850 | |
| TGF-β 1 | Miltenyi biotec | 130-095-067 | 10 нг/мл |
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение