Summary
Nous avons établi un protocole pour l'induction de cardioblasts direct pluripotentes cellules souches embryonnaires humaines maintenues dans des conditions définies avec de petites molécules, qui permet la dérivation d'une offre importante de progéniteurs cardiaques humaines et fonctionnel pour les cardiomyocytes cardiovasculaires réparation.
Abstract
À ce jour, l'absence d'une source appropriée de cellules humaines cardiaques a été le revers majeur dans la régénération du myocarde humain, soit par transplantation de cellules à base cardiaques ou par génie tissulaire 1-3. Cardiomyocytes deviennent terminale différenciée peu après la naissance et perdent leur capacité à proliférer. Il n'existe aucune preuve que les cellules souches / progénitrices provenant d'autres sources, telles que la moelle osseuse ou le sang du cordon, sont capables de donner naissance à des cellules contractiles du muscle cardiaque après transplantation dans le coeur 1-3. Le besoin de se régénérer ou de réparer le muscle cardiaque endommagé n'a pas été atteint par une thérapie de cellules souches adultes, soit endogène ou via la livraison de cellules 1-3. Le maïs génétiquement stables cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) ont une capacité d'expansion illimitée et la plasticité illimitée, proférer un réservoir pluripotentes dans la dérivation in vitro de l'approvisionnement important de cellules somatiques humaines qui sont limitées à la lignée qui en ont besoinde réparation et de régénération 4,5. En raison de la prévalence des maladies cardiovasculaires dans le monde entier et aiguë la pénurie de donneurs d'organes, il ya un vif intérêt dans les thérapies à base de CSEh en développement comme une approche alternative. Cependant, comment canaliser le potentiel de différenciation des CSEh gamme pluripotentes efficacement et de façon prévisible à un phénotype désiré a été un défi majeur pour les deux étude sur le développement et la traduction clinique. Les approches classiques s'appuient sur la multi-lignée de cellules pluripotentes inclinaison grâce à la différenciation de germe de la couche spontanée, résultant dans la lignée de l'engagement-inefficace et incontrôlable qui est souvent suivie d'hétérogénéité phénotypique et de l'instabilité, par conséquent, un risque élevé de tumorigénicité 6-8 (voir un schéma de Fig. 1A). En outre, les étrangers non définie / animal suppléments biologiques et / ou des mangeoires qui ont généralement été utilisé pour l'isolation, l'expansion et la différenciation des CSEh peuvent faire usage direct de ces cellules-spécialisationzed greffes chez des patients problématiques 9-11. Pour surmonter ces obstacles, nous avons résolu les éléments d'un système de culture définies nécessaire et suffisante pour le maintien de la pluripotence des CSEh épiblaste, servant de plateforme de novo dérivation de CSEh cliniquement appropriée et efficace de diriger les CSEh uniforme de telles lignées envers cliniquement pertinentes par de petites molécules 12 (voir le schéma dans la Fig. 1B). Après criblage d'une variété de petites molécules et des facteurs de croissance, nous avons constaté que ces conditions définies rendu nicotinamide (NAM) suffisante pour induire la spécification de cardiomesoderm direct de CSEh pluripotentes encore progressé au cardioblasts qui a généré des cardiomyocytes humains battre avec une grande efficacité (Fig. 2 ). Nous avons défini les conditions d'induction de cardioblasts direct de CSEh pluripotentes sans intervention multi-lignée stade de corps embryoïdes, permettant bien contrôlée de dérivation efficace d'ungrande quantité de cellules cardiaques humaines à travers le spectre des stades de développement à base de cellules thérapeutiques.
Protocol
1. Solution et les médias Préparation
- Solution d'enrobage gélatine: 0,1% (p / v) de gélatine dans ddH 2 O, à l'autoclave et conserver à 4 ° C.
- Matrigel solutions de revêtement. Solution mère: le dégel lent Matrigel (10 ml) à 4 ° C pendant la nuit, ajoutez 10 ml glacée DMEM ou DMEM/F12, bien mélanger et aliquote de 1 ml / tube sous le capot de culture de tissus stérilisés, conserver à -20 ° C. Solution de travail: le dégel lent aliquote de 1 ml de Matrigel à 4 ° C pendant 1-2 heures, transfert à 14 ml refroidi DMEM ou DMEM/F12 et bien mélanger sous le capot de culture de tissus stérilisés immédiatement avant revêtement.
- Homme solution d'enrobage laminine: diluer 1 ml de solution humaine laminine (0,5 mg / ml en tampon Tris NaCl, stocker à -80 ° C, laisser décongeler lentement à 4 ° C pendant 1-2 heures) avec glacée DMEM ou d'DMEM/F12 12,5 ml de solution de travail (40 pg / ml) sous le capot de culture de tissus stérilisés immédiatement avant revêtement.
- Des solutions de facteur de croissance des stocks (500-1000X): dissoudre facteur de croissance à 10 ug/ Ml dans un tampon stérile (0,5% de BSA, 1,0 mM DTT, 10% glycérol, 1XPBS) et stocker que 50-100 ul / tube aliquotes à -80 ° C.
- Les médias HESC: DMEM/F12 ou KO-DMEM (80%), du sérum de remplacement KO (20%), la L-alanyl-L-Gln-Gln ou L (2 mM), MEM acides aminés non essentiels (MNAA, 1X), et β-mercaptoéthanol (100 uM), filtrée et conserver à 4 ° C, additionné de 20 ng / ml de bFGF avant utilisation. Ou en remplaçant "KO du sérum de remplacement» avec des composants définis: DMEM/F12 ou KO-DMEM (100%), la L-alanyl-L-Gln-Gln ou L (2 mM), MNAA (1X), MEM acides aminés essentiels (MEAA , 1X) et β-mercaptoéthanol (100 uM), filtrée et conserver à 4 ° C, complété par le bFGF (20 ng / ml), l'insuline humaine (20 pg / ml), acide ascorbique (50 pg / ml), humaines activine A (50 ng / ml), de l'albumine humaine / Albumax (10 mg / ml), et de la transferrine humaine (8 pg / ml) avant utilisation.
- Les médias HESC différenciation cardiaque: DMEM/F12 (90%), FBS définie (10%), et L-alanyl-L-Gln-Gln ou L (2 mM).
- Nicotinamide médias contenant (NAM): ajouter NAM pour les médias ou les médias HESC HESC différenciation cardiaque à la concentration finale de 10 mM, filtré, conserver à 4 ° C et utiliser dans les 2 semaines de préparation.
2. Revêtement Plate
- Manteau avec plaques de gélatine: ajouter 2,5 ml / puits de solution de gélatine à 6 plaques à puits et incuber une nuit dans un 37 ° C incubateur humidifié.
- Manteau plaques de laminine: chill plaques enduites de gélatine et de supprimer la gélatine, ajouter 2,5 ml / puits Matrigel ou humains solution d'enrobage laminine travail de pré-réfrigérée gélatinisé plaques 6 puits et incuber à 4 ° C pendant la nuit.
3. Le repiquage et l'ensemencement CSEh indifférenciées dans des conditions définies
- Autoriser les colonies CSEh poussent à 5-7 jours anciens, et de prendre des plaques de culture des CSEh au microscope à dissection (préchauffer disséquer étape à 37 ° C) sous le capot dissection stérilisés.
- Sélectionnez les colonies de CSEh à fractionner. Morphologiquement, ces colonies doivent avoir> 75% CSEh indifférenciées (smtoutes les cellules compactes), habituellement légèrement opaque (pas blanc-empilées les cellules, pas clairement différenciées des cellules) avec bord définie sous le microscope à dissection. Soigneusement décrire les colonies sélectionnées et enlever la couche de fibroblastes différenciés qui entourent la colonie et toutes les parties différenciées (le cas échéant) de la colonie avec le bord de la P2 pointe de pipette stérile ou tiré capillaire en verre.
- Retirez le vieux médias contenant flottante détachée des cellules différenciées en aspirant. Laver avec les médias de CSEh (sans bFGF) une fois. Ajouter 3 ml / media CSEh bien frais contenant 20 ng / ml de bFGF.
- Couper les colonies CSEh indifférenciées en petits morceaux, et détacher avec la pointe de pipette stérile ou en verre tiré capillaire.
- Piscine les médias contenant des pièces détachées colonie ensemble dans un tube conique de 50 ml. Laver la plaque une fois avec 1 ml / media CSEh puits contenant 20 ng / ml de bFGF et mettre en commun.
- Aspirer le Matrigel ou humains solution de laminine à partir des plaques revêtues frais. Aliquoter 4 ml / h etESC média contenant des morceaux colonie à une plaque à 6 puits. Délicatement le transfert de la plaque de l'incubateur sans secouer et permettre la colonie plantons nuit sans déranger dans un incubateur humidifié 37 ° C avec une atmosphère de 5% de CO 2.
4. Induction cardiaque des CSEh sous Système de culture définis avec nicotinamide
- Au jour 3 après le semis, enlever la plupart des vieux médias de chaque puits de la plaque et laisser les médias suffisamment pour permettre des colonies de CSEh à être submergée (CSEh jamais permettre à sécher). Remplacez-le par 4 ml / media CSEh bien frais contenant 20 ng / ml de bFGF et 10 mM nicotinamide (NAM).
- Remplacer les vieux médias avec les médias CSEh frais contenant 20 ng / ml de bFGF et 10 mM NAM tous les autres jours, et permettre colonies CSEh cardiaques induits par pousser à 8-10 jours. Sur exposant à NAM, toutes les cellules à l'intérieur de la colonie va subir des modifications morphologiques de grands cellules différenciées qui continueront à se multiplier. Les colonies va augmenter en taille, et de 8-10 jours, unecellules d vont commencer à s'accumuler dans certaines zones des colonies.
5. Poursuivant différenciation cardiaque en culture en suspension
- Prenez la plaque de culture des CSEh à disséquer au microscope (préchauffer disséquer étape à 37 ° C) sous le capot dissection stérilisés. Soigneusement aperçu des colonies et de supprimer la couche de fibroblastes entourant la colonie (les cellules différenciées ont émigré hors de la colonie) avec le bord de la pointe de la pipette stérile ou P2 tiré capillaire en verre.
- Retirez le vieux médias contenant des cellules de fibroblastes flottante détachée par aspiration. Laver avec les médias de CSEh (sans bFGF) une fois. Ajouter 3 ml / media CSEh bien frais (sans bFGF).
- Couper les colonies CSEh cardiaques induits en petits morceaux, et détacher avec la pointe de pipette stérile ou en verre tiré capillaire.
- Piscine les médias contenant des pièces détachées colonie ensemble dans un tube conique de 50 ml. Laver la plaque une fois avec 1 ml / media CSEh bien (sans bFGF) et la piscine ensemble.
- Aliquoter 4 ml / media ainsi CSEh sans sérum contenant des morceaux colonie à une plaque à 6 puits ultra attachement et incuber dans un 37 ° C incubateur humidifié pour permettre aux grappes flottantes cellulaire (cardioblasts) pour former pendant 4-5 jours.
6. Battre maturation phénotype des cardiomyocytes dans la culture adhésif
- Piscine le support contenant cardioblasts flottante ensemble dans un tube conique de 50 ml. Centrifuger à 1400 rpm pendant 5 min. Aspirer le vieux médias autant que vous le pouvez et ajouter la même quantité de supports CSEh nouvelle différenciation cardiaque contenant 10 mM de NAM.
- Pipeter haut et en bas pour mélanger cardioblasts flottants et aliquote de 4 ml / puits de plaques 6 puits. Transférer les plaques à un 37 ° C incubateur humidifié pour permettre d'attacher cardioblasts nuit.
- Remplacer les médias CSEh différenciation cardiaque contenant 10 mM NAM tous les autres jours.
- Au jour 8, remplacer par les médias CSEh différenciation cardiaque sans NAM, et de continuer à remplacer les CSEh cardiaques de différenciation des médias électroniquesjournée très autre. Battre les cardiomyocytes ne commencent à apparaître dans environ 1-2 semaines de culture continue après le retrait du MNA et d'augmenter en nombre avec le temps, et pourrait conserver de fortes contractions et rythmique de plus de 3 mois.
7. Les résultats représentatifs:
Nicotinamide (NAM) est rendue suffisante pour induire CSEh maintenu dans le système de culture définies à la transition de la pluripotence exclusivement à un phénotype cardiomesodermal (figure 2B). Lors de l'exposition des CSEh indifférenciées au MNA, toutes les cellules à l'intérieur de la colonie va subir des modifications morphologiques de grandes cellules différenciées qui régulent à la baisse l'expression de Oct-4 et commencent à exprimer le facteur de transcription cardiaques spécifiques (CSX) et α-Nkx2.5 actinine, compatible avec un phénotype cardiomesoderm (figure 2B). Ces cellules différenciées continueront à se multiplier et les colonies augmentation de la taille. Augmentation de l'intensité sera Nkx2.5généralement être observée dans les zones des colonies où les cellules commencent à s'accumuler (figure 2B). Après détaché, l'CSEh NAM-forme flottante sera traitée amas cellulaires (cardioblasts) dans une culture en suspension de poursuivre le processus de différenciation cardiaque. Après avoir laissé l'cardioblasts d'attacher et de continuer à traiter avec NAM pour 1 semaine, les cardiomyocytes se battre commencent à apparaître dans environ 1-2 semaines de culture continue après le retrait du Mouvement avec une augmentation drastique de l'efficacité par rapport aux lignées multiples spontanées différenciation des CSEh sans traitement au cours de la même période (figure 2C). Les cellules au sein des clusters battre cardiomyocytes sera expriment des marqueurs caractéristiques des cardiomyocytes, y compris Nkx2.5 et α-actinine (figure 2C). Les contractions des cardiomyocytes battre ont été confirmés par des profils électriques d'être fort, rythmé, bien coordonnés, et bien entraînées, avec des impulsions régulières rappelant les p-QRS-T-complexes vu des électrodes de surface du corps dans les électrocardiogrammes clinique (Fig. 2C, aussi voir la vidéo). Les cardiomyocytes pouvaient conserver leur contractilité forte de plus de 3 mois.
Figure 1. Schémas générale de l'approche conventionnelle par rapport démarche de petites molécules d'induction de la différenciation des cellules souches pluripotentes humaines vers des cellules spécialisées fonctionnelles. (A) un schéma de l'approche classique à l'aide de lignées multiples inclinaison de cellules souches pluripotentes humaines à travers la différenciation de germe de la couche spontanée. (B) Un schéma de bien contrôlée par induction efficace de cellules souches pluripotentes humaines exclusivement à une lignée particulière cliniquement pertinente par simple mise à disposition de petites molécules.
Figure 2. Nicotinamide induit spécifications lignage cardiaque directe de la pluripotence dans des conditions définies et la progression vers battre cardiomyocytes. (A) Schéma illustrant de la ligne de temps protocole de différenciation cardiaque des CSEh dirigé. (B) Lors de l'exposition des CSEh indifférenciées à la nicotinamide (NAM) en vertu du système de culture définis, différenciés grande Oct-4 (rouge) des cellules négatives au sein de la colonie a commencé à émerger, par rapport à la maquette traités (DMSO) CSEh que le contrôle. NAM-induite des cellules Oct-4-négatives ont commencé à exprimer Nkx2.5 (vert) et α-actinine (rouge), compatible avec une différenciation cardiaque précoce. L'intensité progressivement augmenté de Nkx2.5 a été généralement observée dans les régions de la colonie où les cellules commencent à s'entasser. Toutes les cellules sont indiquées par coloration DAPI de leurs noyaux (bleu). (C) NAM induite cardiaque commis CSEh donné cardiomyocytes battant avec une augmentation drastique de l'efficacité, évaluée par les cellulaires clusTER qui affiche des contractions rythmiques (voir profil électrophysiologique et les vidéos), et pour les immunopositives Nkx2.5 (vert) et α-actinine (rouge). Des images de phase de représentant de grandes grappes cardiomyocytes coups et des images de puissance plus élevé de contracter les muscles cardiaques représentatifs sont présentés (voir également les vidéos correspondantes). Les flèches indiquent la grappe battant grande cardiomyocytes utilisé pour l'enregistrement électrophysiologiques. Profil électrophysiologique des cardiomyocytes bat montre régulière, entraînée, impulsions rythmiques rappelant le p-QRS-T-vu dans les complexes électrocardiogrammes clinique. Barres d'échelle: 0,1 mm.
Vidéos: contractante cardiomyocytes différenciés de Nam-induite CSEh. Vidéos 1 et 2 montrent représentant Vidéo grands coups grappes cardiomyocytes dans environ 1 et 3 mois après la fixation. Vidéo 3 et 4 montrent représentant contraction des muscles cardiaque à une puissance plus élevée. 5 montre un typicaL petite grappe cardiomyocytes bat spontanément différenciées des CSEh sans traitement NAM comme contrôle.
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Discussion
Un des défis majeurs pour les deux étude sur le développement et la traduction clinique a été la manière de canaliser le potentiel de différenciation éventail de cellules souches humaines pluripotentes à un phénotype désiré de manière efficace et prévisible. Bien que ces cellules peuvent se différencier spontanément in vitro en cellules de toutes les couches de germe en passant par une phase globale multi-lignée, dans les CSEh dérivées de lignées multiples agrégats (corps embryoïdes), seule une très petite fraction des cellules (<2%) spontanément se différencier en cardiomyocytes 13-15 (fig. 1A). Immunosélection Après, les populations enrichies de cardiomyocytes ont été en mesure de fonctionner comme les stimulateurs cardiaques biologiques pour sauver la fonction d'un myocarde lésé mécaniquement et électroniquement suite à l'injection dans le coeur de modèles animaux 13. Dans des modèles de rongeurs infarci, greffées sur les CSEh dérivées descendances cardiaques ont été capables de survivre et de mûrir jusqu'à 12 semaines, et partiellement remuscularIze le cœur blessé et améliorer la fonction contractile 14,15. Toutefois, l'inefficacité dans la génération humaine cardiaque commis par le biais des cellules de lignées multiples différenciation des cellules pluripotentes et le risque élevé de la transplantation tumorigénicité suivantes ont entravé autre traduction clinique. Développer des stratégies pour canaliser le potentiel de différenciation des CSEh gamme pluripotentes exclusivement et de façon prévisible à un phénotype cardiaque est essentielle pour exploiter la puissance de la biologie des CSEh dans le domaine cardiaque. Afin d'atteindre uniformément conversion des cellules souches pluripotentes humaines d'une lignée particulière, nous avons employé un système de culture définies capable d'assurer la prolifération des CSEh indifférenciées d'identifier les conditions pour bien contrôlée par induction efficace de CSEh pluripotentes exclusivement à une lignée particulière cliniquement pertinentes par simple mise à disposition de petites molécules (Fig 1B). Nous avons constaté que la nicotinamide cardiaque induite par l'engagement de lignée directe de pCSEh luripotent sous culture définies qui encore progressé à battre cardiomyocytes avec une grande efficacité (Fig. 2). Nkx2.5 est un facteur de transcription à homéoboîte évolutionnaires conservé indispensable pour le développement cardiaque normal et les mutations du gène sont associées à des maladies cardiaques humaines congénitale (CHD), l'anomalie congénitale la plus fréquente de l'homme 16. Expression de Nkx2.5 est la première marqueur de cellules précurseurs cardiaques chez tous les vertébrés examinés jusqu'ici et est essentielle pour cloisonnement cardiaque adéquate et la formation / maturation du système de conduction électrique 16. Chez les vertébrés, l'apparition et la tendance du début de l'expression Nkx2.5 environ coïncider avec le calendrier et la superficie de la spécification cardiaque dans l'embryogenèse précoce, et Nkx2.5 gène continue à être exprimée à travers le développement dans le coeur 16. Dans notre modèle de CSEh, NAM apparu pour déclencher l'induction cardiaque directe de CSEh pluripotentes en favorisant l'expression de la cardiaques spécifiques transcriNkx2.5 facteur ption dans un processus qui pourrait émuler les spécifications de cardiomesoderm de l'épiblaste pluripotentes dans cardiogenèse embryonnaires humaines. Des études futures révèlent molécules contrôle génétique et épigénétique dans le développement du cœur humain comme des alternatives, qui peuvent ouvrir la voie à de petites molécules à médiation contrôle direct et la modulation du destin pluripotentes CSEh lors de la dérivation des lignées cliniquement pertinentes pour les thérapies régénératrices. Sans traitement NAM, CSEh <2% va subir différenciation spontanée en battant les cardiomyocytes 12-15. Avec un traitement NAM, nous avons été en mesure de générer> 95% d'embryons précurseurs cardiaques et les cardiomyocytes bat> 50% de CSEh maintenu sous une culture de définir dans un processus qui pourrait émuler le développement humain coeur embryonnaire 12. Récemment, connue cardiaque gènes déterminant le destin ont été utilisés pour transdifférencier fibroblastes de souris en post-natal cardiomyocytes battre avec un faible rendement de <0,5% 17, 18 </ Sup>. Toutefois, reprogrammées cellules somatiques ont été historiquement associée à l'expression des gènes anormaux et de la sénescence accélérée avec une utilité thérapeutique déficience 19-21. Enfin, le protocole, nous avons établi ici est limitée à CSEh pluripotentes dérivées de la masse cellulaire interne (MCI) ou épiblaste du blastocyste humain 4,5, peut ne pas s'appliquer à d'autres cellules pluripotentes, y compris les animaux provenaient des CES, les CES issus de morula tôt (huit cellules) au stade 22 embryons et les cellules reprogrammées artificiellement 23.
Disclosures
Les auteurs déclarent des intérêts concurrents. XHP est le fondateur de Xcelthera. XHP et EYS ont des propriétés intellectuelles liées aux CSEh.
Acknowledgments
XHP a été soutenue par le National Institute of Health (NIH) des subventions de l'Institut national sur le vieillissement (NIHK01AG024496) et The Eunice Kennedy Shriver National Institute of Child Health et le développement humain (NIHR21HD056530).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| Matrigel | BD Biosciences | 356231 | Growth factor reduced |
| Human laminin | Sigma-Aldrich | L6274 | |
| Nicotinamide | Sigma-Aldrich | N0636 | |
| DMEM/F12 | Invitrogen | 10565042 | |
| DMEM | Invitrogen | 31053036 | |
| DMEM-KO | Invitrogen | 10829018 | |
| Knock-out serum replacement | Invitrogen | 10828028 | |
| MEM nonessential amino acid solution (MNAA, 100X) | Invitrogen | 11140050 | |
| MEM amino acids solution(MEAA, 100X) | Invitrogen | 11130050 | |
| β-Mercapt–thanol | Invitrogen | 21985023 | |
| Albumax | Invitrogen | 11020021 | |
| Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| Human transferrin | Sigma-Aldrich | T8158 | |
| Human bFGF | PeproTech Inc | AF-100-18B | |
| Human insulin | Invitrogen | 12585014 | |
| Human activin A | PeproTech Inc | 120-14E | |
| Defined FBS | Hyclone | SH30073-03 | |
| 6-well ultralow attachment plate | Corning | 3471 | |
| 6-well plate | Corning | 3516 |
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