Summary

Le colture per pluripotenti umane alternative staminali produzione di celle, manutenzione e analisi genetica

Published: July 24, 2014
doi:

Summary

Here, we present human pluripotent stem cell (hPSC) culture protocols, based on non-colony type monolayer (NCM) growth of dissociated single cells. This new method, utilizing Rho-associated kinase inhibitors or the laminin isoform 521 (LN-521), is suitable for producing large amounts of homogeneous hPSCs, genetic manipulation, and drug discovery.

Abstract

Human pluripotent stem cells (hPSCs) hold great promise for regenerative medicine and biopharmaceutical applications. Currently, optimal culture and efficient expansion of large amounts of clinical-grade hPSCs are critical issues in hPSC-based therapies. Conventionally, hPSCs are propagated as colonies on both feeder and feeder-free culture systems. However, these methods have several major limitations, including low cell yields and generation of heterogeneously differentiated cells. To improve current hPSC culture methods, we have recently developed a new method, which is based on non-colony type monolayer (NCM) culture of dissociated single cells. Here, we present detailed NCM protocols based on the Rho-associated kinase (ROCK) inhibitor Y-27632. We also provide new information regarding NCM culture with different small molecules such as Y-39983 (ROCK I inhibitor), phenylbenzodioxane (ROCK II inhibitor), and thiazovivin (a novel ROCK inhibitor). We further extend our basic protocol to cultivate hPSCs on defined extracellular proteins such as the laminin isoform 521 (LN-521) without the use of ROCK inhibitors. Moreover, based on NCM, we have demonstrated efficient transfection or transduction of plasmid DNAs, lentiviral particles, and oligonucleotide-based microRNAs into hPSCs in order to genetically modify these cells for molecular analyses and drug discovery. The NCM-based methods overcome the major shortcomings of colony-type culture, and thus may be suitable for producing large amounts of homogeneous hPSCs for future clinical therapies, stem cell research, and drug discovery.

Introduction

La capacità di hPSCs di differenziare verso tessuti adulti multilineage ha aperto nuove strade alla cura dei pazienti che soffrono di malattie gravi che coinvolgono cardiovascolare, epatico, pancreatico e sistemi neurologici 1-4. Vari tipi di cellule derivate da hPSCs sarebbe anche fornire piattaforme cellulari robuste per la modellazione della malattia, l'ingegneria genetica, screening di farmaci e test tossicologici 1,4. La questione chiave che assicura loro applicazioni cliniche e farmacologiche futuri è la generazione di un gran numero di hPSCs clinico-grade in coltura cellulare in vitro. Tuttavia, i sistemi di coltura attuali sono insufficienti o intrinsecamente variabile, che coinvolge vari alimentazione e senza alimentatore culture del hPSCs come colonie 5,6.

Colony-tipo crescita delle quote hPSCs molte caratteristiche strutturali della massa cellulare interna (ICM) di embrioni di mammiferi. L'ICM è incline a differenziarsi in tre strati germinaliin un ambiente multicellulare causa dell'esistenza di gradienti di segnalazione eterogenei. Pertanto, l'acquisizione di eterogeneità in sviluppo embrionale precoce è considerata come un processo necessario per la differenziazione, ma una caratteristica indesiderata della cultura HPSC. L'eterogeneità nella cultura HPSC è spesso indotto da eccessivi segnali apoptotici e differenziazione spontanea a causa di condizioni di crescita ottimali. Così, in colonia-tipo coltura, le cellule eterogenee si osservano spesso nella periferia delle colonie 7,8. È stato anche dimostrato che le cellule in cellule staminali embrionali umane (hESC) Colonie risposte differenziali Esporre a molecole di segnalazione come BMP-4 9. Inoltre, metodi di coltura colonia producono produzioni di cellule basse così come i tassi di recupero molto bassi cellulare da crioconservazione a causa di tassi di crescita incontrollabili e segnale apoptotico Percorsi di 6,9. Negli ultimi anni, diverse culture sospensioni sono state sviluppate per hPSCs coltura, soprattarly per l'espansione di grandi quantità di hPSCs in-e alimentatore condizioni prive di matrice 6,10-13. Ovviamente, diversi sistemi di coltura hanno i loro vantaggi e svantaggi. In generale, l'eterogeneità hPSCs rappresenta uno dei principali inconvenienti di tipo colonia e cultura aggregato metodi, che sono ottimali per la consegna di DNA e RNA materiali in hPSCs per l'ingegneria genetica 6.

Chiaramente, vi è la necessità imperativa di sviluppare nuovi sistemi che aggirano alcune carenze delle attuali metodi di coltura. Le scoperte di piccoli inibitori della molecola (come l'inibitore ROCK Y-27632 e JAK inibitore 1) che migliorano la sopravvivenza a cella singola spianare la strada per dissociato-HPSC cultura 14,15. Con l'uso di queste piccole molecole, abbiamo recentemente sviluppato un metodo di coltura in base al tipo non-colonia (NCM) crescita di dissociate-hPSCs 9. Questo metodo di coltura romanzo combina passaging cella singola e ad alta densitàplaccatura metodi, che ci permette di produrre grandi quantità di hPSCs omogenee sotto cicli di crescita costante senza grandi anomalie cromosomiche 9. In alternativa, cultura NCM potrebbe essere implementato con diverse piccole molecole e matrici definite (quale laminine) al fine di ottimizzare il metodo di coltura per le applicazioni di larghezza. Qui vi presentiamo diversi protocolli dettagliati basato sulla cultura NCM e delineare le procedure dettagliate per l'ingegneria genetica. Per dimostrare la versatilità dei protocolli di NCM, abbiamo provato anche la cultura NCM con inibitori ROCK diversi e con il singolo laminina isoforma 521 (vale a dire, LN-521).

Protocol

Basato Single-cell di tipo non-colonia monostrato (NCM) cultura della hPSCs. 1. Preparativi Rendere 500 ml di terreno per la cultura di fibroblasti embrionali di topo (MEF): medie DMEM supplementato con 10% FBS, 2 mM L-glutammina, e 0,1 mm aminoacidi non essenziali (NEAA). Isolare fibroblasti embrionali di topo (MEF), le cellule derivate dal ceppo CF1 a seguito di un protocollo di routine 16 e cultura MEF sul 0,1% di gelatina rivestite 6-pozzetti di coltura ce…

Representative Results

Uno schema generale della cultura NCM Figura 1 rappresenta un tipico schema cultura NCM indica le variazioni dinamiche di hPSCs dopo alta densità di placcatura unicellulare in presenza dell'inibitore ROCK Y-27632. Questi cambiamenti morfologici includono connessioni intercellulari dopo la placcatura, la formazione di cluster cellulari, e la crescita cellulare esponenziale seguita da condensazione cella (Figura 1A). Un esperimento rappre…

Discussion

Ci sono due modi principali per hPSCs coltura in vitro: coltura convenzionale colonia-tipo (di celle alimentatori o matrici extracellulari) e cultura sospensione delle hPSCs gli aggregati senza alimentatori 6. Le limitazioni di entrambi colonia-tipo e sospensione metodi di coltura comprendono eterogeneità accumulati e cambiamenti epigenetici ereditabili. Cultura NCM, sulla base sia passaging singola cellula e cellula placcatura ad alta densità, rappresenta un nuovo metodo di coltura per la crescita…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the Intramural Research Program of the National Institutes of Health (NIH) at the National Institute of Neurological Disorders and Stroke. We would like to thank Dr. Ronald D. McKay for his discussion and comments on this project.

Materials

Countess automated cell counter   Invitrogen Inc.  C10227 Automatic cell counting
Faxitron Cabinet X-ray System Faxitron X-ray Corporation, Wheeling, IL  Model RX-650 X-ray irradiation of MEFs
MULTIWELL six-well plates  Becton Dickinson Labware 353046 Polystyrene plates 
DMEM Invitrogen Inc. 11965–092 For MEF medium
mitomycin C Roche  107 409 Mitotic inhibitor
Trypsin Invitrogen Inc. 25300-054 For MEF dissociation
DMEM/F12  Invitrogen Inc. 11330–032 For hPSC medium
Opti-MEM I Reduced Serum Medium  Invitrogen Inc. 31985-062 For hPSC transfection
Heat-inactivated FBS Invitrogen Inc. 16000–044 Component of MEF medium
Knockout Serum Replacer  Invitrogen Inc. 10828–028 KSR, Component of hPSC medium
Dulbecco’s Phosphate-Buffered Saline Invitrogen Inc. 14190-144 D-PBS, free of Ca2+/Mg2+
Non-essential amino acids  Invitrogen  11140–050 NEAA, component of hPSC medium
L-Glutamine  Invitrogen  25030–081 Component of hPSC medium
mTeSR1 & Supplements StemCell Technologies 5850 Animal protein-free
medium
TeSR2 & Supplements StemCell Technologies 5860 Xeno-free medium
β-mercaptoethanol  Sigma  7522 Component of hPSC medium

MEF (CF-1) ATCC
American Type Culture Collection (ATCC)  SCRC-1040 For feeder culture of hPSCs
hESC-qualified Matrigel BD Bioscience 354277 For feeder-free culture of hPSCs
Laminin-521 BioLamina LN521-02 Human recombinant protein
FGF-2 (recombinant FGF, basic) R&D Systems, MN 223-FB Growth factor in hPSC medium
CryoStor CA10  StemCell Technologies 7930
Accutase Innovative Cell Technologies AT-104 1X mixed enzymatic solution
JAK inhibitor I EMD4 Biosciences 420099 An inhibitor of Janus kinase
Y-27632 EMD4 Biosciences 688000 ROCK inhibitor
Y-27632 Stemgent 04-0012 ROCK inhibitor
Y-39983 Stemgent 04-0029 ROCK I inhibitor
Phenylbenzodioxane  Stemgent 04-0030 ROCK II inhibitor
Thiazovivin Stemgent 04-0017 A novel ROCK inhibitor
BD Falcon Cell Strainer  BD Bioscience 352340 40-µm cell strainer
Nalgene 5100-0001 Cryo 1°C Thermo Scientific  C6516F-1 “Mr. Frosty” Freezing Container
Lipofectamine 2000  Invitrogen Inc. 11668-027 Transfection reagents
DharmaFECT Duo  Thermo Scientific T-2010-02 Transfection reagent
Non-targeting miRIDIAN miRNA Transfection Control Thermo Scientific IP-004500-01-05 Labeled with Dy547, to monitor the delivery of microRNAs 
SMART-shRNA Thermo Scientific  To be determined Lentiviral vector
pmaxGFP amaxa Inc (Lonza) Included in every transfection kit Expression plasmid for transfection control
4-Oct Santa Cruz Biotechnology sc-5279 Mouse IgG2b, pluripotent marker
SSEA-1 Santa Cruz Biotechnology sc-21702 Mouse IgM, differentiation marker
SSEA-4 Santa Cruz Biotechnology sc-21704 Mouse IgG3, pluripotent marker
Tra-1-60 Santa Cruz Biotechnology sc-21705  Mouse IgM, pluripotent marker
Tra-1-81 Santa Cruz Biotechnology sc-21706 Mouse IgM, pluripotent marker
CK8 (C51) Santa Cruz Biotechnology sc-8020 Mouse IgG1, against cytokeratin 8
α-fetoprotein Santa Cruz Biotechnology sc-8399 AFP, mouse IgG2a
HNF-3β (P-19) Santa Cruz Biotechnology sc-9187 FOXA2, goat polyclonal antibody
Troponin T (Av-1) Thermo Scientific MS-295-P0 Mouse IgG1
Desmin  Thermo Scientific RB-9014-P1 Rabbit IgG
Anti-NANOG ReproCELL Inc, Japan RCAB0004P-F Polyclonal antibody 
Rat anti-GFAP Zymed 13-0300 Glial fibrillary acidic protein
Albumin (clone HSA1/25.1.3) Cedarlane Laboratories Ltd. ( CL2513A Mouse IgG1,
Smooth muscle actin (clone 1A4) DakoCytomation Inc IR611/IS611 Mouse IgG2a
Nestin Chemicon International MAB5326 Rabbit polyclonal antibody
TUBB3 Convance Inc MMS-435P Tuj1, mouse IgG2a
HNF4α (C11F12) Cell Signaling Technologies 3113 Rabbit monoclonal antibody
Paraformaldehyde (solution) Electron Microscopy Sciences 15710 PFA, fixative, diluted in D-PBS

References

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Cite This Article
Chen, K. G., Hamilton, R. S., Robey, P. G., Mallon, B. S. Alternative Cultures for Human Pluripotent Stem Cell Production, Maintenance, and Genetic Analysis. J. Vis. Exp. (89), e51519, doi:10.3791/51519 (2014).

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