Summary

Génération de peau 3D Organoïde de dérivés du sang de cordon induite par les cellules souches pluripotentes

Published: April 18, 2019
doi:

Summary

Nous vous proposons un protocole qui montre comment différencier des fibroblastes et des kératinocytes de dérivés de cellules souches pluripotentes induites et générer un organoïde peau 3D, à l’aide de ces kératinocytes et des fibroblastes. Ce protocole comporte une étape supplémentaire de la génération d’un modèle de souris humanisées. La technique présentée ici permettra d’améliorer la recherche dermatologique.

Abstract

La peau est l’organe du plus grand et a de nombreuses fonctions. La peau agit comme une barrière physique et protecteur du corps et régule les fonctions corporelles. Biomimetics est l’imitation des modèles, systèmes et éléments de la nature dans le but de résoudre des problèmes complexes de l’homme1. Peau biomimetics est un outil utile pour la recherche sur les maladies in vitro et in vivo en médecine régénérative. Les cellules souches humaines pluripotentes induites (CISP) ont la particularité de la prolifération illimitée et la capacité de différenciation à trois couches de germe. CISP humaine est générés à partir des divers éléments primaires, telles que les cellules sanguines, les kératinocytes, fibroblastes, etc.. Parmi eux, les cellules mononucléaires de sang de cordon (CBMCs) ont émergé comme une source de cellules alternative du point de vue de la médecine régénérative allogénique. CBMCs sont utiles en médecine régénérative parce que human leucocyte antigen (HLA) tapant est essentielle à la cellule système bancaire. Nous fournissons une méthode pour la différenciation des CBMC-CISP en kératinocytes et des fibroblastes et génération d’une peau 3D organoïde. Fibroblastes et des kératinocytes CBMC iPSC-dérivés ont des caractéristiques semblables à une ligne de cellules primaires. Les organoids de peau 3D sont générés en superposant une couche épidermique sur une couche dermique. Par la transplantation de cette organoïde peau 3D, un modèle de souris humanisées est généré. Cette étude montre qu’un organoïde 3D peau humaine d’iPSC dérivé peut être un outil nouveau, alternatif pour la recherche dermatologique in vitro et in vivo.

Introduction

La peau recouvre la surface extérieur du corps et protège les organes internes. La peau a des fonctions diverses, y compris la protection contre les agents pathogènes, d’absorber et de stocker de l’eau, régulation de température du corps et excréter l’organisme des déchets2. Greffes de peau peuvent être classés selon la source de la peau ; greffes à l’aide de la peau d’un autre donneur sont appelés des allogreffes et greffes à l’aide de la peau du patient sont des autogreffes. Bien qu’une autogreffe est privilégiée dans le traitement en raison de ses risques de rejet faible, biopsies de la peau sont difficiles à effectuer sur des patients atteints de lésions graves ou un nombre insuffisant de cellules de la peau. Chez les patients atteints de graves brûlures, trois fois le nombre de cellules de peau est nécessaire pour couvrir de grandes surfaces. La disponibilité limitée des cellules de la peau du corps du patient se traduit dans les situations où les transplantations allogéniques sont nécessaire. Une allogreffe est utilisée temporairement jusqu’à ce que la greffe autologue est possible puisqu’il est généralement rejeté par le système immunitaire de l’hôte après environ 1 semaine3. Pour surmonter le rejet par le système immunitaire du patient, greffes doivent provenir d’une source avec la même identité immunitaire comme le patient4.

CISP humaine est une source émergente de cellules des cellules souches thérapie5. CISP humaine est générés à partir des cellules somatiques, à l’aide de facteurs de reprogrammation comme OCT4, SOX2, Klf4 et c-Myc,6. À l’aide de CISP humaine permet de surmonter les enjeux éthiques et immunologiques des cellules souches embryonnaires (CSE)7,8. CISP humaine ont pluripotence et peut se différencier en trois couches de germe9. La présence de HLA, un facteur critique dans la médecine régénérative, détermine la réponse immunitaire et la possibilité de rejet10. L’utilisation de dérivés de patient CISP résout les problèmes de rejet de la limitation et le système immunitaire cellulaire-source. CBMCs ont également émergé comme une source de cellule de rechange pour la médecine régénérative,11. Obligatoire HLA typage, qui survient au cours d’opérations bancaires CBMC, peut facilement être utilisé pour la recherche et de la transplantation. En outre, homozygote de type HLA CISP peut largement applicable à divers patients12. Une banque de CBMC-iPSC est un roman et une stratégie efficace pour la thérapie cellulaire et médecine régénératrice allogénique12,13,14. Dans cette étude, nous utiliser CBMC-CISP, se différencient en kératinocytes et des fibroblastes et générer des couches stratifiées de peau 3D. Les résultats de cette étude suggèrent qu’un organoïde CBMC iPSC-dérivé de peau 3D est un nouvel outil de recherche dermatologique in vitro et in vivo.

Protocol

Toutes les procédures impliquant des animaux ont été réalisés conformément à la loi sur la protection des animaux du laboratoire, le Guide pour le soin et l’utilisation des animaux de laboratoire, et les lignes directrices et des politiques pour l’expérimentation de rongeur fourni par l’animalier institutionnel et Use Committee (IACUC) de l’école de médecine de l’Université catholique de Corée. Le protocole de l’étude a été approuvé par la Commission de révision institutionnelle de l’Univer…

Representative Results

La peau est composée, pour l’essentiel, de l’épiderme et le derme. Les kératinocytes sont le type de cellule principale de l’épiderme, et fibroblastes sont le type de cellule principale du derme. Le schéma de la différenciation des kératinocytes est montré dans la Figure 1A. CBMC-iPCSc ont été maintenus dans un plat enduit de vitronectine (Figure 1B). Dans cette étude, nous avons différencié CBMC-CISP en kéra…

Discussion

CISP humaine ont été suggérés comme une nouvelle alternative pour la médecine régénérative personnalisée17. CISP personnalisé dérivé de patient reflète les caractéristiques du patient qui peuvent être utilisés pour la modélisation de maladies, dépistage de drogue et autogreffe18,19. L’utilisation de dérivés de patient CISP peut aussi surmonter les problèmes relatifs aux éléments primaires, un manque d’un nombre a…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce travail a été soutenu par une subvention du Corée Healthcare Technology R & D Project, ministère de santé, de bien-être et d’affaires de la famille, République de Corée (H16C2177, H18C1178).

Materials

Adenine Sigma A2786 Component of differentiation medium for fibroblast
AggreWell Medium (EB formation medium) STEMCELL 05893 EB formation
Anti-Fibronectin antibody abcam ab23750 Fibroblast marker
Anti-KRT14 antibody abcam ab7800 Keratinocyte marker
Anti-Loricrin antibody abcam ab85679 Stratum corneum marker
Anti-p63 antibody abcam ab124762 Keratinocyte marker
Anti-Vimentin antibody Santa cruz sc-7558 Fibroblast marker
BAND AID FLEXIBLE FABRIC Johnson & Johnson Bandage
Basement membrane matrix (Matrigel) BD 354277 Component of differentiation medium for fibroblast
BLACK SILK suture AILEEE SK617 Skin graft
CaCl2 Sigma C5670 Component of epithelial medium for 3D skin organoid
Collagen type I BD 354236 3D skin organoid
Collagen type IV Santa-cruz sc-29010 Component of differentiation medium for keratinocyte
Defined keratinocyte-Serum Free Medium Gibco 10744-019 Component of differentiation medium for keratinocyte
DMEM, high glucose Gibco 11995065 Component of differentiation medium
DMEM/F12 Medium Gibco 11330-032 Component of differentiation medium
Essential 8 medium Gibco A1517001 iPSC medium
FBS, Qualified Corning 35-015-CV Component of differentiation medium for fibroblast and keratinocyte
Glutamax Supplement  Gibco 35050061 Component of differentiation medium for fibroblast
Insulin Invtrogen 12585-014 Component of differentiation medium for fibroblast and keratinocyte
Iris standard curved scissor Professional PC-02.10 Surgical instrument
Keratinocyte Serum Free Medium Gibco 17005-042 Component of differentiation medium for keratinocyte
L-ascorbic acid 2-phosphata sesquimagnesium salt hydrate Sigma A8960 Component of differentiation medium for keratinocyte
MEM Non-Essential Amino Acid Gibco 1140050 Component of differentiation medium for fibroblast
Meriam Forceps Thumb 16 cm HIROSE HC 2265-1 Surgical instrument
NOD.CB17-Prkdc SCID/J The Jackson Laboratory 001303 Mice strain for skin graft
Petri dish 90 mm Hyundai Micro H10090 Plastic ware
Recombinant Human BMP-4 R&D 314-BP Component of differentiation medium for keratinocyte
Recombinant human EGF protein R&D 236-EG Component of differentiation medium for keratinocyte
Retinoic acid Sigma R2625 Component of differentiation medium for keratinocyte
T/C Petridish 100 mm, 240/bx TPP 93100 Plastic ware
Transferrin Sigma T3705 Component of epithelial medium for 3D skin organoid
Transwell-COL collagen-coated membrane inserts  Corning CLS3492 Plastic ware for 3D skin organoid 
Vitronectin Life technologies A14700 iPSC culture
Y-27632 Dihydrochloride peprotech 1293823 iPSC culture

References

  1. Vincent, J. F., Bogatyreva, O. A., Bogatyrev, N. R., Bowyer, A., Pahl, A. K. Biomimetics: its practice and theory. Journal of The Royal Society Interface. 3 (9), 471-482 (2006).
  2. Madison, K. C. Barrier function of the skin: “la raison d’etre” of the epidermis. Journal of Investigative Dermatology. 121 (2), 231-241 (2003).
  3. Chen, M., Przyborowski, M., Berthiaume, F. Stem cells for skin tissue engineering and wound healing. Critical Reviews in Biomedical Engineering. 37 (4-5), 399-421 (2009).
  4. Dixit, S., et al. Immunological challenges associated with artificial skin grafts: available solutions and stem cells in future design of synthetic skin. Journal of Biological Engineering. 11, 49 (2017).
  5. Yamanaka, S. Induced pluripotent stem cells: past, present, and future. Cell Stem Cell. 10 (6), 678-684 (2012).
  6. Yamanaka, S. Pluripotency and nuclear reprogramming. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences. 363 (1500), 2079-2087 (2008).
  7. Scheiner, Z. S., Talib, S., Feigal, E. G. The potential for immunogenicity of autologous induced pluripotent stem cell-derived therapies. Journal of Biological Chemistry. 289 (8), 4571-4577 (2014).
  8. Zimmermann, A., Preynat-Seauve, O., Tiercy, J. M., Krause, K. H., Villard, J. Haplotype-based banking of human pluripotent stem cells for transplantation: potential and limitations. Stem Cells and Development. 21 (13), 2364-2373 (2012).
  9. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126 (4), 663-676 (2006).
  10. Terasaki, P. I. A brief history of HLA. Immunologic Research. 38 (1-3), 139-148 (2007).
  11. Haase, A., et al. Generation of induced pluripotent stem cells from human cord blood. Cell Stem Cell. 5 (4), 434-441 (2009).
  12. Rim, Y. A., et al. Recent progress of national banking project on homozygous HLA-typed induced pluripotent stem cells in South Korea. Journal of Tissue Engineering and Regenerative Medicine. 12 (3), 1531-1536 (2018).
  13. Nakatsuji, N., Nakajima, F., Tokunaga, K. HLA-haplotype banking and iPS cells. Nature Biotechnology. 26 (7), 739-740 (2008).
  14. Pappas, D. J., et al. Proceedings: human leukocyte antigen haplo-homozygous induced pluripotent stem cell haplobank modeled after the california population: evaluating matching in a multiethnic and admixed population. Stem Cells Translational Medicine. 4 (5), 413-418 (2015).
  15. Embryoid body formation from human pluripotent stem cells in chemically defined E8 media. StemBook Available from: https://www.stembook.org/node/6632 (2008)
  16. Kim, Y., et al. Establishment of a complex skin structure via layered co-culture of keratinocytes and fibroblasts derived from induced pluripotent stem cells. Stem Cell Research & Therapy. 9 (1), 217 (2018).
  17. Diecke, S., Jung, S. M., Lee, J., Ju, J. H. Recent technological updates and clinical applications of induced pluripotent stem cells. The Korean Journal of Internal Medicine. 29 (5), 547-557 (2014).
  18. Shi, Y., Inoue, H., Wu, J. C., Yamanaka, S. Induced pluripotent stem cell technology: a decade of progress. Nature Reviews Drug Discovery. 16 (2), 115-130 (2017).
  19. Yoshida, Y., Yamanaka, S. Recent stem cell advances: induced pluripotent stem cells for disease modeling and stem cell-based regeneration. Circulation. 122 (1), 80-87 (2010).
  20. Pham, T. L., Nguyen, T. T., Van Bui, A., Nguyen, M. T., Van Pham, P. Fetal heart extract facilitates the differentiation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells into heart muscle precursor cells. Cytotechnology. 68 (4), 645-658 (2016).
  21. Stecklum, M., et al. Cell differentiation mediated by co-culture of human umbilical cord blood stem cells with murine hepatic cells. In Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal. 51 (2), 183-191 (2015).
  22. Nam, Y., Rim, Y. A., Ju, J. H. Chondrogenic Pellet Formation from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells. Journal of Visualized Experiments. (124), e55988 (2017).
  23. Rim, Y. A., Nam, Y., Ju, J. H. Application of Cord Blood and Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells for Cartilage Regeneration. Cell Transplantation. , (2018).
  24. Shevde, N. K., Mael, A. A. Techniques in embryoid body formation from human pluripotent stem cells. Methods in Molecular Biology. 946, 535-546 (2013).
  25. Shamis, Y., et al. iPSC-derived fibroblasts demonstrate augmented production and assembly of extracellular matrix proteins. In Vitro Cellular & Developmental Biology – Animal. 48 (2), 112-122 (2012).
  26. Bikle, D. D., Xie, Z., Tu, C. L. Calcium regulation of keratinocyte differentiation. Expert Review of Endocrinology & Metabolism. 7 (4), 461-472 (2012).
  27. Bernstam, L. I., Vaughan, F. L., Bernstein, I. A. Keratinocytes grown at the air-liquid interface. In Vitro Cellular & Developmental Biology. 22 (12), 695-705 (1986).
  28. Prunieras, M., Regnier, M., Woodley, D. Methods for cultivation of keratinocytes with an air-liquid interface. Journal of Investigative Dermatology. 81, 28-33 (1983).
  29. Steven, A. C., Bisher, M. E., Roop, D. R., Steinert, P. M. Biosynthetic pathways of filaggrin and loricrin–two major proteins expressed by terminally differentiated epidermal keratinocytes. Journal of Structural Biology. 104 (1-3), 150-162 (1990).
  30. Hohl, D., et al. Characterization of human loricrin. Structure and function of a new class of epidermal cell envelope proteins. Journal of Biological Chemistry. 266 (10), 6626-6636 (1991).
  31. Bern, R., et al. Original and modified technique of tie-over dressing: Method and application in burn patients. Burns. 44 (5), 1357-1360 (2018).
  32. Joyce, C. W., Joyce, K. M., Kennedy, A. M., Kelly, J. L. The Running Barbed Tie-over Dressing. Plastic and Reconstructive Surgery – Global Open. 2 (4), 137 (2014).
  33. Wang, C. K., Nelson, C. F., Brinkman, A. M., Miller, A. C., Hoeffler, W. K. Spontaneous cell sorting of fibroblasts and keratinocytes creates an organotypic human skin equivalent. Journal of Investigative Dermatology. 114 (4), 674-680 (2000).
  34. Yang, R., et al. Generation of folliculogenic human epithelial stem cells from induced pluripotent stem cells. Nature Communications. 5, 3071 (2014).

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Cite This Article
Kim, Y., Ju, J. H. Generation of 3D Skin Organoid from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells. J. Vis. Exp. (146), e59297, doi:10.3791/59297 (2019).

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