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Biology

In vitro e in vivo de imágenes de bioluminiscencia gen reportero de células estaminales embrionarias humanas

doi: 10.3791/740 Published: May 2, 2008

Summary

Con el creciente interés en terapias con células madre, las técnicas de imagen molecular son ideales para el comportamiento de las células madre de seguimiento tras el trasplante. Genes luciferase reportero le han permitido no invasiva, la evaluación repetida de la supervivencia celular, la ubicación y la proliferación in vivo. Este vídeo demuestra cómo realizar el seguimiento proliferación de células madre en un ratón vivo.

Abstract

El descubrimiento de células madre embrionarias humanas (hESCs) se ha incrementado dramáticamente las herramientas disponibles para los científicos médicos interesados ​​en la medicina regenerativa. Sin embargo, la inyección directa de hESCs, y las células diferenciadas a partir de hESCs, en los organismos vivos hasta el momento ha sido obstaculizada por la muerte celular significativa, la formación de teratomas, y el rechazo inmune del huésped. Entender el comportamiento de células madre in vivo después de un trasplante requiere nuevas técnicas de imagen para controlar la localización longitudinal células madre, la proliferación y viabilidad. Imagen molecular ha dado a los investigadores un medio de alto rendimiento, bajo costo y sensible para el seguimiento de la proliferación celular in vivo durante días, semanas e incluso meses. Este avance se ha incrementado significativamente la comprensión de la cinética de espacio-temporal de injerto células madre, proliferación y formación de teratoma en sujetos vivos.

Un avance importante en la proyección de imagen molecular ha sido la extensión de ensayos de gen reportero no invasivo de la biología molecular y celular en las plataformas de imágenes en vivo en varias modalidades. Estos genes reporteros, bajo el control de promotores y potenciadores de ingeniería que se aprovechan de la maquinaria transcripcional de la célula huésped s, se introducen en las células usando una variedad de métodos vectoriales y no vectoriales. Una vez en la célula, los genes indicadores pueden ser transcritos o bien constitutivamente o sólo en determinadas condiciones biológicas o celular, dependiendo del tipo de promotor utilizado. Transcripción y traducción de genes reporteros en proteínas bioactivas es detectado con instrumentos sensibles, no invasivo (por ejemplo, cámaras CCD) con la generación de la señal de las sondas, tales como D-luciferina.

Para evitar la necesidad de luz de excitación para realizar un seguimiento in vivo de células madre que se requiere para imágenes de fluorescencia, bioluminiscencia reportero de sistemas de imágenes gen sólo requieren una investigación administrada de forma exógena para inducir la emisión de luz. Luciferasa de luciérnaga, derivado de la luciérnaga pyralis Fotino, codifica una enzima que cataliza la D-luciferina a la ópticamente activos oxyluciferin metabolito. Actividad óptica puede ser controlado con una cámara CCD externa. Establemente células transducidas que llevan el reportero construir dentro de su ADN cromosómico pasará el reportero construcción de ADN a las células hijas, permitiendo un seguimiento longitudinal de la supervivencia y la proliferación de células madre in vivo. Por otra parte, porque la expresión del producto del gen reportero se requiere para la generación de señales, las células madre y la hija única solución viable a crear la señal de la bioluminiscencia, la apoptosis o muerte no.

En este video, los materiales específicos y los métodos necesarios para la proliferación de células madre y el seguimiento de la formación de teratomas con imágenes de bioluminiscencia se describen.

Protocol

  1. Construcción de doble reportero Gene fusión
    1. Con el fin de realizar imágenes de bioluminiscencia de células madre embrionarias humanas, primero tiene que obtener las células que expresan establemente un gen reportero de la luciferasa como luciferasa de luciérnaga impulsado por un promotor constitutivo como ubiquitina o EF1A.
    2. El objetivo de este protocolo es el gen reportero de aplicaciones, por lo que los procedimientos detallados que no se proporcionan aquí. Sin embargo, la estrategia general de nuestro laboratorio es el uso de un vector de construcción de fusión doble que contiene luciferasa de luciérnaga (fluctuaciones) y aumento de proteína verde fluorescente (EGFP) separadas por un espaciador en pCDNA 3.1 +.
    3. En pocas palabras, nuestro gen de fusión doble se encontraba originalmente aguas abajo del promotor de citomegalovirus en pcDNA 3.1 (+), por lo que el fragmento de 3,3 kpb fue eliminado mediante la digestión NdeI y NotI y contundente final ligó en el sitio de clonación múltiple de una auto-inactivar (SIN ) vector lentiviral, bajo control de un promotor de la ubiquitina.

  2. Transducción lentiviral
    1. hESCs pueden ser transducidas 3-5 días después de la aprobación a una multiplicidad de infección (MOI) de 10 (título viral de aproximadamente 107 células se incubaron con 106).
    2. La acción viral descongelado se puede agregar directamente a los medios de células madre nuevas.
    3. Actualizar los medios de comunicación 12 y 24 horas más tarde.
    4. Después de 48 h, la eficiencia de transducción puede por evaluadas cualitativamente mediante microscopía de fluorescencia. Posteriormente, FACS se puede utilizar para aislar las células infectadas.

  3. HESCs cultivo y la introducción de imágenes de Set-up
    1. La cultura de su hESCs positivo luciferasa en el alimentador sin condiciones. Por lo general siguen el estándar de protocolo de WiCell y el uso de placas de 6 pocillos recubiertas de factor de crecimiento reducido Matrigel, utilizando los medios de comunicación acondicionado o comercial, libre de enlace de los medios de comunicación.
    2. Para detectar las células positivas luciferasa, usted tendrá que tener la sonda reportero D-luciferina ya preparados. Para ello luciferina alícuota, en los preparativos 1-1.5 mL a una concentración final de 45 mg / ml. Mantener las alícuotas a -20 ° C cuando no estén en uso y evitar la exposición a la luz cubriendo con una toalla de papel, cuando no en el almacenamiento.
    3. Con el fin de visualizar las células positivas luciferasa, usamos IVIS 50 y 200 sistemas de imágenes IVIS (Xenogen Corporation, Alameda, CA). Este último sistema incluye un aparato integrado isoflourane y cámara de inducción de la anestesia temporal de animales pequeños.

  4. En las imágenes de bioluminiscencia in vitro de hESCs
    1. En imágenes de bioluminiscencia in vitro, es importante mantener condiciones de esterilización. Por lo tanto, el sistema de imágenes deben ser estériles, de preferencia en una sala de cultivo celular.
    2. Antes de imágenes, eliminar los medios de comunicación celular y añadir lo suficiente para cubrir PBS las células. Por ejemplo, añada 1 ml de PBS en cada pocillo de una placa de 6 pocillos que contienen células madre de sus culturas.
    3. La proporción de D-luciferina de PBS debe ser 1:100, por lo que añadir 10 l de D-luciferina descongelado a cada pocillo de la placa de 6 pocillos.
    4. Espere un minuto, luego tomar una imagen con un tiempo de exposición de 1 segundo. Si la señal es débil, aumentar el intervalo entre la exposición y vuelva a intentarlo.
    5. La señal bioluminiscente refleja el número de células, por lo que los ensayos de cuantificación se puede realizar la señal que se correlacionan con el número de células diferentes.

  5. Preparación de células de ratón y la inyección de imágenes in vivo
    1. Gen reportero de imagen proporciona un método de alto rendimiento, bajo costo y sensible para el seguimiento de las células después del trasplante durante días, semanas e incluso meses. Esto es especialmente importante, ya que las células madre trasplantadas a menudo forman teratomas, son rechazados por el sistema inmune del huésped, o simplemente morir.
    2. El método más simple para la formación de teratoma de imágenes in vivo, es la inyección hESCs que expresan el gen reportero de la luciferasa de luciérnaga en la espalda de ratones SCID y adquirir imágenes bioluminiscentes con el sistema de IVIS.
    3. Cuando esté listo para el trasplante de las células, el uso dispasa o colagenasa para aflojar las células, lavar varias veces, y suspender en una mezcla 1:1 del factor de crecimiento reducido matrigel y DMEM. Por lo general lo primero que mezclar las células con DMEM fría y luego añadir en el matrigel. Para cada sitio de la inyección subcutánea, se inyecta 200.000 células suspendidas en un volumen de 50 a 100 ul de la mezcla de matrigel / DMEM. El número de células se pueden ajustar en función de su aplicación. Recuerde que debe mantener todo en hielo antes de la inyección.
    4. Una vez que las células están listas, anestesiar el ratón, colocándolo en la caja de la inducción con isoflurano flujo de encendido. Después de 1-5 minutos, el ratón está dormido y se puede colocar en la mesa de operaciones continuas con isoflurano.
    5. Porque la piel natural de auto-fluorescencia y pueden oscurecer la imagen bioluminiscente, que tendrá que eliminar el vello de la cara posterior del ratón. La forma más sencilla de hacer esto es utilizar una máquina de afeitar eléctrica, pero también puede utilizar la depilación-geles. Limpie con alcohol para esterilizarla piel después
    6. A continuación, establecer la suspensión de su celda en una jeringa. 23 a 27 agujas de calibre mejor trabajo, ya que no va a tapar con las células. Si la aguja es demasiado grande (<calibre 23), el trayecto de la aguja puede dejar un gran agujero a través del cual las células pueden tener fugas de vuelta.
    7. Inyectar las células en la piel en la espalda del ratón. Porque la piel es muy floja, con el pulgar e índice para pellizcar y estirar la zona que desee inyectar. Se inyecta bajo la piel, teniendo cuidado de no perforar demasiado profundamente. Además, trate de mantener la aguja se deslice fuera del sitio de la inyección, mientras que el émbolo: esto evitará la creación de un agujero en la piel a través de la cual las células pueden tener fugas si se intenta inyectar de nuevo.
    8. Después que las células se inyectan, esperar unas horas para permitir que el ratón para despertar y empezar a correr antes de volver a anestesiar a imágenes de bioluminiscencia. Si lo hace, evita la toxicidad isoflurano.

  6. En imágenes de bioluminiscencia in vivo de las células trasplantadas
    1. Para obtener imágenes de toda la bioluminiscencia animal, hacemos una inyección intraperitoneal de D-luciferina a 375 peso mg / kg. Pesar al animal para calcular la dosis antes de la inyección.
    2. Inyectar el D-luciferina en el peritoneo, justo al lado de la línea media. Tenga cuidado de no ir demasiado profundo o puede dañar los órganos internos. Si el ratón comienza a despertar, volver a meterla en la caja de octavos de final y esperar un minuto o dos. En los ratones, la bioluminiscencia máximo ocurre generalmente 15-40 minutos después de la inyección.
    3. Recuerde que debe colocar el papel negro mate en el cuadro de imagen para ayudar a absorber cualquier luz no emitida por el hESCs. Coloque el ratón (hasta parte trasera) en la cámara de imágenes con isoflurano, en la parte superior del papel negro. Comience con un tiempo de exposición de 10 segundos. Si la señal está saturada, pruebe a reducir el tiempo de exposición, si es demasiado débil, incremento de la exposición.
    4. Una vez que el tiempo de exposición de la señal ha sido optimizado para el ratón, comenzar a tomar imágenes cada minuto hasta que la señal llega a un máximo. Esto se logra mejor utilizando el software de imágenes para seleccionar "regiones de interés (ROI)", que cubren la zona de inyección. Por el control de la intensidad de la señal en cada retorno de la inversión puede determinar con facilidad cuando la señal empieza a disminuir, lo que indica que la intensidad de la señal ha alcanzado el máximo. La máxima de la señal debe ser utilizado como sus datos finales.
    5. Cuando estés satisfecho con tus imágenes, eliminar el ratón de isoflurano y deje que se despierta en su jaula. Por lo general, el ratón debe despertar dentro de 15 minutos.
    6. Reportero de la bioluminiscencia de imágenes de genes puede repetirse a diario, semanal y mensual durante el tiempo que el hESCs sobrevivir en el animal. Señal de un teratoma en desarrollo aumentará de forma exponencial con el tiempo, típicamente del orden de semanas, ya que el hESCs empiezan a proliferar.
    7. Después de la evolución en el tiempo deseado de imágenes de bioluminiscencia se adquiere, el animal puede ser sacrificado, y las secciones de tejido utilizado para el estudio histológico.

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Discussion

En comparación con otras modalidades como la PET y la RM, la bioluminiscencia tiene una resolución espacial limitada y penetración en los tejidos debido a la reducción de la energía relativamente débil de los fotones emitidos (2-3 eV), por estas razones que hasta ahora no ha sido aplicable en los animales grandes. Sin embargo, la bioluminiscencia tiene la ventaja de ser de bajo costo, alto rendimiento, y no invasiva, por lo que es muy conveniente que en las células madre in vivo de seguimiento en pequeños animales. Bioluminiscencia no los genes indicadores, tales como construcciones de PET y de fluorescencia se puede utilizar en conjunción con la luciferasa para crear un gen de fusión que se compone de diferentes dominios que contienen los genes reportero individual. Por ejemplo, nuestro grupo utiliza una construcción de fusión que contienen fluctuaciones, monomérico proteína fluorescente de color rojo (mRFP), y el virus del herpes simple truncado la timidina quinasa (TTK, un gen reportero PET) para el seguimiento de múltiples modalidades de comportamiento de las células madre en animales pequeños. Con el tiempo, integrado de forma estable genes reporteros pueden ser objeto de silenciamiento de genes por el mecanismo cromosómico endógeno. Susceptibilidad de un gen reportero de silenciamiento de los genes está estrechamente relacionado con la elección del promotor de la conducción de su expresión. Por ejemplo, el promotor de citomegalovirus (pCMV) es rápidamente silenciada en hESCs. Nuestro laboratorio ha tenido mucho éxito con los humanos ubiquitina-C promotor (púbico) para dirigir la expresión de una doble fusión en la construcción de varias líneas de células madre de células, y se ha observado mínima pérdida de señal en el tiempo.

En conclusión, antes de que células madre derivadas de la regeneración celular se vuelve clínicamente relevante, varios obstáculos biológicos básicos debe ser superada - a saber, la muerte celular o apoptosis tras el trasplante de células diferenciadas, la formación de teratoma de células indiferenciadas, y el rechazo inmune por parte del organismo huésped. Estos y otros retos destacan la necesidad de injerto células madre de seguimiento, la supervivencia y proliferación en el organismo receptor. El desarrollo de técnicas de imagen molecular, como el gen reportero de luciferasa de luciérnaga y ultra-sensibles cámaras CCD ha permitido no invasiva, la evaluación repetitiva de ubicación de la celda, la migración, proliferación y diferenciación in vivo. Tecnologías de este tipo ayudará a impulsar la traducción de la biología de células madre desde el laboratorio hacia aplicaciones clínicas.

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Acknowledgments

Gracias a Tim Doyle, PhD y el Centro Stanford de imágenes in vivo para obtener ayuda con imágenes de bioluminiscencia. También gracias a Ngan Huang, PhD para compartir su técnica de células madre de la co-inyección con una solución de la matriz. Por último, gracias a Steve Felt, Ph.D. para obtener ayuda con el cuidado de animales veterinarios.

Materials

Name Type Company Catalog Number Comments
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) Hyclone
BD Matrigel™ Basement Membrane Matrix Growth factor reduced (optional: phenol-red free) BD Biosciences
mTeSR1 Maintenance Medium for Human Embryonic Stem Cells Stem Cell Technologies
Phosphate Buffered Saline (PBS)
D-Luciferin Firefly, potassium salt Biosynth International, Inc
Collagenase IV solution Dissolve 30 mg Collagenase Type IV in 30 mL DMEM-F12 media. Sterile filter and store at 4 degrees (Celsius).
Baked Pasteur pipets
6-well tissue culture-treated plates Techno Plastic Products 92006

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References

  1. Passier, R., et al. Increased cardiomyocyte differentiation from human embryonic stem cells in serum-free cultures. Stem Cells. 23, 772-780 (2003).
  2. Laflamme, M. A., et al. Cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells in pro-survival factors enhance function of infarcted rat hearts. Nature biotechnology. 25, 1015-1024 (2007).
  3. Baharvand, H., et al. Neural differentiation from human embryonic stem cells in a defined adherent culture conditi. Int J Dev Biol. 51, 371-378 (2007).
  4. Schulz, T. C., et al. Directed neuronal differentiation of human embryonic stem cells. BMC Neurosci. 4, (2007).
  5. Jiang, J. Generation of Insulin-producing Islet-like Clusters from Human Embryonic Stem Cells. Stem Cells. 17, 17- (2007).
  6. Swijnenburg, R. J., van der Bogt, K. E. A., Sheikh, A. Y., Cao, F., Wu, J. C. Clinical hurdles for the transplantation of cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells: role of molecular imaging. Current Opinion in Biotechnology. 18, 38-45 (2007).
  7. Herschman, H. R. Molecular imaging: looking at problems, seeing solutions. Science. 302, 605-608 (2003).
  8. Lippincott-Schwartz, J., Patterson, G. H. Development and use of fluorescent protein markers in living cells. Science. 300, 87-91 (2003).
  9. Contag, P. R., Olomu, I. N., Stevenson, D. K., Contag, C. H. Bioluminescent indicators in living mammals. Nature medicine. 4, 245-247 (1998).
  10. Bhaumik, S., Gambhir, S. S. Optical imaging of Renilla luciferase reporter gene expression in living mice. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99, 377-382 (2002).
  11. Tisi, L. C., et al. Development of a thermostable firefly luciferase. Analyica Chimica Acta. 457, 115-123 (2002).
  12. Ray, P., Tsien, R., Gambhir, S. S. Construction and validation of improved triple fusion reporter gene vectors for molecular imaging of living subjects. Cancer Res. 67, 3085-3093 (2007).
  13. Cao, F., et al. In vivo visualization of embryonic stem cell survival, proliferation, and migration after cardiac delivery. . Circulation. 113, 1005-1014 (2006).
  14. Cao, F., et al. Molecular Imaging of Embryonic Stem Cell Misbehavior and Suicide Gene Ablation. Cloning and Stem Cells. 9, 107-117 (2007).
  15. Ray, P., De, A., Min, J. J., Tsien, R. Y., Gambhir, S. S. Imaging tri-fusion multimodality reporter gene expression in living subjects. Cancer Res. 64, 1323-1330 (2004).
  16. Wu, J. C., et al. Proteomic analysis of reporter genes for molecular imaging of transplanted embryonic stem cells. Proteomics. 6, 6234-6249 (2006).
  17. Eiges, R., et al. Establishment of human embryonic stem cell-transfected clones carrying a marker for undifferentiated cells. Curr Biol. 11, 514-518 (2001).
  18. Mohr, J. C., de Pablo, J. J., Palecek, S. P. Electroporation of human embryonic stem cells: Small and macromolecule loading and DNA transfection. Biotechnol Prog. 22, 825-834 (2006).
  19. Siemen, H., et al. Nucleofection of human embryonic stem cells. Stem Cells Dev. 14, 378-383 (2005).
  20. Lakshmipathy, U., et al. Efficient transfection of embryonic and adult stem cells. Stem Cells. 22, 531-543 (2004).
  21. Ma, Y., Ramezani, A., Lewis, R., Hawley, R. G., Thomson, J. A. High-Level Sustained Transgene Expression in Human Embryonic Stem Cells Using Lentiviral Vectors. Stem Cells. 21, 111-117 (2003).
  22. Menendez, P., Wang, L., Chadwick, K., Li, L., Bhatia, M. Retroviral transduction of hematopoietic cells differentiated from human embryonic stem cell-derived CD45(neg)PFV hemogenic precursors. Molecular therapy. 10, 1109-1120 (2004).
  23. Thyagarajan, B., et al. Creation of engineered human embryonic stem cell lines using phiC31 integrase. Stem cells. 26, 119-126 (2008).
  24. Liew, C. -G., Draper, J. S., Walsh, J., Moore, H., Andrews, P. W. Transient and Stable Transgene Expression in Human Embryonic Stem Cell. Forthcoming.
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Wilson, K., Yu, J., Lee, A., Wu, J. C. In vitro and in vivo Bioluminescence Reporter Gene Imaging of Human Embryonic Stem Cells. J. Vis. Exp. (14), e740, doi:10.3791/740 (2008).More

Wilson, K., Yu, J., Lee, A., Wu, J. C. In vitro and in vivo Bioluminescence Reporter Gene Imaging of Human Embryonic Stem Cells. J. Vis. Exp. (14), e740, doi:10.3791/740 (2008).

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