从胚胎干细胞衍生心脏祖细胞

Developmental Biology

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Lei, I. L., Bu, L., Wang, Z. Derivation of Cardiac Progenitor Cells from Embryonic Stem Cells. J. Vis. Exp. (95), e52047, doi:10.3791/52047 (2015).

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Abstract

Introduction

心脏疾病仍然是世界上领先的原因今天和死亡率在过去二十年(美国心脏协会)大致维持不变。有用于开发新的治疗策略,以有效地防止或逆转心脏衰竭的重要需求。一个有希望的战略是基于细胞治疗造血干细胞生物学1的快速发展。在这点上,多能每次点击费用可能是一个很好的细胞来源的治疗,由于其增殖,但致力于仅心脏谱系分化的能力。因此,有效和可靠的方法来产生和分离的每次点击费用是对心脏细胞疗法的研究非常重要的。

该协议的重点是在早期胚胎发育,以及如何他们这一代人从胚胎干细胞识别胚胎的每次点击费用。不同的每次点击费用已分离出胚胎和成人的心,甚至从骨髓2。在胚胎发育,骨骼morphogeNETIC蛋白(BMP),无翅型MMTV整合位点家族成员(Wnts)和节点信号诱导Mesp1 +多能胚层3的承诺。 Mesp1 +细胞然后分化成胚胎每次点击费用4。这些每次点击费用通常标记HCN4,NK 2同源框5(NKX2-5),ISL LIM同源框1(Isl1),T型箱5(Tbx5中),和肌细胞增​​强因子2C(MEF2C),形成初级和第二心脏领域,并心脏发生5-10时导致心脏的主要部分。既NKX2-5 +和Isl1 + / + MEF2C每次点击费用是能够分化成心肌细胞,平滑肌细胞(SMC)和内皮细胞5-8。因此,这些每次点击费用会引起心脏血管系统以及心脏组织并且是一种理想的细胞源细胞系心脏疗法。因此, 在体外产生的每次点击成本一直是一大研究热点心血管研究。由于胚胎干细胞具有无限扩展能力次代表ICM细胞的囊胚阶段,下面自然胚胎发育胚胎干细胞分化成胚胎的每次点击成本被认为是获得每次点击费用的合理和有效的方法。

一个被广泛应用的方法,从胚胎干细胞获得的每次点击成本是胚胎干细胞聚集成胚11。以提高分化效率的基础上,心脏发育的知识定义的化学和生长因子已被用于12-14。然而,没有明确的中共标记,尤其无细胞表面标志物,其已被广泛接受的领域。为了解决这个问题,胚胎干细胞被设计为纪念Isl1 +或MEF2C +每次点击费用和他们使用的Cre / loxP系统荧光记者衍生物。 Cre重组酶是Isl1 / MEF2C子/增强子的控制下,在敲。改性荧光蛋白RFP或YFP基因由组成型启动子驱动的可通过FLOX终止密码子与Cre重组酶切除被激活(ISL1:CRE; pCAG-FLOX-STOP-FLOX-GFP或RFP / Isl1-CRE; Rosa26YFP / MEF2C-CRE; Rosa26YFP)5,6。一旦胚胎干细胞分化为第二心脏领域的每次点击费用Isl1 / MEF2C子/增强推动华创会激活荧光记者和每次点击费用,可以通过FACS净化富集。简言之,EB凝集法用于启动ESC分化。以提高分化的效率,所述分化细胞用抗坏血酸(AA)和生长因子如BMP4,活化素A和VEGF 13,15。该协议允许用小鼠和人胚胎干细胞强大的和高效率的CPC分化。

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Protocol

从鼠标胚胎干细胞衍生1.小鼠胚胎的每次点击成本

  1. 准备小鼠胚胎成纤维细胞(MEF中)饲养层。
    1. 暖MEF培养基(在DMEM 10%胎牛血清)至37℃。
    2. 准备明胶涂层板。
      1. 加入1毫升水的0.1%明胶的成井的6孔板或5毫升到10cm的培养皿中。
      2. 离开,在37℃的板或盘或室温下至少30分钟。渴望在使用前明胶。
    3. 解冻在37℃水浴中照射的MEF很快,轻轻摇动。
    4. 轻轻转移细胞到15ml或50ml锥形管中。加入5 ml预热的MEF培养基。漩涡的细胞缓慢和离心,在200×g离心5分钟。
    5. 重悬的细胞在MEF培养基和计数存活细胞。从10cm的培养皿2毫升每孔的细胞从6孔板和10毫升的细胞:使用MEF培养基的下列卷。
    6. 板细胞向6孔板或10 cm的培养皿在1-2×10 6每盘/碟。
    7. 孵育MEF平板/菜在37℃下,在使用前,5%CO 2的至少24小时。
      注:放弃MEF板/超过一个星期菜。
  2. 准备鼠标胚胎干细胞
    1. 文化Isl1-CRE; Rosa26YFP / MEF2C-CRE; Rosa26YFP鼠胚胎干细胞对MEF中,直到90%汇合。利用ES细胞培养基由410毫升DMEM,75毫升FBS,0.1mM的MEM NEAA,2mM的L-谷氨酰胺,0.1mM的丙酮酸,100U青霉素/链霉素和0.1mMβ巯基乙醇。
    2. 如1.1.2中所述制备明胶包被的6孔板中。
    3. 从板块吸中,冲洗细胞DPBS。
      1. 抽吸DPBS添加0.4毫升0.25%胰蛋白酶进6孔板一个孔。孵育细胞在37℃,5%的CO 2为5分钟。加入1毫升预热的ES培养基以停止胰蛋白酶反应。
    4. 收获细胞和细胞离心机在200 XG和抽吸介质。重悬的细胞在1ml ES细胞培养基,并计数细胞。</ li>
    5. 板胚胎干细胞在明胶包被的板在3×10 4个/ cm 2的密度。孵育在37℃,5%CO 2的约2天,当胚胎干细胞达到约90%汇合。媒体每天都在发生变化。
    6. 当胚胎干细胞是90%汇合,重复步骤1.2.2-1.2.5彻底删除MEF饲养。
  3. 中共诱导分化形成EB
    1. 制备分化培养基如下:36毫升IMDM,12毫升火腿的F12,2mM的L-谷氨酰胺,0.34毫升BSA(7.5%),加入0.25ml N 2,0.5毫升B27,50微克/毫升的AA,和0.45毫摩尔1-硫代甘油。
    2. 从细胞中吸中,用清水冲洗DPBS。抽吸DPBS添加0.4毫升0.25%胰蛋白酶进6孔板一个孔。孵育在37℃下5分钟。
    3. 加入1毫升分化培养基停止反应和移液器上下分散细胞簇为单细胞。
    4. 在200×g离心5分钟,并弃去培养基离心的胚胎干细胞。
      1. 重悬1×10 6 </ SUP> 1毫升分化培养基的胚胎干细胞。计数细胞,并培养所述细胞在低脱离培养皿以1×10 5细胞/在分化培养基ml的浓度,在37℃下进行第一次电子束的聚集。
    5. EB形成后两天,从菜传输EBS公司50ml试管。旋转,在200×g离心1分钟。除去培养基和冲洗胚用10毫升DPBS不含Ca 2+和Mg 2+。
    6. 吸DPBS并加入1 ml 0.25%胰蛋白酶。孵育在37℃下5分钟。添加4.5毫升分化培养基以停止反应。吸管上下解离胚成单个细胞。
    7. 离心细胞,在200×g离心5分钟。吸中型和悬浮细胞1毫升分化培养基。
    8. 计数细胞,并稀释为2×10 6个细胞至1×10 5个细胞/在分化培养基毫升。添加VEGF,BMP4和激活素A的培养基中在5毫微克/毫升,0.8纳克/毫升最终浓度,并5毫微克/毫升。丘尔再将细胞在培养皿中用于第二EB形成在37℃。
    9. 第二个EB形成后的40小时,转移到胚50ml试管。用DPBS冲洗一次,游离的EB与1ml 0.25%胰蛋白酶在37℃下5分钟。吸管上下解离胚成单个细胞。
    10. 将细胞重悬于Stempro-34培养基与5毫微克/毫升VEGF,10ng / ml的bFGF和12.5毫微克/毫升的FGF10。板中的细胞以2×10 5 / cm 2的在明胶包被的平板上。文化在37℃的孵化器前,中共中央隔离约32小时。
  4. 隔离mCPCs
    1. 吸中,用清水冲洗DPBS。添加0.5毫升0.25%胰蛋白酶培养板在37℃下5分钟。添加4.5毫升分化培养基以停止反应。吸管上下解离胚成单个细胞。收集的细胞通过离心和重悬细胞的2%FBS / PBS用于FACS纯化。
    2. 运行在分拣机作为阴性对照未分化的胚胎干细胞。改变电压来调节前进SCAT之三(FSC)和侧向散射(SSC),选择所需的人口。使用前向散射与侧向散射和前向散射的高度与宽度,以排除碎片和双峰。在所选择的子群,根据ESC控制的分布,绘制YFP的栅极上直方图正,以消除细胞的自体荧光。收集YFP +门YFP +的每次点击费用。
    3. 板中的纯化的每次点击费用(YFP +细胞)在6孔板用分化培养基(1.3.1)。文化额外的3-5天在37℃分化的每次点击费用为心肌和平滑肌细胞。

从人类胚胎干细胞衍生2.人类胚胎的每次点击成本

  1. 准备给料机
    1. 制备小鼠胚胎成纤维细胞(MEFs)饲养层作为以2×10 4 / cm 2的密度如上所述。
  2. 维持人类胚胎干细胞
    1. 维持人类ISL1:CRE;对并购pCAG-FLOX-STOP-FLOX-GFP或RFP常规胚胎干细胞EF使用常规的hESC培养基(敲除DMEM / F-12385毫升,敲除的SR 100毫升,2毫摩尔L-谷氨酰胺,0.1mM的NEAA,0.1毫β巯基乙醇,10纳克/毫升碱性FGF)。之前心肌分化,在无饲养条件为至少2次传代转移人类胚胎干细胞。
  3. 准备在无饲养条件下人类胚胎干细胞
    1. 准备涂层板为人类胚胎干细胞的文化。
      1. 解冻基质胶在4℃下过夜。放50ml管在冰上,加入30毫升冷的DMEM / F12培养基到管。
      2. 加入1毫升基质胶放入冷水中,拌匀。添加1ml冷基质胶的DMEM / 12培养基成良好的6孔板或5毫升到10cm的培养皿中。
      3. 离开板/菜在4℃过夜或室温下搅拌2小时。抽吸培养基在使用前。
    2. 分裂人类胚胎干细胞到板:吸媒体从MEF板和冲洗人类胚胎干细胞用DPBS。然后加入1 ml分散酶(1毫克/毫升)于6孔板的孔中。孵育细胞在37℃孵化器,直至菌落边缘开始脱落。
    3. 除去中性蛋白酶的解决方案。用DPBS冲洗两次,然后加入2.5毫升/每孔mTeSR培养基或MEF条件培养基的板上。
    4. 刮去使用细胞刮刀细胞,并仔细吸管上下打破人类ESC集落成小团块。
    5. 传送ESC团块并稀释1:3到包被的板。
    6. 加入2毫升/ mTeSR中等或MEF条件培养基,改变媒体每天。
    7. 培养人类胚胎干细胞在mTeSR培养基中或在包被的板MEF条件培养基中,至少2次传代。
  4. 诱导人类胚胎干细胞分化CPC
    1. 当细胞是〜90%汇合时,吸出介质并冲洗用DPBS。然后孵育在0.5毫克/毫升分散酶的人类胚胎干细胞在37℃下20分钟。
    2. 冲洗DPBS的人类胚胎干细胞的两倍,从板与细胞升降去除细胞,然后悬浮在分化培养基细胞夹(含18%FBS,0.1毫米NEAA,2毫米DMEM / F12L-谷氨酰胺,0.1mM的β巯基乙醇和50微克/毫升抗坏血酸)。
    3. 转移细胞进入6孔超低附着板的EB形成。
    4. 第二天,改变分化培养基。
    5. 更换培养基,每3天,并在悬浮培养中维持的EB。
  5. 隔离HCPCS
    1. 最迟分化为人类CPC隔离9天收集胚。
    2. 吸媒体和冲洗胚与DPBS两次。添加0.5毫升0.25%胰蛋白酶至6孔培养板每孔中,在37℃进行5分钟。
    3. 加入分化培养基的体积相等,使反应停止。吸管上下解离胚成单个细胞。收集细胞通过离心机在200×g离心5分钟,并悬浮细胞在2%FBS / DPBS。过滤单元与40微米的细胞过滤和FACS纯化的RFP + CPC细胞中1.4.3所述。
    4. 板排序HCPCS到geltin包被的平板。在7分化培养基文化HCPCS-9天分化成心肌细胞和平滑肌细胞。电镀后第7天,培养分化的细胞在DMEM / F12培养基的5%敲除的SR。

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Representative Results

该协议显示了几个胚胎干细胞系的每次点击费用的推导。胚胎干细胞聚集形成EB分化为每次点击费用。胚胎干细胞是经常保持在MEF饲养( 图1A,F)和馈线分化前被移除。经聚集的胚胎干细胞的成胚在分化培养基( 图1B,G)中,所述第二形成的EB与BMP4和活化素A处理,以增强在小鼠细胞系( 图1C)中胚层的分化。胚胎干细胞分化成心肌谱系所确定的荧光蛋白质YFP / RFP( 图1D)。每次点击费用是FACS纯化的( 图1H),并进一步培养以分化成心肌细胞和平滑肌细胞。 cTnT和SM-MHC的染色显示分化能力的每次点击费用为心肌和平滑肌细胞( 图1 E,I,J)。通常,80-90%的每次点击成本被从小鼠胚胎干细胞分化得到的PROTocol和0.5-5%的每次点击费用是从人类胚胎干细胞分化协议获得的。

图1
图1:胚胎干细胞分化成多能的每次点击费用。 (AE)鼠标ESC分化。鼠标ESC(一)形态的饲养层细胞。(B)第一EB形成的小鼠ESC。(C)二EB的形成与生长因子分化培养基。(D)的每次点击费用都表达YFP。(E)的心肌细胞(肌钙蛋白T +)来自FACS纯化的每次点击费用。人类胚胎干细胞(FJ)分化。人类的ESC(F)形态保持饲养细胞上。(G)EB形成人类胚胎干细胞。(H)FACS纯化的每次点击成本(IJ)的每次点击费用分化为心肌细胞(肌钙蛋白+)和平滑肌细胞(SM-MHC + 请点击此处查看该图的放大版本。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
FBS Thermo scentific SH30070.03E
Knockout SR Life technology 10828028
Knockout DMEM Life technology 10829018
DMEM Life technology 11965118
NEAA Life technology 11140050
GlutaMAX Life technology 35050061
N2 Life technology 17502048
B27 Life technology 12587010
Ham’s F12 Life technology 11765062
IMDM Life technology 12440061
Pen/Strep Life technology 15140122
Pyruvate Life technology 11360070
Dispase Life technology 17105041
Stempro-34 Life technology 10639011
DMEM/F12 Life technology 11330032
BSA  Life technology 15260037
Trypsin  Life technology 25200056
Ascobic Acid  Sigma A5960
1-Thioglycerol Sigma M1753
2-Mercaptoethanol Sigma M3148
VEGF R&D 293-VE
Bmp4 R&D 314-BP
ActivinA R&D 338-AC
bFgf R&D 233-FB
Fgf10 R&D 345-FG
mTeSR Stemcell technologies 5850
Matrigel BD Biosciences 354277

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References

  1. Garbern, J. C., Lee, R. T. Cardiac stem cell therapy and the promise of heart regeneration. Cell Stem Cell. 12, (6), 689-698 (2013).
  2. Passier, R., van Laake, L. W., Mummery, C. L. Stem-cell-based therapy and lessons from the heart. Nature. 453, (7193), 322-329 (2008).
  3. Bondue, A., Blanpain, C. Mesp1: a key regulator of cardiovascular lineage commitment. Circulation Research. 107, (12), 1414-1427 (2010).
  4. Bondue, A., et al. Mesp1 acts as a master regulator of multipotent cardiovascular progenitor specification. Cell Stem Cell. 3, (1), 69-84 (2008).
  5. Bu, L., et al. Human ISL1 heart progenitors generate diverse multipotent cardiovascular cell lineages. Nature. 460, (7251), 113-117 (2009).
  6. Lei, I., Gao, X., Sham, M. H., Wang, Z. SWI/SNF protein component BAF250a regulates cardiac progenitor cell differentiation by modulating chromatin accessibility during second heart field development. The Journal of Biological Chemistry. 287, (29), 24255-24262 (2012).
  7. Lei, I., Liu, L., Sham, M. H., Wang, Z. SWI/SNF in cardiac progenitor cell differentiation. Journal of Cellular Biochemistry. 114, (11), 2437-2445 (2013).
  8. Wu, S. M., et al. Developmental origin of a bipotential myocardial and smooth muscle cell precursor in the mammalian heart. Cell. 127, (6), 1137-1150 (2006).
  9. Spater, D., et al. A HCN4+ cardiomyogenic progenitor derived from the first heart field and human pluripotent stem cells. Nature Cell Biology. 15, (9), 1098-1106 (2013).
  10. Verzi, M. P., McCulley, D. J., De Val, S., Dodou, E., Black, B. L. The right ventricle, outflow tract, and ventricular septum comprise a restricted expression domain within the secondary/anterior heart field. Developmental Biology. 287, (1), 134-145 (2005).
  11. Boheler, K. R., et al. Differentiation of pluripotent embryonic stem cells into cardiomyocytes. Circulation Research. 91, (3), 189-201 (2002).
  12. Wada, R., et al. Induction of human cardiomyocyte-like cells from fibroblasts by defined factors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110, (31), 12667-12672 (2013).
  13. Kattman, S. J., et al. Stage-specific optimization of activin/nodal and BMP signaling promotes cardiac differentiation of mouse and human pluripotent stem cell lines. Cell Stem Cell. 8, (2), 228-240 (2011).
  14. Takahashi, T., et al. Ascorbic acid enhances differentiation of embryonic stem cells into cardiac myocytes. Circulation. 107, (14), 1912-1916 (2003).
  15. Wamstad, J. A., et al. Dynamic and coordinated epigenetic regulation of developmental transitions in the cardiac lineage. Cell. 151, (1), 206-220 (2012).
  16. Cong, L., et al. Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems. Science. 339, (6121), 819-823 (2013).
  17. Ding, Q., et al. Enhanced efficiency of human pluripotent stem cell genome editing through replacing TALENs with CRISPRs. Cell Stem Cell. 12, (4), 393-394 (2013).
  18. Gaj, T., Gersbach, C. S. 3rd, Barbas, T. A. L. E. N. ZFN, TALEN, CRISPR/Cas-based methods for genome engineering. Trends in Biotechnology. 31, (7), 397-405 (2013).
  19. Joung, J. K., Sander, J. D. TALENs: a widely applicable technology for targeted genome editing. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 14, (1), 49-55 (2013).
  20. Yang, H., et al. One-step generation of mice carrying reporter and conditional alleles by CRISPR/Cas-mediated genome engineering. Cell. 154, (6), 1370-1379 (2013).
  21. Mali, P., et al. RNA-guided human genome engineering via Cas9. Science. 339, (6121), 823-826 (2013).
  22. 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, (9), 1015-1024 (2007).
  23. Burridge, P. W., et al. A universal system for highly efficient cardiac differentiation of human induced pluripotent stem cells that eliminates interline variability. PloS One. 6, (4), e18293 (2011).
  24. Kouskoff, V., Lacaud, G., Schwantz, S., Fehling, H. J., Keller, G. Sequential development of hematopoietic and cardiac mesoderm during embryonic stem cell differentiation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102, (37), 13170-13175 (2005).
  25. Xu, X. Q., et al. Chemically defined medium supporting cardiomyocyte differentiation of human embryonic stem cells. Differentiation: Research in Biological Diversity. 76, (9), 958-970 (2008).
  26. Lian, X., et al. Robust cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells via temporal modulation of canonical Wnt signaling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109, (27), E1848-1857 (2012).
  27. Bizy, A., et al. Myosin light chain 2-based selection of human iPSC-derived early ventricular cardiac myocytes. Stem Cell Research. 11, (3), 1335-1347 (2013).

Erratum

Formal Correction: Erratum: Derivation of Cardiac Progenitor Cells from Embryonic Stem Cells
Posted by JoVE Editors on 08/10/2016. Citeable Link.

A correction to the author list was made to: Derivation of Cardiac Progenitor Cells from Embryonic Stem Cells.

The following author is now listed as a co-corresponding author:

Lei Bu

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