人多能干细胞对原始和最终造血祖细胞定向分化的研究

Developmental Biology

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Summary

在这里, 我们提出了人类多能干细胞 (hPSC) 的文化协议, 用于区分 hPSCs 成 CD34 的+造血祖细胞。此方法使用特定于阶段的规范 WNT 信号的操作来指定单元格完全是最终的或原始的造血程序。

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Dege, C., Sturgeon, C. M. Directed Differentiation of Primitive and Definitive Hematopoietic Progenitors from Human Pluripotent Stem Cells. J. Vis. Exp. (129), e55196, doi:10.3791/55196 (2017).

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Abstract

再生医学的主要目标之一是从人类多能干细胞 (hPSCs) 中产生和维持造血干细胞 (干细胞)。直到最近, 将 hPSCs 分化为干细胞的努力主要产生了缺乏 HSC 潜能的造血祖细胞, 而不是像卵黄囊造血。这些产生的造血祖细胞可能有有限的效用, 为体外疾病模型的各种成人造血疾病, 特别是那些淋巴谱系。然而, 我们最近描述的方法产生赤-骨髓淋巴多向确定造血祖细胞的 hPSCs 使用一个阶段特定的定向分化协议, 我们在这里概述。通过在基底膜 plasticware 上 hPSCs 酶解离, 形成了胚体 (EBs)。EBs 被区分对胚层由重组 BMP4, 随后被指定到明确的造血程序由 GSK3β抑制剂, CHIR99021。另外, 原始的造血是由 PORCN 抑制剂, IWP2 指定的。造血是进一步推动通过增加重组 VEGF 和支持造血细胞因子。使用这种方法产生的造血祖细胞有可能用于疾病和发育模型,体外

Introduction

人类多能干细胞 (hPSCs) 被定义为包括人类胚胎干细胞 (干细胞) 和人类诱导多能干细胞 (hiPSCs), 并具有独特的能力, 不仅在适当的生长条件下进行自我更新,而且, 可以区分为从三种细菌层派生的所有单元类型: 内胚层、胚层和外胚层1。由于这些独特的能力, hPSCs 的再生医学, 疾病建模和细胞疗法的巨大希望2。虽然多个细胞类型已成功地区分了 hPSCs, 一个重要的挑战是体外规范的完全成人样 hPSC 衍生造血干细胞 (干细胞) 和最终造血祖细胞。

一个可能的障碍, 发展的人类干细胞从 hPSCs 是存在的多个造血程序在人类胚胎的3。第一个程序出现, 称为 "原始造血", 起源于外卵黄囊组织内, 最主要的特点是其瞬态生产的 erythroblast 祖 (EryP-氟氯化碳), 巨噬细胞, 和巨。值得注意的是, 这个程序并没有引起干细胞, 也没有引起 T 和 B 淋巴祖细胞。然而, 卵黄囊确实瞬时产生限制性的造血祖细胞, 如赤髓祖 (EMP4,5,6,7,8和红缺乏的淋巴引物多能祖 (LMPP9)。然而, 无论是 EMPs 还是 LMPPs 都是完全多能的, 或者能够在成人接受者身上植入。相比之下, 后来在发展, 经典定义的 "决定性" 的造血程序是指定的主动脉-性腺-肾区的胚胎正常, 导致所有成年造血血统, 包括 HSC。这些 intra-embryonic 明确造血细胞的规格发生在一个缺口依赖性的方式, 通过 endothelial-to-hematopoietic 过渡从 hemogenic 内皮 (他)3,10,11 ,12,13,14。除了重建能力, 这些细胞的多向电位和缺口依赖性可以用来区分这些最终的造血祖与 EMP 和 LMPP (在参考文献3,13).

了解 hPSCs 的原始和明确的造血规范的机制, 可能对在各种 hPSC 线上的最终造血祖细胞的再生生产至关重要。直到最近, hPSC 分化的协议, 可以分离多能原始和最终造血祖细胞不存在15,16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25。许多方法使用胎牛血清 (FBS) 和/或基质共培养首先概述了 hPSC 分化的造血潜能, 与原始和最终造血电位的混合物15,16, 17,19,22,23,25。此外, 许多无血清造血协议描述的信号要求的规格胚层从 hPSCs 的海港造血电位18,20,21,24. 然而, 由于这些方法仍然产生了两种程序的异构混合物, 所以它们在临床应用和理解发展机制上的应用可能是有限的。

我们最近建立了这些研究, 概述了激活/节和 WNT 信号的阶段特定的信号要求的原始和最终的造血规范从 hPSC 派生的胚层18,26.后者是特别独特的, 因为它的使用阶段特定的 WNT 信号操作允许指定完全原始或完全明确造血祖细胞26。在胚层规范中, 标准 WNT 信号与 PORCN 抑制剂 IWP2 的抑制作用导致 CD43+ EryP-氟氯化碳和髓祖细胞的规范, 没有可检测到的淋巴潜能。与 GSK3β抑制剂 (CHIR99021) 在同一阶段的分化过程中, 对标准 WNT 信号的刺激形成鲜明对比, 导致完全缺乏可检测的 CD43+ EryP-CFC, 同时导致CD34+CD43的规范。该种群具有髓样、 HBG表达红和 T 淋巴细胞电位。随后的分析发现, 他缺乏 CD732728和 CD18428的表达式, 其造血电位与缺口相关的28。此外, 单细胞克隆分析表明, 这些最终的造血谱系可以从多能单细胞28。在一起, 这些研究表明, 阶段特定的 WNT 信号操纵可以指定纯原始造血祖, 或多能缺口依赖的最终造血祖细胞。

在这里, 我们概述了我们的差异化策略, 产生完全原始或最终造血祖, 通过操纵规范 WNT 信号在胚层模式, 以及他们的下游造血谱系化验。这项协议是非常有价值的调查谁对生产的原始或最终造血祖 hPSCs 的再生医学应用。

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Protocol

1. 试剂

  1. 获取单元格线; 干细胞或 hiPSCs 1 、小鼠胚胎成纤维细胞 (MEFs) 29 、OP9-DL4 基质 30 31 .
  2. 试剂准备
    1. 在 PBS 中准备一个0.1% 瓦特/v 的明胶溶液。4、#176 灭菌, aliquoting 后进行消毒;
      1. 准备明胶涂层 plasticware。外套 6-1.5 毫升的0.1% 明胶溶液的菜肴。室温孵育15分钟。使用前应立即抽出残留明胶溶液.
    2. 通过使 IMDM 与15% 伏/v FBS 和1x 和 #160; 抗生素来准备 MEF 介质。补充2毫米 l-谷氨酰胺和400和 #181; M monothioglycerol (MTG) 之前使用和存储在4和 #176; C.
    3. 准备 hPSC 培养基作为 DMEM/F12 20% v/v 淘汰赛血清置换 (KOSR) 的解决方案, 1x、#160; 非必需氨基酸 (NEAA)、1x 和 #160; 抗生素、55、#181; M 和 #946;-基、2毫米-l-谷氨酰胺和 10 ng/毫升 bFGF。过滤器用2和 #181; m 过滤器和存储在黑暗中在4和 #176; C.
    4. 以5% 伏/v KOSR 和 4 mM HCl 为 DMEM/F12 的溶液制备无血清洗涤介质. 过滤器用2和 #181 进行灭菌; m 过滤器, 分, 和存储在黑暗中4和 #176; C.
    5. 1 毫克/毫升 dnasei i 溶液溶解 dnasei i 为 3-4 小时到 ice-cold, 无菌去离子水冰。过滤器用2和 #181; m 过滤器和存储等分在-20 和 #176; C.
    6. 使用洗涤介质准备停止解决方案: 添加 10% FBS 和10和 #181; g/毫升 dnasei i。停止解决方案应在使用前立即准备.
    7. 准备基底膜基体 ( 例如, , 基质, 简称为垫) 混合溶液.
      注: 所有的步骤准备和使用的垫子混合物应在冰上或在4和 #176; c. 解冻结冰的垫在冰在4和 #176; c 隔夜。稀释垫1:1 通过加入10毫升 ice-cold IMDM 和冰寒意在4和 #176; C 过夜。稀释垫混合物与额外的20毫升 ice-cold IMDM 和寒冷的冰在4和 #176; C 过夜。分到 pre-chilled 管和存储在-20 和 #176; C 直到使用。当准备好使用, 解冻垫混合物隔夜在4和 #176;
      1. 将垫子细胞培养皿涂上.
        注: 涂布垫板的所有步骤应在冰上进行。预冷6井和24井板在-20 和 #176; C 至少1小时。当准备好涂上盘子时, 把它们放在冰上。用 4 x-diluted 垫把每个井涂好, 去除并再利用任何多余的溶液。在冰上留 30-60 分钟, 并抽出多余的垫子。在37和 #176 中将涂布板擦干; C 5% CO 2 孵化器至少 3 h. 在涂层的 72 h 内使用.
    8. 将10% 牛血清白蛋白 (bsa) 的溶液溶解在 ice-cold 中, 并将其分解为 10% w/v bsa, 蒸馏, 去离子水在4和 #176; c 为 3-4 h. 过滤器消毒用2和 #181; m 过滤入遮光瓶并且存放在4和 #176; c.
    9. 准备抗坏血酸溶液。缓慢溶解5毫克/毫升的 l-抗坏血酸的溶液在 ice-cold, 蒸馏, 去离子水在冰 3-4 h. 漩涡偶尔地直到溶化。过滤器用2和 #181; m 过滤器和存储等分在-20 和 #176; C.
    10. SFD 75:25 的 IMDM: 火腿和 #39 F-12, 然后加入 0.5% BSA, 1x 和 #160; B27, 0.5x 和 #160; N2 补充剂, 制备无血清分化培养基。存储在4和 #176; c. 添加1x 和 #160; L-谷氨酰胺, 50 和 #181; g/毫升抗坏血酸, 400 和 #181; M MTG, 150 和 #181; 在使用前立即的全息-转铁蛋白.
    11. 制备无血清干细胞培养基 ( (如 , StemPro, 称为 SP34) 根据制造商和 #39 的指示。存储在4和 #176; c. 添加1x 和 #160; L-谷氨酰胺, 50 和 #181; g/毫升抗坏血酸, 400 和 #181; M MTG, 150 和 #181; 在使用前立即的全息-转铁蛋白.
    12. 制备0.2% 胶原酶 ii 溶液通过溶解胶原酶 ii 到最后浓度0.2% 瓦特/v 在 1:4 FBS: PBS 溶液。溶解在37和 #176; c 水浴至少15分钟过滤器, 以2和 #181; m 过滤和存储等分在-20 和 #176; c.
    13. 在使用前立即准备荧光活化细胞分类 (FBS) 缓冲液作为 5% IMDM 的解决方案.
    14. 准备 OP9 介质作为 #945 的解决方案;-记忆, 20% FBS, 2 毫米 l-谷氨酰胺, 和1x 和 #160; 抗生素。过滤器以 2 #181; m 过滤和存储在4和 #176; C.
    15. 获取 methylcellulose-based 媒体 (, MethoCult, 在此称为 pre-aliquoted) 为3毫升的数量或作为一个100毫升瓶。如果使用100毫升, 在到达时, 分为2.5 毫升等分在14毫升锥形管.
      注: 所有等分应存储在-20 和 #176; C. 等分应在使用前立即解冻.

2。胚层分化的 hPSCs

  1. 将 MEFs 上的 hPSC 单元格线增长为 70-80% 70-100, 在37和 #176 中; C 孵化器, 5% CO 2 。 注意: hPSCs 应该有尖锐的, 未分化的边界.
  2. 在传代 hPSCs 前准备 plasticware 24 小时.
    注: 涂覆的6个盘子的总数量在不同的 hPSC 线。通常情况下, 三 6-好菜是足够的每 6-好菜的汇合 hPSCs 在 MEFs。
    1. 执行以不同比例的汇合 hPSCs: 垫井 (1:4、1:3、1:2、) 在第一次分化之前的试验馈线损耗, 以确定在随后的区分中应使用多少席涂覆的 6-好的菜肴.
      注:24 小时后在垫子上电镀后, hPSCs 应该是 80-90% 汇合, 与细胞团簇约 10-20 细胞大小.
  3. 将吸入 hPSC 介质, 并添加 1 ml 37 和 #176; C 0.25% 胰蛋白酶-EDTA 每井1分钟, 并添加1毫升停止介质到每个井。用刮板机刮掉盘子上的细胞。每井加1毫升洗涤缓冲器.
    1. 使用2毫升血清学吸管, 研制 3-5 次, 以分解大块的细胞, 并将细胞转移到50毫升锥形管。离心 hPSCs 在 330 x g 为 5 min.
  4. 重 hPSC 介质的总容量中的单元格, 相当于每张涂布 plasticware 的2毫升。添加2毫升/井 hPSCs 到 plasticware 和孵化过夜在一个37和 #176; C 孵化器与 5% CO 2 .
  5. 24 小时后, 抽吸介质并替换为37和 #176; C 0.05% 胰蛋白酶-edta 为1分钟, 抽出胰蛋白酶-edta 并添加1毫升停止介质。用刮板机用力刮细胞。每井加1毫升洗涤介质。2毫升血清吸管, 研制细胞 1-2 倍, 并转移到50毫升锥形管。离心机细胞在 220 x g 为 5 min.
    注: 胰蛋白酶-EDTA 处理时间长度ld 由每 hPSC 线的调查员确定。胰蛋白酶的处理应尽可能长时间地应用, 而不会引起单细胞分离。这一步应该将所有的 hPSCs 从垫子涂层的盘子中分离出来, 但不会导致单细胞离解。结果的 EBs 平均应为 6-10 单元.
  6. 吸出介质。使用5毫升血清吸管, 轻轻重20毫升洗涤介质中的细胞。离心机在 220 x g 为 5 min.
  7. 在0天的媒体中轻轻重 EBs ( 表 1 )。使用10毫升血清吸管, 在6井 low-adherent 细胞培养皿的每一个井中分配2毫升的分化介质, 包含 EBs。放置到37和 #176; C 5% CO 2 5% O 2 (气体) 孵化器.
    注: 0 天介质: SFD 介质辅以 10 ng/mL BMP4 ( 表 1 )。每两个盘子的 hPSCs, 使用一个6井 low-adherent 细胞培养皿.
  8. 24 小时后, 添加 2 mL 天1媒体 ( 表 1 )。在气体孵化室过夜.
    注: 1 天媒体: SFD 培养基辅以 10 ng/毫升 BMP4 和 10 ng/毫升 bFGF ( 表 1 ).
  9. 18 小时后, 用5毫升血清吸管轻轻地收割 EBs, 并在 100 x g 处旋转5分钟, 并将整个养殖与10毫升 IMDM。在 100 x g 旋转5分钟, 吸气介质.
    注意: 碎片将存在于文化中。这种离心步骤在低速 (100 x g) 将清除碎片.
  10. 轻轻地重 SFD 介质中的 EBs, 并辅以天2介质 (表 1), 然后将2毫升每井分配到6井 low-adherent 细胞培养板中。在37和 #176 孵化; C 气体孵化30小时
    注: 2 天培养基:10 ng/毫升 BMP4, 5 ng/毫升 bFGF, 以及适当的 WNT 激动剂或拮抗药 ( 表 1 )。
    1. 添加3和 #181; M CHIR99021 以指定最终的造血祖细胞。另外, 添加3和 #181; M IWP2 和 1 ng/毫升激活 A 来指定原始造血祖细胞.
  11. 继续进行造血祖规范的3节.

3. CD34 的规范 + 造血祖细胞

  1. 在30小时后, 将 EBs 与2毫升血清吸管分离, 在3天的分化。转到50毫升锥形管和离心机在 330 x g 5 分钟轻轻重和洗涤与10毫升的 IMDM。再次离心的细胞在 330 x g 为 5 min.
  2. 在3天的媒体 ( 表 2 ) 中重了 EBs, 并将2毫升分配到 low-adherent 6 井板的每个井中。孵育细胞在37和 #176; C 气体孵化器为 72 h.
    注: 3 天培养基: SP34, 辅以 15 ng/毫升 VEGF 和 5 ng/毫升 bFGF ( 表 2 )。如果3天的介质 pH 值发生显著变化 (, 黄色-橙色介质), 则每井添加更多介质。或者, 在0天的每个井使用较少的 EBs.
  3. 在72小时的孵育后, 将2毫升的日6介质 ( 表 2 ) 添加到每个井中。孵育在37和 #176; C 气体孵化器为额外的 48 h.
    注: 6 天媒体: SP34 培养基辅以 15 ng/毫升 VEGF, 5 ng/毫升 bFGF, 200 ng/毫升, 4 的 EPO, 20 ng/毫升 IL-6, 10 ng/ml IL-11, 和 50 ng/ml IGF-1 ( 表 2 )。如果在步骤3.1 中添加了更多的介质, 则在步骤3.2 中添加相同数量的介质, 以便最终的细胞因子浓度保持不变.
  4. 在差异化的8天隔离 CHIR99021-treated EBs。继续执行4节.
  5. IWP2-treated EBs 是在8天的分化成50毫升锥形管收获。离心机在 330 x g, 5 分钟轻轻重在8天的媒体 ( 表 2 )。在37和 #176 中孵育24小时; C 5% CO 2 在低粘着的盘子里孵化。继续执行4节.
    注: 8 天媒体: SP34 媒体辅以 100 ng/毫升, 2 的 EPO, 10 ng/毫升 IL-6, 5 ng/毫升 IL-11, 25 ng/毫升 IGF-1, 30 ng/毫升 TPO, 10 ng/毫升 Flt3-L, 30 ng/ml IL-3 ( 表 2 ).

4。ebs 与造血祖分离酶解离的研究

  1. 将 ebs 与血清学吸管分离为50毫升锥形管。离心机在 330 x g, 5 分钟从上清液中抽出.
  2. 在 EBs 中加入2毫升的0.25% 胰蛋白酶-EDTA。5 s 的漩涡孵化37和 #176; C 水浴8分钟添加5毫升的停止解决方案。离心机在 330 x g, 5 分钟从上清液中抽出.
  3. 重5毫升胶原酶 II. 的 EBs漩涡为 5 s 和孵育在一个37和 #176; C 水浴。60分钟后, 涡流为5秒, 并添加5毫升的停止解决方案。在 330 x g 处旋转5分钟, 从上清液中抽出.
  4. 在1毫升的外地资产管制的缓冲区, 重的细胞。通过 40 #181; m 细胞过滤器。这将消除任何不细胞团簇.
  5. 对单元格进行计数。分 1 x 10 6 细胞变成14毫升锥形管。旋转细胞在 330 x g 为5分钟重的细胞在浓度为 5 x 10 6 细胞/毫升在外地资产管制缓冲区。分和池10% 的每个条件下的单元格流细胞颜色控制。在冰上, 在黑暗中孵育抗体的细胞30分钟.
    注意: 请参见 材料表 中建议的荧光组合。
    1. 对于 IWP2-treated 的单元格, 使用 anti-CD34 和 anti-CD43 抗体.
    2. 对于 CHIR99021-treated 单元格, 请使用 anti-CD34、anti-CD43、anti-CD73 和 anti-CD184 抗体.
  6. 使用 "资产管制" 缓冲区清洗两次单元格。在 330 x g 上旋转5分钟, 重最后浓度为 5 x 10 6 细胞/毫升.
  7. 通过流式细胞仪分析或分离细胞。对于原始造血祖细胞, 分析 CD34 和 CD43 表达式 ( 图 2A )。对于最终造血祖细胞, 隔离他 (CD34 + CD43 和 #8722; CD73 和 #8722; CD184 和 #8722; ) ( 图 2B )。收集含有冷的控制的缓冲区的管中的细胞.
  8. 为了评估从孤立他的最终造血潜能, 继续到5节的 endothelial-to-hematopoietic 过渡, 或7节 T 淋巴化验。对于原始的造血 CFC 化验, 继续6节.

5。Endothelial-to-hematopoietic 转换

  1. 旋转隔离的 CD34 + CD43 和 #8722; CD73 和 #8722; CD184 和 #8722; 在 330 x g 中的 5 min 重细胞在20万细胞/mL 和 #160;( 中的单元格表 2 )。在50和 #181 中分布单元格; 等分在 96 low-adherent 细胞培养板中。在37和 #176 的夜间孵育细胞; C 5% CO 2 5% O 2 气体孵化器.
    注: 媒体: SP34 培养基辅以 5 ng/毫升 VEGF, 5 ng/毫升 bFGF, 100 ng/毫升, 2 的 EPO, 10 ng/毫升 IL-6, 5 ng/毫升 IL-11, 25 ng/毫升 IGF-1, 30 ng/毫升 TPO, 10 ng/毫升 FLT3-L, 30 ng/ml IL-3, 10 ng/毫升 BMP4, 20 ng/毫升嘘, 10 和 #181; g/毫升血管紧张素 II, 和100和 #181; M 洛沙坦钾在 2 x 10 5 单元格/ml ( 表 2 )。 根据需要,
  2. 准备24井垫涂层板 (参见步骤 1.2.7.1).
  3. 这些细胞将在一夜之间聚集成 6-10 细胞团簇。对于每50和 #181; reaggregated 细胞的体积, 在第二天早上轻轻地将细胞转移到一个24层的垫子涂层的中心。轻轻地把盘子放在37和 #176; C 气体孵化器为 4-6 小时, 直到细胞被连接.
  4. 添加1毫升的新鲜他的媒体, 每个井后, 细胞连接。在37和 #176 中孵育细胞; C 5% CO 2 5% O 2 气体孵化器, 直到造血细胞可见 (通常为5-7 天; 图 2D )。使用光学显微镜在100X 放大倍率下可视化.
  5. 通过轻轻地将介质从细胞中除去, 从而获得最终的造血祖。通过一个40和 #181; m 细胞过滤器和收集通过这个媒体。在井的黏附细胞, 增加0.5 毫升0.25% 胰蛋白酶-EDTA 对细胞和孵育在37和 #176; C 为 5 min. 在每个井中添加0.5 毫升停止解决方案。通过相同的40和 #181 的细胞; m 细胞过滤器汇集所有黏附和换药细胞一起。在 330 x g 上旋转5分钟.
    1. 若要评估此批量区域性的 CFC 潜能, 请继续执行6节.
  6. 在内存中的缓冲区中清洗两次单元格。在 330 x g 上旋转5分钟.
  7. 重在 5 x 10 6 单元/mL 中的单元格的缓冲区中。在黑暗中用 anti-CD45 和 anti-CD34 抗体将细胞染色30分钟 (建议的荧光在 材料表 中).
  8. 在外地资产缓冲区中清洗两次单元格。在 330 x g 上旋转5分钟.
  9. 将 CD34 + CD45 + 单元格由资产管制署隔离 ( 图 2E )。将单元格分类为冷的 "资产管制" 缓冲区.
  10. 根据需要评估确定的 CD34 + CD45 + 造血祖细胞 (6 节中的氟氯化碳检测, 7 节中的淋巴潜能, 或其他调查员发起的化验).

6。氟氯化碳测定方法

  1. 对用于氟氯化碳测定的每个样品的等分进行解冻.
  2. 添加要检测的单元格 (步骤4.5、4.7、5.5 或 5.9)。彻底的涡旋, 让我们的文化 5-10 分钟, 直到气泡消散, 根据制造商和 #39 的指示。使用16和 #189; 在3毫升注射器上用量规针, 小心地移除2毫升.
    注: 典型的电镀密度范围从 1000-2万细胞/毫升, 根据预期的祖频率.
  3. 小心, 在两个 35 mm 的组织培养皿中分别分配1毫升的细胞混合物。通过轻轻地敲击和旋转盘子, 在 35 mm 的盘子里均匀地分布着。将上述每个菜肴放入15厘米的组织培养皿中, 盛满水。孵育在37和 #176; C 5% CO 2 孵化器.
  4. 使用40X 和 #160 的光学显微镜来可视化微型显示器; 放大。量化所获得的各种氟氯化碳。分析原始 CFC 检测 8-10 天后电镀 ( 图 2C )。在电镀后14天内分析最终的氟氯化碳化验。典型的氟氯化碳检测菌落形态可以在 图 2F 中看到.

7。T 细胞检测建立最终造血电位

  1. 生长 OP9-DL4 细胞直到融合在一个100毫米组织培养皿中 30 , 31 , 32 .
    1. 在电镀 T 细胞化验前解冻 OP9-DL4 细胞 72-96 h。重10毫升 OP9 介质中的 OP9-DL4 细胞, 并分配到10厘米的板。生长在37和 #176; C 5% CO 2 孵化器直到 70-90% 汇合.
    2. 从100毫米的盘子中采集 OP9-DL4 细胞, 取出培养基, 加入5毫升0.25% 胰蛋白酶-EDTA 5 分钟, 停止胰蛋白酶活性与5毫升 OP9 介质。旋转 330 x g 的细胞5分钟, 重1毫升 OP9 培养基中的细胞并计数细胞.
      注: 一个10厘米的汇合 OP9-DL4 细胞将产生约 10 x 10 6 OP9-DL4 细胞.
    3. 48 小时之前的 T 细胞检测, 板 2 x 10 6 在12毫升 OP9 介质中的 24-井盘 (0.5 毫升/井) 的细胞。在37和 #176 中成长; C 5% CO 2 孵化器.
  2. 添加要检测的 2000-1万单元格 (在步骤4.5 中获得), 4.7、5.5 或 5.9) 至1井中的 OP9-DL4 细胞在 OP9 介质中补充:30 ng/毫升 (只6天), 5 ng/毫升 IL-7, 和 5 ng/毫升 FLT3-L. 孵育在37和 #176; C 5% CO 2 公司ubator在此步骤中不发生任何媒体更改.
  3. 每 4-5 天, 通过 T 细胞祖细胞到新鲜的 OP9-DL4 基质干细胞在一个6井盘。研制1毫升吸管的细胞, 通过一个40和 #181; m 过滤器, 以消除结块。在 330 x g 旋转5分钟。重2毫升新鲜 OP9 培养基补充 5 ng/毫升 IL-7 和 5 ng/毫升 Flt3-L, 并放置在新鲜 OP9-DL4 细胞.
    注:48 小时前传代, 板 2 x 10 6 新鲜 OP9-DL4 细胞在12毫升 OP9 介质, 并分发2毫升/井到 6-好菜.
  4. 经过至少21天的共培养, 研制细胞, 并通过一个40和 #181; m 过滤器, 以消除细胞碎片。在 330 x g 旋转5分钟, 吸气上清液.
  5. 在冷的缓冲区中清洗两次单元格。在 330 x g 上旋转5分钟.
  6. 重在 5 x 10 6 单元/mL 中的单元格的缓冲区中。染色细胞与 anti-CD45, anti-CD56, anti-CD4 和 anti-CD8 抗体30分钟冰在黑暗中 (建议的荧光组合在 材料表 )。应用活/死细胞染色 (DAPI, ) 去除分析中的碎片.
  7. 在外地资产缓冲区中清洗两次单元格。在 330 x g 上旋转5分钟.
  8. 使用流式细胞仪分析单元格以评估 T 淋巴细胞祖群的存在 ( 图 3 ).

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Representative Results

图 1中说明了从 hPSCs 中归纳出原始和最终造血祖细胞的示意图。胚层模式的规范 WNT 信号发生在 2-3 的差异, 其次是造血祖规范。

有代表性的流动细胞分析和菌落形成纤维素测定 hPSC 衍生的造血分化培养物, 如图 2所示。IWP2-treated 分化文化将产生一个独特的 CD34+CD43和 CD34低/CD43+的人口, 而奇尔处理的差异文化将有和 #60; 1% CD43+ 8 天的单元格差异 (图 2A, B)26。在 IWP2 条件下分离的原始造血祖细胞在9天将产生主要的原始红 (EryP-氟氯化碳) 和髓祖在纤维素测定, 而奇尔处理的文化将基本上没有 CFC在此阶段的潜力 (图 2C, F)。相反, 从 CHIR99021 处理派生的 CD34+CD43 填充是异类种群, 包含内皮祖细胞, 以及 CD34 +CD43-CD73 CD184 他 (图 2B), 当由外地资产管制局隔离时, 将最初形成一单层内皮样细胞 (图 2D, 左面板), 然后经历一个 endothelial-to-hematopoietic 的过渡, 导致圆, 折光换药造血细胞 (图 2D, 右面板)。这些造血细胞可以通过流式细胞术来评估 CD34 和 CD45 的表达 (图 2E)。从 EHT 分析中分离出的造血祖细胞可用于纤维素测定, 并产生大的爆裂状红菌落形成单位 (BFU)、小红菌落形成单位 (CFU-e) 和髓系祖 (CFU-M;图 2F)。

图 3描述了来自 CHIR99021-derived 的 T 淋巴细胞检测电位的代表性流细胞分析 CD34+CD43CD73 CD184造血祖 (图 3A)和 IWP2-derived (图 3B) CD34+CD43造血祖细胞, 继21天 OP9-DL4 共培养。在奇尔派生的祖群中, 存在一个 CD45+CD56CD4+CD8+填充, 这表明在输入 CD34+中有明确的造血潜能。CD34+和 CD43+祖 IWP2-derived 分化不产生 T 淋巴细胞在这种情况下, 在这些分化条件下18,26

Figure 1
图 1: 确定和原始造血祖细胞规范的方案示意图.描述从 EBs 到最终的和原始的造血祖细胞分化的主要实验步骤和时间线。EBs 是产生于0天从 hPSCs 的垫子涂层 plasticware。EBs 是生长在 SFD 媒体含有 BMP4 在一个气体孵化器。在1天的分化, 文化是美联储与媒体补充 BMP4 和 bFGF。在2天, 一个媒体的变化发生与 WNT 操作通过增加 CHIR99021 (奇尔) 的最终造血祖细胞和 IWP2 的原始造血祖细胞。3天, 培养基改变为 SP34, 辅以 VEGF 和 bFGF。在6天, 培养基以造血细胞因子作为补充。在原始造血规范的8天, 媒体被改变, 细胞被移动到 5% CO2孵化器 24 h, 其次是造血祖细胞 (HPC) 检测。在确定的造血规范的 8 , CD34+CD43-CD73 CD184 细胞由外地资产管制局隔离, 并对最终的 hemogenic 内皮电位或 T 淋巴细胞电位进行检测 (未描述)。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 分析分化培养和原始造血祖细胞的生成.(A) 8 天 IWP2-treated EBs 中原始造血祖细胞的代表性流细胞分析。(B) 代表流细胞分析从 CHIR99021-treated EBs 在8天。Hemogenic 内皮 (他) 可以被辨认并且被隔绝作为 CD34+CD43-CD73-CD184-填充。(C) 由 IWP2 和 CHIR99021 (奇尔) 治疗分化培养的9天造血祖细胞的菌落形成潜能。n = 3, 误差线表示 SD 的平均值, 星号表示统计意义, 使用学生的 t-测试 ** 和 #60; 0.0001。(D) 有代表性的照片在4天 (左) 或 7 + 天 (右) 的生长在垫子涂层 plasticware。原始放大倍数, 100X。缩放条形图 = 100 µm. (E) 具有代表性的流式细胞术, 在9天的培养后, CD34 和 CD45 表达。(F) 具有代表性的照片, 显示 EryP-氟氯化碳 (左)、CFU (中)、BFU e 和 CFU e (右) 的形态学。原始放大倍数, 40X。缩放条形图 = 100 µm 箭头表示命名的菌落。请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 确定造血电位的分析.奇尔源性 CD34 T 淋巴细胞电位的代表性流动细胞分析+CD43CD73CD184造血祖 (a) 或 IWP2-derived (B) CD34+CD43造血祖细胞, 在共培养后28天内与 OP9-DL4 干细胞。如果检测到超过 100 CD45+事件, 则将样本中的 T 淋巴细胞电位视为正值。请单击此处查看此图的较大版本.

年龄 = "总是" SFD 媒体 0天 1天 2天权威 天2原始 BMP4 10 ng/毫升 10 ng/毫升 10 ng/毫升 10 ng/毫升 bfgf – 10 ng/毫升 5 ng/毫升 5 ng/毫升 激活 – – – 1 ng/毫升 CHIR99021 – – 3µM – IWP2 – – – 3µM

表 1: SFD-based 介质0天-2.

SP34 媒体 3天 6天 8天
vegf 15 ng/毫升 15 ng/毫升 5 ng/毫升
bfgf 5 ng/毫升 5 ng/毫升 5 ng/毫升
scf 200 ng/毫升 100 ng/毫升 100 ng/毫升
epo 4 2 2
IL-6 20 ng/毫升 10 ng/毫升 10 ng/毫升
IL-11 10 ng/毫升 5 ng/毫升 5 ng/毫升
IGF-1 50 ng/毫升 25 ng/毫升 25 ng/毫升
tpo 30 ng/毫升 30 ng/毫升
Flt-3L 10 ng/毫升 10 ng/毫升
IL-3 30 ng/毫升 30 ng/毫升
BMP4 10 ng/毫升
20 ng/毫升
血管紧张素 II 10µg/毫升
氯沙坦钾 100µM

表 2: SP34-based 介质3天-8 和他.

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Discussion

本议定书描述一个快速, 无血清, 无基质的方法分化的原始或最终造血祖细胞。胚层规范的原始或最终造血祖可以可靠地实现使用我们的协议, 这唯一的利用小分子抑制剂的规范 WNT 信号。阶段特异的 WNT 激活由 GSK3β抑制剂 CHIR9902133产生最终的造血胚层, 而 WNT 抑制剂 PORCN 抑制的 IWP234指定原始的造血胚层26。值得注意的是, 这种方法并不会产生 engraftable 的 HSC 样的种群 (没有显示)。然而, 用这种方法生成的最终造血祖细胞可被转基因诱导的植入电位35, 突显其在未来的平移应用中的潜能。

成功 hPSC 分化的一个关键决定因素是从 hPSCs 中形成的 EBs 的初始大小。理想情况下, EBs 应该是大约 6-10 细胞大小。差异文化可以 aberrantly 指定两个程序的混合物, 如果 EBs 是太大, 可能由于不适当的信号激活在 EB 之内。分化培养应在第一 24 h 的分化过程中进行视觉检查, 以获得最佳的 EB 尺寸。或者, 如果 hPSCs 与单个细胞完全分离, hPSCs 就会经历亡细胞死亡36, 导致造血分化不良。

一个成功的分化将产生完全原始的造血祖细胞, 当 IWP2 在胚层规范中使用在这一差异化协议2和3天。在8天的差异, IWP2-derived 文化应由不同的 CD34+CD43, CD34 中/低CD43+, 和 CD34CD43+人口 (图 2A)。CD34 中/低CD43+填充导致原始红和髓系祖细胞;而 CD34CD43+的数量主要是产生具有有限髓粒电位的红祖细胞18。原始的造血电位可以通过纤维素检测来证实, EryP-氟氯化碳的存在 (6 节), 这将以比较胎儿HBG26的形式表达胚胎珠HBE . 28,37.同样, 在这个阶段存在 CD43 的+造血祖细胞, 可以可靠地用来表示原始造血祖细胞的存在,18,23,26。应该注意的是, CD43 表达式不是唯一的原始造血程序的祖细胞18,23,26, 不能作为唯一的指标来评估原始造血潜能, 因为人类 EMP 的免疫表型和缺口依赖性仍然 uncharacterized (在3中进行了回顾)。

当 CHIR99021 在胚层模式中使用期间2和3的分化, 一个完全明确的造血祖细胞的人口将被指定。在差异化协议的8天, CHIR99021-derived 区域性应由一个独特的 CD34+CD43填充组成, 几乎没有 CD43 表达式26。CD34+CD43种群是一种异质的内皮细胞, 具有造血、静脉和动脉电位, 可根据 CD73 和 CD184 表达进行标定, 而细胞缺乏两者的表达.27,28。当确定他在经历了一个缺口相关的 endothelial-to-hematopoietic 过渡后被隔离 (5 节)28它将产生 CD34+CD45+造血祖细胞, 这将导致 BFU E 和髓内干细胞纤维素, 但不 EryP-CFC26,28 (图 2)。此外, BFU-E 的殖民地可以被孤立和评估为珠分析, 这将为主表达胎儿珠HBG相比, 胚胎HBE (未显示)2628, 37. 与此相反, 在 OP9-DL4 基质上发生缺口依赖性的 endothelial-to-hematopoietic 过渡时, 可直接评估其淋巴潜能, 即182628。他用这种方法指定的确定性包含赤-骨髓-淋巴祖细胞在一个克隆水平的28, 它在功能上区别于我们目前对 EMP 或 LMPP 祖细胞3的理解。因此, 存在的 T 淋巴细胞和HBG-表达红电位, 再加上缺乏 EryP 氟氯化碳的潜力, 可用于可靠地表明从 hPSCs 的最终造血规范。值得注意的是, 仅评估可能导致HBG的祖 erythroblasts 可能无法准确确定最终的潜能, 就像上面所描述的那样, 人类电磁脉冲及其信号要求, 并没有被特征为日期 (在参考3中进行了审阅)。

这种简单的差异化策略是非常强大的, 因为它允许产生完全原始或完全明确的造血祖细胞, 使疾病模型的比较研究两个方案从患者衍生干细胞或基因修饰的 hPSCs。同样, 人类的发展过程也可以被审问, 例如发现需要什么额外的信号通路来赋予自我更新能力, 从而从最终的造血祖细胞得到类似 HSC 的潜能。

总之, 在 hPSCs 的胚层模式中, WNT 操作指定了原始 CD43+或确定的 CD34+CD45+造血祖, 它可以被隔离并用于研究 hPSC 源性造血。

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Disclosures

作者声明他们没有竞争的金融利益。

Acknowledgments

这项工作得到了美国华盛顿大学医学院血液科内科医学院的支持。T32HL007088 来自国家心脏、肺脏和血液研究所的支持。CMS 得到了美国血液学学者奖的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMD) Corning 10-016
Fetal Bovine Serum (FBS), ES cell rated Gemini Bioproducts 100-500
Fetal Bovine Serum (FBS) Hyclone SH30396.03
L-glutamine, 200 mM solution Life Technologies 25030-081
Penicillin-streptomycin Life Technologies 15070-063
0.25% Trypsin-EDTA Life Technologies 25200056
0.05% Trypsin-EDTA Life Technologies 25300054
Gelatin, porcine skin, Type A Sigma-Aldrich G1890
Alpha-MEM Life Technologies 12000-022
DMEM-F12 Corning 10-092-CV
Knock-out serum replacement Life Technologies 10828028 "KOSR"
Non-essential amino acids (NEAA) Life Technologies 11140050
b-mercaptoethanol, 55 mM solution Life Technologies 21985023
Hydrochloric acid Sigma-Aldrich H1758
Fraction V, Bovine Serum Albumin Fisher Scientific BP1605
Ham's F12 Corning 10-080
N2 supplement Life Technologies 17502048
B27 supplement, no vitamin A Life Technologies 12587010
Stempro-34 (SP34) Life Technologies 10639011 "SP34"
Growth factor reduced Matrigel Corning 354230 "MAT"
L-absorbic acid Sigma-Aldrich A4403
Human serum transferrin Sigma-Aldrich 10652202001
Monothioglycerol (MTG) Sigma-Aldrich M6145
Collagenase B Roche 11088831001
Collagenase II Life Technologies 17101015
DNaseI Calbiochem 260913
Phosphate Buffered Saline (PBS) Life Technologies 14190144
bFGF R&D Systems 233-FB
BMP4 R&D Systems 314-BP
Activin A R&D Systems 338-AC
VEGF R&D Systems 293-VE
SCF R&D Systems 255-SC
IGF-1 R&D Systems 291-G1
IL-3 R&D Systems 203-IL
IL-6 R&D Systems 206-IL
IL-7 R&D Systems 207-IL
IL-11 R&D Systems 218-1L
TPO R&D Systems 288-TP
EPO Peprotech 100-64
Flt-3 ligand (FLT3-L) R&D Systems 308-FK
CHIR99021 Tocris 4423
IWP2 Tocris 3533
Angiotensin II Sigma-Aldrich A9525
Losartan Potassium Tocris 3798
CD4 PerCP Cy5.5 Clone RPA-T4 BD Biosciences 560650 Dilution 1:100; T cell assay
CD8 PE Clone RPA-T8 BD Biosciences 561950 Dilution 1:10; T cell assay
CD34 APC Clone 8G12 BD Biosciences 340441 Dilution 1:100; EHT assay
CD34 PE-Cy7 Clone 8G12 BD Biosciences 348801 Dilution 1:100; Hemogenic endothelium
CD43 FITC Clone 1G10 BD Biosciences 555475 Dilution 1:10; Hemogenic endothelium
CD45 APC-Cy7 Clone 2D1 BD Biosciences 557833 Dilution 1:50; T cell assay
CD45 eFluor450 Clone 2D1 BD Biosciences 642284 Dilution 1:50; EHT assay
CD56 APC Clone B159 BD Biosciences 555518 Dilution 1:20; T cell assay
CD73 PE Clone AD2 BD Biosciences 550257 Dilution 1:50; Hemogenic endothelium
CD184 APC Clone 12G5 BD Biosciences 555976 Dilution 1:50; Hemogenic endothelium
4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) BD Biosciences 564907 Dilution 1:10,000; T cell assay
OP9 DL4 cells Holmes, R. and J.C. Zuniga-Pflucker. Cold Spring Harb Protoc, 2009. 2009(2): p. pdb prot5156
MethoCult H4034 Stemcell Technologies 4034 "MeC"
Milli-Q water purification system EMD Millipore
5% CO2 incubator Set at 37 C
Multigas incubator Set at 37 C, 5% CO2, 5% O2
6 well tissue culture plate Corning 353046
24 well tissue culture plate Corning 353226
6 well low-adherence tissue culture plate Corning 3471
24 well low-adherence tissue culture plate Corning 3473
35 mm tissue culture dishes Corning 353001
Blunt-end needle, 16 gauge Corning 305198
3 cc syringes Corning 309657
5 mL polypropylene test tube Corning 352063
5 mL polystyrene test tube Corning 352058
15 mL polypropylene conical Corning 430791
50 mL polypropylene conical Corning 430921
2 mL serological pipette Corning 357507
5 mL serological pipette Corning 4487
10 mL serological pipette Corning 4488
25 mL serological pipette Corning 4489
Cell scrapers Corning 353085
2.0 mL cryovials Corning 430488
5 mL test tube with 40 µM cell strainer Corning 352235
40 µM cell strainer Corning 352340
Cell culture centrifuge
Biosafety hood
FACS AriaII or equivalent
LSRii or equivalent
FlowJo software TreeStar
Water bath Set at 37 C
0.22 µM filtration system Corning
Autoclave
4 C refrigerator
-20 C Freezer
-80 C Freezer

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