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生成诱导多能干细胞(IPSC)线生产线,不同的发展潜力,即使当他们通过标准测试的多能性。在这里,我们描述了一个协议,全部来自iPS细胞拥有完整的多能性,它定义了IPSC的小鼠 1。
生产的体细胞诱导多能干细胞(iPSCs)创造有价值的工具,为基础研究提供了一种手段,也可能产生源细胞再生疗法的患者相匹配的。 iPSCs的使用,可能会产生多种协议和来自多个来源的细胞。一旦生成,iPSCs的使用各种包括为多能性标记物的免疫染色,产生三种胚层,中胚状体和畸胎瘤,胚胎干细胞(ESC)和生产的嵌合体小鼠种系带或不带贡献2的基因表达与比较的试验测试。更重要的是,通过这些测试的IPSC的线,在自己的能力,还是有所不同,产生不同的分化的细胞类型2。这很难建立IPSC的推导协议,供体细胞的来源或不同的应用选择的方法是最有用的。
最严格的测试(全称为多能性)是一个干细胞系是否有足够的发展潜力,生成的所有组织需要一个有机体的生存四倍体胚胎互补(TEC)3-5。从技术上讲,TEC涉及电熔两细胞胚胎产生四倍体(4n)的单细胞胚胎,可以在体外培养到胚泡阶段6。二倍体(2n)的多能干细胞( 例如胚胎干细胞或iPS细胞),然后注入四倍体囊胚的囊胚腔中,(参见图1)传送给收件人妊娠女性的。补胚胎四倍体分量几乎完全的胚外组织(胎盘,卵黄囊),而二倍体细胞构成的胚胎,导致完全从注入的干细胞系衍生的胎儿。
最近,我们报道了推导iPSC的线,可重复生成成年小鼠通过TEC 1。这些IPSC的线产生可行的幼崽与5-13%,这是媲美胚胎干细胞3,4,7和高于大多数其他IPSC的线8-12报告的效率。这些报告显示,直接重新编程,可以产生完全匹配的胚胎干细胞的多能性iPS细胞,在其发展的潜力和效率的产生TEC试验的幼崽。目前,尚不清楚是什么区别完全多能性的iPS细胞和少强有力的线13-15。也不清楚重新编程的方法将这些行以最高的效率。在这里,我们介绍一个方法,完全多能性的iPS细胞,“所有iPSC的”老鼠,这可能有助于研究人员希望比较的多能性的IPSC的线或建立不同的重新编程方法的等价性。
采用这种方法在研究报告中博兰等,自然 ,461,91-96(2009)。
1。制备慢病毒
该协议采用多西环素诱导的慢病毒穿梭质粒编码OCT4,SOX2,Klf4和c-Myc基因的控制下的一个TETO的反应元件。转基因被激活反向四环素反式激活蛋白,rtTAM2.2 16,诱导重新编程因子的表达在存在强力霉素。该系统可严格控制的,这些重编程因子的表达。这里所用的慢病毒载体是自我失活,因此不能复制下面的基因组整合。然而,谨慎是必需的工作时,与慢病毒BSL2(美国)和S2(欧洲)标准,并应在实验室标准的执行。
2。准备重编程小鼠胚胎成纤维细胞(MEF)
注:这里列出的协议涉及的从E 13.5小鼠胚胎成纤维细胞在TEC检测中使用的iPSCs的推导。其他团体产生的所有iPSC的小鼠从成年供体细胞的来源,我们还没有测试这个方法对其他类型的细胞和供体细胞类型是不是一个因素不能确定。
3。推导的iPSC的行
这可能是有帮助的iPSC的线,然后再尝试执行TEC关系到胚胎干细胞的特点。我们我们的生产线的特点:1)表达的内源性细胞多能性标志物(SSEA-1,OCT4,SOX2,NANOG)的免疫细胞化学,2)染色体核型分析,染色体计数和3)胚体形成。此外,也可以执行慢病毒特异性RT-的qPCR确认原病毒的外源基因的iPS细胞中不表达的。然而,我们已经确定了完全多能性iPS细胞的形态学,免疫组化及核型ING。在我们的实验中,选择的iPSC的ESC般的形态和生长特征的结果在大多数的多能性标志物的表达上线,而我们通常确定了几个潜在的异常染色体核型。
4。制备iPS细胞囊胚注射
已被证明的PSC线的传代次数,以影响其多能性的18,虽然这可能是线路依赖19。我们从通道8-14产生成人ALL-iPSC的小鼠的iPS细胞。
5。四倍体囊胚的产生
本节中执行的程序已经描述了详细其他地方5,6,20。在这里,我们列出了我们的技术,优化BTX电电池机器人的ECM 2001年。
6。到四倍体囊胚显微注射iPS细胞
我们使用尼康TE-2000U倒置显微镜配备了DIC的光学和成茂显微操作囊胚注射。每个四倍体囊胚注射10-12 iPSCs的使用标准的协议为ESC注入到小鼠囊胚已被证明在以前的朱庇特出版5,20,21
7。补四倍体囊胚转移到受体小鼠的子宫角
雌性受体小鼠转移到子宫角手术补四倍体囊胚根据研究员的研究所的指导原则,使用标准的技术,我们将简要地总结。选择在发情期的雌性CD-1小鼠,并将它们设置为与输精管结扎的男性的交配。检查阴道塞第二天早晨。女性子宫胚胎移植后的两天插头(2.5 DPC)的准备。
前一天与输精管结扎的男性交配的雌性受体,建立额外的CD-1与非输精管结扎男性女性要用作养母IPSC的所有小鼠剖腹产检索。
8。剖腹产手术的培养和iPSC的衍生小狗
的TC胚胎的转移通常的查询结果在多个植入后的再吸收,即使IPSC的或ESC线具有高的发展潜力。因此,可以预计不超过4个可行的幼崽(一般为1-2)每个收件人。这些小的窝通常是被忽略的收件人。为了提高新生儿护理水平和成活率,我们进行剖腹产,促进根据标准协议20。要进行剖腹产,安乐死受体小鼠胚胎移植后第16天,在下午8时(收件人18.5 DPC)和解剖幼崽从子宫角。 CD-1,交付窝的母亲在同一天培育可行的幼崽。
In step 3, "Derivation of iPSCs from MEFs", one should observe morphological heterogeneity and immature iPSC colony formation starting 4-5 days after doxycycline/VPA addition and mature colonies between 7-10 days (Figure 2). The production of one-cell tetraploid embryos in step 5 is highly efficient (Figure 3). We routinely observe up to 95% of treated two-cell embryos successfully fuse to produce tetraploid one-cell embryos. The protocol followed to inject iPSCs into tetraploid blastocysts (Step 6, Figure 4) is similar to the protocol for injection of ESCs into diploid blastocysts to generate chimeric mice, and can be performed by an experienced microinjectionist. The number of live pups born depends on the cell line (Table 1).
MEF preprogramming efficiency 0.01-0.03% | ||||
Efficiency of iPSC mouse production by TEC | ||||
Name | Description | Blastocysts injected | Live Newborn | Live Adult |
iMZ-21 | iPSC | 867 | 53 (6.1%) | 19 (2.2%) |
iMZ-9 | iPSC | 195 | 7 (3.6%) | 4 (2.1%) |
iMZ-11 | iPSC | 338 | 1(0.3%) | 0 (0%) |
Table 1. Representative Results.
Figure 1. Schematic of experimental design. Top left: Production of tetraploid blastocysts. Fertilized two-cell embryos from albino mice are electrofused to generate tetraploid one-cell embryos, which are cultured in vitro to the blastocyst stage. Bottom left: Reprogramming. Mouse embryonic fibroblasts are transduced with lentiviral particles encoding Oct4, Sox2, Klf4 and c-Myc and the reverse tetracycline transactivating protein, rtTAM2.2. Addition of doxycycline results in transgene expression and the initiation of reprogramming to iPSCs. Right: Production of iPSC mice. iPSCs derived from pigmented mice are injected into the blastocoel of tetraploid blastocysts and then surgically implanted into pseudo-pregnant recipient mice. Newborn iPSC mice are delivered by Caesarian section and cross-fostered. Click here to view larger figure.
Figure 2. Morphological changes associated with reprogramming. From left to right: Examples of the morphological progression from fibroblasts to iPSC colonies during the course of a reprogramming experiment. Click here to view larger figure.
Figure 3. Production of tetraploid embryos. Diploid two-cell embryos are subjected to an electric pulse resulting in blastomere fusion and generation of one-cell tetraploid embryos.
Figure 4. Production of iPSC mice. Left: iPSCs are injected into the blastocoel of a tetraploid blastocyst. Middle: Newborn iPSC mice are distinguished by pigmented eyes. Right: iPSC mouse at three weeks post-delivery.
生成小鼠iPSC的使用TEC检测线的多能性的iPSC的行提供了一个严格的功能测试。此测试可能是有用的,以评估不同的重编程方法的相对功效或识别IPSC的线,可能是最有用的,用于产生某些类型的细胞在体外 。可使用产生的iPS细胞的小鼠的长期稳定性和IPSC的衍生的组织中的致瘤性的严格的测试。向调查人员希望完全多能性的iPSC的线或iPSC的小鼠或比较不同的重新编程方法的相对效用,此协议将是有益的。
完全多能性的iPS细胞的产生和识别的机制,控制仍然知之甚少,它是可能的一些的IPSC的线产生使用此方法,将无法通过TEC测试。许多因素可能会有所不同实验包括遗传背景,模式慢我慢病毒滴度,nsertion,细胞周期的供体人群的参数,实验室间差异的TEC程序的各个步骤和可变iPSCs的倾向怀有遗传或后生像差。为了更好地确保成功,我们照顾到建立适当的慢病毒基因的表达水平在IPSC的推导实验通过测试的控制MEFs中的病毒稀释,以确保充分集中,每个病毒检测基因的表达至少80%,而理想的100%的MEF中。这使我们能够识别不同的慢病毒的多个副本,同时限制线的MEF中的毒性和过度拥挤的情况下水井的殖民地。应当指出,已被示出,以产生多个其他协议iPSCs的充分发展潜力,用多种方法和供体细胞的来源,这表明可能存在的所有的多能性的多个路径1,8-13,15。然而,目前没有明确的生物标志物的完全多能性的IPSC的已被确定,,因此TEC检测iPSC的线是否可以生成所有的细胞系在生物仍然是黄金标准测试。
没有利益冲突的声明。
支持KKB,MJB,JLH和九龙提供了由美国加州再生医学研究所,皮尤慈善信托基金会生物医学学者奖励计划“,”以斯帖B.奥基夫家庭基金会和夏皮罗家庭基金会。 KKB是一个Donald E.和德丽雅二巴克斯特基金会的学院学者。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
DMEM (high glucose) | Invitrogen | 11965-092 | |
ES cell qualified FBS | Invitrogen | 104392-024 | |
FBS | Invitrogen | 16140-071 | |
Glutamax | Invitrogen | 35050-061 | |
β-Mercapt–thanol | Sigma | Sigma M7522 | |
0.1% Gelatin | Millipore | ES006-B | |
MEM Non-Essential Amino Acids | Invitrogen | 11140 | |
Medium 199 | Invitrogen | 11150-059 | |
Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15140-122 | |
ESGRO (murine LIF) | Millipore | ESG1106 | |
Valproic Acid | Sigma | P4543 | |
DMSO | Fisher | BP231-100 | |
0.25% Trypsin-EDTA | Invitrogen | 25200 | |
PBS Ca2+/Mg2+ | Invitrogen | 14040-133 | |
PBS Ca2+/Mg2+ free | Invitrogen | 14190-144 | |
Pregnant mare serum gonadotropin, for superovulation, freeze-dried, 2,000 IU | Harbor-UCLA Research Institute | n/a | |
Chorionic gonadotropin, human | Sigma | C1063 | |
FHM medium with Hyaluronidase | Millipore | MR-056-F | |
KSOM-1/2 AA medium | Millipore | MR-106-D | |
FHM | Millipore | MR-024-D | |
Water, for embryo transfer, embryo tested | Sigma | W1503 | |
Mineral oil, embryo tested | Sigma | M5310 | |
CaCl2 | Sigma | C7902 | |
MgSO4 | Sigma | M2773 | |
D-Mannitol | Sigma | M4125 | |
Bovine serum albumin (BSA), embryo tested | Sigma | A3311 | |
Mouse embryonic fibroblasts, non-irradiated | Millipore | PMEF-CFL | |
Media and buffers used in this protocol HEK293T growth medium. 90% DMEM, 10% FBS, 100 U/ml penicillin and 10 mg/ml streptomycin. Exclude penicillin and streptomycin from HEK media used on day of transfection. HEK medium can be stored at 4 °C for up to 1 month. 2x HBS. 42 mM Hepes, 274 mM NaCl, 10 mM KCl, 1.5 mM Na2HPO4·7H2O, 12 mM Dextrose. pH to 7.1 +/- 0.1. pH is critical! Sterile filter and store at 4 °C. Mouse embryonic fibroblast (MEF) growth medium (also for use with feeders). 70% DMEM, 20% Medium 199, 10% FBS, 100 U/ml penicillin and 10 mg/ml streptomycin. Store at 4 °C for up to 1 month. ESC growth medium. 85% DMEM,15% ES cell qualified FBS, 1x Glutamax, 0.1 mM non-essential amino acids, 0.1 mM β-mercapt–thanol, 1,000 U/ml ESGRO, 100 U/ml penicillin and 10 mg/ml streptomycin. ESC media can be stored at 4 °C for up to three weeks. Electrofusion medium. 0.3 M Mannitol, 0.1 mM MgSO4, 50 mM CaCl2, and 3% BSA in embryo tested water. Store at 4 °C for up to 3 months. |
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