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El método presentado aquí describe un sistema de diferenciación -ready prácticas de fabricación escalable y bueno (GMP) para generar células hepatocitos como las humanas a partir de células madre pluripotentes. Sirve como un sistema rentable y estandarizado para generar células hepatocitos humanos para la investigación, como el hígado humano básico y aplicado.
Las células madre pluripotentes humanas (hPSCs) poseen un gran valor para la investigación biomédica. hPSCs se pueden escalar y diferenciada a todos los tipos de células encontradas en el cuerpo humano. La diferenciación de las células humanas hPSCs a hepatocitos como las (HLC) ha sido ampliamente estudiada, y se han establecido protocolos de diferenciación eficientes. La combinación de la matriz extracelular y los estímulos biológicos, incluyendo factores de crecimiento, citoquinas y moléculas pequeñas, han hecho posible la generación de HLC que se asemejan a hepatocitos humanos primarios. Sin embargo, la mayoría de los procedimientos todavía emplean componentes no definidos, dando lugar a la variación de lote a lote. Esto sirve como una barrera importante para la aplicación de la tecnología. Para abordar esta cuestión, hemos desarrollado un sistema definido para la diferenciación de hepatocitos humanos recombinantes utilizando laminina como matrices extracelulares en combinación con un proceso de diferenciación exento de suero. Fácilmente se logró la especificación de hepatocitos eficiente, con Demonstrated mejoras tanto en la función HLC y el fenotipo. Es importante destacar que este sistema es fácil de ampliar el uso de investigación y GMP-grado líneas HPSC avances prometedores en el modelado y terapias basadas en células.
tejidos humanos primarios y los tipos de células derivados se utilizan regularmente, tanto para el cribado basado en células y en la clínica. Sin embargo, el acceso a estas células es muy limitada debido a la insuficiencia de la donación de órganos y la pérdida de fenotipos de células post-aislamiento 1. hPSCs representan una alternativa prometedora a los tejidos primarios y facilitar la generación de células somáticas humanas genéticamente definidos y renovables. células hepatocitos como las (HLC) derivados de hPSCs ya han demostrado ser prometedores en este campo. HLC asemejan a hepatocitos humanos primarios en diversos aspectos, incluyendo la morfología celular, la expresión génica de los hepatocitos, la función metabólica, y la sensibilidad a los medicamentos y virus 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Además, la proliferación ilimitada ycapacidad de auto-renovación de las dos hPSCs investigadores y GMP-grado facilita su aplicación 9, 10.
Más de una década de investigación ha producido una serie de procedimientos de diferenciación de hepatocitos eficiente 2, 3, 5, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Sin embargo, la mayoría de estos sistemas utilizan componentes no definidos y / o transducción viral para conducir especificación hepatocelular. Para mejorar la fiabilidad de la tecnología a escala, es importante desarrollar una sólida diferenciación de hepatocitossistema que está realmente definido, libre de xeno, y compatible con GMP.
Lamininas (LNS) son importantes proteínas de matriz extracelular que pueden influir en la adhesión celular, la proliferación, migración y diferenciación. Lamininas son glicoproteínas heterotriméricas compuestas de una α, β uno, y una cadena γ. Recientemente, lamininas humanos recombinantes se han producido y utilizado en la biología celular. LN-511 se ha demostrado para apoyar el mantenimiento de hPSCs 21, mientras que una mezcla de LN-521 y E-cadherina permite derivación clonal y la expansión de células madre embrionarias humanas 22. LN-111, por otra parte, con el mantenimiento de las células hepatoblastos-como derivados de hPSCs 23. Sin embargo, antes de que nuestro informe, laminina 521 y 111 no se habían utilizado para generar HLC con características maduras a partir de 10 hPSCs.
En este sentido, detallan los procedimientos para el cultivo de hPSCs en LN-521y diferenciarlas en cualquiera de LN-521 o una mezcla de LN-521 y LN-111 (LN-521 / LN-111). Hemos optimizado el protocolo de diferenciación mediante la siembra de una sola célula para generar una monocapa altamente reproducible y homogénea de HLC en muchos formatos 14. Creemos que nuestro sistema de diferenciación definido representa un método sencillo y rentable para la fabricación de HLC activos para su aplicación, lo que representa un importante paso adelante en el campo.
NOTA: La información del proveedor para todos los reactivos utilizados en este protocolo ha sido incluido en la Tabla 1. Todos los medios de comunicación / placas deben ser estériles y por lo menos a temperatura ambiente cuando las células han de tener contacto directo con ellos.
1. pases pluripotentes células madre (hPSCs) sobre laminina 521
NOTA: El procedimiento de pases de células se describe a continuación se basa en las células individuales y es ideal para la derivación de una población homogénea de células hepatocitos como las de hPSCs. Chapado Colonia también es aplicable y se ha descrito previamente 24.
2. Diferenciación de células hPSCs hepatocitos como las recombinantes en lamininas
La diferenciación de hPSCs hepatocelular
Una de las líneas de células madre embrionarias humanas, H9, y una línea de células madre pluripotentes inducidas por el hombre, 33D6, se utilizaron para la diferenciación de hepatocitos. Los resultados en las figuras 1-3 son a partir de células H9, mientras que los de la figura 4 son de células 33D6. Las células individuales sembradas sobre laminina establecieron contacto célula-célula después de 24 h. Después de que las células alcanzaron alrededor de 40% de confluencia, el proceso de diferenciación se inició (Figura 1A y la Figura 4A). En lamininas (tanto LN-521 y LN-521 / LN-111), estas células fueron a través de cambios morfológicos secuenciales y dieron lugar a HLC polarizadas (Figura 1 y Figura 4A).
Caracterización de la célula hepatocitos como las
day 18 HLC fueron recogidos y evaluados para la expresión de marcadores de hepatocitos, representante HNF4A y ALB (Figura 2A). La inmunotinción del día 18 HLC mostró que casi el 90% de las células expresó HNF4α (Figura 2B). Estas células polarizadas en laminina y exhibieron una apariencia poligonal, como está marcado por E-cadherina y F-actina expresión (Figura 2B).
También se evaluó la actividad de P450 (CYP) citocromo. Los CYP450s llevan a cabo una importante función metabólica de los hepatocitos. Día 18 HLC derivados de una mezcla de proteína gelatinosa, como Matrigel, LN-521 o LN-521 / LN-111, se ensayaron para determinar la actividad de CYP3A. HLC demostró significativamente mayor actividad CYP3A en sustratos de laminina que en matrigel (Figura 3). Es importante destacar que, en comparación con hepatocitos humanos primarios comerciales (HU1339) re-chapada en estos sustratos, HLC tienen casi 10 veces más altos nivelesde la actividad de CYP3A 10.
La diferenciación de hiPSCs fue similar a la de hESCs. Las células mostraron cambios secuenciales en la apariencia (Figura 4A). HLC derivados expresan un factor de transcripción clave de hepatocitos, HNF4α (Figura 4B), y poseían la actividad de CYP3A y albúmina secretada (Figura 4 C y D). Notablemente, HLC derivados de 33D6 muestra reducida de CYP3A en comparación con células H9 derivadas HLC (Figura 3), pero todavía era comparable a los hepatocitos primarios humanos 10. Sin embargo, la secreción de albúmina de estos HLC era mucho menor que en hepatocitos primarios 10.
Figura 1: Los cambios morfológicos secuenciales durante la diferenciación hepática. </ strong> (A) hESCs indiferenciadas sembraron como células individuales alcanzaron alrededor del 40% de confluencia 24 h después de la siembra. (B) Después de cebar, las células mostraron la morfología típica endodérmico en el día 4. (C) Al llegar a la etapa hepatoblast similar, que mostraron una clara forma poligonal en el día 9. (D) Después de la etapa de maduración, HLC polarizadas estaban listos para caracterización adicional se muestra aquí en el día 18. La barra de escala = 200 micras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Caracterización de HLC. (A) La expresión de genes de marcadores específico de hepatocitos, HNF4A (izquierda) y ALB (derecha). El nivel de expresión se analizó utilizando el día 18 HLC derivadosde hESCs tanto en LN-521 y LN-521 / LN-111, y se normalizó a la limpieza gen GAPDH y se expresó en relación con hESCs. Los resultados representan tres réplicas biológicas, y las barras de error representan la desviación estándar (DE). * P <0,05, ** p <0,01; no apareado t-test. Expresión (B) de la proteína de un marcador clave hepática, HNF4α, y los marcadores de polarización, E-cadherina y F-actina. Día 18 HLC en LN-521 y LN-521 / LN-111 se tiñeron para los marcadores arriba y contrastados con Hoechst 33342. Un control negativo se realizó con la inmunoglobulina correspondiente G (IgG). Se muestra el porcentaje de células positivas HNF4α y el SD. Esto se calculó a partir de cuatro campos al azar de vista. Las imágenes fueron tomadas a 20 aumentos. Barra de escala = 100 micras. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Función metabólica Caracterización de HLC. la actividad del citocromo P450 CYP3A de las células cultivadas en Matrigel (MG), LN-521 o LN-521 / LN-111 se puso a prueba. Los datos representan tres réplicas biológicas, y las barras de error representan SD. ** P <0,01; ANOVA de una vía con la prueba post-hoc de Tukey. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Caracterización Estándar de HLC. hiPSCs cultivadas en LN-521 se diferenciaron en HLC. pruebas generales de caracterización se realizaron el día 17 HLC. (A) La morfología secuencial de las células durante la diferenciación hepática; el r puntos de tiempo se muestra células epresent en los días 1, 4, 9, y 17. (B) La inmunotinción de expresión HNF4α. El porcentaje de células positivas y el SD se muestra basado en cuatro campos al azar de vista. Las imágenes fueron tomadas a 20 aumentos. Barra de escala = 100 micras. (C) la actividad de CYP3A en el día 17 HLC. Los datos representan seis repeticiones biológica, y la barra de error representa la desviación estándar. La secreción de (D) de albúmina de HLC derivados de más de 24 h en cultivo. Los datos representan cuatro repeticiones biológica, y la barra de error representa SD. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Cronología esquemática del protocolo de diferenciación.t = "_ blank"> Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para avanzar en la investigación humana de células madre pluripotentes y la medicina traslacional, sistemas libres de xeno que cumplen con las directrices se requieren buenas prácticas de fabricación actuales. Clave para cualquier proceso de diferenciación es la matriz extracelular (ECM). El ECM no sólo es compatible con la unión celular, sino que también proporciona acceso a los factores de señalización clave, que influyen en la determinación de células y el fenotipo 25, 26.
Laminina son proteínas de la matriz extracelular in vivo multifuncionales. En el hígado, la secreción de la laminina es crucial para la regeneración del hígado después de una hepatectomía parcial 27 y es necesario para el mantenimiento de células progenitoras hepáticas 28. La importancia de laminina en el mantenimiento y la regeneración del hígado fue la base para las pruebas disponibles comercialmente laminina humana recombinante en nuestro sistema de diferenciación de hepatocitos.
Superior élla diferenciación patocyte se logró el LN-521 y LN-521 / LN-111 sustratos, en comparación con Matrigel. HLC derivados fueron claramente polarizados y organizados en el plato, y su función celular se mejoró significativamente en comparación con sus homólogos de mezcla de proteínas gelatinosas. Detrás de estas mejoras fue la regulación a la baja de contaminar Colon-, fibroblast- y el vástago genes asociados a células en las lamininas, así como una disminución en la proliferación celular y la expresión génica asociada a la migración 10.
En conclusión, el protocolo descrito aquí genera células hepatocitos como las que están más cerca de la naturaleza de los hepatocitos humanos adultos. El proceso es reproducible, susceptibles de automatización, y se pueden ampliar para su aplicación de manera rentable. Es importante destacar que, la variación de lote a lote se ha disminuido de manera significativa en comparación con las técnicas que utilizan Matrigel, resultando en un sistema de diferenciación mejorado para los investigadores en este campo.
El Dr. David C. Hay es un co-fundador y director de Stemnovate Limited.
Este trabajo fue apoyado con premios de la Medicina Regenerativa Plataforma Reino Unido (MRC MR / L022974 / 1 y MR / K026666 / 1) y una beca de China.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Human Recombinant Laminin 521 | BioLamina | LN521-02 | |
Human Recombinant Laminin 111 | BioLamina | LN111-02 | |
Recombinant mouse Wnt3a | R&D Systems | 1324-WN-500/CF | |
Human Activin A | Peprotech | 120-14E | |
Human Hepatocyte Growth Factor | Peprotech | 100-39 | |
Human Oncostatin M | Peprotech | 300-10 | |
Rho-associated kinase (ROCK) inhibitor Y27632 | Sigma-Aldrich | Y0503-1MG | |
Hydrocortisone 21-hemisuccinate sodium salt | Sigma-Aldrich | H4881 | |
DMSO | Sigma-Aldrich | D5879 | |
mTeSR1 medium | STEMCELL Technologies | 05850 | |
RPMI 1640 | Life Technologies | 21875 | |
Knockout DMEM | Life Technologies | 10829 | |
HepatoZYME | Life Technologies | 17705 | |
B27 supplement | Life Technologies | 12587-010 | |
Knockout Serum Replacement | Life Technologies | 10828 | |
GlutaMax | Life Technologies | 35050 | |
Non-essential amino acids | Life Technologies | 11140 | |
2-mercaptoethanol | Life Technologies | 31350 | |
Accutase | Millipore | SCR005 | |
DPBS with Calcium and Magnesium | ThermoFisher | 14040133 |
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