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Este protocolo describe cómo producir células epiteliales del pigmento retiniano (RPE) de células madre pluripotentes. El método utiliza una combinación de factores de crecimiento y moléculas pequeñas para dirigir la diferenciación de células madre en RPE inmaduro en catorce días y RPE madura y funcional después de tres meses.
Se describe un método robusto para dirigir la diferenciación de células madre pluripotentes en retiniano del pigmento epiteliales células (RPE). El propósito de ofrecer un protocolo detallado y minucioso es demostrar claramente cada paso y para hacerlo accesible a los investigadores en el campo. Este protocolo da lugar a una capa homogénea de RPE con disección mínima o manual no es necesitada. El método presentado aquí se ha demostrado para ser eficaz para inducida por células madre pluripotentes (iPSC) y células madre embrionarias humanas. Asimismo, describen métodos de criopreservación de los bancos de células intermedias que permiten el almacenamiento a largo plazo. RPE generado mediante este protocolo podría ser útil para el modelado de enfermedades-en-un-plato de iPSC o aplicación clínica.
El epitelio pigmentario de la retina es una monocapa de células pigmentadas que proporciona soporte crucial para fotorreceptores. Las células epiteliales del pigmento retiniano (RPE) tienen numerosas funciones en la visión, incluyendo la absorción de la luz, transporte de nutrientes y de iones, retinoide ciclismo, fagocitosis del segmento externo de fotorreceptor, y1de la secreción del factor de crecimiento. Hay una gran variedad de distrofias retinales que afectan la función de RPE y resultado en una pérdida de visión como degeneración macular y retinitis pigmentosa. Generación de la RPE de células madre pluripotentes puede facilitar la investigación para comprender estas enfermedades de los ojos y puede proporcionar una fuente ilimitada de RPE para celular terapias2. De hecho, múltiples ensayos clínicos en curso están utilizando RPE derivada de células madre pluripotentes3.
Este protocolo de diferenciación fue descrito originalmente por Buchholz4 y se basó en el método anteriormente publicado de Clegg5. El procedimiento simula el proceso del desarrollo normal en vivo para dirigir células pluripotenciales indiferenciadas hacia un destino RPE través de la manipulación de los factores de crecimiento de insulina (IGF), factor de crecimiento básico del fibroblasto (FGF-2; FGF-basic), transformación de factor de crecimiento beta (TGF-β) y las vías WNT4,5. El protocolo fue mejorado significativamente por la adición de un agonista de la vía WNT en el protocolo, que rindió 97.77% ± 0.1% pre-melanosome células positivas de proteína (PMEL) y ha sido adaptado a condiciones xeno-libre6,7. El RPE resultante han demostrado expresar marcadores RPE en los niveles de transcripción y proteína, secretan factores de crecimiento conocidos RPE con la polaridad adecuada, y llevar a cabo la fagocitosis de fotorreceptor segmentos externo8. Este protocolo es más rápida y fiable que "espontánea" protocolos de diferenciación que involucran la extirpación simple del factor de crecimiento de fibroblasto básico8. Además, los datos muestran que RPE obtenidos utilizando este protocolo de la secuencia de RNA son muy similares a los obtenidos utilizando el enfoque espontáneo más comunes8. El método 14 días genera RPE que caben las "5 P" mencionado por Mazzoni9 (pigmentadas, polarizado, fagocíticas, poste-mitotic, poligonal)9. Si bien este procedimiento ha demostrado para ser reproducibles en laboratorios múltiples, queremos reconocer varios métodos adicionales de diferenciación dirigida que han sido publicados en los últimos años10,11,12 , 13.
1. preparación de reactivos para el día 0 al día 14 del protocolo
2. Día 0: Día del paso de células madre pluripotentes para la diferenciación
3. Día 1 al 14: adición de factores de crecimiento
4. Día de enriquecimiento al paso 0 de RPE
5. Maduración: Del paso 1 y 2 de RPE
Nota: los volúmenes son los indicados para 1 pozo de una placa de 6 pozos o un matraz T75 como se indica en paréntesis.
6. Creación de un banco de células intermedias: criopreservación de paso 2 días 3-5 RPE
Nota: criopreservar las células mientras son subconfluente (~ 50%) y no han recuperado el pigmento.
Este método resulta en la producción de una monocapa homogénea, pigmentada y cuboidal de RPE. La línea de tiempo en la figura 1 corresponde a las imágenes representadas en la figura 2. Como se muestra en la figura 2A, las colonias de células madre se embalan firmemente con bordes definidos y sin las células fibroblásticas entre colonias u opacas células dentro de colonias. Figura 2B proporciona una representación de RPE inmaduro que son subconfluente. Si las células están ya confluentes en esta etapa, no se extienden proyecciones que son críticas para el proceso de diferenciación. Las células que son severamente subconfluente no serán capaces de establecer una monocapa y forman a uniones estrechas, característicos del epitelio. Información sobre cómo optimizar esta confluencia es descritos en la sección de discusión. Figura 2 muestra la morfología de los dos tipos más comunes de no RPE que puedan surgir durante este proceso de diferenciación: parches neurales o fibroblásticos. Es importante tener en cuenta que estos parches neurales aparecen especialmente opacos en un microscopio de disección, mientras que los parches definidos, fibroblástico como son casi translúcidos en un microscopio de disección. Puede ser útil marcar estas áreas en una placa de cultivo de tejidos con una pluma de etanol-prueba de laboratorio para identificarlos más fácilmente en un microscopio óptico compuesto y microscopio de disección. Figuras 2D-F muestran los característicos bordes brillantes, guijarro morfología y pigmentación que indican una cultura saludable, maduración de RPE. Figura 3 es una imagen de aumento mayor para mostrar el aspecto diferente de RPE totalmente maduro representado por microscopia de campo claro y contraste de fases. En el paso 3 día 30, las células están listas para la caracterización que se ha descrito en publicaciones anteriores, incluyendo la expresión de ARN, expresión de proteínas, secreción de factor de crecimiento y fagocitosis2,4,6 ,7. Estas caracterizaciones muestran que las células en estas imágenes no sólo pigmentado y cuboidales, pero también fagocíticas, poste-mitotic y polarizado.
Figura 1:. Línea de tiempo para la incorporación de factores de crecimiento y maduración de RPE. Factores de crecimiento se agregan a las placas 12-bien desde el día 0-14. Maduración de RPE se cultivan en placas de 6 pocillos o T75 frascos de día de enriquecimiento al deshielo después de 30 días (paso 3 día 30). Las flechas indican enzimática celular pases. (A-E) por debajo de las líneas de tiempo corresponden a las imágenes en la figura 2. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: morfología representativa y confluencia de maduración RPE. Células madre pluripotentes inducidas inmediatamente antes de pases para la diferenciación (A). Subconfluent inmaduro de las células RPE en día 2 (B) y antes de enriquecimiento pick para retirar en el día 14; los parches no-RPE (indicados por las flechas blancas) aparecen como parches u opaco "cintas" (C). RPE en el paso 0, 1 y 3 día 30 (D, E y F). Barra de escala = 200 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: maduras RPE en el paso 3: día 30 Morfología cuboidal en contraste de fase (A) y pigmentación en campo brillante (B). Barra de escala = 50 μm. haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Este protocolo describe cómo producir las células epiteliales del pigmento retiniano de células madre pluripotentes. El método se optimizó utilizando ambas células pluripotentes embrionarias e inducidas humanas de un método de cultivo libre de suero y alimentador. Desde el aislamiento inicial de células madre embrionarias humanas en 1998 y la derivación de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) en 2007, una multitud de células madre cultura métodos han sido desarrollados14,15,16, 17. Estos métodos deben ser suficientes para la producción de colonias de células madre que son susceptibles a esta diferenciación. No hay conocidos limitaciones a la aplicabilidad de este método a células madre pluripotentes derivadas y mantenido adecuadamente.
Los pasos más críticos son los pases de células al día 0 de la diferenciación (paso 2.5) y la necesidad potencial de disección manual en el día 14 del proceso (paso 4.5). Al escoger para eliminar las células diferenciadas de las colonias de células madre, se refieren a las imágenes de Kent18. Como se indica, las células fibroblásticas entre las colonias y las opacas células dentro de colonias indican células diferenciadas que deben quitarse antes de iniciar este protocolo18. Sólo no diferenciadas, apretadas colonias con bordes definidos deben pasadas para la diferenciación.
El número de células sembradas por pozo (paso 2.6.7) es complicado por el hecho de que las células madre no puede ser trituradas en una suspensión unicelular al paso y no se puede contar con precisión usando un hemocitómetro. La aproximación de células confluentes de 80% está indicada para 1 pases de una placa de 6 pozos en 4 pozos de una placa de 12 pozos. Diferencias entre líneas de células madre, tales como tasa de crecimiento, pueden afectar cómo el RPE llega a la confluencia entre los días 0 y 4. Las células madre se producirá RPE independientemente de confluencia exacta, pero el rendimiento celular se verá afectado negativamente si las células son demasiado escasas en esta etapa. Las células inmaduras de la RPE deben ser aproximadamente 40-50% confluente en el día 1 y casi 100% confluente por día 4. Si las células no producen una monocapa confluente por día 4 o 6, el protocolo debe repetirse en una mayor densidad de siembra en el día 0. Por ejemplo, si 1 de una placa de 6 pozos fue pasados a 4 pozos de una placa de 12 pozos en el día 0 y el RPE inmaduro no son 100% confluente en el día 4, reducir la siembra a un paso de 1:3 o 1:2 en el día 0 o permitir que las células madre para convertirse en más confluentes antes de pases. Es fundamental establecer una densidad de siembra consistente al comparar múltiples líneas celulares.
El paso de la disección manual en día 14 sólo es necesario cuando las células RPE no están presentes en la cultura (figura 2). Desde la incorporación de CHIR99021 al Protocolo, muchas líneas de células madre pluripotenciales no requieren poca o ninguna disección manual. Algunas preparaciones tienen una incidencia más alta de parches de nervios y es fundamental para eliminar esas células. Si no es viable en el paso 0 a paso 3 el RPE, es posible repetir el protocolo de diferenciación, teniendo tiempo suficiente para eliminar todas las células de RPE no. Esto no sucede a menudo, pero se menciona aquí tener en cuenta que el paso de la disección en el día 14 puede optimizarse cuando sea necesario.
Hay una variedad de protocolos de diferenciación de RPE que varían en costo, así como métodos de cultivo, eficiencia, cuantificación y evaluación funcional, que ha sido completamente revisado2. Preferimos el método 14 días detallado aquí debido a su eficacia, adaptabilidad y aplicabilidad a una amplia gama de líneas de celular4,7,8. El paso de la criopreservación en este protocolo también proporciona una importante ventaja en la creación de un banco de células intermedio para uso futuro, evitando la variabilidad lote a lote en experimentos. A partir de solamente 4 pozos de una placa de 12 pozos, es posible ampliar en placas de 6 pozos en el paso 0 y T75 matraces en el paso 1 y 2. En el paso 2 días 3-5, cuando las células son todavía subconfluente y no han recuperado el pigmento, es posible criopreservar decenas de millones de células y luego descongelar el RPE maduro, designado paso 3 día 30, para comprobar la expresión de RNA, expresión de la proteína, el factor de crecimiento secreción, fagocitosis, etcetera. También hemos establecido protocolos para ampliar RPE para pasajes hasta 13 19.
Mirando hacia adelante, este método será útil para iPSC modelado de enfermedades oculares y para generación de RPE para terapia celular. Con respecto a la modelación de la enfermedad de iPSC, este protocolo actualmente se utiliza en el laboratorio para producir RPE de líneas CRISPR-corregida con controles no corregido del mismo paciente. Además, este protocolo es adaptable a sustratos sintéticos y condiciones xeno-libre que sirven para adherirse a las buenas prácticas de manufactura para una terapia celular.
Dr. Clegg es uno de los fundadores de regenerativa parche Technologies LLC.
Este trabajo fue financiado por la iniciativa de Garland para la visión, el Instituto de California para la medicina regenerativa (CIRM; subvenciones DR1-01444 y CL1-00521, TB1-01177, FA1-00616, TG2-01151), la Fundación de la comunidad de Vermont, la Fundación Breaux y los Fundación lucha contra el programa de aceleración de la investigación traslacional de Wynn-Gund de ceguera.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
SterilGARD III laminar flow biosafety cabinet | Baker | model: SG603A-HE, type: A2, class: 2 | 6' Baker laminar flow biosafety cabinet |
Dissection Hood | Labconco | Model 3970405 | laminar flow bench top |
dissecting microscope | Nikon | SMZ 1500 | heated stage |
air-jacketed CO2 incubator | Sanyo | MCO-17AIC | 37 oC and 5% CO2 |
inverted phase contrast microscope | Olympus | IX53 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Media Components | |||
DMEM/F12 | Gibco | 10565042 | |
N2 Supplement | Gibco | 17502048 | |
B27 Supplement | Gibco | 17504044 | |
NEAA | Gibco | 11140050 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Growth Factors and Reagents | |||
Nicotinamide | Sigma | N0636 | |
Recombinant mouse noggin | R&D systems | 1967-NG-025 | |
Recombinant human DKK-1 | R&D systems | 5439-DK-010 | |
Recombinant IGF-1 | R&D systems | 291-G1-200 | |
FGF-basic | Peprotech | 100-18B | |
Recombinant human/mouse/rat Activin A | Peprotech | 120-14E | |
SU5402 FGF inhibitor | Santa Cruz Biotechnology | sc-204308 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Substrates | |||
Matrigel Basement Membrane Matrix, Phenol Red-Free, LDEV-Free | Corning | 356237 | extracellular matrix-based hydrogel (ECMH) |
Matrigel hESC-Qualified Matrix, LDEV-Free | Corning | 354277 | growth factor reduced ECMH |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Other reagents | |||
1X Versene (EDTA) | Gibco | 15040066 | |
DPBS | Gibco | 14190250 | |
1X PBS (no calcium, no magnesium) | Gibco | 10010023 | |
TrypLE (trypsin-like dissociation enzyme, TDE) | Gibco | 12563011 | |
X-VIVO 10 (RPE supporting medium) | Lonza | BW04-743Q | |
Y-27632 | Tocris | 12-541-0 (1254) | |
CryoStor CS10 | BioLife Solutions | 210102 | cryopreservation medium |
1.2 mL Cryogenic Vial | Corning | 430487 | |
Mr. Frosty (freezing container) | Nalgene | 5100-0001 | freezing container |
Normocin | Invivogen | ant-nr-2 | antimicrobial reagent |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Other Equipment | |||
Pipet-aid | Drummond | 4-000-101 | |
12-well culture plate | Corning | CLS3516 | Used during differentiation. |
T75 flask | Corning | 430641 | Used during RPE maturation. |
6-well culture plate | Corning | CLS3513 | Used during RPE maturation. |
cell scraper | Corning | 08-771-1A | Used during passages. |
cell strainer | Falcon | 352340 | Used during passages before cell count. |
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