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Method Article
Génération de cellules souches pluripotentes induites offre des perspectives fascinantes pour la dérivation de la greffe autologue. Toutefois, la progression à travers un état pluripotent et laborieux re-différenciation entrave encore la traduction clinique. Nous décrivons ici la dérivation des fibroblastes humains adultes et leur conversion directe dans des cellules progénitrices neurales induites et la différenciation ultérieure dans les lignées neurales.
Génération de cellules souches induites pluripotentes (CSPi) à partir de fibroblastes adultes de la peau et de la différenciation subséquente dans des cellules somatiques fournit des perspectives fascinantes pour la dérivation de greffes autologues qui contournent les barrières d'histocompatibilité. Toutefois, la progression à travers un état pluripotent et la différenciation complète subséquente en lignées désirées reste un obstacle pour la traduction clinique de la technologie iPSC raison de l'instabilité génomique potentiel et néoplasiques. Récemment, nous et d'autres avons montré que les cellules somatiques peuvent non seulement être converties en CSPi mais aussi en différents types de cellules souches somatiques multipotentes en utilisant des facteurs définis, contournant ainsi la progression à travers l'état pluripotent. En particulier, la conversion directe de fibroblastes humains en cellules progénitrices neurales induites (iNPCs) annonce la possibilité d'une source cellulaire autologue roman pour diverses applications telles que le remplacement de la cellule, la modélisation des maladieset le dépistage de la drogue. Ici, nous décrivons l'isolement des adultes fibroblastes primaires humains par biopsie de la peau et de leur conversion directe efficace en temps opportun iNPCs par l'expression restreinte de Oct4, Sox2, Klf4, ainsi que c-Myc. Colonies neuroépithéliales Sox2 positifs apparaissent après 17 jours d'induction et de lignes INPC peuvent être établies de manière efficace par l'isolement et l'expansion monoclonal. Réglage précis de la multiplicité de l'infection virale et la supplémentation du facteur inhibiteur de la leucémie au cours de la phase d'induction représentent des facteurs critiques pour atteindre des rendements de conversion de jusqu'à 0,2%. Jusqu'à présent, les lignes INPC spécifiques au patient pourraient être élargis pour plus de 12 passages et uniformément présentent des caractéristiques morphologiques et moléculaires de cellules souches / progénitrices neurales, comme l'expression de la nestine et Sox2. Les lignes INPC peuvent être différenciées en neurones et les astrocytes comme jugé par coloration TUJ1 et contre GFAP, respectivement. En conclusion, nous rapportons un protocole robuste pour la dérivation et de direconversion de ct de fibroblastes humains en cellules progénitrices neurales stable extensibles qui pourraient fournir une source cellulaire pour des applications biomédicales telles que le remplacement des cellules neurales autologue et de la modélisation de la maladie.
En 2006 Yamanaka et ses collègues ont pu montrer pour la première fois la possibilité d'une reprogrammation de cellules somatiques dans un état pluripotent 1. Cette dédifférenciation a été obtenue par la surexpression de quatre facteurs de transcription Oct4, Sox2, Klf4, et c-Myc dans des fibroblastes murins. Les dits induits des cellules souches pluripotentes générés (CISP) montrent l'équivalence fonctionnelle de cellules souches embryonnaires (CSE) et peuvent donc être différenciées en tous les types de l'organisme adulte cellulaires. Un an plus tard, à la reprogrammation CSPi pourrait aussi être atteint pour les fibroblastes humains 2. Des expériences sur des modèles animaux démontrent que les cellules iPSC dérivés peuvent généralement être utilisées pour la thérapie de remplacement cellulaire, par exemple dans des maladies (le PD) de Parkinson 5.3. Cependant, plusieurs limites associées à l'utilisation des CSPi représentent barrages routiers pour la pleine réalisation de leur potentiel thérapeutique. De tous, la reprogrammation de cellules d'abord dans un état pluripotent et aprèscontrôle de la qualité est généralement un temps et processus inefficace rendement dans les procédures de culture cellulaire vastes et donc coûteuses. Deuxièmement, iPSCs doivent être re-différencié dans le type cellulaire souhaité d'intérêt avant l'application biomédicale et de la probabilité de cellules pluripotentes résiduels dans la population différenciée recèle un important potentiel tumorigène et affiche ainsi un risque élevé après la transplantation de cellules 6. En troisième lieu, le processus de reprogrammation est habituellement obtenue en induisant les facteurs de reprogrammation par infection rétrovirale ou lenti-. L'intégration de ces virus dans le génome de l'hôte pourrait conduire à la mutagenèse par insertion et / ou la réactivation incontrôlée des transgènes 7,8. Les systèmes non-intégration ont été développés pour fournir les facteurs de reprogrammation pour cibler les cellules, ce qui minimise le risque de mutagenèse insertionnelle et transgène réactivation. Des exemples de ces approches sans transgène sont la reprogrammation de cellules en utilisant non-intégrationAdeno virus Sendai ou 9,10, vecteurs à base d'ADN 11 ou l'application de méthodes exempts d'ADN, comme la transfection de l'ARNm synthétique 12 ou transduction de protéines recombinantes 13,14. Un autre procédé prometteur pour la dérivation de iPSC libre transgène est l'utilisation de constructions de reprogrammation loxP lentiviral modifié et suppression ultérieure de transgènes en utilisant le système de recombinaison Cre-loxP ADN 15,16.
Une approche plus simple pour générer des cellules neurales pour la thérapie de remplacement de la cellule représente la conversion directe des fibroblastes en neurones post-mitotiques 17-20. Vierbuchen et al. A rapporté que la surexpression de facteurs de transcription ASCL1, Brn2 Myt1l et des résultats dans la production de 20% des neurones à partir de 17 fibroblastes murins. En 2011, il a été montré que les trois mêmes facteurs de transcription, en combinaison avec la surexpression de NeuroD1 permettent transdifférenciation des fibroblastes humains en neurons 19. neurones humaines induite pourraient également être générés par la surexpression de Ascl1 et Ngn2 sous double SMAD- et GSK3β- inhibition 20. Notamment, la conversion directe des fibroblastes en neurones génère, une population de cellules post-mitotique non-prolifération qui ne permet pas d'expansion et de biobanques.
Récemment, la conversion directe des fibroblastes dans une population de cellules souches neurales / progénitrices prolifération a été signalé 21-26. Par souci de clarté, tous ces types cellulaires seront nommés en tant que cellules progénitrices neurales induites (de iNPCs) dans ce rapport. Han et al. Surexprimé Brn4, Sox2, c-Myc et Klf4 pour générer iNPCs. Comme leurs homologues de cellules souches neurales dérivées de cellules de tissus soit primaire ou pluripotentes ces iNPCs sont tripotential et pourraient être différenciées en neurones, astrocytes et oligodendrocytes 21. Notre groupe a rapporté un protocole de conversion légèrement différente impliquant la surexpression de Sox2, Klf4Et c-Myc et induite Oct4-expression pour 5 jours seulement. Avec cette approche, nous pourrions générer proliférant de manière stable iNPCs de embryonnaires et adultes fibroblastes murins qui présentent silencieux complet des facteurs de la reprogrammation 22. Contrairement à iPSCs, iNPCs ne présentent pas de pouvoir tumorigène 27 après la transplantation. Nous avons utilisé des cellules converti avec succès dans un modèle animal de démyélinisation, rats déficients en myéline, ce qui démontre que iNPCs sont cliniquement utiles 22. Jusque-là, les PNJ ne pourraient être générés à partir de cellules souches pluripotentes ou tissu neural primaire 28-32. iNPCs sont des cellules de manière stable extensibles qui peuvent être cryoconservés et sont capables de se différencier en neurones, astrocytes et oligodendrocytes. Beaucoup d'efforts ont été faits pour adapter le protocole de conversion directe de la souris à des cellules humaines 23,26,33,34. En 2012, il a été publié que la surexpression du facteur de Sox2 unique dans des fibroblastes est suffisante pour générer murin et humain iNPCs 33. Les auteurs ont rapporté génération de iNPCs droits de fibroblastes de prépuce fœtales et les caractérisent par coloration contre Sox2 et Nestin. Cependant, les cellules cibles utilisés pour la reprogrammation représentent un type de cellule très particulière qui ne sera pas disponible en pratique clinique et il n'y avait pas la caractérisation fonctionnelle des cellules converties par la transplantation dans un modèle animal effectué. Une publication plus récente décrit la génération des progéniteurs neuronaux restreintes de fibroblastes foetaux humains par la surexpression de Sox2, c-Myc et soit Brn2 ou Brn4 34. Les lignées cellulaires générées ont montré une capacité d'auto-renouvellement et peuvent se différencier en différents types de neurones terminaux. Cependant, l'utilisation de fibroblastes foetaux est défavorable, étant donné que ces cellules sont d'origine hétérogène et on ne peut pas exclure la présence de résidus, par exemple, les cellules souches de la crête neurale dans les préparations. En 2014, Zhu et al. Ont rapporté la conversion directe de l'être humain adulte et néonatales fibroblastes en cellules progénitrices neurales tripotential par la surexpression de Sox2 avec Oct4 ou Oct4 seul et l'addition de petites molécules à des milieux de culture cellulaire. Notamment, sur la base de leurs études Sox2 seule était insuffisante pour induire une conversion directe 26. Plus récemment, Lu et al. A rapporté que la surexpression de la Yamanaka facteurs Oct4-, Sox2-, Klf4-, c-Myc par virus Sendai pendant 24 heures et l'inactivation ultérieure du virus par l'augmentation des résultats de température dans la génération de neurones expansible tripotential 23 cellules précurseurs. En conclusion, bien que les protocoles de conversion publiés pour les cellules humaines ont jusqu'ici en commun la surexpression d'au moins un ou plusieurs des facteurs Yamanaka, souvent en temps opportun restreint, il n'y a aucune indication claire des facteurs moléculaires minimales nécessaires à la conduite directe conversion en iNPCs. La surexpression de Oct4 opportun limité par des moyens génétiques, la transfection avec de l'ARNm synthétique, ou cprotéines ell infiltrant avec une expression constitutive de Sox2, Klf-4, et c-Myc n'a pas abouti à des lignées stables INPC humains encore. Ainsi, l'application de virus Sendai à surexpriment tous les facteurs Yamanaka et en temps opportun de limiter leur activité par inactivation par la chaleur des virus 23 ainsi que les conditions d'induction de médias optimisés 22,31 neuronal représente la stratégie préférée à ce jour.
Plusieurs études démontrent la fonctionnalité cellulaire de NNC ou leurs homologues différenciées dans les différents modèles de maladies animales. Progéniteurs neuronaux à partir de cellules souches pluripotentes humaines ont été transplantées dans des modèles murins de la maladie de la sclérose en plaques neuroinflammatoire 35,36. L'applicabilité de cellules progénitrices neurales CSEh dérivées dans l'EAE (encéphalomyélite auto-immune expérimentale) -mice a été montré la première fois en 2008 35. Cellules précurseurs neurales multipotentes ont été injectés dans les ventricules du cerveau de la souris, et le résultat de la transplantationed dans la réduction des signes cliniques de l'EAE. Kim et al. Généré précurseurs oligodendrogliales de CSEh et transplanté ceux intracérébroventriculairement dans EAE-souris. Bien que les greffes ne survivent pas plus de 10 jours, les souris ont montré une amélioration significative de la fonction et de la réduction des cellules immunitaires pro-inflammatoires dans la substance blanche 36 neurologique. la thérapie de cellules souches a également été appliquée pour le ciblage préclinique de la maladie de Parkinson que les PNJ peuvent être utilisés avec succès dans les modèles animaux respectifs. Pour cela, les cellules progénitrices ont été soit dérivées de tissu cérébral fœtal 37 différenciées à partir de cellules souches pluripotentes 38 à 40 ou de cellules souches mésenchymateuses 41 ont été utilisés. En 2012, nous avons montré que iNPCs de souris sont capables de produire une protéine protéolipidique, la principale composante de protéine de la myéline, après la transplantation dans le cerveau de rats (md) de la myéline déficient 22. Par cette expérience preuve-de-principe APPLICABIL thérapeutiquelité de iNPCs a d'abord été prouvé et bientôt confirmé par une autre étude 32. Toutefois, le potentiel d'utilisation thérapeutique de iNPCs humains reste à explorer.
Ici, nous montrons un processus robuste et intégré de (i) la dérivation de cellules primaires humaines de patients adultes par biopsie de la peau, (ii) la conversion directe de fibroblastes humains dans un état progénitrices neurales et (iii) la capacité de iNPCs à se différencier en neurones et lignages gliales. L'utilisation de ce protocole aidera à accélérer la génération de cellules humaines autologues pour des applications thérapeutiques.
Les fibroblastes humains utilisés dans cette étude ont été obtenues à partir d'une biopsie de poinçon de la peau après l'obtention du consentement et de la clairance éthique informé par le comité d'éthique de l'Université de Würzburg, Allemagne (rapport éthique no: 96/11 en date du 10.06.2011).
1. biopsie de
2. L'infection des fibroblastes humains avec Sendai virus et transdifférenciation
REMARQUE: Pour assurer la sécurité, les étapes suivantes virus de manutention doivent être effectuées dans une enceinte de sécurité biologique et d'une hotte à flux laminaire, et avec un équipement personnel approprié de sécurité, notamment un masque chirurgical, pour prévenir l'exposition des muqueuses.
3. Isolation des Colonies Putative INPC
4. Expansion et Cryo-conservation de iNPCs
5. Différenciation des iNPCs
Nous présentons ici la description d'un processus intégré qui permet de générer des cellules induites neurales progénitrices (de iNPCs) à partir de fibroblastes humains qui ont été obtenus par une biopsie de poinçon de la peau en moins de 8 semaines (Figure 1). iNPCs Patient-specifc peuvent être davantage différenciées en lignées neuronales et gliales et abritent un énorme potentiel pour la thérapie de remplacement de la cellule et de la modélisation de la maladie.
Ici, nous montrons l'isolement et la conversion directe de fibroblastes humains dans des cellules progénitrices neurales transgène libre-expansibles et leur descendance différenciée en fonction putative pour la thérapie de remplacement cellulaire ou à l'application dans les analyses de dépistage de drogue. La conversion directe de la lignée de cellules somatiques dans NPC a été obtenue par expression forcée de transcription spécifique de la lignée des facteurs 26,33,34. Néanmoins, dans d...
The authors declare that they have no competing financial interests.
Nous tenons à remercier tous les membres du Stem Cell et Regenerative Medicine Group de l'Université de Würzburg pour des suggestions utiles et Martina Gebhardt ainsi que Heike Arthen pour un excellent support technique. Ce travail a été soutenu par des subventions de la Deutsche Forschungsgemeinschaft DFG (ED79 / 1-2), le ministère allemand de l'éducation et de la recherche BMBF (01 GN 0813), les recherches bavaroise induite Réseau des cellules souches pluripotentes "forIPS» et la «Stiftung Sibylle Assmus ». Figure 1 a été produit en utilisant Servier Medical Art, disponible à partir de www.servier.com.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Astrocyte media | ScienCell | 1801 | |
B27 | LifeTechnologies | 17504-044 | |
BDNF | Peprotech | 450-02 | |
Biopsy Punch | pfm medical | 48301 | |
cAMP | Sigma | A6885 | |
CHIR99021 | Axon medchem | 1386 | |
Collagenase Type2 | Worthington Biochemical | LS004177 | |
Dispase | PAN | P10-032100 | |
DMEM | LifeTechnologies | 41966-029 | |
DMEM F12 | LifeTechnologies | 11320-033 | |
DMSO | Roth | 4720 | |
DPBS | LifeTechnologies | 14190-094 | |
EGF | Life Technologies | PHG0313 | |
FCS | Biochrom AG | 50115 | |
GDNF | Peprotech | 450-10 | |
Gentamicin | Sigma | G1397 | |
GFAP-antibody | Dako | Z0334 | |
GlutaMAX | LifeTechnologies | 35050-038 | |
hLIF | Peprotech | 300-05 | |
Insulin | Seralab | GEM-700-112-P | |
Ki67-antibody | NeoMarkers | RM-9106-S | |
L-Glutamine | LifeTechnologies | 25030-024 | |
Laminin | Sigma | L2020 | |
N2 | LifeTechnologies | 17502-048 | |
Nestin-antibody | R&D Systems | MAB1259 | |
Neurobasal | LifeTechnologies | 21103-049 | |
Non-essential amino acids | LifeTechnologies | 11140-050 | |
NSC freezing media | Sigma | C6295 | |
Oct4-antibody | Santa Cruz | sc9081 | |
Pax6-antibody | Covance | PRB-278P | |
SB431542 | Invivogen | inh-sb43 | |
Sendai virus: CytoTune Sendai Reprogramming Kit | LifeTechnologies | A1378001 | |
Sodiumpyruvate | Life Technologies | 11360-039 | |
Sox1-antibody | R&D Systems | AF3369 | |
Sox2-antibody | R&D Systems | MAB2018 | |
T3 | Santa Cruz | sc-205725 | |
Trypsin/EDTA | Life Technologies | 15400-054 | |
TUJ1-antibody | Covance | MMS-435P-250 | |
Vitamin C | Sigma | A4544 | |
Y27632 | Calbiochem | CAS 146986-50-7 | |
β-Mercaptoethanol | LifeTechnologies | 21985023 |
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