A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
מחקר זה מתאר שיטה לייצור ספרואידים כונדרוציטיים על ידי צבירת תאים לספרואידים בתנאי הדבקה נמוכה באמצעות כוח הכבידה, ולאחר מכן תרבית את הספרואידים המתקבלים במיני-ביוריאקטורים.
תיקון סחוס במחלות מפרקים כרוניות דורש טיפולים מתקדמים מבוססי תאים כדי לחדש רקמות פגועות ביעילות. פרוטוקול זה מספק שיטה שלב אחר שלב להבחנה של תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs) לספרואידים מבוססי כונדרוציטים, התומכים בהנדסת רקמות וביישומי תרפיה תאית. תהליך ההתמיינות בנוי בקפידה כדי לקדם מחויבות לשושלת כונדרוגנית, החל מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים בתרבית במדיה ספציפית המנחים תאים ברצף בשלבים קריטיים של התמיינות. בתחילה, iPSCs מורחבים כדי להגיע למפגש אופטימלי לפני אינדוקציה לקראת שושלת כונדרוגנית באמצעות סדרה של שינויי מדיה מוגדרים. ביום ה-10, התאים עוברים למדיום מקדם כונדרוגנזה, המשפר את היווצרותם של תאים דמויי כונדרוציטים המבטאים סמנים מרכזיים של כונדרוציטים בוגרים. צבירה נוספת בלוחות מצופים באגרוז 96 בארות מובילה להיווצרות ספרואידים תלת-ממדיים, אשר לאחר מכן מתורבתים במיני-ביוריאקטורים מותאמים אישית שנועדו לדמות מיקרו-סביבה המעודדת שקיעת מטריצה חוץ-תאית (ECM). על ידי מתן אפשרות לייצור מדרגי של כונדרוציטים ספרואידים המחקים את מאפייני הסחוס הטבעיים, גישה זו מציעה פתרון מבטיח ובר שחזור לפיתוח טיפולים מבוססי תאים לפגמים בסחוס, ומספקת תועלת רחבה ליישומים קליניים ומחקריים ברפואה רגנרטיבית של שרירים ושלד.
שכיחות מחלות המפרקים גורמת לנטל כלכלי משמעותי בשל מספרם ההולך וגדל של חולים נכים והעלויות הכרוכות בטיפול בהם. סחוס היאלין הוא רקמת חיבור אווסקולרית בעלת פוטנציאל התחדשות מוגבל1. שימוש ממושך בתרופות נוגדות דלקת לא סטרואידיות מסוימות (NSAIDs), גלוקוקורטיקואידים וכימותרפיה או הקרנות יכול להפחית עוד יותר את יכולת ההתחדשות של הסחוס, וכמעט לבטל את יכולתו לרפא2. זה עושה את זה מאתגר להשיג תאי סחוס אוטולוגיים לטיפול תאי.
הטכנולוגיה של גידול תאים תלת מימדי (3D), כולל chondrocytes, כבר זמן רב מוכר כאזור מחקר מתפתח עם פוטנציאל משמעותי. מבנים תלת-ממדיים אלה נחקרים ליישומים הן במחקר ביולוגי בסיסי והן ברפואה רגנרטיבית. ספרואידים שמקורם בכונדרוציטים אוטולוגיים טומנים בחובם הבטחה טיפולית לטיפול בניוון רקמת הסחוס, מצב הזוכה כיום לתשומת לב עולמית רבה3.
ספרואידים שמקורם בכונדרוציטים המובחנים מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים מהווים חלופה מבטיחה לכונדרוציטים ראשוניים, ומציעים יתרונות משמעותיים לתיקון סחוס. תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים מספקים יכולת כמעט בלתי מוגבלת להתחדשות עצמית ובעלי פוטנציאל התמיינות רחב, המאפשר ייצור כונדרוציטים בכמויות המספיקות ליישומים קליניים ללא הליכים פולשניים לאיסוף תאים4. יתר על כן, המעבר מתרביות כונדרוציטים דו-ממדיות מסורתיות (2D) למערכות תרבית תלת-ממדיות, כגון כונדרוספרה, משפר עוד יותר את הכדאיות והפונקציונליות של תאים אלה על ידי יצירת סביבה רלוונטית יותר מבחינה פיזיולוגית. מחקרים מראים כי כונדרוציטים שגודלו בתרבית בספרואידים תלת-ממדיים שומרים טוב יותר על הפנוטיפ שלהם, ומציגים שיעורים נמוכים יותר של דה-דיפרנציאציה ורמות ביטוי גבוהות יותר של סמני סחוס היאלין מרכזיים, כגון קולגן מסוג II ואגרקן5.
למרות הפוטנציאל של כונדרוספירות שמקורן ב-iPSC, פרוטוקולים סטנדרטיים לייצור כונדרוספירות באיכות גבוהה נותרו מוגבלים. שונות בפרוטוקולים בין מחקרים מובילה לעתים קרובות לחוסר עקביות באיכות הכונדרוציטים ובהרכב המטריצות החוץ תאיות, מה שמשפיע על יעילותם לשימוש טיפולי6. כאן, מוצג פרוטוקול מעודן המתקן את ייצור הספרואידים מכונדרוציטים שמקורם ב- iPSC באמצעות מיני ביוריאקטורים במחיר סביר ומותאם אישית. שלב תרבית המיני-ביוריאקטור הוא חיוני, שכן הוא מספק הגדרה מבוקרת ובעלת היצמדות נמוכה הממטבת את חלוקת החומרים המזינים, הבשלת ECM ודחיסת כדוריד7. שלב זה מקדם ביטוי חזק של סמנים כונדרוציטים חיוניים, כולל קולגן מסוג II, אגרקן ו-SOX9, יחד עם הרכב ECM הדומה מאוד לסחוס טבעי. שינויי מדיה קבועים ובקרה קפדנית של תנאי הסביבה - טמפרטורה,CO2 ומהירות סיבוב - מבטיחים עוד יותר את הכדאיות וההבשלה של כדורואידים כונדרוציטים. פרוטוקול זה עבר אופטימיזציה ליצירת כונדרוספירות באיכות גבוהה עם ביטוי חזק של סמני סחוס היאלין באופן חסכוני ומדרגי, המתאים למחקר וליישומים קליניים בתיקון סחוס.
המחקר נבדק ואושר על ידי ועדת האתיקה של LOPUKHIN FRCC PCM (פרוטוקול מס' 2019/02 מיום 9 באפריל 2019). כל דגימות התורמים התקבלו בהתאם לעקרונות הצהרת הלסינקי. הסכמה מדעת התקבלה מכל המשתתפים ו/או האפוטרופוסים החוקיים שלהם.
הערה: שמור על טכניקה סטרילית לאורך כל הפרוטוקול. יש לחמם את כל חומרי התרבית והתמיסות לטמפרטורה של 37°C לפני החלתם על תאים או ספרואידים. לטפח תאים באינקובטור CO2 ב 37 ° C, עם 5% CO2 על 80% לחות. סכימת הפרוטוקולים מוצגת באיור 1.
איור 1: פרוטוקול לייצור כונדרוספירות מקו iPSC IPSRG4S. (A) בתחילה, תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים בתרבית במצע תאי גזע פלוריפוטנטיים עד שמגיעים למפגש של 80%. (B) כדי לגרום להתמיינות כלפי השושלת הכונדרוציטית מגדלים תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים בתרבית בתווך A למשך יומיים. המדיום מוחלף לאחר מכן בפורמולציה חסרה Chir 99021 ומעכב Rho kinase, והתאים מתורבתים במשך 6 ימים נוספים עם שינויים בינוניים כל יומיים. (C) התאים מועברים לאחר מכן למדיום B כדי לקדם כונדרוגנזה במשך 10 הימים הבאים. (D) ברגע שמושג מספר תאים מספיק, התהליך מתקדם לשלב ייצור הספרואידים. (E) התאים מצטברים לספרואידים בתנאי הדבקה נמוכה תחת כוח הכבידה. (F) הספרואידים המתקבלים מתורבתים במיני-ביוריאקטורים בעלי תווך B. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
1. הפיכת צלחות פטרי למיני-ביוריאקטורים
הערה: פרטים במאמר קודם5.
2. טיפול בתבשילי תרבית עם ג'לטין
3. בידוד וטיפוח של chondrocytes
הערה: כונדרוציטים מבודדים מאזורי סחוס שאינם נושאים משקל מחולים שעברו החלפת ברך מלאה. קצרו את כל הדגימות בתנאים סטריליים ואחסנו אותן בצינורות סטריליים מלאים ב-DMEM המכילים 200 U/mL פניצילין/תמיסת סטרפטומיצין. יש לאחסן את רקמת הסחוס במקרר בטמפרטורה של 2-8 מעלות צלזיוס.
4. טיפוח תאי גזע פלוריפוטנטיים
הערה: בשיתוף פעולה עם מעבדת תאי גזע של קבוצת המחקר המולקולרי של המוח, המחלקה לנוירוביולוגיה, מכון A.I. Virtanen, אוניברסיטת מזרח פינלנד, קופיו, פינלנד, קו iPSCs IPSRG4S, נוצר בהצלחה במחקר קודם8.
5. התמיינות כונדרוגנית של iPSCs
6. היווצרות ספרואידים מתאים דמויי כונדרוציטים שמקורם ב-iPSC
הפרוטוקול המתואר מתואר באיור 1. מתודולוגיה זו משתמשת בשתי תרביות נפרדות כדי להניע את ההתמיינות של תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים לכדורואידים של כונדרוציטים במשך תקופה מינימלית של חודש אחד (איור 2). תהליך ההתמיינות מתחיל כ?...
תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים מייצגים כלי טרנספורמטיבי ברפואה רגנרטיבית, המציע פוטנציאל לייצר כונדרוציטים ספציפיים למטופל לתיקון סחוס. הפרוטוקולים הנוכחיים ממנפים התמיינות מכוונת דרך מסלולים מזודרמליים, עם מולקולות איתות מרכזיות כמו TGF-β ו- BMP-2 המקדמות מחויבות לשושלת ?...
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהיעדר קשרים מסחריים או פיננסיים שיכולים להתפרש כניגוד עניינים פוטנציאלי.
המחקר נתמך בהקצאה #22-15-00250 על ידי קרן המדע הרוסית.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.05% Trypsin solution | Thermo Fisher Scientific | 25300-062 | |
0.25% Trypsin solution | Thermo Fisher Scientific | 25200-072 | |
Advanced DMEM/F12 Eagle's medium | Thermo Fisher Scientific | 12634028 | |
Aggrecan Monoclonal Antibody | Invitrogen | AHP0022 | Host: Mouse; Dilution: 1/500 |
Ascorbic acid | Sigma | A4544 | 50 μg/mL |
B-27 supplement | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | 1x or 2% |
Beta-mercaptoethanol | Serva | 28625 | 90 mM |
BMP2 | Miltenyi biotec | 130-110-922 | 10 ng/mL |
Chir 99021 | Miltenyi biotec | 130-103-926 | 10 μM |
COL1A1 (E6A8E) Monoclonal antibody | CellSignalling | 39952 | Host: Rabbit; Dilution: 1/800 |
COL2A1 (M2139) Monoclonal antibody | Santa Cruz | sc-52658 | Host: Mouse; Dilution: 1/50 |
Collagenase type II solution | PanEco | P011-2 | 0.01% |
DAPI (4',6-diamidino-2-phenylindole) | Sigma-Aldrich | D9542-5MG | 1 μg/mL |
DMEM medium w/o glutamine | PanEco | ?420? | |
Fetal bovine serum | Thermo Fisher Scientific | 10270106 | 10% |
Hanks' solution | PanEco | ?020? | |
Hybris 8 medium | PanEco | ?780?/?780 | |
Insulin-Transferrin-Selenium solution | PanEco | ?065 | 1x solution has the following concentrations: Insulin: 10 µg/mL; Transferrin: 5.5 µg/mL; Selenium 5 ng/mL |
L-alanyl-L-glutamine | Thermo Fisher Scientific | 35050038 | 2 mM |
Matrigel Matrix | BD | 354277 | 300 μg/mL |
Penicillin-Streptomycin solution | PanEco | ?063? | 100 U/mL |
Retinoic acid | Miltenyi biotec | 130-117-339 | 10 nM |
Rho kinase inhibitor Y27632 | Miltenyi biotec | 130-103-922 | 10 mM |
Secondary Antibody Goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed, Alexa Fluor 555 | Thermo Fisher Scientific | A21422 | Host: Goat; Dilution: 1/500 |
Secondary Antibody Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed, Alexa Fluor Plus 555 | Thermo Fisher Scientific | ?32732 | Host: Goat; Dilution: 1/500 |
Sox9 (D8G8H) Monoclonal antibody | CellSignalling | 82630 | Host: Rb; Dilution: 1/400 |
TeSR-1 medium | STEMCELL technologies | 85850 | |
TGF-β1 | Miltenyi biotec | 130-095-067 | 10 ng/mL |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved