Method Article
Il metodo presentato qui descrive una soluzione scalabile e buone pratiche di fabbricazione (GMP) sistema di differenziazione -ready per generare cellule epatociti-come l'essere umano da cellule staminali pluripotenti. Serve come un sistema economico e standardizzato per generare cellule epatociti-come l'essere umano per la ricerca di base e applicata fegato umano.
Le cellule staminali pluripotenti umane (hPSCs) possiedono un grande valore per la ricerca biomedico. hPSCs possono essere scalati e differenziato a tutti i tipi di cellule presenti nel corpo umano. La differenziazione delle cellule umane hPSCs a epatociti-come (hlcs) è stato ampiamente studiato, e protocolli di differenziazione efficienti sono state stabilite. La combinazione di matrice extracellulare e stimoli biologici, compresi fattori di crescita, citochine, e piccole molecole, hanno permesso di generare HLCs che assomigliano epatociti umani primari. Tuttavia, la maggior parte delle procedure ancora impiegano componenti non definiti, dando luogo a lotto a lotto variazione. Questo serve come una barriera significativa l'applicazione della tecnologia. Per affrontare questo problema, abbiamo sviluppato un sistema definito per la differenziazione degli epatociti utilizzando laminine ricombinanti umani come matrici extracellulari in combinazione con un processo di differenziazione senza siero. Altamente specifica degli epatociti efficiente è stato raggiunto, con demonstrated miglioramenti sia la funzione HLC e fenotipo. È importante sottolineare che questo sistema è facile da scalare con la ricerca e GMP-grade linee HPSC progressi promettenti nella modellazione e le terapie a base di cellule.
tessuti umani primaria e tipi di cellule derivati sono regolarmente utilizzati, sia per lo screening cell-based e nella clinica. Tuttavia, l'accesso a queste cellule è fortemente limitato a causa della donazione di organi insufficienti e la perdita di fenotipi cellulari post-isolamento 1. hPSCs rappresentano una promettente alternativa al tessuto primario e facilitano la generazione di cellule somatiche umane geneticamente definiti e rinnovabili. cellule epatociti-like (hlcs) derivati da hPSCs hanno già mostrato risultati promettenti in questo campo. HLCs assomigliano epatociti umani primari in vari aspetti, tra cui la morfologia cellulare, l'espressione genica degli epatociti, la funzione metabolica, e la sensibilità ai farmaci e virus 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Inoltre, la proliferazione illimitato ecapacità di auto-rinnovamento sia hPSCs ricercatori e GMP-grade facilita la loro applicazione 9, 10.
Oltre un decennio di ricerche ha prodotto una serie di procedure di differenziazione efficiente epatociti 2, 3, 5, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20. Tuttavia, la maggior parte di questi sistemi utilizzano componenti non definiti e / o trasduzione virale per guidare specifica epatocellulare. Per migliorare l'affidabilità della tecnologia a scala, è importante sviluppare un robusto differenziazione degli epatocitisistema che è veramente definito, senza xeno, e GMP-compatibili.
Laminine (LNS) sono importanti proteine della matrice extracellulare che possono influenzare l'adesione cellulare, la proliferazione, la migrazione e la differenziazione. Laminine sono glicoproteine eterotrimeriche composto da un α, β uno, e uno a catena γ. Recentemente, ricombinanti laminine umani sono stati prodotti e utilizzati in biologia cellulare. LN-511 è stato dimostrato per sostenere il mantenimento di hPSCs 21, mentre una miscela di LN-521 ed E-caderina permette derivazione clonale e l'espansione di cellule staminali embrionali umane 22. LN-111, d'altra parte, supporta il mantenimento delle cellule hepatoblast come derivati da hPSCs 23. Tuttavia, prima che il nostro rapporto, laminine 521 e 111 non era stato utilizzato per generare HLCs con caratteristiche maturi da hPSCs 10.
Qui, le procedure di dettaglio per la coltura hPSCs sul LN-521e differenziandole su entrambi LN-521 o una miscela di LN-521 e LN-111 (LN-521 / LN-111). Abbiamo ottimizzato il protocollo di differenziazione mediante semina cella singola per generare un monostrato altamente riproducibile e omogenea delle HLCs in molti formati 14. Noi crediamo che il nostro sistema di differenziazione definito rappresenta un metodo semplice ed economico per la produzione HLCs attivi per l'applicazione, che rappresenta un significativo passo in avanti nel campo.
NOTA: le informazioni del fornitore per tutti i reagenti utilizzati in questo protocollo è stata inserita nella tabella 1. Tutti i media / piastre devono essere sterili e almeno a temperatura ambiente quando le cellule sono di avere un contatto diretto con loro.
1. Passaging cellule staminali umane pluripotenti (hPSCs) sui laminina 521
NOTA: La procedura descritta di seguito passaging cellulare si basa su singole cellule ed è ideale per la derivazione di una popolazione omogenea di cellule epatociti-come da hPSCs. Colony placcatura è anche applicabile ed è stato descritto in precedenza 24.
2. Differenziare hPSCs alle celle epatociti-come su ricombinanti Laminine
Differenziazione epatocellulare da hPSCs
Una linea umana di cellule staminali embrionali, H9, ed una linea di cellule staminali pluripotenti indotte umane, 33D6, sono stati utilizzati per la differenziazione degli epatociti. I risultati in figure 1-3 sono da cellule H9, mentre quelli in Figura 4 sono da cellule 33D6. Singole cellule seminate su laminine stabilito il contatto cellula-cellula dopo 24 ore. Dopo che le cellule hanno raggiunto circa il 40% di confluenza, il processo di differenziamento è stato avviato (Figura 1A e la figura 4A). Su laminine (sia LN-521 e LN-521 / LN-111), queste cellule ha attraversato cambiamenti morfologici sequenziali, dando luogo alla HLCs polarizzati (Figura 1 e Figura 4A).
Epatociti-come cellulare Caratterizzazione
day 18 HLCs sono stati raccolti e valutati per l'espressione di marcatori epatociti rappresentante, HNF4A e ALB (Figura 2A). Immunostaining del giorno 18 HLCs mostrato che quasi il 90% delle cellule espresso HNF4α (Figura 2B). Queste cellule polarizzate laminine ed esposte un aspetto poligonale, come indicato da E-caderina e F-actina espressione (Figura 2B).
Citocromo P450 (CYP) attività è stata anche valutata. I CYP450 conducono una importante funzione metabolica degli epatociti. Giorno 18 HLCs derivati su una miscela proteica gelatinosa, come Matrigel, LN-521 o LN-521 / LN-111, sono stati testati per l'attività CYP3A. HLCs dimostrato attività CYP3A significativamente maggiore su substrati laminina che su matrigel (Figura 3). È importante sottolineare che, rispetto al epatociti primari umani commerciali (HU1339) Re-plated su questi substrati, HLCs hanno quasi 10 volte più alti livellidi attività CYP3A 10.
La differenziazione delle hiPSCs era simile a quello di hESC. Le cellule esposte cambiamenti sequenziali di aspetto (Figura 4A). HLCs derivati hanno espresso un fattore di trascrizione epatociti chiave, HNF4α (figura 4B), e possedevano attività CYP3A e l'albumina secreto (Figura 4C e D). In particolare, HLCs derivati da 33D6 visualizzata ridotti CYP3A in confronto alle cellule H9 derivate HLCs (Figura 3), ma era ancora paragonabile epatociti primari umani 10. Tuttavia, la secrezione di albumina di questi HLCs era molto inferiore in epatociti primari 10.
Figura 1: I sequenziali morfologici Le variazioni intervenute epatica differenziazione. </ strong> (A) hESC indifferenziate seminati come singole cellule hanno raggiunto circa il 40% di confluenza 24 ore dopo la semina. (B) dopo aver riempito, le cellule hanno mostrato la tipica morfologia endodermico il giorno 4. (C) Una volta raggiunta la fase hepatoblast-like, hanno mostrato una chiara forma poligonale il giorno 9. (D) Dopo la fase di maturazione, HLCs polarizzati erano pronti per ulteriore caratterizzazione mostrato qui a giorno 18. Scala bar = 200 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 2: Caratterizzazione dei HLCs. (A) L'espressione genica di marcatori specifici epatociti, HNF4A (a sinistra) e ALB (a destra). Il livello di espressione è stato analizzato utilizzando giorno 18 HLCs derivatida hESC su entrambi LN-521 e LN-521 / LN-111, ed è stato normalizzato per la GAPDH gene housekeeping e ha espresso rispetto al hESC. I risultati rappresentano tre repliche biologiche, e le barre di errore rappresentano la deviazione standard (SD). * P <0.05, ** p <0.01; spaiato t-test. Espressione (B) Le proteine di un indicatore chiave epatica, HNF4α, e gli indicatori di polarizzazione, E-caderina e F-actina. Giorno 18 HLCs su LN-521 e LN-521 / LN-111 sono stati colorati per i marcatori di cui sopra e di contrasto con Hoechst 33342. Un controllo negativo è stata eseguita con il corrispondente immunoglobuline G (IgG). è mostrata la percentuale di cellule HNF4α-positivi e SD. Questo è stato calcolato da quattro campi casuali di vista. Le immagini sono state prese a 20X di ingrandimento. Barra di scala = 100 micron. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Metabolic Funzione Caratterizzazione di HLCs. Citocromo P450 l'attività del CYP3A di cellule in coltura su Matrigel (MG), LN-521, o LN-521 / LN-111 è stato testato. I dati rappresentano tre repliche biologiche, e le barre di errore rappresentano SD. ** P <0.01; ANOVA con test post-hoc di Tukey. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 4: Caratterizzazione standard di HLCs. hiPSCs coltivati su LN-521 sono stati differenziati in HLCs. analisi di caratterizzazione sono stati eseguiti il giorno 17 HLCs. (A) La morfologia sequenziale delle cellule durante la differenziazione epatica; r punti di tempo indicato cellule epresent nei giorni 1, 4, 9 e 17. (B) immunocolorazione di espressione HNF4α. La percentuale di cellule positive e SD è indicata basato su quattro campi casuali di vista. Le immagini sono state prese a 20X di ingrandimento. Barra di scala = 100 micron. (C) l'attività del CYP3A il giorno 17 HLCs. I dati rappresentano sei repliche biologiche, e la barra di errore rappresenta la SD. (D) Albumina secrezione di HLCs derivati oltre 24 ore in coltura. I dati rappresentano quattro repliche biologiche, e la barra di errore rappresenta SD. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 5: Timeline schematica del protocollo di differenziazione.t = "_ blank"> Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Per progredire la ricerca umana pluripotenti cellule staminali e la medicina traslazionale, i sistemi privi di xeno che rispettano sono richieste attuali linee guida di buone prassi di fabbricazione. Legenda qualsiasi processo di differenziazione è la matrice extracellulare (ECM). L'ECM non solo supporta l'adesione cellulare, ma fornisce anche l'accesso ai fattori di segnalazione chiave, che influenzano la determinazione delle cellule e fenotipo 25, 26.
Laminine sono multifunzionali proteine della matrice extracellulare in vivo. Nel fegato, la secrezione di laminina è fondamentale per la rigenerazione epatica dopo epatectomia parziale un 27 ed è necessario per progenitrici epatiche manutenzione cella 28. L'importanza di laminine nella manutenzione del fegato e la rigenerazione è stata la base per testare disponibili in commercio laminine umane ricombinanti nel nostro sistema di differenziazione degli epatociti.
Superior luidifferenziazione patocyte è stato raggiunto sul LN-521 e LN-521 / LN-111 substrati rispetto al Matrigel. HLCs derivati erano chiaramente polarizzati e organizzati nel piatto, e la loro funzione cellulare è stata significativamente migliorata rispetto alle loro controparti miscela proteica gelatinosi. Alla base di questi miglioramenti è stato il down-regulation di contaminare Colon-, fibroblast- e stelo geni delle cellule associate sui laminine, così come una diminuzione della proliferazione cellulare e l'espressione genica di migrazione associate 10.
In conclusione, il protocollo descritto qui genera cellule epatociti-like che sono più vicini in natura per epatociti umani adulti. Il processo è riproducibile, suscettibile di automazione, e può essere conveniente in scala per l'applicazione. Importante, lotto a lotto variazione è stata significativamente ridotta rispetto alle tecniche che utilizzano Matrigel, risultante in un sistema perfezionato per la differenziazione ricercatori in questo campo.
Dr. David C. Hay è una co-fondatore e direttore di Stemnovate Limited.
Questo lavoro è stato sostenuto con premi dal medicina rigenerativa piattaforma Regno Unito (MRC MR / L022974 / 1 e MR / K026666 / 1) e una borsa di studio in Cina.
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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