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Method Article
Qui viene presentato un protocollo chimicamente definito per la derivazione di podociti renali umani da cellule staminali pluripotenti indotte ad alta efficienza (>90%) e indipendenti da manipolazioni genetiche o selezione di sottopopolazioni. Questo protocollo produce il tipo di cellula desiderato entro 26 giorni e potrebbe essere utile per i test di nefrotossicità e la modellazione della malattia.
La malattia renale colpisce più del 10% della popolazione mondiale e costa miliardi di dollari in spese federali. Le forme più gravi di malattia renale e l'eventuale insufficienza renale allo stadio terminale sono spesso causate dal danno ai podociti glomerulari, che sono le cellule epiteliali altamente specializzate che funzionano insieme alle cellule endoteliali e alla membrana basale glomerulare per formare la barriera di filtrazione del rene. I progressi nella medicina renale sono stati ostacolati dalla limitata disponibilità di tessuti primari e dalla mancanza di metodi robusti per la derivazione di cellule renali umane funzionali, come i podociti. La capacità di derivare podociti da fonti rinnovabili, come le cellule staminali, potrebbe aiutare a far progredire l'attuale comprensione dei meccanismi dello sviluppo e della malattia del rene umano, oltre a fornire nuovi strumenti per la scoperta terapeutica. L'obiettivo di questo protocollo era quello di sviluppare un metodo per derivare podociti maturi e post-mitotici da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPS) con alta efficienza e specificità e in condizioni chimicamente definite. I podociti derivati da cellule hiPS prodotti con questo metodo esprimono marcatori specifici del lignaggio (tra cui nefrina, podocin e tumore di Wilm 1) e mostrano le caratteristiche morfologiche specializzate (compresi i processi primari e secondari del piede) associate ai podociti maturi e funzionali. Curiosamente, queste caratteristiche specializzate sono notevolmente assenti nella linea cellulare di podociti immortalizzati ampiamente utilizzata nel campo, il che suggerisce che il protocollo qui descritto produce podociti renali umani che hanno un fenotipo evolutivamente più maturo rispetto alle linee cellulari podocitarie esistenti tipicamente utilizzate per studiare la biologia renale umana.
I progressi nella coltura di cellule staminali pluripotenti umane sono pronti a rivoluzionare la medicina rigenerativa, la modellazione delle malattie e lo screening dei farmaci fornendo ai ricercatori una fonte rinnovabile e scalabile di materiale biologico che può essere progettato per ottenere quasi tutti i tipi di cellule all'interno del corpo umano1. Questa strategia è particolarmente utile per ricavare tipi di cellule specializzate e funzionali che altrimenti sarebbero difficili da ottenere. Le cellule staminali pluripotenti indotte dall'uomo (hiPS)2,3,4,5 sono particolarmente attraenti per la loro origine cellulare somatica e il potenziale che rappresentano per la medicina personalizzata. Tuttavia, lo sviluppo di metodi per derivare altre linee cellulari da cellule hiPS rimane difficile a causa dell'uso frequente di condizioni di coltura scarsamente definite che portano a una bassa efficienza e alla generazione non specifica di popolazioni cellulari eterogenee6,7.
Qui viene presentato un metodo per la derivazione di podociti renali maturi da cellule hiPS con specificità e alta efficienza in condizioni chimicamente definite. Considerando i ruoli di molteplici fattori all'interno del microambiente cellulare, è stata sviluppata una strategia di differenziazione delle cellule staminali che ha comportato l'ottimizzazione dei fattori solubili presentati nel terreno di coltura cellulare e dei fattori insolubili, come componenti della matrice extracellulare o substrati adesivi. Data l'importanza della segnalazione dell'integrina nello sviluppo e nella funzione dei podociti, è stata inizialmente esaminata l'espressione dei recettori dell'integrina sulla superficie cellulare. Le integrine β1 erano altamente espresse non solo nelle cellule hiPS, ma anche nei loro derivati tra cui le cellule mesodermiche e mesodermicheintermedie8,9,10. Esperimenti successivi hanno confermato che i ligandi che si legano alle integrine β1 (incluso il frammento di laminina 511 o la laminina 511-E8) supportano l'adesione e la differenziazione delle cellule hiPS in podociti quando usati in combinazione con il mezzo induttivo solubile descritto di seguito.
L'induzione dell'impegno di lignaggio cellulare è stata avviata confermando innanzitutto che le cellule hiPS coltivate sulle superfici rivestite di laminina per due giorni in presenza di un mezzo contenente Activin A, CHIR99021 e Y27632 Rock inibitore possono differenziarsi in cellule che esprimono i primi marcatori del mesoderma HAND1, goosecoid e brachyury8,11. Il trattamento delle cellule del mesoderma per 14 giorni con un mezzo integrato con proteina morfogenetica ossea 7 (BMP-7) e CHIR99021 ha permesso la derivazione di cellule mesodermiche intermedie che esprimevano i marcatori delle cellule nefrone-progenitrici del tumore di Wilm 1 (WT1), della proteina correlata saltata dispari 1 (OSR1)8,11e della proteina 2 del gene 2 accoppiato (PAX2)12. Per ricavare i podociti glomerulari renali maturi, le cellule mesodermiche intermedie sono state trattate per 4-5 giorni con un nuovo mezzo costituito da BMP-7, Activin A, fattore di crescita endoteliale vascolare (VEGF), acidoall-trans retinoico e CHIR99021. La citometria a flusso e l'immunostaining sono state utilizzate per confermare che >90% delle cellule risultanti presentava le caratteristiche molecolari, morfologiche e funzionali del podocita renale maturo8,11,13. Queste caratteristiche includono lo sviluppo di processi del piede primario e secondario; l'espressione di geni specifici del lignaggio podocitario tra cui SYNPO, PODXL, MAF, EFNB28 e l'espressione di proteine tra cui podocin, nefrina e WT114,15,16. Inoltre, è stato scoperto che i podociti derivati dalle cellule hiPS possono essere mantenuti in coltura fino a quattro settimane in vitro utilizzando un mezzodisponibilein commercio 8,11 che fornisce un'ulteriore flessibilità nei tempi degli esperimenti a valle. Per ulteriori informazioni sui pannelli di citometria a flusso utilizzati per determinare la purezza degli hiPS-podociti, fare riferimento alla nostra precedente pubblicazione11.
1. Preparazione dei reagenti
2. Preparazione dei mezzi di coltura
3. Coltura cellulare hiPS senza alimentatore utilizzando il terreno di coltura cellulare hiPS
4. Differenziazione delle cellule hiPS in cellule mesodermiche (giorni 0-2)
5. Differenziazione delle cellule mesodermiche derivate dalle cellule hiPS in mesoderma intermedio (giorni 2-16)
6. Differenziazione delle cellule intermedie del mesoderma derivate dalle cellule hiPS in podociti (giorni da 16 a 21)
L'obiettivo di questo protocollo era dimostrare che i podociti umani maturi possono essere derivati da cellule hiPS in condizioni chimicamente definite. I dati presentati in questo manoscritto sono stati generati utilizzando la linea cellulare DU11 hiPS17, che è stata testata per la prima volta e si è scoperta priva di micoplasma. È stata eseguita anche l'analisi cromosomica e le cellule sono risultate essere cariotipicamente normali. Partendo dalle cellule hiPS DU11 indifferenziate, la strateg...
In questo rapporto, descriviamo un protocollo per la generazione di podociti glomerulari renali da cellule hiPS. I podociti derivati da cellule hiPS presentano caratteristiche morfologiche e molecolari associate al fenotipo13del podocita renale maturo. In precedenti pubblicazioni, abbiamo dimostrato che i podociti derivati dalle cellule hiPS possono imitare la struttura e la funzione di filtrazione selettiva del glomerulo renale quando co-coltivati con cellule endoteliali microvascolari glomerular...
S.M. è autore di un brevetto in attesa di brevetto per metodi per la generazione di podociti renali da cellule staminali pluripotenti (domanda di brevetto USA 14/950859). Gli altri autori dichiarano di non avere interessi concorrenti.
Questo lavoro è stato supportato dalla Pratt School of Engineering della Duke University, dalla Division of Nephrology della Duke Medical School, da A Chair's Research Award dal Dipartimento di Medicina della Duke University e da un Burroughs Wellcome Fund PDEP Career Transition Ad Hoc Award a S.M.. M.B è stato supportato dal Graduate Research Fellowship Program della National Science Foundation. Ringraziamo il Bursac Lab per averci generosamente fornito la linea di cellule staminali DU11 e il Varghese Lab della Duke University per aver temporaneamente condiviso la loro struttura di coltura tissutale con il nostro gruppo. Questa pubblicazione è dedicata alla Prof.ssa Laura L. Kiessling, Novartis Professor of Chemistry presso il Massachusetts Institute of Technology, per celebrare il suo 60° compleanno.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Cells | |||
DU11 human iPS cells | The DU11(Duke University clone #11) iPS cell line was generated at the Duke University iPSC Core Facility and provided to us by the Bursac Lab at Duke University. This line has been tested for mycoplasma and was last karyotyped in July 2019 by our lab, and found to be karyotypically normal. | ||
Growth Factors and Media Supplements | |||
All-trans retinoic acid (500 mg) | 72262 | Stem Cell Technologies | |
B27 serum-free supplement | 17504044 | Thermo/Life Technologies | |
CHIR99021 | 04-0004 | Stemgent | May show lot-to-lot variation |
Complete Medium Kit with CultureBoost-R | 4Z0-500-R | Cell Systems | Podocyte maintenance media |
DMEM/F12 | 12634028 | Thermo/Life Technologies | |
DMEM/F12 with GlutaMAX supplement | 10565042 | Thermo/Life Technologies | DMEM/F12 with glutamine supplement |
Heat-inactivated FBS | 10082147 | Thermo/Life Technologies | |
Human activin A | PHC9564 | Thermo/Life Technologies | |
Human BMP7 | PHC9544 | Thermo/Life Technologies | |
Human VEGF | PHC9394 | Thermo/Life Technologies | |
mTeSR1 medium | 05850 | Stem Cell Technologies | hiPS cell culture media (CCM) |
Penicillin–streptomycin, liquid (100×) | 15140-163 | Thermo/Life Technologies | |
Y27632 ROCK inhibitor | 1254 | Tocris | |
Antibodies | |||
Alexa Fluor 488– and Alexa Fluor 594–conjugated secondary antibodies | A32744; A32754; A-11076; A32790 | Thermo/Life Technologies | |
Brachyury(T) | ab20680 | Abcam | |
Nephrin | GP-N2 | Progen | |
OCT4 | AF1759 | R&D Systems | |
PAX2 | 71-6000 | Invitrogen | |
WT1 | MAB4234 | Millipore | |
ECM Molecules | |||
iMatrix-511 Laminin-E8 (LM-E8) fragment | N-892012 | Iwai North America | Basement membrane (BM) matrix 2 |
Matrigel hESC-qualified matrix, 5-mL vial | 354277 | BD Biosciences | Basement membrane (BM) matrix 1. May show lot-to-lot variation |
Enzymes and Other Reagents | |||
Accutase | A1110501 | Thermo/Life Technologies | Cell detachment solution |
BSA | A9418 | Sigma-Aldrich | |
Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | D2438 | Sigma-Aldrich | DMSO is toxic. Should be handled in chemical safety hood |
Enzyme-free cell dissociation buffer, Hank’s balanced salt | 13150016 | Thermo/Life Technologies | |
Ethanol solution, 70% (vol/vol), biotechnology grade | 97065-058 | VWR | Ethanol is flammable and toxic |
FBS | 431097 | Corning | |
Paraformaldehyde (PFA) | 28906 | Thermo/Life Technologies | PFA should be handled in a chemical fume hood with proper personal protection equipment, including gloves, lab coat, and safety eye glasses. Avoid inhalation and contact with skin. |
Phosphate-buffered saline (PBS) | 14190-250 | Thermo/Life Technologies | |
Sterile Distilled Water | 15230162 | Thermo/Life Technologies | |
Triton X-100 | 97062-208 | VWR | |
Trypsin-EDTA, 0.05% | 25300-120 | Thermo/Life Technologies | |
Equipment | |||
Aspirating pipettes, individually wrapped | 29442-462 | Corning | |
Avanti J-15R Centrifuge | B99516 | Beckman Coulter | |
Conical centrifuge tube, 15 mL | 352097 | Corning | |
Conical centrifuge tube, 50 mL | 352098 | Corning | |
Cryoboxes | 3395465 | Thermo/Life Technologies | For storing frozen aliquots |
EVOS M7000 | AMF7000 | Thermo/Life Technologies | Flourescent microscope used to acquire images of fixed and stained iPS cells and their derivatives |
Hemocytometer | 100503-092 | VWR | |
Heracell VIOS 160i CO2 incubator | 51030403 | Thermo/Life Technologies | For the routine culture and maintenace of iPS cells and their derivatives |
Inverted Zeiss Axio Observer equipped with AxioCam 503 camera | 491916-0001-000(microscope) ; 426558-0000-000(camera) | Carl Zeiss Microscopy | Used to acquire phase contrast images of live iPS cells and their derivatives at each stage of podocyte differentiation |
Kimberly-Clark nitrile gloves | 40101-346 | VWR | |
Kimwipes, large | 21905-049 | VWR | |
Kimwipes, small | 21905-026 | VWR | |
P10 precision barrier pipette tips | P1096-FR | Denville Scientific | |
P100 barrier pipette tips | P1125 | Denville Scientific | |
P1000 barrier pipette tips | P1126 | Denville Scientific | |
P20 barrier pipette tips | P1121 | Denville Scientific | |
P200 barrier pipette tips | P1122 | Denville Scientific | |
Serological pipette, 10 mL, individually wrapped | 356551 | Corning | |
Serological pipette, 25 mL, individually wrapped | 356525 | Corning | |
Serological pipette, 5 mL, individually wrapped | 356543 | Corning | |
Steriflip, 0.22 μm, PES | SCGP00525 | EMD Millipore | |
Sterile Microcentrifuge Tubes | 1138W14 | Thomas Scientific | For aliquoting growth factors |
Tissue culture–treated 12-well plates | 353043 | Corning | |
Tissue culture–treated six-well plates | 353046 | Corning | |
VWR white techuni lab coat | 10141-342 | VWR | |
Wide-beveled cell lifter | 3008 | Corning |
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