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* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Questo protocollo presenta un metodo per generare organoidi vascolari utilizzando cellule staminali pluripotenti umane.
Gli organoidi vascolari derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) ricapitolano la diversità dei tipi cellulari e la complessa architettura delle reti vascolari umane. Questo modello tridimensionale (3D) ha un notevole potenziale per la modellazione della patologia vascolare e lo screening dei farmaci in vitro . Nonostante i recenti progressi, rimane una sfida tecnica fondamentale per la generazione riproducibile di organoidi con una qualità costante, che è fondamentale per i saggi e le applicazioni a valle. Qui viene presentato un protocollo modificato che migliora sia l'omogeneità che la riproducibilità della generazione di organoidi vascolari. Il protocollo modificato incorpora l'uso di micropozzetti e del cocktail CEPT (chroman 1, emricasan, poliammine e l'inibitore integrato della risposta allo stress, trans-ISRIB) per migliorare la formazione del corpo embrioide e la sopravvivenza cellulare. Gli organoidi vascolari maturi e differenziati generati utilizzando questo protocollo sono caratterizzati dalla microscopia a immunofluorescenza 3D a montaggio intero per analizzarne la morfologia e la vascolarizzazione complessa. Questo protocollo consente la produzione di organoidi vascolari di alta qualità in modo scalabile, facilitando potenzialmente il loro utilizzo nella modellazione delle malattie e nelle applicazioni di screening dei farmaci.
Nell'ultimo decennio sono emersi modelli microfisiologici in vitro, inclusi organoidi e sistemi tissue-on-a-chip 1,2,3. Questi sistemi tridimensionali (3D) derivati da cellule umane affrontano i limiti delle colture cellulari bidimensionali convenzionali (2D) e dei modelli animali, come la mancanza di molti componenti nel microambiente fisiologico e le differenze genetiche tra le specie, rispettivamente. Forniscono più informazioni fisiologiche e sono più adatti per la modellazione delle malattie e lo screening dei farmaci rispetto ai modelli convenzionali. Tra i modelli microfisiologici, è stato dimostrato che gli organoidi derivati da cellule staminali pluripotenti indotte umane (hiPSC) ricapitolano efficacemente le caratteristiche architettoniche dei tessuti umani nativi e sono stati sviluppati per imitare diversi organi umani, tra cui il cervello 4,5, il rene6, il fegato 7,8 e la retina9. Qui, ci concentriamo in particolare sulla generazione di organoidi vascolari da hiPSC e delineiamo un protocollo semplificato che mira a ridurre al minimo le variazioni tra diversi campioni e lotti di organoidi, migliorando così la riproducibilità complessiva.
La vascolarizzazione svolge un ruolo cruciale nel mantenimento dell'omeostasi fisiologica in tutti gli organi umani. La formazione del sistema vascolare coinvolge i processi di vasculogenesi e angiogenesi, orchestrati attraverso le interazioni tra cellule endoteliali e murali (ad esempio, periciti e cellule muscolari lisce vascolari) e influenzati da vari stimoli10. Penninger, Wimmer e colleghi hanno sviluppato il primo metodo di generazione di organoidi vascolari11,12 che imita questi due processi. Con gli organoidi generati da questo metodo, il loro gruppo12 e noi13,14 hanno dimostrato il potenziale degli organoidi vascolari per la modellazione di disfunzioni vascolari nelle malattie. Ad esempio, nei nostri recenti lavori 13,14, sono stati osservati fenotipi distinti, come la germinazione dei vasi e le variazioni della composizione cellulare murale, tra gli organoidi vascolari che imitano la malattia e le loro controparti wild-type. Questi esempi evidenziano che il modello di organoide vascolare potrebbe fungere da piattaforma per lo screening dei farmaci imitando i malfunzionamenti vascolari correlati alla malattia.
Costruito sui lavori iniziali di generazione di organoidi vascolari11,12, viene presentato un protocollo rivisto che include l'uso di micropozzetti per facilitare la formazione di corpi embrioidi omogenei (EB), un fattore critico per ridurre al minimo le variazioni spesso osservate all'interno dello stesso lotto di generazione di organoidi. Inoltre, il cocktail CEPT, una combinazione di cromo 1, emricasan, poliammine e l'inibitore integrato della risposta allo stress (trans-ISRIB)15, viene impiegato per migliorare la vitalità delle hiPSC e delle cellule differenziate durante il processo di formazione dell'EB. Questa modifica serve principalmente a ridurre le variazioni tra i diversi campioni e lotti di organoidi. Con questo protocollo della durata di circa due settimane, è possibile produrre organoidi vascolari uniformi, in cui la vasculogenesi viene indotta per aiutare l'endotelio a organizzarsi in reti tubulari primitive il giorno 1, seguita dall'induzione dell'angiogenesi il giorno 5 per sviluppare reti vascolari complesse negli organoidi. Nei giorni 12-15, gli organoidi generati dovrebbero mostrare reti vascolari mature composte sia da endotelio che da cellule murali.
La Figura 1 presenta una panoramica dei passaggi coinvolti in questo protocollo. Informazioni dettagliate sui reagenti e sui materiali utilizzati in questo protocollo sono riportate nella Tabella dei materiali. Si consiglia di preriscaldare tutti i fluidi a 37 °C prima dell'uso, se non diversamente specificato. Tutti i materiali e le forniture per la coltura cellulare devono essere sterilizzati in autoclave o sterili e la manipolazione delle cellule deve essere effettuata in una cabina di biosicurezza. Inoltre, il valore del pH della miscela di collagene I deve essere attentamente regolato a pH 7,3 per evitare possibili problemi di solidificazione.
1. Mantenimento dell'iPSC umana
2. Formazione EB (Giorno 0)
3. Differenziazione vascolare (Giorno 1 - 5)
4. Inclusione di idrogel (giorno 5)
5. 3D Saggio di immunofluorescenza
La Figura 1A presenta lo schema di questo protocollo, compresi i componenti chiave utilizzati in ogni fase. La differenziazione è iniziata con la formazione di EB, seguita dall'induzione del mesoderma e dalla specificazione del lignaggio vascolare (Figura 1B-D). Gli aggregati sono diventati più grandi e meno sferici nel tempo. Gli organoidi hanno iniziato a mostrare spigoli vivi il giorno 5. D...
Il protocollo descritto include due modifiche chiave per la generazione omogenea e riproducibile di organoidi vascolari di alta qualità. La prima modifica è l'uso di una piastra a micropozzetti per consentire un migliore controllo dell'uniformità EB. Come punto di partenza della differenziazione vascolare, la dimensione degli EB è fondamentale in quanto regola il destino delle cellule staminali e l'efficacia della differenziazione verso diversi lignaggi. Le variazioni nelle dimension...
Gli autori dichiarano di non avere alcun interesse finanziario concorrente.
Ringraziamo il supporto tecnico della Confocal and Specialized Microscopy Shared Resource dell'Herbert Irving Comprehensive Cancer Center della Columbia University, finanziato in parte attraverso il NIH Center Grant (P30CA013696). Questo lavoro è sostenuto da NIH (R21NS133635, Y.-H.L.; UH3TR002151, K. W. L.). La Figura 1A è stata creata utilizzando BioRender.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-Mercaptoethanol (1000x) | Gibco | 21985023 | |
Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 711-546-152 | reconstitute with 0.25 mL 50% glycerol, store at -20 °C for up to 1 year, dilution ratio for use: 1:1000 |
Alexa Fluor 647 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Goat IgG (H+L) | Jackson Immuno Research Labs | 705-606-147 | reconstitute with 0.25 mL 50% glycerol, store at -20°C for up to 1 year, dilution ratio for use: 1:1000 |
B27 supplement minus vitamin A (50x) | Gibco | 12587010 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20 °C, avoid freeze-thaw cycle |
BMP4 | ProSpec | CYT-081 | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 100 ng/µL, aliquot and store at -20 °C |
CD31 antibody | abcam | ab28364 | dilution ratio: 1:400 |
Centrifuge | Eppendorf | 022626001 | |
CHIR99021 | Tocris Bioscience | 4423/10 | make the stock solution at 12 mM with DMSO, and store at -20 °C for up to 1 year. |
Chroman 1 | Tocris | 7163/10 | make the stock solution at 100 µM with DMSO, and store at -20 °C for up to 1 year. |
Collagen I | Corning | 40236 | |
Confocal Microscope | Nikon | AXRMP/Ti2 | |
Corning Elplasia Plates | Corning | 4441 | |
Countess II FL automated cell counter | Thermo Fisher | AMQAF1000 | |
DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Gibco | 10565018 | |
DMEM/F-12, powder | Gibco | 12500062 | make 10x stock solution with biograde ddH2O and sterilize it with a 0.2 µm filter. Store at 4 °C. |
Edi042A | Cedars Sinai | ||
Emricasan | Medchemexpress LLC | HY1039610MG | make the stock solution at 1 mM with DMSO, and store at -20 °C for up to 1 year. |
ERG antibody | Cell Singali Technology | 97249 | dilution ratio: 1:400 |
Fetal Bovine Serum - Premium | Atlanta Biologicals | S11150 | thaw at 4 °C and aliquot, store at -20 °C for up to five years, or store at 4 °C for up to a month |
FGF2 | ProSpec | CYT557 | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 100 ng/µL, aliquot and store at -20 °C |
Fluorodish Cell Culture Dish | World Precision Instruments | FD35-100 | |
Forskolin | Tocris Bioscience | 1099 | reconstitute with DMSO at a concentration of 12 mM, aliquot and store at -20 °C |
Gentamicin (50 mg/mL) | Gibco | 15710064 | |
GlutaMAX supplement (100x) | Gibco | 35050061 | |
Heparin, 100 kU | MilliporeSigma | 375095100KU | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 4 kU/mL |
HEPES (1 M) | Gibco | 15630080 | |
Incubator | Thermo Scientific | 13998123 | |
Knockout Serum Replacement | Gibco | 10828028 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20°C, avoid freeze-thaw cycle |
Matrigel, GFR Basement Membrane Matrix | Corning | 356230 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -80°C, avoid freeze-thaw cycle |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (NEAA, 100x) | Gibco | 11140050 | |
Molecular Biology Grade Water | Corning | 46000CV | |
mTeSR plus kit | STEMCELL Technologies | 1001130 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20°C, avoid freeze-thaw cycle |
N2 supplement (100x) | Gibco | 17502048 | thaw at 4 °C, aliquot and store at -20°C, avoid freeze-thaw cycle |
NaOH solution (1 M) | Cytiva HyClone | SH31088.01 | |
NeuroBasal medium | Gibco | 21103049 | |
NIS-Elements, ver 5.42 | Nikon | ||
Normal Donkey Serum | Jackson Immuno Research Labs | 17000121 | reconstitute with 10 mL sterile ddH2O, store at 4 °C for up to two weeks |
paraformaldehyde, 20% | Electron Microscopy Sciences | 15713S | dilute with PBS |
PBST, 20x | Thermofisher | 28352 | |
PDGFRβ antibody | R&D | AF385 | dilution ratio: 1:400 |
polyamine supplement (1000x) | Sigma-Aldrich | P8483 | |
Rapiclear clearing reagent, 1.49 | SUNJIN LAB | RC149001 | |
Sodium Bicarbonate (7.5%) | Gibco | 25080094 | |
Sodium deoxycholate monohydrate | Thermofisher | J6228822 | dissolve with ddH2O for 1% (wt/v) stock solution |
TBST, 20x | Thermofisher | 28360 | |
trans-ISRIB | Tocris Bioscience | 5284/10 | make the stock solution at 1 mM with DMSO, and store at -20°C for up to 1 year. |
Tritin X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
Trypan Blue Stain (0.4%) | Thermo Fisher | 15250061 | |
Tween 20 | Sigma-Aldrich | P7949-100ML | |
VEGF-A | ProSpec | CYT-116 | reconstitute with sterile ddH2O at a concentration of 100 ng/µL, aliquot and store at -20°C |
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