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このプロトコルは、豊富な脂肪酸、コレステロール、サイトカインの低濃度、および低酸素症を使用して骨髄微小環境を模倣することによって、体外の静止したヒト造血幹細胞の維持を可能にする。
ヒト造血幹細胞(HSC)は、他の哺乳類HSCと同様に、骨髄における生涯造血を維持する。HSCは、より分化された前駆物質とは異なり、生体内で静止したままであり、骨髄損傷またはインビトロ培養を治療するために化学療法または照射後に細胞周期に急速に入る。豊富な脂肪酸、コレステロール、低濃度のサイトカイン、および低酸素の存在下で骨髄微小環境を模倣することによって、ヒトHSCは、インビトロで静止を維持する。ここでは、インビトロで静止状態で機能HSCを維持するための詳細なプロトコルについて説明する。この方法は、生理学的条件下でのヒトHSCの挙動の研究を可能にする。
造血幹細胞(HSC)および多能性前駆細胞(MpP)は、ヒトの生涯にわたって造血を維持するために分化細胞の連続補充のための貯留槽を協調的に形成する1。細胞周期静止は、HSCの顕著な特徴であり、それらをMpps2と区別する。従来、HSCは造血系の階層の頂点に存在すると考えられ、全ての分化した血液細胞を産生する。この階層モデルは、移植実験3から主に推定された。しかし、最近の研究では、HSCのダイナミクスは、移植実験4、5、6、7と比較して生体内で異なることを示した。いくつかのバーコードシステムを用いた系統トレース実験では、表現型マウスHSCは定常造血に寄与するユニークな細胞型ではないことを明らかにし、移植時に限られた自己再生活性を示すPPは、成熟した血液細胞4、5、8を連続的に供給する。対照的に、成熟細胞に対するHSCの寄与は、骨髄損傷4後に増強される。これは、骨髄移植を含む骨髄アブレーション後の微小環境の劇的な変化に起因する可能性がある。マウス細胞の系統トレースをヒト細胞に適用することは困難であるが、単細胞由来コロニー単離と全ゲノムシーケンシングを組み合わせた系統学的解析は、HSCとMMPの両方が成熟細胞の毎日の産生を担う造血系の同様の性質を明らかにした7。したがって、移植はマウスやヒトHSC活性を調べる上で不可欠であるが、生理学的条件下でのHSCの挙動を理解するためには他の実験モデルが必要である。
HSCの培養方法は、その臨床応用と特性を理解するために詳細に研究されてきた。ヒトHSCは、サイトカインの組み合わせ、細胞外マトリックスの再構成、自己再生アンタゴニストの除去、間葉細胞または内皮細胞との共培養、アルブミンまたはその置換、自己更新転写因子の導入、および小分子化合物の添加を用いてインビトロで拡大することができる。これらの方法のいくつかは、SR111およびUM17112の小さな化合物の添加を含め、有望な結果9を有する臨床試験で試験されている。生体内の HSC の静止性を考慮すると、最小限の細胞循環で HSC を維持することは、インビトロで HSC の動作を再現するために重要です。静止および増殖性HSCは、細胞周期の異なるエントリ13、代謝状態14、および複数のストレス15に対する耐性を示す。インビトロでヒトHSCの静止を維持するために使用される方法は限られている。
骨髄の微小環境(低酸素と脂質が豊富)を模倣し、サイトカインの濃度を最適化することにより、ヒトHSCは培養下で未分化および静止を維持することができる。インビトロでHSCの静止性を再現することで、HSCの定常状態特性の理解が向上し、HSCの実験的操作が可能になります。
このプロトコルは、国立国際保健医療センターのガイドラインに従っています。マウスに対して行われたすべての実験手順は、国立国際医療センター動物実験委員会によって承認されています。
注: プロトコルの概要を 図 1に示します。
1. 脂質製剤
2. 中程度の準備
3. ヒト骨髄CD34+細胞の調製
4. HSC のソート
5. 細胞培養
6. フローサイトメトリーを用いたマーカーのフェノタイプの解析
注: 7 日間培養した後にセルを分析する必要がありますが、培養期間は変更できます。
7. ヒトHSC移植
注:培養細胞の再集団活性は、免疫不全マウスへの移植によって検証される。すべての手順は、動物実験委員会またはその同等物によって承認されなければなりません。
末梢血におけるヒト由来細胞の頻度の解析
精製されたHSCを培養した7日後、細胞の最大80%がCD34+CD38-のマーカーのフェノタイプを表示した(図4A)。総細胞数はサイトカイン濃度に依存する(図4B)。より高濃度のSCFおよびTPOは、細胞周期への侵入、増殖、および分化を誘導した(図4B)。CD34+ CD38 - CD90+CD45RAのマーカーフェノタイプによって特徴づけられる表型HSCの数は、SCFまたはTPO濃度(図4B)に比例して増加したのに対し、全細胞間の頻度は減少した(図4C)。総細胞数は、1.5 ng/mL SCFおよび4 ng/mL TPOおよび3ng/mL SCF 3および2ng/mL TPOの組み合わせにおいて等しく、HsCが最小細胞周期活性化中に静止していることを示唆した。個々の違いを考えると、サイトカイン滴定は、各骨髄ドナーに推奨されます。
培養成体骨髄HSCの移植の3ヶ月後、再構成は、ヒトCD45+マウスCD45-Ter119-細胞の末梢血におけるそれらの頻度として評価することができる。CD19+B細胞、CD13/CD33+骨髄細胞、およびCD3+T細胞を含む3系統を、解凍したばかりのHSCまたは培養HSCのいずれかで移植したNOGマウスで再構成した(図5)。
図 1.手順の概要。 手順のグラフィカルな要約には、ヒト造血幹細胞(HSC)の選別、培養、分析が含まれる。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 2.脂質溶液からメタノールを蒸発する手順。 A)ガスレギュレータ付き窒素ガスボンベ。B)メタノールに溶解した脂質溶液を通して窒素ガスを通過させる手順。C)ガラス管の底部に付着した脂質。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 3. HSC のソートのためのギャッティング戦略プロットは、ゲート付きCD34+CD38-CD90+CD45RA- 細胞を示しています。CD34+ 細胞の約10%が表向きHSCでした 。
図 4.培養7日後の代表的な細胞数。A) SCF(3 ng/mL)およびTPO(2 ng/mL)でHSCを培養した後の代表的な蛍光活性化細胞選別プロット。分数1は生細胞に対して濃縮され、分数2は死細胞に対して濃縮され、分数3は破片に対して濃縮された。ピンク色の数字は周波数を示します(%)ゲート分数の。B)全HSCの数、CD34+CD38-細胞、およびCD34+CD38−CD90+CD45RA−細胞は、示されたサイトカイン条件下で600 HSCを培養した後である。 赤い破線は、入力セルの初期数を示します。S: SCF、 T: TPO.標準偏差±平均 n = 4。SとTに続く数字は、各サイトカインの濃度(ng/mL)を示す。C) CD34+CD38の周波数 - および CD34+CD38-CD90+CD45RA-示されたサイトカイン条件下の細胞。S: SCF、 T: TPO.標準偏差±平均 n = 4。SCF(1 ng/mL)およびTPO(0 ng/mL)で培養された細胞の誤差範囲は、それぞれ高い値(37.7および47.9)のため省略された。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
図 5.移植の3ヶ月後のドナーマウスの代表的なFACSプロット。 合計で5000個の解凍済み(上部パネル)と2週間培養されたHSC(3 ng/mL SCFおよび3 ng/mL TPO;下部パネル)をNOGマウスに移植した。hCD19はヒトB細胞をマークし、hCD13およびhCD33はヒト骨髄細胞をマークし、hCD3はヒトT細胞をマークする。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。
最近、少ない分化でHSCを拡張するためのいくつかの方法が報告されている18,19,20,21.これらの方法は優れていますが、HSCは、HSCが最小限のサイクリングを示すインビボの状況とは異なる高レベルのサイトカインの存在下で細胞サイクルを活性化することを余儀なくされています。このプロトコルは、骨髄微小環境を再現することによって、生体内で観察されるように、HSCを静止として維持するのに有用である。
低サイトカイン、脂質が豊富、低酸素状態でヒトHSCを培養することにより、HSCはマーカーの型を維持しながら最小限のサイクリングを示した。このプロトコルの重要なステップは、低酸素下で高濃度の脂肪酸とコレステロールと低サイトカイン濃度および培養を含む培地の調製である(ステップ1、ステップ2、およびステップ4)。コレステロールや脂肪酸がない場合、低サイトカイン濃度の下でHSCの維持速度は22減少する。低酸素状態下での細胞の培養も重要である, 以前に報告されたように 23.
培養条件は、サイトカイン濃度を除いて、マウスHSCに使用されるものと類似していた。マウス HSC は TPO なしで生き残りますが、人間の HSC は SCF22の 3 ng/mL で TPO の少なくとも 2 ng/mL を必要とします。TPOの濃度はヒト血清(〜100pg/mL)においてよりはるかに高いので、このプロトコルで使用される条件は、ヒトHSCの生存を支える特定の因子を欠く可能性がある。そのリガンドFLT3LGの添加は、HsCs22を維持するためのTPOの要件をわずかに減少させる。
ヒトHSCは、マウスHSCと比較してコレステロールの濃度が高く、脂肪酸22の高濃度(>400μg/mL)下でコレステロール合成酵素の発現を誘導できないことや、リポ毒性に対する感受性が高いためと考えられた。パルミチン酸、オレイン酸、リノール酸、ステアリン酸の組み合わせのみが試験されたが、ヒト血清中に豊富に見られるが、脂質の他の組み合わせは、リポ毒性を低減し、機能性HSCを維持する速度を向上させるために評価されるべきである。
2週間後の免疫不全マウスにおけるヒトHSCの再集団化活性は22個確認されているが、この培養系は、生体内におけるHSCのニッチ機能を完全に再現するわけではない。CD45RAの発現は増加すると報告されており、再集団容量は、新たにソートされたHSC22のそれより劣っている。しかし、グルコース、アミノ酸、ピルビン酸、インスリンなどの栄養素の濃度は、上の生理学的レベルで培地に添加され、最適化することができます。BSA の汚染物質も HSC18,25のメンテナンスを損なう可能性があります。さらに、培養細胞の中には細胞死を受けるものもあれば、細胞分裂を受ける細胞もある。したがって、セル総数の維持は、各セルの静止状態を示さない場合があります。
これらの制限にもかかわらず、本研究で開発されたプロトコルに記載されている培養条件は、特に生理学的条件に近い状態下でHSCの研究と工学を進めるのに役立つ。HSCを最小限の分化およびサイクリング活性で維持する培養条件は、HSCに特異的に作用する生物学的および化学的化合物の試験、レンチウイルスの形質転換またはゲノム編集を介してステムを失うことなくHSCを操作し、白血病関連遺伝子によって誘発される形質転換の初期段階を解明するのに適している。
著者らは、この研究に関連する利益相反を宣言しない。
原口さんと多木さん、技術支援、研究室運営、白下K.の写真撮影に感謝します。HKは、MEXT/JSPSのKAKENHIグラント(19K17847)と国立国際保健医療センターによって支えられていました。KTは、MEXT/JSPS(グラント18H02845および18K19570)、国立国際保健医療センター(グラント26-001および19A2002)、AMED(グラントノーズ)のKAKENHI助成金によって部分的にサポートされました。JP18ck0106444、JP18ae0201014、JP20bm0704042)、小野医学研究財団、金沢医学研究財団、武田科学財団
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Human bone marrow CD34+ progenitor cells | Lonza | 2M-101C | |
NOD/Shi-scid,IL-2RγKO Jic | In-Vivo Science Inc. | https://www.invivoscience.com/en/nog_mouse.html | |
Anti-human CD34-FITC (clone: 581) | BD biosciences | Cat# 560942; RRID: AB_10562559 | |
Anti-human CD38-PerCP-Cy5.5 | BD biosciences | Cat# 551400; RRID: AB_394184 | |
Anti-human CD45RA-PE | BD biosciences | Cat# 555489; RRID: AB_395880 | |
Anti-human CD90-PE-Cy7 (clone: 5E10) | BD biosciences | Cat# 561558; RRID: AB_10714644 | |
Anti-human CD13-PE (clone: WM15) | BioLegend | Cat# 301703; RRID: AB_314179 | |
Anti-human CD33-PE (clone: WM53) | BD biosciences | Cat# 561816; RRID: AB_10896480 | |
Anti-human CD19-APC (clone: SJ259) | BioLegend | Cat# 363005; RRID: AB_2564127 | |
Anti-human CD3-APC-Cy7 (clone: SK7) | BD biosciences | Cat# 561800; RRID: AB_10895381 | |
Anti-human CD45-BV421 (clone: HI30) | BD biosciences | Cat# 563880; RRID:AB_2744402 | |
Anti-mouse CD45-PE-Cy7 (clone: 30-F11) | BioLegend | Cat# 103114; RRID: AB_312979 | |
Anti-mouse Ter-119-PE-Cy7 (clone: TER-119) | BD biosciences | Cat# 557853; RRID: AB_396898 | |
Fc-block (anti-mouse CD16/32) (clone: 2.4-G2) | BD Biosciences | Cat# 553142; RRID: AB_394657 | |
Phosphate buffered saline | Nacalai Tesque | Cat# 14249-24 | |
Fetal bovine serum | Thermo Fisher Scientific | Cat# 26140079 | |
DMEM/F-12 medium | Thermo Fisher Scientific | Cat# 11320-033 | |
ITS-X | Thermo Fisher Scientific | Cat# 51500056 | |
Penicillin | Meiji Seika | PGLD755 | |
Streptomycin sulfate | Meiji Seika | SSDN1013 | |
Bovine serum albumin | Sigma Aldrich | Cat# A4503 | |
Sodium palmitate | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. | Cat# P0007 | |
Sodium oleate | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. | Cat# O0057 | |
Cholesterol | Tokyo Chemical Industry Co., Ltd. | Cat# C0318 | |
Ammonium Chloride | Fujifilm | Cat# 017-2995 | |
Sodium Hydrogen Carbonate | Fujifilm | Cat# 191-01305 | |
EDTA 2Na | Fujifilm | Cat# 345-01865 | |
Heparine Na | MOCHIDA PHARMACEUTICAL CO., LTD. | Cat# 224122557 | |
Sevoflurane | Fujifilm | Cat# 193-17791 | |
Dextran | Nacalai Tesque | Cat# 10927-54 | |
Recombinant Human SCF | PeproTech | Cat# 300-07 | |
Recombinant Human TPO | PeproTech | Cat# 300-18 | |
Recombinant human Flt3 ligand | PeproTech | Cat# 300-19 | |
Propidium iodide | Life Technologies | Cat# P3566 | |
Flow-Check Fluorospheres | Beckman Coulter | Cat# 7547053 | |
FlowJo version 10 | BD Biosciences | https://www.flowjo.com/solutions/flowjo | |
AutoMACS Pro | Miltenyi Biotec | N/A | |
FACS Aria3u | BD Biosciences | N/A | |
VELVO-CLEAR VS-25 (sonicator) | VELVO-CLEAR | N/A | |
Nitrogen gas cylinder | KOIKE SANSHO CO., LTD | N/A | |
Gas regulator | Astec | Cat# IM-055 | |
Multigas incubator | Astec | Cat# SMA-30DR | |
Glass tube, 16 mL | Maruemu corporation | N-16 | |
Glass tube, 50 mL | Maruemu corporation | NX-50 | |
Millex-GP Syringe Filter Unit, 0.22 µm, polyethersulfone, 33 mm, gamma sterilized | Merck Millipore | SLGPR33RS |
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