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Method Article
We describe a protocol for deriving lentiviral-based reprogrammed and characterized factor-free human induced pluripotent stem cells and conversion into putative clinical-grade conditions.
유도 인간 다 능성 줄기 세포 (hiPSCs)는 렌티 기반 재 프로그래밍 방법론으로 생성 될 수있다. 그러나, 게놈의 적극적 전사 영역에 남아있는 잠재적 발암 유전자의 흔적은 인간의 치료 응용 프로그램 (1)에 사용하기 위해 자신의 잠재력을 제한 할 수 있습니다. 또한, 치료 학적으로 중요한 유도체 줄기 세포 분화 또는 재 프로그래밍 유래의 비 - 인간 항원 인간 임상이 문맥에서 사용되는 이러한 hiPSCs는 배제. 이 비디오에서는, 우리는 재 프로그래밍 및 외래 유전자의 무료 요인이없는 hiPSCs를 분석하는 절차를 제시한다. 이러한 hiPSCs이어서 렌티 바이러스를 포함하는 특정 인트론 유전자 발현의 이상에 대해 분석 할 수있다. 이러한 분석은 이전에 유전자 발현의 차이 (3)를 검출하는 데 덜 민감한 기술 위에 이점을 갖는다 민감한 정량적 폴리머 라제 연쇄 반응 (PCR)을 이용하여 수행 될 수있다. 로 전체 변환임상 등급의 우수 제조 기준 (GMP) 조건, 인간의 임상 적 관련성을 할 수 있습니다. 우리의 프로토콜은 제공하는 또 다른 방법이 제공하는 현재의 안전 항구 기준이 확장 인간의 치료 응용 프로그램-을 위해 만기가 인간이 아닌 항원에 어떤 면역 원성의 위험을 제거해야한다 GMP 수준의 hiPSCs를 유도하는 요인이없는 특성화 된 hiPSC 기반의 파생 상품을 포함 할 것이다. 이 프로토콜은 모든 유형의 세포로 재 프로그램 렌티 폭넓게 적용되며, GMP 수준의 조건으로 세포를 재 프로그램을 변환하기위한 재생 가능한 방법을 제공한다.
Adult human cells have been shown to be capable of undergoing epigenetic remodeling and reprogramming, as a result of lentiviral-based expression of four key transcription factors4,5. An important advancement in the reprogramming field was the use of a single excisable lentiviral stem cell cassette (STEMCCA), which housed all four reprogramming transcription factors that allowed a precise stoichiometric ratio of protein expression6. Additionally, when transduced in specific multiplicity of infection ranges, STEMCCA can lead to predominantly single genomic integration events during the reprogramming process7. The introduction of an excisable version of STEMCCA, which utilizes Cre/loxP technology followed by excision of the reprogramming vector after derivation of the stem cell line, enabled factor-free human induced pluripotent stem cell (hiPSC) lines to be derived8. Additionally, in order to enhance therapeutic applications of hiPSCs, a novel, quick, and readily applicable methodology for good manufacturing practice (GMP)-grade cell line conversion, from xeno-containing to xeno-free conditions, needed to be implemented. Here, we discuss a relevant methodology that more precisely assesses integrated gene expression differences, specifically when integrated into an intron, and clinical-grade cell conversion into putative GMP conditions.
Previous research has used only relatively insensitive microarray transcriptional analysis to analyze gene expression differences in integrated genes after STEMCCA transduction3,9. Here, we introduce the methodology of sensitive quantitative polymerase chain reaction (PCR) analysis, to further examine integrated gene expression differences. Importantly, current safe-harbor criteria discard hiPSCs that have genes with viral integrations, thus limiting the applicability of these cells for downstream human cellular therapeutics9. We propose that the status quo may change with the use of fully characterized and transgene-free intronically reprogrammed hiPSCs. Additionally, we introduce a robust GMP-grade cell conversion protocol that can be readily applied to a variety of different cell types, which were originally derived under xeno-containing conditions10. This provides significant opportunities for the development of future cell reprogramming experiments, which require clinical-grade conditions to maintain human therapeutic relevance.
These methodologies provide a foundation upon which current safe-harbor criteria may be expanded to include characterized STEMCCA reprogrammed hiPSC lines that maintain a normal gene expression profile after STEMCCA excision from the integrated intron. Also, full conversion into clinical-grade conditions, free from non-human animal antigens, will help to incorporate many more cell types, which have previously been reprogrammed and characterized only in xeno-containing conditions. These methodologies combined, are persuasive grounds for the US Food and Drug Administration (FDA) to consider expanding their limited approval from human embryonic stem cell (ESC)-based therapeutics to hiPSC-based therapeutics11.
We recently detailed the derivation of a factor-free hiPSC line that was fully characterized and converted into putative clinical-grade conditions10. Here, we detail the protocol for hiPSC derivation by utilizing the STEMCCA lentivirus. These stem cells then undergo an excision process followed by gene expression characterization. Finally, the hiPSCs are converted over into GMP-grade conditions by a slow conversion methodology.
주 :.이 방법은 경외 등 (10)에보고 된 연구에 사용 하였다.
STEMCCA 1. 재 프로그래밍 성인 인간 피부 섬유 아세포
2. 벡터 통합 사이트 분석 및 STEMCCA 절제술
사전 및 사후 적출 hiPSCs에서 정량 PCR을 이용한 유전자 발현의 차이 3. 정량
GMP 수준의 조건으로 4. 변환
5. 특성화 GMP 수준의 사후 적출 hiPSCs
우리 STEMCCA의 렌티 기반 리 프로그래밍 방법을 사용하여 임상 등급 인자없는 hiPSCs를 유도 프로토콜을 제안한다.도 1a는 MEFs에의 층에 STEMCCA 방식으로 재 프로그래밍 후, 세 가지 사전 절개 hiPSC 라인의 대표 사진을 보여준다. STEMCCA 재 프로그래밍 접근 방법의 주요 장점은 다른 연구 그룹 및 위치에, 여러 과학자들에 의해 달성 일관된 재 프로그램의 성공에있다. 그림 1B는 ?...
우리는 인자없는 hiPSCs를 유도하고 미래의 인간 치료제 하류 세포 분화에 대한 GMP 수준의 조건으로 이들 세포를 변환하여이를 임상 적으로 만드는 방법을 설명합니다. 이 프로토콜은 다양한 종류의 세포에 광범위하게 적용 할 수 있지만, 우리는 인해 환자에서 추출의 용이성과 개인화 된 인간의 치료제에의 적용에 인간 피부 섬유 아 세포를 재 프로그래밍하기로 결정했습니다. 제한이 임상 적으?...
James A. Byrne (JAB) and Agustin Vega-Crespo receive research funding from Fibrocell Science, Inc. JAB is a scientific consultant for Fibrocell Science, Inc. No other authors have any competing interests to disclose.
We would like to thank Patrick C. Lee, Cyril Ramathal, and Saravanan Karumbayaram (SK) for their assistance in performing the iPSC derivation and characterization experiments; Aaron Cooper for performing the iPSC analysis experiments; Vittorio Sebastiano and Renee A. Reijo Pera for directing the initial reprogramming efforts; SK, William E. Lowry, Jerome A. Zack, and Donald B. Kohn for directing the establishment of the UCLA GMP facilities permitting the conversion and characterization of clinical-grade iPSCs; Gustavo Mostoslavsky for providing us with the STEMCCA polycistronic reprogramming vector. This work is based on a research collaboration with Fibrocell Science and the Clinical Investigations for Dermal Mesenchymally Obtained Derivatives (CIDMOD) Initiative to generate safe personalized cellular therapeutics. This work was supported by funding from the Eli and Edythe Broad Center of Regenerative Medicine and Stem Cell Research at UCLA, The Phelps Family Foundation, Fibrocell Science, Inc., and the UCLA CTSI Scholar’s Award to JAB.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Media and reagents | |||
DMEM/F12 (basal media) | Invitrogen (Carlsbad, CA, USA) | 11330057 | |
Fetal bovine serum | Invitrogen | 16000044 | |
Minimum essential medium (MEM) non-essential amino acids (NEAA), 100x | Invitrogen | 11140050 | |
Glutamax, 100x | Invitrogen | 35050-061 | |
PenStrep, penicillin-streptomycin, 100x | Invitrogen | 15140-122 | Thaw at 4 °C, aliquot and store at −20 °C |
Knockout serum replacement | Invitrogen | 10828028 | Thaw at 4 °C, aliquot and store at −20 °C |
Trypsin/EDTA, 0.5% | Invitrogen | 15400-054 | Dilute stock out to 0.05% in 1x PBS |
Basic fibroblast growth factor | GlobalStem (Rockville, MD, USA) | GSR-2001 | Reconstitute to 10 µg/ml stock in 0.1% bovine serum albumin dissolved in 1x PBS and store at −80 °C |
β-mercaptoethanol | Millipore (Billerica, MA, USA) | ES-007-E | |
Matrigel (basement membrane matrix) | BD Biosciences (San Jose, CA, USA) | 356231 | Dilute stock Matrigel vial with 10 ml of DMEM/F12 while on ice for a 1:2 dilution. Aliquot and store at −20 °C. |
CELLstart (Synthetic Substrate) | Invitrogen | A1014201 | |
Stemmolecule Y27632 | Stemgent (Cambridge, MA, USA) | 04-0012-02 | |
Puromycin | Invitrogen | A1113802 | |
LightCycler 480 Probes Master | Roche (Basel, Switzerland) | 4707494001 | |
ProFreeze-CDM Medium/freezing medium | Lonza (Basel, Switzerland) | 12-769E | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO, USA) | D8418 | |
PBS | Invitrogen | 14190-250 | |
100 BP DNA Ladder | Invitrogen | 15628019 | |
SYBR Safe DNA Gel Stain 10,000x | Invitrogen | S33102 | |
Agarose | Bio-Rad Laboratories, Inc. (Hercules, CA, USA) | 161-3101 | |
Gelatin, from porcine skin | Sigma-Aldrich | G1890-100G | Make stock at 0.2% in PBS, autoclave and store at room temperature. |
mTeSR1 | StemCell Technologies (Vancouver, BC, Canada) | 5850 | Combine Supplement 5x with the basic medium, aliquot and store at 4 °C for up to 2 weeks. |
Stemedia NutriStem XF/FF Culture Medium | Stemgent | 05-100-1A | Thaw at 4 °C O/N, aliquot and store at 4 °C for up to 2 weeks. |
Primocin | InvivoGen (San Diego, CA, USA) | ant-pm-1 | |
Accutase (Dissociation Reagent) | Invitrogen | A1110501 | |
Donkey anti-Chicken IgG AlexaFluor 488 | Jackson ImmunoResearch (West Grove, PA, USA) | 703-546-155 | |
Polybrene/transfection agent | Millipore | TR-1003-G | |
Plasticware | |||
12-well plates | VWR (West Chester, PA, USA) | 29442-038 | |
6-well plates | VWR | 29442-042 | |
10-cm plates | Sigma-Aldrich | Z688819 | |
18-gauge needle | Fisher Scientific (Pittsburgh, PA, USA) | 148265D | |
21-gauge needle | Fisher Scientific | 14-829-10D | |
Equipment | |||
BD LSRII Flow Cytometer | KSystem by Nikon (Tokyo, Japan) | ||
BD FACSDiva Version 6.1.3 Software | BD Biosciences | ||
Kits | |||
PureLink Genomic DNA Mini Kit | Invitrogen | K182000 | |
KAPA HiFi Hotstart ReadyMix PCR Kit | KAPA Biosystems (Wilmington, MA, USA) | KK2601 | |
High Pure RNA Isolation Kit | Roche | 11828665001 | |
Transcriptor First Strand cDNA Synthesis Kit | Roche | 4379012001 | |
Sialix anti-Neu5Gc Basic Pack Kit | Sialix (Newton, MA, USA) | Basic Pack | |
Media | |||
Combined media 1 | StemCell Technologies and Stemgent | Consists of equal parts mTeSR1 and Nutristem | |
Combined media 2 | StemCell Technologies and Stemgent | Consists of equal parts TeSR2 and Nutristem | |
HUF Media | Dulbecco’s modified Eagle’s medium/F12 [DMEM/F12] supplemented with 10% fetal bovine serum, 1x non-essential amino acids, 1x Glutamax, and 1x Primocin | ||
Human Pluripotent Stem Cell Media | DMEM/F12 supplemented with 20% knockout serum replacement, 1x Glutamax, 1x non-essential amino acids, 1x Primocin, 1x β-mercaptoethanol, and 10 ng/ml basic fibroblast growth factor. | ||
DMEM/F12, Dulbecco’s modified Eagle’s medium/F12; PBS, phosphate-buffered saline. |
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