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Method Article
Here, we present human pluripotent stem cell (hPSC) culture protocols, based on non-colony type monolayer (NCM) growth of dissociated single cells. This new method, utilizing Rho-associated kinase inhibitors or the laminin isoform 521 (LN-521), is suitable for producing large amounts of homogeneous hPSCs, genetic manipulation, and drug discovery.
Human pluripotent stem cells (hPSCs) hold great promise for regenerative medicine and biopharmaceutical applications. Currently, optimal culture and efficient expansion of large amounts of clinical-grade hPSCs are critical issues in hPSC-based therapies. Conventionally, hPSCs are propagated as colonies on both feeder and feeder-free culture systems. However, these methods have several major limitations, including low cell yields and generation of heterogeneously differentiated cells. To improve current hPSC culture methods, we have recently developed a new method, which is based on non-colony type monolayer (NCM) culture of dissociated single cells. Here, we present detailed NCM protocols based on the Rho-associated kinase (ROCK) inhibitor Y-27632. We also provide new information regarding NCM culture with different small molecules such as Y-39983 (ROCK I inhibitor), phenylbenzodioxane (ROCK II inhibitor), and thiazovivin (a novel ROCK inhibitor). We further extend our basic protocol to cultivate hPSCs on defined extracellular proteins such as the laminin isoform 521 (LN-521) without the use of ROCK inhibitors. Moreover, based on NCM, we have demonstrated efficient transfection or transduction of plasmid DNAs, lentiviral particles, and oligonucleotide-based microRNAs into hPSCs in order to genetically modify these cells for molecular analyses and drug discovery. The NCM-based methods overcome the major shortcomings of colony-type culture, and thus may be suitable for producing large amounts of homogeneous hPSCs for future clinical therapies, stem cell research, and drug discovery.
A capacidade de se diferenciar em direção hPSCs tecidos adultos multilinhagem abriu novos caminhos para o tratamento de pacientes que sofrem de doenças graves que envolvem cardiovascular, hepática, pâncreas, e sistemas neurológicos 1-4. Vários tipos de células derivadas de hPSCs também fornecem plataformas celulares robustos para modelagem de doenças, a engenharia genética, a seleção da droga, e 1,4 testes toxicológicos. A questão-chave que garante suas aplicações clínicas e farmacológicas futuras é a geração de um grande número de hPSCs clínica de grau através de cultura in vitro de células. No entanto, sistemas de cultivo atuais são insuficientes ou inerentemente variável, envolvendo várias culturas alimentadoras e sem alimentador de hPSCs como colônias 5,6.
Crescimento do tipo colônia de ações hPSCs muitas características estruturais da massa celular interna (ICM) de embriões de mamíferos adiantados. A ICM é propenso a diferenciar-se em três camadas germinativasnum ambiente multicelular, devido à existência de gradientes de sinalização heterogéneos. Assim, a aquisição de heterogeneidade no desenvolvimento embrionário precoce é considerado como um processo necessário para a diferenciação, mas uma característica indesejável de cultura HPSC. A heterogeneidade na cultura HPSC é muitas vezes induzida por sinais apoptóticos excessivas e diferenciação espontânea devido a condições de crescimento abaixo do ideal. Assim, no tipo de colónia de cultura, as células heterogéneas são frequentemente observados na periferia das colónias 7,8. Foi também mostrado que as células em células estaminais embrionárias humanas (células estaminais embrionárias humanas) colónias respostas diferenciais exposição a moléculas de sinalização, tais como BMP-4 9. Além disso, métodos de cultura colônia produzir colheitas de células baixas, bem como as taxas de recuperação muito baixo de células de criopreservação, devido às taxas de crescimento incontrolável e sinalização apoptótica vias 6,9. Nos últimos anos, várias culturas de suspensão têm sido desenvolvidos para hPSCs de cultura, particulArly para a expansão de grandes quantidades de hPSCs dentro e alimentadoras condições livres de matriz 6,10-13. Obviamente, os diferentes sistemas de cultura tem as suas próprias vantagens e desvantagens. Em geral, a natureza heterogénea de hPSCs representa um dos principais inconvenientes da colónia de tipo e de cultura de agregados, que são métodos para a entrega de materiais de sub-óptima de DNA e de RNA em hPSCs por engenharia genética 6.
Claramente, há uma necessidade imperiosa de desenvolver novos sistemas que evitam algumas deficiências dos métodos de cultura atual. As descobertas de inibidores de pequenas moléculas (como o inibidor ROCHA Y-27632 e JAK inibidor 1) que melhoram a sobrevivência de uma única célula pavimentar o caminho para a cultura dissociada-HPSC 14,15. Com a utilização destas moléculas pequenas, que desenvolveram recentemente um método de cultura de tipo não-colónia (NCM) crescimento de dissociar-hPSCs 9. Este método de cultura novela combina passaging de uma única célula e de alta densidadechapeamento de métodos, o que nos permite produzir grandes quantidades de hPSCs homogêneas sob ciclos de crescimento consistente, sem grandes anormalidades cromossômicas 9. Alternativamente, a cultura NCM pode ser implementado com diferentes moléculas pequenas e matrizes definidas (como as lamininas), a fim de optimizar o processo de cultura de amplas aplicações. Aqui, apresentamos vários protocolos detalhados com base na cultura NCM e delinear procedimentos detalhados para a engenharia genética. Para demonstrar a versatilidade de protocolos NCM, também testamos cultura NCM com inibidores ROCHA diversas e com a única isoforma laminina 521 (ou seja, LN-521).
Base de uma única célula não-colônia tipo monocamada (NCM) cultura de hPSCs.
1. Preparações
2. Protocolo 1 (Básico): Crescer HPSC colônias em Alimentadores
3 Protocolo 2:. Converter HPSC Colônias de Alimentadores para NCM
4 Protocolo 3:. Converter HPSC colônias em Matrigel a NCM Cultura
5 Protocolo 4:. NCM Cultura da hPSCs no LN-521
. 6 Protocolo 5: NCM Cultura para plasmídeo DNA transfecção
. 7 Protocolo 6: NCM Cultura para transfecção de MicroRNAs
Um esquema geral da cultura NCM
A Figura 1 representa um esquema de cultura NCM típico mostrando as alterações dinâmicas de hPSCs depois de alta densidade de revestimento de uma única célula, na presença do inibidor ROCHA Y-27632. Estas alterações morfológicas incluem ligações intercelulares após o plaqueamento, a formação de agregados celulares e crescimento celular exponencial, seguido por condensação de células (Figura 1A).
Há duas formas principais de se hPSCs cultura in vitro: cultura convencional do tipo colônia (de células em alimentadores ou matrizes extracelulares) e cultura de suspensão de hPSCs como agregados sem alimentadores 6. As limitações de ambos do tipo colônia e suspensão métodos de cultura incluem heterogeneidade acumulada e mudanças epigenéticas herdadas. Cultura NCM, com base em ambos passaging de uma única célula e plaqueamento de células de alta densidade, representa um novo método pa...
The authors declare that they have no competing financial interests.
This work was supported by the Intramural Research Program of the National Institutes of Health (NIH) at the National Institute of Neurological Disorders and Stroke. We would like to thank Dr. Ronald D. McKay for his discussion and comments on this project.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Countess automated cell counter | Invitrogen Inc. | C10227 | Automatic cell counting |
Faxitron Cabinet X-ray System | Faxitron X-ray Corporation, Wheeling, IL | Model RX-650 | X-ray irradiation of MEFs |
MULTIWELL 6-well plates | Becton Dickinson Labware | 353046 | Polystyrene plates |
DMEM | Invitrogen Inc. | 11965–092 | For MEF medium |
Mitomycin C | Roche | 107409 | Mitotic inhibitor |
Trypsin | Invitrogen Inc. | 25300-054 | For MEF dissociation |
DMEM/F12 | Invitrogen Inc. | 11330–032 | For hPSC medium |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | Invitrogen Inc. | 31985-062 | For hPSC transfection |
Heat-inactivated FBS | Invitrogen Inc. | 16000–044 | Component of MEF medium |
Knockout Serum Replacement | Invitrogen Inc. | 10828–028 | KSR, Component of hPSC medium |
Dulbecco’s Phosphate-Buffered Saline | Invitrogen Inc. | 14190-144 | D-PBS, free of Ca2+/Mg2+ |
Non-essential amino acids | Invitrogen | 11140–050 | NEAA, component of hPSC medium |
L-Glutamine | Invitrogen | 25030–081 | Component of hPSC medium |
mTeSR1 & Supplements | StemCell Technologies | 5850 | Animal protein-free |
TeSR2 & Supplements | StemCell Technologies | 5860 | Xeno-free medium |
β-mercaptoethanol | Sigma | M7522 | Component of hPSC medium |
MEF (CF-1) ATCC | American Type Culture Collection (ATCC) | SCRC-1040 | For feeder culture of hPSCs |
hESC-qualified Matrigel | BD Bioscience | 354277 | For feeder-free culture of hPSCs |
Laminin-521 | BioLamina | LN521-02 | Human recombinant protein |
FGF-2 (recombinant FGF, basic) | R&D Systems, MN | 223-FB | Growth factor in hPSC medium |
CryoStor CS10 | StemCell Technologies | 7930 | |
Accutase | Innovative Cell Technologies | AT-104 | 1X mixed enzymatic solution |
JAK inhibitor I | EMD4 Biosciences | 420099 | An inhibitor of Janus kinase |
Y-27632 | EMD4 Biosciences | 688000 | ROCK inhibitor |
Y-27632 | Stemgent | 04-0012 | ROCK inhibitor |
Y-39983 | Stemgent | 04-0029 | ROCK I inhibitor |
Phenylbenzodioxane | Stemgent | 04-0030 | ROCK II inhibitor |
Thiazovivin | Stemgent | 04-0017 | A novel ROCK inhibitor |
BD Falcon Cell Strainer | BD Bioscience | 352340 | 40 µm cell strainer |
Nalgene 5100-0001 Cryo 1 °C | Thermo Scientific | C6516F-1 | “Mr. Frosty” Freezing Container |
Lipofectamine 2000 | Invitrogen Inc. | 11668-027 | Transfection reagents |
DharmaFECT Duo | Thermo Scientific | T-2010-02 | Transfection reagent |
Non-targeting miRIDIAN miRNA Transfection Control | Thermo Scientific | IP-004500-01-05 | Labeled with Dy547, to monitor the delivery of microRNAs |
SMART-shRNA | Thermo Scientific | To be determined | Lentiviral vector |
pmaxGFP | amaxa Inc (Lonza) | Included in every transfection kit | Expression plasmid for transfection control |
Oct-4 | Santa Cruz Biotechnology | sc-5279 | Mouse IgG2b, pluripotent marker |
SSEA-1 | Santa Cruz Biotechnology | sc-21702 | Mouse IgM, differentiation marker |
SSEA-4 | Santa Cruz Biotechnology | sc-21704 | Mouse IgG3, pluripotent marker |
Tra-1-60 | Santa Cruz Biotechnology | sc-21705 | Mouse IgM, pluripotent marker |
Tra-1-81 | Santa Cruz Biotechnology | sc-21706 | Mouse IgM, pluripotent marker |
CK8 (C51) | Santa Cruz Biotechnology | sc-8020 | Mouse IgG1, against cytokeratin 8 |
α-fetoprotein | Santa Cruz Biotechnology | sc-8399 | AFP, mouse IgG2a |
HNF-3β (P-19) | Santa Cruz Biotechnology | sc-9187 | FOXA2, goat polyclonal antibody |
Troponin T (Av-1) | Thermo Scientific | MS-295-P0 | Mouse IgG1 |
Desmin | Thermo Scientific | RB-9014-P1 | Rabbit IgG |
Anti-NANOG | ReproCELL Inc, Japan | RCAB0004P-F | Polyclonal antibody |
Rat anti-GFAP | Zymed | 13-0300 | Glial fibrillary acidic protein |
Albumin (clone HSA1/25.1.3) | Cedarlane Laboratories Ltd. | CL2513A | Mouse IgG1 |
Smooth muscle actin (clone 1A4) | DakoCytomation Inc | IR611/IS611 | Mouse IgG2a |
Nestin | Chemicon International | MAB5326 | Rabbit polyclonal antibody |
TUBB3 | Convance Inc | MMS-435P | Tuj1, mouse IgG2a |
HNF4α (C11F12) | Cell Signaling Technologies | 3113 | Rabbit monoclonal antibody |
Paraformaldehyde (solution) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | PFA, fixative, diluted in D-PBS |
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