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Este protocolo descreve como produzir células epiteliais de pigmento retinal (RPE) de células-tronco pluripotentes. O método usa uma combinação de fatores de crescimento e de pequenas moléculas para direcionar a diferenciação de células-tronco em RPE imaturo em catorze dias e RPE maduro e funcional, depois de três meses.
Nós descrevemos um método robusto para direcionar a diferenciação de células-tronco pluripotentes em retinal pigment pilhas epithelial (RPE). A finalidade de fornecer um protocolo detalhado e completo é para demonstrar claramente cada passo e para fazer esta prontamente disponível para pesquisadores no campo. Este protocolo resulta em uma camada homogênea de RPE com dissecação não manual ou mínima necessária. O método apresentado aqui foi mostrado para ser eficaz para induzida por células-tronco pluripotentes (iPSC) e células estaminais embrionárias humanas. Além disso, descrevemos a métodos para criopreservação de bancos de células intermediárias que permitem o armazenamento a longo prazo. RPE gerado usando este protocolo pode ser útil para a modelagem de iPSC doença-em-um-prato ou aplicação clínica.
O epithelium retinal do pigment é uma monocamada de células pigmentadas que fornece apoio crucial para fotorreceptores. Células epiteliais de pigmento retinal (RPE) tem inúmeras funções na visão, incluindo a absorção de luz, transporte de nutrientes e íons, retinoide ciclismo, fagocitose de segmento externo do fotoreceptor, e secreção1do fator de crescimento. Há uma variedade de distrofias da retina que afetam a função do RPE e resultar em uma perda de visão, incluindo degeneração macular relacionada à idade e retinose pigmentária. Geração de RPE de células-tronco pluripotentes pode facilitar a pesquisa para compreender estas doenças do olho e pode fornecer uma fonte ilimitada de RPE para terapias de célula2. Na verdade, vários ensaios clínicos estão em andamento usando RPE derivado de células-tronco pluripotentes3.
Este protocolo de diferenciação foi originalmente descrito por Buchholz4 e baseou-se no método de Clegg5publicado anteriormente. O procedimento imita o normal na vivo do desenvolvimento processo para direcionar as células-tronco pluripotentes indiferenciadas em direção um destino RPE através de manipulação dos fatores de crescimento insulina (IGF), fator de crescimento básico de fibroblasto (FGF-2; FGF-basic), transformando o fator de crescimento beta (TGF-β) e WNT vias4,5. O protocolo foi significativamente melhorado pela adição de um agonista de via WNT no final do protocolo, que rendeu 97.77% ± 0,1% pre-melanoma células positivas de proteína (PMEL) e tem sido adaptado para condições de xeno-free6,7. O RPE resultante foram mostrados para expressar marcadores RPE para os níveis de transcrição e proteínas, que secretam fatores de crescimento RPE conhecidos com polaridade apropriada e realizar a fagocitose de fotorreceptoras segmentos exterior8. Este protocolo é mais rápida e confiável do que os protocolos "espontânea" de diferenciação que envolvem a simples remoção do fator de crescimento de fibroblastos básico8. Além disso, os dados mostram que o RPE obtido usando este protocolo a sequenciação do ARN são muito semelhantes aos obtidos usando a abordagem espontânea mais comum8. O método de 14 dias gera RPE que cabem o "P 5" mencionada por Mazzoni9 (pigmentada, polarizada, fagocíticas, pós mitóticas, poligonal)9. Enquanto esse procedimento tem provado para ser reproduzíveis em vários laboratórios, queremos reconhecer vários métodos de diferenciação dirigido adicionais que foram publicados nos últimos anos10,11,12 , 13.
1. preparação dos reagentes para 0 de dia para dia 14 do protocolo de
2. Dia 0: Dia de passagem de células-tronco pluripotentes para diferenciação
colônias de células-tronco3. Dia 1 a 14: adição de fatores de crescimento
4. Dia de enriquecimento para passagem 0 de RPE
5. Maturação: Passagem de 1 e 2 do RPE
Nota: volumes são indicados para 1 bem de uma placa de 6 ou um balão T75 conforme indicado pelos parênteses.
6. Criando um banco de células intermediárias: criopreservação de passagem dia 2 3-5 RPE
Nota: Cryopreserve células, enquanto eles são Observacao (~ 50%) e não tem recuperado pigmento.
Esse método resulta na produção de uma monocamada homogênea, pigmentada e cuboidal de RPE. A linha do tempo na Figura 1 corresponde às imagens representadas na Figura 2. Como mostrado na Figura 2A, as colônias de células-tronco são hermeticamente embaladas com bordas definidas e sem células fibroblástica entre colônias ou células opacas dentro de colônias. Figura 2B fornece uma representação de RPE imaturo que são Observacao. Se as células são confluentes já nesta fase, não pode estender as projeções que são críticas para o processo de diferenciação. As células que são severamente Observacao não será capazes de estabelecer uma monocamada e formam junções apertadas, características do epitélio. Detalhes sobre como otimizar essa confluência são descritas na seção de discussão. A Figura 2 mostra a morfologia dos dois tipos mais comuns de não-RPE que podem surgir durante este processo de diferenciação: patches neurais ou fibroblástica. É importante salientar que essas manchas neurais aparecem especialmente opacas em um microscópio de dissecação, Considerando que os patches definidos, fibroblástica, como são quase translúcidos em um microscópio de dissecação. Pode ser útil marcar essas áreas em uma placa de cultura de tecido com uma caneta de laboratório à prova de etanol mais facilmente identificá-los em um microscópio composto e o microscópio de dissecação. Figuras 2D-F mostrar a características bordas brilhantes, morfologia de paralelepípedos e pigmentação que indicam uma cultura saudável, amadurecimento de RPE. A Figura 3 é uma imagem de ampliação mais elevada para mostrar a aparência diferente da RPE totalmente maduro, retratado por contraste de fase e microscopia de campo claro. Passagem 3 dia 30, as células estão prontas para a caracterização que tem sido descrita em publicações anteriores, incluindo a expressão do RNA, expressão da proteína, secreção de fator de crescimento e fagocitose2,4,6 ,7. Estas caracterizações mostram que as células representadas nestas imagens não só pigmentadas e cuboidal, mas também fagocíticas, pós mitóticas e polarizada.
Figura 1:. Cronograma para a adição de fatores de crescimento e maturação de RPE. Fatores de crescimento são adicionados às placas 12-poços de dia 0-14. Amadurecimento de RPE são cultivadas em placas boas 6 ou T75 frascos de dia de enriquecimento para degelo após de 30 dias (passagem 3 dia 30). As setas indicam a passagem de células enzimática. (A-E) abaixo os prazos correspondem às imagens na Figura 2. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: morfologia representativa e confluência de amadurecimento RPE. Células-tronco pluripotentes induzidas imediatamente antes da passagem de diferenciação (A). Subconfluent de células RPE imaturo no dia 2 (B) e antes da escolha de remover enriquecimento no dia 14; patches não-RPE (indicados pelas setas brancas) aparecem como patches ou opaco "fitas" (C). RPE na passagem, 0, 1 e 3 no dia 30 (D, E e F). Barra de escala = 200 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: amadurecer RPE na passagem 3: 30 do dia Cuboidal morfologia retratado em contraste de fase (A) e pigmentação retratado em campo claro-(B). Barra de escala = 50 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Este protocolo descreve como produzir células epiteliais de pigmento retinal de células-tronco pluripotentes. O método foi otimizado usando ambas as células-tronco pluripotentes embrionárias e induzida humana de um método de cultura alimentador-livre, sem soro. Desde o isolamento inicial das células-tronco embrionárias humanas em 1998 e a derivação de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSC) em 2007, uma infinidade de cultura de células-tronco métodos têm sido desenvolvidos14,15,16, 17. Esses métodos devem ser suficientes para a produção de colônias de células-tronco que são suscetíveis a essa diferenciação. Não existem limitações conhecidas para a aplicabilidade deste método de células-tronco pluripotentes corretamente derivada e mantida.
Os passos mais críticos são a passagem de células-tronco para o dia 0 de diferenciação (etapa 2.5) e a necessidade potencial de dissecação manual no dia 14 do processo (passo 4.5). Ao escolher para remover células diferenciadas de colônias de células-tronco, referir-se a imagens em Kent18. Como indicado, as células fibroblástica entre colônias e as células opacas dentro colônias indicam células diferenciadas que precisam ser removidas antes de iniciar este protocolo18. Só colônias indiferenciadas, hermeticamente embaladas com bordas definidas devem ser passadas para diferenciação.
O número de células-tronco sem sementes por alvéolo (etapa 2.6.7) é complicado pelo fato de que as células-tronco não pode ser trituradas em uma suspensão de célula única mediante passagem e não pode ser contadas com precisão usando um hemocytometer. A aproximação de células-tronco confluente 80% é indicada para 1 passagem bem de uma placa de 6 para 4 poços de uma placa de 12. Diferenças entre as linhas de células-tronco, tais como taxa de crescimento, podem afetar a rapidez o RPE imaturo alcançar confluência entre os dias 0 a 4. As células-tronco produzirá RPE independentemente da confluência precisa, mas o rendimento da célula será afetado negativamente se as células são muito escassas nesta fase. As células RPE imaturas devem ser aproximadamente 40-50% de confluencia no dia 1 e quase 100% de confluencia por dia 4. Se as células não estão produzindo uma monocamada confluente pelo dia 4 ou 6, o protocolo deve ser repetido em uma maior densidade de semeadura no dia 0. Por exemplo, se 1 bem de uma placa de 6 foi passado para 4 poços de uma placa de 12 no dia 0 e o RPE imaturo não são 100% confluente no dia 4, reduzir a propagação de uma passagem de 1:3 ou 1:2 em dia 0 ou permitir que as células-tronco para se tornar mais confluente antes de passagem. É fundamental estabelecer uma densidade de semeadura consistente ao comparar várias linhas de célula.
Etapa no dia 14 de dissecação manual só é necessária quando as células de RPE não estão presentes na cultura (Figura 2). Desde a adição de CHIR99021 ao protocolo, muitas linhas de células-tronco pluripotentes não exigem pouca ou nenhuma dissecação manual. Algumas preparações têm uma maior incidência de patches neurais e é fundamental para remover as células. Se o RPE não é viável na passagem passagem 3 0, é possível repetir o protocolo de diferenciação tendo tempo suficiente para remover todas as células não-RPE. Isso não acontece frequentemente, mas é mencionado aqui notar que a etapa de dissecação no dia 14 pode ser otimizada quando necessário.
Há uma variedade de protocolos de diferenciação RPE que variam em custo, bem como métodos de cultura, eficiência, quantificação e avaliação funcional, o último dos quais foi completamente revisado2. Nós preferimos o método 14 dias detalhado aqui por causa de sua eficácia, capacidade de adaptação e aplicabilidade a uma ampla gama de linhas de celular4,7,8. A etapa de criopreservação neste protocolo também oferece uma grande vantagem na criação de um banco de células intermediárias para uso futuro, evitando a variabilidade de lote para lote em experimentos. Começando com apenas 4 poços de uma placa de 12, é possível expandir em placas 6-poços em passagem 0 e T75 frascos na passagem 1 e 2. Passagem 2 dias 3-5, quando as células são ainda Observacao e não tem recuperado o pigmento, é possível cryopreserve dezenas de milhões de células e depois descongelar o RPE maduro, designado passagem 3 dia 30, para verificar a expressão de RNA, expressão de proteínas, fator de crescimento secreção, fagocitose, etc. Também estabelecemos protocolos para expandir o RPE para até 13 passagens 19.
Olhando para a frente, este método será útil para iPSC modelagem de doença ocular e para geração de RPE para terapia celular. Com relação à modelagem de doença de iPSC, este protocolo está sendo usado atualmente no laboratório, para produzir o RPE de linhas CRISPR-corrigido com controles não corrigida do mesmo paciente. Além disso, este protocolo é adaptável aos substratos sintéticos e condições xeno-livre que são úteis para aderir às boas práticas de fabricação exigidas para uma terapia celular.
Dr. Clegg é co-fundador da regenerativa Patch Technologies LLC.
Este trabalho foi financiado pela iniciativa de Garland para a visão, o Instituto de Califórnia para a medicina regenerativa (CIRM; subvenções DR1-01444, CL1-00521, TB1-01177, FA1-00616 e TG2-01151), The Vermont Community Foundation, Fundação Breaux e o Fundação de luta contra a cegueira Gund Wynn programa de aceleração de pesquisa translacional.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
SterilGARD III laminar flow biosafety cabinet | Baker | model: SG603A-HE, type: A2, class: 2 | 6' Baker laminar flow biosafety cabinet |
Dissection Hood | Labconco | Model 3970405 | laminar flow bench top |
dissecting microscope | Nikon | SMZ 1500 | heated stage |
air-jacketed CO2 incubator | Sanyo | MCO-17AIC | 37 oC and 5% CO2 |
inverted phase contrast microscope | Olympus | IX53 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Media Components | |||
DMEM/F12 | Gibco | 10565042 | |
N2 Supplement | Gibco | 17502048 | |
B27 Supplement | Gibco | 17504044 | |
NEAA | Gibco | 11140050 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Growth Factors and Reagents | |||
Nicotinamide | Sigma | N0636 | |
Recombinant mouse noggin | R&D systems | 1967-NG-025 | |
Recombinant human DKK-1 | R&D systems | 5439-DK-010 | |
Recombinant IGF-1 | R&D systems | 291-G1-200 | |
FGF-basic | Peprotech | 100-18B | |
Recombinant human/mouse/rat Activin A | Peprotech | 120-14E | |
SU5402 FGF inhibitor | Santa Cruz Biotechnology | sc-204308 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Substrates | |||
Matrigel Basement Membrane Matrix, Phenol Red-Free, LDEV-Free | Corning | 356237 | extracellular matrix-based hydrogel (ECMH) |
Matrigel hESC-Qualified Matrix, LDEV-Free | Corning | 354277 | growth factor reduced ECMH |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Other reagents | |||
1X Versene (EDTA) | Gibco | 15040066 | |
DPBS | Gibco | 14190250 | |
1X PBS (no calcium, no magnesium) | Gibco | 10010023 | |
TrypLE (trypsin-like dissociation enzyme, TDE) | Gibco | 12563011 | |
X-VIVO 10 (RPE supporting medium) | Lonza | BW04-743Q | |
Y-27632 | Tocris | 12-541-0 (1254) | |
CryoStor CS10 | BioLife Solutions | 210102 | cryopreservation medium |
1.2 mL Cryogenic Vial | Corning | 430487 | |
Mr. Frosty (freezing container) | Nalgene | 5100-0001 | freezing container |
Normocin | Invivogen | ant-nr-2 | antimicrobial reagent |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Other Equipment | |||
Pipet-aid | Drummond | 4-000-101 | |
12-well culture plate | Corning | CLS3516 | Used during differentiation. |
T75 flask | Corning | 430641 | Used during RPE maturation. |
6-well culture plate | Corning | CLS3513 | Used during RPE maturation. |
cell scraper | Corning | 08-771-1A | Used during passages. |
cell strainer | Falcon | 352340 | Used during passages before cell count. |
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