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Este protocolo apresenta a diferenciação de osteoclastos humanos de células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) e descreve métodos para a caracterização de osteoclastos e precursores de osteoclastos.
Este protocolo detalha a propagação e passagem de iPSCs humanas e sua diferenciação em osteoclastos. Primeiro, as iPSCs são dissociadas em uma suspensão de célula única para uso posterior na indução do corpo embrionário. Após a indução mesodérmica, os corpos embrionários sofrem diferenciação hematopoiética, produzindo uma população de células hematopoéticas flutuante. Posteriormente, as células hematopoéticas colhidas passam por uma etapa de maturação do fator estimulador de colônias de macrófagos e, finalmente, diferenciação dos osteoclastos. Após a diferenciação dos osteoclastos, os osteoclastos são caracterizados pela coloração para TRAP em conjunto com uma coloração nuclear verde de metila. Os osteoclastos são observados como policaríneos TRAP+ multinucleados. Sua identificação pode ser apoiada pela coloração de catepsina K. Os ensaios de reabsorção óssea e mineral permitem a caracterização funcional, confirmando a identidade dos osteoclastos de boa-fé. Este protocolo demonstra um método robusto e versátil para diferenciar osteoclastos humanos de iPSCs e permite fácil adoção em aplicações que requerem grandes quantidades de osteoclastos humanos funcionais. Aplicações nas áreas de pesquisa óssea, pesquisa de câncer, engenharia de tecidos e pesquisa de endopróteses poderiam ser vislumbradas.
Os osteoclastos (CO) são derivados dahematopoética1,2, tipos celulares versáteis e comumente utilizados por pesquisadores em áreas como pesquisa de doençasósseas3,4, pesquisa decâncer5,6, engenharia detecidos7,8 e pesquisa de endopróteses9,10. No entanto, a diferenciação de CO pode ser desafiadora, uma vez que a fusão de precursores mononucleares em COs multinucleados é necessária para criar CO funcionais11. Vários fatores biológicos, como o receptor ativador do ligante NF-κB (RANKL) e o fator estimulador de colônias de macrófagos (M-CSF), são necessários para a diferenciação do CO. Foi relatado que o M-CSF tem um efeito positivo sobre a proliferação celular, sobrevivência celular e expressão de RANK 12,13,14. Por outro lado, o RANKL liga-se ao RANK, que ativa cascatas de sinalização a jusante que induzem a osteoclastogênese. A ativação é mediada pelo fator 6 associado ao receptor de TNF (TRAF6), que leva à degradação do fator nuclear do intensificador do gene do polipeptídeo kappa light no inibidor de células B, alfa (IκB-α), uma proteína ligadora que se liga aos dímeros do NF-kB16,17. Assim, a degradação de IκB-α libera dímeros de NF-kB, que então se translocam para o núcleo e induzem a expressão dos fatores de transcrição c-Fos e Fator Nuclear de Células T Ativadas 1 (NFATc1). Isso, por sua vez, desencadeia a transcrição de uma infinidade de proteínas relacionadas à diferenciação dos CO 15,18. Proteínas upregulated como DC-Stamp e Atp6v0d2 medeiam a fusão célula-célula de precursores de OC, levando à formação de sincício 19,20,21.
Com relação às células primárias humanas, as CMSP CD34+ e CD14+ são atualmente os tipos celulares mais utilizados para diferenciação emCO22. No entanto, essa abordagem é limitada pela heterogeneidade dentro da população CD34+ de células colhidas de doadores23 e sua limitada capacidade de expansão. As iPSCs humanas apresentam uma fonte alternativa para os COs. Como podem ser propagados indefinidamente24, permitem a expansibilidade e o upscaling da produção de OC. Isso permite a diferenciação de um grande número de COs, o que facilita a pesquisa de CO.
Vários protocolos para a diferenciação de iPSCs em CO foram publicados 25,26,27. Todo o processo de diferenciação pode ser dividido em uma parte de propagação de iPSC, uma parte de diferenciação mesodérmica e hematopoiética e diferenciação de OC. A propagação de iPSCs antes do processo de diferenciação permite o aumento da produção de OC antes da diferenciação. Existem várias abordagens em relação à diferenciação mesodérmica e hematopoiética. Tradicionalmente, a formação do corpo embrióide (BE) tem sido usada para diferenciar células hematopoéticas, mas abordagens baseadas em monocamadas representam outra estratégia de diferenciação hematopoética que não requer indução de EB. No entanto, sistemas baseados em monocamadas parecem exigir maior otimização, pois nós e outros descobrimos que as abordagens baseadas em EB são mais robustas para a diferenciação de OCs.
Aqui, descrevemos a diferenciação de COs de iPSCs humanas usando um protocolo baseado em EB. Esse protocolo foi adaptado de Rössler et al.26 e modificado para aumentar a robustez e permitir a criopreservação durante o processo de diferenciação. Primeiro, colhemos as células hematopoéticas apenas uma vez após 10 dias de diferenciação. As células hematopoéticas foram então criopreservadas para permitir maior flexibilidade durante o processo de diferenciação. Adicionalmente, aumentamos a densidade de semeadura de células hematopoéticas de 1 x 105 para 2 x 105 células/cm2 para diferenciação de CO. Um meio iPSC humano isento de soro mais recente (hiPSC-SFM, ver Tabela de Materiais) foi usado, e o revestimento dos poços foi realizado com 200-300 μg/mL de um extrato de membrana basal (ver Tabela de Materiais) em vez de 0,1% de gelatina. Penicilina/estreptomicina não foi adicionada à mídia.
O protocolo de Rössler et al.26 foi originalmente adaptado de uma iPSC para um protocolo de diferenciação de macrófagos28 que utiliza a formação de EB para diferenciação hematopoiética. Embora a formação da EB tenha sido utilizada por tempo prolongado por pesquisadores para diferenciação hematopoética29,30, vários métodos de indução da EB têm sido descritos na literatura, como agregação espontânea, centrifugação em placa de poço de fundo redondo, cultura em gota suspensa, cultura em biorreator, cultura de tubo cônico, vaso lateral de giro lento e cultura em gel de micromolde31. Este protocolo utiliza a centrifugação de iPSCs dissociadas em uma placa de poço de fundo redondo para aproximar células iPSC únicas umas das outras e permitir a formação de esferas (EB), como descrito a seguir.
NOTA: Todos os reagentes utilizados neste protocolo podem ser encontrados na Tabela de Materiais. Salvo especificação em contrário, todos os meios foram pré-equilibrados a 37 °C antes da utilização. Todas as etapas de centrifugação são realizadas a 37 °C e usando o modo de aceleração/desaceleração mais lento. Salvo indicação em contrário, o sobrenadante é sempre removido utilizando pipetas de vidro Pasteur descartáveis.
1. Descongelamento e propagação de iPSCs humanas
2. Passagem de iPSCs
3. Congelamento de iPSCs de volta
4. Indução do corpo embrionário
5. Diferenciação hematopoética
6. Maturação do M-CSF e diferenciação do CO
Monitoramento da morfologia celular ao longo do processo de diferenciação
Todos os resultados descritos abaixo foram gerados usando a linha MCND-TENS2 iPSC para diferenciação de CO. Essa linhagem de iPSC já foi utilizada em diversos estudos32,33. No entanto, outras linhagens de iPSC também têm sido utilizadas com sucesso com esse protocolo de diferenciação.
A avaliação visual regular revela característic...
Este protocolo oferece um método confiável e robusto para diferenciar iPSCs em OCs. No entanto, existem várias armadilhas que podem ser encontradas ao longo do processo de diferenciação. Linhagens humanas de iPSC geradas a partir de células de diferentes origens teciduais têm sido diferenciadas com sucesso por meio desse protocolo33. Ao congelar iPSCs de volta (consulte a etapa de protocolo "3. Congelamento de iPSCs"), um poço no ponto de passagem foi congelado de volta em um criovial. Ao ...
Os autores declaram não haver interesses concorrentes.
Os autores agradecem aos membros do laboratório Giachelli pela ajuda técnica e apoio. Agradecemos ao Centro de Microscopia W. M. Keck e ao gerente do Keck Center, Dr. Nathanial Peters, pela assistência na obtenção das imagens de microscopia confocal e de campo amplo. Agradecemos também ao UW Flow Core Facility e ao gerente do Flow Core Facility, Aurelio Silvestroni, pelo suporte técnico e assistência. Por fim, agradecemos a Hannah Blümke pelo apoio com ilustração e design gráfico.
O financiamento foi fornecido através do National Institutes of Health grant R35 HL139602-01. Também reconhecemos a concessão S10 do NIH S10 OD016240 para financiamento de instrumentos no W. M. Keck Center, bem como a concessão NIH 1S10OD024979-01A1 para financiamento de instrumentos no UW Flow Core Facility.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-Mercaptoethanol | Sigma Aldrich | M6250-10ML | |
Antibody - Anti-Cathepsin K | Abcam | ab19027 | |
Antibody - APC-conjugated Anti-Human CD45 | BD | 555485 | |
Antibody - APC-conjugated Mouse IgG1, κ Isotype Control | BD | 555751 | |
Antibody - BV711-conjugated Anti-Human CD14 | BD | 563372 | |
Antibody - BV711-conjugates Mouse IgG2b, κ Isotype Control | BD | 563125 | |
Antibody - Goat Anti-Rabbit IgG H&L Alexa Fluor® 647 | Abcam | ab150079 | |
Antibody - PE-conjugated Anti-Human CD14 | R&D Systems | FAB3832P-025 | |
Antibody - PE-conjugated Anti-Human Integrin alpha M/CD11b | R&D Systems | FAB16991P-025 | |
Antibody - PE-Cy7-conjugated Anti-Human CD34 | BD | 560710 | |
Antibody - PE-Cy7-conjugated Mouse IgG1 κ Isotype Control | BD | 557872 | |
Antibody - PE/Cyanine5-conjugated Anti-Human CD11b | Biolegend | 301308 | |
Antibody - PE/Cyanine5-conjugated Mouse IgG1, κ Isotype Ctrl | Biolegend | 400118 | |
Antibody - PerCP-Cy5.5-conjugated Mouse IgG1 κ Isotype Control | BD | 550795 | |
Antibody - PerCpCy5.5-conjugated Anti-Human CD43 | BD | 563521 | |
Bone Resorption Assay Kit | CosmoBioUSA | CSR-BRA-24KIT | |
Countess 3 Automated Cell Counter | ThermoFisher | 16812556 | |
Cultrex Stem Cell Qualified Reduced Growth Factor Basement Membrane Extract | R&D Sytems | 3434-010-02 | Basal membrane extract |
DAPI | R&D Systems | 5748/10 | |
Dispase (5 U/mL) | STEMCELL Technologies | 7913 | |
DMEM/F-12 with 15 mM HEPES | Stem Cell | 36254 | |
DMSO | Sigma Aldrich | D2650 | |
DPBS | Sigma Aldrich | D8537-500ML | |
Human Bone Morphogenetic Protein 4 (hBMP4) | STEMCELL Technologies | 78211 | |
Human IL-3 | STEMCELL Technologies | 78146.1 | |
Human Macrophage Colony-stimulating Factor (hM-CSF) | STEMCELL Technologies | 78150.1 | |
Human Soluble Receptor Activator of Nuclear Factor-κB Ligand (hsRANKL) | STEMCELL Technologies | 78214.1 | |
Human Stem Cell Factor (hSCF) | STEMCELL Technologies | 78155.1 | |
Human TruStain FcX (Fc Receptor Blocking Solution) | Biolegend | 422301 | |
Human Vascular Endothelial Growth Factor-165 (hVEGF165) | STEMCELL Technologies | 78073 | |
Invitrogen Rhodamine Phalloidin | Invitrogen | R415 | |
MEM α, nucleosides, no phenol red | ThermoFisher | 41061029 | |
mFreSR | STEMCELL Technologies | 05855 | Serum free cryopreservation medium |
mTeSR Plus medium | STEMCELL Technologies | 100-0276 | Human iPSC-serum free medium (hiPSC-SFM) |
Nunclon Sphera 96-Well, Nunclon Sphera-Treated, U-Shaped-Bottom Microplate | Thermo Scientific | 174925 | Round bottom ultra-low attachment 96-well plate |
P1000 Wide Bore Tips | ThermoFisher | 2079GPK | |
ROCK-Inhibitor Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72304 | |
StemSpan SFEM | StemCell | 09650 | Hematopoietic cell culture medium |
TrypLE Select Enzyme (1X), no phenol red | Thermo Fisher | 12563011 | Single-cell dissociation reagent |
Ultraglutamine | Bioscience Lonza | BE17-605E/U1 | |
X-VIVO 15 Serum-free Hematopoietic Cell Medium | Bioscience Lonza | 04-418Q | Hematopoietic basal medium |
µ-Slide 8 Well High | Ibidi | 80806 |
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