Name: directed induction of retinal organoids from human pluripotent stem cells
Uploaded: 2021-04-21T13:30:00
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Ringraziamo i membri del laboratorio 502 per il loro supporto tecnico e i commenti utili riguardanti il manoscritto. Questo lavoro è stato in parte supportato dalla Beijing Municipal Natural Science Foundation (Z200014) e dal National Key R&D Program of China (2017YFA0105300).

Questo studio è stato approvato dal Comitato etico istituzionale del Beijing Tongren Hospital, Capital Medical University. Le hESC H9 sono state ottenute dal WiCell Research Institute e geneticamente modificate su linea cellulare tdTomato-tagged.
1. Generazione di RO umane
<ol><li>Coltura degli hESC in condizioni prive di alimentatore.<ol><li>Rivestire un pozzetto di una piastra a 6 pozzetti con 1 mL di reagente A da 0,1 mg/mL (Tabella dei materiali) a 37 °C per almeno mez...

<ol>
	<li>Xie, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chromatin+accessibility+analysis+reveals+regulatory+dynamics+of+developing+human+retina+and+hiPSC-derived+retinal+organoids.">Chromatin accessibility analysis reveals regulatory dynamics of developing human retina and hiPSC-derived retinal organoids.</a> Science Advances. 6 (6), 5247 (2020).</li><li>Lu, Y. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Single-Cell+Analysis+of+Human+Retina+Identifies+Evolutionarily+Conserved+and+Species-Specific+Mechanisms+Controlling+Development.">Single-Cell Analysis of Human Retina Identifies Evolutionarily Conserved and Species-Specific Mechanisms Controlling Development.</a> Developmental Cell. 53 (4), 473-491 (2020).</li><li>Cowan, C. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cell+Types+of+the+Human+Retina+and+Its+Organoids+at+Single-Cell+Resolution.">Cell Types of the Human Retina and Its Organoids at Single-Cell Resolution.</a> Cell. 182 (6), 1623-1640 (2020).</li><li>Jin, Z. B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Stemming+retinal+regeneration+with+pluripotent+stem+cells.">Stemming retinal regeneration with pluripotent stem cells.</a> Progress in Retinal and Eye Research. 69, 38-56 (2019).</li><li>Nakano, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Self-formation+of+optic+cups+and+storable+stratified+neural+retina+from+human+ESCs.">Self-formation of optic cups and storable stratified neural retina from human ESCs.</a> Cell Stem Cell. 10 (6), 771-785 (2012).</li><li>Pan, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=COCO+enhances+the+efficiency+of+photoreceptor+precursor+differentiation+in+early+human+embryonic+stem+cell-derived+retinal+organoids.">COCO enhances the efficiency of photoreceptor precursor differentiation in early human embryonic stem cell-derived retinal organoids.</a> Stem Cell Research and Therapy. 11 (1), 366 (2020).</li><li>Zhou, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differentiation+of+human+embryonic+stem+cells+into+cone+photoreceptors+through+simultaneous+inhibition+of+BMP,+TGFbeta+and+Wnt+signaling.">Differentiation of human embryonic stem cells into cone photoreceptors through simultaneous inhibition of BMP, TGFbeta and Wnt signaling.</a> Development. 142 (19), 3294-3306 (2015).</li><li>Deng, W. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gene+Correction+Reverses+Ciliopathy+and+Photoreceptor+Loss+in+iPSC-Derived+Retinal+Organoids+from+Retinitis+Pigmentosa+Patients.">Gene Correction Reverses Ciliopathy and Photoreceptor Loss in iPSC-Derived Retinal Organoids from Retinitis Pigmentosa Patients.</a> Stem Cell Reports. 10 (4), 1267-1281 (2018).</li><li>Gao, M. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Patient-Specific+Retinal+Organoids+Recapitulate+Disease+Features+of+Late-Onset+Retinitis+Pigmentosa.">Patient-Specific Retinal Organoids Recapitulate Disease Features of Late-Onset Retinitis Pigmentosa.</a> Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 128 (2020).</li><li>Zhang, C. J., Ma, Y., Jin, Z. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+road+to+restore+vision+with+photoreceptor+regeneration.">The road to restore vision with photoreceptor regeneration.</a> Experimental Eye Research. 202, 108283 (2020).</li><li>Reichman, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=From+confluent+human+iPS+cells+to+self-forming+neural+retina+and+retinal+pigmented+epithelium.">From confluent human iPS cells to self-forming neural retina and retinal pigmented epithelium.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the U. S. A. 111 (23), 8518-8523 (2014).</li><li>Kuwahara, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+a+ciliary+margin-like+stem+cell+niche+from+self-organizing+human+retinal+tissue.">Generation of a ciliary margin-like stem cell niche from self-organizing human retinal tissue.</a> Nature Communications. 6, 6286 (2015).</li></ol>

La differenziazione organoide retinica è un metodo auspicabile per la generazione di ampie cellule retiniche funzionali. Il RO è un composto di diverse cellule retiniche, come cellule ganglionari, cellule bipolari e fotorecettori, generate da cellule staminali pluripotenti verso la retina neurale 4,5,8,9. Sebbene i RO confluenti possano essere raccolti, richiede molto tempo, il che può richi...

Le cellule staminali pluripotenti (PSC) sono caratterizzate dal loro auto-rinnovamento e dalla capacità di differenziarsi in tutti i tipi di cellule somatiche. Pertanto, gli organoidi derivati dalle PSC sono diventati una risorsa importante nella ricerca sulla medicina rigenerativa. La degenerazione retinica è caratterizzata dalla perdita di fotorecettori (coni e bastoncelli) e dall'epitelio pigmentato retinico. La sostituzione delle cellule retiniche potrebbe essere un trattamento incoraggiante per questa malattia. Tuttavia, non è possibile ottenere retine umane per la ricerca e la terapia della malattia. Pertanto, gli organoidi retinici (RO) derivati dalle PSC, che ricapitolano efficacemente e con successo le cellule retiniche native multistrato, sono utili per la ricerca di base e traslazionale 1,2,3. La nostra ricerca si concentra sulla differenziazione RO per fornire cellule sufficienti e di qualità per studiare la degenerazione retinica4.
I metodi per differenziare i RO stanno emergendo continuamente, con la differenziazione tridimensionale (3D) delle sospensioni sperimentata dal laboratorio Sasai nel 20125. Abbiamo introdotto il tag CRX-tdTomato nelle cellule staminali embrionali umane (hESC) per tracciare specificamente le cellule precursori dei fotorecettori e modificato il metodo con l'aggiunta di COCO, un antagonista multifunzionale dei percorsi Wnt, TGF-β e BMP6. COCO ha dimostrato di migliorare efficacemente l'efficienza di differenziazione dei precursori e dei coni dei fotorecettori 6,7.
Complessivamente, modificando il metodo di differenziazione classico, abbiamo sviluppato un protocollo accessibile per raccogliere abbondanti precursori e coni di fotorecettori da RO umane per analizzare la malattia retinica associata ai fotorecettori attraverso indagini di laboratorio e per ulteriori applicazioni cliniche / trapianti.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2-mercaptoethanol</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>21985-023</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>COCO</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>3047-CC-050</td>
			<td>DAN Domain family of BMP antagonists</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM/F-12</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>10565-042</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>D2650</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPBS</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>C141905005BT</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EDTA</td>
			<td>Thermo</td>
			<td>15575020</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum (FBS), Qualified for Human Embryonic Stem Cells</td>
			<td>Biological Industry</td>
			<td>04-002-1A</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GMEM</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11710-035</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KnockOut Serum Replacement-Multi-Species</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>A3181502</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MEM Non-essential Amino Acid Solution (100X)</td>
			<td>sigma</td>
			<td>M7145</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pen Strep</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15140-122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primesurface 96 V-plate</td>
			<td>Sbio</td>
			<td>MS9096SZ</td>
			<td>Cell aggregation in 1.2.7</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pyruvate</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>S8636</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reagent A</td>
			<td>BD</td>
			<td>356231</td>
			<td>Matrigel in 1.1.1</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reagent B</td>
			<td>StemCell</td>
			<td>5990</td>
			<td>mTeSR- E8 , PSCs basal medium in 1.1.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reagent C</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>12563-011</td>
			<td>TrypLE Express in 1.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Reagent D</td>
			<td>Roche</td>
			<td>11284932001</td>
			<td>DNase I , in 1.2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Retinoic acid</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>R2625-100MG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SAG</td>
			<td>Enzo Life Science</td>
			<td>ALX-270-426-M001</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Supplement 1</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>17502-048</td>
			<td>N-2 Supplement (100X), Liquid, supplemet in medum III</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Taurine</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>T-8691-25G</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin-EDTA (0.25%), phenol red</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>25200056</td>
			<td>organoids dissociation in 2.1.3</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wnt Antagonist I, IWR-1-endo - Calbiochem</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>681669</td>
			<td>Wnt inhibitor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Y-27632 2HCl</td>
			<td>Selleck</td>
			<td>S1049</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

directed induction of retinal organoids from human pluripotent stem cells

Il trapianto di cellule retiniche è un approccio terapeutico promettente, che potrebbe ripristinare l'architettura retinica e stabilizzare o addirittura migliorare le capacità visive della retina degenerata. Tuttavia, i progressi nella terapia di sostituzione cellulare devono attualmente affrontare le sfide di richiedere una fonte pronta all'uso di retine umane standardizzate e di alta qualità. Pertanto, è necessario un protocollo facile e stabile per gli esperimenti. Qui, sviluppiamo un protocollo ottimizzato, basato su un metodo auto-organizzante con l'uso di molecole esogene e reagente A e l'escissione manuale per generare gli organoidi tridimensionali della retina umana (RO). La RO derivata dalle cellule staminali pluripotenti umane (PSC) esprime marcatori specifici per i fotorecettori. Con l'aggiunta di COCO, un antagonista multifunzionale, l'efficienza di differenziazione dei precursori e dei coni dei fotorecettori è significativamente aumentata. L'uso efficiente di questo sistema, che ha i vantaggi delle linee cellulari e delle cellule primarie, e senza i problemi di approvvigionamento associati a queste ultime, potrebbe produrre cellule retiniche confluenti, in particolare fotorecettori. Pertanto, la differenziazione delle PSC in RO fornisce una piattaforma ottimale e biorilevante per la modellizzazione della malattia, lo screening farmacologico e il trapianto di cellule.

L'illustrazione schematica illustra il protocollo di differenziazione per migliorare le cellule precursori con COCO (Figura 1). Da PSC a RO, numerosi dettagli potrebbero causare variazioni di risultato. Si consiglia di registrare ogni fase e anche il numero di catalogo e il numero di lotto di ogni mezzo per tracciare l'intera procedura.
Qui, forniamo immagini in campo chiaro per i giorni 6, 12, 18 e 45 (Figura 2). Il giorno 6, gli org...

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Directed Induction of Retinal Organoids from Human Pluripotent Stem Cells

Utilizzando un metodo auto-organizzante, sviluppiamo un protocollo con l'aggiunta di COCO che potrebbe aumentare significativamente la generazione di fotorecettori.

Induzione diretta di organoidi retinici da cellule staminali pluripotenti umane

Retinal cell transplantation is a promising therapeutic approach, which could restore the retinal architecture and stabilize or even improve the visual ...

Questo è un modello per la malattia retinica ed emula la retina in vivo. In una certa misura, potrebbe sostituire gli esperimenti sugli animali. Il protocollo è ottimizzato per la qualità e la quantità dei precursori dei fotorecettori negli organoidi retinici e il fotorecettore è la chiave per diverse condizioni irreversibili di cecità.Inizia coltivando le cellule staminali embrionali umane, o hESC, in condizioni prive di alimentatore. Per fare ciò, rivestire un pozzetto di una piastra a sei pozzetti con un millilitro di 100 microgrammi per millilitro di reagente A e incubare la piastra a 37 gradi Celsius per almeno mezz'ora. Scongelare un'aliquota di un milione di hESC e centrifugarla a 200 xg per cinque minuti.Dopo aver rimosso il surnatante, seminare le cellule nella piastra precedentemente rivestita, insieme a due millilitri di reagente B.Passage le cellule dopo aver raggiunto circa l'80% di confluenza a circa quattro giorni. Dopo aver raggiunto la confluenza, lavare le cellule con DPBS preriscaldato e trasferirle in 500 microlitri di reagente appena preparato. Quindi, incubare le cellule per 3,5 minuti a 37 gradi Celsius e 5% di anidride carbonica.Staccare le celle facendo scorrere il lato e il fondo della piastra per alcuni secondi e aggiungere 500 microlitri di mezzo preparato. Raccogliere le cellule staccate in un nuovo tubo da 1,5 millilitri e pipettare la sospensione cellulare su e giù. Per il conteggio delle cellule, aggiungere 100 microlitri di sospensione cellulare a 900 microlitri di DPBS.Diluire i 900 microlitri della sospensione cellulare rimanente con uno medio nella capsula di Petri per ottenere nove volte 10 alla quarta cella di potenza per millilitro. Aggiungere 100 microlitri di sospensione cellulare diluita a ciascun pozzetto di una piastra non aderente, con fondo a V, a 96 pozzetti. Ruotare leggermente la piastra su uno shaker a bassa velocità per cinque minuti e incubare a 37 gradi Celsius e al 5% di anidride carbonica fino al secondo giorno.Il secondo giorno, aggiungere 20 microlitri di reagente A all'1% a ciascun pozzetto della piastra a 96 pozzetti e pipettare due volte al centro per disperdere le cellule morte. Pulire il fondo del piatto prima di incubarlo a 37 gradi Celsius e al 5% di anidride carbonica fino al sesto giorno. Il sesto giorno, sostituire 58 microlitri del mezzo con 60 microlitri di uno medio fresco e continuare l'incubazione.Il giorno 12, raccogliere i pellet cellulari dalla piastra a 96 pozzetti in un tubo conico da 15 millilitri e lasciare che i pellet si depositino naturalmente per cinque minuti a temperatura ambiente. Quando i pellet si depositano, rimuovere il surnatante senza disturbare gli organoidi e trasferire gli aggregati cellulari in un piatto di sospensione di 10 centimetri contenente 18 millilitri di mezzo due con reagente A.Incubare il piatto a 37 gradi Celsius e 5% di anidride carbonica fino al giorno 18. Il giorno 18, confermare la generazione di una vescicola ottica semitrasparente nel piatto e tagliare gli organoidi generati usando un coltello microchirurgico.Aggregare tutti i pellet tagliati al centro del piatto. Quindi, raccogliere le cellule in un tubo Falcon conico da 15 millilitri. Quando le cellule si depositano, rimuovere delicatamente il surnatante e risospendere i pellet in due piastre di Petri da 10 centimetri con 18 millilitri di mezzo, tre per piatto.Trasferire delicatamente i piatti nell'incubatore per evitare l'aggregazione cellulare. Continuare a coltivare le cellule, cambiando il mezzo settimanale. Analizzare l'espressione di CRX dopo il giorno 45 fino al giorno 120.In questa analisi rappresentativa, vengono visualizzate varie fasi della generazione della retina umana. Il sesto giorno, gli organoidi sono apparsi come un aggregato di connessioni dense all'interno di un bordo luminoso con un diametro di circa 600 micrometri. Il giorno 12 ha avuto luogo la generazione iniziale delle strutture simili a vescicole ottiche.Gli organoidi senza un'adeguata architettura vescicolare sono stati scartati prima di essere coltivati in una capsula di Petri il giorno 18. Al giorno 30 della cultura, l'architettura vescicolare era più evidente e le RO inferiori potevano essere facilmente distinte e rimosse. A partire dal giorno 45, gli organoidi hanno espresso vari marcatori di precursori dei fotorecettori, come CRX, RCVRN e OTX2.Separando gli organoidi retinici superiori, l'efficienza di differenziazione è significativamente migliorata e potrebbero essere raccolti più di 100 organoidi superiori da 96 piastre.

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