Name: generation of 3d whole lung organoids from induced pluripotent stem cells for modeling lung developmental biology and disease
Uploaded: 2021-04-12T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Generation of 3D Whole Lung Organoids from Induced Pluripotent Stem Cells for Modeling Lung Developmental Biology and Disease at JoVE.com

この研究は、カリフォルニア再生医療研究所(CIRM)(DISC2-COVID19-12022)によって支援されました。

この研究議定書は、UCSDの人間研究保護プログラム(181180)の機関審査委員会によって承認されました。
1. 人工多能性幹細胞からの決定的な内胚葉誘導(1日目~3日目)
<ol><li>ゆっくりと解凍成長因子は、使用の30分前に氷上の(GFR)基質膜(BM)マトリックス培地を減少させた。冷たいDMEM/F12において、混合物は、この培地の50%を構成するようなGFRBMマトリックス培地1:1を希釈する。P...

<ol>
	<li>Ten Have-Opbroek, A. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lung+development+in+the+mouse+embryo.">Lung development in the mouse embryo.</a> Experimental Lung Research. 17 (2), 111-130 (1991).</li><li>Perl, A. K., Whitsett, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+mechanisms+controlling+lung+morphogenesis.">Molecular mechanisms controlling lung morphogenesis.</a> Clinical Genetics. 56 (1), 14-27 (1999).</li><li>Leibel, S., Post, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Endogenous+and+exogenous+stem/progenitor+cells+in+the+lung+and+their+role+in+the+pathogenesis+and+treatment+of+pediatric+lung+disease.">Endogenous and exogenous stem/progenitor cells in the lung and their role in the pathogenesis and treatment of pediatric lung disease.</a> Frontiers in Pediatrics. 4, 36 (2016).</li><li>Hines, E. A., Sun, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tissue+crosstalk+in+lung+development.">Tissue crosstalk in lung development.</a> Journal of Cellular Biochemistry. 115 (9), 1469-1477 (2014).</li><li>Montoro, D. 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=A+revised+airway+epithelial+hierarchy+includes+CFTR-expressing+ionocytes.">A revised airway epithelial hierarchy includes CFTR-expressing ionocytes.</a> Nature. 560 (7718), 319-324 (2018).</li><li>Barkauskas, C. E., 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=Type+2+alveolar+cells+are+stem+cells+in+adult+lung.">Type 2 alveolar cells are stem cells in adult lung.</a> The Journal of Clinical Investigation. 123 (7), 3025-3036 (2013).</li><li>D'Amour, K. 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=Efficient+differentiation+of+human+embryonic+stem+cells+to+definitive+endoderm.">Efficient differentiation of human embryonic stem cells to definitive endoderm.</a> Nature Biotechnology. 23 (12), 1534-1541 (2005).</li><li>Green, M. 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=Generation+of+anterior+foregut+endoderm+from+human+embryonic+and+induced+pluripotent+stem+cells.">Generation of anterior foregut endoderm from human embryonic and induced pluripotent stem cells.</a> Nature Biotechnology. 29 (3), 267-272 (2011).</li><li>Ikeda, K., Shaw-White, J. R., Wert, S. E., Whitsett, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hepatocyte+nuclear+factor+3+activates+transcription+of+thyroid+transcription+factor+1+in+respiratory+epithelial+cells.">Hepatocyte nuclear factor 3 activates transcription of thyroid transcription factor 1 in respiratory epithelial cells.</a> Molecular Cell Biology. 16 (7), 3626-3636 (1996).</li><li>Schittny, J. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+the+lung.">Development of the lung.</a> Cell and Tissue Research. 367 (3), 427-444 (2017).</li><li>Mecham, R. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elastin+in+lung+development+and+disease+pathogenesis.">Elastin in lung development and disease pathogenesis.</a> Matrix Biology: Journal of the International Society for Matrix Biology. 73, 6-20 (2018).</li><li>Bellusci, S., Grindley, J., Emoto, H., Itoh, N., Hogan, B. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fibroblast+growth+factor+10+(FGF10)+and+branching+morphogenesis+in+the+embryonic+mouse+lung.">Fibroblast growth factor 10 (FGF10) and branching morphogenesis in the embryonic mouse lung.</a> Development. 124 (23), 4867-4878 (1997).</li><li>Bellusci, 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=Involvement+of+Sonic+hedgehog+(Shh)+in+mouse+embryonic+lung+growth+and+morphogenesis.">Involvement of Sonic hedgehog (Shh) in mouse embryonic lung growth and morphogenesis.</a> Development. 124 (1), 53-63 (1997).</li><li>Yamamoto, Y., 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=Long-term+expansion+of+alveolar+stem+cells+derived+from+human+iPS+cells+in+organoids.">Long-term expansion of alveolar stem cells derived from human iPS cells in organoids.</a> Nature Methods. 14 (11), 1097-1106 (2017).</li><li>Hawkins, 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=Prospective+isolation+of+NKX2-1-expressing+human+lung+progenitors+derived+from+pluripotent+stem+cells.">Prospective isolation of NKX2-1-expressing human lung progenitors derived from pluripotent stem cells.</a> The Journal of Clinical Investigation. 127 (6), 2277-2294 (2017).</li><li>McCauley, K. 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J., 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+lung+organoids+from+human+pluripotent+stem+cells+in+vitro.">Generation of lung organoids from human pluripotent stem cells in vitro.</a> Nature Protocols. 14 (2), 518-540 (2019).</li><li>Gotoh, 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=Generation+of+alveolar+epithelial+spheroids+via+isolated+progenitor+cells+from+human+pluripotent+stem+cells.">Generation of alveolar epithelial spheroids via isolated progenitor cells from human pluripotent stem cells.</a> Stem Cell Reports. 3 (3), 394-403 (2014).</li><li>Huang, S. X., 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=Efficient+generation+of+lung+and+airway+epithelial+cells+from+human+pluripotent+stem+cells.">Efficient generation of lung and airway epithelial cells from human pluripotent stem cells.</a> Nature Biotechnology. 32 (1), 84-91 (2014).</li><li>Endale, M., 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=Temporal,+spatial,+and+phenotypical+changes+of+PDGFR&#945;+expressing+fibroblasts+during+late+lung+development.">Temporal, spatial, and phenotypical changes of PDGFR&#945; expressing fibroblasts during late lung development.</a> Developmental Biology. 425 (2), 161-175 (2017).</li><li>Fatehullah, A., Tan, S. H., Barker, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organoids+as+an+in+vitro+model+of+human+development+and+disease.">Organoids as an in vitro model of human development and disease.</a> Nature Cell Biology. 18 (3), 246-254 (2016).</li><li>Nikoli&#263;, M. Z., Rawlins, E. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Lung+organoids+and+their+use+to+study+cell-cell+interaction.">Lung organoids and their use to study cell-cell interaction.</a> Current Pathobiology Reports. 5 (2), 223-231 (2017).</li><li>Calvert, B. A., Ryan Firth, A. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Application+of+iPSC+to+modelling+of+respiratory+diseases.">Application of iPSC to modelling of respiratory diseases.</a> Advances on Experimental Medicine and Biology. 1237, 1-16 (2020).</li><li>McCulley, D., Wienhold, M., Sun, X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+pulmonary+mesenchyme+directs+lung+development.">The pulmonary mesenchyme directs lung development.</a> Current Opinion in Genetics and Development. 32, 98-105 (2015).</li><li>Blume, C., 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=Cellular+crosstalk+between+airway+epithelial+and+endothelial+cells+regulates+barrier+functions+during+exposure+to+double-stranded+RNA.">Cellular crosstalk between airway epithelial and endothelial cells regulates barrier functions during exposure to double-stranded RNA.</a> Immunity, Inflammation and Disease. 5 (1), 45-56 (2017).</li><li>Leibel, S. 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=Reversal+of+surfactant+protein+B+deficiency+in+patient+specific+human+induced+pluripotent+stem+cell+derived+lung+organoids+by+gene+therapy.">Reversal of surfactant protein B deficiency in patient specific human induced pluripotent stem cell derived lung organoids by gene therapy.</a> Scientific Reports. 9 (1), 13450 (2019).</li><li>Rock, J. R., 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=Basal+cells+as+stem+cells+of+the+mouse+trachea+and+human+airway+epithelium.">Basal cells as stem cells of the mouse trachea and human airway epithelium.</a> Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 106 (31), 12771-12775 (2009).</li><li>Gonzalez, R. F., Allen, L., Gonzales, L., Ballard, P. L., Dobbs, L. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=HTII-280,+a+biomarker+specific+to+the+apical+plasma+membrane+of+human+lung+alveolar+type+II+cells.">HTII-280, a biomarker specific to the apical plasma membrane of human lung alveolar type II cells.</a> The Journal of Histochemistry and Cytochemistry: Official Journal of the Histochemistry Society. 58 (10), 891-901 (2010).</li><li>McCauley, K. 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=Single-cell+transcriptomic+profiling+of+pluripotent+stem+cell-derived+SCGB3A2++airway+epithelium.">Single-cell transcriptomic profiling of pluripotent stem cell-derived SCGB3A2+ airway epithelium.</a> Stem Cell Reports. 10 (5), 1579-1595 (2018).</li><li>Sekine, K., 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=Robust+detection+of+undifferentiated+iPSC+among+differentiated+cells.">Robust detection of undifferentiated iPSC among differentiated cells.</a> Scientific Reports. 10 (1), 10293 (2020).</li><li>Jacquet, 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=Strategy+for+the+creation+of+clinical+grade+hESC+line+banks+that+HLA-match+a+target+population.">Strategy for the creation of clinical grade hESC line banks that HLA-match a target population.</a> EMBO Molecular Medicine. 5 (1), 10-17 (2013).</li><li>Mattapally, 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=Human+leukocyte+antigen+class+I+and+II+knockout+human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cells:+universal+donor+for+cell+therapy.">Human leukocyte antigen class I and II knockout human induced pluripotent stem cell-derived cells: universal donor for cell therapy.</a> Journal of the American Heart Association. 7 (23), 010239 (2018).</li></ol>

3D全肺オルガノイド(WLO)の分化が成功したのは、成長因子や小分子への暴露時間、通過後の細胞密度、HiPSCの品質など、細部に注意を払った6週間のマルチステッププロトコルに依存しています。トラブルシューティングについては、 表 2 を参照してください。hiPSCは、解離前に約70%〜80%のコンフルエントで、5%未満の自発的分化を行う必要があります。このプロトコルは"mTeSR プラ?...

肺は、胚性、仮頭腺、運河、嚢胞、眼胞、微小血管成熟の6つの異なる段階で発達する複雑で異質な動的器官である1,2。後者の2つの段階は人間の発達において出生前および出生後に起こり、最初の4段階は早産が起こらない限り胎児の発達中に排他的に起こる3。胚期は内胚芽層から始まり、気管と肺の芽の出芽で終わる。肺の発達は、上皮細胞と間葉系細胞4との間のシグナル伝達を介して部分的に起こる。これらの相互作用は、肺の分岐、増殖、細胞の運命決定および発達中の肺の細胞分化をもたらす。肺は伝導域(末端気管支への気管)と呼吸帯(肺胞への呼吸気管支)に分けられる。各ゾーンには、ユニークな上皮細胞タイプが含まれています。導体気道内に基底、分泌、毛様体、ブラシ、神経内分泌、ヨウノサイト細胞を含む5、続いて肺胞型I型およびII細胞を呼吸上皮6に含む。様々な細胞型の損傷に対する発達と反応については、まだ多くのことが不明である。iPSC由来の肺オルガノイドモデルは、ヒト肺の発達を促進するメカニズム、肺機能に対する遺伝子変異の影響、および原発性ヒト肺組織を必要とせずに感染因子に対する上皮および間葉の両方の反応を促進する。
胚分化の様々な段階に対応するマーカーとしては、CXCR4、cKit、FOXA2、およびSOX17が決定的な内胚(DE)7、FOXA2、TBX1、および前前腸内胚葉(AFE)8のSOX2、早期肺前駆細胞用NKX2-1が含まれる。胚性肺の発達では、前腸は食道および腹側気管に分かれる。右と左の肺の芽は気管の芽10のまわりの2つの独立した外挿として現れる。分岐形態形成の間葉形成の間葉は、伸縮性組織、平滑筋、軟骨、脈管構造11を生成する。上皮と間葉系の相互作用は、正常な肺の発達に不可欠である。これには、上皮によって産生される間葉系およびSHH13によるFGF1012の分泌が含まれる。
ここでは、HIPSCを3次元(3D)全肺オルガノイド(WLO)に誘導分化するためのプロトコルについて説明する。LPC段階で並べ替えを行って肺胞状の14,15(遠位)オルガノイドまたは気道16(近位)オルガロイドを作ったり、腹側前腸前腸球体を生成して肺胞細胞とmesenterのマーカーと親子のマーカーと前駆体のマーカーと前足のマーカーを選別することによって肺前駆細胞の単離を組み込む同様のアプローチがある。この方法の強さは、肺分岐形態形成、成熟、およびインビトロでの拡張をパターン化し、調整するための肺上皮および間葉細胞型の両方を含めることである。
このプロトコルは、小分子と成長因子を使用して、決定的な内胚葉、前腸内臓内臓、肺前駆細胞を介して多能性幹細胞の分化を指示する。これらの細胞は、分岐および成熟を含む重要な発達段階を通じて3D全肺オルガノイドに誘導される。分化プロトコルの概要は、図1bに示す内胚葉およびオルガノイド分化の代表的な明視野画像を用いて図1aに示されている。図1c,dは、分化を完了した後の肺上皮細胞の近位および遠位の両方の集団の遺伝子発現と同様に、内皮分化の遺伝子発現の詳細を示す。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Cell Culture</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12 well plates</td>
			<td>Corning</td>
			<td>3512</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>12-well inserts, 0.4um, translucent</td>
			<td>VWR</td>
			<td>10769-208</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-mercaptoethanol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M3148</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Accutase</td>
			<td>Innovative Cell Tech</td>
			<td>AT104</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ascorbic acid</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>A4544</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B27 without retinoic acid</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>12587010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bovine serum albumin (BSA) Fraction V, 7.5% solution</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15260-037</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dispase</td>
			<td>StemCellTech</td>
			<td>7913</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM/F12</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>10565042</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FBS</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>10082139</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutamax</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>35050061</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ham&#8217;s F12</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>11765-054</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HEPES</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15630-080</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iscove&#8217;s Modified Dulbecco&#8217;s Medium (IMDM) + Glutamax</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>31980030</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Knockout Serum Replacement (KSR)</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>10828028</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Matrigel</td>
			<td>Corning</td>
			<td>354230</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Monothioglycerol</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>M6145</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>mTeSR plus Kit (10/case)</td>
			<td>Stem Cell Tech</td>
			<td>5825</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>17502048</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NEAA</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>11140050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pen/strep</td>
			<td>Lonza</td>
			<td>17-602F</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ReleSR</td>
			<td>Stem Cell Tech</td>
			<td>5872</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>RPMI1640 + Glutamax</td>
			<td>Life Technologies</td>
			<td>12633012</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TrypLE</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>12605-028</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Y-27632 (Rock Inhibitor)</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>1254/1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Growth Factors/Small Molecules</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Activin A</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>338-AC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>All-trans retinoic acid (RA)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>R2625</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BMP4</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>314-BP/CF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Br-cAMP</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>B5386</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CHIR99021</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab120890</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dexamethasone</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>D4902</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dorsomorphin</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>3093</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EGF</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>236-EG</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FGF10</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>345-FG/CF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FGF7</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>251-KG/CF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>IBMX (3-Isobtyl-1-methylxanthine)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>I5879</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SB431542</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>1614</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>VEGF/PIGF</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>297-VP/CF</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Primary antibodies</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>Dilution rate</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CXCR4-PE</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>FAB170P</td>
			<td>1:200 (F)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HOPX</td>
			<td>Santa Cruz Biotech</td>
			<td>sc-398703</td>
			<td>0.180555556</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HTII-280</td>
			<td>Terrace Biotech</td>
			<td>TB-27AHT2-280</td>
			<td>0.145833333</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>KRT5</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab52635</td>
			<td>0.180555556</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NKX2-1</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab76013</td>
			<td>0.25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NKX2-1-APC</td>
			<td>LS-BIO</td>
			<td>LS-C264437</td>
			<td>1:1000 (F)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>proSPC</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab40871</td>
			<td>0.215277778</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SCGB3A2</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab181853</td>
			<td>0.25</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SOX2</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>MA1-014</td>
			<td>0.180555556</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SOX9</td>
			<td>R&#38;D Systems</td>
			<td>AF3075</td>
			<td>0.180555556</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPB (mature)</td>
			<td>7 Hills</td>
			<td>48604</td>
			<td>1: 1500 (F) 1:500 (W)a</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SPC (mature)</td>
			<td>LS Bio</td>
			<td>LS-B9161</td>
			<td>1:100 (F); 1:500 (W) a</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

generation of 3d whole lung organoids from induced pluripotent stem cells for modeling lung developmental biology and disease

ヒトの肺の発達と疾患は、生体関連の インビトロ モデルシステムがないため、研究が困難であった。ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)は、上皮細胞と間葉系細胞集団の両方からなる3D多細胞性肺オルガノイドに段階的に分化することができる。胚発生の手掛かりを、様々な成長因子と小分子を一時的に導入し、決定的な内胚、前腸内胚の内胚体、そしてその後肺前駆細胞を効率的に生成することによって再現します。これらの細胞は、次に成長因子還元(GFR)基膜マトリックス培地に埋め込まれ、外部の成長因子に応答して3D肺オルガノイドに自発的に発達することを可能にする。これらの全肺オルガノイド(WLO)は、デキサメタゾン、環状AMPおよびイソブチルキサンチンへの暴露後の分岐形態形成および成熟を含む初期の肺発達段階を受ける。Wloは、マーカーKRT5(基底)、SCGB3A2(クラブ)およびMUC5AC(ゴブレット)、およびHOPX(肺胞タイプI)およびSP-C(肺胞タイプII)を発現する肺胞上皮細胞を発現する気道上皮細胞を有する。間葉系細胞は、平滑筋アクチン(SMA)、および血小板由来増殖因子受容体A(PDGFRα)を含む存在も存在する。iPSC由来のWloは、何か月の間、3D培養条件で維持することができ、特定の細胞集団を精製するために表面マーカーのためにソートすることができる。iPSC由来のWlosは、肺上皮と間葉系間のシグナル伝達を含むヒト肺の発達を研究し、ヒト肺細胞の機能および発達に関する遺伝子変異をモデル化し、感染剤の細胞毒性を決定するためにも利用することができる。

めっきの24時間後、1日目、iPSCは50%-90%コンフルエントでなければなりません。2日目には、DEは90%-95%コンフルエントでなければなりません。DE誘導の間、4日目に有意な細胞死を観察することが一般的であるが、結合された細胞はコンパクトな石畳の形態を保持する(図2b)。接着細胞の大部分が剥離する場合は分化を中止し、6-12時間でアクチビンAを有するDE培地への暴露を?...

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Generation of 3D Whole Lung Organoids from Induced Pluripotent Stem Cells for Modeling Lung Developmental Biology and Disease

本稿では、近位および遠位上皮肺細胞と共に近位および遠位上皮肺細胞の両方を含む3次元全肺オルガノイドに対する誘導多能性幹細胞のステップ指向分化について説明する。

肺発生生物学と疾患をモデル化するための人工多能性幹細胞からの3D全肺オルガノイドの生成

Human lung development and disease has been difficult to study due to the lack of biologically relevant in vitro model systems. Human induced pluripotent ...

このプロトコルは、人工多能性幹細胞を使用して肺細胞に分化し、ヒト肺疾患および皿の発達をモデル化する。このプロトコルは、初発ヒト肺組織を得て培養することが困難であるため、重要である。多能性幹細胞から肺細胞を分化する主な利点は、ヒトの肺の発達と疾患を研究するために特定の肺細胞を一定に供給することです。これらの細胞は、長期間細胞培養中に維持することができ、将来の用途のために凍結保存することができ、遺伝子変異を研究するために遺伝的に操作することができる。この手順のデモンストレーションは、私の研究室の博士候補生であるレイチェル・マクヴィカーです。実験を開始する前に、成長因子をゆっくりと解凍して、氷上の基基膜マトリックス培地であるGFRを、同量の冷たいDMEM F12で希釈する。P1000のチップを冷凍庫に入れ、使用前に冷やします。次に、50%GFR基膜マトリックス培地の500マイクロリットルで12ウェルプレートの各ウェルをコーティングし、ウェルから余分な培地混合物と気泡を除去します。ウェルプレートを湿った氷の上に置くか、冷蔵庫を摂氏4度で20分間セットし、プレートを一晩で37度の摂氏インキュベーターに移動します。高いPSEが70%の合流度に達したら、ヒト人工多能性幹細胞に10マイクロモルROCK阻害剤Y27632を加え、解離する前に1時間待ちます。培地を吸引し、PVSで細胞を一度洗う。1ウェルあたり500マイクロリットルの細胞剥離培地を添加してIPSCを解離し、5%の二酸化炭素インキュベーターで摂氏37度で20分間インキュベートする。インキュベーション後、ウェルあたり500マイクロリットルの幹細胞通過媒体を加える。P1000チップを用いてピペット細胞を穏やかに使用し、単一の細胞懸濁液を得た。次いで、解約した細胞を15ミリリットルチューブと遠心分離機に300回G.後遠心分離で5分間移し、培地を吸引し、1ミリリットルのmTeSR Plus培地で細胞ペレットを10ミクロモルROCK阻害剤を補充して再懸濁する。細胞を数えた後、12ウェルGFR培地コーティングされたプレートの各ウェルに5番目のIPSCに2回10を加え、摂氏37度で一晩インキュベートします。翌日、mTeSR Plusを吸引してから、決定的な内胚葉(DE)誘導媒体を追加します。2 日目と 3 日目に、DE 誘導媒体を変更します。4日目に、DE誘導培地を無血清基底培地に置き換えてAFE誘導を開始します。6 日目の終わりに AFE 効率を分析する前に、AFE 培地を毎日 3 日間変更します。7日目に、後で使用するために氷上のGFR基質膜マトリックス培地を解凍する。同時に、AFE培地を吸引し、PVSでウェルを洗浄することにより、肺前駆細胞分化を進める。ウェルに1ミリリットルの細胞剥離液を加え、摂氏37度で10分間インキュベートします。インキュベーション後、細胞剥離液を含むウェルズに1ミリリットルの焼入れ培地を加えます。上下に軽くピペットを入れ、細胞を凝集体として保持します。すべての細胞が外れているが、5分間Gの300倍で遠心のために15ミリリットルの円錐管に移すため。上清を除去し、LPC誘導培地中の細胞ペレットを再懸濁します。細胞を数え、5番目の細胞に2.5倍の10を冷たいGFR基質膜マトリックス培地の100マイクロリットルに加え、よく混ぜます。12ウェルプレートのウェルに液滴を入れ、30〜60分間摂氏37度でインキュベートします。次に、ウェルあたり1ミリリットルのLPC培地を加え、培地の低下が完全に水没し、摂氏37度で一晩インキュベートされるようにします。8日目に、LPC培地を変更してROCK阻害剤Y27632を除去します。1日おきにメディアを交換し続け、16日目の終わりにLPC効率を分析します。17日目には、井戸を洗い、1ミリリットルのディスパーゼあたり2マイクログラムの500マイクロリットルを加えます。P1000ピペットを用いてディスパーゼ混合物をピペットし、15分間インキュベートし、その混合物をピペット化し、さらに15分間インキュベートする。インキュベーションに続いて、焼入れ培地の1ミリリットルをウェルを含むディスパーゼに加え、細胞を円錐管に移します。遠心分離機を1ミリリットルの冷蔵PVSで再懸濁し、遠心分離を繰り返します。その後、細胞剥離培地の1ミリリットルでペレットを再懸濁する。37°Cで12分間細胞をインキュベートし、同じ量の焼入れ培地と遠心分離機を再び加えます。クエンチ培地の1ミリリットルおよび10マイクロモルロック阻害剤Y27632でペレットを再懸濁する。ウェルあたり8倍の10〜4番目のセルを得るために必要な体積を計算するためにセルカウントを実行します。次に、必要なLPC細胞の体積は1.5ミリリットルマイクロ遠心分離チューブに、遠心分離機は300倍G.細胞ペレットを攪拌せずに余分な上清を除去し、10マイクロリットルの残留培地を残した。細胞ペレットを200マイクロリットルの冷たいGFR基底膜マトリックス培地に再懸濁し、細胞を細胞培養膜挿入物に移す。摂氏37度で30~60分インキュベートします。インキュベーション後、3Dオルガンイド誘導培地を1ミリリットルをインサートのバソラテラチャンバーに加え、1日おきに新鮮な培地に6日間交換します。23日目に、培地を3D分岐媒体に切り替え、その後、6日間隔日培地を交換します。29日目に、3D成熟培地に変更し、次の6日間、一日おきに培地を交換し続けます。DE誘導の4日目に、結合された細胞はコンパクトな石畳の形態を示す。核で重ね合わされた決定的な内胚葉マーカーCXCR4およびSOX17を発現させ、エンドダーマル分化を確認した。前前腸誘導は7日目に確認され、より緊密に圧縮された細胞を示す形態と、FOXA2およびSOX2のマーカーが核で重ね合わされた。3D肺前駆細胞の生成を3Dスフェロイドで確認し、レポーター細胞株中のNKX2-1 GFPの内因性発現を確認した。肺オルガノイド全体への3週間分化後、肺マーカーを免疫細胞化学によって分析した。器官では、核によって重ねられた形態形成の分岐用マーカーSOX2およびSOX9が観察された。近位肺マーカーP63とKRT5は、両方の基底細胞マーカーであり、クラブ細胞のマーカーであるSCGB3A2と共に正常に検出された。遠位肺マーカーは、肺胞タイプII細胞のプロSPCおよびSPBマーカーを誘導した。そして、肺胞型I細胞のHOPXマーカー。さらに、NKX2-1およびZO1は核で重ね合って発現した。間葉系肺細胞マーカーPGFRアルファは、SOX9と共発現する線維芽細胞のマーカーであり、遠位間葉系を表した。ビメンチンも発現し、肺全体に分散させた。この手順に従って、肺オルガノイドは、内皮および免疫細胞由来の誘導多能性幹細胞に投資することができる。肺の発達と疾患は、上皮細胞と間葉系細胞集団の間のシグナル伝達によって生じるが、内皮細胞およびマクロファージからのシグナル伝達も起こる。3D肺組織モデルシステムは、ヒトの疾患および治療の研究に臨床的に関連する。

Research

JoVE Journal

Developmental Biology

Generation of Induced-pluripotent Stem Cells Using Fibroblast-like Synoviocytes Isolated from Joints of Rheumatoid Arthritis Patients

関節リウマチ患者の関節から分離された線維芽細胞様滑膜細胞を用いて誘導多能性幹細胞の生成

Mature somatic cells can be reversed into a pluripotent stem cell-like state using a defined set of reprogramming factors. Numerous studies have generated ...

Generation of Induced Pluripotent Stem Cells from Human Melanoma Tumor-infiltrating Lymphocytes

ヒトメラノーマ腫瘍浸潤リンパ球から誘導多能性幹細胞の生成

Adoptive transfer of ex vivo expanded autologous tumor-infiltrating lymphocytes (TILs) can mediate durable and complete responses in significant subsets ...

Induced Pluripotent Stem Cell Generation from Blood Cells Using Sendai Virus and Centrifugation

センダイウイルスや遠心分離を用いて血液細胞から誘導多能性幹細胞の生成

The recent development of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) proved that mature somatic cells can return to an undifferentiated, pluripotent ...

Generation of Integration-free Induced Pluripotent Stem Cells from Human Peripheral Blood Mononuclear Cells Using Episomal Vectors

エピソームベクトルを用いたヒト末梢血単核細胞からの統合フリー人工多能性幹細胞の生成

Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) hold great promise for disease modeling and regenerative therapies. We previously reported the use of Episomal ...

Chondrogenic Pellet Formation from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells

臍帯血由来誘導多能性幹細胞からの軟骨形成ペレット形成

Human articular cartilage lacks the ability to repair itself. Cartilage degeneration is thus treated not by curative but by conservative treatments. ...

Generation of Standardized and Reproducible Forebrain-type Cerebral Organoids from Human Induced Pluripotent Stem Cells

標準化され、再現性のある前脳型人間から脳オルガノイドの生成誘導多能性幹細胞

The human cortex is highly expanded and exhibits a complex structure with specific functional areas, providing higher brain function, such as cognition. ...

Partial Lobular Hepatectomy: A Surgical Model for Morphologic Liver Regeneration

肺葉切除: 形態学的肝再生手術モデル

Morphological organ regeneration following acute tissue loss is common among lower vertebrates, but is rarely observed in mammalian postnatal life. Adult ...

Synaptic Microcircuit Modeling with 3D Cocultures of Astrocytes and Neurons from Human Pluripotent Stem Cells

ひと多能性幹細胞からのニューロンとアストロ サイトの三次元共培養系によるシナプス局所回路におけるモデリング

A barrier to our understanding of how various cell types and signals contribute to synaptic circuit function is the lack of relevant models for studying ...

RNA-based Reprogramming of Human Primary Fibroblasts into Induced Pluripotent Stem Cells

RNA に基づく誘導多能性幹細胞に主線維芽細胞のプログラムし直す

Induced pluripotent stem cells (iPSCs) have proven to be a valuable tool to study human development and disease. Further advancing iPSCs as a regenerative ...

Generation of 3D Skin Organoid from Cord Blood-derived Induced Pluripotent Stem Cells

臍帯血由来から 3 D 肌 Organoid の生成誘導多能性幹細胞

The skin is the body&#8217;s largest organ and has many functions. The skin acts as a physical barrier and protector of the body and regulates bodily ...