טפח תאי אפיתל באף הראשי מיילד לתכנת מחדש לתאי גזע מושרים
Summary
This publication demonstrates methods for successful sampling and culture of nasal epithelial mucosa from children, and reprogramming these cells to induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs).
Abstract
Nasal epithelial cells (NECs) are the part of the airways that respond to air pollutants and are the first cells infected with respiratory viruses. They are also involved in many airway diseases through their innate immune response and interaction with immune and airway stromal cells. NECs are of particular interest for studies in children due to their accessibility during clinical visits. Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) have been generated from multiple cell types and are a powerful tool for modeling human development and disease, as well as for their potential applications in regenerative medicine. This is the first protocol to lay out methods for successful generation of iPSCs from NECs derived from pediatric participants for research purposes. It describes how to obtain nasal epithelial cells from children, how to generate primary NEC cultures from these samples, and how to reprogram primary NECs into well-characterized iPSCs. Nasal mucosa samples are useful in epidemiological studies related to the effects of air pollution in children, and provide an important tool for studying airway disease. Primary nasal cells and iPSCs derived from them can be a tool for providing unlimited material for patient-specific research in diverse areas of airway epithelial biology, including asthma and COPD research.
Introduction
תאי גזע מושרים ממדגם אדם (hiPSCs) הם טכנולוגיה לפיתוח מהיר של חקר תאי גזע. הם מציעים אלטרנטיבת תאי גזע עובריים (hESC) מחקר עם הרבה פחות 1,2 חסרונות אתיים ומוסריים. למרות שהם אינם זהים epigenetically כדי hESCs 3-5, hiPSCs מציע דרך ייחודית לבנות מודל פנוטיפים התפתחות ומחלות, והם יכולים לנבוע רקמות רלוונטיות למצב המחלה 5-8. שיטות חדשות של hiPSCs יצירת נבדקות ללא הרף כדי לזהות סוגי תאים אופטימלי להתחיל עם, כדרך להכין iPSCs GMP באיכות מתאימה להשתלה, וגם להגדיל את העיתוי ואת היעילות של תהליך תכנות מחדש 6,9-11.
תאי אפיתל דרכי נשימה הם קריטיים בהתפתחות דלקת אלרגית 12, ו האפיתל הוא נהג עיקרי של תגובות אלרגיות שיפוץ דרך נשימה באמצעות אינטראקציה עם immunתאי דואר סטרומה. אפיתל דרכי הנשימה ממלאת תפקיד חיוני מהמוצא וההתמדה של מחלות ריאה כגון אסטמה. עם זאת, תאי אפיתל דרכי נשימה תחתונה קשים להשיג במסגרת רפואית, במיוחד מחולים וילדי ביקורת בריאים. נתונים ממחקרים כמה תומכי ההנחה כי תאי אפיתל מן רירית אף הם פרוקסי תקף ומעשי עבור תאי אפיתל דרכי נשימה נמוכה 13-20, במיוחד כאשר לומדים תגובות מזהמי אוויר אלרגנים. רירית האף מורכבת יותר מ -90% דרך נשימה ריסי בתאי אפיתל דגימה לתאי האפיתל אף אלה (NECs) יכולה להתבצע בקלות אצל ילדים צעירים כמו גיל ארבעה או חמש, כפי שהוא פחות פולשנית מאשר טכניקות דגימת תא / רקמה אחרות והוא קשור לסיכון מינימאלי של תופעות לוואי כגון זיהום 20-23. הוא מציע דרך מהירה ופשוטה לדגום שני ילדים בריאים וחולים ללא ארוכה, מיותר, ולעתים קרובות procedu ברונכוסקופיה הכואבמיל מחייבי הרגעה. מחקרים קודמים מצאו כי תת המחלה קשורה חומרת האסתמה ניתן להבחין הן רירית האף, כמו גם דגימות תאים הסימפונות שנלקחו ילדים אסתמטיים, ביטוי גנים בין שני סוגי רקמות היה דומה כ -90% מהגנים הלא בכל מקום 22 , 24. כמקור iPSCs, NECs להציע יתרונות על פני סוגי תאים אחרים מנוצל לעיתים קרובות. פיברובלסטים משמשים לעתים קרובות דור iPSC, אבל למרות תאים אלה יכולים להיות מתורבתים בקלות מתוך ביופסיה של עור, תהליך זה בדרך כלל דורש הרדמה מקומית, חתך, ותפרים, והיא קשורה עם סיכון מסוים של זיהום. לכן השיג הסכמה מדעת מחולים עבור סוג זה של ביופסיה יכולה להיות קשה 25. חלופה אחת כדי פיברובלסטים היא תאי הדם היקפיים mononuclear (PBMCs). עם זאת, זה יכול להיות קשה להשיג דם מספק עבור דור iPSC מחול ילדים. בנוסף, קיימות מגבלות של ap במורד הזרםplications עבור פיברובלסטים iPSCs דם תא נגזר, במיוחד קיבולת הבידול שלהם סוגי תאים מסוימים 5,26. לכן, בהתחשב הנגישות היחסית ואת הסיכון הנמוך של תופעות לוואי בעקבות בגבייתם NECs מהווה מקור תא אידיאלי עבור דור iPSC מאוכלוסיות ילדים.
iPSCs קיבלו הרבה תשומת לב לאחרונה כפלטפורמה ללימוד ההתפתחות האנושית, יצירת מודלים המחלה רומן, כמקור פוטנציאלי של תאים עבור טיפולים אישית. לפני את מלוא הפוטנציאל של הטכנולוגיה הזו יכולה להתממש, את הבסיס המולקולרי של תהליך תכנות מחדש צריך להיות הובהר, אך לעת עתה פרוטוקול זה ואת הנהלים המפורטים בתוך יבהיר את המחקרים התמקדו חשיפות דרכי הנשימה, כמו גם לספק פלטפורמה לומד את ההשפעות של טיפול תרופתי אישי המעורב iPSCs.
העבודה השיתופית של מספר מעבדות הובילה generation של טכניקה מוצלחת לא רק דגימה של רירית האף, אבל גם culturing NECs, ו תכנות מחדש של תאים אלה iPSCs 23. מאמר זה מספק תיאור של פרוטוקול דגימה אופטימלית, culturing, ותנאי תכנות מחדש.
Protocol
Representative Results
Discussion
תאי אפיתל האף (NECs) מהווים פלטפורמה נגישה ללימוד מחלות דרכי הנשימה, ו- NEC-iPSCs להציע דרך מרגשת לחקור את התפתחות המחלה, טיפול ותרפיה 1,31,32. NECs ניתן להשיג בקלות ללא 6,23 נהלים מלחיצים או מזיקים. מניסיוננו, הדגימה של רירית האף כמתואר בפרוטוקול זה נראה פחות מלחיץ נתפס …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מבקשים להודות במתקן לתאי גזע פלוריפוטנטיים ואת Core הדמיה Confocal בבית החולים סינסינטי ילדים. עבודה זו נתמכה על ידי R21AI119236 (HJ), R21AI101375 (HJ), NIH / NCATS 8UL1TR000077-04 (HJ), U19 AI070412 (HJ) ו 2U19AI70235 (GKKH).
Materials
| 15mL conical | Fisher Scientific | 14-959-49D | Protocol Step 1.1. |
| BEGM | Lonza | CC-3170 | Protocol Step 1.1. |
| Penn/Strep/Fungicide | Life Technologies | 15240-062 | Protocol Step 1.1. |
| Penn/Strep | Life Technologies | 15140-122 | Protocol Step 4.a. |
| cytosoft cytology brush | Fisher Scientific | 22-263-357 | Protocol Step 1.2. |
| trypan blue | Fisher Scientific | MT-25-900-CI | Protocol Step 2.1. |
| hemacytometer | Fisher Scientific | 02-671-54 | Protocol Step 2.1. |
| PBS | Fisher Scientific | BP2438-4 | Protocol Step 2.2. |
| Cytology Funnel Clips | Fisher Scientific | 10-357 | Protocol Step 2.2. |
| cytospin funnel | Fisher Scientific | 23-640-320 | Protocol Step 2.2. |
| Cytospin 4 | Fisher Scientific | A78300003 | Protocol Step 2.2. |
| blank slide | Fisher Scientific | S95933 | Protocol Step 2.2. |
| hema 3 stain kit | Fisher Scientific | 22-122-911 | Protocol Step 2.2. |
| Bovine Dermal Colagen, type 1 | Life Technologies | A1064401 | Protocol Step 3.2. |
| T25 flask | Fisher Scientific | 08-772-45 | Protocol Step 3.3. |
| Trypsin | Lonza | CC-5012 | Protocol Step 5.2. |
| Trypsin Neutralizing Solution | Lonza | CC-5002 | Protocol Step 5.2. |
| Fetal Bovine Serum (FBS), heat sterilized at 65°C for 30min | Sigma-Aldrich | F2442 | Protocol Step 5.5. |
| Dimethyl sulfoxide Hybri-Max™, sterile-filtered, BioReagent, suitable for hybridoma, ≥99.7% - | Sigma-Aldrich | D2650 | Protocol Step 5.5. |
| polycistonic lentivirus* | e.g. Millipore | SCR511 | Protocol Step 6.4. A commercial source of reprogramming vector is listed. We routinely use the 4-in-1 plasmid reported by Voelkel et al (PMID: 20385817) to generate VSV-G-pseudotyped polycistronic reprogramming lentivirus in-house. This plasmid can be obtained by contacting |
| polybrene | Santa Cruz Biotechnology | sc-134220 | Protocol Step 6.4. |
| Irradiated CF1 MEFs | GlobalStem | GSC-6301G | Protocol Step 6.4. |
| hESC media | See recipe included in protocol | Protocol Step 6.11. | |
| SB431542 | Stemgent | 04-0010 | Protocol Step 6.11. |
| PD0325901 | Stemgent | 04-0006 | Protocol Step 6.11. |
| Thiazovivin | Stemgent | 04-0017 | Protocol Step 6.11. |
| hESC-qualified Matrigel | BD Biosciences | 354277 | Protocol Step 6.13. |
| Corning plate, 6 well | Fisher Scientific | 08-772-1B | Protocol Step 6.13. |
| mTeSR1 | StemCell | 5850 | Protocol Step 6.13. |
| 250mL disposable filter flask (0.22µm) | Fisher | SCGP-U02-RE | |
| dispase | StemCell | 7923 | Protocol Step 7.3. |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11320-033 | Protocol Step 7.3. |
| cell lifter | Fisher Scientific | 08-100-240 | Protocol Step 7.4. |
| hESC Media** | Protocol Step 6.11. components should be mixed and then filter sterilized. Media can be kept at 4°C for up to two weeks. When warming media, do not leave at 37°C longer than 15 min |
||
| DMEM-F12 50/50 media | Invitrogen | 11330-032 | Final Concentration |
| KO replacement serum (KO-SR) | Invitrogen | 10828-028 | 0.2 |
| 200mM L-glutamine | Invitrogen | 25030-081 | 1mM |
| 55mM ß-mercaptoethanol | Invitrogen | 21985-023 | 0.1mM |
| 100x non-essential amino acids | Invitrogen | 11140-050 | 1x |
| 2ug/mL Basic-Fibroblast Growth Factor (b-FGF) | Invitrogen | 13256-029 | 4ng/mL |
References
- Yamanaka, S. Induced pluripotent stem cells: past, present, and future. Cell stem cell. 10 (6), 678-684 (2012).
- Boulting, G. L., et al. A functionally characterized test set of human induced pluripotent stem cells. Nature biotechnology. 29 (3), 279-286 (2011).
- Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282 (5391), 1145-1147 (1998).
- Guenther, M. G., et al. Chromatin structure and gene expression programs of human embryonic and induced pluripotent stem cells. Cell stem cell. 7 (2), 249-257 (2010).
- Polo, J. M., et al. Cell type of origin influences the molecular and functional properties of mouse induced pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. 28 (8), 848-855 (2010).
- Ono, M., et al. Generation of induced pluripotent stem cells from human nasal epithelial cells using a Sendai virus vector. PloS one. 7 (8), e42855 (2012).
- Zhou, W., Freed, C. R. Adenoviral gene delivery can reprogram human fibroblasts to induced pluripotent stem cells. Stem Cells. 27 (11), 2667-2674 (2009).
- Brennand, K. J., et al. Modelling schizophrenia using human induced pluripotent stem cells. Nature. 473 (7346), 221-225 (2011).
- Mou, H., et al. Generation of multipotent lung and airway progenitors from mouse ESCs and patient-specific cystic fibrosis iPSCs. Cell stem cell. 10 (4), 385-397 (2012).
- Stadtfeld, M., Nagaya, M., Utikal, J., Weir, G., Hochedlinger, K. Induced pluripotent stem cells generated without viral integration. Science. 322 (5903), 945-949 (2008).
- Huangfu, D., et al. Induction of pluripotent stem cells by defined factors is greatly improved by small-molecule compounds. Nat Biotechnol. 26 (7), 795-797 (2008).
- Kuperman, D. A., et al. Direct effects of interleukin-13 on epithelial cells cause airway hyperreactivity and mucus overproduction in asthma. Nat Med. 8 (8), 885-889 (2002).
- Braunstahl, G. J., et al. Segmental bronchoprovocation in allergic rhinitis patients affects mast cell and basophil numbers in nasal and bronchial mucosa. American journal of respiratory and critical care medicine. 164 (5), 858-865 (2001).
- Compalati, E., et al. The link between allergic rhinitis and asthma: the united airways disease. Expert review of clinical immunology. 6 (3), 413-423 (2010).
- Crimi, E., et al. Inflammatory and mechanical factors of allergen-induced bronchoconstriction in mild asthma and rhinitis. Journal of applied physiology. 91 (3), 1029-1034 (2001).
- Djukanovic, R., et al. Bronchial mucosal manifestations of atopy: a comparison of markers of inflammation between atopic asthmatics, atopic nonasthmatics and healthy controls. The European respiratory journal : official journal of the European Society for Clinical Respiratory Physiology. 5 (5), 538-544 (1992).
- Gaga, M., et al. Eosinophils are a feature of upper and lower airway pathology in non-atopic asthma, irrespective of the presence of rhinitis. Clinical and experimental allergy : journal of the British Society for Allergy and Clinical Immunology. 30 (5), 663-669 (2000).
- Hurst, J. R., Wilkinson, T. M., Perera, W. R., Donaldson, G. C., Wedzicha, J. A. Relationships among bacteria, upper airway, lower airway, and systemic inflammation in COPD. Chest. 127 (4), 1219-1226 (2005).
- Gaga, M., V, A. M., Chanez, P. Upper and lower airways: similarities and differences. European respiratory monograph. 18, 1-15 (2001).
- Lopez-Guisa, J. M., et al. Airway epithelial cells from asthmatic children differentially express proremodeling factors. J Allergy Clin Immunol. 129 (4), 990-997 (2012).
- Doi, A., et al. Differential methylation of tissue- and cancer-specific CpG island shores distinguishes human induced pluripotent stem cells, embryonic stem cells and fibroblasts. Nature genetics. 41 (12), 1350-1353 (2009).
- Poole, A., et al. Dissecting childhood asthma with nasal transcriptomics distinguishes subphenotypes of disease. J Allergy Clin Immunol. , (2014).
- Ji, H., et al. Dynamic transcriptional and epigenomic reprogramming from pediatric nasal epithelial cells to induced pluripotent stem cells. J Allergy Clin Immunol. 135 (1), 236-244 (2015).
- Guajardo, J. R., et al. Altered gene expression profiles in nasal respiratory epithelium reflect stable versus acute childhood asthma. The Journal of allergy and clinical immunology. 115 (2), 243-251 (2005).
- Yamanaka, S. Patient-specific pluripotent stem cells become even more accessible. Cell Stem Cell. 7 (1), 1-2 (2010).
- Kim, K., et al. Donor cell type can influence the epigenome and differentiation potential of human induced pluripotent stem cells. Nature. 29 (12), 1117-1119 (2011).
- Warlich, E., et al. Lentiviral vector design and imaging approaches to visualize the early stages of cellular reprogramming. Mol Ther. 19 (4), 782-789 (2011).
- Wicell. . Wicell Feeder Based (MEF) Pluripotent Stem Cell Protocols. , (2003).
- Harkema, J. R., Carey, S. A., Wagner, J. G. The nose revisited: a brief review of the comparative structure, function, and toxicologic pathology of the nasal epithelium. Toxicol Pathol. 34 (3), 252-269 (2006).
- Allegrucci, C., Young, L. E. Differences between human embryonic stem cell lines. Hum Reprod Update. 13 (2), 103-120 (2007).
- Yoshida, Y., Yamanaka, S. Recent stem cell advances: induced pluripotent stem cells for disease modeling and stem cell-based regeneration. Circulation. 122 (1), 80-87 (2010).
- Pasca, S. P., et al. Using iPSC-derived neurons to uncover cellular phenotypes associated with Timothy syndrome. Nature medicine. 17 (12), 1657-1662 (2011).
- Lai, P. S., et al. Alternate methods of nasal epithelial cell sampling for airway genomic studies. J Allergy Clin Immunol. , (2015).
- Shi, Y., et al. A combined chemical and genetic approach for the generation of induced pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. 2 (6), 525-528 (2008).
- Okita, K., et al. A more efficient method to generate integration-free human iPS cells. Nature. 8 (5), 409-412 (2011).
- Dye, B. R., et al. In vitro generation of human pluripotent stem cell derived lung organoids. Elife. 4, (2015).
- Huang, S. X., et al. Efficient generation of lung and airway epithelial cells from human pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. 32 (1), 84-91 (2014).
- Wong, A. P., et al. Directed differentiation of human pluripotent stem cells into mature airway epithelia expressing functional CFTR protein. Nature biotechnology. 30 (9), 876-882 (2012).
- Marchetto, M. C., et al. Transcriptional signature and memory retention of human-induced pluripotent stem cells. PloS one. 4 (9), e7076 (2009).
- Nukaya, D., Minami, K., Hoshikawa, R., Yokoi, N., Seino, S. Preferential gene expression and epigenetic memory of induced pluripotent stem cells derived from mouse pancreas. Genes Cells. 20 (5), 367-381 (2015).
- Vaskova, E. A., Stekleneva, A. E., Medvedev, S. P., Zakian, S. M. ‘Epigenetic memory’ phenomenon in induced pluripotent stem cells. Acta Naturae. 5 (4), 15-21 (2013).
- Bar-Nur, O., Russ, H. A., Efrat, S., Benvenisty, N. Epigenetic memory and preferential lineage-specific differentiation in induced pluripotent stem cells derived from human pancreatic islet beta cells. Cell Stem Cell. 9 (1), 17-23 (2011).
- Jandial, R., Levy, M. L. Cellular alchemy: induced pluripotent stem cells retain epigenetic memory. World Neurosurg. 75 (1), 5-6 (2011).
- Kim, K., et al. Epigenetic memory in induced pluripotent stem cells. Nature. 467 (7313), 285-290 (2010).
- Ohi, Y., et al. Incomplete DNA methylation underlies a transcriptional memory of somatic cells in human iPS cells. Nat Cell Biol. 13 (5), 541-549 (2011).
