İlkel ve kesin hematopoetik ataları insan Pluripotent kök hücrelerden farklılaşma yönetmen
Summary
Burada, insan pluripotent kök hücre (hPSC) kültür hPSCs CD34 ayırt etmek için kullanılan iletişim kuralları, mevcut+ hematopoetik ataları. Bu yöntem kurallı WNT ya kesin veya ilkel hematopoetik program sadece hücrelere belirtmek sinyal manipülasyon sahne özgü kullanır.
Abstract
Rejeneratif tıp için önemli amaçlarından biri üretimi ve hematopoetik kök hücre (HSCs) insan pluripotent kök hücrelerden (hPSCs) elde edilen bakımı sağlamaktır. Yakın zamana kadar hPSCs HSCs ayırt etmek için çabaları ağırlıklı olarak HSC potansiyel eksikliği ve bunun yerine sarısı sac hematopoiesis benzer hematopoetik ataları üretilip. Elde edilen bu hematopoetik ataları yarar vitro hastalığı modelleme çeşitli yetişkin hematopoetik bozukluklar, özellikle de lenfoid soy için sınırlı olabilir. Ancak, son zamanlarda erythro-myelo-lenfoid multilineage kesin hematopoetik ataları burada anahat bir sahne özel yönlendirilmiş ayırt etme protokolünü kullanarak hPSCs oluşturmak için yöntemleri anlatmıştık. Enzimatik ayrılma hPSCs membran matris kaplı plasticware Tarih, embryoid organları (EBs) oluşur. EBs farklı mesoderm için kesin hematopoetik programa GSK3β inhibitörü, CHIR99021 daha sonra belirtilen rekombinant BMP4 tarafından. Alternatif olarak, ilkel hematopoiesis PORCN inhibitörü, IWP2 belirtilir. Hematopoiesis daha fazla rekombinant VEGF eklenmesi ve destekleyici hematopoetik sitokinler sürülür. Bu yöntem kullanılarak oluşturulan elde edilen hematopoetik ataları hastalık ve gelişimsel modelleme, içinde vitroiçin kullanılmak üzere potansiyeline sahiptir.
Introduction
İnsan pluripotent kök hücreler (hPSCs) insan embriyonik kök hücreleri (hESCs) ve İnsan İndüklenmiş pluripotent kök hücreler (hiPSCs) kapsayan olarak tanımlanır ve uygun büyüme koşullarda kendini yenileme geçiren sadece benzersiz yeteneği var, Ama aynı zamanda, tüm hücre türleri ayırt etmek için kapasite elde edilen üç germ katmanlardan: endoderm, mesoderm ve ektoderm1. Bu benzersiz yetenekleri nedeniyle hPSCs rejeneratif tıp, hastalık modelleme ve hücre tabanlı terapiler2büyük sözü tutun. Birden çok hücre tipleri başarıyla hPSCs farklılaşmış iken, bir önemli sorun sadece yetişkin gibi hPSC kaynaklı hematopoetik kök hücre (HSCs) ve kesin hematopoetik ataları vitro belirtimidir.
Bir büyük olasılıkla insan HSCs geliştirilmesi için hPSCs gelen insan embriyo3içinde birden çok hematopoetik program varlığı engeldir. Ortaya çıkıyor, “ilkel hematopoiesis,” olarak adlandırdığı ilk programı içinde extraembryonic sarısı sac doku kaynaklı ve geçici üretiminin erythroblast ataları (EryP-CFC), makrofajlar ve megakaryocytes tarafından en iyi karakterizedir. Özellikle, bu bilgisayar programı does değil vermek artış HSCs için ne o does vermek artış T ve B lenfoid ataları için. Ancak, sarısı sac geçici erythro myeloid yaratıcı (EMP4,5,6,7,8) gibi sınırlı kesin hematopoetik ataları ortaya çıkmasına ve erythroid-eksik lenfoid astarlanmalıdır multipotent progenitör (LMPP9). Ancak, tam olarak multipotent veya yetişkin alıcılar HSC benzeri engraftment yeteneğine ne EMP’leri ne de LMPPs. Buna ek olarak, daha sonra gelişmede, embriyonun uygun, HSC dahil olmak üzere tüm yetişkin hematopoetik soy için sebebiyet veren aort-erbezi-mesonephros bölgesinde klasik tanımlamak “kesin” hematopoetik bilgisayar programı belirtilir. Endotel-için-hematopoetik geçişe hemogenic endotel (o)3,10,11 üzerinden bir çentik bağımlı moda bu içi embriyonik kesin hematopoetik hücreler tayini oluşur ,12,13,14. Sulandırma kapasitesi dışında EMP ve (gözden başvuruları3‘ te,13 LMPP bu kesin hematopoetik ataları ayırmak için multilineage potansiyel ve çentik-bağımlılık bu hücre kullanılabilir ).
HPSCs ilkel ve kesin hematopoetik belirtiminden yöneten mechanism(s) anlama olası hPSC hatları çeşitli genelinde kesin hematopoetik ataları tekrarlanabilir üretimi için önemlidir. Yakın zamana kadar multipotent ilkel ve kesin hematopoetik ataları ayrı hPSC farklılaşma protokolleri15,16,17,18yoktu, 19,20,21,22,23,24,25. Pek çok yaklaşım fetal sığır serum (FBS) ve/veya stromal ortak kültür ilk kullanarak ilkel kesin hematopoetik potansiyel15,ve16karışımları ile hPSC farklılaşma potansiyeli hematopoetik özetlenen, 17,19,22,23,25. Ayrıca, birçok serum-Alerjik hematopoetik protokolleri mesoderm hematopoetik potansiyel18,20,21, liman hPSCs üzerinden tayini için sinyal gereksinimleri tarif var 24. ancak, bu yöntemleri hala her iki program heterojen karışımları için doğuran gibi kullanımları klinik uygulamaları ve anlayış gelişimsel mekanizmaları sınırlı olabilir.
Biz son zamanlarda AKTİVİN/NODAL ve hPSC elde edilen mesoderm18,26 hematopoetik belirtiminde ilkel ve kesin WNT sinyal için sahne özel sinyal gereksinimleri ana hatlarıyla bu çalışmalar, yerleşik . İkincisi özellikle benzersiz sahne özgü WNT sinyal işleme kullanımı sadece ilkel ya da sadece kesin hematopoetik ataları26belirtimi için sağlar. Sırasında mesoderm belirtimi, kurallı WNT sinyal PORCN inhibitörü IWP2 ile inhibisyon CD43 belirtiminde sonuç+ EryP-CFC ve hiçbir tespit lenfoid potansiyeli ile Miyeloid ataları. Keskin aksine, kurallı WNT GSK3β inhibitörü ile CHIR99021, farklılaşma aynı aşaması sırasında sinyal stimülasyon tespit CD43 tam yokluğunda sonuçlandı.+ aynı anda lider ise EryP-CFC, için CD34 tayini+CD43− o. Bu nüfus sahip Miyeloid, HBG-erythroid ve T-lenfoid potansiyeli ifade etmek. Daha sonraki analizler bu CD7327,28 ve CD18428ve hematopoetik potansiyel ifadesi eksik olarak ÇENTİK bağımlı28olduğunu tespit etti. Ayrıca, tek hücreli klonal analizleri bu kesin hematopoetik soy multipotent tek hücreleri28elde edilebilir gösterdi. Birlikte ele alındığında, bu çalışmalar sahne özgü WNT sinyal işleme saf ilkel hematopoetik ataları veya multipotent ÇENTİK bağımlı kesin hematopoetik ataları belirtebilirsiniz gösteriyor.
Burada, biz sadece ilkel veya kesin hematopoetik ataları, kurallı WNT Mezodermal desenlendirme ve onların aşağı akım hematopoetik soyu sırasında deneyleri sinyal manipülasyonu yoluyla verir bizim farklılaşma strateji anahat. Bu ilkel veya kesin hematopoetik ataları hPSCs rejeneratif tıp uygulamaları için gelen üretiminde ilgilenen araştırmacılar için çok değerli bir protokoldür.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu iletişim kuralı için ilkel veya kesin hematopoetik ataları farklılaşma hızlı, serum-Alerjik, stroma ücretsiz yöntemi açıklar. Mezodermal ilkel veya kesin hematopoetik ataları tayini güvenilir benzersiz olarak kanonik WNT sinyal, küçük molekül inhibitörleri patlatır bizim iletişim kuralı kullanılarak elde edilebilir. WNT inhibisyon PORCN inhibitörü IWP234 tarafından ilkel hematopoetik mesoderm26belirtir, ancak sahne alanı özgü WNT etkinleştir…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu eser Bakanlığı iç hastalıkları, Hematoloji bölümü, Washington Üniversitesi Tıp Fakültesi tarafından desteklenmiştir. CD T32HL007088 Ulusal kalp, akciğer ve kan Enstitüsü tarafından desteklenmiştir. CMS bir Amerikan Derneği, Hematoloji bilim adamı Ödülü tarafından desteklenmiştir.
Materials
| Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMD) | Corning | 10-016 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS), ES cell rated | Gemini Bioproducts | 100-500 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Hyclone | SH30396.03 | |
| L-glutamine, 200 mM solution | Life Technologies | 25030-081 | |
| Penicillin-streptomycin | Life Technologies | 15070-063 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25200056 | |
| 0.05% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25300054 | |
| Gelatin, porcine skin, Type A | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| Alpha-MEM | Life Technologies | 12000-022 | |
| DMEM-F12 | Corning | 10-092-CV | |
| Knock-out serum replacement | Life Technologies | 10828028 | "KOSR" |
| Non-essential amino acids (NEAA) | Life Technologies | 11140050 | |
| b-mercaptoethanol, 55 mM solution | Life Technologies | 21985023 | |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | H1758 | |
| Fraction V, Bovine Serum Albumin | Fisher Scientific | BP1605 | |
| Ham's F12 | Corning | 10-080 | |
| N2 supplement | Life Technologies | 17502048 | |
| B27 supplement, no vitamin A | Life Technologies | 12587010 | |
| Stempro-34 (SP34) | Life Technologies | 10639011 | "SP34" |
| Growth factor reduced Matrigel | Corning | 354230 | "MAT" |
| L-absorbic acid | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| Human serum transferrin | Sigma-Aldrich | 10652202001 | |
| Monothioglycerol (MTG) | Sigma-Aldrich | M6145 | |
| Collagenase B | Roche | 11088831001 | |
| Collagenase II | Life Technologies | 17101015 | |
| DNaseI | Calbiochem | 260913 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Life Technologies | 14190144 | |
| bFGF | R&D Systems | 233-FB | |
| BMP4 | R&D Systems | 314-BP | |
| Activin A | R&D Systems | 338-AC | |
| VEGF | R&D Systems | 293-VE | |
| SCF | R&D Systems | 255-SC | |
| IGF-1 | R&D Systems | 291-G1 | |
| IL-3 | R&D Systems | 203-IL | |
| IL-6 | R&D Systems | 206-IL | |
| IL-7 | R&D Systems | 207-IL | |
| IL-11 | R&D Systems | 218-1L | |
| TPO | R&D Systems | 288-TP | |
| EPO | Peprotech | 100-64 | |
| Flt-3 ligand (FLT3-L) | R&D Systems | 308-FK | |
| CHIR99021 | Tocris | 4423 | |
| IWP2 | Tocris | 3533 | |
| Angiotensin II | Sigma-Aldrich | A9525 | |
| Losartan Potassium | Tocris | 3798 | |
| CD4 PerCP Cy5.5 Clone RPA-T4 | BD Biosciences | 560650 | Dilution 1:100; T cell assay |
| CD8 PE Clone RPA-T8 | BD Biosciences | 561950 | Dilution 1:10; T cell assay |
| CD34 APC Clone 8G12 | BD Biosciences | 340441 | Dilution 1:100; EHT assay |
| CD34 PE-Cy7 Clone 8G12 | BD Biosciences | 348801 | Dilution 1:100; Hemogenic endothelium |
| CD43 FITC Clone 1G10 | BD Biosciences | 555475 | Dilution 1:10; Hemogenic endothelium |
| CD45 APC-Cy7 Clone 2D1 | BD Biosciences | 557833 | Dilution 1:50; T cell assay |
| CD45 eFluor450 Clone 2D1 | BD Biosciences | 642284 | Dilution 1:50; EHT assay |
| CD56 APC Clone B159 | BD Biosciences | 555518 | Dilution 1:20; T cell assay |
| CD73 PE Clone AD2 | BD Biosciences | 550257 | Dilution 1:50; Hemogenic endothelium |
| CD184 APC Clone 12G5 | BD Biosciences | 555976 | Dilution 1:50; Hemogenic endothelium |
| 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | BD Biosciences | 564907 | Dilution 1:10,000; T cell assay |
| OP9 DL4 cells | Holmes, R. and J.C. Zuniga-Pflucker. Cold Spring Harb Protoc, 2009. 2009(2): p. pdb prot5156 | ||
| MethoCult H4034 | Stemcell Technologies | 4034 | "MeC" |
| Milli-Q water purification system | EMD Millipore | ||
| 5% CO2 incubator | Set at 37 C | ||
| Multigas incubator | Set at 37 C, 5% CO2, 5% O2 | ||
| 6 well tissue culture plate | Corning | 353046 | |
| 24 well tissue culture plate | Corning | 353226 | |
| 6 well low-adherence tissue culture plate | Corning | 3471 | |
| 24 well low-adherence tissue culture plate | Corning | 3473 | |
| 35 mm tissue culture dishes | Corning | 353001 | |
| Blunt-end needle, 16 gauge | Corning | 305198 | |
| 3 cc syringes | Corning | 309657 | |
| 5 mL polypropylene test tube | Corning | 352063 | |
| 5 mL polystyrene test tube | Corning | 352058 | |
| 15 mL polypropylene conical | Corning | 430791 | |
| 50 mL polypropylene conical | Corning | 430921 | |
| 2 mL serological pipette | Corning | 357507 | |
| 5 mL serological pipette | Corning | 4487 | |
| 10 mL serological pipette | Corning | 4488 | |
| 25 mL serological pipette | Corning | 4489 | |
| Cell scrapers | Corning | 353085 | |
| 2.0 mL cryovials | Corning | 430488 | |
| 5 mL test tube with 40 µM cell strainer | Corning | 352235 | |
| 40 µM cell strainer | Corning | 352340 | |
| Cell culture centrifuge | |||
| Biosafety hood | |||
| FACS AriaII or equivalent | |||
| LSRii or equivalent | |||
| FlowJo software | TreeStar | ||
| Water bath | Set at 37 C | ||
| 0.22 µM filtration system | Corning | ||
| Autoclave | |||
| 4 C refrigerator | |||
| -20 C Freezer | |||
| -80 C Freezer |
Referenzen
- Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282 (5391), 1145-1147 (1998).
- Murry, C. E., Keller, G. Differentiation of embryonic stem cells to clinically relevant populations: lessons from embryonic development. Cell. 132 (4), 661-680 (2008).
- Ditadi, A., Sturgeon, C. M., Keller, G. A view of human haematopoietic development from the Petri dish. Nat Rev Mol Cell Biol. 18 (1), 56-67 (2017).
- Chen, M. J., et al. Erythroid/myeloid progenitors and hematopoietic stem cells originate from distinct populations of endothelial cells. Cell Stem Cell. 9 (6), 541-552 (2011).
- McGrath, K. E., et al. Distinct Sources of Hematopoietic Progenitors Emerge before HSCs and Provide Functional Blood Cells in the Mammalian Embryo. Cell Rep. 11 (12), 1892-1904 (2015).
- McGrath, K. E., et al. A transient definitive erythroid lineage with unique regulation of the beta-globin locus in the mammalian embryo. Blood. 117 (17), 4600-4608 (2011).
- Palis, J., et al. Spatial and temporal emergence of high proliferative potential hematopoietic precursors during murine embryogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (8), 4528-4533 (2001).
- Palis, J., Robertson, S., Kennedy, M., Wall, C., Keller, G. Development of erythroid and myeloid progenitors in the yolk sac and embryo proper of the mouse. Development. 126 (22), 5073-5084 (1999).
- Boiers, C., et al. Lymphomyeloid contribution of an immune-restricted progenitor emerging prior to definitive hematopoietic stem cells. Cell Stem Cell. 13 (5), 535-548 (2013).
- Bertrand, J. Y., et al. Haematopoietic stem cells derive directly from aortic endothelium during development. Nature. 464 (7285), 108-111 (2010).
- Hadland, B. K., et al. A requirement for Notch1 distinguishes 2 phases of definitive hematopoiesis during development. Blood. 104 (10), 3097-3105 (2004).
- Kumano, K., et al. Notch1 but not Notch2 is essential for generating hematopoietic stem cells from endothelial cells. Immunity. 18 (5), 699-711 (2003).
- Medvinsky, A., Rybtsov, S., Taoudi, S. Embryonic origin of the adult hematopoietic system: advances and questions. Development. 138 (6), 1017-1031 (2011).
- Robert-Moreno, A., Espinosa, L., de la Pompa, J. L., Bigas, A. RBPjkappa-dependent Notch function regulates Gata2 and is essential for the formation of intra-embryonic hematopoietic cells. Development. 132 (5), 1117-1126 (2005).
- Chadwick, K., et al. Cytokines and BMP-4 promote hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells. Blood. 102 (3), 906-915 (2003).
- Davis, R. P., et al. Targeting a GFP reporter gene to the MIXL1 locus of human embryonic stem cells identifies human primitive streak-like cells and enables isolation of primitive hematopoietic precursors. Blood. 111 (4), 1876-1884 (2008).
- Kaufman, D. S., Hanson, E. T., Lewis, R. L., Auerbach, R., Thomson, J. A. Hematopoietic colony-forming cells derived from human embryonic stem cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (19), 10716-10721 (2001).
- Kennedy, M., et al. T lymphocyte potential marks the emergence of definitive hematopoietic progenitors in human pluripotent stem cell differentiation cultures. Cell Rep. 2 (6), 1722-1735 (2012).
- Ledran, M. H., et al. Efficient hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells on stromal cells derived from hematopoietic niches. Cell Stem Cell. 3 (1), 85-98 (2008).
- Ng, E. S., et al. The primitive streak gene Mixl1 is required for efficient haematopoiesis and BMP4-induced ventral mesoderm patterning in differentiating ES cells. Development. 132 (5), 873-884 (2005).
- Pick, M., Azzola, L., Mossman, A., Stanley, E. G., Elefanty, A. G. Differentiation of human embryonic stem cells in serum-free medium reveals distinct roles for bone morphogenetic protein 4, vascular endothelial growth factor, stem cell factor, and fibroblast growth factor 2 in hematopoiesis. Stem Cells. 25 (9), 2206-2214 (2007).
- Vodyanik, M. A., Bork, J. A., Thomson, J. A., Slukvin, I. I. Human embryonic stem cell-derived CD34+ cells: efficient production in the coculture with OP9 stromal cells and analysis of lymphohematopoietic potential. Blood. 105 (2), 617-626 (2005).
- Vodyanik, M. A., Thomson, J. A., Slukvin, I. I. Leukosialin (CD43) defines hematopoietic progenitors in human embryonic stem cell differentiation cultures. Blood. 108 (6), 2095-2105 (2006).
- Yu, C., et al. Retinoic acid enhances the generation of hematopoietic progenitors from human embryonic stem cell-derived hemato-vascular precursors. Blood. 116 (23), 4786-4794 (2010).
- Zambidis, E. T., Peault, B., Park, T. S., Bunz, F., Civin, C. I. Hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells progresses through sequential hematoendothelial, primitive, and definitive stages resembling human yolk sac development. Blood. 106 (3), 860-870 (2005).
- Sturgeon, C. M., Ditadi, A., Awong, G., Kennedy, M., Keller, G. Wnt Signaling Controls the Specification of Definitive and Primitive Hematopoiesis From Human Pluripotent Stem Cells. Nat Biotechnol. 32 (6), 554-561 (2014).
- Choi, K. D., et al. Identification of the hemogenic endothelial progenitor and its direct precursor in human pluripotent stem cell differentiation cultures. Cell Rep. 2 (3), 553-567 (2012).
- Ditadi, A., et al. Human Definitive Haemogenic Endothelium and Arterial Vascular Endothelium Represent Distinct Lineages. Nat Cell Biol. 17 (5), 580-591 (2015).
- Conner, D. A. Mouse embryo fibroblast (MEF) feeder cell preparation. Curr Protoc Mol Biol. Chapter 23, (2001).
- La Motte-Mohs, R. N., Herer, E., Zuniga-Pflucker, J. C. Induction of T-cell development from human cord blood hematopoietic stem cells by Delta-like 1 in vitro. Blood. 105 (4), 1431-1439 (2005).
- Schmitt, T. M., et al. Induction of T cell development and establishment of T cell competence from embryonic stem cells differentiated in vitro. Nat Immunol. 5 (4), 410-417 (2004).
- Holmes, R., Zuniga-Pflucker, J. C. The OP9-DL1 system: generation of T-lymphocytes from embryonic or hematopoietic stem cells in vitro. Cold Spring Harb Protoc. 2009 (2), (2009).
- Polychronopoulos, P., et al. Structural basis for the synthesis of indirubins as potent and selective inhibitors of glycogen synthase kinase-3 and cyclin-dependent kinases. J Med Chem. 47 (4), 935-946 (2004).
- Chen, B., et al. Small molecule-mediated disruption of Wnt-dependent signaling in tissue regeneration and cancer. Nat Chem Biol. 5 (2), 100-107 (2009).
- Sugimura, R., et al. Haematopoietic stem and progenitor cells from human pluripotent stem cells. Nature. , (2017).
- Ohgushi, M., et al. Molecular pathway and cell state responsible for dissociation-induced apoptosis in human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. 7 (2), 225-239 (2010).
- Peschle, C., et al. Embryonic—-Fetal Hb switch in humans: studies on erythroid bursts generated by embryonic progenitors from yolk sac and liver. Proc Natl Acad Sci U S A. 81 (8), 2416-2420 (1984).
