Hier beschrijven we een klinisch relevante, hoog rendement, feeder-vrije methode om te herprogrammeren menselijke primaire fibroblasten in geïnduceerde pluripotente stamcellen met behulp van gemodificeerde mRNAs codering herprogrammering factoren en volwassen microRNA-367/302 nabootst. Ook inbegrepen zijn methoden om herprogrammering efficiëntie, te beoordelen vouw klonale iPSC kolonies en bevestigen van de expressie van de pluripotent markering TRA-1-60.
Geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs) hebben bewezen een waardevol hulpmiddel om het bestuderen van de menselijke ontwikkeling en ziekte. Verdere bevordering van iPSCs als een regeneratieve therapeutische vereist een veilig, robuust, en raadzaam herprogrammering protocol. Hier presenteren we een klinisch relevante, stapsgewijze protocol voor de herprogrammering van de extreem hoog rendement van menselijke dermale fibroblasten in iPSCs met behulp van een niet-integratie aanpak. De kern van het protocol bestaat uit het uitdrukken van pluripotent factoren (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A, NANOG, OCT4-MyoD fusion) gewijzigd van in vitro getranscribeerde messenger RNAs gesynthetiseerd met nucleotiden (gemodificeerde mRNAs). De herprogrammering gemodificeerde mRNAs zijn transfected in primaire fibroblasten elke 48 h samen met volwassen embryonale stamcel-specifieke microRNA-367/302 nabootsers voor twee weken. De resulterende iPSC kolonies kunnen dan worden geïsoleerd en direct uitgebreid in feeder-vrij voorwaarden. Het maximaliseren van efficiëntie en consistentie van onze herprogrammering protocol over fibroblast monsters, hebben we verschillende parameters, met inbegrip van de transfectie regime van RNA, geoptimaliseerd timing van transfections en kweekomstandigheden seeding dichtheden. Nog belangrijker is, onze methode genereert hoogwaardige iPSCs van meeste fibroblast bronnen, met inbegrip van moeilijk te herprogrammeren zieke, leeftijd en/of verouderend monsters.
Herprogrammering van somatische cellen met geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSCs) vereist uitgebreide uitdrukking van een kernset van transcriptiefactoren die belangrijk zijn om pluripotent1,2. Bij de productie van iPSCs voor klinische toepassingen, is het essentieel dat de vogelgriepvirus invoercellen lasten tot een minimum tijdens de verwerking beperkt en de efficiëntie van iPSC generatie wordt onderhouden op een relatief hoog niveau in verschillende steekproeven van de patiënt. De meerderheid van de herprogrammering van de methoden, met inbegrip van de integratie-vrije protocollen, lijdt echter in zeer lage herprogrammering rendementen, welke limiet klinische nut van deze3 benaderingen. De lage herprogrammering efficiëntie kan ook bevorderen selectieve herprogrammering van de cellen dragen al aanwezige mutaties, vogelgriepvirus werkdruk in de resulterende iPSCs toeneemt. Daarnaast lijden alle DNA gebaseerde herprogrammering methoden, zoals lentivirus en episomal-gebaseerde benaderingen, aan de zorg van de veiligheid dat DNA willekeurig kan in het genoom integreren en maken kans op schadelijke dat mutagenese en ongewenste) potentieel oncogene) uitdrukking van pluripotent genen in downstream weefsel derivaten4.
Een veelbelovende aanpak vogelgriepvirus verlichten in de resulterende iPSCs te bereiken van efficiënte inductie van pluripotent in somatische cellen is het gebruik van synthetische afgetopte messenger RNAs gemodificeerde nucleobasen (gemodificeerde mRNAs) voor5te herprogrammeren. De efficiëntie van gemodificeerde mRNA gebaseerde herprogrammering benaderingen kan verder worden verbeterd door toevoeging van embryonale stamcellen (ESC)-specifieke microRNAs (miRNAs)-367/302s3, waarin is aangetoond dat lichaamscellen met herprogrammeren efficiënter6 ,7. Nochtans, zelfs met de toevoeging van miRNAs-367/302s, de gewijzigde mRNA gebaseerde herprogrammering aanpak vaak niet in slaagt tijdens toepassing naar vers geïsoleerde patiënten cellen3. Tot adres inconsistenties van deze gewijzigde mRNA gebaseerde benadering, hebben we onlangs gemeld een geoptimaliseerde, integratie-gratis strategie die induceert pluripotent in menselijke primaire fibroblasten met een hoog slagingspercentage en maakt gebruik van zowel gemodificeerde mRNAs codering herprogrammering van de factoren en volwassen miRNA-367/302 bootst8. In onze methode bevat de herprogrammering gemodificeerde mRNA cocktail een aangepaste versie van OCT4 gefuseerd met de MyoD transactivation domein (genaamd M3O)9 en vijf andere herprogrammering factoren (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A en NANOG). Het combineren van de gemodificeerde mRNA codering de pluripotent factoren met de miRNA leek nabootsers te hebben een synergie-effect op de herprogrammering van de efficiëntie in dit protocol. Extra optimalisaties van het RNA transfectie regime, cel zaaien en kweken voorwaarden werden ook noodzakelijke herprogrammering efficiëntie van de aanpak van een ultra-hoge niveau8te verhogen.
In tegenstelling tot vele andere protocollen vereist onze herprogrammering benadering meestal slechts een paar duizend input fibroblasten. Daarnaast betrekken vele gemeenschappelijke niet-integratie van strategieën door middel van episomal plasmiden, Sendai virus of zelfreplicerende RNA uitgebreide passaging te verdunnen de herprogrammering vector in de gegenereerde iPSCs. Omgekeerd, gemodificeerde mRNA en volwassen miRNA nabootsers hebben een korte halfwaardetijd en worden snel geëlimineerd uit cellen. Samen genomen, is het bedrag van de cumulatieve cel cultuur tijd tussen het verzamelen van monsters van de patiënt en de generatie van bruikbare iPSCs minimaal in deze benadering, effectief beperken mutatie accumulatie in de resulterende iPSCs en verbetering van de kosteneffectiviteit.
Hier presenteren we het gedetailleerde stapsgewijze protocol om hoogrenderende herprogrammering van de volwassen menselijke fibroblasten in iPSCs met behulp van onze combinatorische gemodificeerde mRNA/miRNA gebaseerde aanpak8. Dit RNA gebaseerde herprogrammering protocol biedt een robuuste, eenvoudige en kosteneffectieve methode voor het genereren van integratie-vrije iPSCs voor onderzoek en potentieel klinische toepassingen. Het is bovendien van toepassing op de herprogrammering van allerlei fibroblast lijnen met inbegrip van moeilijk-aan-herprogrammeren, ziekte-geassocieerde, leeftijd en verouderend fibroblasten. Een schematische voorstelling van het protocol voor menselijke fibroblasten herprogrammering is afgebeeld in Figuur 1. Het protocol wordt een methode voor drie putten van menselijke volwassen primaire fibroblasten in een 6-well formaat bord te herprogrammeren specifiek beschreven. Twee putten levert meestal een voldoende aantal hoogwaardige iPSC kolonies. In veel gevallen slechts één goed is nodig, en de derde kan goed worden gebruikt voor analyse van efficiëntie te herprogrammeren. Indien nodig, kan het aantal putten worden opgeschaald.
Dit protocol beschrijft een klinisch relevante, niet-integratie, RNA gebaseerde methode waarmee de herprogrammering van de normale en ziekte-geassocieerde menselijke fibroblast lijnen in iPSCs op een ultra-hoge efficiëntie. Tot op heden, heeft elke regel van de menselijke fibroblast die hebben wij geprobeerd te herprogrammeren met het beschreven protocol een bevredigend aantal kwalitatief hoogwaardige iPSCs voor downstream toepassingen opgeleverd. Resulterende iPSCs kunnen onmiddellijk worden overgedragen en uitgebreid in feeder-vrije cultuuromstandigheden.
Kwaliteit van fibroblasten voor herprogrammering:
Herprogrammering van succes is sterk afhankelijk van de kwaliteit van het starten van de fibroblasten. In het ideale geval moet herprogrammering worden begonnen met de laagste passage fibroblasten beschikbaar om de hoogste efficiëntie te bereiken. Herprogrammering van efficiëntie is het beste met fibroblasten van passage 2-4. Herprogrammering nog werken met hoge-passage (passage 5 – 8), zelfs verouderend fibroblasten, zij het met een lagere efficiëntie. Soms lage-passage fibroblasten zijn niet beschikbaar of patiënt monsters hebben een genetische mutatie die voorkomt gezonde groei dat. In dit geval, kan optimalisatie van eerste plating dichtheid worden verlangd. De herprogrammering van gecompromitteerde fibroblast lijnen wordt meestal geassocieerd met toegenomen celdood tijdens RNA transfections. Dientengevolge, zal de cellen in de herprogrammering goed lijken te zijn schaars door 10-14 dagen te herprogrammeren. Grote Acellulair gebieden zal ook zichtbaar zijn in de put. Als dit het geval is, zal het herprogrammering protocol moeten worden opnieuw gestart met een hogere eerste beginnummer van fibroblasten. Plating 3.000 invoercellen per putje van een 6-well formaat schotel werkt consequent voor de meeste volwassen fibroblast lijnen. Echter kan verhogen de beplating aantal tot 5.000-10.000 (50.000 voor verouderend lijnen) helpen om herprogrammering van ziekte-geassocieerde monsters, zoals werd gemeld in onze vorige publicatie8. Omgekeerd, cellen te vroeg confluentie bereiken kunnen ook tegen herprogrammering. Als cellen ondergaan transfections met herprogrammering RNAs te snel vermenigvuldigen (zoals soms het geval met primaire neonatale fibroblasten), starten met 500 fibroblasten per putje van een 6-well formaat schotel8te herprogrammeren.
Behandeling van de transfectie buffer:
De pH van de buffer van de transfectie (verminderd-serum medium aangepast aan de pH van 8,2) is essentieel aan de verwezenlijking van de efficiëntie van de optimale transfectie vereist voor dit protocol te herprogrammeren. Om deze reden, worden verschillende voorzorgsmaatregelen met betrekking tot de behandeling van de transfectie buffer aanbevolen. We hebben vastgesteld dat zelfs korte blootstelling van de buffer van de Transfectie aan atmosferische lucht is van invloed op de pH van de buffer. Daarom moet de transfectie buffer aliquoted schroefdop verpakkingsgasssen met minimale luchtruim (wij gebruiken hetzij 5 of 15 mL schroefdop conische buizen). Om verdere blootstelling van de lucht, elke transfectie buffer aliquoot voor een maximum van twee transfections te gebruiken. Tot slot, sinds temperatuur effecten pH is het essentieel dat de buffer van de Transfectie aan RT is geëquilibreerd voor montage van de transfectie complexen. Het is aangeraden om niet warm de transfectie buffer tot 37 ° C.
Passaging van iPSCs:
Terwijl veel eerder gepubliceerd protocollen aanbevelen individuele iPSC koloniën aan het einde van de herprogrammering plukken, dit is wellicht moeilijk te bereiken als de efficiëntie van herprogrammering zeer hoog is of als de kolonies cluster samen, zoals vaak het geval in onze Protocol. Als iPSC kolonies dicht bij elkaar zijn, is het daarom raadzaam te passaging eerst de cellen te spreiden geherprogrammeerde iPSCs voordat het handmatig plukken kolonies. Er zijn verschillende voordelen aan het uitvoeren van deze vroege passage stap. De kolonies uitspreiden geeft hen meer ruimte om te groeien, opbrengst veel grotere kolonies voor picken dan anders in de oorspronkelijke bron zou kunnen worden bereikt. Dit verbetert sterk het slagingspercentage bij het vaststellen van een iPSC lijn van een geplukt kloon. Wij vinden ook dat de extra cultuur keer met fibroblasten, zij het op een verdunde ratio weergegeven de gemiddelde kwaliteit van geplukt iPSC kolonies te verbeteren. De onvolledig geherprogrammeerde fibroblasten voorschrijven ondersteunende paracrine factoren, die blijven helpen vaststellen van de iPSCs en de directe overgang in feeder-vrije cel cultuuromstandigheden. Fibroblasten hebben toevalligerwijs een nadeel van de selectieve groei in vergelijking met iPSCs wanneer in mTeSR1 gekweekt. Daarom is de besmettende fibroblast-celpopulatie snel verdund tot te verwaarlozen hoeveelheden binnen 3-4 gangen.
ROCK-remmers zoals Y-27632 worden vaak gebruikt voor routinematige cultuur van menselijke iPSCs. We hebben gevonden dat frequente en/of uitgebreide cultuur van sommige iPSC lijnen met Y-27632 schadelijke gevolgen voor algehele kwaliteit hebben kan. Wanneer u een klomp passaging methode, is zoals met EDTA, Y-27632 niet nodig om de levensvatbaarheid van de iPSC na de splitsing. Wij hebben volledig geëlimineerd aanvulling media met Y-27632 voor alle iPSC isolatie, uitbreiding of routine cultuur.
Protocol beperkingen:
Een beperking aan de beschreven RNA gebaseerde herprogrammering benadering is de initiële kosten en complexiteit die is gekoppeld aan de voorbereiding van de herprogrammering reagentia. Hoewel voorbereidende procedures voor het genereren van mRNA reagentia zijn alle routine en zijn eerder beschreven (PCR, in vitro transcriptie DNase behandeling, aftopping, defosforylerings, zuivering), cumulatief is de productie van mRNA reagentia is een relatief lange en niet-triviale proces. De andere grote uitdaging bij dit protocol is de noodzaak om transfect cellen elke 48 h, verhogen van de intensiteit van de arbeid van de herprogrammering protocol. Deze overwegingen kunnen worden onbetaalbaar desgewenst herprogrammering van slechts een paar voorbeelden van de patiënt is. Echter, als de primaire overweging het genereren van klinisch relevante iPSCs of zeer hoge herprogrammering efficiëntie is, de beschreven RNA gebaseerde herprogrammering benadering is ideaal.
Kortom, de beschreven hoogrenderende RNA gebaseerde herprogrammering methode staat of valt met geoptimaliseerde transfectie efficiëntie van de somatische celtype zoals beschreven in onze eerdere publicatie8worden geherprogrammeerd. Het RNA transfectie protocol gepresenteerd in deze studie is sterk afgestemd voor menselijke primaire fibroblasten, maar mogelijk kan worden afgestemd op andere celtypes herprogrammering efficiëntie van verschillende somatische cellen te verbeteren.
The authors have nothing to disclose.
We zijn dankbaar voor de financiering van de steun van de National Institutes of Health (T32AR007411-33) en de Universiteit van Colorado huid ziekten Core onderzoekscentrum (P30AR057212). Wij danken ook de Epidermolysis Bullosa (EB) onderzoekspartnerschap, EB Medical Research Foundation, Cure EB liefdadigheid, Dystrofe Epidermolysis Bullosa Research Association (DEBRA) International, Koning Boudewijnstichting Vlinderkindje Fonds en poorten Grenzen Fonds.
Plasmid templates for PCR | |||
pcDNA3.3_KLF4 | Addgene | 26815 | |
pcDNA3.3_SOX2 | Addgene | 26817 | |
pcDNA3.3_c-MYC | Addgene | 26818 | |
pcDNA3.3_LIN28A | Addgene | 26819 | |
pCR-Blunt_hM3O | Addgene | 112638 | |
pCR-Blunt_hNANOG | Addgene | 112639 | |
pCR-Blunt_mWasabi | Addgene | 112640 | |
Modified mRNA in vitro transcription and miRNA mimics | |||
Forward Primer | Integrated DNA Technologies | TTGGACCCTCGTACAGAAGC TAATACG |
|
Reverse Primer (Ordered as ultramer, 4nmol scale) | Integrated DNA Technologies | TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT CTTCCTACTCAGGCTTTATTCA AAGACCA |
|
(ARCA Cap) 3´-0-Me-m7G(5')ppp(5')G | New England Biolabs | S1411S | |
Pfu Ultra II Hotstart 2x Master Mix | Agilent | 600850-51 | |
5-Methylcytidine-5'-Triphosphate | Trilink Biotechnologies | N-1014 | |
Antarctic Phosphatase | New England Biolabs | M0289L | |
DNase I | NEB | M0303S | |
MEGAscript T7 Transcription Kit | ThermoFisher Scientific | AM1334 | |
Pseudouridine-5'-Triphosphate | Trilink Biotechnologies | N-1019 | |
Riboguard RNase Inhibitor | Lucigen | RG90910K | |
RNA Clean & Concentrator | ZymoResearch | R1019 | |
Syn-hsa-miR-302a-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000684 | |
Syn-hsa-miR-302b-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000715 | |
Syn-hsa-miR-302c-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000717 | |
Syn-hsa-miR-302d-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000718 | |
Syn-hsa-miR-367-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000719 | |
Water (Nuclease free, Not DEPC-treated) | Fisher | AM9937 | Use to dilute modified mRNAs and miRNA mimics |
Fibroblast culture and reprogramming | |||
0.1% Gelatin in H2O | stemcell technologies | #07903 | |
Stericup-GV Sterile Vacuum Filtration System | EMD Millipore | SCGVU05RE | Use to sterilize the transfection buffer and 0.5 mM EDTA in DPBS |
2-Mercaptoethanol | ThermoFisher Scientific | 21985023 | |
6-well plates (tissue culture treated) | Corning | 3516 | |
DMEM/F12 | ThermoFisher Scientific | 11320033 | |
Fetal Bovine Serum | Fisher | 26-140-079 | |
FGF Basic | ThermoFisher Scientific | phg0263 | |
GlutaMax Supplement | ThermoFisher Scientific | 35050061 | Glutamine supplement used for the prepration of media |
Heat Inactivated FBS | Gibco Technologies | 10438026 | |
KnockOut Serum Replacement | ThermoFisher Scientific | 10828010 | |
Lipofectamine RNAiMAX Transfection Reagent | ThermoFisher Scientific | 13778500 | The protocol is optimized for the Lipofectamine RNAiMax transfection reagent |
MEM | ThermoFisher Scientific | 11095080 | |
MEM Non-essential amino acids | ThermoFisher Scientific | 11140050 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | ThermoFisher Scientific | 31985070 | Reduced-serum medium, use to make the transfection buffer by adjusting the pH to 8.2, 500 mL |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | ThermoFisher Scientific | 31985062 | Reduced-serum medium, use to make the transfection buffer by adjusting the pH to 8.2, 100 mL |
10 M NaOH | Sigma-Aldrich | 72068 | Make a 1 M solution by diluting in nuclease free water and use for pH adjustment |
Water (Nuclease free, Not DEPC-treated) | Fisher | AM9932 | Use to dilute NaOH and wash a pH meter |
Pen/Strep/Fungizone | GE Healthcare | SV30079.01 | |
rhLaminin-521 | ThermoFisher Scientific | A29248 | Supplied at a concentration of 100 µg/mL, use as a matrix for the reprogramming procedure |
Dulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS) | Life Technologies | 14190144 | |
Trypsin-EDTA 0.25% Phenol Red | Life Technologies | 2520056 | |
Vaccinia Virus B18R (CF) | ThermoFisher Scientific | 34-8185-86 | |
iPSC culture | |||
Corning Matrigel hESC-Qualified Matrix | Corning | 354277 | Extracellular matrix (ECM) for culturing iPSCs |
EDTA, 0.5 M stock solution | K&D Medical | RGF-3130 | Dilute to 0.5 mM in DPBS, filter sterilize and use for iPSC passaging |
mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | Pluripotent stem cell (PSC) medium, provides growth advantage to iPSCs over fibroblasts |
Antibodies and Detection | |||
Rabbit anti Mouse (HRP conjugated) | Abcam | ab97046 | |
Tra-1-60 (mouse anti human) | Stemgent | 09-0010 | |
Hydrogen Peroxide (30%) | LabChem | LC154301 | Dilute to 3% with PBS |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Fisher | BP9703100 | |
Phosphate-buffered salin (PBS) | Hyclone | SH30258.02 | Supplied as 10x, dilute to 1x |
VECTOR NovaRED Peroxidase Substrate Kit | Vector Laboratories | SK-4800 | |
Special Equipment | |||
Description | Notes | ||
Biological safety cabinet | |||
Regular humidified tissue culture incubator | Calibrate CO2 using digital meter, fyrite, or equivalent. Equilibrate incubator to 5% CO2, 37°C. | ||
Tri-gas humidified tissue culture incubator | Calibrate CO2 using digital meter, fyrite, or equivalent. Equilibrate incubator to 5% CO2, 5% O2, 37°C. Use for the reprogramming procedure. | ||
pH Meter | Must have resolution to two decimal places. Designate to RNA work if possible. | ||
Inverted microscope | Microscope configured to visualize EGFP for monitoring transfection efficiency. |