Qui descriviamo un metodo clinicamente rilevante, ad alta efficienza e privo di alimentatore per riprogrammare i fibroblasti primari umani in cellule staminali pluripotenti indotte utilizzando modificate mRNA che codificano per fattori di riprogrammazione e maturo microRNA-367/302 imita. Sono inoltre inclusi metodi per valutare l’efficienza di riprogrammazione, espandere le colonie clonali iPSC e confermare l’espressione del marcatore pluripotenza TRA-1-60.
Cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs) hanno dimostrato di essere uno strumento prezioso per studiare la malattia e lo sviluppo umano. Ulteriore avanzando iPSCs come un rigeneratore terapeutico richiede un sicuro, robusto e opportuno protocollo di riprogrammazione. Qui, presentiamo un protocollo clinicamente rilevante, passo-passo per la riprogrammazione di fibroblasti cutanei umani estremamente ad alta efficienza in iPSCs utilizzando un approccio non-integrazione. Il nucleo del protocollo consiste di esprimere fattori di pluripotenza (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A, NANOG, OCT4-MyoD fusione) da in vitro RNA messaggero trascritto sintetizzato con modificato nucleotidi (mRNAs modificate). Il riprogrammazione mRNAs modificate transfected in fibroblasti primari ogni 48 h insieme maturo imita di microRNA-367/302 specifico delle cellule staminali embrionali per due settimane. Le colonie di iPSC risultante possono essere isolate e ampliate direttamente in condizioni prive di alimentatore. Per massimizzare l’efficienza e la coerenza del nostro protocollo di riprogrammazione attraverso campioni del fibroblasto, abbiamo ottimizzato i vari parametri tra cui il regime di transfezione di RNA, tempi di transfezioni, condizioni di coltura e densità di semina. D’importanza, il nostro metodo genera alta qualità iPSCs da più fonti del fibroblasto, compresi i campioni di difficile riprogrammare malati, invecchiati, e/o senescenti.
Riprogrammare le cellule somatiche in cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs) richiede espressione estesa di un insieme di fattori di trascrizione che sono importanti nel mantenimento della pluripotenza1,2. Quando si producono iPSCs per applicazioni cliniche, è essenziale che il carico mutazionale nelle celle di input è ridotta a icona durante l’elaborazione e l’efficienza della generazione di iPSC è mantenuta ad un livello relativamente elevato attraverso campioni di pazienti. Tuttavia, la maggior parte della riprogrammazione metodi, inclusi i protocolli di integrazione-libero, soffre molto minor efficienza riprogramma, quale limite di utilità clinica di questi si avvicina a3. La bassa efficienza di riprogrammazione può anche promuovere riprogrammazione selettiva delle cellule portatrici di mutazioni di preesistenza, aumentando il carico mutazionale in iPSCs risultante. Inoltre, tutti i metodi riprogrammazione basati sul DNA, come lentivirus ed episomal-approcci, soffrono il problema di sicurezza che DNA in modo casuale può integrare nel genoma e creare l’opportunità per mutagenesi inserzionale nociva e indesiderati ( potenzialmente oncogeno) espressione di geni di pluripotenza in tessuto a valle derivati4.
Un promettente approccio per raggiungere induzione efficiente della pluripotenza in cellule somatiche e ridurre carico mutazionale in iPSCs risultante consiste nell’utilizzare sintetici con un massimo di RNA messaggeri contenenti modificati basi azotate (modificate mRNA) per la riprogrammazione5. L’efficacia di approcci riprogrammazione mRNA modificati può essere ulteriormente migliorata con l’aggiunta di cellule staminali embrionali (ESC)-specifici microRNA (Mirna)-367/302s3, che sono stati indicati per riprogrammare le cellule somatiche con maggiore efficienza6 ,7. Tuttavia, anche con l’aggiunta di Mirna-367/302, l’approccio di riprogrammazione basato su mRNA modificata spesso non riesce durante l’applicazione di recente isolate cellule paziente3. Incoerenze di indirizzo di questo approccio basato su mRNA modificato, recentemente abbiamo segnalato una strategia ottimizzata, privo di integrazione che utilizza entrambe modificate mRNA che codifica e induce la pluripotenza in fibroblasti umani primari con un alto tasso di successo riprogrammazione di fattori e maturo miRNA-367/302 imita8. Nel nostro metodo, la riprogrammazione mRNA modificate cocktail include una versione modificata di OCT4 fusa con il MyoD transactivation dominio (chiamato M3O)9 e cinque altri fattori riprogrammazione (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A e NANOG). Combinando la modificate mRNA codificanti i fattori di pluripotenza con il miRNA imita è sembrato avere un effetto sinergico sulla riprogrammazione efficienze in questo protocollo. Ulteriori ottimizzazioni del regime di transfezione di RNA, cellule semina e coltura condizioni anche erano necessarie per aumentare l’efficienza di riprogrammazione dell’approccio ad un ultra-alto livello8.
A differenza di molti altri protocolli, il nostro approccio riprogrammazione richiede in genere solo pochi mille input fibroblasti. Inoltre, molti non-integrazione di strategie comuni utilizzando plasmidi episomal, Sendai virus, o RNA autoreplicante coinvolgono vasto passaggio per diluire il vettore di riprogrammazione in iPSCs generato. Al contrario, modificate mRNA e miRNA maturo Mimi hanno una breve emivita e vengono rapidamente eliminati dalle cellule. Presi insieme, la quantità di tempo della coltura cellulare cumulativo tra la raccolta di campioni dei pazienti e la generazione di iPSCs utilizzabile è minima in questo approccio, un’efficace limitazione accumulo di mutazione in iPSCs risultante e incrementare l’economicità.
Qui, presentiamo il protocollo dettagliato passo-passo per ottenere alta efficienza riprogrammazione dei fibroblasti umani adulti in iPSCs utilizzando il nostro approccio basato su mRNA/miRNA modificato combinatoria8. Questo protocollo di riprogrammazione RNA-ha basato fornisce un metodo semplice, conveniente e affidabile per la generazione di iPSCs privo di integrazione per ricerca e potenziali applicazioni cliniche. Inoltre, è applicabile per la riprogrammazione di una varietà di linee di fibroblasti compreso difficile a riprogrammare, malattia-collegati, fibroblasti senescenti e invecchiati. Un disegno schematico del protocollo per la riprogrammazione di fibroblasti umani è illustrato nella Figura 1. Il protocollo descrive in modo specifico un metodo per la riprogrammazione di tre pozzi di fibroblasti primari adulti umani in un piatto formato da 6 pozzetti. Due pozzi in genere producono un numero sufficiente di colonie di iPSC di alta qualità. In molti casi, unico bene è necessario, e il terzo bene può essere utilizzato per l’analisi dell’efficienza di riprogrammazione. Se richiesto, il numero di pozzetti può essere scalato.
Questo protocollo descrive un metodo clinicamente rilevante, non-integrazione, RNA-based che consente per la riprogrammazione delle linee di fibroblasti umani normali e malattia-collegati in iPSCs ad un’altissima efficienza. Ad oggi, ogni linea di fibroblasti umani che abbiamo tentato di riprogrammare con il protocollo descritto ha fruttato un numero soddisfacente di iPSCs di alta qualità per applicazioni a valle. IPSCs risultante può essere immediatamente trasferiti e ampliato in condizioni di coltura privo di alimentatore.
Qualità dei fibroblasti per la riprogrammazione:
Riprogrammazione di successo è fortemente dipendente dalla qualità a partire di fibroblasti. Idealmente, la riprogrammazione deve essere iniziato con i fibroblasti di passaggio più bassi disponibili per raggiungere la massima efficienza. Riprogrammazione di efficienza è migliore con i fibroblasti del passaggio 2 – 4. Riprogrammazione può ancora lavorare con alta-passaggio (passaggio 5 – 8), fibroblasti senescenti anche, seppur con una ridotta efficienza. A volte bassa-passaggio fibroblasti non sono disponibili o campioni di pazienti hanno una mutazione genetica che impedisce una crescita sana. In questo caso, ottimizzazione della densità di placcatura iniziale può essere richiesto. La riprogrammazione delle linee del fibroblasto compromessa è solitamente associata con la morte aumentata delle cellule durante transfezioni RNA. Di conseguenza, le cellule nella riprogrammazione bene sembrano essere sparsa da giorni 10 – 14 di riprogrammazione. Grandi aree acellulare saranno visibili anche nel pozzo. Se questo è il caso, il protocollo di riprogrammazione sarà necessario essere ri-iniziato con un numero superiore di partenza iniziale dei fibroblasti. Placcatura 3.000 celle di input per pozzetto di un piatto formato da 6 pozzetti funziona in modo coerente per linee del fibroblasto più adulti. Tuttavia, aumentando il numero di placcatura a 5.000 – 10.000 (50.000 per linee senescenti) può contribuire a migliorare la riprogrammazione dei campioni di malattia-collegati, come è stato segnalato nella nostra precedente pubblicazione8. Al contrario, le cellule raggiungendo confluency troppo presto possono anche essere resistente alla riprogrammazione. Se le cellule che subiscono transfezioni con riprogrammazione RNAs proliferano troppo rapidamente (come a volte è il caso con i fibroblasti neonatale primarie), avviare riprogrammazione con 500 fibroblasti per pozzetto di un formato da 6 pozzetti piatto8.
Gestione del buffer di transfezione:
Il pH del tampone transfezione (ridotto-siero medio regolata a pH 8,2) è fondamentale per conseguire l’efficienza di trasfezione ottimale necessaria per questo protocollo di riprogrammazione. Per questo motivo, alcune precauzioni per quanto riguarda la gestione del buffer transfezione sono raccomandati. Abbiamo trovato che anche breve esposizione del buffer transfezione di aria atmosferica influenza il pH del tampone. Di conseguenza, il buffer di transfezione deve essere titolato in un contenitore di tappo a vite con uno spazio minimo di aria (usiamo 5 o 15 provette coniche da mL tappo a vite). Per ridurre ulteriormente l’esposizione all’aria, è necessario utilizzare ogni buffer di transfezione aliquota per un massimo di due transfezioni. Infine, dal pH di impatti di temperatura, è fondamentale che il buffer di transfezione è equilibrato al RT per assemblaggio dei complessi transfezione. Si consiglia di non riscaldare il buffer di transfezione a 37 ° C.
Passaggio di iPSCs:
Mentre molti precedentemente pubblicati protocolli raccomandati picking iPSC singole colonie alla fine della riprogrammazione, questo può essere difficile da realizzare quando l’efficienza della riprogrammazione è molto alta o se le colonie cluster insieme, come è spesso il caso nel nostro protocollo. Pertanto, se iPSC colonie sono nella prossimità vicina a vicenda, si consiglia di primo passaggio le cellule per stendere riprogrammate iPSCs prima di scegliere manualmente colonie. Ci sono diversi vantaggi per eseguire questo passaggio passaggio precoce. Spanditura le colonie dà loro più spazio per crescere, producendo colonie molto più grande per il raccolto quello che altrimenti potrebbe essere raggiunto nel pozzo originale. Questo migliora notevolmente il tasso di successo nella creazione di una linea di iPSC da un clone selezionato. Troviamo anche che il tempo di impostazioni cultura aggiuntive con i fibroblasti, seppur con un rapporto diluito, sembra migliorare la qualità media delle colonie raccolte iPSC. I fibroblasti non completamente riprogrammati possono fornire supporto fattori paracrini, che continuano a contribuire a stabilire le iPSCs e facilitare la transizione diretta in condizioni di coltura cellulare privo di alimentatore. Fibroblasti fortuitamente hanno uno svantaggio selettivo di crescita rispetto al iPSCs quando coltivate in mTeSR1. Pertanto, la popolazione di cellule del fibroblasto contaminanti rapidamente viene diluita a quantità trascurabili all’interno di 3 – 4 passaggi.
Inibitori di roccia come Y-27632 vengono spesso utilizzati per la coltura sistematica di iPSCs umane. Abbiamo trovato che frequente e/o estesa cultura di alcune linee di iPSC con Y-27632 possono avere effetti deleteri sulla qualità complessiva. Quando si utilizza un ciuffo metodo di passaggio, come ad esempio con EDTA, Y-27632 non è necessario mantenere iPSC redditività dopo la divisione. Abbiamo completamente eliminato multimediale che integra con Y-27632 per tutte le iPSC isolamento, espansione o coltura sistematica.
Limitazioni di protocollo:
Una limitazione per l’approccio descritto di riprogrammazione RNA-ha basato è il costo iniziale e la complessità associati con la preparazione dei reagenti riprogrammazione. Anche se le procedure preparatorie per generare mRNA reagenti sono tutte le routine e precedentemente sono stati descritti (PCR, trascrizione in vitro , trattamento della dnasi, tappatura, defosforilazione, purificazione), cumulativamente la produzione di reagenti di mRNA è un processo relativamente lungo e non banale. L’altra grande sfida di questo protocollo è la necessità di transfect cellule ogni 48 h, aumentando l’intensità di lavoro del protocollo riprogrammazione. Queste considerazioni possono essere proibitive se riprogrammazione di solo pochi campioni di pazienti è desiderato. Tuttavia, se la considerazione principale è la generazione di iPSCs clinicamente rilevanti o conseguire efficienza riprogramma molto elevata, l’approccio descritto di riprogrammazione RNA-ha basato è ideale.
In sintesi, il descritto ad alta efficienza basati su RNA riprogrammazione metodo cerniere sull’efficienza di trasfezione ottimizzata del tipo di cellule somatiche per essere riprogrammato come descritto nella nostra precedente pubblicazione8. Il protocollo di transfezione di RNA ha presentato in questo studio è altamente ottimizzato per i fibroblasti primari umani ma potenzialmente può essere adattato ad altri tipi di cella per migliorare l’efficienza di riprogrammazione delle varie cellule somatiche.
The authors have nothing to disclose.
Siamo grati per il finanziamento del sostegno da parte del National Institutes of Health (T32AR007411-33) e l’Università del Colorado pelle malattie Research Core Center (P30AR057212). Ringraziamo anche il partenariato di ricerca di epidermolisi bollosa (EB), EB Medical Research Foundation, cura EB carità, associazione di ricerca Epidermolisi bollosa distrofica (DEBRA) International, King Baudouin Foundation Vlinderkindje fondo e cancelli Fondo di frontiere.
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. |