Aquí describimos un método clínicamente relevante, alta eficiencia y libre de alimentador para reprogramar fibroblastos primarios humanos en células pluripotentes inducidas, usando modificado mRNAs que codifican factores de reprogramación y microRNA maduro-367/302 imita. También se incluyen métodos para evaluar la eficiencia de reprogramación, ampliar las colonias clonales iPSC y confirmar la expresión de los marcadores de pluripotencia TRA-1-60.
Células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) han demostrado para ser una herramienta valiosa para el estudio de la enfermedad y el desarrollo humano. Más avance de iPSCs como un regenerador terapéutico requiere un seguro, robusto y conveniente protocolo de reprogramación. Aquí, presentamos un protocolo clínico relevante, paso a paso para la extremadamente alta eficiencia reprogramación de fibroblastos dérmicos humanos en iPSCs usando un acercamiento no-integración. El núcleo del protocolo consiste en expresar factores de pluripotencia (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A, NANOG, fusión de OCT4-MyoD) en vitro ARN mensajero transcrito sintetizado con modificado nucleótidos (mRNAs modificado). Los mRNAs modificados reprogramación son transfectados en fibroblastos primarios cada 48 h junto con madurados embrionarios células madre específicas microARN-367/302 imitadores durante dos semanas. Las colonias de iPSC resultante pueden entonces aisladas y directamente ampliadas en condiciones libres de alimentador. Para maximizar la eficiencia y la consistencia de nuestro protocolo de reprogramación a través de muestras de fibroblastos, hemos optimizado varios parámetros incluyendo el régimen de la transfección de RNA, sincronización de transfecciones, condiciones de cultivo y densidades de siembra. Lo importante, nuestro método genera iPSCs de alta calidad procedentes de la mayoría del fibroblasto, incluyendo muestras enfermas, mayores o senescentes difícil reprogramar.
Reprogramación de células somáticas en células madre pluripotentes inducidas (iPSCs) requiere extendida expresión de un conjunto básico de factores de transcripción que son importantes en el mantenimiento de pluripotencia1,2. Cuando se produce iPSCs para aplicaciones clínicas, es esencial que la carga mutacional en células de entrada se reduce al mínimo durante el proceso y la eficiencia de generación de iPSC se mantiene en un nivel relativamente alto en las muestras del paciente. Sin embargo, la mayoría de reprogramación métodos, incluyendo los protocolos de integración-libre, sufre de muy baja eficiencia reprogramación, que límite de utilidad clínica de éstos acerca3. La baja eficiencia de reprogramación también puede promover la reprogramación selectiva de las células con mutaciones preexistentes, aumentando la carga mutacional en iPSCs resultante. Además, todos basados en ADN reprogramación los métodos, como enfoques basados en lentivirus y episomal, sufren la preocupación de seguridad que DNA al azar puede integrar en el genoma y crear la posibilidad de mutagénesis de insertional perjudicial y no deseados ( potencialmente oncogénica) expresión de los genes de la pluripotencialidad en aguas abajo del tejido derivados4.
Un enfoque prometedor para lograr inducción eficiente de pluripotencia en las células somáticas y reducir la carga mutacional en iPSCs resultante es utilizar sintético con mensajero RNAs que contiene modificado nucleobases (mRNAs modificado) para la reprogramación de5. La eficacia de enfoques reprogramación modificados de mRNA puede mejorarse aún más mediante la adición de células madre embrionarias (ESC)-específicos microRNAs (miRNAs)-367/302s3, que se han demostrado para reprogramar células somáticas con aumento de la eficiencia6 ,7. Sin embargo, incluso con la adición de miRNAs-367/302s, el enfoque reprogramación de ARNm modificado a menudo falla durante la aplicación a las células recién aisladas de pacientes3. A inconsistencias de la dirección de este enfoque modificado basado en el mRNA, hemos divulgado recientemente una estrategia optimizada y libre integración que induce pluripotencia en fibroblastos humanos primarios con una alta tasa de éxito y utiliza ambos mRNAs modificados de codificación reprogramación de factores y miRNA maduros-367/302 imita8. En nuestro método, el ARNm modificado reprogramación cóctel incluye una versión modificada de OCT4 fusionado con el MyoD transactivation dominio (denominado M3O)9 y cinco otros factores de reprogramación (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A y NANOG). Combinando el modificado mRNA que codifican los factores de pluripotencia con la miRNA imitadores parecen tener un efecto sinérgico sobre la reprogramación de eficiencias en el presente Protocolo. Optimizaciones adicionales del régimen de la transfección de RNA, la célula de siembra y condiciones de cultivo también eran necesarias para aumentar la eficiencia de reprogramación de la aproximación a un muy alto nivel8.
A diferencia de muchos otros protocolos, nuestro enfoque de reprogramación requiere típicamente solamente algunos mil entrada los fibroblastos. Además, muchos no integrar estrategias comunes utilizando plásmidos episomal, virus Sendai o auto-replicadoras del ARN implican extenso pases para diluir el vector reprogramación en iPSCs generado. Por el contrario, mRNA modificado e imitadores de miRNA maduros tienen una vida media corta y se eliminan rápidamente de las células. Tomados en conjunto, la cantidad de tiempo de la cultura de célula acumulativo entre recogida de muestras de pacientes y la generación de iPSCs utilizable es mínima en este enfoque, limitando con eficacia la acumulación de la mutación en iPSCs resultante y mejorar rentabilidad.
Aquí, presentamos el protocolo paso a paso detallado para lograr alta eficiencia la reprogramación de fibroblastos humanos adultos en iPSCs usando nuestro combinatoria modificado mRNA/miRNA-enfoque basado en la8. Este protocolo de reprogramación RNA-basado proporciona un método sencillo, rentable y sólido para la generación de iPSCs libre integración de investigación y potencial aplicación clínica. Además, es aplicable a la reprogramación de una variedad de líneas de fibroblastos como difícil-a-reprogramar, asociado a la enfermedad, los fibroblastos envejecidos y senescentes. Figura 1muestra un esquema del protocolo para la reprogramación de fibroblastos humanos. El protocolo específicamente describe un método para reprogramar tres pozos de fibroblastos humanos de primarios adultos en una placa de la pozo 6 formato. Dos pozos producen típicamente un número suficiente de colonias de iPSC de alta calidad. En muchos casos, sólo uno es necesario, y el tercero también puede utilizarse para el análisis de la eficiencia de reprogramación. Si es necesario, el número de pozos puede ampliarse.
Este protocolo describe un método clínicamente relevantes, no integración, basada en el RNA que permite la reprogramación de las líneas de fibroblastos humanos normales y enfermedad asociada en iPSCs con una ultra alta eficiencia. Hasta la fecha, cada línea de fibroblastos humanos que hemos tratado de reprogramar con el protocolo descrito ha rendido un número satisfactorio de iPSCs de alta calidad para aplicaciones posteriores. IPSCs resultante inmediatamente puede transferir y ampliado en condiciones de cultivo libre de alimentador.
Calidad de los fibroblastos para la reprogramación:
Reprogramación de éxito es fuertemente dependiente de la calidad de a partir de fibroblastos. Idealmente, reprogramación se debe iniciar con los fibroblastos de pasaje más bajo disponibles para alcanzar la mayor eficiencia. Eficiencia de reprogramación es mejor con fibroblastos de pasaje 2 – 4. Reprogramación de todavía puede trabajar con alto-paso (paso 5 – 8), incluso senescentes fibroblastos, aunque con una eficacia reducida. A veces los fibroblastos pasaje baja son de carácter o muestras de los pacientes tienen una mutación genética que impide el crecimiento sano. En este caso, optimización de la densidad de placas inicial puede ser requerido. La reprogramación de líneas comprometidas del fibroblasto se asocia generalmente a muerte creciente de la célula en transfecciones de RNA. Como resultado, las células en la reprogramación bien parecerá estar escasos por 10 – 14 días de reprogramación. Grandes áreas acelulares también será visibles en el pozo. Si este es el caso, el protocolo de reprogramación tendrá que ser nuevamente iniciados con un mayor número inicial a partir de fibroblastos. Galjanoplastia 3.000 entradas células por pocillo de un plato bien 6 formato trabaja constantemente para adultas más líneas de fibroblastos. Sin embargo, aumentar el número de placas a 5.000-10.000 (50.000 líneas senescentes) puede ayudar a mejorar la reprogramación de las muestras asociadas a la enfermedad, como ha sido reportado en nuestra anterior publicación8. Por el contrario, las células alcanzan confluencia demasiado pronto también pueden ser resistentes a la reprogramación. Si las células que experimentan transfecciones con reprogramación RNAs proliferan demasiado rápido (como ocurre a veces con fibroblastos neonatales primarios), iniciar la reprogramación de 500 fibroblastos por pozo de un pozo de 6 formato plato8.
Manejo de la memoria intermedia de transfección:
El pH del buffer de transfección (suero reducido medio ajustado a pH de 8.2) es fundamental para lograr la eficiencia de transfección óptima requerida para este protocolo de reprogramación. Por esta razón, se recomiendan varias precauciones en relación con el manejo del buffer de transfección. Hemos encontrado que incluso corta exposición del búfer de la transfección a aire atmosférico afecta el pH del buffer. Por lo tanto, el búfer de transfección debe alícuotas en un recipiente de tapón de rosca con un mínimo espacio de aire (usamos 5 ó 15 mL tapón cónico los tubos). Para minimizar aún más la exposición al aire, utilizar cada búfer de transfección alícuota hasta un máximo de dos transfecciones. Por último, desde pH de efectos de temperatura, es fundamental que el búfer de la transfección es equilibrado a RT para el ensamblaje de los complejos de transfección. Se recomienda no calentar el búfer de transfección a 37 ° C.
Pases de iPSCs:
Mientras que muchos anteriormente publicados protocolos recomiendan escoger colonias individuales de iPSC en el extremo de reprogramación, esto puede ser difícil de lograr cuando la eficiencia de reprogramación es muy alta o si las colonias se agrupan juntos, como sucede a menudo en nuestra Protocolo. Por lo tanto, si iPSC colonias están cerca uno al otro, le recomendamos que primero pases las células repartidas iPSCs reprogramado antes de la recolección manual colonias. Hay varias ventajas al realizar este paso paso temprano. Extendiéndose a las colonias les da más espacio para crecer, produciendo colonias mucho más grandes para recoger de otra manera podría ser alcanzado en el pozo original. Esto mejora la tasa de éxito en el establecimiento de una línea de iPSC de un clon seleccionado. También encontramos que el tiempo de la cultura adicional con fibroblastos, aunque en una proporción de diluido, parece mejorar la calidad promedio de colonias de iPSC escogido. Los fibroblastos incompleto reprogramados pueden proporcionar apoyo factores paracrinos, que siguen para ayudar a establecer las iPSCs y facilitar la transición directa en condiciones de cultivo de célula libre de alimentador. Fibroblastos por casualidad tienen una desventaja selectiva del crecimiento comparada con iPSCs cuando cultivadas en mTeSR1. Por lo tanto, la población de células de fibroblastos contaminante se diluye rápidamente a cantidades insignificantes dentro de 3 o 4 pasos.
Inhibidores de la roca como Y-27632 se utilizan con frecuencia para el cultivo rutinario de iPSCs humana. Hemos encontrado que frecuente y extendida cultura de algunas líneas de iPSC con Y-27632 puede tener efectos deletéreos sobre la calidad en general. Cuando se utiliza un grupo de pases de método, como con EDTA, Y-27632 no es necesario para mantener la viabilidad de iPSC después de partir. Hemos eliminado completamente medios que suplen con Y-27632 de todo aislamiento de iPSC, expansión o cultura rutinaria.
Limitaciones del Protocolo:
Una limitación del enfoque de reprogramación descrito basado en RNA es el costo inicial y la complejidad asociados con la preparación de los reactivos de reprogramación. Aunque los procedimientos preparatorios para generar mRNA reactivos son todas de la rutina y han sido previamente describen (PCR, transcripción en vitro , tratamiento de DNasa, tapado, desfosforilación, purificación), acumulativamente la producción de reactivos de mRNA es un proceso relativamente largo y no trivial. El otro reto importante de este protocolo es la necesidad de transfectar células cada 48 h, incrementando la intensidad de trabajo del Protocolo de reprogramación. Estas consideraciones pueden ser prohibitivas si se desea la reprogramación sólo unos pocos de muestras de pacientes. Sin embargo, si la consideración primaria es la generación de iPSCs clínicamente relevante o muy alta eficiencia de reprogramación, el enfoque de reprogramación descrito basado en el RNA es ideal.
En Resumen, el alta eficiencia basado en RNA reprogramación método descrito se basa en eficiencia de transfección optimizado del tipo de célula somática a introducirse como se describe en nuestra anterior publicación8. El protocolo de la transfección de RNA presentado en este estudio es altamente sintonizado para fibroblastos primarios humanos pero potencialmente puede adaptarse a otros tipos celulares para mejorar la eficiencia de reprogramación de células somáticas diversas.
The authors have nothing to disclose.
Estamos agradecidos por el apoyo financiero de los institutos nacionales de salud (T32AR007411-33) y el centro de la Universidad de Colorado piel enfermedades investigación Core (P30AR057212). También agradecemos a la Asociación de investigación de epidermolisis Bullosa (EB), Fundación de investigación médica de EB, Cure EB caridad, distrófico de la epidermolisis investigación Asociación (DEBRA) internacional, de la Fundación Rey Balduino Vlinderkindje fondo y puertas Fondo de las fronteras.
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 |
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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. |