Il s’agit d’un flux de travail simple permettant de différencier les cellules endothéliales des cellules souches pluripotentes humaines, suivi d’un protocole détaillé pour leur stimulation mécanique. Cela permet d’étudier la mécanobiologie du développement des cellules endothéliales. Cette approche est compatible avec les dosages en aval de cellules vivantes prélevées sur la puce de culture après stimulation mécanique.
Le cœur est le premier organe à être établi fonctionnellement au cours du développement, initiant ainsi la circulation sanguine très tôt dans la gestation. En plus de transporter l’oxygène et les nutriments pour assurer la croissance du fœtus, la circulation fœtale contrôle de nombreux événements de développement cruciaux qui se déroulent dans la couche endothéliale par le biais de signaux mécaniques. Les signaux biomécaniques induisent des changements structurels des vaisseaux sanguins, établissent la spécification artérioveineuse et contrôlent le développement des cellules souches hématopoïétiques. L’inaccessibilité des tissus en développement limite la compréhension du rôle de la circulation dans le développement humain précoce ; Par conséquent, les modèles in vitro sont des outils essentiels pour l’étude de la mécanobiologie des vaisseaux. Cet article décrit un protocole permettant de différencier les cellules endothéliales des cellules souches pluripotentes induites humaines et leur ensemencement ultérieur dans un dispositif fluidique afin d’étudier leur réponse aux signaux mécaniques. Cette approche permet une culture à long terme de cellules endothéliales sous stimulation mécanique, suivie d’une récupération des cellules endothéliales pour une caractérisation phénotypique et fonctionnelle. Le modèle in vitro établi ici sera déterminant pour élucider les mécanismes moléculaires intracellulaires qui transduisent la signalisation médiée par des signaux mécaniques, qui orchestrent finalement le développement des vaisseaux au cours de la vie fœtale humaine.
Au cours du développement embryonnaire, le cœur est le premier organe à établir une fonctionnalité1, avec des contractions détectables dès le stade le plus précoce de la formation du tube endocardique2. La circulation, ainsi que les signaux mécaniques médiés par le flux sanguin dans le vaisseau, contrôlent de nombreux aspects cruciaux du développement précoce. Avant l’établissement de la circulation fœtale, le système vasculaire est organisé en un plexus capillaire primaire ; Lors du fonctionnement cardiaque, ce plexus se réorganise en vascularisation veineuse et artérielle3. Le rôle des signaux mécaniques dans la spécification artérioveineuse est reflété par l’expression pan-endothéliale des marqueurs artériels et veineux avant l’initiation du flux sanguin4.
Les forces hémodynamiques contrôlent non seulement le développement du système vasculaire lui-même, mais jouent également un rôle fondamental dans le contrôle de la formation des cellules sanguines. Les cellules souches et progénitrices hématopoïétiques (HSPC) émergent de cellules endothéliales spécialisées appelées endothélium hémogène 5,6,7,8, présentes dans différentes régions anatomiques de l’embryon exclusivement au stade précoce du développement. Des modèles déficients cardiaques, ainsi que des modèles in vitro, ont démontré que les signaux mécaniques instruisent et augmentent la production de HSPC à partir de l’endothélium hémogène 9,10,11,12,13,14.
Il a été démontré que différents types de dynamique d’écoulement contrôlent de manière différentielle le cycle cellulaire15, connu pour être important à la fois dans l’endothélium hémogène 16,17 et dans la spécification des cellules artérielles18. Dans l’ensemble, les signaux mécaniques sont des déterminants essentiels de l’identité et de la fonction cellulaires au cours du développement. De nouveaux dispositifs fluidiques in vitro nous permettent de surmonter les limites liées à l’étude de la mécanobiologie du développement au cours du développement du sang humain in vivo.
L’objectif général du protocole de ce manuscrit est de décrire, étape par étape, le pipeline expérimental pour étudier l’effet de la contrainte de cisaillement sur les cellules endothéliales humaines dérivées in vitro de cellules souches pluripotentes induites humaines (hiPSC). Ce protocole contient des instructions détaillées sur la différenciation des hiPSC en cellules endothéliales et leur ensemencement ultérieur dans des puces fluidiques pour le protocole de stimulation. Grâce à cela, différentes cellules endothéliales dérivées in vitro peuvent être testées pour leur capacité à détecter la contrainte de cisaillement en analysant leur orientation en réponse à l’écoulement. Cela permettra à d’autres laboratoires de répondre à des questions sur la réponse au stress de cisaillement et ses conséquences fonctionnelles sur différentes identités de cellules endothéliales.
Le protocole que nous décrivons ici permet de générer des cellules endothéliales mécanosensibles à partir de cellules souches pluripotentes humaines et d’étudier leur réponse à la stimulation mécanique médiée par une contrainte de cisaillement contrôlée. Ce protocole est entièrement à base de cytokines et entièrement compatible avec les réactifs GMP pour une traduction potentielle dans la production de cellules pour la thérapie cellulaire.
La dérivation des hiPSCs fournit aux scientifiques un modèle instrumental pour les premiers stades du développement embryonnaire qui permet d’étudier des processus qui sont autrement difficiles à étudier in vivo24. En fait, les tissus embryonnaires humains disponibles pour la recherche sont prélevés sur des embryons dépourvus de circulation, ce qui pourrait avoir un impact significatif sur la signature moléculaire contrôlée par des signaux mécaniques. L’approche décrite ici permet l’imagerie en direct et l’étude en temps réel de la réponse cellulaire à la contrainte de cisaillement. La combinaison des hiPSCs avec la fluidique fournit un modèle d’étude qui permet de surmonter la disponibilité limitée et l’inaccessibilité des tissus fœtaux en développement lorsque l’initiation de la circulation remodèle et contrôle l’établissement du système cardiovasculaire et sanguin 3,9,10,25.
L’une des limites du protocole est que les cellules endothéliales dérivées de ce protocole peuvent ne pas refléter les différentes identités des différentes cellules endothéliales présentes dans les tissus en développement. Pour surmonter cette limitation, une combinaison spécifique de cytokines peut être nécessaire au cours du processus de différenciation précédant la stimulation fluidique afin d’obtenir l’identité souhaitée ou le phénotype tissulairespécifique 26. L’isolement des sous-ensembles endothéliaux peut être obtenu à l’aide d’un immunophénotype plus affiné lors de l’étape d’isolement. Ce protocole isole les cellules endothéliales en se basant uniquement sur l’expression de CD34, permettant ainsi l’isolement de la colonne au lieu du tri cellulaire activé par fluorescence (FACS) ; Cela réduit la mort cellulaire et le risque de contamination. De plus, ce protocole est spécifiquement conçu pour étudier le rôle de la contrainte de cisaillement médiée par l’écoulement laminaire. D’autres approches fluidiques devront être employées pour étudier l’effet d’autres signaux mécaniques, tels que l’étirement ou la compression, ou d’autres types d’écoulement tels que l’écoulement perturbé ou perturbé.
Nous avons précédemment montré que les cellules endothéliales dérivées des CSPi imitent les identités cellulaires artérioveineuses hétérogènes27 similaires à celles observées dans l’aorte dorsale fœtale28,29,30. Ceci est particulièrement important dans le contexte du développement des vaisseaux et de la spécification cellulaire, dont on sait qu’ils sont contrôlés par la circulation sanguine. Des études dans différents modèles ont montré que l’absence de circulation entraîne une altération de la spécification artérioveineuse11,14,31. Les mécanismes qui relient les signaux mécaniques à la spécification cellulaire sont encore inconnus et le pipeline décrit ici permet d’affiner les études fonctionnelles qui n’ont pas pu être testées in vivo.
Ce pipeline décrit la production et la stimulation de cellules endothéliales dérivées de cellules hiPS à l’aide de canaux fluidiques disponibles dans le commerce, évitant ainsi la nécessité de couler les dispositifs comme pour les dispositifs en polydiméthylsiloxane (PDMS) largement utilisés12. De plus, l’utilisation de puces PDMS rend la collecte des cellules stimulées particulièrement difficile, tandis qu’avec ce protocole, les cellules peuvent être facilement récupérées du canal. Cela améliore considérablement la puissance analytique, ce qui permet des analyses ultérieures telles que des analyses protéomiques et transcriptomiques, la cytométrie en flux et des tests fonctionnels, qui peuvent nécessiter une culture supplémentaire ou des tests in vivo .
The authors have nothing to disclose.
Ces travaux ont été soutenus par la Research Advanced Grant 2021 de l’Association européenne d’hématologie, le Global Research Award 2021 de l’American Society of Hematology et le Fonds de soutien à la stratégie interne ISSF3 financé par le Welcome Trust et l’Université d’Édimbourg. Nous remercions Fiona Rossi du Flow Cytometry Facility pour son soutien dans l’analyse de la cytométrie en flux. Aux fins du libre accès, l’auteur a appliqué une licence Creative Commons Attribution (CC BY) à toute version du manuscrit accepté par l’auteur découlant de cette soumission.
0.6 Luer uncoated slide | ibidi | IB-80186 | |
25% BSA | Life Technologies | A10008-01 | |
6-well plates | Greiner Bio-one | 657160 | |
Accutase | Life Technologies | A1110501 | Cited as Dissociation reagent |
Ascorbic acid | Merck | A4544-100G | |
Aspiration pipette | Sardtedt | 86.1252.011 | |
B27 supplement | Life Technologies | 17504044 | Cited as Neuronal cell culture supplement (50x) |
BD FACS DIVA | BD Biosciences | Version 8.0.1 | Cited as flow cytometry software |
BD LSR Fortessa 5 Laser | BD Biosciences | ||
bFGF | Life Technologies | PHG0021 | |
CD34 Microbead kit | Miltenyil Biotec | 30-046-702 | |
CD34 PE clone 4H11 | Invitrogen | 12-0349-42 | |
CD34 PerCP-eFluor 710 clone 4H11 | Invitrogen | 44-0349-42 | |
Cellstar cell-repellent surface 6-well plates | Greiner Bio-one | 657970 | Cited as cell-repellent plate |
CHIR99021 | Cayman Chemicals | 13122-1mg-CAY | |
Cryostor CS10 cell cryopreservation | Merck | C2874-100ML | Cited as Cryopreservation solution |
Dimethyl Sulfoxide | VWR | 200-664-3 | Cited as DMSO |
DMEM/F-12 | Life Technologies | 10565-018 | |
DPB Ca2+ Mg2+ | Life Technologies | 14080055 | |
DPBS | Life Technologies | 14200075 | |
EASY Strainer 40 μm | Greiner Bio-one | 542040 | |
EDTA | Life technologies | 15575020 | |
FcR Blocking Reagent | Miltenyil Biotec | 130-059-901 | |
Fiji | Version 1.53c | ||
Flow Jo | Version 10.7.1 | Cited as flow cytometry sanalysis oftware | |
FLT3L | Peprotech | 300-19-10uG | |
Fluidic unit | ibidi | 10903 | |
GlutaMax | Life Technologies | 35050038 | Cited as L-glutamine supplement |
Ham F-12 | Life Technologies | 11765054 | |
Holo-transferrin | Merk | T0665-500MG | |
Human Serum Albumin | Fujifilm UK LTD | 9988 | |
Ibidi Pump system | ibidi | 10902 | Cited as Pump system |
IMDM | Life Technologies | 12440053 | |
Inverted microscope | ioLight/Thisle Scientific | IOL-IO-INVERT | Cited as inverted in-incubator microscope |
Lyophilised BSA | Merck | A2153-100G | |
MiniMACS Separator | Miltenyil Biotec | 130-042-102 | Cited as Magnetic separator |
MS Columns | Miltenyil Biotec | 130-042-201 | Cited as Magnetic column |
MTG | Merck | M6145-25ML | |
N2 supplement | Life Technologies | 17502048 | |
Notebook for pump system | ibidi | 10908 | |
Paraformaldehyde 37-41% | Fisher Chemicals | F/1501/PB15 | |
Pastette | Greiner Bio-one | 612398 | |
Pen/Strep | Gibco | 15070063 | |
Perfusion Set YELLOW/GREEN: 50 cm, ID 1.6 mm, 10 mL reservoirs | Ibidi | IB-10964 | Cited as Perfusion set |
Polystyrene Round Bottom Tubes | Falcon | 352008 | Cited as Flow cytometry tubes |
Prism 9 | Verison 9.4.0 | ||
Pump control software | ibidi | version 1.6.1 | Cited as Pump software |
ReLeSR | Stem cell tecchonologies | 5872 | Cited as Detaching solution |
rhBMP4 | R&D | 314-BP-010 | |
rhEPO | R&D | 287-TC-500 | |
rhIGF1 | Peprotech | 100-11-100uG | |
rhIL11 | Peprotech | 200-11-10uG | |
rhIL3 | Peprotech | 200-03-10uG | |
rhIL6 | R&D | 206-IL-010 | |
rhLaminin-521 | Life technologies | A29248 | Cited as Laminin |
rhSCF | Life Technologies | PHC2111 | |
rhTPO | R&D | 288-TPN-025 | |
rhVEGF | R&D | 293-VE-010 | |
RLT Lysis Buffer | Qiagen | 79216 | |
Serial Connector for µ-Slides: Sterile, Sterile | ibidi | IB-10830 | |
StemPro-CD34 SFM media | Life Technologies | 10639011 | Cited as Serum-Free media for CD34+ cells (SFM-34) |
StemPro-CD34 Nutrient Supplement | Life Technologies | 10641-025 | Cited as 34 nutrient supplement |
StemPro hESC SFM | Life Technologies | A1000701 | Cited as Culture media |
StemPro supplement | Life Technologies | A10006-01 | |
Vitronectin (VTN-N) recombinant human protein, truncated | Invitrogen | A31804 | |
Y-27632 dihydrochloride | Tocris | 1254 | Cited as iRock |
β-Mercaptoethanol | Gibco | 21985023 |