Kimyasal Güvenlik Tarama ve Sistem Biyolojisi Veri Üretimi Gelişim Toksisite Tahliller Tabanlı İnsan Pluripotent Kök Hücre
Summary
protokoller, insan embriyonik kök hücreleri ve transcriptome çalışmalarına dayalı iki in vitro gelişimsel toksisite test sistemleri (UKK ve UKN1) açıklar. test sistemleri, insan gelişimsel toksisite tehlike tahmin ve hayvan çalışmaları, maliyet ve kimyasal güvenlik testi için gerekli süreyi azaltmak için katkıda bulunabilir.
Abstract
-omics Teknolojiler potansiyel ilaçların in vitro toksisite testleri için yeni ufuklar açtı verimli protokoller arada çeşitli dokularda insan pluripotent kök hücreleri ayırt etmek. Bu tür tahliller için sağlam bir bilimsel temel sağlamak için, gelişim zamanı seyrine ve sistemler biyolojisi yaklaşımları ile altta yatan düzenleyici mekanizmaları üzerine sayısal bilgiler elde etmek için önemli olacaktır. İki tahlilleri dolayısıyla bu gereksinimler için buraya ayarlandı. UKK test sistemi olarak, insan embriyonik kök hücreleri (HESC) (veya başka bir pluripotent hücreler) kendiliğinden üç germ hücrelerinin üretilmesini sağlamak için, embriyoid organları 14 gün ayırt etmek için bırakılır. Bu sistem, erken insan embriyonik gelişiminin önemli adımlar özetlediği ve hücreler farklılaşma sırasında kimyasallara maruz kalırsanız o, insana özgü erken embriyonik toksisite / teratojenite tahmin edebilirsiniz. UKN1 test sistemi bir populat için ayırt hESC dayanmaktadırnöroektodermal dede iyon (NEP) 6 gün boyunca hücreler. Bu sistem, erken nöral gelişimi özetlediği ve erken gelişim nörotoksisiteyi ve kimyasallar tarafından tetiklenen epigenetik değişiklikler öngörüyor. Her iki sistem de, transcriptome mikrodizi çalışmaları ile kombinasyon halinde, toksisite biyolojik göstergeleri için uygundur. Ayrıca, sistem biyolojisi analiz için veri üretmek için kombinasyon halinde kullanılabilmektedir. Bu test sistemleri, hayvanların büyük miktarlarda gerektiren geleneksel toksikolojik çalışmalar bir çok dezavantajı vardır. test sistemleri, ilaç geliştirme ve kimyasal güvenlik değerlendirmesi için maliyetlerin azalmasına katkıda bulunabilir. Onların kombinasyonu özellikle özel nöro-gelişimsel sürecini etkileyebilir bileşikler ışık tutuyor.
Introduction
hücrelerin çeşitli içine ayırt etmek, insan embriyonik kök hücreleri (hESC) yeteneği in vitro toksisite testleri 1, hastalık modelleme ve rejeneratif tıp 2 yeni bir dönem açtı. kök hücreler kendini çoğaltmak için kapasite, onların pluripotent devleti korumak için, ve özelleşmiş hücrelere 3,4 içine ayırt etmek için sahiptirler. HESC özellikleri, aynı zamanda, insan uyarılmış pluripotent kök hücreler (hiPSC) ya da nükleer transfer 5 tarafından üretilen hücreler gibi diğer insan pluripotent kök hücreleri, bulunan (kapasitesi tüm ana hücre tiplerine ayırt etmek için). Örneğin, birçok farklı HESC hatları hücreler 13,14 gibi nöronlar 6, böbrek hücreleri 7, nöral krest hücrelerinden 8, kardiyomiyositler 9-12 veya hepatositlere ayırt edilmiştir. Dahası, HESC kendiliğinden embriyoid organları (EBS) 19,20 her üç germ 15-18 hücre içine ayırt edebilirsiniz. Early embriyonik gelişim mikro-dizi teknolojisi kullanılarak 15 transkriptomik mRNA düzeyinde yakalandı farklı germ ile ilgili çeşitli genlerin farklı sunum-düzenlenir. Bu çabalar HESC / hiPSC ve transkriptomik analizi (inceleme için 21,22 bakınız) dayalı organa özgü toksikolojik modellerin kurulması ile sonuçlandı. Bu modeller laboratuar hayvanları hep insan güvenliği tahmin değildir kullanarak preklinik çalışmalarda olarak toksikolojik çalışmalar için laboratuvar hayvanlarının geleneksel kullanımı üzerinde avantajları var. hastalarda karşılaşılan ilaca bağlı toksisiteleri genellikle insanlar ve deney hayvanlarında arasında farklılık metabolik veya sinyal süreçleriyle ilgilidir. türler farkı insanlarda gelişimsel toksisite güvenilir erken teşhis engelledi ve bu talidomid 23,24 ve 25,26 olarak dietilstilbestrol örnek ilaçlar nedeniyle teratojenite piyasadan çekildi. Thalidomide sıçan veya farelerde herhangi gelişimsel toksisite göstermemiştir. Örneğin metil civa 27 Çevresel kimyasal maddeler, çeşitli türlerde sinir sistemi ile ilgili prenatal gelişim toksisite sonuçlandı, ancak insan belirtiler hayvanlarda modellemek zor olmuştur. Türlerin özgüllüğü sorunları sorunu çözmek için, farklı projelerde altında çalışan bilim adamları vb şüphelenilen insan toksik atıkları kullanarak embriyonik toksisite, nörotoksisite, kardiyotoksisite, hepatotoksisite ve nefrotoksisite için farklı modellerin geliştirilmesinde başlattık reprotect, ESNATS, dedektif gibi kök hücreleri dayalı insanları etkiler. Avrupa konsorsiyumu projesinde 'Embriyonik Kök hücre tabanlı Roman Alternatif Test Stratejileri (ESNATS)' kapsamında beş test sistemleri kurulmuştur. Bir test sistemi olarak adlandırılan UKK (U niversitäts k linikum K OLN) test sistemi kısmen erken insan embriyonik gelişmeyi yakalar. Bu s olarakistem insan embriyonik H9 hücreleri üç germ (ektoderm, endoderm ve mezoderm) 15 ve germ tabakası belirli imzalar Affymetrix mikroarray platformu kullanarak profil transkriptomik tarafından esir edilmiş olarak ayrılır. Talidomid 28, valproik asit, metil cıva 16,17 veya sitosin arabinosid 15 gibi çeşitli gelişimsel toksik maddeler bu sistemde test edilmiştir ve zehirli spesifik gen imzalar elde edilmiştir. Ikinci bir test sisteminde, bu nedenle test sistemi 1 UKN1 (K onsta n = U niversity) olarak adlandırılan, H9 hücreleri 6 gün süreyle nöroektodermal projenitör hücreleri (NEP) ile ayrılır. Bu tür Pax6 ve OTX2 olarak nöral gen belirteçleri yüksek ifadesi ile belirlenir. Farklılaşma sırasında 6 gün, NEP hücreler gibi VPA, metil cıva gibi gelişimsel nöro-toksik maruz kalmıştır. Zehiri özgü de regüle transkriptomik profilleri obtai olmuşturAffymetrix mikroarray platformu 16,29 ile de tanımlanır.
21. yüzyılın toksikoloji için yeni bir vizyon test sistemleri uzun vadeli toxicant inkubasyon sonunda in vivo histopatolojik veya transcriptome değişiklikleri gibi fenotipik açıklamaları verim yapmak değil sadece öngörmektedir. Daha çok tahliller mekanistik bilgi 3. sağlamak ve bu bilgilerin sözde eşlenebilir düşündürmektedir olumsuz sonuç yolları (AOP) zararlı etkilerinden 30 için bilimsel gerekçe sağlamak. Bu tür bilgi vermek, uygulamalı test sistemleri yüksek kaliteli sağlam standart operasyon prosedürlerine göre belgelenmiş örneğin olarak, 31 kontrol edilmesi gerekiyor. Ayrıca, zaman-bağımlı değişiklikler yüksek çözünürlüklü eşlenmesi gerekir. Bu senkronize değişikliklerle 32 test sistemlerini gerektirir. Burada anlatılan UKN1 ve UKK test sistemleri bu gereksinimleri için optimize edilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Toksikolojik testler Geleneksel yaklaşımlar dolayısıyla test masraflı ve zaman alıcı hale kapsamlı hayvan çalışmaları içerir. Ayrıca, türler arası farklılıklar nedeniyle klinik öncesi hayvan güvenlik çalışmaları insanlar için uygun potansiyel ilaçların toksisitesi etkilerini tahmin etmek her zaman geçerli değildir. Insan olmayan primatlar, en öngörülebilir, halen etik güçlü ve sosyoekonomik talepleri hızla in vitro testinde hassas ve sağlam gelişen modern toplumlar tarafın…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank M. Kapitza, Margit Henry, Tamara Rotshteyn, Susan Rohani and Cornelia Böttinger for excellent technical support. This work was supported by grants from the German Research Foundation (RTG 1331) and the German Ministry for Research (BMBF).
Materials
| DMEM/F-12 | Life Technologies | 11320082 | Dulbecco's Modified Eagle Medium:Nutrient Mixture F-12 |
| KOSR | Life Technologies | 10828028 | Knockout Serum Replacement |
| GlutaMAX | Life Technologies | 35050061 | GlutaMAX supplement |
| NEAA | Life Technologies | 11140050 | MEM Nonessential Amino Acids Solution |
| DPBS | Life Technologies | 14190-0144 | Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline, without calcium, without magnesium |
| mTeSR medium | Stemcell Technologies | 5850 | |
| Pluronic F-127 | Sigma | P2443-250G | |
| V bottom plate | VWR | 734-0483 | Plate,Microwell,V BTTM,96 Well,Sterile 1 * 50 ST |
| Vbottom plate lid | VWR | 634-0011 | Lid, Microtitre plates, Cond. Ring 1 * 50 ST |
| Pen/Strep | Life Technologies | 15140-122 | Penicillin- Streptomycin, Liquid |
| Distilled Water | Life Technologies | 15230-089. | Sterile Distilled Water |
| Human FGF-2 (bFGF) | Millipore | GF003AF-100UG | Fibroblast Growth Factor basic, human recombinant, animal-free |
| Filter 0.22 μm | Millipore | SCGPU02RE | Stericup-GP, 0.22 μm, polyethersulfone, 250 ml, radio- sterilized |
| StemPro EZPassageTM Disposablte | Invitrogen | 23181010 | |
| BD MatrigelTM, hESC qualified Matrix | Stemcell Technologies | 354277 | 5 ml vial |
| DMSO | Sigma | D-2650 | |
| RNAlater Stabilization Solution | Life Technologies | AM7020 | It stabilizes and protect the RNA integrity in unfrozen samples. |
| 70 μm Cell Strainer | Becton Dickinson | 352350 | Cell strainer with 70 μm Nylon mesh |
| 35 μm Lid cell strainer, 5 ml tube | Becton Dickinson | 352235 | 5 ml polystyrene round bottom test tube, with a cell strainer cap (35 μm) |
| 50 ml sterile Polypropylene tube | Greiner Bio-One | 227261 | 50 ml Polypropylene tube with conical bottom, Sterile |
| T75 flask | Greiner Bio-One | 658175 | CELLSTAR Filter Cap Cell Culture 75 cm2 Flasks |
| TRIzol | Life Technologies | 10296010 | |
| 96 well optical bottom plates | Thermo Scientific | 165305 | |
| CellTiter-Blue | Promega | G8081 | |
| Accutase | PAA | L11-007 | |
| Apotransferin | Sigma-Aldrich | T-2036 | |
| Dispase | Worthington Biochemicals | LS002104 | |
| Dorsomorphin | Tocris Bioscience | 3093 | |
| EDTA | Roth | 8043.2 | |
| FBS | PAA | A15-101 | |
| FGF-2 | R&D Systems | 233-FB | |
| Gelatine | Sigma-Aldrich | G1890-100G | |
| Glucose | Sigma-Aldrich | G7021-100G | |
| GlutaMAX | Gibco Invitrogen | 35050-038 | |
| HEPES | Gibco Invitrogen | 15630-056 | |
| Insulin | Sigma-Aldrich | I-6634 | |
| Knockout DMEM | Gibco Invitrogen | 10829-018 | |
| Matrigel | BD Biosciences | 354234 | |
| Noggin | R&D Systems | 719-NG | |
| PBS | Biochrom AG | L1825 | |
| Progesteron | Sigma-Aldrich | P7556 | |
| Putrescine | Sigma-Aldrich | P-5780 | |
| ROCK inhibitor Y-27632 | Tocris Biosciences | 1254 | |
| SB431542 | Tocris Biosciences | 1614 | |
| SDS | Bio-Rad | 161-0416 | |
| Selenium | Sigma-Aldrich | S-5261 | |
| β-Mercaptoethanol | Gibco Invitrogen | 31350-010 | |
| List of Kits | |||
| RNeasy Mini Kit (250) | QIAGEN | 74106 | |
| GeneChip Hybridization, Wash, and Stain Kit | Affymetrix | 900721, 22, 23 | This kit provides all reagents required for hybridization wash and staining of microarrays. |
| Rnase-Free DNase Set | QIAGEN | 79254 | |
| List of equipment. | |||
| Inverted microscope | Olympus | IX71 | |
| Genechip Hybridisation Oven – 645 | Affymetrix | ||
| Genechip Fluidics Station-450 | Affymetrix | ||
| Affymetrix Gene-Chip Scanner-3000-7 G | Affymetrix | ||
| Spectramax M5 | Molecular Devices | ||
| List of softwares | |||
| Prism 4 | |||
| Affymetrix GCOS | |||
| Partek Genomic Suite 6.25 | |||
| Online tools for Functional annotation DAVID Onto-tools Intelligent Systems and Bioinformatics Laboratory |
|||
References
- Liu, W. W., Deng, Y. G., Liu, Y., Gong, W. R., Deng, W. B. Stem Cell Models for Drug Discovery and Toxicology Studies. Journal of Biochemical and Molecular Toxicology. 27 (1), 17-27 (2013).
- Zuba-Surma, E. K., Jozkowicz, A., Dulak, J. Stem Cells in Pharmaceutical Biotechnology. Current Pharmaceutical Biotechnology. 12 (11), 1760-1773 (2011).
- Leist, M., Hartung, T., Nicotera, P. The dawning of a new age of toxicology. ALTEX. 25 (2), 103-114 (2008).
- Kuegler, P. B., et al. Markers of murine embryonic and neural stem cells, neurons and astrocytes: reference points for developmental neurotoxicity testing. ALTEX. 27 (1), 17-42 (2010).
- Yamada, M., et al. Human oocytes reprogram adult somatic nuclei of a type 1 diabetic to diploid pluripotent stem cells. Nature. , (2014).
- Chambers, S. M., et al. Highly efficient neural conversion of human ES and iPS cells by dual inhibition of SMAD signaling. Nature Biotechnology. 27 (3), 275-280 (2009).
- Takasato, M., et al. Directing human embryonic stem cell differentiation towards a renal lineage generates a self-organizing kidney. Nature cell biology. 16 (1), 118-126 (2014).
- Zimmer, B., et al. Evaluation of Developmental Toxicants and Signaling Pathways in a Functional Test Based on the Migration of Human Neural Crest Cells. Environmental Health Perspectives. 120 (8), 1116-1122 (2012).
- Bosman, A., et al. Molecular and Functional Evidence of HCN4 and Caveolin-3 Interaction During Cardiomyocyte Differentiation from Human Embryonic Stem Cells. Stem Cells and Development. 22 (11), 1717-1727 (2013).
- Sartiani, L., et al. Developmental changes in cardiomyocytes differentiated from human embryonic stem cells: A molecular and electrophysiological approach. Stem Cells. 25 (5), 1136-1144 (2007).
- Xu, X. Q., et al. Chemically defined medium supporting cardiomyocyte differentiation of human embryonic stem cells. Differentiation. 76 (9), 958-970 (2008).
- Pal, R., Mamidi, M. K., Das, A. K., Bhonde, R. Comparative analysis of cardiomyocyte differentiation from human embryonic stem cells under 3-D and 2-D culture conditions. Journal of Bioscience and Bioengineering. 115 (2), 200-206 (2013).
- Subramanian, K., et al. Spheroid Culture for Enhanced Differentiation of Human Embryonic Stem Cells to Hepatocyte-Like Cells. Stem Cells and Development. 23 (2), 124-131 (2014).
- Sivertsson, L., Synnergren, J., Jensen, J., Bjorquist, P., Ingelman-Sundberg, M. Hepatic Differentiation and Maturation of Human Embryonic Stem Cells Cultured in a Perfused Three-Dimensional Bioreactor. Stem Cells and Development. 22 (4), 581-594 (2013).
- Jagtap, S., et al. Cytosine arabinoside induces ectoderm and inhibits mesoderm expression in human embryonic stem cells during multilineage differentiation. British Journal of Pharmacology. 162 (8), 1743-1756 (2011).
- Krug, A. K., et al. Human embryonic stem cell-derived test systems for developmental neurotoxicity: a transcriptomics approach. Archives of Toxicology. 87 (1), 123-143 (2013).
- Leist, M., et al. Test systems of developmental toxicity: state-of-the art and future perspectives. Archives of Toxicology. 87 (12), 2037-2042 (2013).
- Itskovitz-Eldor, J., et al. Differentiation of human embryonic stem cells into embryoid bodies compromising the three embryonic germ layers. Molecular medicine. 6 (2), 88-95 (2000).
- Khoo, M. L. M., et al. Growth and differentiation of embryoid bodies derived from human embryonic stem cells: Effect of glucose and basic fibroblast growth factor. Biology of Reproduction. 73 (6), 1147-1156 (2005).
- Son, M. Y., Kim, H. J., Kim, M. J., Cho, S. Physical Passaging of Embryoid Bodies Generated from Human Pluripotent Stem Cells. Plos One. 6 (5), (2011).
- Winkler, J., Sotiriadou, I., Chen, S., Hescheler, J., Sachinidis, A. The potential of embryonic stem cells combined with -omics technologies as model systems for toxicology. Current medicinal chemistry. 16 (36), 4814-4827 (2009).
- Gunaseeli, I., Doss, M. X., Antzelevitch, C., Hescheler, J., Sachinidis, A. Induced pluripotent stem cells as a model for accelerated patient- and disease-specific drug discovery. Current medicinal chemistry. 17 (8), 759-766 (2010).
- Miller, M. T., Stromland, K. Teratogen update: Thalidomide: A review, with a focus on ocular findings and new potential uses. Teratology. 60 (5), 306-321 (1999).
- Newman, C. G. H. Teratogen Update – Clinical Aspects of Thalidomide Embryopathy – A Continuing Preoccupation. Teratology. 32 (1), 133-144 (1985).
- Stern, L. In vivo assessment of the teratogenic potential of drugs in humans. Obstetrics and gynecology. 58 (5 Suppl), 3S-8S (1981).
- Lynch, H. T., Reich, J. W. Diethylstilbestrol, Genetics, Teratogenesis, and Tumor Spectrum in Humans. Medical Hypotheses. 16 (3), 315-332 (1985).
- Satoh, H. Behavioral teratology of mercury and its compounds. Tohoku Journal of Experimental Medicine. 201 (1), 1-9 (2003).
- Meganathan, K., et al. Identification of Thalidomide-Specific Transcriptomics and Proteomics Signatures during Differentiation of Human Embryonic Stem Cells. Plos One. 7 (8), (2012).
- Balmer, N. V., et al. Epigenetic changes and disturbed neural development in a human embryonic stem cell-based model relating to the fetal valproate syndrome. Human Molecular Genetics. 21 (18), 4104-4114 (2012).
- Smirnova, L., Hogberg, H. T., Leist, M., Hartung, T. Developmental neurotoxicity – Challenges in the 21st Century and In Vitro Opportunities. ALTEX. 31 (2), 129-156 (2014).
- Leist, M., Efremova, L., Karreman, C. Food for thought … considerations and guidelines for basic test method descriptions in toxicology. ALTEX. 27 (4), 309-317 (2010).
- Zimmer, B., et al. Coordinated waves of gene expression during neuronal differentiation of embryonic stem cells as basis for novel approaches to developmental neurotoxicity testing. Cell Death and Differentiation. 18 (3), 383-395 (2011).
- Kraljevic, S., Stambrook, P. J., Pavelic, K. Accelerating drug discovery. EMBO Reports. 5 (9), 837-842 (2004).
