Un protocolo que describe la formación de blastoides humanos que generan de manera eficiente, oportuna y secuencial células similares a los blastocistos.
Un modelo del blastocisto humano formado a partir de células madre (blastoide) apoyaría los avances científicos y médicos. Sin embargo, su poder predictivo dependerá de su capacidad para recapitular de manera eficiente, oportuna y fiel las secuencias de desarrollo de blastocistos (morfogénesis, especificación, patrones), y para formar células que reflejen la etapa de blastocisto. Aquí mostramos que las células madre pluripotentes humanas ingenuas cultivadas en condiciones PXGL y luego triplemente inhibidas para el hipopótamo, transformando el factor de crecimiento β y las vías de quinasa reguladas por señales extracelulares se someten eficientemente a la morfogénesis para formar blastoides (>70%). Coincidiendo con el tiempo de desarrollo (~ 4 días), los blastoides desenrollan la secuencia de especificación del blastocisto mediante la producción de análogos del trofoblasto y el epiblasto, seguidos de la formación de análogos del endodermo primitivo y los trofoblastos polares. Esto resulta en la formación de células transcripcionalmente similares al blastocisto (>96%) y una minoría de análogos post-implantación. Los blastoides modelan eficientemente formando el eje embrionario-abembrionario marcado por la maduración de la región polar (NR2F2+), que adquiere el potencial específico para unirse direccionalmente a las células endometriales estimuladas hormonalmente, como en el útero. Tal blastoide humano es un modelo escalable, versátil y ético para estudiar el desarrollo humano y la implantación in vitro.
La falta de modelos experimentales ha limitado la comprensión de la embriogénesis humana temprana. El conocimiento actual de los aspectos humanos específicos del desarrollo embrionario se deriva de los embriones excedentes de fertilización in vitro (FIV) donados para la investigación. Sin embargo, la limitada disponibilidad, las dificultades de las manipulaciones experimentales y la calidad variable de los embriones dificultan las investigaciones científicas. Por el contrario, un modelo in vitro fiel de embriones humanos permitiría manipulaciones experimentales complejas, proporcionando así una oportunidad ética para complementar la investigación en embriones humanos 1,2,3,4. Un modelo previamente desarrollado de blastocistos de ratón combinó células madre embrionarias de ratón y células madre trofoblásticas5. En este protocolo detallado, se describe un método para generar un modelo del blastocisto humano a partir de células madre pluripotentes naïve que es fiel a los criterios de blastocisto elemental6.
Cuatro criterios para los blastoides humanos. Aquí, en un intento de establecer una definición estandarizada de blastoides humanos, proponemos cuatro criterios mínimos. Aunque no son exhaustivos, estos criterios podrían servir de base para evaluar los parámetros que permiten la formación de blastoides humanos (Figura 1A). (1) Los blastoides deben formarse eficientemente en términos de morfología y de generación de los análogos de los tres linajes, a saber, epiblasto (Epi), trofoectodermo (TE) y endodermo primitivo (PrE). Es probable que la ineficiencia apunte a un estado celular inicial inadecuado o/o a una condición de cultivo (por ejemplo, medio blastoideo). (2) Los blastoides deben generar análogos de los tres linajes de acuerdo con la secuencia de desarrollo (Epi/TE primero, PrE/polarTE último)7,8 y el tiempo (inducción ~ 3 días; días embrionarios 5-7)7,9. (3) Los blastoides deben formar análogos de la etapa de blastocisto, pero no de las etapas posteriores a la implantación (por ejemplo, epiblasto postimplantación, trofoblasto o células de amnios). (4) Finalmente, los blastoides deben ser capaces de recapitular las características funcionales de la implantación y el desarrollo de blastocistos. Usando este protocolo, los blastoides humanos se forman de manera eficiente utilizando múltiples líneas celulares (>70%), son capaces de generar los análogos celulares de blastocistos secuencialmente y dentro de los 4 días, y los análogos son transcripcionalmente similares a la etapa de blastocisto (>96% basado en varios análisis)6,10,11. Finalmente, los blastoides generan robustamente el eje embrio-abembrionario, lo que les permite interactuar con las células endometriales estimuladas hormonalmente a través de la región polar, y expandir robustamente los linajes en el cultivo extendido (equivalente en el tiempo: día embrionario 13).
La importancia del estado inicial de la célula. Las células madre pluripotentes humanas (hPSC) se pueden estabilizar en diferentes estados que intentan capturar etapas precisas del desarrollo. Estos estados son sostenidos por condiciones de cultivo que, aunque todavía subóptimas, restringen las células en una etapa 12 de epiblasto preimplantacional (~ embrionario días 5-7) o postimplantacional (~ días embrionarios8-14). El análisis transcriptómico mostró que las hPSC cultivadas en PD0325901, XAV939, Gö6983 y el factor inhibidor de la leucemia (LIF; denominadas hPSC naïve PXGL)13,14 son más similares al epiblasto blastocisto en comparación con las hPSC cultivadas en factor de crecimiento de fibroblastos (FGF) 2 y activina15 (denominadas hPSCs12 cebadas) y a células madre pluripotentes extendidas humanas (hEPSC)16 (ver análisis en las referencias17, 18,19). En consecuencia, el transcriptoma de las hPSC cebadas coincide mejor con un epiblasto de mono cynomolgus post-implantación/pre-gastrulación20. Criterios moleculares adicionales, como la expresión del transposón, la metilación del ADN y el estado del cromosoma X, confirmaron que las variaciones del estado ingenuo se asemejan más al epiblasto blastocisto en comparación con el estado cebado17,21. Finalmente, las líneas de hPSC naïve se han derivado con éxito directamente de blastocistos utilizando condiciones de cultivo PXGL22.
Las células de blastocisto temprano en humanos aún no están comprometidas. La especificación del linaje murino se produce a partir de la etapa de la mórula que precede a la etapa de blastocisto23. Por el contrario, los experimentos de disociación y reagregación han demostrado que las células del trofoectodermo humano de los blastocistos tempranos aún no están comprometidas24. En consecuencia, el análisis de las células de blastocistos humanos mediante secuenciación de ARN unicelular (scRNAseq) ha demostrado que la primera especificación de linaje (trofoblasto/epiblasto) se produce después de la formación de la cavidad del blastocisto7. Esta especificación humana diferida se correlaciona con las observaciones de que las hPSC son potentes para formar trofoblastos 25,26,27 cuando las PSC de ratón están en gran medida comprometidas con el linaje de epiblastos. Estas observaciones combinadas llevaron a la posibilidad de que las hPSC ingenuas reflejen una etapa de blastocisto y conserven el potencial de formar los tres linajes de blastocistos. Últimamente, se ha propuesto que la potencia de las hPSC para especificar análogos extraembrionarios cambia de trophectoderm a amnion durante la progresión de estado ingenuo a estado cebado27. Por lo tanto, las hPSC naïve son más similares a la etapa preimplantacional 17,18,21 y tienen una mayor capacidad para formar trofoblastos en comparación con las hPSCs27, hEPSC 16 o estados reprogramados intermedios28, que son propensos a formar análogos postimplantación10 (Figura 1B ). Por lo tanto, el estado celular inicial es crucial para formar los análogos extraembrionarios apropiados. Aunque aún queda por hacer un análisis exhaustivo lado a lado de los análogos del trofoectodermo convertidos, un estado ingenuo de PXGL que refleje el blastocisto temprano parece importante para formar blastoides de alta fidelidad.
Provoque la especificación y la morfogénesis mediante la inhibición de las vías de señalización. La inhibición de la vía de señalización de Hippo es un mecanismo conservado que impulsa la especificación de trofoblastos en ratones, vacas y humanos 9,29,30. Asimismo, desde 2013, se sabe que la inhibición del NODAL (A83-01) y la quinasa regulada por señal extracelular (ERK; PD0325901 o equivalente) y la activación de las vías de señalización de la proteína morfogenética ósea (BMP) desencadenan hPSCs preparadas para activar la red transcripcional asociada con el linaje trofoblasto 25,31,32,33,34. Además, recientemente varios informes también confirmaron que la inhibición de la vía NODAL y ERK y la activación de BMP facilitan la diferenciación trofoblástica de las hPSC naïve 25,31,32,33,34. Finalmente, si la especificación del trofoblasto se desencadena a partir de un estado ingenuo, las células recapitulan aspectos de la progresión del desarrollo del trofoectodermo26. Sin embargo, las líneas autorrenovadoras que reflejan el trofoectodermo del blastocisto no se han estabilizado in vitro. Siguiendo la especificación del trofoblasto, la inducción del factor de crecimiento epidérmico (EGF) y las vías de señalización Wnt junto con la inhibición de HDAC podría facilitar la progresión del desarrollo del trofoblasto 34,35 y estabilizar las células en líneas de células madre trofoblásticas humanas (hTSC) que reflejan citotrofofoblastos post-implantación 18,35. Tales líneas pueden derivarse tanto de blastocistos como de tejidos placentarios35.
El segundo linaje extraembrionario, denominado PrE, se especifica después de los trofoblastos y se origina en el epiblasto 7,9. Contrariamente a la PrE36 murina, se cree que la contraparte humana es independiente de la señalización FGF37,38. Las líneas que reflejan el endodermo extraembrionario (denominado nEnd) se establecieron a partir de hPSC naïve mediante la inducción de vías de señalización utilizando activina A, Wnt y LIF39. Inconsistente con los experimentos de inhibición embrionaria, se ha demostrado que la inhibición de ERK previene la formación de tales células nEND in vitro39. Hasta ahora, tales líneas no se han derivado directamente de blastocistos.
Últimamente, se han formado modelos del embrión temprano combinando variaciones de los medios previamente desarrollados para las células hTSCs35 y nEND39, utilizando así activadores del factor de crecimiento transformador β (TGF-β), EGF y las vías de señalización Wnt28,40. Estos modelos embrionarios se forman a baja eficiencia (10% -20%) y forman células que se asemejan a la etapa post-en lugar de pre-implantación10, incluyendo análogos del epiblasto post-implantación, trofoblasto, amnios, gastrula, tejidos mesodérmicos (~ embrionario día 14) y citotrofoblastos10. Por el contrario, una triple inhibición de las vías Hippo, ERK y TGF-β guía eficientemente la formación de blastoides que comprenden células similares a los blastocistos41. Junto con el estado celular inicial, proponemos que la inhibición de vías triples (Hippo, ERK, TGF-β) es el segundo parámetro esencial para formar blastoides de alta fidelidad (Figura 1B).
Evaluación del estado celular y la etapa reflejada utilizando scRNAseq. Los estados de las células que componen blastoides se pueden evaluar a través del análisis scRNAseq. Su similitud transcripcional con etapas embrionarias específicas se puede medir utilizando células blastoides solas y en comparación con hPSCs o hTSCs cebadas que reflejan las etapas post-implantación20,35. La realización de análisis de conglomerados utilizando diferentes niveles de definición revela cómo las subpoblaciones se fusionan progresivamente cuando la definición disminuye, revelando así las similitudes de los grupos. Aunque la optimalidad en el número de clusters se puede medir42, el clustering de alta resolución también informa sobre la eventual presencia de pequeñas subpoblaciones anormales, por ejemplo reflejando las etapas post-implantación10. Los genes expresados diferencialmente entre grupos pueden proporcionar información sobre sus análogos en el proceso de desarrollo mediante la evaluación de los niveles de expresión de los conjuntos de genes de referencia que definen los linajes específicos de la etapa. Esto permite medir el enriquecimiento de las subpoblaciones blastoides ya sea a través de mapas de distancia no supervisados (por ejemplo, utilizando genes enriquecidos superiores) o mediante análisis de enriquecimiento de conjuntos de genes (GSEA)43. Usando este protocolo blastoide, solo se forman tres grupos principales que reflejan transcripcionalmente los tres linajes de blastocistos. Un grupo incluye tanto las hPSC iniciales ingenuas como el análogo de epiblastos de los blastoides. El análisis de células en diferentes puntos de tiempo mostró la naturaleza secuencial de la especificación de linajes (los trofoblastos comienzan a especificar dentro de las 24 h y las células endodermos primitivas dentro de las 60 h). Una agrupación de alta resolución capturó una subpoblación de células (3,2%) que expresan genes específicos de embriones en etapa de gastrulación (posiblemente mesodermo o amnios). Cabe destacar que las hPSC iniciales ingenuas también comprendieron el 5% de las células similares a la postimplantación, como se describió anteriormente44. En un segundo análisis, las células blastoides se pueden fusionar in silico con células de referencia aisladas de concepti en diferentes etapas 45,46,47 para inferir la equivalencia de etapas. Aquí, se utilizaron como puntos de referencia células aisladas de concepti preimplantación 45,46, blastocistos cultivados in vitro 45 y embriones en estadio de gastrulación47. Usando este protocolo, se cuantificó que las células blastoides no coincidentes reveladas por agrupamiento de alta resolución de hecho se agrupan con mesodermo y amnio posterior a la implantación. En pasos futuros, la evaluación comparativa del transcriptoma debe complementarse con el análisis de la expresión del transposón, la metilación del ADN y el estado del cromosoma X, que también proporcionan puntos de referencia de las etapas del desarrollo21.
Evaluación de la formación de ejes y otras funcionalidades de blastoides humanos. Un blastocisto maduro se caracteriza por la formación del eje embrionario-abembrionario que modela trofoblastos para la implantación. Utilizando este protocolo blastoideo, se forma un eje robusto ejemplificado por una maduración de los trofoblastos proximales (por ejemplo, NR2F2+/CDX2-) que adquieren la capacidad de adherirse a las células organoides endometriales solo cuando son estimuladas hormonalmente48,49. La comparación con las trofoesferas que no forman el epiblasto muestra que estas células internas inducen a los trofoblastos colindantes a madurar para mediar la unión inicial al endometrio. Cuando se cultivan en un medio de cultivo extendido diseñado para blastocistos de mono cynomolgus50, los tres linajes del blastoide se expanden constantemente durante seis días adicionales (equivalente en el tiempo del día 13), aunque su organización no refleja esa etapa de desarrollo.
La implicación de los blastoides humanos de alta eficiencia y alta fidelidad. La conservación de los principios de desarrollo que se descubrieron en los organismos modelo es inherentemente difícil de probar en el conceptus humano debido al acceso restringido y a las dificultades técnicas para manipularlo genética y físicamente. Un modelo blastoide de alta eficiencia y alta fidelidad permitiría cribas genéticas y farmacológicas de alto rendimiento, que están en la base de los descubrimientos científicos y biomédicos. Además, la incorporación de modificaciones genéticas complejas para alterar y registrar los procesos biológicos complementaría dichos estudios. En general, proponemos que la triple inhibición (Hippo, TGF-β, ERK) de las hPSC PXGL ingenuas es conductora para la formación eficiente de blastoides humanos de alta fidelidad que cumplen con los cuatro criterios mínimos. La naturaleza escalable y versátil de este protocolo lo hace adecuado para generar hipótesis específicas que luego pueden validarse utilizando blastocistos humanos. Como tal, los blastoides humanos no reemplazarán el uso de conceptus humanos para la investigación in vitro , pero podrían actuar como una forma poderosa de canalizar la investigación a través de enfoques experimentales previamente inaccesibles en el corazón del proceso de descubrimiento científico y biomédico. El protocolo muestra cómo formar blastoides humanos y también cómo analizar las células que están contenidas dentro del blastoide.
En el presente estudio, mostramos, paso a paso, cómo establecer blastoides humanos con altas eficiencias utilizando un protocolo simple y robusto. Tras la agregación de hPSC PXGL naïve y su triple inhibición, los blastoides se forman de manera eficiente (> 70%) y generan secuencialmente los 3 análogos de blastocistos en 4 días. Las limitaciones en la eficiencia y la calidad de los blastoides (por ejemplo, la presencia de células fuera del objetivo) pueden ocurrir si el estado inicial es subóptimo. Cabe destacar que hemos medido que las hPSC PXGL contienen aproximadamente el 5% de las células que reflejan las etapas posteriores a la implantación. Estas células podrían limitar la formación de blastoides de alta calidad. Más allá del estado inicial ingenuo de PXGL que refleja el epiblasto blastocisto, otro factor fundamental es el medio utilizado para la formación de blastoides. Con el fin de formar rápidamente células similares a blastocistos y prevenir la formación de células similares a las postimplantaciones fuera del objetivo, proponemos que la inhibición de las vías triples (Hippo, ERK, TGF-β) es esencial. Mientras que las diferentes líneas celulares dan diferentes rendimientos de blastoideo en la inhibición de ERK / TGF-β (generalmente alrededor del 10% -20%), la exposición a LPA da como resultado la formación de un rendimiento de blastoides igualmente alto en todas las líneas celulares, mientras se utilizan estrictos criterios morfométricos y de especificación de linaje. LpA posiblemente actúa sobre la inhibición de la vía del hipopótamo, que juega un papel crítico en la primera segregación del linaje entre los linajes epiblasto y trofetodermo enratones y humanos 8,51. La mejora significativa de la eficiencia de los blastoides por LPA sugiere que los mecanismos de especificación de células internas-externas mediadas por la vía de Hippo en juego en el blastocisto son cooptados durante la formación de blastoides. Una limitación actual radica en el hecho de que, debido a una suboptimidad de los protocolos utilizados para cultivar blastocistos humanos o blastoides en el día 7-13 equivalente a un tiempo (después de la formación de blastocistos/blastoides), no somos capaces de evaluar hasta qué punto podemos modelar adecuadamente el desarrollo post-implantación.
El análisis del estado transcriptómico de las células blastoides se puede lograr fácilmente utilizando scRNAseq, mapas de referencia adecuados y métodos bioinformáticos. Anteriormente, el análisis transcriptómico mostró que las hPSC cultivadas en PXGL son más similares al epiblasto blastocisto en comparación con el estado cebado. Las limitaciones en el análisis de los datos pueden ocurrir si el mapa de referencia solo comprende células en etapa de blastocisto. El mapa de referencia debe incluir células procedentes de embriones postimplantados con el fin de evaluar la presencia de posibles células fuera del objetivo. En el futuro, con el fin de comparar las células blastoides, un mapa de referencia que incluya todos los tejidos del conceptus humano pre y postimplantación sería extremadamente valioso. Además, los mapas de referencia multiómicos de una sola célula, por ejemplo, incluyendo el transcriptoma, la accesibilidad a la cromatina y la metilación del ADN, ayudarían aún más. Finalmente, los métodos bioinformáticos estandarizados para evaluar cuantitativamente las similitudes entre las células de los modelos embrionarios y los conceptos de referencia, y para identificar positivamente las células fuera del objetivo ayudarían aún más a analizar y comparar los resultados de manera imparcial.
En conjunto, los blastoides formados por la triple inhibición de las vías Hippo, TGF-β y ERK poseen las cuatro características de 1) morfogénesis altamente eficiente, 2) secuencia correcta de especificación de linaje, 3) alta pureza de células similares a blastocistos a nivel de transcriptoma, 4) capacidad para modelar el desarrollo periimplantacional. Estas características de los blastoides facilitarán la construcción de hipótesis sobre el desarrollo e implantación de blastocistos, sin embargo, no recapitulan las primeras etapas del desarrollo embrionario. En contraste con la limitada accesibilidad y versatilidad del blastocisto humano, los blastoides son susceptibles de exámenes genéticos y farmacológicos para las investigaciones funcionales del desarrollo e implantación de blastocistos. En el futuro, estos conocimientos básicos podrían contribuir a mejorar la formulación de medios de FIV, desarrollar anticonceptivos posteriores a la fertilización y gestionar mejor el embarazo temprano.
The authors have nothing to disclose.
Este proyecto ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención ERC-Co n.º 101002317 ‘BLASTOID: una plataforma de descubrimiento para la embriogénesis humana temprana’). H.H.K. cuenta con el apoyo del Fondo Austriaco para la Ciencia (FWF), Lise Meitner Programme M3131-B. Agradecemos a Yasuhiro Takashima por compartir las líneas celulares H9 y H9-GFP, y a Austin Smith, Peter Andrews y Ge Guo por compartir las líneas celulares HNES1, Shef6, niPSC 16.2b y cR-NCRM2. Agradecemos a Hossein Baharvand por compartir los organoides endometriales. Agradecemos a Joshua M. Brickman por compartir el ARN aislado de células diferenciadas de PrE y células nEND. Agradecemos a Shankar Srinivas por compartir los datos de secuenciación de ARN unicelular del embrión de perigastrulación. Agradecemos a Aleksand Bykov y Luisa Cochella por la asistencia técnica para la preparación de la biblioteca SMARTSeq2. Agradecemos a las instalaciones de NGS, Biooptic y Stem Cell en IMBA por su asistencia crítica.
Neurobasal media | in house | ||
DMEM/F12 | in house | ||
100X N2 supplemen | Gibco | 17502048 | |
50X B27 supplement | Gibco | 17504044 | |
100X Glutamax | Gibco | 35050038 | |
100 mM Sodium Pyruvate | Gibco | 11360039 | |
MEM-Non-essential amino acids | Gibco | 11140050 | |
1 M Hepes | in house | ||
50 mM 2-Mercaptoethanol | Thermofisher | 31350010 | |
100X Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich | P0781 | |
Bovine Serum Albumin solution | Sigma-Aldrich | A7979 | |
PD0325901 | Medchem express | HY-10254 | |
XAV-939 | Medchem express | HY-15147 | |
Gö 6983 | Medchem express | HY-13689 | |
Human recombinant Leukemia Inhibitory Factor | in house | ||
A83-01 | Medchem express | HY-10432 | |
1-Oleoyl Lysophosphatidic acid (LPA) | Peprotech | 2256236 | |
Y-27632 | Medchem express | HY-10583 | |
CMRL medium | Gibco | 21530027 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma-Aldrich | F7524 | |
KnockOut Serum Replacement (KSR) | Thermofisher | 10-828-028 | |
Accutase | Biozym | B423201 | cell detachment solution |
Geltrex | Thermofisher | A1413302 | growth factor basement membrane extract |
TROP2 antibody | R&D systems | MAB650 | |
PDGFRα antibody | R&D systems | AF307 | |
SC-144 | Axon | 2324 | |
XMU-MP-1 | Med Chem Express | HY-100526 | |
Matrigel | basement membrane matrix | ||
Countess cell counting chamber slides | Thermo fisher | cell counting slides | |
DAPI Staining Solution | Miltenyi Biotec | 130-111-570 |