Summary

Differentiering og karakterisering af osteoklaster fra humant inducerede pluripotente stamceller

Published: March 22, 2024
doi:

Summary

Denne protokol præsenterer differentieringen af humane osteoklaster fra inducerede pluripotente stamceller (iPSC’er) og beskriver metoder til karakterisering af osteoklaster og osteoklastprækursorer.

Abstract

Denne protokol beskriver udbredelsen og overførslen af humane iPSC’er og deres differentiering i osteoklaster. For det første dissocieres iPSC’er i en enkeltcellesuspension til videre anvendelse i embryoid kropsinduktion. Efter mesodermal induktion gennemgår embryoidlegemer hæmatopoietisk differentiering, hvilket producerer en flydende hæmatopoietisk cellepopulation. Derefter gennemgår de høstede hæmatopoietiske celler et makrofagkolonistimulerende faktormodningstrin og endelig osteoklastdifferentiering. Efter osteoklastdifferentiering er osteoklaster karakteriseret ved farvning til TRAP i forbindelse med en methylgrøn nuklear plet. Osteoklaster observeres som multinucleated, TRAP + polykaryoner. Deres identifikation kan understøttes yderligere af Cathepsin K-farvning. Knogler og mineraleresorptionsassays muliggør funktionel karakterisering, hvilket bekræfter identiteten af bona fide osteoklaster. Denne protokol demonstrerer en robust og alsidig metode til at differentiere humane osteoklaster fra iPSC’er og giver mulighed for nem anvendelse i applikationer, der kræver store mængder funktionelle humane osteoklaster. Anvendelser inden for knogleforskning, kræftforskning, vævsteknik og endoprosteseforskning kunne forestilles.

Introduction

Osteoklaster (OC’er) er hæmatopoietisk afledte 1,2, alsidige celletyper, der almindeligvis anvendes af forskere inden for områder som knoglesygdomsforskning 3,4, kræftforskning 5,6, vævsteknik 7,8 og endoprosteseforskning 9,10. Ikke desto mindre kan OC-differentiering være udfordrende, da fusion af mononukleære prækursorer til multinucleated OC’er er nødvendig for at skabe funktionelle OC’er11. Flere biologiske faktorer, såsom receptoraktivator af NF-κB ligand (RANKL) og makrofagkolonistimulerende faktor (M-CSF), er nødvendige for OC-differentiering. M-CSF er blevet rapporteret at have en positiv effekt på celleproliferation, celleoverlevelse og RANK-ekspression 12,13,14. På den anden side binder RANKL til RANK, som aktiverer nedstrøms signalkaskader, der inducerer osteoklastogenese. Aktivering medieres via TNF-receptorassocieret faktor 6 (TRAF6), hvilket fører til nedbrydning af nuklear faktor af kappa light polypeptid gene enhancer i B-celleinhibitor, alfa (IκB-α), et bindende protein, der binder NF-kB dimerer16,17. Derfor frigiver IκB-α nedbrydning NF-kB-dimerer, som derefter translokerer ind i kernen og inducerer ekspressionen af transkriptionsfaktorerne c-Fos og nuklear faktor for aktiverede T-celler 1 (NFATc1). Dette udløser igen transkriptionen af en lang række OC-differentieringsrelaterede proteiner15,18. Opregulerede proteiner såsom DC-stempel og Atp6v0d2 medierer celle-cellefusion af OC-prækursorer, hvilket fører til syncytiumdannelse 19,20,21.

Med hensyn til humane primære celler er CD34+ og CD14+ PBMC’er i øjeblikket de mest anvendte celletyper til differentiering i OC’er22. Denne tilgang er imidlertid begrænset af heterogeniteten inden for CD34+ -populationen af høstede celler fra donorer23 og deres begrænsede udvidelsesmuligheder. Menneskelige iPSC’er udgør en alternativ kilde til OC’er. Da de kan formeres på ubestemt tid24, giver de mulighed for udvidelse og opskalering af OC-produktion. Dette giver mulighed for differentiering af et stort antal OC’er, hvilket letter OC-forskning.

Flere protokoller til differentiering af iPSC’er i OC’er er blevet offentliggjort 25,26,27. Hele differentieringsprocessen kan opdeles i en iPSC-formeringsdel, en mesodermal og hæmatopoietisk differentieringsdel og OC-differentiering. Formering af iPSC’er før differentieringsprocessen giver mulighed for opskalering af OC-produktion inden differentiering. Der findes flere tilgange til mesodermal og hæmatopoietisk differentiering. Traditionelt er embryoid kropsdannelse (EB) blevet brugt til at differentiere hæmatopoietiske celler, men monolagsbaserede tilgange repræsenterer en anden hæmatopoietisk differentieringsstrategi, der ikke kræver EB-induktion. Ikke desto mindre synes enkeltlagsbaserede systemer at kræve yderligere optimering, da vi og andre har fundet EB-baserede tilgange til at være mere robuste til differentiering af OC’er.

Her beskriver vi differentieringen af OC’er fra humane iPSC’er ved hjælp af en EB-baseret protokol. Denne protokol blev tilpasset fra Rössler et al.26 og modificeret for at øge robustheden og muliggøre kryopræservering under differentieringsprocessen. For det første høstede vi hæmatopoietiske celler kun én gang efter 10 dages differentiering. Hæmatopoietiske celler blev derefter kryopræserveret for at give mulighed for mere fleksibilitet under differentieringsprocessen. Derudover øgede vi den hæmatopoietiske cellesåtæthed fra 1 x 105 til 2 x 105 celler / cm2 for OC-differentiering. Et nyere humant iPSC-serumfrit medium (hiPSC-SFM, se materialetabel) blev anvendt, og belægning af brønde blev udført med 200-300 μg/ml basalmembranekstrakt (se materialetabel) i stedet for 0,1% gelatine. Penicillin/streptomycin blev ikke tilsat medierne.

Protokollen af Rössler et al.26 blev oprindeligt tilpasset fra en iPSC til en makrofagdifferentieringsprotokol28, der bruger EB-dannelse til hæmatopoietisk differentiering. Mens EB-dannelse er blevet brugt i længere tid af forskere til hæmatopoietisk differentiering29,30, er flere metoder til EB-induktion blevet beskrevet i litteraturen, såsom spontan aggregering, centrifugering i en rundbundet brøndplade, hængende dråbekultur, bioreaktorkultur, konisk rørkultur, langsomt drejende lateral beholder og mikroskimmelgelkultur31. Denne protokol anvender centrifugering af dissocierede iPSC’er i en rundbundet brøndplade for at bringe enkelte iPSC-celler i nærheden af hinanden og for at muliggøre kugledannelse (EB) som beskrevet nedenfor.

Protocol

BEMÆRK: Alle reagenser, der anvendes i denne protokol, findes i materialetabellen. Medmindre andet er angivet, var alle medier præekvilibreret til 37 °C før brug. Alle centrifugeringstrin udføres ved 37 °C og ved anvendelse af den langsomste accelerations-/decelerationstilstand. Medmindre andet er angivet, fjernes supernatanten altid med engangspipetter af Pasteur-glas. 1. Optøning og formering af humane iPSC’er En dag før optøning af iPSC’e…

Representative Results

Overvågning af cellemorfologi gennem hele differentieringsprocessenAlle resultater beskrevet nedenfor blev genereret ved hjælp af MCND-TENS2 iPSC-linjen til OC-differentiering. Denne iPSC-linje er tidligere blevet brugt i flere undersøgelser32,33. Ikke desto mindre er andre iPSC-linjer også blevet brugt med succes med denne differentieringsprotokol. Regelmæssig visuel vurdering afslører forskellige og forskel…

Discussion

Denne protokol tilbyder en pålidelig og robust metode til at differentiere iPSC’er i OC’er. Ikke desto mindre er der flere faldgruber, der kan opstå gennem differentieringsprocessen. Humane iPSC-linjer genereret fra celler af forskellig vævsoprindelse er med succes blevet differentieret ved hjælp af denne protokol33. Ved frysning af iPSC’er (se protokoltrin “3. Frysning tilbage iPSC’er”), blev en brønd på tidspunktet for passaging frosset tilbage til en kryoial. Ved optøning (se protokoltri…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke medlemmerne af Giachelli-laboratoriet for deres tekniske hjælp og støtte. Vi takker W. M. Keck Microscopy Center og Keck Center manager, Dr. Nathanial Peters, for hjælp med at opnå konfokal mikroskopi og widefield mikroskopi billeder. Vi takker også UW Flow Core Facility og Flow Core Facility manager, Aurelio Silvestroni, for teknisk support og assistance. Endelig takker vi Hannah Blümke for støtten med illustration og grafisk design.

Finansieringen blev ydet gennem National Institutes of Health-tilskud R35 HL139602-01. Vi anerkender også NIH S10-tilskud S10-OD016240 til instrumentfinansiering på W. M. Keck Center samt NIH-tilskud 1S10OD024979-01A1 til instrumentfinansiering på UW Flow Core Facility.

Materials

2-Mercaptoethanol Sigma Aldrich M6250-10ML
Antibody – Anti-Cathepsin K  Abcam ab19027
Antibody – APC-conjugated Anti-Human CD45 BD 555485
Antibody – APC-conjugated Mouse IgG1, κ Isotype Control BD 555751
Antibody – BV711-conjugated Anti-Human CD14 BD 563372
Antibody – BV711-conjugates Mouse IgG2b, κ Isotype Control BD 563125
Antibody – Goat Anti-Rabbit IgG H&L Alexa Fluor® 647 Abcam ab150079
Antibody – PE-conjugated Anti-Human CD14 R&D Systems FAB3832P-025
Antibody – PE-conjugated Anti-Human Integrin alpha M/CD11b R&D Systems FAB16991P-025
Antibody – PE-Cy7-conjugated Anti-Human CD34 BD 560710
Antibody – PE-Cy7-conjugated Mouse IgG1 κ Isotype Control BD 557872
Antibody – PE/Cyanine5-conjugated Anti-Human CD11b Biolegend 301308
Antibody – PE/Cyanine5-conjugated Mouse IgG1, κ Isotype Ctrl Biolegend 400118
Antibody – PerCP-Cy5.5-conjugated Mouse IgG1 κ Isotype Control BD 550795
Antibody – PerCpCy5.5-conjugated Anti-Human CD43 BD 563521
Bone Resorption Assay Kit CosmoBioUSA CSR-BRA-24KIT
Countess 3 Automated Cell Counter ThermoFisher 16812556
Cultrex Stem Cell Qualified Reduced Growth Factor Basement Membrane Extract R&D Sytems 3434-010-02 Basal membrane extract
DAPI R&D Systems 5748/10
Dispase (5 U/mL) STEMCELL Technologies 7913
DMEM/F-12 with 15 mM HEPES Stem Cell 36254
DMSO Sigma Aldrich D2650
DPBS Sigma Aldrich D8537-500ML
Human Bone Morphogenetic Protein 4 (hBMP4) STEMCELL Technologies 78211
Human IL-3 STEMCELL Technologies 78146.1
Human Macrophage Colony-stimulating Factor (hM-CSF) STEMCELL Technologies 78150.1
Human Soluble Receptor Activator of Nuclear Factor-κB Ligand (hsRANKL) STEMCELL Technologies 78214.1
Human Stem Cell Factor (hSCF) STEMCELL Technologies 78155.1
Human TruStain FcX (Fc Receptor Blocking Solution) Biolegend 422301
Human Vascular Endothelial Growth Factor-165 (hVEGF165) STEMCELL Technologies 78073
Invitrogen Rhodamine Phalloidin Invitrogen R415
MEM α, nucleosides, no phenol red ThermoFisher 41061029
mFreSR STEMCELL Technologies 05855 Serum free cryopreservation medium
mTeSR Plus medium STEMCELL Technologies 100-0276 Human iPSC-serum free medium (hiPSC-SFM)
Nunclon Sphera 96-Well, Nunclon Sphera-Treated, U-Shaped-Bottom Microplate Thermo Scientific 174925 Round bottom ultra-low attachment 96-well plate
P1000 Wide Bore Tips ThermoFisher 2079GPK
ROCK-Inhibitor Y-27632 STEMCELL Technologies 72304
StemSpan SFEM StemCell 09650 Hematopoietic cell culture medium
TrypLE Select Enzyme (1X), no phenol red Thermo Fisher 12563011 Single-cell dissociation reagent
Ultraglutamine Bioscience Lonza BE17-605E/U1
X-VIVO 15 Serum-free Hematopoietic Cell Medium Bioscience Lonza 04-418Q Hematopoietic basal medium
µ-Slide 8 Well High Ibidi 80806

References

  1. Bar-Shavit, Z. The osteoclast: A multinucleated, hematopoietic-origin, bone-resorbing osteoimmune cell. Journal of Cellular Biochemistry. 102 (5), 1130-1139 (2007).
  2. Boyce, B. F. Advances in the regulation of osteoclasts and osteoclast functions. Journal of Dental Research. 92 (10), 860-867 (2013).
  3. Buranaphatthana, W., et al. Engineered osteoclasts resorb necrotic alveolar bone in anti-RANKL antibody-treated mice. Bone. 153, 116144 (2021).
  4. Wang, L., et al. Isolation, purification, and differentiation of osteoclast precursors from rat bone marrow. Journal of Visualized Experiments. 2019 (147), e58895 (2019).
  5. Mercatali, L., et al. Development of a Human Preclinical Model of Osteoclastogenesis from Peripheral Blood Monocytes Co-cultured with Breast Cancer Cell Lines. Journal of Visualized Experiments. (127), e56311 (2017).
  6. Marino, S., Bishop, R. T., de Ridder, D., Delgado-Calle, J., Reagan, M. R. 2D and 3D in vitro co-culture for cancer and bone cell interaction studies. Methods in Molecular Biology. 1914, 71-98 (2019).
  7. Rementer, C. W., et al. An inducible, ligand-independent receptor activator of NF-κB gene to control osteoclast differentiation from monocytic precursors. PloS One. 8 (12), e0084465 (2013).
  8. Rementer, C., et al. Engineered myeloid precursors differentiate into osteoclasts and resorb heterotopic ossification in mice. Research Square Priprint. , 2156913 (2022).
  9. Bjelić, D., Finšgar, M. Bioactive coatings with anti-osteoclast therapeutic agents for bone implants: Enhanced compliance and prolonged implant life. Pharmacological Research. 176, 106060 (2022).
  10. Minkin, C., Marinho, V. C. Role of the osteoclast at the bone-implant interface. Advances in dental research. 13, 49-56 (1999).
  11. Kodama, J., Kaito, T. Osteoclast multinucleation: Review of current literature. International Journal of Molecular Sciences. 21 (16), 1-35 (2020).
  12. Mun, S. H., Park, P. S. U., Park-Min, K. H. The M-CSF receptor in osteoclasts and beyond. Experimental & Molecular Medicine. 52 (8), 1239-1254 (2020).
  13. Plotkin, L. I., Bivi, N. Local regulation of bone cell function. Basic and Applied Bone Biology. , 47-73 (2014).
  14. Hodge, J. M., Kirkland, M. A., Nicholson, G. C. Multiple roles of M-CSF in human osteoclastogenesis. Journal of Cellular Biochemistry. 102 (3), 759-768 (2007).
  15. Ono, T., Nakashima, T. Recent advances in osteoclast biology. Histochemistry and Cell Biology. 149 (4), 325-341 (2018).
  16. Boyce, B. F., Xiu, Y., Li, J., Xing, L., Yao, Z. NF-κB-mediated regulation of osteoclastogenesis. Endocrinology and Metabolism. 30 (1), 35 (2015).
  17. Novack, D. V. Role of NF-κB in the skeleton. Cell Research. 21 (1), 169-182 (2010).
  18. Kim, K., Lee, S. H., Jung, H. K., Choi, Y., Kim, N. NFATc1 induces osteoclast fusion via up-regulation of Atp6v0d2 and the dendritic cell-specific transmembrane protein (DC-STAMP). Molecular Endocrinology. 22 (1), 176-185 (2008).
  19. Wu, H., Xu, G., Li, Y. P. Atp6v0d2 is an essential component of the osteoclast-specific proton pump that mediates extracellular acidification in bone resorption. Journal of Bone and Mineral Research. 24 (5), 871 (2009).
  20. Vignery, A. Macrophage fusion: The making of osteoclasts and giant cells. The Journal of Experimental Medicine. 202 (3), 337 (2005).
  21. Chiu, Y. H., Ritchlin, C. T. DC-STAMP: A key regulator in osteoclast differentiation. Journal of Cellular Physiology. 231 (11), 2402 (2016).
  22. Riedlova, P., Sood, S., Goodyear, C. S., Ansalone, C. Differentiation of functional osteoclasts from human peripheral blood CD14+ monocytes. Journal of Visualized Experiments. (191), e64698 (2023).
  23. Gothot, A., Pyatt, R., McMahel, J., Rice, S., Srour, E. F. Functional heterogeneity of human CD34+ cells isolated in subcompartments of the G0 /G1 phase of the cell cycle. Blood. 90 (11), 4384-4393 (1997).
  24. Dinella, J., Koster, M. I., Koch, P. J. Use of induced pluripotent stem cells in dermatological research. The Journal of Investigative Dermatology. 134 (8), e23 (2014).
  25. Grigoriadis, A. E., et al. Directed differentiation of hematopoietic precursors and functional osteoclasts from human ES and iPS cells. Blood. 115 (14), 2769-2776 (2010).
  26. Rössler, U., et al. Efficient generation of osteoclasts from human induced pluripotent stem cells and functional investigations of lethal CLCN7-related osteopetrosis. Journal of Bone and Mineral Research: The Official Journal of the American Society for Bone and Mineral Research. 36 (8), 1621-1635 (2021).
  27. Chen, I. -. P. Differentiation of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) into osteoclasts. Bio-Protocol. 10 (24), e3854-e3854 (2020).
  28. Buchrieser, J., James, W., Moore, M. D. Human induced pluripotent stem cell-derived macrophages share ontogeny with MYB-independent tissue-resident macrophages. Stem Cell Reports. 8 (2), 334-345 (2017).
  29. Abe, K., et al. Endoderm-specific gene expression in embryonic stem cells differentiated to embryoid bodies. Experimental Cell Research. 229 (1), 27-34 (1996).
  30. Perlingeiro, R. C. R., Kyba, M., Daley, G. Q. Clonal analysis of differentiating embryonic stem cells reveals a hematopoietic progenitor with primitive erythroid and adult lymphoid-myeloid potential. Development. 128 (22), 4597-4604 (2001).
  31. Pettinato, G., Wen, X., Zhang, N. Engineering strategies for the formation of embryoid bodies from human pluripotent stem cells. Stem Cells and Development. 24 (14), 1595 (2015).
  32. Ruiz, J. P., et al. Robust generation of erythroid and multilineage hematopoietic progenitors from human iPSCs using a scalable monolayer culture system. Stem Cell Research. 41, 101600 (2019).
  33. Blümke, A., et al. Comparison of osteoclast differentiation protocols from human induced pluripotent stem cells of different tissue origins. Stem Cell Research & Therapy. 14 (1), 319 (2023).
  34. Klepikova, A., et al. iPSC-Derived Macrophages: The differentiation protocol affects cell immune characteristics and differentiation trajectories. International Journal of Molecular Sciences. 23 (24), 16087 (2022).
  35. Neely, M. D., Tidball, A. M., Aboud, A. A., Ess, K. C., Bowman, A. B. Induced pluripotent stem cells (iPSCs): An emerging model system for the study of human neurotoxicology. Neuromethods. 56, 27-61 (2011).
  36. Doulatov, S., et al. Induction of multipotential hematopoietic progenitors from human pluripotent stem cells via re-specification of lineage-restricted precursors. Cell Stem Cell. 13 (4), 459-470 (2013).
  37. Van Winkle, A. P., Gates, I. D., Kallos, M. S. Mass transfer limitations in embryoid bodies during human embryonic stem cell differentiation. Cells, Tissues, Organs. 196 (1), 34-47 (2012).
  38. Kim, J. M., et al. Assessment of differentiation aspects by the morphological classification of embryoid bodies derived from human embryonic stem cells. Stem Cells and Development. 20 (11), 1925-1935 (2011).
  39. Mohr, J. C., et al. The microwell control of embryoid body size in order to regulate cardiac differentiation of human embryonic stem cells. Biomaterials. 31 (7), 1885-1893 (2010).
  40. Lopez-Yrigoyen, M., et al. Production and characterization of human macrophages from pluripotent stem cells. Journal of Visualized Experiments. (158), e61038 (2020).
  41. Cao, X., et al. Differentiation and functional comparison of monocytes and macrophages from hiPSCs with peripheral blood derivatives. Stem Cell Reports. 12 (6), 1282 (2019).
  42. Omata, Y., et al. Interspecies single-cell RNA-seq analysis reveals the novel trajectory of osteoclast differentiation and therapeutic targets. JBMR Plus. 6 (7), e10631 (2022).
  43. Hodge, J. M., Kirkland, M. A., Nicholson, G. C. Multiple roles of M-CSF in human osteoclastogenesis. Journal of Cellular Biochemistry. 102 (3), 759-768 (2007).
  44. Kim, N., Takami, M., Rho, J., Josien, R., Choi, Y. A novel member of the leukocyte receptor complex regulates osteoclast differentiation. The Journal of Experimental Medicine. 195 (2), 201 (2002).
  45. Nedeva, I. R., Vitale, M., Elson, A., Hoyland, J. A., Bella, J. Role of OSCAR signaling in psteoclastogenesis and bone disease. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 9, 641162 (2021).
  46. Bernhardt, A., Schamel, M., Gbureck, U., Gelinsky, M. Osteoclastic differentiation and resorption is modulated by bioactive metal ions Co2+, Cu2+ and Cr3+ incorporated into calcium phosphate bone cements. PLoS One. 12 (8), e0182109 (2017).
  47. Akasaka, T., et al. Different micro/nano-scale patterns of surface materials influence osteoclastogenesis and actin structure. Nano Research. 15 (5), 4201-4211 (2022).
  48. Hobolt-Pedersen, A. S., Delaissé, J. M., Søe, K. Osteoclast fusion is based on heterogeneity between fusion partners. Calcified Tissue International. 95 (1), 73 (2014).

Play Video

Citer Cet Article
Blümke, A., Simon, J., Leber, E., Scatena, M., Giachelli, C. M. Differentiation and Characterization of Osteoclasts from Human Induced Pluripotent Stem Cells. J. Vis. Exp. (205), e66527, doi:10.3791/66527 (2024).

View Video