This protocol allows for the reliable generation and characterization of blood outgrowth endothelial cells (BOECs) from a small volume of adult peripheral blood. BOECs can be used as a surrogate for endothelial cells from patients with vascular disorders and as a substrate for the generation of induced pluripotent stem cells.
Historically, the limited availability of primary endothelial cells from patients with vascular disorders has hindered the study of the molecular mechanisms underlying endothelial dysfunction in these individuals. However, the recent identification of blood outgrowth endothelial cells (BOECs), generated from circulating endothelial progenitors in adult peripheral blood, may circumvent this limitation by offering an endothelial-like, primary cell surrogate for patient-derived endothelial cells. Beyond their value to understanding endothelial biology and disease modeling, BOECs have potential uses in endothelial cell transplantation therapies. They are also a suitable cellular substrate for the generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) via nuclear reprogramming, offering a number of advantages over other cell types. We describe a method for the reliable generation, culture and characterization of BOECs from adult peripheral blood for use in these and other applications. This approach (i) allows for the generation of patient-specific endothelial cells from a relatively small volume of adult peripheral blood and (ii) produces cells that are highly similar to primary endothelial cells in morphology, cell signaling and gene expression.
До недавнего времени, послеродовой поколение новых кровеносных сосудов считалось происходить исключительно через процесс, известный как ангиогенез, определяется как прорастание новых сосудов из эндотелиальных клеток уже существующих сосудов. 1 Этот процесс контрастирует с васкулогенеза или де Ново образование кровеносных сосудов из эндотелиальных клеток-предшественников, которые, как считалось, происходит исключительно в процессе эмбриогенеза. 2 Тем не менее, более поздние исследования идентифицировали и выделили циркулирующие эндотелиальные клетки-предшественники (ЕРС) в периферической крови взрослых. Эти клетки обладают способностью дифференцироваться в зрелые эндотелиальные клетки в культуре и, как полагают, участвуют в послеродовой васкулогенеза. 3,4
Протоколы для изоляции и расширения этих ЕРС обычно включают культуру мононуклеарных клеток периферической крови (PBMNCs) в среде, содержащей эндотелиальные факторы роста, в том числе vasculAR-эндотелиальный фактор роста (VEGF) и фактор роста фибробластов-2. 5-8 культуры EPC производить различные резко различных типов клеток. Исходные культуры (<7 дней) преобладают моноцитов типа клеток, известной в литературе как "ранних" ЕРС. Несмотря на свое название, эти клетки выразить моноцитов маркер CD14, отрицательные для маркера предшественников CD34 и выразить только минимальные уровни классической маркеров эндотелиальной CD31 и VEGF рецептора 2 (VEGFR2). 5 Продолжение культура порождает вторичный популяции клеток, известный как вырост конце ЕРС или вырост крови эндотелиальных клеток (BOECs), которые появляются, как сдержанный колонии эндотелиальных клеток, как. В отличие от ранних моноцитарных ЕРС, BOECs, которые также называют эндотелиальные колониеобразующих клеток (ECFCs), эндотелиальные клетки вырост или поздно вырост эндотелиальные клетки, проявляют морфологию булыжника, что характерно для эндотелиальных клеток монослоя и очень похожи на поверхности маркера5 и экспрессия генов 9, чтобы созреть эндотелиальные клетки.
Генерирование эндотелиальных-подобных клеток из периферической крови имеет ряд преимуществ, в частности, для изучения дисфункции эндотелиальных клеток, связанного с сосудистыми расстройствами, такими как легочной артериальной гипертензии (ЛАГ) 10 или болезнью Виллебранда. 11 До наличия BOECs, эндотелиальной клетки могут быть получены только из эксплантированных органов на момент смерти или трансплантации органов или изолированные от пупочной вены при рождении. Это снижение доступности представляет собой серьезное ограничение с пониманием биологии эндотелиальных клеток у пациентов с сердечно-сосудистыми расстройствами, а также взаимодействия между эндотелиальными клетками и клетками крови либо или настенной клеток. Кроме того, выделение и культивирование чистую популяцию клеток эндотелия из этих источников является технически сложным и клетки, полученные с помощью этих методов обладают лишь Limiteд пролиферативный потенциал. Поэтому BOECs предложить ценный суррогат для изоляции и культуры первичных клеток пациента эндотелиальных происхождение.
В дополнение к их применения в пробирке, BOECs также являются потенциально полезными в аутологичных клеток трансплантации терапии. Эти приложения включают в себя как трансплантация клеток эндотелия для продвижения новых сосудов (см 12 и ссылки в нем), а также генерацию индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (ИПСК). 13 BOEC-полученные иПСК могут быть использованы для моделирования заболеваний и предлагают огромный потенциал в качестве исходного Материал для аутологичных клеток терапии. BOECs перепрограммировать быстрее и с большей эффективностью, чем фибробластов кожи. Кроме того, BOECs также позволит для генерации ИПСК, которые свободны от КАРИОТИПИЧЕСКУЮ аномалий, который является неотъемлемой чертой любой технологии, которая подойдет для трансляционных приложений. Способность генерировать ИПСК из образца крови пациента аLSO устраняет необходимость в биопсии кожи и образование фибробластов кожи, тем самым облегчая генерацию клеток от пациентов с заживлением ран расстройств, или очень молодые.
Протокол подробно ниже, утвержденным и проводится в соответствии с руководящими принципами Национального комитета по этике научных исследований службе (Восточная Англия), обеспечивает простой и надежный способ для генерации BOECs с более чем 90% эффективности от относительно небольшого объема (60 мл) периферической крови. Эти клетки обладают высокой пролиферативной и может быть повторно пересевают, позволяя для генерации сотни миллионов клеток из одной пробы крови.
We present a detailed protocol that allows for the robust and efficient derivation of BOECs from adult peripheral blood mononuclear cells (PBMNCs). Our protocol includes two important refinements that represent advances on previous methods of BOEC isolation.14-16 These include the absence of heparin in the initial PBMNC culture medium and the use of defined, embryonic stem cell-qualified serum. This latter refinement is of particular importance. Embryonic stem cell (ESC)-qualified serum is a more consistent grade of serum and, although it is not known yet what component(s) are enriched in the serum that benefit BOEC isolation, the impact of this defined serum on the efficiency of BOEC generation is clear in our hands. In addition, we have also had success in isolating BOECs using human serum, thereby allowing for the generation of BOECs for clinical translation. In our hands, this refined protocol results in the successful isolation of stable BOEC cultures from greater than 90% of donors, making it one of the most reliable BOEC generation methods reported thus far. Although the use of particular sera is critical to BOEC generation, it also represents a primary limitation of the current protocol. Future improvements to the technique could include the generation of these cells in serum-free, defined culture conditions.
Critical Steps in the protocol include processing blood samples as soon as possible after collection, complete harvesting of the buffy coat cells after density gradient centrifugation and the timely passaging of initial colonies from P0 to P1. This passaging step is critical to establishment of a stable isolation. Like other endothelial cells, BOECs appear to be very sensitive to plating density. If the plating density after passaging is too low, the BOECs will not proliferate. Conversely, if the colonies are allowed to become overconfluent before passaging, the cells will also cease to proliferate and have the tendency to convert into an elongated, mesenchymal cell phenotype. If few colonies appear from days 7 to 14, or if the colonies are small in size, troubleshooting can include increasing cell density by passaging P0 colonies into a T-25 flask instead of a T-75.
Once the technique is mastered, the resultant BOECs can be used in several applications, including in vitro studies of endothelial cell biology, disease modeling and drug screening, as well as in vivo cell transplantation therapies. An important consideration for the development of any cell therapy process is to use cells that are free from pathogenic mutations. We have previously shown that BOECs isolated using our protocol possess genomes that are free from copy number variations and are thus representative of the individual from which they were collected. In addition, we have also demonstrated that the majority of BOEC-derived iPSC lines are free from copy number variations.13 This contrasts with previous reports of copy number variation in fibroblast-derived iPSCs. To date, these cells remain the only iPSCs for which this degree of genomic fidelity has been reported. This feature is important for the field of iPSC biology and the use of iPSCs in disease modeling, drug screening and future cell transplantation therapies.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by grants funded by the British Heart Foundation (BHF), Dinosaur Trust, McAlpine Foundation, Fondation Leducq, Fight for Sight, the Cambridge Biomedical Research Centre, National Institute of Health Research including (i) the BHF Oxbridge Centre of Regenerative Medicine [RM/13/3/30159], (ii) the BHF Cambridge Centre of Research Excellence, (iii) Addenbrooke’s Hospital, Cambridge University Hospitals NHS Foundation Trust and (iv) Papworth Hospital NHS Foundation Trust, and supported the Cambridge NIHR BRC Cell Phenotyping Hub. MLO is funded by a BHF Intermediate Fellowship. FNK is funded by a BHF PhD Studentship.
For blood collection | |||
60 mL syringe with luer-lok tip | BD | 309653 | |
19G Surflo Winged Infusion Set | Terumo | SV-19BL | |
50 mL conical centrifuge tube | StarLab | E1450 | 2 per donor |
Sodium Citrate | Martindale Pharmaceuticals | 270541 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
For buffy coat isolation | |||
Ficoll-Paque Plus | GE Healthcare | 17-1440-03 | |
Dulbecco’s PBS (without Ca2+ and Mg2+) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Sterile wrapped plastic transfer pipettes | Appleton Woods | KC231 | |
Turk’s Solution | Millipore | 1.093E+09 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
For cell culture, passaging and freezing cells | |||
Type 1 Collagen (derived from rat tail) | BD Biosciences | 35-4236 | |
Dulbecco’s PBS (without Ca2+ and Mg2+) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
0.02M Acetic Acid | Sigma-Aldrich | A6283 | prepared in reagent grade water |
Endothelial Growth Medium-2MV (containing Bullet Kit, but not serum) |
Lonza | CC-3202 | Note: It is essential that the medium does not contain heparin. Do not use EGM-2. |
Fetal Bovine Serum (U.S.), Defined | Hyclone | SH30070 | |
10x Trypsin EDTA | Gibco | T4174 | Dilute to 1x in PBS prior to use |
Heat Inactivated FBS | Gibco | 10500-064 | |
DMEM | Gibco | 41965-039 | |
DMSO | Sigma-Aldrich | 276855 | |
Nalgene Mr. Frosty Freezing Container | Sigma-Aldrich | C1562 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
For flow cytometric characterization | |||
FITC-conjugated mouse anti-human CD14 | BD Biosciences | 555397 | Mouse IgG1k, Clone: WM59 Dilution: 1:20 |
FITC-conjugated mouse anti-human CD31 | BD Biosciences | 555445 | Mouse IgG1k, Clone: WM59 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse anti-human CD34 | BD Biosciences | 555824 | Mouse IgG1k, Clone: 581/CD34 Dilution: 1:20 |
FITC-conjugated mouse anti-human CD45 | BD Biosciences | 560976 | Mouse IgG1k, Clone: HI30 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse anti-human VEGFR2 | R&D Systems | FAB357A | Mouse IgG1, Clone: 89106 Dilution: 1:10 |
FITC-conjugated mouse IgG1k isotype control | BD Biosciences | 555748 | Clone: MOPC-21 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse IgG1k isotype control | BD Biosciences | 555751 | Clone: MOPC-21 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse IgG1k isotype control | R&D Systems | IC002A Dilution: 1:10 |
Clone: 11711 |
EDTA, 0.5M solution | Sigma-Aldrich | E7889 | |
Name | Company | Catalog Number | Comments |
For immunofluorescent microscopy | |||
Corning Costar 24-well tissue culture plate | Sigma-Aldrich | CLS3527 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
BSA | Sigma-Aldrich | A7906 | |
Polysorbate 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | |
Monoclonal mouse anti-human CD34 antibody | R&D Systems | MAB72271 | Clone 756510, IgG1, use at 10 μg/ml |
Polyclonal goat anti-human VE-cadherin (CD144) | R&D Systems | AF938 | Antigen affinity- purified IgG, use at 1:300 |
Monoclonal rabbit anti-human Von Willebrand Factor (vWF) | Abcam | ab154193 | Clone EPSISR15, use at 1:250 |
Donkey anti-mouse IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | Life Technologies | A-21202 | Polyclonal, 2 mg/ml, use at 1:200 |
Donkey anti-goat IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | Life Technologies | A-11055 | Polyclonal, 2 mg/ml, 1:200 |
Donkey anti-rabbit IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor 568 conjugate | Life Technologies | A-10042 | Polyclonal, 2 mg/ml, 1:200 |
DAPI (4′,6-Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride) | Sigma-Aldrich | D9542 | use at 1 μg/ml |