Этот протокол описывает надежное поколение макрофагов из индуцированных человеком плюрипотентных стволовых клеток, а также методы их последующей характеристики. Выражение маркера поверхности клеток, экспрессия генов и функциональные анализы используются для оценки фенотипа и функции этих макрофагов, полученных от iPSC.
Макрофаги присутствуют в большинстве тканей позвоночных и состоят из широко рассредоточенных и неоднородных популяций клеток с различными функциями. Они являются ключевыми игроками в области здоровья и болезней, действуя в качестве фагоцитов во время иммунной защиты и посредничества трофических, техническое обслуживание, и ремонт функций. Хотя удалось изучить некоторые молекулярные процессы, связанные с функцией макрофагов человека, было трудно применять методы генной инженерии к первичным макрофагам человека. Это значительно затрудняет нашу способность допрашивать сложные генетические пути, участвующие в биологии макрофагов, и создавать модели для конкретных состояний заболеваний. Таким образом, готовый источник человеческих макрофагов, поддающемся обширному арсеналу методов генетических манипуляций, станет ценным инструментом в этой области. Мы представляем оптимизированный протокол, который позволяет для генерации макрофагов из индуцированных человека плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs) в пробирке. Эти макрофаги, полученные из iPSC (iPSC-DMs), выражают маркеры поверхности клеток макрофагов человека, включая CD45, 25F9, CD163 и CD169, а наш функциональный анализ живой клетки изображения показывает, что они обладают надежной фагокитической активностью. Культурные iPSC-DM могут быть активированы в различных состояниях макрофагов, которые отображают измененную экспрессию генов и фагоцитарную активность путем добавления LPS и IFNg, IL4 или IL10. Таким образом, эта система обеспечивает платформу для генерации человеческих макрофагов, несущих генетические изменения, которые моделируются конкретные заболевания человека и источником клеток для скрининга наркотиков или клеточной терапии для лечения этих заболеваний.
Эмбриональные стволовые клетки (ESC) и индуцированные плюрипотентные стволовые клетки (iPSCs) представляют собой самообновляющийся источник клеток, который можно дифференцировать для производства клеток всех трех родственных слоев. Технологии, которые позволяют генетические манипуляции человека плюрипотентных стволовых клеток (PSCs), таких как цинк палец Nuclease, TALENS, и CRISPR-Cas9, революцию медицинских исследований1,2,3,4. Генетические манипуляции человека PSCs является особенно привлекательной стратегией, когда первичная клетка интереса трудно расширить и / или поддерживать в пробирке, или трудно генетически манипулировать, такие, как в случае макрофогов5,6,7,8,9. Поскольку iPSCs человека могут быть получены из любой соматической клетки, они обходят этические ограничения, связанные с ESCs, и обеспечивают стратегию для доставки персонализированной медицины. Это включает в себя пациента конкретных заболеваний моделирования, тестирование на наркотики, и аутологичной клеточной терапии с пониженным риском иммунного отторжения и инфекции6,8,10,11.
Протоколы, описывающие генерацию макрофагов из iPSCs, состоят из трехступенчатого процесса, который включает в себя: 1) Поколение эмбриональных тел; 2) Появление гематопогетических клеток в суспензии; 3) Терминальное созревание макрофагов.
Формирование трехмерных агрегатов, известных как эмбриональные тела (EBs) инициирует дифференциацию iPSCs. Костяно-морфогенетический белок (BMP4), фактор стволовых клеток (SCF) и сосудистый эндотелиальный фактор роста (VEGF) добавляются для привода мезодерм спецификации и поддержки новых гематопогетических клеток7,8,9,11,12. Дифференивающие клетки в Пределах ЕБ также инициируют активацию эндогенных сигнальных путей, таких как Wnt и Activin. Некоторые протоколы дифференциации не проходят стадию формирования ЕБ. В этих случаях, Wnt и Activin сигнализации регуляторов, таких как рекомбинантный человека Активин И / или Chiron добавляются к дифференциации iPSCs в монослой номинала формат13,14,15. Здесь мы сосредоточимся на протоколе, который использует формирование EB. Для второго шага дифференциации, EBs покрываются на поверхность адепта. Эти прикрепленные клетки затем подвергаются воздействию цитокинов, которые способствуют появлению подвесных клеток, которые включают гематопоитические и миелоидные прародители. В этих условиях культуры in vitro, интерлейкин-3 (IL3), вероятно, поддерживает гематопоиетическое образование стволовых-прародителей клеток и пролиферации16,17, а также миелоидные прекурсоры пролиферации и дифференциации18. Макрофаг колонии стимулирующий фактор (CSF1) поддерживает производство миелоидных клеток и их дифференциации на макрофаги19,20. На третьем этапе дифференциации эти подвесные клетки культивируются в присутствии CSF1 для поддержки созревания терминального макрофагов.
Дифференциация iPSCs человека в макрофаги in vitro имитирует раннюю волну производства макрофагов во время развития. Ткань-резидент макрофаги устанавливаются во время эмбриогенеза и имеют четкую линию развития от взрослых моноцитов. Несколько исследований показали, что iPSC-DMs имеют генную подпись, которая более сопоставима с макрофагами, полученными из печени, чем с биоцитами, полученными из крови, предполагая, что iPSC-DM больше похожи на макрофаги, проживающие в тканях. iPSC-DMs выражают более высокий уровень генов, которые кодируют для секреции белков, участвующих в ремоделировании тканей и ангиогенеза и выражают более низкие уровни генов, кодирующих для провоспалительных секреции цитокинов и антигенной презентации деятельности21,22. Кроме того, iPSC-DMs имеют аналогичное требование коэффициента транскрипции к макрофагам23,,24. Использование линий клеток нокаута iPSC, недотечанных в транскрипционных факторах RUNX1, SPI1 (PU.1) и MYB, Buchrieser et al. показало, что генерация iPSC-DMs зависит от SPI1 и RUNX1, но зависит от MYB. Это указывает на то, что они транскрипически похожи на желток-мешок производных макрофагов, которые генерируются во время первой волны гематопоезии во время развития23. Таким образом, широко признается, что iPSC-DMs представляют собой более подходящую модель клеток для изучения тканей резидентов макрофагов, таких как микроглии14,,25 и Kupffer клетки11, и более желательным источником клеток, которые потенциально могут быть использованы в терапии для восстановления тканей. Например, было показано, что макрофаги, производимые в пробирке из мыши ESCs были эффективными в улучшение фиброза в CCl4-индуцированной модели травмы печени in vivo11. Кроме того, эти макрофаги, полученные из ESC, были более эффективными, чем макрофаги костного мозга при перенаселенности клеточных отсеков Купффера, истощенных макрофагами с помощью липосомального кклодроната11 у мышей.
Здесь мы описываем протоколы без сыворотки и фидера для обслуживания, замораживания и оттаивания iPSCs человека, а также для дифференциации этих iPSCs в функциональные макрофаги. Этот протокол очень похож на описанный Ван Вильгенбургом и др.12, с незначительными изменениями, включая: 1) iPSC-обслуживание средств массовой информации; 2) ингибитор ROCK не используется на стадии формирования EB; 3) Механический подход, а не ферментативный подход используется для создания единообразных EBs из колоний iPSC; 4) Метод сбора урожая и покрытия EB отличается; 5) Подвесные клетки собирают 2 раз в неделю, а не еженедельно; и 6) Собранные подвесные клетки культивируются под CSF1 для созревания макрофагов в течение 9 дней, а не 7 дней. Мы также описываем протоколы, используемые для характеристики phenotype и функции макрофагов, полученных из iPSC, включая анализ экспрессии генов (qRT-PCR), экспрессии маркера поверхности клеток (цитометрия потока) и функциональных анализов для оценки фагоцитоза и поляризации.
Протокол для генерации iPSC-DMs, описанный здесь, является надежным и позволяет выравлить большое количество однородных клеток из относительно небольшого числа iPSC. После первоначальной дифференциации примерно 1 х 106 iPSCs, последующие культуры могут быть собраны каждые 4 дня в течение 2-3 месяцев, в результате чего производство по крайней мере 6,5 х 107 макрофагов за это время. Эти макрофаги человека, генерируемые в пробирке, морфологически похожи на первичные макрофаги человека, выражают ключевые маркеры поверхности клеток макрофагов и проявляют фагоцитную активность. Протокол для дифференциации макрофагов воспроизводим и может быть применен к другим линиям клеток hiPSC и hESC, но точное время первого урожая прекурсоров макрофагов и абсолютное количество клеток, которые могут быть сгенерированы, варьируется между линиями iPSC.
Было продемонстрировано, что макрофаги могут быть сгенерированы из iPSCs, которые были генетически манипулировать. Например, трансгенная кассета, состоящая из флуоресцентного репортера SSGreen под контролем конситутного промоутера CAG, была вставлена в локус AAVS1 линии SFCi55 iPSC, и впоследствии было показано, что эта линия iPSC может быть дифференцирована в макрофаги8. Эти флуоресцентные макрофаги могут быть использованы в будущем для отслеживания миграции и стабильности терапевтических макрофагов в моделях болезни. В другом исследовании, макрофаги были созданы из линии iPSC, которые были генетически манипулировать, чтобы выразить тамоксифен индуцированной транскрипции фактор KLF1. Активация KLF1 в макрофагах, полученных iPSC, привела к выработке макрофагов с фенотипом, сравнимым с макрофагами острова эритроид9. Потенциально, эта стратегия может быть использована для генетически программы iPSC полученных макрофагов в фенотипы, связанные с другими ткани конкретных макрофагов популяций, таких как Kupffer клетки печени или Langerhans клеток кожи. Это станет возможным после выявления ключевых факторов транскрипции, определяющих эти типы клеток.
С точки зрения протокола, очень важно отметить, что состояние стартовой популяции iPSCs имеет решающее значение для успешной дифференциации. Человеческие культуры iPSC могут быть переполнены кариотипично аномальными субпопуляциями в течение нескольких проходов, поэтому рекомендуется надежная кураторства запасов iPSC и крупных запасов мастер-пакетов, подвергаемых контролю качества генома. В наших руках, протоколы обслуживания, описанные здесь, могут поддерживать кариотипично нормальные iPSCs в течение 2 месяцев в непрерывной культуре, но это может варьироваться для различных клеточных линий и в различных лабораториях. При возникновении проблем рекомендуется использовать свежий флакон недифференцированных iPSCs для каждого эксперимента дифференциации. Кроме того, начальная культура недифференцированных iPSCs должна быть не более 80% конфлюента. На этапе покрытия EB, только 10-15 EBs должны быть покрыты на хорошо 6 хорошо ткани культуры пластины, и очень важно, чтобы эти EBs равномерно распределены по скважине. Большее количество ЭБ и/или слипание ЭБ в центре скважины негативно сказалось на количестве генерируемых макрофагов. Следует принимать меры при пополнении носителей и сборе моноцитов, как клетки подвески прародителя из EB культур, чтобы избежать нарушения слипания Эб на поверхность покрытые пластины культуры. Количество гематопоитических подвесных клеток, производимых постепенно увеличивается с каждым урожаем, с оптимальным производством между днями 40-72 дифференциации(рисунок 2). Производство постепенно снижается после 68-го дня, и пластины, как правило, высаживаются через 2,5 месяца, хотя точное время может варьироваться в зависимости от линии iPSC.
Одним из ограничений нашего протокола является то, что не удалось криоконсервировать гематопоитические подвесные клетки, генерируемые в конце 2-го этапа. Протоколы, которые полагаются на экзогенную активацию WNT, сообщают о 40% коэффициенте восстановления после криоконсервации, но эти протоколы сообщают только об одном собирании клеток, поэтому абсолютное число генерируемых макрофагов является низким30. Описанный здесь протокол, вызывающий эндогенную сигнализацию через образование ЕБ, можно собирать раз в неделю, создавая гораздо более высокую общую урожайность макрофагов.
Таким образом, мы представляем подробный протокол для производства функциональных макрофагов, полученных от iPSC. Создание экспериментов в пробирке с макрофагами, полученными из iPSC, для изучения биологии макрофагов в области здоровья и болезней, имеет много преимуществ по сравнению с экспериментами с макрофагами, полученными из моноцитов (МДМ). Эти преимущества включают в себя простоту доступа к материалу (например, доноры не требуются), очень большое количество макрофагов может быть произведено, и это возможно и относительно просто производить генетически модифицированные макрофаги. Кроме того, макрофаги, полученные из iPSC, могли бы быть лучшим ресурсом для изучения биологии макрофагов, проживающих в тканях.
The authors have nothing to disclose.
Мы благодарим Фиону Росси и Клэр Крайер за помощь в цитометрии потока, Эогана О’Дуйбхира и Бертрана Верне с микроскопией. Эта работа была профинансирована CONACYT (M.L.-Y.), Wellcome Trust (102610) и Innovate UK (L.M.F), Wellcome Trust PhD Studentship (A.M),MRC Precision Medicine Studentship (T.V). Л.К. и J.W.P. были поддержаны Wellcome Trust (101067/З/13/) и Советом по медицинским исследованиям (MR/N022556/1) и COST Action BM1404 Mye-EUNITER (http://www.mye-euniter.eu).
2-Mercaptoethanol (50 mM) | Invitrogen | 31350010 | |
Abtibody CD64-APC -CY7 | Biolegend | 305026 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody 25F9-EFLUOR 660 | Ebioscience | 15599866 | Dilution factor: 1:20 |
Antibody CCR2-PE-Cy7 | Biolegend | 357212 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CCR5 PE | Biolegend | 313707 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CCR8 PE | Biolegend | 360603 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CD11b-PE | Biolegend | 301305 | Dilution factor: 1:50 |
Antibody CD14-APC | Ebioscience | 10669167 | Dilution factor: 1:20 |
Antibody CD163-PE-CY7 | BIolegend | 333614 | Dilution factor: 1:25 |
Antibody CD169-APC | Biolegend | 346007 | Dilution factor: 1:25 |
Antibody CD206-PE | Biolegend | 321106 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CD209-PE-CY7 | Biolegend | 3310114 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CD274-PE-CY7 | Biolegend | 329718 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CD43-PE | Ebioscience | 10854419 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CD45-APC | Ebioscience | 15577936 | Dilution factor: 1:20 |
Antibody CD86-APC | Biolegend | 305412 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CD93-PE | Ebioscience | 10804637 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody CX3CR1-PE | Biolegend | 307650 | Dilution factor: 1:100 |
Antibody HLA-DR-BV650 | Biolegend | 307650 | Dilution factor: 1:100 |
Antiboy CD115-PE | Biolegend | 347308 | Dilution factor: 1:40 |
Cell Dissociation Buffer, enzyme free | Thermofisher | 13151014 | |
Cell Dissociation Buffer, enzyme-free, PBS | Gibco | 13151014 | |
CellCarrier-96 Ultra Microplates, tissue culture treated, black, 96-well | PerkinElmer | 6055302 | |
CellMask Deep Red Plasma Membrane Stain | Thermofisher | C10046 | Cryopreservation media |
Cryostor CS10 | Sigma | C2874 | |
CTS CELLstart Substrate | Invitrogen | A1014201 | Stem cell substrate |
DAPI | Merck | D9542-1MG | Final concentration 1 μg/mL |
DPBS, calcium, magnesium (500ml) | Thermofisher | 14040091 | |
FcR Blocking Reagent, human | MACS Miltenyi Biotec | 130-059-901 | |
FGF-Basic (AA 10-155) Recombinant Human Protein | Thermofisher | PHG0021 | |
GlutaMAX Supplement | Thermofisher | 35050061 | |
Human Recombinant IFNY | Thermofisher | 14-8319-80 | |
Human Serum Albuminum | Irvine Scientific | 9988 | |
Lipopolysaccharide (LPS) from E. Coli | Sigma | L2630 | |
NucBlue (Hoechst33342) | Thermofisher | R37605 | |
pHrodo Green Zymosan Bioparticles Conjugate for Phagocytosis | Thermofisher | P35365 | |
Porcine Skin Gelatin | Sigma | G9136 | |
Recombinant Human BMP4 Protein | R&D | 314-BP-010 | |
Recombinant Human IL10 | Preprotech | 200-10 | |
Recombinant Human IL3 | Preprotech | 200-03-10 | |
Recombinant Human IL4 | Preprotech | 200-04 | |
Recombinant Human MCSF (carrier-free) 100ug | Biolegend | 574806 | |
Recombinant Human VEGF Protein | R&D | 293-VE-010 | |
Rock Inhibitor Y-27632 | Merck | SCM075 | |
SCF (C-Kit Ligand) Recombinant Human Protein | Thermofisher | PHC2111 | |
StemPro hESC SFM | Thermofisher | A1000701 | |
StemPro EZPassage Disposable Stem Cell Passaging Tool | Thermofisher | 23181010 | |
Ultralow attachment plates: Cell culture multi-well plate, 6 well, cell star cell repellent surface | Greiner | 657970 | |
UltraPure 0.5 M EDTA, pH 8.0 | Invitrogen | 15575020 | |
X-Vivo 15 500 mL bottle | Lonza | BE02-060F |