Este protocolo describe la robusta generación de macrófagos a partir de células madre pluripotentes inducidas por el hombre, y métodos para su posterior caracterización. La expresión del marcador de superficie celular, la expresión génica y los ensayos funcionales se utilizan para evaluar el fenotipo y la función de estos macrófagos derivados de iPSC.
Los macrófagos están presentes en la mayoría de los tejidos vertebrados y comprenden poblaciones celulares ampliamente dispersas y heterogéneas con diferentes funciones. Son actores clave en la salud y la enfermedad, actuando como fagocitos durante la defensa inmune y mediando las funciones tróficas, de mantenimiento y reparación. Aunque ha sido posible estudiar algunos de los procesos moleculares involucrados en la función de los macrófagos humanos, ha resultado difícil aplicar técnicas de ingeniería genética a los macrófagos humanos primarios. Esto ha obstaculizado significativamente nuestra capacidad para interrogar las complejas vías genéticas involucradas en la biología de los macrófagos y para generar modelos para estados específicos de enfermedades. Por lo tanto, una fuente de macrófagos humanos que es susceptible al vasto arsenal de técnicas de manipulación genética proporcionaría una herramienta valiosa en este campo. Presentamos un protocolo optimizado que permite la generación de macrófagos a partir de células madre pluripotentes inducidas por humanos (iPSC) in vitro. Estos macrófagos derivados de iPSC (iPSC-DMs) expresan marcadores de superficie de células macrófoles humanas, incluyendo CD45, 25F9, CD163 y CD169, y nuestro ensayo funcional de imágenes de células en vivo demuestra que exhiben una actividad fagocítica robusta. Los iPSC-DM cultivados se pueden activar a diferentes estados de macrófagos que muestran la expresión génica alterada y la actividad fagocítica mediante la adición de LPS e IFNg, IL4 o IL10. Por lo tanto, este sistema proporciona una plataforma para generar macrófagos humanos portadores de alteraciones genéticas que modelan enfermedades humanas específicas y una fuente de células para la detección de drogas o terapia celular para tratar estas enfermedades.
Las células madre embrionarias (ESC) y las células madre pluripotentes inducidas (iPSC) representan una fuente celular autorenovadora que se puede diferenciar para producir células de los tres linajes de capa germinal. Las tecnologías que permiten la manipulación genética de células madre pluripotentes humanas (PSC), como Zinc Finger Nuclease, TALENS y CRISPR-Cas9, han revolucionado la investigación médica1,2,3,4. La manipulación genética de los PSC humanos es una estrategia particularmente atractiva cuando la célula primaria de interés es difícil de expandir y/o mantener invitro, o es difícil de manipular genéticamente, como es el caso de los macrófagos5,,6,7,8,9. Como los iPSC humanos pueden derivarse de cualquier célula somática, eluden las limitaciones éticas asociadas con los ESC y proporcionan una estrategia para la entrega de medicina personalizada. Esto incluye el modelado de enfermedades específicas del paciente, pruebas de drogas y terapia celular autóloga con un menor riesgo de rechazo inmune e infección6,,8,10,11.
Los protocolos que describen la generación de macrófagos a partir de iPSC consisten en un proceso de tres pasos que incluye: 1) Generación de cuerpos embrionarios; 2) Emergencia de células hematopoyéticas en suspensión; 3) Maduración de macrófagos terminales.
La formación de agregados tridimensionales, conocidos como cuerpos embrionarios (EB) inicia la diferenciación de los IPSC. Proteína morfogenética ósea (BMP4), factor de células madre (SCF) y factor de crecimiento endotelial vascular (VEGF) se añaden para impulsar la especificación del mesodermo y apoyar las células hematopoyéticas emergentes7,8,9,11,12. Las células diferenciadoras dentro de los EBs también inician la activación de vías de señalización endógenas como Wnt y Activin. Algunos protocolos de diferenciación no pasan por la etapa de formación de EB. En estos casos, los reguladores de señalización Wnt y Activin, como Activin A y/o Chirón humanos recombinantes, se añaden a los iPSC diferenciadores en formato monocapa13,,14,,15. Aquí, nos centramos en un protocolo que utiliza la formación de EB. Para el segundo paso de diferenciación, los EB se chapan en una superficie adherente. Estas células unidas se exponen a citoquinas que promueven la aparición de células de suspensión que incluyen progenitores hematopoyéticos y mieloides. En estas condiciones de cultivo in vitro, la interleucina-3 (IL3) probablemente apoya la formación de células hematopoyéticas de tallo-progenitor a la proliferación16,,17, así como precursores mieloides proliferación y diferenciación18. El factor estimulante de colonias de macrófagos (CSF1) apoya la producción de células mieloides y su diferenciación a los macrófagos19,20. Durante la tercera etapa de diferenciación, estas células de suspensión se cultivan en presencia de CSF1 para apoyar la maduración de los macrófagos terminales.
La diferenciación de los IPSC humanos en macrófagos in vitro imita la onda temprana de la producción de macrófagos durante el desarrollo. Los macrófagos residentes en tejidos se establecen durante la embriogénesis y tienen un linaje de desarrollo distinto de los monocitos adultos. Varios estudios han demostrado que los iPSC-DMs tienen una firma genética que es más comparable a los macrófagos derivados del hígado fetal que los monocitos derivados de la sangre, lo que sugiere que los iPSC-DMson son más parecidos a los macrófagos residentes en tejidos. Los iPSC-DM expresan niveles más altos de genes que codifican para la secreción de proteínas implicadas en la remodelación de tejidos y la angiogénesis y expresan niveles más bajos de genes que codifican para la secreción proinflamatoria de citoquinas y las actividades de presentación de antígenos21,,22. Además, los iPSC-DMs tienen un requisito de factor de transcripción análogo al de los macrófagos residentes en tejidos23,24. El uso de líneas celulares iPSC noqueadas que son deficientes en los factores de transcripción RUNX1, SPI1 (PU.1) y MYB, Buchrieser et al. mostraron que la generación de iPSC-DMs depende de SPI1 y RUNX1, pero myB independiente. Esto indica que son transcripcionalmente similares a los macrófagos derivados de la yema-sac que se generan durante la primera oleada de hematopoyesis durante el desarrollo23. Por lo tanto, es ampliamente aceptado que los iPSC-DM representan un modelo celular más apropiado para estudiar los macrófagos residentes en tejidos como las células microglia14,,25 y Kupffer11,y una fuente más deseable de células que potencialmente podrían utilizarse en terapias para reparar tejidos. Por ejemplo, se ha demostrado que los macrófagos producidos in vitro a partir de ESCs de ratón fueron eficaces para aliviar la fibrosis en un modelo de lesión hepática inducida por CCl4 in vivo11. Además, estos macrófagos derivados de la ESC eran más eficientes que los macrófagos derivados de la médula ósea en los compartimentos celulares de Kupffer repoblados, balosdedos de macrófagos utilizando clodronato liposomal11 en ratones.
Aquí, describimos los protocolos libres de suero y alimentador para el mantenimiento, la congelación y la descongelación de los iPSC humanos, y para la diferenciación de estos iPSC en macrófagos funcionales. Este protocolo es muy similar al descrito por Van Wilgenburg et al.12, con alteraciones menores incluyendo: 1) medios de mantenimiento iPSC; 2) El inhibidor DE ROCK no se utiliza en la etapa de formación de EB; 3) Se utiliza un enfoque mecánico en lugar de un enfoque enzimático para generar eBs uniformes a partir de colonias de iPSC; 4) El método para la cosecha eb y el enchapado hacia abajo es diferente; 5) Las células de suspensión se cosechan 2 veces a la semana, en lugar de semanalmente; y 6) Las células de suspensión cosechadas se cultivan bajo CSF1 para maduración de macrófagos durante 9 días en lugar de 7 días. También describimos los protocolos utilizados para caracterizar el fenotipo y la función de los macrófagos derivados de iPSC, incluidos los análisis de la expresión génica (qRT-PCR), la expresión del marcador de superficie celular (citometría de flujo) y los ensayos funcionales para evaluar la fagocitosis y la polarización.
El protocolo para la generación de iPSC-DMs descrito aquí es robusto y permite la producción de un gran número de células homogéneas a partir de un número relativamente pequeño de iPSC. Tras la diferenciación inicial de aproximadamente 1 x 106 iPSCs, los cultivos subsiguientes se pueden cosechar cada 4 días durante un máximo de 2-3 meses, lo que resulta en la producción de al menos 6,5 x 107 macrófagos en ese tiempo. Estos macrófagos humanos generados in vitro son morfológicamente similares a los macrófagos humanos primarios, expresan los marcadores clave de la superficie de la célula del macrófago y presentan actividad fagocítica. El protocolo para la diferenciación de macrófagos es reproducible y se puede aplicar a otras líneas celulares hiPSC y hESC, pero el tiempo preciso de la primera cosecha de los precursores de macrófagos y el número absoluto de células que se pueden generar varía entre las líneas iPSC.
Se ha demostrado que los macrófagos se pueden generar a partir de iPSC que han sido manipulados genéticamente. Por ejemplo, se insertó un casete transgéno compuesto por el reportero fluorescente ZsGreen bajo el control del promotor constitutivo de CAG en el locus AAVS1 de la línea SFCi55 iPSC, y posteriormente se demostró que esta línea iPSC podría diferenciarse en macrófagos zsGreen-expressing8. Estos macrófagos fluorescentes podrían utilizarse en el futuro para realizar un seguimiento de la migración y la estabilidad de los macrófagos terapéuticos en modelos de enfermedad. En otro estudio, los macrófagos se generaron a partir de una línea iPSC que había sido manipulada genéticamente para expresar un factor de transcripción inducido por tamoxifeno, KLF1. La activación de KLF1 en macrófagos derivados de iPSC dio lugar a la producción de macrófagos con un fenotipo comparable a los macrófagos de la isla eritroidea9. Potencialmente, esta estrategia podría utilizarse para programar genéticamente macrófagos derivados de iPSC en fenotipos asociados con otras poblaciones de macrófagos específicos de tejidos como las células Kupffer del hígado o las células de Langerhans de la piel. Esto sería posible una vez que se identifiquen los factores clave de transcripción que definen estos tipos de celda.
En cuanto al protocolo, es muy importante tener en cuenta que la condición de la población inicial de los ISPs es fundamental para una diferenciación exitosa. Los cultivos iPSC humanos pueden ser invadidos por subpoblaciones anormalmente anormales en varios pasajes, por lo que se recomienda una curación robusta de las existencias de iPSC y grandes reservas maestras de lotes sometidas al control de calidad del genoma. En nuestras manos, los protocolos de mantenimiento descritos aquí pueden mantener los iPSC karyotípicamente normales durante un máximo de 2 meses en cultivo continuo, pero esto puede variar para diferentes líneas celulares y en diferentes laboratorios. Si se encuentran problemas, es aconsejable utilizar un vial fresco de ISPC indiferenciados para cada experimento de diferenciación. Además, la cultura inicial de los iPSC indiferenciados no debe ser superior al 80% de confluentes. En la etapa de chapado de EB, solo se deben chapar entre 10 y 15 EB por pozo de una placa de cultivo de tejido de 6 pozos, y es fundamental que estos EB se extiendan uniformemente por el pozo. Un mayor número de EB y/o aglomeración de EB en el centro del pozo tuvo un efecto negativo en el número de macrófagos generados. Se debe tener cuidado al reponer los medios y cosechar células de suspensión de progenitores similares a monocitos de los cultivos de EB para evitar perturbar la adhesión de los EB a la superficie de las placas de cultivo recubiertas. El número de células de suspensión hematopoyéticas producidas aumenta gradualmente con cada cosecha, con una producción óptima entre los días 40-72 de diferenciación(Figura 2). La producción disminuye progresivamente después del día 68 y las placas tienden a agotarse después de 2,5 meses, aunque el tiempo preciso puede variar dependiendo de la línea iPSC.
Una limitación de nuestro protocolo es que no ha sido posible criopreservar las células de suspensión hematopoyéticas generadas al final de la Etapa 2. Los protocolos que se basan en la activación exógena de WNT informan sobre una tasa de recuperación del 40% después de la criopreservación, pero estos protocolos informan sólo de una cosecha celular, por lo que el número absoluto de macrófagos generados es bajo30. El protocolo descrito aquí, induciendo la señalización endógena a través de la formación de EB, se puede cosechar quincenalmente, produciendo un rendimiento total de macrófagos mucho mayor.
En resumen, presentamos un protocolo detallado para la producción de macrófagos funcionales derivados de iPSC. La creación de experimentos in vitro con macrófagos derivados de iPSC para estudiar la biología de los macrófagos en salud y enfermedad tiene muchas ventajas sobre los experimentos con macrófagos derivados de monocitos (MDM). Estas ventajas incluyen la facilidad de acceso al material (por ejemplo, no se requieren donantes), se pueden producir grandes cantidades de macrófagos, y es factible y relativamente sencillo producir macrófagos modificados genéticamente. Además, los macrófagos derivados de iPSC podrían ser un mejor recurso para el estudio de la biología de los macrófagos residentes en los tejidos.
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a Fiona Rossi y Claire Cryer por su ayuda con la citometría de flujo, Eoghan O’Duibhir y Bertrand Vernay con microscopía. Este trabajo fue financiado por CONACYT (M.L.-Y.), Wellcome Trust (102610) e Innovate UK (L.M.F), Wellcome Trust PhD studentship (A.M), MRC Precision Medicine Studentship (T.V). L.C. y J.W.P. contaron con el apoyo de Wellcome Trust (101067/Z/13/Z), el Consejo de Investigación Médica (MR/N022556/1) y 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 |