Summary

非統合ソームプラスミドを用いて凍結軟膜から誘導多能性幹細胞の生成

Published: June 05, 2015
doi:

Summary

誘導多能性幹細胞(iPS細胞)が臨床応用および基礎研究のための患者特有の組織のソースを表します。ここでは、非組み込みエピソームプラスミドを用いてウイルスを含まないiPS細胞に凍結バフィーコートから得たヒト末梢血単核細胞(PBMNCs)を再プログラムするために詳細なプロトコルを提示します。

Abstract

体細胞は、典型的には、ヒト胚性幹細胞(hESC)で表される、(KLF-4、Oct-4の、ソックス-2、及びc-Mycの)は、4つの転写因子の発現を強制することによって誘導多能性幹細胞(iPS細胞)に再プログラムすることができ。によるヒトES細胞との類似性のために、性IPSCは、ヒトES細胞に関連する倫​​理的な問題を回避し、潜在的な患者特有の再生医療のための重要なツールとなっています。臨床応用のために適切な細胞を得るために、導入遺伝子を含まないiPS細胞は、導入遺伝子の再活性化、遺伝子発現の変化と誤った分化を回避するために生成される必要があります。また、非常に効率的で安価な再プログラミング方法は、治療目的のために十分なiPS細胞を誘導するために必要です。この必要性を考えると、効率的な非統合エピソームプラスミドアプローチは、iPS細胞の誘導に好適な選択です。現在、再プログラミングのために使用される最も一般的な細胞型は、線維芽細胞、組織生検を必要とするの分離、Iであります患者のためのnvasiveの外科的処置。そのため、ヒト末梢血は、iPS細胞の生成のための最もアクセスし、最も侵襲性の組織を表します。

本研究では、非組み込み型エピソームプラスミドを用いてコスト効果およびウイルスフリープロトコルは、全血の遠心分離後に密度勾配分離せずに凍結バフィーコートから得たヒト末梢血単核細胞(PBMNCs)からのiPS細胞の生成のために報告されています。

Introduction

2006年には、山中伸弥のグループが1 KLF-4、成体マウスおよびヒトからの体細胞は、4つの再プログラミング因子(Oct-4の、ソックス-2の異所性発現によって多能性状態に変換することができることを初めて実証し、 C-Mycの)、いわゆる人工多能性幹細胞(性IPSC)2を生成します。患者特異性IPSC密接形態、増殖、およびhESCの使用に関連する倫​​理的な問題を欠くと迂回し、三生殖細胞型(中胚葉、内胚葉及び外胚葉)に分化する能力の点でヒト胚性幹細胞(hESC)の似ています可能な免疫拒絶3。このように、性IPSCは、基礎研究、薬物スクリーニング、疾患モデリング、毒性の評価、および再生医療の目的のために4患者特異的細胞の最も重要な源の一つとして表示されます。

いくつかのアプローチは、iPS細胞の生成のために使用されている:ウイルスベクターを統合します(レトロウイルス5、レンチウイルス6)、ウイルス非組み込み型ベクター(アデノウイルス7)、センダイウイルス8、BACトランスポゾン9、エピソームベクター10、タンパク質11またはRNAの送達12。ウイルス媒介方法の使用は、高効率のリプログラミングにつながることができますが、ウイルスベクターは、宿主細胞のゲノムに組み込まれ、したがって、潜在的なランダム挿入変異、遺伝子発現の永久的な変化、および分化の間沈黙導入遺伝子の再活性化は、13を除外することはできません。

再生医療用iPS細胞をより安全にするために、努力は携帯のゲノムへの外来DNAの組込みなしでiPS細胞を誘導するためになされています。切除可能なウイルスベクターおよびトランスポゾンが開発されているが、それは必然的に短く切除後に形質導入​​した細胞中に残存ベクター配列、およびトランスポザーゼの発現は、細胞内変化を誘発することができるかどうかまだ不明ですウラル機能13。その高い初期化効率にもかかわらず、センダイウイルスは、高価なアプローチを表し、このシステムを開発した会社でリーチスルーライセンスの懸念は、翻訳の研究でその用途を制限する可能性があります。さらに、タンパク質およびRNAの直接導入の必要性は、これが導入されて、固有の技術的な限界で分子を再プログラミングする複数の配信を必要とし、全体の再プログラミング効率は14非常に低いです。注目すべきは、エピソームプラスミドの使用に基づいて、費用対効果の高い無料のウイルスおよび非統合の方法は、正常皮膚線維芽細胞15の再プログラミングのために報告されています。具体的には、本研究で我々は、以前に10,15を報告したように、市販の統合フリーエピソームプラスミドを使用することにしました。

現在までに、皮膚線維芽細胞は、最も人気のあるドナー細胞型5を表します。しかし、他の細胞源は大成功していますsfullyケラチノサイト16、骨髄間葉系幹細胞17、脂肪間質細胞18、毛包19および歯髄細胞20を含むiPS細胞に再プログラム。これらの細胞の単離は、外科的処置を必要とし、数週間の初代細胞培養を確立するために、 インビトロ細胞増殖に必要とされます。

この観点から、細胞型の開始の選択は重要であり、それは、血液などの容易にアクセス可能で低侵襲性の組織からiPS細胞を生成することができることが同様に重要です。臍帯血単核細胞(CBMNCs)21,22と、末梢血単核細胞(PBMNCs)14,22-24両方が性IPSCの導出のための細胞の適切な供給源を表します。

成人PBMNCの再プログラミングの効率がCBMNCs 22のそれよりも20〜50倍低いが、それらは、サンプリング目的のために最も便利な細胞型のままです。で実際には、PBMNCサンプリングは低侵襲であるという利点があり、加えて、これらの細胞は、再プログラミング実験の前に、インビトロで広範な拡張を必要としません。現在までに、異なるプロトコルは、密度勾配分離後PBMNCsを凍結し、解凍した日数ヶ月に凍結後と性IPSC 22,23に再プログラミングする前に数日のために拡張することができることを報告しています。それにもかかわらず、限り我々が知っているように報告は凍結バフィーコートからPBMNCsの再プログラミングを説明していません。重要なことは、密度勾配分離することなく収集凍結軟膜は、このように、試料採取を回避するiPS細胞の製造のための材料の容易にアクセスできるプールを表す、集団研究から大規模なバイオバンクに保存されている最も一般的な血液サンプルを表します。

本明細書中で、私たちは以前に記載されたプロトコル22に基づいて、初めて人間の冷凍軟膜からのウイルスフリー性IPSCの生成を報告しています。でまた、性IPSCは、非密度勾配精製PBMNC結果の制御プロトコルとして、密度勾配分離後に得られた凍結PBMNCsから生成されました。

Protocol

末梢血単核細胞(PBMNCs)は、後のインフォームドコンセントと南チロル州の倫理委員会の承認に署名した健康なドナーのヒト末梢血サンプルから単離しました。実験は、ヘルシンキ宣言で表さ原理に従って行われました。すべてのデータが収集され、匿名で分析しました。 末梢血単核細胞(PBMNCs)の1の単離 PBMNCsは、密度勾配分離することなく、全血を遠心分離?…

Representative Results

本研究では、全血の遠心分離および密度勾配分離が報告された後に得られたPBMNCsの再プログラミングと比較した後に凍結したバフィーコートから単離したPBMNCsの再プログラミングによるウイルスフリー性IPSCを生成するための簡単で効果的なプロトコルです。 図1(a)は、の概略図を示します詳細なプロトコル。解凍後、典型的な丸みを帯びた形状を示す単離されたPBMNCsは、14日?…

Discussion

過去には、唯一の方法は、特定の遺伝的変異を有するヒト多能性幹細胞を得るためには、着床前遺伝子診断を受けている親を募集し、その廃棄31,32胚盤胞から胚性幹細胞を生成することでした。再プログラミングのアプローチを使用して、研究者らは現在、事実上すべての遺伝子型を保有する患者からiPS細胞を生成することができます。それは障害および新規治療アプローチのその後…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The study was supported by the Ministry of Health and Department of Educational Assistance, University and Research of the Autonomous Province of Bolzano and the South Tyrolean Sparkasse Foundation.

Materials

Sodium Citrate buffered Venosafe Plastic Tube Terumo VF-054SBCS07
Ammodium chloride Sigma-Aldrich A9434
Potassium bicarbonate Sigma-Aldrich 60339
EDTA disodium powder Sigma-Aldrich E5134 0.5 M solution
Ficoll-Paque Premium  GE Healthcare Life Sciences 17-5442-02 Polysucrose solution for density gradient centrifugation
Iscove's modified Dulbecco's medium (IMDM)  Gibco 21056-023 No phenol red
Ham's F-12 Mediatech 10-080-CV
Insulin-Transferrin-Selenium-Ethanolamine (ITS -X) Gibco 51500-056  1X (Stock: 100X)
Chemically Defined Lipid Concentrate Gibco 11905031 1X (Stock: 100X)
Bovine Serum Albumin (BSA) Sigma-Aldrich A9418
L-Ascorbic acid 2-phosphate sesquimagnesium salt hydrate Sigma-Aldrich A8960
1-Thioglycerol Sigma-Aldrich M6145 Final Concentration at 200 µM
Recombinant Human Stem Cell Factor (SCF) PeproTech 300-07 100 ng/ml (Stock:100 µg/ml) 
Recombinant Human Interleukin-3 (IL-3) PeproTech 200-03 10 ng/ml (Stock: 10 µg/ml)
Recombinant Human Insulin-like Growth Factor (IGF-1) PeproTech 100-11 40 ng/ml (Stock: 40 µg/ml)
Recombinant Human Erythropoietin (EPO) R&D Systems  287-TC-500 2 U/ml (Stock: 50 U/ml)
Dexamethasone  Sigma-Aldrich D2915 1 μM (Stock: 1 mM)
Human Holo-Transferrin R&D Systems  2914-HT 100 μg/ml (Stock: 20 mg/ml)
Amniomax II Gibco 11269016 Medium for cytogenetic analysis
mTeSR1 StemCell Technologies 5850 Medium for iPSC feeder-free culture
Knockout DMEM Gibco 10829-018
Knockout Serum Replacement Gibco 10828-028
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) Gibco 15140-122
L-Glutamine (200 mM) Gibco 25030-024
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100X) Gibco 11140-050
2-Mercaptoethanol  Gibco 31350-010 0.1 mM (Stock: 50 mM)
Sodium Butyrate Sigma-Aldrich B5887 0.25 mM (Stock: 0.5 M)
Recombinant Human FGF basic, 145 aa  R&D Systems  4114-TC 10 ng/ml (Stock: 10 µg/ml)
Y-27632 dihydrochloride Sigma-Aldrich Y0503  10 µM (Stock: 10 mM)
Fetal Defined Bovine Serum Hyclone SH 30070.03
EmbryoMax 0.1% Gelatin Solution Merck-Millipore ES-006-B
Matrigel Basement Membrane Matrix Growth Factor Reduced BD Biosciences 354230
Collagenase, Type IV Gibco 17104-019 1 mg/ml (Stock: 10 mg/ml)
Accutase PAA Laboratories GmbH L11-007 Cell detachment solution
Mouse Embryonic Fibroblast (CF1) Global Stem GSC-6201G 1*106 cells/6 well plate
Plasmid pCXLE-hOCT3/4-shp53-F Addgene  27077 1 µg (Stock: 1 µg/µl)
Plasmid pCXLE-hSK Addgene  27078 1 µg (Stock: 1 µg/µl)
Plasmid pCXLE-hUL Addgene  27080 1 µg (Stock: 1 µg/µl)
Plasmid pCXLE-EGFP Addgene  27082 1 µg (Stock: 1 µg/µl)
Alkaline Phosphatase Staining Kit Stemgent 00-0009
Anti-Stage-Specific Embryonic Antigen-4 (SSEA-4) Antibody Merck-Millipore MAB4304 1/250
Anti-TRA-1-60 Antibody Merck-Millipore MAB4360 1/250
Anti-TRA-1-81 Antibody Merck-Millipore MAB4381 1/250
Anti-Oct-3/4 Antibody Santa Cruz Biotechnology sc-9081 1/500
Anti-Nanog Antibody Santa Cruz Biotechnology sc-33759 1/500
Anti-Troponin I Antibody Santa Cruz Biotechnology sc-15368 1/500
Anti-α-Actinin (Sarcomeric) Antibody Sigma-Aldrich A7732 1/250
Neuronal Class III ß-Tubulin (TUJ1) Antibody Covance Research Products Inc  MMS-435P-100 1/500
Anti-Tyrosine Hydroxylase (TH) Antibody Calbiochem 657012 1/200
Alexa Fluor 488 Goat Anti-Mouse  Molecular Probes A-11029 1/1000
Alexa Fluor 555 Goat Anti-Rabbit Molecular Probes A-21429 1/1000
Ultra-Low Attachment Cell Culture 6-well plate Corning 3471
Trizol Reagent Ambion 15596-018  reagent for RNA extraction
SuperScript VILO cDNA Synthesis Kit Invitrogen 11754050 Reverse transcriptase kit
iTaq Universal SYBR Green Supermix Bio-Rad 172-5124
CFX96 Real-Time PCR Detection System Bio-Rad 185-5195
Experion Automated Electrophoresis System Bio-Rad 700-7000 Instrument to check RNA integrity
Experion RNA Highsense Analysis kit Bio-Rad 7007105 Reagent kit to check RNA integrity
Dissecting microscope (SteREO Discovery V12 ) Zeiss 495007
NeonTransfection System 100 µL Kit Invitrogen MPK10025 Reagent kit for electroporation
Neon Transfection System Invitrogen MPK5000 Instrument used for electroporation
NanoDrop UV/Vis Spectrophotometer Thermo Scientific ND-2000 Instrument for DNA/RNA quantification
EndoFree Plasmid Maxi Kit Qiagen 12362 Plasmid purification kit

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Citar este artigo
Meraviglia, V., Zanon, A., Lavdas, A. A., Schwienbacher, C., Silipigni, R., Di Segni, M., Chen, H. V., Pramstaller, P. P., Hicks, A. A., Rossini, A. Generation of Induced Pluripotent Stem Cells from Frozen Buffy Coats using Non-integrating Episomal Plasmids. J. Vis. Exp. (100), e52885, doi:10.3791/52885 (2015).

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