Summary

Geração de Integração Induced-livre Human células estaminais pluripotentes usando o cabelo derivado queratinócitos

Published: August 20, 2015
doi:

Summary

This manuscript provides a step-by-step procedure for the derivation and maintenance of human keratinocytes from plucked hair and subsequent generation of integration-free human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) by episomal vectors.

Abstract

Recent advances in reprogramming allow us to turn somatic cells into human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Disease modeling using patient-specific hiPSCs allows the study of the underlying mechanism for pathogenesis, also providing a platform for the development of in vitro drug screening and gene therapy to improve treatment options. The promising potential of hiPSCs for regenerative medicine is also evident from the increasing number of publications (>7000) on iPSCs in recent years. Various cell types from distinct lineages have been successfully used for hiPSC generation, including skin fibroblasts, hematopoietic cells and epidermal keratinocytes. While skin biopsies and blood collection are routinely performed in many labs as a source of somatic cells for the generation of hiPSCs, the collection and subsequent derivation of hair keratinocytes are less commonly used. Hair-derived keratinocytes represent a non-invasive approach to obtain cell samples from patients. Here we outline a simple non-invasive method for the derivation of keratinocytes from plucked hair. We also provide instructions for maintenance of keratinocytes and subsequent reprogramming to generate integration-free hiPSC using episomal vectors.

Introduction

A descoberta de humanos induzida por células estaminais pluripotentes (hiPSCs) revolucionou o campo da medicina regenerativa, proporcionando um método viável para a produção de células estaminais específicos do paciente 1-3. hiPSCs ter sido gerado com êxito a partir de vários tipos de células somáticas, incluindo fibroblastos, células hematopoiéticas 4,5 6,7, células epiteliais renais de urina 8 e queratinócitos 9,10. Até à data, os fibroblastos da pele e células hematopoiéticas representam as fontes de células mais comumente utilizados para gerar iPSCs específicos do paciente. Indiscutivelmente, isso se deve ao fato de que as biópsias de pele e coleta de sangue são procedimentos médicos de rotina e grandes biobancos de sangue ou de pele amostras de pacientes foram estabelecidos em muitos países.

Em contraste com as células sanguíneas e de fibroblastos da pele que requerem métodos de extracção invasiva, queratinócitos representam um tipo de células facilmente acessíveis para a geração hiPSC. Keratinocytes são células epiteliais rico em queratina que formam a barreira epidérmica exterior da pele e são também encontrados em unhas e cabelo 11. Em particular, os queratinócitos podem ser encontrados na bainha externa da raiz (ORS) dos folículos pilosos, uma camada celular externa que cobria o eixo do cabelo, juntamente com a bainha radicular interna (IRS), células (12, Figura 1). Como coleta de cabelo é um procedimento simples, que não requer a assistência de pessoal médico, ele fornece uma oportunidade para os pacientes de recolher e enviar suas próprias amostras de cabelo para laboratórios, o que facilitaria muito a recolha de amostras de doentes para a geração de hiPSC. Queratinócitos epidérmicos também têm uma maior eficiência de reprogramação e cinética de reprogramação mais rápidas em comparação com fibroblastos, a adição às vantagens da utilização de queratinócitos como as células de partida para a geração de hiPSC 9,13. Além disso, hiPSCs também pode ser gerado usando outras populações de células dentro do folículo piloso,incluindo as células de papila dérmicas localizadas na base do folículo piloso 14,15.

Relatórios anteriores de geração iPSC usando células derivadas de cabelo muitas vezes utilizam métodos de reprogramação retrovirais ou à base de lentivírus 9,14,15. No entanto, estes métodos virais introduzir integração genómica indesejável de transgenes estranhos durante a reprogramação. Em comparação, a utilização de vectores epissomais representa um método viável reprogramação, não-viral para gerar iPSCs livre de integração 4. Nós já desenvolveu um método simples, eficaz e não-viral para reprogramar eficiente queratinócitos em hiPSCs usando vetores epissomais 13. Aqui nós fornecemos um protocolo detalhado para a geração de hiPSCs derivado de queratinócitos, incluindo a derivação de queratinócitos a partir de cabelo arrancado, de expansão e de manutenção dos queratinócitos e reprogramação subsequente para gerar hiPSCs.

Protocol

A coleta de amostra de cabelo humano de indivíduos requer aprovação ética pelo comitê de ética em pesquisa em humanos nas instituições de acolhimento e deve ser feito em conformidade com as diretrizes institucionais. 1. Isolamento de queratinócitos a partir de cabelo arrancado Descongelar solução Matriz Extracelular (ECM) (isto é, Matrigel) em gelo, O / N. Usando pontas de pipetas pré-refrigerados, adicione 200 mL de solução de ECM 12 ml de meio D…

Representative Results

O cabelo passa por três fases diferentes do ciclo de crescimento: anágena (fase de crescimento), catágena (fase de regressão) e telógena (na fase de repouso) 20,21. O folículo piloso anágena contém várias camadas de epitélio; essas camadas incluem os ORS, IRS e do eixo do cabelo (Figura 1). Cabelos anágenos eventualmente sofre a transição para a fase catágena, que é marcado por apoptose das ORS e rescisão de diferenciação eixo do cabelo. Finalmente, a transição de cabelo c…

Discussion

Geração de hiPSCs específicos do paciente oferece uma abordagem única para estudar patogênese nos tipos de células doentes in vitro, e também fornece uma plataforma para a triagem de drogas para identificar novas moléculas que podem resgatar os fenótipos da doença. Esta abordagem de modelagem doença usando hiPSCs tem produzido resultados promissores para uma variedade de doenças, incluindo a síndrome de QT longo, doença de Huntington, doença de Parkinson e esclerose lateral amiotrófica 22.<…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors wish to thank Harene Ranjithakumaran and Stacey Jackson for technical support. This work was supported in part by grants from the National Health and Medical Research Council (R.C.B. Wong, A. Pébay), the University of Melbourne (R.C.B. Wong), Retina Australia (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung, A. Pébay) and the Ophthalmic Research Institute of Australia (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung, A. Pébay); Australian Research Council Future Fellowship (A. Pébay, FT140100047), Cranbourne Foundation Fellowship (R.C.B. Wong); intramural funding from the National Institutes for Health (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung) and operational infrastructure support from the Victorian Government.

Materials

Antibiotic Mix: 
250 ng/ml Antimycotic amphotericin B Sigma A2942-20ml Antibiotic mix is made up in PBS. 
1X Penicillin/Streptomycin Invitrogen 15140-122
PBS (-) Invitrogen 14190-144
Knockout Serum Replacement (KSR) medium:  KSR medium is filtered using Stericup (Millipore, #SCGPU05RE) before use. bFGF is added fresh to the media before use.
20% knockout serum replacement (KSR) Invitrogen 10828-028
DMEM/F12 with glutamax Invitrogen 10565-042
1× MEM non-essential amino acid Invitrogen 11140-050
 0.5× Penicillin/Streptomycin Invitrogen 15140-122
 0.1 mM β-mercaptoethanol Invitrogen 21985
 bFGF (10 ng/ml, added fresh) Millipore GF003
Keratinocyte medium: 
 EpiLife with 60 µM Calcium Invitrogen M-EPI-500-CA
1× Human keratinocyte growth supplement (HKGS) Invitrogen S-001-5
Fetal Bovine Serum (FBS) medium:  FBS medium is filtered using Stericup (Millipore, #SCGPU05RE)  before use.
10% fetal bovine serum (FBS) Invitrogen 26140079
DMEM  Invitrogen 11995-073
0.5× Penicillin/Streptomycin Invitrogen 15140-122
2 mM L-glutamine Invitrogen 25030
0.25% trypsin-EDTA Invitrogen 25200-056
Extracellular Matrix (ECM):
Matrigel Corning  354234 Aliquot Matrigel stock and store in -80°C following manufacturer’s instructions. Stock concentration of Matrigel varies slightly from batch to batch (~9mg/ml). We recommend to use 200µl matrigel for coating a 12-well plate (~150µg/well). 
Coating Matrix Kit  Invitrogen R-011-K
Plasmids:  Note that pCXLE-eGFP is only used for monitoring transfection efficiency and is not required for reprogramming.
-          pCXLE-eGFP Addgene 27082
-          pCXLE-hOct3/4-shP53F Addgene 27077
-          pCXLE-hSK Addgene 27078
-          pCXLE-hUL Addgene 27080
Transfection reagent Fugene HD Promega E231B
Gelatin (from porcine skin) Sigma G1890 Make up 0.1% gelatin in distilled water. Autoclave before use. 
Reduced Serum medium: OPTI-MEM Invitrogen 31985062
Accutase Sigma A6964-100ml
Mouse embryonic fibroblast (MEF) feeder MEF can be inactivated by mitomycin C treatment or irradiation as described previously 16.
26G needle Terumo NN2613R
6-well plate (tissue culture treated) BD Biosciences 353046
12-well plate (tissue culture treated) BD Biosciences 353043
10 cm dish (tissue culture treated) BD Biosciences 353003
Dispase Invitrogen 17105-041 Use at 10mg/ml
Collagenase IV Invitrogen 17104-019 Use at 1mg/ml
TRA-160 antibody Millipore MAB4360 Use at 5µg/ml
OCT4 antibody Santa Cruz SC-5279 Use at 5µg/ml
NANOG antibody R&D Systems AF1997 Use at 10µg/ml
MycoAlert Detection kit Lonza LT07-418

Referências

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Citar este artigo
Hung, S. S., Pébay, A., Wong, R. C. Generation of Integration-free Human Induced Pluripotent Stem Cells Using Hair-derived Keratinocytes. J. Vis. Exp. (102), e53174, doi:10.3791/53174 (2015).

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