Ici, nous décrivons une méthode cliniquement pertinente, haute efficacité, exempte d’engraissement pour reprogrammer les fibroblastes humains primaires sur les cellules souches pluripotentes induites à l’aide de mis à jour l’ARNm codant pour des facteurs de reprogrammation et mature microARN-367/302 imite. Est également inclus les méthodes pour évaluer l’efficacité de reprogrammation, développez colonies clonales iPSC et confirmer l’expression du marqueur de pluripotence TRA-1-60.
Les cellules souches pluripotentes induites (CISP) sont révélés pour être un outil précieux pour étudier les maladies et le développement humain. Encore faire progresser le CISP comme un régénérateur thérapeutique nécessite un coffre fort, robuste et un protocole de reprogrammation opportun. Nous présentons ici un protocole clinique pertinent, étape par étape pour la reprogrammation de très haute efficacité des fibroblastes dermiques humains en CISP en utilisant une approche sans intégration. Le noyau du protocole est constitué d’exprimer les facteurs de pluripotence (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A, NANOG, OCT4-MyoD fusion) de in vitro ARN messagers transcrits synthétisé avec modification nucléotides (mis à jour le mRNA). Les ARNm modifiées reprogrammation sont transfectés dans des fibroblastes primaires toutes les 48 h avec mature imite de microARN-367/302 axée sur les cellules souches embryonnaires pour deux semaines. Les colonies iPSC qui en résulte peuvent alors être isolés et directement étendus dans des conditions sans chargeur. Afin de maximiser l’efficacité et la cohérence de notre protocole de reprogrammation dans les trois échantillons de fibroblastes, nous avons optimisé les divers paramètres, y compris le régime de transfection RNA, calendrier de transfections, conditions de culture et densités de semis. Important, notre méthode génère CISP de haute qualité de la plupart des sources de fibroblastes, y compris les échantillons de malades, âgés ou sénescentes difficile-à-reprogrammer.
La reprogrammation de cellules somatiques dans les cellules souches pluripotentes induites (CISP) requiert une expression étendue d’un ensemble de facteurs de transcription qui sont important dans le maintien de pluripotence1,2. Lorsque vous générez le CISP pour des applications cliniques, il est essentiel que la charge mutationnelle dans les cellules d’entrée est réduit au minimum pendant le traitement et l’efficacité de la production de l’iPSC est maintenue à un niveau relativement élevé dans les trois échantillons de patients. Cependant, la majorité de la reprogrammation de méthodes, y compris les protocoles libres intégration, souffre de la très faible efficacité de reprogrammation, quelle utilité clinique limite de ces approches3. La faible efficacité de reprogrammation peut également promouvoir sélective de reprogrammation de cellules porteuses de mutations préexistantes, augmentant la charge mutationnelle dans CISP qui en résulte. En outre, toutes basées sur l’ADN reprogrammation méthodes, telles que des lentivirus et épisomiques-approches axées sur, souffrent de la préoccupation de sécurité que l’ADN peut au hasard intégrer dans le génome et créer la possibilité pour la mutagénèse insertionnelle nuisible et indésirables ( potentiellement oncogène) expression de gènes de pluripotence dans des tissus en aval dérivés4.
Une approche prometteuse pour réaliser induction efficace de la pluripotence des cellules somatiques et réduire la charge mutationnelle dans CISP qui en résulte est d’utiliser ARN de messager plafonnés synthétique contenant des nucléobases (mis à jour le mRNA) pour la reprogrammation5modifiés. L’efficacité des approches reprogrammation mis à jour le mRNA peut être encore améliorée en ajoutant des cellules souches embryonnaires (CSE)-spécifique microARN (miARN)-367/302 s3, qui auraient dû être divulgués pour reprogrammer les cellules somatiques avec a augmenté l’efficacité6 ,,7. Toutefois, même avec l’ajout des miARN-367/302 s, l’approche modifiée reprogrammation axée sur l’ARNm échoue souvent lors de l’application à des cellules fraîchement isolées de patients3. Incohérences d’adresse de cette approche axée sur les ARNm modifiée, nous avons récemment rapporté une stratégie optimisée, exempt d’intégration qui induit la pluripotence dans les fibroblastes humains primaires avec un taux de réussite élevé et utilise les deux mis à jour l’ARNm codant reprogrammation des facteurs et mature miRNA-367/302 imite le8. Dans notre méthode, l’ARNm modifiée reprogrammation cocktail comprend une version modifiée de OCT4 fusionné avec le MyoD transactivation domaine (appelé M3O)9 et cinq autres facteurs de reprogrammation (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A et NANOG). Combinant mis à jour l’ARNm codant des facteurs de pluripotence avec le miRNA imite semblait avoir un effet synergique sur la reprogrammation des gains d’efficience dans le présent protocole. Des optimisations supplémentaires le régime de transfection RNA, cellulaire ensemencement, et des conditions de culture étaient également nécessaires pour accroître l’efficacité de l’approche à un très haut niveau8reprogrammation.
Contrairement à nombreux autres protocoles, notre approche reprogrammation nécessite généralement seulement quelques milliers de fibroblastes d’entrée. En outre, beaucoup sans intégration des stratégies communes à l’aide de plasmides épisomiques, virus Sendai, ou ARN autoreproducteur impliquent une vaste passage pour diluer le vecteur reprogrammation au CISP généré. À l’inverse, mis à jour le mRNA et imite les miARN matures ont une demi-vie courte et est rapidement éliminés des cellules. Pris ensemble, le laps de temps de culture cellulaire cumulative entre la collecte des échantillons de patients et la génération de CISP utilisable est minime dans cette approche, limitant efficacement l’accumulation de mutations dans CISP qui en résulte et améliorer la rentabilité économique.
Nous présentons ici le protocole détaillé étape par étape pour atteindre la haute efficacité reprogrammation des fibroblastes humains adultes en CISP à l’aide de notre approche combinatoire d’ARNm/miRNA-base mis à jour le8. Ce protocole de reprogrammation à base d’ARN fournit une méthode simple, rentable et solide pour générer le CISP exempte d’intégration pour la recherche et le potentiel des applications cliniques. En outre, elle s’applique à la reprogrammation d’une variété de lignées de fibroblastes dont difficile-à-reprogrammer, associés à la maladie, les fibroblastes sénescents et âgés. Un schéma du protocole pour la reprogrammation des fibroblastes humains est illustré à la Figure 1. Le protocole décrit plus précisément une méthode pour la reprogrammation des trois puits de fibroblastes humains de primaires adultes dans une plaque de format 6 puits. Deux puits produisent généralement un nombre suffisant de qualité iPSC colonies. Dans bien des cas, seul est bien nécessaire, et le troisième bien peut être utilisé pour l’analyse de l’efficacité de la reprogrammation. Si nécessaire, le nombre de puits peut être transposé.
Ce protocole décrit une méthode ayant une pertinence clinique, sans intégration, base d’ARN qui permet la reprogrammation des lignes de fibroblastes humains normaux et associés à la maladie en CISP à une très haute efficacité. A ce jour, chaque ligne de fibroblaste humain, que nous avons tenté de reprogrammer avec le protocole décrit a donné un nombre satisfaisant de CISP de haute qualité pour des applications en aval. CISP résultant immédiatement peut être transférés et élargi dans les conditions de culture sans chargeur.
Qualité des fibroblastes de reprogrammation :
Reprogrammation de succès est fortement tributaire de la qualité d’à partir de fibroblastes. Idéalement, la reprogrammation doit être instaurée avec les fibroblastes de passage le plus bas disponibles pour réaliser le rendement le plus élevé. Reprogrammation d’efficacité est meilleure avec des fibroblastes de passage 2 – 4. Reprogrammation peut encore fonctionner avec haut-passage (passage 5 – 8), les fibroblastes sénescents même, mais avec un rendement réduit. Parfois les fibroblastes basse-passage ne sont pas disponibles ou échantillons de patients ont une mutation génétique qui empêche une croissance saine. Dans ce cas, optimisation de la densité des ensemencements initiaux peut-être être requise. La reprogrammation des lignes de fibroblastes compromis est généralement associée à la mort cellulaire accrue au cours de transfections RNA. Ainsi, les cellules de la reprogrammation bien semble être fragmentées par jours 10-14 de reprogrammation. Grandes surfaces acellulaires sera également visibles dans le puits. Si c’est le cas, le protocole de reprogrammation devront être réinitialisée avec un nombre plus élevé de départ initial des fibroblastes. 3 000 cellules d’entrée par la cupule d’une boîte de format 6 puits de placage travaille constamment pour lignes de fibroblastes plus adultes. Toutefois, le nombre de placage à 5 000 – 10 000 (50 000 pour les lignes sénescentes) peut contribuer à améliorer la reprogrammation des échantillons associés à la maladie, comme cela a été signalé dans notre précédente publication8. À l’inverse, les cellules atteignant confluence trop tôt peuvent aussi être résistants à la reprogrammation. Si les cellules subissant transfections avec reprogrammation RNAs prolifèrent trop rapidement (comme c’est parfois le cas avec des fibroblastes néonatales primaires), initier la reprogrammation avec 500 fibroblastes par puits d’un plat de 6 puits format8.
Manipulation de la mémoire tampon de transfection :
Le pH de la mémoire tampon de transfection (sérum réduit moyenne ajustée au pH de 8.2) est primordial pour atteindre l’efficacité de transfection optimal requise pour ce protocole de reprogrammation. Pour cette raison, plusieurs Précautions concernant la manipulation de la mémoire tampon de transfection sont recommandées. Nous avons trouvé que l’exposition même brève de la mémoire tampon de transfection d’air atmosphérique affecte le pH de la mémoire tampon. Par conséquent, la mémoire tampon de transfection doit être aliquotée dans un récipient de bouchon à vis avec espace d’air minimal (nous utilisons 5 ou 15 mL bouchon à vis tubes coniques). Pour minimiser encore plus l’exposition à l’air, utilisez chaque tampon de transfection aliquote pour un maximum de deux transfections. Enfin, depuis le pH d’effets de température, il est essentiel que le tampon de transfection est équilibré au RT pour l’assemblage des complexes de transfection. Il est conseillé de ne réchauffe ne pas le tampon de transfection à 37 ° C.
Passage du CISP :
Alors que bon nombre inédit de protocoles recommander cueillette iPSC individuels des colonies à la fin de la reprogrammation, cela peut être difficile à réaliser lorsque l’efficacité de la reprogrammation est très élevée ou si les colonies cluster ensemble, comme c’est souvent le cas dans notre Protocole. Donc, si les colonies de l’iPSC sont à proximité les uns aux autres, nous vous recommandons passant tout d’abord les cellules d’étaler le CISP reprogrammé avant la cueillette manuelle des colonies. Il y a plusieurs avantages à cette étape de passage au début. Les colonies s’étalant leur donne plus d’espace pour se développer, produisant des colonies beaucoup plus grandes pour le prélèvement que pourrait autrement être atteint dans le puits original. Cela améliore considérablement le taux de réussite en établissant une ligne d’iPSC d’un clone sélectionné. Nous constatons également que le temps additionnel de la culture avec des fibroblastes, bien qu’à un ratio dilué, semble améliorer la qualité moyenne des colonies de l’iPSC cueillies. Les fibroblastes incomplètement reprogrammés peuvent fournir des justificatifs facteurs paracrines, qui continuent à aider à établir le CISP et faciliter la transition directe dans les conditions de culture cellulaire exempt d’engraissement. Les fibroblastes ont fortuitement un désavantage de croissance sélective par rapport au CISP lorsqu’il est cultivé dans mTeSR1. Donc, la population de cellules de fibroblaste contaminantes est rapidement diluée à des quantités négligeables au sein de 3 à 4 passages.
Inhibiteurs de ROCK comme Y-27632 sont fréquemment utilisés pour la culture courante de CISP humaine. Nous avons constaté que la culture fréquente et/ou prolongée de certaines lignes iPSC avec Y-27632 peut avoir des effets délétères sur la qualité globale. Lorsque vous utilisez un bouquet passage de méthode, comme avec l’EDTA, Y-27632 n’est pas nécessaire pour maintenir la viabilité de l’iPSC après le fractionnement. Nous avons éliminé complètement les médias complétant avec Y-27632 pour tous les iPSC isolation, agrandissement ou culture courante.
Limitations du protocole :
Une des limitations à l’approche de reprogrammation base d’ARN décrit est le coût initial et la complexité liés à la préparation des réactifs reprogrammation. Bien que les procédures préparatoires pour générer des ARNm réactifs sont tous routinières et ont déjà été décrits (PCR, in vitro de transcription, traitement de DNase, bouchage, déphosphorylation, purification), cumulativement la fabrication de réactifs de l’ARNm est un processus relativement long et non négligeable. L’autre défi majeur de ce protocole est qu’il fallait transfecter toutes les 48 h, augmentant l’intensité de travail du protocole de reprogrammation des cellules. Ces considérations peuvent être prohibitifs si reprogrammation de seulement quelques échantillons de patients est souhaitée. Toutefois, si la considération primordiale est la génération de CISP cliniquement pertinente ou parvenir à très haute efficacité de reprogrammation, l’approche de reprogrammation base d’ARN décrit est idéal.
En résumé, la haute efficacité base d’ARN reprogrammation méthode décrite charnières sur l’efficacité de transfection optimisée du type cellules somatiques à être reprogrammé comme décrit dans notre précédente publication8. Le protocole de transfection de RNA présenté dans cette étude est très à l’écoute pour les fibroblastes humains primaires mais peut potentiellement être adapté à d’autres types de cellules pour améliorer l’efficacité de reprogrammation de diverses cellules somatiques.
The authors have nothing to disclose.
Nous sommes reconnaissants pour le soutien financier de la National Institutes of Health (T32AR007411-33) et l’Université du Colorado peau Diseases Research Core Center (P30AR057212). Nous remercions également le partenariat de recherche de l’épidermolyse bulleuse (EB), EB Medical Research Foundation, Cure EB charité, dystrophiques Epidermolyse bulleuse Research Association (DEBRA) International, de la Fondation Roi Baudouin Vlinderkindje fonds et portes Fonds de frontières.
Plasmid templates for PCR | |||
pcDNA3.3_KLF4 | Addgene | 26815 | |
pcDNA3.3_SOX2 | Addgene | 26817 | |
pcDNA3.3_c-MYC | Addgene | 26818 | |
pcDNA3.3_LIN28A | Addgene | 26819 | |
pCR-Blunt_hM3O | Addgene | 112638 | |
pCR-Blunt_hNANOG | Addgene | 112639 | |
pCR-Blunt_mWasabi | Addgene | 112640 | |
Modified mRNA in vitro transcription and miRNA mimics | |||
Forward Primer | Integrated DNA Technologies | TTGGACCCTCGTACAGAAGC TAATACG |
|
Reverse Primer (Ordered as ultramer, 4nmol scale) | Integrated DNA Technologies | TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT TTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTTT CTTCCTACTCAGGCTTTATTCA AAGACCA |
|
(ARCA Cap) 3´-0-Me-m7G(5')ppp(5')G | New England Biolabs | S1411S | |
Pfu Ultra II Hotstart 2x Master Mix | Agilent | 600850-51 | |
5-Methylcytidine-5'-Triphosphate | Trilink Biotechnologies | N-1014 | |
Antarctic Phosphatase | New England Biolabs | M0289L | |
DNase I | NEB | M0303S | |
MEGAscript T7 Transcription Kit | ThermoFisher Scientific | AM1334 | |
Pseudouridine-5'-Triphosphate | Trilink Biotechnologies | N-1019 | |
Riboguard RNase Inhibitor | Lucigen | RG90910K | |
RNA Clean & Concentrator | ZymoResearch | R1019 | |
Syn-hsa-miR-302a-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000684 | |
Syn-hsa-miR-302b-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000715 | |
Syn-hsa-miR-302c-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000717 | |
Syn-hsa-miR-302d-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000718 | |
Syn-hsa-miR-367-3p miScript miRNA Mimic | Qiagen | MSY0000719 | |
Water (Nuclease free, Not DEPC-treated) | Fisher | AM9937 | Use to dilute modified mRNAs and miRNA mimics |
Fibroblast culture and reprogramming | |||
0.1% Gelatin in H2O | stemcell technologies | #07903 | |
Stericup-GV Sterile Vacuum Filtration System | EMD Millipore | SCGVU05RE | Use to sterilize the transfection buffer and 0.5 mM EDTA in DPBS |
2-Mercaptoethanol | ThermoFisher Scientific | 21985023 | |
6-well plates (tissue culture treated) | Corning | 3516 | |
DMEM/F12 | ThermoFisher Scientific | 11320033 | |
Fetal Bovine Serum | Fisher | 26-140-079 | |
FGF Basic | ThermoFisher Scientific | phg0263 | |
GlutaMax Supplement | ThermoFisher Scientific | 35050061 | Glutamine supplement used for the prepration of media |
Heat Inactivated FBS | Gibco Technologies | 10438026 | |
KnockOut Serum Replacement | ThermoFisher Scientific | 10828010 | |
Lipofectamine RNAiMAX Transfection Reagent | ThermoFisher Scientific | 13778500 | The protocol is optimized for the Lipofectamine RNAiMax transfection reagent |
MEM | ThermoFisher Scientific | 11095080 | |
MEM Non-essential amino acids | ThermoFisher Scientific | 11140050 | |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | ThermoFisher Scientific | 31985070 | Reduced-serum medium, use to make the transfection buffer by adjusting the pH to 8.2, 500 mL |
Opti-MEM I Reduced Serum Medium | ThermoFisher Scientific | 31985062 | Reduced-serum medium, use to make the transfection buffer by adjusting the pH to 8.2, 100 mL |
10 M NaOH | Sigma-Aldrich | 72068 | Make a 1 M solution by diluting in nuclease free water and use for pH adjustment |
Water (Nuclease free, Not DEPC-treated) | Fisher | AM9932 | Use to dilute NaOH and wash a pH meter |
Pen/Strep/Fungizone | GE Healthcare | SV30079.01 | |
rhLaminin-521 | ThermoFisher Scientific | A29248 | Supplied at a concentration of 100 µg/mL, use as a matrix for the reprogramming procedure |
Dulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS) | Life Technologies | 14190144 | |
Trypsin-EDTA 0.25% Phenol Red | Life Technologies | 2520056 | |
Vaccinia Virus B18R (CF) | ThermoFisher Scientific | 34-8185-86 | |
iPSC culture | |||
Corning Matrigel hESC-Qualified Matrix | Corning | 354277 | Extracellular matrix (ECM) for culturing iPSCs |
EDTA, 0.5 M stock solution | K&D Medical | RGF-3130 | Dilute to 0.5 mM in DPBS, filter sterilize and use for iPSC passaging |
mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | Pluripotent stem cell (PSC) medium, provides growth advantage to iPSCs over fibroblasts |
Antibodies and Detection | |||
Rabbit anti Mouse (HRP conjugated) | Abcam | ab97046 | |
Tra-1-60 (mouse anti human) | Stemgent | 09-0010 | |
Hydrogen Peroxide (30%) | LabChem | LC154301 | Dilute to 3% with PBS |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Fisher | BP9703100 | |
Phosphate-buffered salin (PBS) | Hyclone | SH30258.02 | Supplied as 10x, dilute to 1x |
VECTOR NovaRED Peroxidase Substrate Kit | Vector Laboratories | SK-4800 | |
Special Equipment | |||
Description | Notes | ||
Biological safety cabinet | |||
Regular humidified tissue culture incubator | Calibrate CO2 using digital meter, fyrite, or equivalent. Equilibrate incubator to 5% CO2, 37°C. | ||
Tri-gas humidified tissue culture incubator | Calibrate CO2 using digital meter, fyrite, or equivalent. Equilibrate incubator to 5% CO2, 5% O2, 37°C. Use for the reprogramming procedure. | ||
pH Meter | Must have resolution to two decimal places. Designate to RNA work if possible. | ||
Inverted microscope | Microscope configured to visualize EGFP for monitoring transfection efficiency. |