Hier beschreiben wir eine klinisch relevante, hohem Wirkungsgrad, Feeder-free Methode, um menschliche primäre Fibroblasten in induzierte pluripotente Stammzellen mit modifizierten mRNAs codieren Neuprogrammierung Faktoren neu zu programmieren und Reife MicroRNA-367/302 imitiert. Ebenfalls enthalten sind Methoden zur Beurteilung der Neuprogrammierung Effizienz klonalen iPSC Kolonien zu erweitern, und Ausdruck der Pluripotenz Markierung TRA-1-60 zu bestätigen.
Induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) haben sich als ein wertvolles Instrument zur menschlichen Entwicklung und Krankheit zu studieren. Weitere Förderung iPSCs als eine regenerative Therapie erfordert eine sichere, robuste und zweckmäßig Neuprogrammierung Protokoll. Hier präsentieren wir Ihnen eine klinisch relevante, Schritt für Schritt Protokoll für die extrem Hocheffizienz-Reprogrammierung von menschlichen dermalen Fibroblasten in iPSCs mit einem Ansatz nicht zu integrieren. Der Kern des Protokolls besteht Pluripotenz Faktoren zum Ausdruck zu bringen (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A, NANOG, OCT4-MyoD Fusion) von in-vitro- transkribierten Messenger RNA synthetisiert mit Nukleotiden (modifizierte mRNAs) geändert. Die Neuprogrammierung modifizierte mRNAs sind für zwei Wochen in primäre Fibroblasten alle 48 h zusammen mit Reifen embryonalen Stammzell-spezifische MicroRNA-367/302 Mimik transfiziert. Die daraus resultierende iPSC-Kolonien können dann isoliert und direkt im Feeder-freien Bedingungen erweitert. Zur Maximierung der Effizienz und Konsistenz unserer Neuprogrammierung Protokoll über Fibroblasten Proben haben wir verschiedene Parameter einschließlich der RNA Transfektion Therapie optimiert Timing Transfektionen, Kulturbedingungen und seeding dichten. Wichtig ist, erzeugt unsere Methode qualitativ hochwertige iPSCs aus den meisten Fibroblasten-Quellen, einschließlich schwer zu programmieren Kranke, Alter und/oder alternde Proben.
Reprogrammierung von somatischen Zellen in induzierte pluripotente Stammzellen (iPSCs) erfordert erweiterte Ausdruck der einen Kernsatz von Transkriptionsfaktoren, die wichtig sind bei der Aufrechterhaltung der Pluripotenz1,2. Bei der Herstellung von iPSCs für klinische Anwendungen ist es wichtig, dass die Mutationszucht Last Eingabezellen während der Verarbeitung minimiert wird und die Effizienz der iPSC-Generation ist in Patientenproben auf relativ hohem Niveau gepflegt. Allerdings leidet die Mehrheit der Neuprogrammierung Methoden, einschließlich der Integration-freie Protokolle von sehr niedrigen Neuprogrammierung Effizienz, welche Grenze klinische Nützlichkeit dieser3nähert. Die geringe Effizienz der Neuprogrammierung kann auch fördern selektiv Reprogrammierung von bereits vorhandenen Mutationen, Erhöhung der Mutationszucht Belastung in daraus resultierenden iPSCs tragen. Darüber hinaus leiden alle DNA-basierte Neuprogrammierung Methoden, z. B. Lentivirus und episomal-basierte Ansätze, die Sicherheitsbedenken, dass DNA kann zufällig in das Genom zu integrieren und die Möglichkeit für schädliche insertional Mutagenese und unerwünschte schaffen ( potenziell onkogene) Expression von Genen der Pluripotenz in nachgeschalteten Gewebe Derivate4.
Ein vielversprechender Ansatz zur effizienten Induktion von Pluripotenz in somatischen Zellen erreichen und mutagenen Belastung in daraus resultierenden iPSCs verringern ist mit synthetischen angeschnittene Ärmel Messenger-RNAs mit Nucleobasen (modifizierte mRNAs) Umprogrammierung5geändert. Die Effizienz der modifizierte mRNA-basierte Neuprogrammierung Ansätze durch Zugabe von embryonalen Stammzellen (ESC) weiter ausgebaut werden kann-spezifischen MicroRNAs (MiRNAs)-367/302s3, die erwiesenermaßen reprogram Körperzellen mit Effizienzsteigerung6 ,7. Jedoch sogar mit dem Zusatz von MiRNAs-367/302s scheitert die modifizierte mRNA-Neuprogrammierung Ansatz oft während der Anwendung frisch isolierte Patientenzellen3. Zu Adresse Inkonsistenzen dieses modifizierte mRNA-basierten Ansatzes haben wir vor kurzem eine optimierte, Integration-freie Strategie berichtet, die induziert Pluripotenz in menschlichen primäre Fibroblasten mit einer hohen Erfolgsquote und nutzt beide veränderten mRNAs codieren Reprogrammierung Faktoren und Reife MiRNA-367/302 imitiert8. In unserer Methode umfasst die Neuprogrammierung modifizierte mRNA cocktail eine modifizierte Version des OCT4 mit MyoD werden Domäne (genannt M3O)9 und fünf andere Neuprogrammierung Faktoren (SOX2, KLF4 cMYC, LIN28A und NANOG) verschmolzen. Kombiniert die modifizierte mRNA Kodierung der Pluripotenz Faktoren mit der MiRNA schien imitiert einen synergistischen Effekt auf Effizienz in diesem Protokoll Umprogrammierung zu haben. Weitere Optimierungen der RNA Transfektion Regime cell seeding und Kultivierung Bedingungen waren auch nötig, um die Neuprogrammierung Effizienzsteigerung des Ansatzes für eine ultra-high Level8.
Im Gegensatz zu vielen anderen Protokollen erfordert unserer Neuprogrammierung Ansatz in der Regel nur ein paar tausend Eingabe Fibroblasten. Darüber hinaus beinhalten viele gemeinsame nicht-Integration von Strategien mit episomal Plasmide, Sendai-Virus oder selbstreplizierende RNA umfangreiche Passagierung um die Neuprogrammierung Vektor in generierten iPSCs verdünnen. Andererseits veränderte mRNA und Reife MiRNA Mimik haben eine kurze Halbwertszeit und sind schnell aus Zellen eliminiert. Zusammengenommen ist die Menge an kumulative Zelle Kulturzeit zwischen Verwertungsgesellschaften Patientenproben und die Generierung von nutzbaren iPSCs minimal in diesem Ansatz, Mutation Akkumulation im resultierenden iPSCs effektiv zu begrenzen und Wirtschaftlichkeit steigern.
Hier präsentieren wir Ihnen die ausführliche Schritt für Schritt Protokoll zur Erreichung Hocheffizienz Reprogrammierung von Erwachsenen menschlichen Fibroblasten in iPSCs mit unseren kombinatorische modifizierte mRNA/MiRNA-basierten Ansatz8. Diese RNA-basierten Neuprogrammierung Protokoll bietet eine robuste, einfache und kostengünstige Methode zur Erzeugung von Integration-freie iPSCs für klinische Anwendungen in Forschung und Potenzial. Darüber hinaus gilt es für die Reprogrammierung von eine Vielzahl von Fibroblasten Linien schwer zu programmieren, krankheitsassoziierten, einschließlich Alter und alternde Fibroblasten. Abbildung 1zeigt eine schematische Darstellung des Protokolls für eine Anpassung der menschliche Fibroblasten. Das Protokoll beschreibt insbesondere ein Verfahren zur Reprogrammierung drei Brunnen von menschlichen Erwachsenen primäre Fibroblasten in einer 6-Well-Format-Platte. Zwei Brunnen liefern in der Regel eine ausreichende Anzahl von qualitativ hochwertigen iPSC Kolonien. In vielen Fällen einzige nun notwendig ist, und die dritte gut einsetzbar für die Analyse der Neuprogrammierung Effizienz. Bei Bedarf kann die Anzahl der Vertiefungen hochskaliert.
Dieses Protokoll beschreibt eine klinisch relevante, nicht-Integration, RNA-basierten Methode, die für die Reprogrammierung von normalen und krankheitsassoziierten menschlichen Fibroblasten Linien in iPSCs auf einen extrem hohen Wirkungsgrad ermöglicht. Bis heute hat jeder menschlichen Fibroblasten-Linie, die wir versucht haben, mit dem beschriebenen Protokoll reprogram eine ausreichende Anzahl von qualitativ hochwertigen iPSCs für downstream-Anwendungen ergeben. Daraus resultierende iPSCs kann sofort übertragen und im Feeder-freie Kulturbedingungen erweitert werden.
Qualität der Fibroblasten für Re-Programmierung:
Reprogrammierung Erfolg hängt stark von der Qualität der Fibroblasten ab. Im Idealfall sollte mit der niedrigsten Stelle Fibroblasten zur Verfügung, um höchste Effizienz zu erreichen Umprogrammierung begonnen werden. Reprogrammierung Effizienz ist am besten mit Fibroblasten Passage 2 – 4. Umprogrammierung kann noch mit hoch-Passage (Durchgang 5 – 8), auch alternde Fibroblasten, allerdings mit einem reduzierten Wirkungsgrad arbeiten. Manchmal niedrig-Passage Fibroblasten sind nicht verfügbar oder Patientenproben haben eine genetische Mutation, die gesundes Wachstum verhindert. In diesem Fall möglicherweise Optimierung der ersten Beschichtung Dichte erforderlich. Die Umprogrammierung der kompromittierten Fibroblasten Linien ist in der Regel verbunden mit erhöhten Zelltod während RNA Transfektionen. Infolgedessen erscheint die Zellen in der Umprogrammierung auch von 10 – 14 Tagen der Umprogrammierung zu spärlich. Azelluläre Großflächen werden auch in der gut sichtbar sein. Wenn dies der Fall ist, müssen die Neuprogrammierung Protokoll neu initiierten mit eine höhere anfängliche Anfangszahl von Fibroblasten werden. Plattieren 3.000 Eingabezellen pro Bohrloch einer Schüssel 6-Well-Format arbeitet konsequent für die meisten Erwachsenen Fibroblasten-Linien. Jedoch kann die Beschichtung Zahl auf 5.000 – 10.000 (50.000 für alternde Linien) helfen um zu verbessern Reprogrammierung von krankheitsassoziierten Proben, wie in unserer vorherigen Veröffentlichung8berichtet wurde. Umgekehrt können auch Zellen erreichen Konfluenz zu früh Umprogrammierung sein. Wenn Zellen Transfektionen mit Umprogrammierung RNAs zu schnell vermehren (wie manchmal der Fall mit primären neonatale Fibroblasten), initiieren Neuprogrammierung mit 500 Fibroblasten pro Bohrloch eines 6-Well-Format Gericht8.
Handhabung des Puffers Transfektion:
Der pH-Wert des Puffers Transfektion (reduzierte Serum Medium angepasst, um den pH-Wert von 8,2) ist ausschlaggebend für die optimale Transfektion Wirkungsgrade, die hierfür erforderlichen Umprogrammierung Protokoll zu erreichen. Aus diesem Grund sind einige Vorsichtsmaßnahmen für den Umgang mit der Transfektion Puffer empfohlen. Wir haben festgestellt, dass auch kurze Exposition des Puffers Transfektion, atmosphärische Luft wirkt sich den pH-Wert des Puffers. Die Transfektion Puffer sollte regelmÄÑig in einen Schraubverschluss Behälter mit minimalen Luftraum daher (wir verwenden entweder 5 oder 15 mL Schraubverschluss konischen Rohren). Um weitere Luft minimieren, nutzen Sie jede Transfektion Puffer aliquoten für maximal zwei Transfektionen. Schließlich seit Temperatur Auswirkungen pH-Wert ist es wichtig, dass die Transfektion Puffer auf RT für die Montage der Transfektion komplexe equilibriert ist. Es wird empfohlen, nicht die Transfektion Puffer auf 37 ° c warm
Passagierung der iPSCs:
Während viele Protokolle empfehlen Kommissionierung individuelle iPSC Kolonien am Ende der Neuprogrammierung zuvor veröffentlicht, dies kann schwierig sein zu erreichen, wenn die Effizienz der Neuprogrammierung sehr hoch ist oder wenn die Kolonien zusammen, cluster, wie oft der Fall in unserer Protokoll. Daher, wenn iPSC Kolonien in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, empfehlen wir, zuerst die Zellen umprogrammiert iPSCs verteilt, bevor manuell aufnehmen Kolonien Passagierung. Es gibt mehrere Vorteile bei diesem ersten Durchgang Schritt. Breitet sich die Kolonien gibt ihnen mehr Platz zum wachsen, mit viel größeren Kolonien für die Kommissionierung als sonst in den ursprünglichen Brunnen erreicht werden konnte. Dies verbessert die Erfolgsquote bei der Errichtung einer iPSC-Linie aus einem ausgewählten Klon. Wir finden auch, dass die zusätzliche Kulturzeit mit Fibroblasten, wenn auch mit einer verdünnten Verhältnis scheint die durchschnittliche Verbesserung der gepflückten iPSC Kolonien. Unvollständig umprogrammierten Fibroblasten vorsehen stützenden parakrine Faktoren, die nach wie vor die iPSCs zu etablieren und den direkten Übergang in den Feeder-freie Zelle Kulturbedingungen zu lindern zu helfen. Fibroblasten haben zufällig einen selektives Wachstum Nachteil im Vergleich zu iPSCs wenn in mTeSR1 kultiviert. Daher wird die kontaminierenden Fibroblasten-Zell-Population schnell zu vernachlässigbaren Mengen innerhalb von 3 – 4 Passagen verdünnt.
ROCK-Hemmer wie Y-27632 werden häufig für routinemäßige Kultur der menschlichen iPSCs eingesetzt. Wir haben festgestellt, dass häufige und/oder längere Kultur einiger iPSC-Zeilen mit Y-27632 kann schädliche Auswirkungen auf die Gesamtqualität. Wenn ein Büschel Passagierung Methode verwenden, ist z. B. mit EDTA, Y-27632 nicht notwendig, nach der Trennung iPSC Lebensfähigkeit zu erhalten. Wir haben ergänzende Medien mit Y-27632 für alle iPSC Isolierung, Erweiterung oder Routine Kultur vollständig beseitigt.
Protokoll-Einschränkungen:
Eine Einschränkung der beschriebenen RNA-basierten Neuprogrammierung Ansatz ist die anfänglichen Kosten und Komplexität im Zusammenhang mit der Ausarbeitung der Neuprogrammierung Reagenzien. Obwohl vorbereitenden Verfahren um mRNA zu generieren, Reagenzien sind alle Routine und wurden bisher (PCR, in-vitro- Transkription, DNase-Behandlung, Deckelung, Dephosphorylation, Reinigung) beschrieben, ist kumulativ die Produktion von mRNA Reagenzien ein relativ langwieriger und nicht-trivialen Prozess. Die andere große Herausforderung dieses Protokolls ist die Notwendigkeit, alle 48 h, Erhöhung der Arbeitsintensität des Protokolls Neuprogrammierung Zellen zu transfizieren. Diese Überlegungen möglicherweise unerschwinglich, wenn Reprogrammierung von nur wenigen Patientenproben gewünscht wird. Wenn der vorrangig zu berücksichtigen die Erzeugung von klinisch relevanten iPSCs oder Neuprogrammierung sehr hohen Wirkungsgrad zu erreichen ist, ist die beschriebene RNA-basierten Neuprogrammierung Vorgehensweise jedoch ideal.
Zusammenfassend lässt sich sagen hängt die beschriebene Hocheffizienz RNA-basierten Neuprogrammierung Methode Effizienz optimierte Transfektion der somatischen Zelle Art neu programmiert werden, wie in unserer vorherigen Veröffentlichung8beschrieben. Die RNA Transfektion Protokoll in dieser Studie vorgestellt ist hoch für menschliche primäre Fibroblasten abgestimmt aber möglicherweise auf andere Zelltypen zur Verbesserung der Neuprogrammierung Effizienz verschiedener somatischer Zellen zugeschnitten werden kann.
The authors have nothing to disclose.
Wir sind dankbar für finanzielle Unterstützung von den National Institutes of Health (T32AR007411-33) und der University of Colorado Haut Krankheiten Kern Forschungszentrum (P30AR057212). Wir danken auch der Epidermolysis Bullosa (EB) Research Partnership, EB Medical Research Foundation, Heilung EB Charity, dystrophischen Epidermolysis Bullosa Research Association (DEBRA) International, König-Baudouin-Stiftung Vlinderkindje Fonds und Tore Grenzen-Fonds.
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. |