Aqui nós descrevemos um método clinicamente relevante, alta eficiência, livre de alimentador para reprogramar fibroblastos humanos primários em células-tronco pluripotentes induzidas usando modificados mRNAs codificação fatores reprogramação e imita o microRNA madura-367/302. Também está incluídos métodos para avaliar a eficiência de reprogramação, expanda iPSC clonal colônias e confirmar a expressão do marcador pluripotência TRA-1-60.
Células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) têm provado para ser uma ferramenta valiosa para estudar a doença e desenvolvimento humano. Mais avançando iPSCs como uma regeneração terapêutica requer um seguro, robusto e o expediente protocolo reprogramação. Aqui, apresentamos um protocolo clinicamente relevante, passo a passo para a reprogramação de fibroblastos dérmicos humanos extremamente alta eficiência em iPSCs usando uma abordagem não-integração. O núcleo do protocolo consiste em expressar fatores pluripotência (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A, NANOG, fusão de OCT4-MyoD) em vitro mensageiro transcrito RNAs sintetizados com modificado nucleotídeos (mRNAs modificados). Os reprogramação mRNAs modificados são transfectados em fibroblastos primários cada 48h juntamente com madura imita de microRNA-367/302 específicas de células-tronco embrionárias por duas semanas. As colônias de iPSC resultante podem ser isoladas e expandiu-se diretamente no alimentador-livre de condições. Para maximizar a eficiência e consistência do nosso protocolo de reprogramação através de amostras de fibroblasto, otimizamos a vários parâmetros, incluindo o regime de Transfeccao de RNA, sincronismo de transfections, as condições de cultura e densidades de semeadura. Importante, nosso método gera alta qualidade iPSCs da maioria das fontes de fibroblasto, incluindo amostras de doentes, envelhecidas, e/ou senescentes difícil-para-reprogramar.
Reprogramação de células somáticas em células-tronco pluripotentes induzidas (iPSCs) exige expressão estendida de um conjunto de factores de transcrição que são importantes na manutenção da pluripotência1,2. Ao produzir iPSCs para aplicações clínicas, é essencial que a carga mutacional nas células de entrada é minimizada durante o processamento e a eficiência da geração de iPSC é mantida a um nível relativamente elevado em amostras de pacientes. No entanto, a maioria dos métodos, incluindo protocolos de integração-livres, de reprogramação sofre muito baixas eficiências de reprogramação, qual utilidade clínica do limite dessas abordagens3. A baixa eficiência de reprogramação também pode promover a reprogramação selectiva de células com mutações preexistentes, aumentando a carga mutacional em iPSCs resultante. Além disso, todos os métodos reprogramação baseado em DNA, tais como lentivirus e epissomal-abordagens, sofrem com a preocupação de segurança que DNA aleatoriamente pode integrar o genoma e criar a oportunidade para mutagênese insercional prejudicial e indesejadas ( potencialmente oncogênicos) expressão de genes de pluripotência em tecido a jusante derivados4.
Uma abordagem promissora para alcançar a indução eficiente de pluripotência em células somáticas e reduzir a carga mutacional em iPSCs resultante é usar sintéticos tampados mensageiro RNAs contendo modificado nucleobases (mRNAs modificados) para reprogramação5. A eficiência de modificados mRNA abordagens reprogramação pode ainda ser reforçada pela adição de células-tronco embrionárias (ESC)-específico microRNAs (miRNAs)-367/302s3, que têm sido mostrados para reprogramar células somáticas com maior eficiência6 ,7. No entanto, mesmo com a adição dos miRNAs-367/302, a abordagem de reprogramação baseada em mRNA modificada frequentemente falha durante a aplicação de células recém isoladas de pacientes3. Inconsistências de endereço desta abordagem baseada em mRNA modificados, informamos recentemente uma estratégia otimizada, livre de integração que induz a pluripotência em fibroblastos humanos primários, com uma elevada taxa de sucesso e utiliza ambos os mRNAs modificados codificação reprogramação de fatores e maduro miRNA-367/302 imita8. Em nosso método, o mRNA modificados reprogramação coquetel inclui uma versão modificada do OCT4 fundido com o MyoD transactivation domínio (chamado M3O)9 e cinco outros fatores reprogramação (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A e NANOG). Combinando o mRNA modificados codificação os pluripotência fatores com a miRNA imita parecia ter um efeito sinérgico na reprogramação eficiências no presente protocolo. Otimizações adicionais do regime de Transfeccao de RNA, cela semeadura, e as condições de cultivo também eram necessárias para aumentar a eficiência de reprogramação da abordagem para um altíssimo nível8.
Ao contrário de muitos outros protocolos, nossa abordagem reprogramação normalmente requer apenas alguns milhares de fibroblastos entrados. Além disso, muitos não-integração de estratégias comuns usando epissomal plasmídeos, vírus Sendai, ou RNA auto-replicante envolvem passagem extensa para diluir o vetor de reprogramação em iPSCs gerado. Inversamente, mRNA modificados e imita miRNA maduro tem uma meia-vida curta e é rapidamente eliminadas das células. Tomados em conjunto, a quantidade de tempo de cultura celular cumulativa entre coleta de amostras de pacientes e a geração de iPSCs utilizável é mínima nesta abordagem, efetivamente limitar a acumulação de mutações em iPSCs resultante e melhorar a relação custo-eficácia.
Aqui, apresentamos o protocolo detalhado passo a passo para atingir alta eficiência reprogramação de fibroblastos humanos adultos em iPSCs usando nosso combinatória modificados mRNA/miRNA-abordagem8. Este protocolo de reprogramação RNA-based fornece um método simples, econômico e robusto para a geração de iPSCs livre de integração para pesquisa e potencial de aplicações clínicas. Além disso, é aplicável para a reprogramação de uma variedade de linhas de fibroblasto incluindo difícil-para-reprogramar, doença associada, fibroblasto envelhecido e senescente. Um esquema do protocolo para reprogramação de fibroblastos humanos é mostrado na Figura 1. O protocolo especificamente descreve um método para reprogramação três poços de fibroblastos humanos de adultos primários em um prato de formato 6-poços. Dois poços normalmente produzem um número suficiente de colônias de iPSC de alta qualidade. Em muitos casos, único bem é necessário, e o terceiro também pode ser usado para análise de eficiência de reprogramação. Se necessário, o número de poços pode ser ampliado.
Este protocolo descreve um método clinicamente relevante, não-integração, RNA-baseado que permite a reprogramação das linhas de fibroblasto humano normal e doenças associadas em iPSCs com uma altíssima eficiência. Até à data, cada linha de fibroblastos humanos que tentamos reprogramar com o protocolo descrito produziu um número satisfatório de iPSCs de alta qualidade para aplicações a jusante. IPSCs resultante pode ser imediatamente transferidos e expandiu-se em condições de cultura livre do alimentador.
Qualidade de fibroblastos para recodificá-lo:
Reprogramação de sucesso depende fortemente da qualidade dos fibroblastos a começar. Idealmente, a reprogramação deve ser iniciado com os menores fibroblastos de passagem disponíveis para alcançar a máxima eficiência. Reprogramação de eficiência é melhor com fibroblastos de passagem 2 – 4. Reprogramação ainda pode trabalhar com alta-passagem (passagem 5 – 8), fibroblastos senescentes mesmo, embora com uma eficiência reduzida. Às vezes baixo-passagem fibroblastos são indisponíveis ou amostras de pacientes têm uma mutação genética que impede o crescimento saudável. Neste caso, otimização da densidade inicial de chapeamento pode ser necessária. A reprogramação das linhas de fibroblasto comprometido é geralmente associada com morte celular aumentada durante transfections de RNA. Como resultado, as células a reprogramação bem parecerá ser esparsos pelos dias 10 – 14 de reprogramação. Grandes áreas acelulares também estarão visíveis no poço. Se este for o caso, o protocolo de reprogramação precisará ser re-iniciado com um maior número de partida inicial de fibroblastos. Chapeamento de 3.000 entradas células por poço de um prato de formato 6-poços trabalha consistentemente para linhas de fibroblasto mais adultas. No entanto, o aumento do número de chapeamento de 5.000-10.000 (50.000 para linhas senescentes) pode ajudar a melhorar a reprogramação de amostras de doenças associadas, como foi noticiado em nosso anterior publicação8. Por outro lado, células atingindo confluência muito cedo também podem ser resistentes a reprogramação. Se as células em fase transfections com reprogramação RNAs se proliferam muito rapidamente (como acontece às vezes com fibroblastos neonatais primários), inicie a reprogramação com 500 fibroblastos por alvéolo de um prato de formato 6-poço8.
Manipulação do buffer do transfection:
O pH do buffer do transfection (reduzido-soro médio ajustado ao pH de 8,2) é fundamental para alcançar as eficiências de transfeccao ideal exigidas para este protocolo de reprogramação. Por esse motivo, são recomendadas várias precauções sobre a manipulação do buffer do transfection. Nós achamos que mesmo curta exposição do buffer de Transfeccao para ar atmosférico afeta o pH do buffer. Portanto, o buffer de transfeccao deve ser aliquotado para um recipiente de tampa de rosca com espaço mínimo de ar (usamos 5 ou 15 mL tampa de rosca cônica tubos). Para minimizar a exposição de ar ainda mais, use cada buffer de transfeccao alíquota para um máximo de dois transfections. Por último, desde pH de impactos de temperatura, é fundamental que o buffer de transfeccao é incubado para RT para montagem dos complexos do transfection. É aconselhável não aquecer o buffer de Transfeccao para 37 ° C.
Passagem de iPSCs:
Enquanto muitos anteriormente publicado protocolos recomendam escolher colônias de iPSC individual no final da reprogramação, isto pode ser difícil de alcançar quando a eficiência de reprogramação é muito alta ou se as colônias de cluster juntos, como é frequentemente o caso no nosso protocolo. Portanto, se colônias de iPSC estão em estreita proximidade uns aos outros, recomendamos primeiro passagem as células para se espalharem reprogramadas iPSCs antes de escolher manualmente as colónias. Existem várias vantagens ao realizar esta etapa de passagem antecipada. Espalhando-se as colônias lhes dá mais espaço para crescer, produzindo colônias muito maiores para a colheita do que outra forma poderia ser alcançado na fonte original. Isso melhora consideravelmente a taxa de sucesso em estabelecer uma linha de iPSC de um clone escolhido. Encontramos, também, que o tempo adicional de cultura com fibroblastos, embora numa taxa diluída, aparece melhorar a qualidade média das colônias de iPSC escolhido. Os fibroblastos incompleta reprogramados podem fornecer apoio parácrina fatores, que continuam a ajudar a estabelecer as iPSCs e facilitar a transição direta em condições de cultura celular livre de alimentador. Fibroblastos fortuitamente tem uma desvantagem seletiva de crescimento em comparação com iPSCs quando cultivadas em mTeSR1. Portanto, a população de células fibroblasto contaminante rapidamente dilui-se quantidades insignificantes 3 – 4 passagens.
Inibidores ROCK como Y-27632 são frequentemente usados para cultura rotineira de iPSCs humana. Encontramos que cultura frequente e/ou estendida de algumas linhas de iPSC com Y-27632 podem ter efeitos deletérios sobre a qualidade global. Ao usar uma moita passagem método, tais como com EDTA, Y-27632 não é necessário para manter a viabilidade de iPSC após a divisão. Nós eliminamos completamente mídia completa com Y-27632 para todos os isolamento de iPSC, expansão ou cultura de rotina.
Limitações de protocolo:
Uma limitação para a abordagem de reprogramação descrita baseado em RNA é o custo inicial e a complexidade associada com a preparação dos reagentes reprogramação. Embora os procedimentos preparatórios para gerar mRNA reagentes são tudo rotina e tem sido anteriormente descrito (PCR, transcrição em vitro , tratamento de DNase, tampando, desfosforilação, purificação), cumulativamente, a produção de reagentes de mRNA é um processo relativamente longo e não-trivial. O outro grande desafio para este protocolo é a necessidade de transfect células cada 48h, aumentando a intensidade do trabalho do protocolo de reprogramação. Estas considerações podem ser proibitivas se a reprogramação de apenas algumas amostras de pacientes é desejada. No entanto, se a consideração principal é a geração de iPSCs clinicamente relevantes ou alcançar eficiência muito elevada de reprogramação, a abordagem de reprogramação descrita baseado em RNA é ideal.
Em resumo, o alta eficiência baseado em RNA reprogramação método descrito baseia-se na eficiência otimizada do transfection do tipo ser reprogramado, conforme descrito em nosso anterior publicação8células somáticas. O protocolo de Transfeccao de RNA apresentado neste estudo é altamente sintonizado para fibroblastos humanos primários, mas potencialmente pode ser adaptado para outros tipos de células para melhorar a eficiência de reprogramação de várias células somáticas.
The authors have nothing to disclose.
Estamos gratos por apoio financeiro de institutos nacionais de saúde (T32AR007411-33) e a Universidade do Colorado pele doenças núcleo centro de pesquisa (P30AR057212). Agradecemos também a parceria de pesquisa de Epidermólise bolhosa (EB), EB Medical Research Foundation, cura EB caridade, distrófica Epidermólise bolhosa Research Association (DEBRA) internacional, a Fundação Rei Balduíno Vlinderkindje fundo e portões Fundo de fronteiras.
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. |