Здесь мы описываем клинически значимых, высокая эффективность, фидер свободный метод перепрограммировать первичной фибробластов в индуцированных плюрипотентных стволовых клеток с использованием модифицированных mRNAs кодирования перепрограммирования факторы и имитирует Зрелые микроРНК-367/302. Также предоставляются методы для оценки эффективности перепрограммирования, разверните клоновых iPSC колоний и подтвердить выражения плюрипотентности маркера TRA-1-60.
Индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs) оказалась ценным инструментом для изучения человеческого развития и болезней. Дальнейшее продвижение iPSCs как рекуперативного терапевтических требует безопасной, надежной и целесообразно перепрограммирования протокол. Здесь мы представляем клинически значимых, шаг за шагом протокол для перепрограммирования чрезвычайно высокой эффективности фибробластов дермы в iPSCs с использованием не интеграции подход. Суть протокола состоит из выражения плюрипотентности факторов (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A, NANOG, фьюжн OCT4-мёд) от в vitro транскрибируется посланник РНК синтезируется с изменение нуклеотидов (изменение мРНК). Перепрограммирования модифицированных мРНК transfected в первичной фибробластов каждые 48 ч вместе со зрелыми эмбриональных стволовых клеток конкретных микроРНК-367/302 имитирует за две недели. В результате iPSC колонии можно затем изолированы и непосредственно расширена в фидер свободных условиях. Чтобы максимизировать эффективность и последовательность нашей перепрограммирования протокола через образцы фибробластов, мы оптимизировали различные параметры, включая режим трансфекции РНК, сроки transfections, культуры условий и плотности посева. Важно отметить, что наш метод генерирует высококачественные iPSCs из большинства источников фибробластов, включая образцы больных, престарелых и/или стареющей трудной прошить.
Перепрограммирование соматических клеток в индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (iPSCs) требует расширенного выражение основного набора транскрипционных факторов, которые имеют важное значение для поддержания плюрипотентности1,2. При производстве iPSCs для клинического применения, важно, что мутационного бремя в ячейки ввода сводится к минимуму во время обработки и эффективность iPSC поколения поддерживается на относительно высоком уровне через пациентов образцов. Однако большинство перепрограммирования методов, в том числе свободной интеграции протоколы, страдает от очень низких перепрограммирования эффективности, которой лимит клинической полезности этих подходов3. Низкая эффективность перепрограммирования могут также содействовать селективного перепрограммирования клетки, переноски существовавшие ранее мутации, увеличивая мутационного бремя в результате iPSCs. Кроме того все на основе ДНК перепрограммирования методы, такие как Лентивирусы и episomal-на основе подходов, страдают от безопасности опасения, что ДНК может случайно интегрироваться в геноме и создать возможность для вредных инсерционному мутагенезу и нежелательные ( потенциально онкогенных) выражение плюрипотентности генов в нижнем течении ткани производные4.
Перспективный подход к достижению эффективного индукция плюрипотентности в соматических клетках и мутационного бремени в результате iPSCs заключается в использовании синтетических ограничен messenger РНК содержащие изменение nucleobases (изменение мРНК) для перепрограммирования5. Эффективность модифицированных перепрограммирования подходов, основанных на мРНК можно повысить путем добавления эмбриональных стволовых клеток (ЭСК)-конкретных микроРНК (интерферирующим)-367/302s3, которые показали перепрограммировать соматические клетки с повышение эффективности6 ,7. Однако даже с добавлением интерферирующим-367/302s, модифицированных перепрограммирования подход, основанный на мРНК часто происходит сбой во время применения свежевыделенных клеток пациента3. Для устранения несоответствий это изменение подхода, основанного на мРНК мы недавно сообщили оптимизированный, интеграции, свободной стратегию, которая побуждает плюрипотентности в первичной фибробластов с высокий уровень успеха и использует оба измененных mRNAs кодирования Перепрограммирование факторы и зрелые Мирна-367/302 имитирует8. В нашем методе перепрограммирования модифицированных мРНК коктейль включает модифицированную версию OCT4 сливается с мёд transactivation домен (называемый М3O)9 и пять других перепрограммирования факторов (SOX2, KLF4, cMYC, LIN28A и NANOG). Сочетая модифицированных мРНК, кодирование плюрипотентности факторов с Мирна имитирует, как представляется, синергетический эффект на перепрограммирование эффективность в этом протоколе. Дополнительная оптимизация режима трансфекции РНК, мобильный посева, и культивирования условий необходимы также для увеличения перепрограммирования эффективности подхода к ультра-высокого уровня8.
В отличие от многих других протоколов наш перепрограммирования подход обычно требует лишь несколько тысяч входных фибробластов. Кроме того многие общие-интеграция стратегии с использованием episomal плазмид, Сэндай вирус, или самовоспроизводящихся РНК включают обширные пассированый разбавлять перепрограммирования вектор в созданном iPSCs. И наоборот изменение мРНК и зрелые Мирна имитирует имеют короткий период полураспада и быстро устраняются от клеток. Взятые вместе, количество накопительное клетки культуры времени между сбор пациентов образцов и поколения полезная iPSCs минимальна в этот подход, эффективно ограничивающие накопления мутаций в результате iPSCs и повышения эффективности затрат.
Здесь мы представляем подробные пошаговые протокол для достижения высокой эффективности перепрограммирование взрослых фибробластов в iPSCs, с помощью наших комбинаторные модифицированный подход, основанный на мРНК/Мирна8. Эта РНК-протокол на основе перепрограммирования обеспечивает простой, экономически эффективные и надежные метод для создания свободной интеграции iPSCs для исследования и потенциал клинических приложений. Кроме того это применимо к перепрограммированию разнообразные линии фибробластов, включая сложные к перепрограммировать, связанные с болезнью, возрасте и стареющей фибробластов. На рисунке 1показана схема протокола для перепрограммирования фибробластов. Протокол конкретно описывает метод для перепрограммирования три скважины взрослых первичной фибробластов в формате 6-ну пластине. Две скважины обычно дают достаточное количество колоний iPSC высокого качества. Во многих случаях только один также необходима, и третий также может использоваться для анализа эффективности перепрограммирования. При необходимости, количество скважин может быть расширена.
Этот протокол описывает клинически значимых, -интеграции, на основе РНК метод, который позволяет для перепрограммирования линий нормальной и болезней, связанных фибробластов человека в iPSCs в ультра-высокой эффективности. На сегодняшний день, каждая линия фибробластов человека, которую мы пытались прошить с описанной протоколом принесло удовлетворительное количество высокого качества iPSCs течению приложений. Полученный iPSCs немедленно могут передаваться и расширена в условиях свободной подачи культуры.
Качество фибробласты для перепрограммирования:
Перепрограммирование успех в значительной степени зависит качество начиная фибробластов. В идеале перепрограммирования следует начать с низкий проход фибробластов, для достижения максимальной эффективности. Перепрограммирование эффективность лучше с фибробластов прохода 2 – 4. Перепрограммирование может по-прежнему работать с высоким проход (проезд 5 – 8), даже стареющей фибробластов, хотя и с ограниченной эффективностью. Иногда низкий проход фибробластов недоступны или у пациентов образцов генетической мутации, которая предотвращает здорового роста. В этом случае может потребоваться оптимизация первоначального покрытия плотности. Перепрограммирование скомпрометировано фибробластов линий обычно ассоциируется с повышенной клеточной гибели во время transfections РНК. В результате клетки в перепрограммировании хорошо появится быть разреженными, 10 – 14 дней перепрограммирования. Большие площади бесклеточной также будут видны в колодец. Если это так, перепрограммирования протокол будет нужно быть повторно начатый с выше первоначального начальное количество фибробластов. Обшивка 3000 ячеек ввода на хорошо блюдо 6-ну формат работает последовательно для большинства взрослых фибробластов линий. Однако увеличение числа обшивки до 5000-10000 (50,000 для стареющей линий) может помочь улучшить перепрограммирования болезни связанные образцов, как уже сообщалось в нашей предыдущей публикации8. Наоборот клетки, достигнув confluency слишком рано может быть также устойчив к перепрограммированию. Если клетки проходят transfections с перепрограммирование RNAs размножаются слишком быстро (как это иногда бывает с первичной неонатальной фибробластов), инициировать, перепрограммирование с 500 фибробластов в хорошо 6-ну формат блюдо8.
Обработка по transfection буфера:
PH трансфекции буфера (сокращение сыворотке средний скорректирована с рН 8,2) имеет первостепенное значение для достижения оптимального трансфекции эффективность, необходимые для этого перепрограммирования протокол. По этой причине рекомендуется использовать несколько мер предосторожности относительно обработки трансфекции буфера. Мы обнаружили, что даже короткое воздействие буфера трансфекции атмосферного воздуха влияет на pH буфера. Таким образом transfection буфера должен быть aliquoted в контейнер колпачок с минимальным воздушным пространством (мы используем 5 или 15 мл колпачок конические трубы). Для дальнейшей минимизации воздействия воздуха, используйте каждый буфер трансфекции аликвота для максимум двух transfections. Наконец начиная с температуры воздействия рН, важно, что буфер трансфекции является достижение равновесного уровня для RT для Ассамблеи трансфекции комплексов. Он посоветовал не теплый трансфекции буфера до 37 ° C.
Пассированый из iPSCs:
Хотя многие ранее опубликованные протоколы рекомендуют сбор индивидуальных iPSC колоний в конце перепрограммирования, это может быть трудно добиться при очень высокой эффективности перепрограммирования или если колоний кластера вместе, как это часто бывает в нашей Протокол. Поэтому если iPSC колонии находятся в непосредственной близости друг к другу, мы рекомендуем сначала пассированый клетки разложить перепрограммировать iPSCs до вручную комплектации колоний. Существует несколько преимуществ для выполнения этого шага раннего проход. Разводя колонии дает им больше возможностей для роста, приносит гораздо больше колоний для комплектации, чем в противном случае может быть достигнуто в оригинальной хорошо. Это значительно повышает уровень успеха в создании iPSC линии от взял клон. Мы также считаем, что время дополнительные культуры фибробластов, хотя и в соотношении разбавленным, представляется улучшить среднее качество взял iPSC колоний. Неполно перепрограммировать фибробласты могут предоставлять поддержку паракринными факторов, которые продолжают помогать устанавливать iPSCs и облегчить прямой переход в условиях культуры фидер свободных клеток. Фибробласты случайно имеют недостаток селективный рост по сравнению с iPSCs когда культивировали в mTeSR1. Таким образом загрязняющих популяции клеток фиброцита быстро разбавляют до незначительное количество в течение 3 – 4 ходов.
РОК ингибиторы, такие как Y-27632 часто используются для повседневной культуры человека iPSCs. Мы нашли, что частые и/или расширенной культуры некоторых iPSC линий с Y-27632 может иметь пагубное влияние на общее качество. При использовании комок пассированый метод, таких как с ЭДТА, Y-27632 не является необходимым для поддержания жизнеспособности iPSC после разделения. Мы полностью исключили дополняя СМИ для всех iPSC изоляции, расширения или повседневной культуры с Y-27632.
Протокол ограничения:
Одно ограничение для перепрограммирования описан подход, основанный на РНК является первоначальной стоимости и сложности, связанные с подготовкой перепрограммирования реагентов. Хотя подготовительные процедуры для создания мРНК реагенты являются все обычные и были ранее описанных (ПЦР, в vitro транскрипция DNase, укупорка, дефосфорилирование, лечение очистки), совокупно производство мРНК реагентов является относительно длительный и нетривиальные процесс. Другой серьезной проблемой в этот протокол является необходимость transfect клетки каждые 48 ч, увеличивая интенсивность труда перепрограммирования протокола. Эти соображения могут быть непомерно высокими, если перепрограммирования лишь несколько образцов пациента. Однако если главным соображением является поколения клинически значимых iPSCs или очень высокой эффективности перепрограммирования, описанных перепрограммирования подход, основанный на РНК является идеальным.
В целом описанных высокой эффективности на базе РНК перепрограммирования метод зависит эффективность оптимизированного трансфекции соматической клетки типа чтобы перепрограммировать как описано в нашей предыдущей публикации8. Протокол transfection РНК, представленные в настоящем исследовании высоко настраивается для первичного фибробластов, но потенциально могут быть адаптированы для других типов клеток, повышения перепрограммирования эффективности различных соматических клеток.
The authors have nothing to disclose.
Мы признательны за финансовую поддержку от национальных институтов здравоохранения (T32AR007411-33) и центр основных исследований Университета Колорадо кожи заболеваний (P30AR057212). Мы также благодарим буллозного эпидермолиза (EB) исследования партнерства, EB медицинский исследовательский фонд, Cure EB благотворительности, дистрофические буллозного эпидермолиза исследований ассоциации (Дебра) Международная, Фонд короля Бодуина Vlinderkindje фонд и ворота Фонд границ.
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. |