本手稿描述了一个两步方案,通过游离体重编程为人诱导的多能干细胞 (hiPSC) 并随后分化为足细胞 ,从 真皮成纤维细胞生成患者特异性足细胞。
足细胞是位于肾小球滤过屏障泌尿部位的上皮细胞,有助于肾小球的选择性过滤功能。足细胞特异性基因突变可引起局灶节段性肾小球硬化症 (FSGS),足细胞也受许多其他原发性和继发性肾病的影响。由于其差异化性质,原代细胞培养模型对足细胞的限制。因此,通常使用有条件的永生化细胞。然而,这些有条件永生化的足细胞(ciPodocytes)有几个局限性:细胞可以在培养中去分化,特别是当它们达到汇合时,并且几种足细胞特异性标志物要么只是轻微表达,要么根本不表达。这使得ciPodocytes的使用及其在生理,病理生理和临床范围内的适用性受到质疑。在这里,我们描述了一种通过皮肤穿刺活检产生人足细胞(包括患者特异性足细胞)的方案,方法是将真皮成纤维细胞游离体重编程为 hiPSC,随后分化为足细胞。这些足细胞在形态特征方面与 体内 足细胞相似得多,例如足突的发育和足细胞特异性标志物的表达。最后,但重要的是,这些细胞维持患者的突变,从而改进了 离体 模型,以个体化方法研究足细胞疾病和潜在的治疗物质。
足细胞是专门的有丝分裂后肾上皮细胞,与肾小球基底膜 (GBM)、肾小球内皮细胞和糖萼一起形成肾脏的肾小球滤过屏障。表型上,足细胞由细胞体和原代微管驱动的膜延伸以及称为足突的次级延伸组成1,2。从血液中过滤尿液的肾小球滤过屏障由开窗内皮、GBM 和连接邻近足细胞足突的特殊类型的细胞间连接构成,称为足细胞裂缝隔膜3。在健康条件下,比白蛋白大的蛋白质由于其大小和电荷而从过滤屏障中保留下来4。
已知细胞骨架或足细胞特异性基因突变以及影响足细胞信号通路的循环因子可诱导足细胞消失、脱离或凋亡,导致蛋白尿和肾小球硬化。特别是,细胞骨架重排、足细胞极性变化或足突损伤以及相关的狭缝连接缺失是关键因素5.由于其终末分化状态,足细胞在GBM脱离后几乎无法更换。然而,如果足细胞附着在GBM上,它们仍然可以从消失中恢复并改革叉指间足突6,7,8。进一步了解导致各种肾小球疾病中足细胞损伤的事件可能提供新的治疗靶点,有助于开发这些疾病的治疗方法。足细胞损伤是不同肾小球疾病的标志,包括局灶节段性肾小球硬化症(FSGS)、糖尿病肾病、微小病变疾病和膜性肾小球肾病,需要可靠的足细胞离体模型来研究这些疾病的病理机制和潜在的治疗方法9,10。足细胞可以通过基于通过差异筛分离肾小球的经典原代细胞培养离体研究11。然而,由于终末分化状态和有限的增殖能力,大多数研究人员使用表达SV40大T抗原的温度敏感变体的小鼠或人类ciPodocyte细胞系。或者,从携带SV40标签永生化基因1,12的转基因小鼠中分离出ciPodocys。
CiPodocys在33°C增殖,但在37°C进入生长停滞并开始分化13,14。必须记住,用这些细胞获得的实验数据应该谨慎地解释,因为这些细胞是使用非自然基因插入产生的15。由于这些细胞含有永生基因,细胞生理学由于持续的增殖而改变12。这种方法产生的足细胞系最近受到质疑,因为与肾小球表达相比,小鼠、人和大鼠的细胞在蛋白质水平上表达不到5%的突触足素和肾单位,在mRNA水平上表达NPHS1和NPHS216。此外,大多数足细胞系不表达肾单位17,18。Chittiprol等人还描述了ciPodocytes16中细胞运动和对嘌呤霉素和多柔比星的反应的显着差异。在不同的肾小球疾病中,从GBM分离后可以在尿液中发现足细胞19,20,21,22。活的尿足细胞可以在体外培养长达2-3周,但大多数细胞经历细胞凋亡23,24。有趣的是,足细胞不仅存在于肾小球疾病患者的尿液中,还存在于健康受试者的尿液中,最有可能的是当它们再次衰老时,在培养物中复制的潜力有限24。此外,泌尿源足细胞数量有限,细胞在培养中去分化,足突减少,形态改变,最重要的是增殖能力有限。足细胞特异性基因的表达不存在,在几周内消失,或者在这些细胞克隆之间发生变化。一些足细胞特异性标志物阳性的细胞共表达肾小管上皮细胞或肌成纤维细胞和系膜细胞的标志物,这表明培养的尿足细胞去分化和/或转分化24,25。
最近,通过用热敏SV40大T抗原和hTERT转导从患者和健康志愿者的尿液中衍生的ciPodocyte细胞系的产生已被报道26。检测到突触足素、巢蛋白和CD2相关蛋白的mRNA表达,但所有克隆中均不存在podocin mRNA。除了尿足细胞的问题外,这些细胞还含有插入的永生化基因,导致上述缺点。
相比之下,人类诱导多能干细胞(hiPSC)具有巨大的自我更新能力,并在适当的条件下分化成多种细胞类型。之前已经证明,hiPSCs可以作为足细胞的几乎无限的来源27,28。
这里描述了一个两步方案,用于从皮肤穿刺活检的真皮成纤维细胞中生成患者特异性足细胞,随后将游离体重编程为 hiPSC,并最终分化为 hiPSC 来源的足细胞(图 1)。
图 1:生成患者特异性 hiPSC 来源足细胞的方案。 通过重编程为 hiPSC 并分化为足细胞,从皮肤活检的真皮成纤维细胞生成患者特异性足细胞的方案的图形概述。 请点击此处查看此图的大图。
作为第一步,体细胞真皮成纤维细胞从皮肤穿刺活检中脱落,并通过电穿孔与表达转录因子OCT3/4、KLF4、SOX2和c-MYC29,30,31的质粒电穿孔,使用无整合方法重编程为hiPSC。随后选择并扩增了产生的hiPSC菌落。分化始于通过激活WNT信号通路诱导中胚层谱系,然后产生仍然能够增殖的肾单位祖细胞。最后,将细胞分化为足细胞。在这个过程中,我们修改并结合了以前发表的由Bang等人32和Okita等人33发表的用于产生hiPSCs的游离体重编程方案,以及Musah等人将hiPSC分化为足细胞的方案28,34,35。
事实上,我们的方案产生的足细胞具有更接近 体内足细胞的表型,关于初级和次级足突的独特网络的发展以及足细胞特异性标志物(如突触、足素和肾素)的表达。通过使用hiPSC来源的足细胞,患者的遗传背景在重编程和分化过程中得以维持。这使得患者特异性足细胞疾病建模和体 外 发现几乎无限细胞数量的潜在治疗物质成为可能。此外,该协议是微创的,具有成本效益的,在道德上可以接受的,并且可以促进药物开发的新途径。
这种基于细胞培养的方案将人真皮成纤维细胞的游离体重编程结合成患者特异性的hiPSC,随后分化为hiPSC衍生的足细胞。这使我们能够研究遗传性肾小球疾病患者关于足细胞损伤的足细胞突变相关改变。通过电穿孔用无整合方法重新编程真皮成纤维细胞的方案改编自Bang等人32和Okita等人33的已发表工作。区分足细胞和hiPSC的方案改编自Musah等人发表的方案28,34,35。已经有出版物描述了从hiPSCs产生足细胞27,34,35。然而,这里提供的方案在将hiPSC分化为足细胞方面是优化的,并且成本更低。与Musah等人发表的方案相比,我们在不同的包衣试剂上测试了该方案,如玻连蛋白,层粘连蛋白丝-511和可溶的基底膜基质。玻连蛋白和层粘连蛋白丝-511的浓度可以降低到2.5μg/mL,而不是5μg/mL28,34,35。此外,可以将BMP7和激活素A-两种非常昂贵的生长因子的浓度降低50%,从100 ng / mL降低到50 ng / mL。
这使得差异化成本更低。从第7天开始,肾单位祖细胞仍在增殖,并且之前显示了冷冻的可能性。我们在解冻后和最终分化之前在含有Dulbecco修饰的Eagle培养基(DMEM)和B27的碱性培养基中扩增了这些细胞数天,进一步降低了成本。除了分化步骤外,该协议还描述了皮肤活检中成纤维细胞的生长,随后通过游离体重编程 产生 患者特异性hiPSC。这两种方法的结合能够产生患者特异性足细胞。因此,这里提供了一个完整的分步方案来生成患者特异性hiPSC来源的足细胞,这是以前没有详细描述过的。
由于整个实验方案包括几种不同的细胞类型,因此在不同步骤中表征生成的细胞类型至关重要。细胞培养时间较长,因此应在不同的传代中进行质量控制。在使用hiPSC时,日常喂养以及细胞行为和形态监测是必要的。分化培养基的无菌性必须通过0.2μm过滤器进行过滤灭菌来确保。从皮肤活检到hiPSC衍生的足细胞的整个方案需要几个月的时间,但可以在该过程的不同阶段冷冻细胞。成纤维细胞、选定的hiPSC克隆和增殖性肾单位祖细胞在肾单位祖细胞分化培养基中7天后可以冷冻,并且可以生成工作细胞库。
尽管hiPSC衍生的健康足细胞发展出独特的原发性和继发性足突网络(图5A,B)并表达典型的足细胞特异性标志物(图6A-C),但在经典的二维细胞培养模型中很难模仿体内可见的特征狭缝隔膜。此外,在这种单一培养环境中,不可能与其他肾小球细胞类型进行细胞间交流。
由于足细胞的终末分化状态和缺乏增殖能力,很难 体外研究足细胞。在有条件地永生化原代足细胞的帮助下,可以通过插入热敏开关来克服这一限制,从而产生细胞培养模型,其中细胞在33°C增殖并在37°C分化13,14。尽管这些外翻细胞在足细胞研究方面具有很高的潜力,但也存在局限性,例如缺乏标志物表达、去分化形态和无法形成足突15,16。
足细胞与患者来源的体细胞的分化能够产生患病足细胞并将其与健康对照细胞离 体进行比较。这使我们能够研究由于足细胞特异性基因突变引起的足细胞损伤。此外,使用hiPSCs有可能创建三维细胞培养疾病模型,或者更确切地说是类器官43,44。hiPSC来源的足细胞与其他肾小球细胞(如肾小球内皮细胞或系膜细胞)共培养可能会为健康和肾小球疾病中的细胞间通讯带来新的见解。
此外,患者特异性足细胞的表征和治疗可以在高通量分析中进行 离体 。个体化方法为研究特定突变的新治疗靶点和在未来进行个体化医疗提供了机会。
The authors have nothing to disclose.
这项工作由埃尔朗根-纽伦堡弗里德里希-亚历山大大学跨学科临床研究中心(IZKF)资助,授权号为M4-IZKF-F009,授予Janina Müller-Deile,由联邦电影和研究部(BMBF)资助,项目名称为STOP-FSGS-Speed Translation-Oriented Progress to Treat FSGS,授权号01GM2202D授予Janina Müller-Deile。我们感谢Annalena Kraus在拍摄SEM图像方面的支持。
0.2 µm sterile filter | Rotilab | P668.1 | for sterilization of differentiation medium |
all-trans retinoic acid | Stem Cell Technologies | 72262 | supplement for differentiation |
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Y-27632 dihydrochloride (10 mg) | Tocris | 1254 | to avoid apoptosis of hiPSCs during splitting |
Primary antibodies | |||
OCT4 | Stem Cell Technologies | 60093.1 | pluripotency marker, dilution 1:200 |
SSEA-4 | Stem Cell Technologies | 60062FI.1 | pluripotency marker, dilution 1:100 |
Ki67 | Abcam | ab15580 | proliferation marker, dilution 1:300 |
synaptopodin | Proteintech | 21064-1-AP | podocyte-specific marker, dilution 1:200 |
nephrin | Progen | GP-N2 | podocyte-specific marker, dilution 1:25 |
podocin | proteintech | 20384-1-AP | podocyte-specific marker, dilution 1:100 |
Secondary antibodies | |||
goat anti-Guinea Pig IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 555 | Invitrogen | A21435 | secondary anditbody, dilution 1:1000 |
alexa Fluor 647 Goat Anti-Rabbit SFX Kit, highly cross-adsorbed | Invitrogen | A31634 | secondary anditbody, dilution 1:1000 |
donkey anti-Rabbit IgG (H+L) Highly Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A21206 | secondary anditbody, dilution 1:1000 |
goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 555 | Invitrogen | A21422 | secondary anditbody, dilution 1:1000 |
goat anti-Mouse IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 488 | Invitrogen | A11001 | secondary anditbody, dilution 1:1000 |