Embriyonik Kök Hücreleri Kardiyak Progenitör Hücrelerinin türetilmesi
Summary
In this protocol, derivation of cardiac progenitor cells from both mouse and human embryonic stem cells will be illustrated. A major strategy in this protocol is to enrich cardiac progenitor cells with flow cytometry using fluorescent reporters engineered into the embryonic stem cell lines.
Abstract
Cardiac progenitor cells (CPCs) have the capacity to differentiate into cardiomyocytes, smooth muscle cells (SMC), and endothelial cells and hold great promise in cell therapy against heart disease. Among various methods to isolate CPCs, differentiation of embryonic stem cell (ESC) into CPCs attracts great attention in the field since ESCs can provide unlimited cell source. As a result, numerous strategies have been developed to derive CPCs from ESCs. In this protocol, differentiation and purification of embryonic CPCs from both mouse and human ESCs is described. Due to the difficulty of using cell surface markers to isolate embryonic CPCs, ESCs are engineered with fluorescent reporters activated by CPC-specific cre recombinase expression. Thus, CPCs can be enriched by fluorescence-activated cell sorting (FACS). This protocol illustrates procedures to form embryoid bodies (EBs) from ESCs for CPC specification and enrichment. The isolated CPCs can be subsequently cultured for cardiac lineage differentiation and other biological assays. This protocol is optimized for robust and efficient derivation of CPCs from both mouse and human ESCs.
Introduction
Kalp hastalığı dünyanın önde gelen nedeni, bugün kalır ve ölüm oranları son iki yılda (Amerikan Kalp Derneği) hemen hemen değişmeden kalmıştır. Etkili bir şekilde engellemek veya kalp yetmezliği ters yeni tedavi stratejilerinin geliştirilmesi için önemli bir ihtiyaç vardır. Bir umut verici bir strateji kök hücre biyolojisi 1 hızlı gelişimi aşağıdaki hücre tabanlı tedavi yöntemidir. Bu bağlamda, multipotent TBM bağlı olarak çoğalır, ancak sadece kalp dizi farklılaşma kararlı etme kabiliyetleri tedavisi için mükemmel bir hücre kaynağı olabilir. Bu nedenle, verimli ve sağlam bir yöntem oluşturmak ve kalp hücre tedavisi çalışmaları için büyük önem taşımaktadır TBM'lerini izole etmek.
Bu protokol, erken embriyogenezin ve nasıl EKH kendi üretim sırasında belirlenen embriyonik TBM'lerle üzerinde duruluyor. Çeşitli TBM da kemik iliği 2, embriyonik ve yetişkin kalplerinden izole edilmiştir. Embriyo gelişimi sırasında, kemik morphogemanyetik proteinleri (BMP), kanatsız-tipi MMTV entegrasyon sitesi aile üyeleri (Wnts) ve Düğüm sinyaller Mesp1 + Multipotent mezoderm 3 bağlılığını neden. Mesp1 + hücreleri, daha sonra embriyonik TBM 4 içinde farklılık gösterir. Bu TBMler genellikle NK2 homeobox 5 (Nkx2-5), Isl LIM homeobox 1 (Isl1), T-box 5 (Tbx5), ve miyosit arttırıcı faktör 2C (Mef2c), birincil ve ikinci kalp alanları oluşturmak, HCN4 tarafından işaretlendiği ve cardiogenesis 5-10 sırasında kalbin ana bölümden katkıda bulunur. Nkx2-5 + ve Isl1 + / Mef2c + Her iki TBM kardiyomiyositlere ayırt edebiliyoruz, düz kas hücreleri (SMC'lere) ve endotel hücreleri 5-8. Bu nedenle, bu TBM kalp damar yanı sıra kardiyak dokulara doğuran ve hücre bazlı kalp tedavisi için ideal bir hücre kaynağıdır olacaktır. Sonuç olarak, in vitro TBM'leri üreten kardiyovasküler çalışmalarda önemli bir araştırma odağı olmuştur. EKH sınırsız genişleme kapasitesi a sahip olduğundannd blastosist aşamasında ICM hücreleri temsil doğal embriyogenez aşağıdaki embriyonik TBM'lerle içine EKH farklılaşması TBM'lerini elde etmek mantıklı ve etkili bir yaklaşım olarak kabul edilir.
EKH gelen TBM'ler elde etmek için bir çok uygulamalı bir yaklaşım EBS 11 içine EKH bir araya etmektir. Farklılaşma verimliliğini artırmak için, kardiyak gelişme bilgiye dayalı tanımlanmış kimyasal ve büyüme faktörleri 12-14 kullanılmıştır. Ancak, yaygın olarak alanda kabul edilen kesin TBM belirteçler, özellikle de herhangi bir hücre yüzeyi işaretleri vardır. Bu sorunu gidermek için, EKH Isl1 + veya Mef2c + TBM ve Cre / loxP sistemi kullanılarak floresan gazetecilere türevleri işaretlemek için tasarlanmıştır. CRE rekombinaz Isl1 / Mef2c promotör / güçlendirici kontrolü altında çaldı. Bir kurucu promoteri tarafından tahrik edilen modifiye floresan protein RFP veya YFP gen CRE rekombinaz ile flox durdurma kodonu çıkarılması ile aktive edilebilir(Isl1: CRE;-pCAG-flox-STOP-flox GFP veya RFP / Isl1-CRE; Rosa26YFP / Mef2c-CRE; Rosa26YFP) 5,6. EKH ikinci kalp alan TBM'ler ayrılırlar sonra, Isl1 / Mef2c promotör / güçlendirici tahrik CRE floresan gazetecilere aktive edecek ve TBM FACS-saflaştırma ile zenginleştirilmiş olabilir. Kısaca, EB toplama yöntemi ESC farklılaşma başlatmak için kullanılır. Farklılaşma verimliliğini artırmak için, farklılaşmış hücreler, askorbik asit (AA) ve BMP4, aktivin A ve VEGF 13,15 gibi büyüme faktörleri ile muamele edilir. Bu protokol fare ve insan EKH her ikisini de kullanarak sağlam ve verimli TBM farklılaşmasını sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
This protocol combines a method using growth factors to guide mESCs differentiation and spontaneous differentiation of human ESCs into CPCs. CPC lineage marked with fluorescent reporter is used to efficiently identify and isolate CPCs by FACS. The FACS-purified CPCs retain the capacity to differentiate into cardiomyocytes, smooth muscle, and endothelial cells and have a comparable expression profile to the in vivo cells. Thus, these CPCs can serve as a great resource for cell based heart therapy because of their ability …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Dr. Leonid Gnatovskiy for his carefully and critical reading of the paper. This work was supported in part by grants from the National Institutes of Health (HL109054) and the Samuel and Jean Frankel Cardiovascular Center, University of Michigan (Inaugural Fund) to WZ and from the Leon H Charney Division of Cardiology, New York University School of Medicine to BL.
Materials
| Name | Company | Catalog Number |
| FBS | Thermo scentific | SH30070.03E |
| Knockout SR | Life technology | 10828028 |
| Knockout DMEM | Life technology | 10829018 |
| DMEM | Life technology | 11965118 |
| NEAA | Life technology | 11140050 |
| GlutaMAX | Life technology | 35050061 |
| N2 | Life technology | 17502048 |
| B27 | Life technology | 12587010 |
| Ham’s F12 | Life technology | 11765062 |
| IMDM | Life technology | 12440061 |
| Pen/Strep | Life technology | 15140122 |
| Pyruvate | Life technology | 11360070 |
| Dispase | Life technology | 17105041 |
| Stempro-34 | Life technology | 10639011 |
| DMEM/F12 | Life technology | 11330032 |
| BSA | Life technology | 15260037 |
| Trypsin | Life technology | 25200056 |
| Ascobic Acid | Sigma | A5960 |
| 1-Thioglycerol | Sigma | M1753 |
| 2-Mercaptoethanol | Sigma | M3148 |
| VEGF | R&D | 293-VE |
| Bmp4 | R&D | 314-BP |
| ActivinA | R&D | 338-AC |
| bFgf | R&D | 233-FB |
| Fgf10 | R&D | 345-FG |
| mTeSR | Stemcell technologies | 5850 |
| Matrigel | BD Biosciences | 354277 |
References
- Garbern, J. C., Lee, R. T. Cardiac stem cell therapy and the promise of heart regeneration. Cell Stem Cell. 12 (6), 689-698 (2013).
- Passier, R., van Laake, L. W., Mummery, C. L. Stem-cell-based therapy and lessons from the heart. Nature. 453 (7193), 322-329 (2008).
- Bondue, A., Blanpain, C. Mesp1: a key regulator of cardiovascular lineage commitment. Circulation Research. 107 (12), 1414-1427 (2010).
- Bondue, A., et al. Mesp1 acts as a master regulator of multipotent cardiovascular progenitor specification. Cell Stem Cell. 3 (1), 69-84 (2008).
- Bu, L., et al. Human ISL1 heart progenitors generate diverse multipotent cardiovascular cell lineages. Nature. 460 (7251), 113-117 (2009).
- Lei, I., Gao, X., Sham, M. H., Wang, Z. SWI/SNF protein component BAF250a regulates cardiac progenitor cell differentiation by modulating chromatin accessibility during second heart field development. The Journal of Biological Chemistry. 287 (29), 24255-24262 (2012).
- Lei, I., Liu, L., Sham, M. H., Wang, Z. SWI/SNF in cardiac progenitor cell differentiation. Journal of Cellular Biochemistry. 114 (11), 2437-2445 (2013).
- Wu, S. M., et al. Developmental origin of a bipotential myocardial and smooth muscle cell precursor in the mammalian heart. Cell. 127 (6), 1137-1150 (2006).
- Spater, D., et al. A HCN4+ cardiomyogenic progenitor derived from the first heart field and human pluripotent stem cells. Nature Cell Biology. 15 (9), 1098-1106 (2013).
- Verzi, M. P., McCulley, D. J., De Val, S., Dodou, E., Black, B. L. The right ventricle, outflow tract, and ventricular septum comprise a restricted expression domain within the secondary/anterior heart field. Developmental Biology. 287 (1), 134-145 (2005).
- Boheler, K. R., et al. Differentiation of pluripotent embryonic stem cells into cardiomyocytes. Circulation Research. 91 (3), 189-201 (2002).
- Wada, R., et al. Induction of human cardiomyocyte-like cells from fibroblasts by defined factors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 110 (31), 12667-12672 (2013).
- Kattman, S. J., et al. Stage-specific optimization of activin/nodal and BMP signaling promotes cardiac differentiation of mouse and human pluripotent stem cell lines. Cell Stem Cell. 8 (2), 228-240 (2011).
- Takahashi, T., et al. Ascorbic acid enhances differentiation of embryonic stem cells into cardiac myocytes. Circulation. 107 (14), 1912-1916 (2003).
- Wamstad, J. A., et al. Dynamic and coordinated epigenetic regulation of developmental transitions in the cardiac lineage. Cell. 151 (1), 206-220 (2012).
- Cong, L., et al. Multiplex genome engineering using CRISPR/Cas systems. Science. 339 (6121), 819-823 (2013).
- Ding, Q., et al. Enhanced efficiency of human pluripotent stem cell genome editing through replacing TALENs with CRISPRs. Cell Stem Cell. 12 (4), 393-394 (2013).
- Gaj, T., Gersbach, C. S., Barbas, T. A. L. E. N. ZFN, TALEN, CRISPR/Cas-based methods for genome engineering. Trends in Biotechnology. 31 (7), 397-405 (2013).
- Joung, J. K., Sander, J. D. TALENs: a widely applicable technology for targeted genome editing. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 14 (1), 49-55 (2013).
- Yang, H., et al. One-step generation of mice carrying reporter and conditional alleles by CRISPR/Cas-mediated genome engineering. Cell. 154 (6), 1370-1379 (2013).
- Mali, P., et al. RNA-guided human genome engineering via Cas9. Science. 339 (6121), 823-826 (2013).
- Laflamme, M. A., et al. Cardiomyocytes derived from human embryonic stem cells in pro-survival factors enhance function of infarcted rat hearts. Nature. biotechnology. 25 (9), 1015-1024 (2007).
- Burridge, P. W., et al. A universal system for highly efficient cardiac differentiation of human induced pluripotent stem cells that eliminates interline variability. PloS One. 6 (4), e18293 (2011).
- Kouskoff, V., Lacaud, G., Schwantz, S., Fehling, H. J., Keller, G. Sequential development of hematopoietic and cardiac mesoderm during embryonic stem cell differentiation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (37), 13170-13175 (2005).
- Xu, X. Q., et al. Chemically defined medium supporting cardiomyocyte differentiation of human embryonic stem cells. Differentiation: Research in Biological Diversity. 76 (9), 958-970 (2008).
- Lian, X., et al. Robust cardiomyocyte differentiation from human pluripotent stem cells via temporal modulation of canonical Wnt signaling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (27), E1848-1857 (2012).
- Bizy, A., et al. Myosin light chain 2-based selection of human iPSC-derived early ventricular cardiac myocytes. Stem Cell Research. 11 (3), 1335-1347 (2013).
