Summary

Generatie van Integratie-vrije mens geïnduceerde pluripotente stamcellen Met behulp van Hair-afgeleide keratinocyten

Published: August 20, 2015
doi:

Summary

This manuscript provides a step-by-step procedure for the derivation and maintenance of human keratinocytes from plucked hair and subsequent generation of integration-free human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) by episomal vectors.

Abstract

Recent advances in reprogramming allow us to turn somatic cells into human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Disease modeling using patient-specific hiPSCs allows the study of the underlying mechanism for pathogenesis, also providing a platform for the development of in vitro drug screening and gene therapy to improve treatment options. The promising potential of hiPSCs for regenerative medicine is also evident from the increasing number of publications (>7000) on iPSCs in recent years. Various cell types from distinct lineages have been successfully used for hiPSC generation, including skin fibroblasts, hematopoietic cells and epidermal keratinocytes. While skin biopsies and blood collection are routinely performed in many labs as a source of somatic cells for the generation of hiPSCs, the collection and subsequent derivation of hair keratinocytes are less commonly used. Hair-derived keratinocytes represent a non-invasive approach to obtain cell samples from patients. Here we outline a simple non-invasive method for the derivation of keratinocytes from plucked hair. We also provide instructions for maintenance of keratinocytes and subsequent reprogramming to generate integration-free hiPSC using episomal vectors.

Introduction

De ontdekking van de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs) heeft een revolutie op het gebied van regeneratieve geneeskunde, die een haalbare methode voor het genereren van patiënt-specifieke stamcellen 1-3. hiPSCs succes gegenereerd uit verschillende somatische celtypen, waaronder fibroblasten 4,5, 6,7 hematopoëtische cellen, epitheelcellen van nier urine 8 en keratinocyten 9,10. Tot op heden huidfibroblasten en hematopoietische cellen zijn de meest gebruikte cel voor het genereren van patiëntspecifieke iPSCs. Dit is wellicht te wijten aan het feit dat de huid biopten en bloedafname zijn routinematige medische procedures en grote biobanken van de patiënt bloed of huidmonsters hebben in veel landen vastgesteld.

In tegenstelling tot bloedcellen en de huid fibroblast die invasief extractie vereisen, keratinocyten vormen een gemakkelijk toegankelijke celtype voor iPSC generatie. Keratinocytes zijn keratine-rijke epitheliale cellen die de buitenkant epidermale barrière van de huid te vormen en zijn ook gevonden in nagels en haren 11. In het bijzonder kunnen keratinocyten te vinden op de buitenste wortelschacht (BHS) van haarfollikels, een uitwendige cellaag die de haarschacht bedekt met de binnenste schede (IRS) cellen (12, figuur 1). Zoals haar collectie is een eenvoudige procedure die de hulp van medisch personeel niet vereist, het biedt een mogelijkheid voor patiënten te verzamelen en sturen hun eigen haar monsters naar laboratoria, die sterk het verzamelen van monsters van patiënten voor iPSC generatie zou vergemakkelijken. Epidermale keratinocyten hebben ook een hogere efficiëntie en snellere herprogrammering herprogrammering kinetiek vergeleken met fibroblasten, waardoor de voordelen van het gebruik keratinocyten als uitgangspunt cellen voor iPSC productie 9,13. Bovendien kan hiPSCs ook opgeroepen met andere celpopulaties in de haarfollikel,waaronder de dermale papilla cellen aan de onderkant van de haarfollikel 14,15.

Vorige meldingen van iPSC generatie met behulp van haar afgeleide cellen gebruiken vaak retrovirale of-lentivirale gebaseerde herprogrammering methoden 9,14,15. Echter, deze virale methoden introduceren ongewenste genomische integratie van buitenlandse transgenen tijdens het herprogrammeren. Ter vergelijking, het gebruik van episomale vectoren vertegenwoordigt een mogelijke, niet-virale herprogrammering methode-integratie vrije iPSCs 4 te genereren. We hebben eerder ontwikkelde een eenvoudige, kosteneffectieve en non-virale methode om efficiënt herprogrammeren keratinocyten in hiPSCs middels episomale vectoren 13. Hier geven we een gedetailleerd protocol voor het genereren van uit keratinocyt verkregen hiPSCs, waaronder de afleiding van keratinocyten uit geplukt haren, uitbreiding en onderhoud van de keratinocyten en daaropvolgende herprogrammering hiPSCs genereren.

Protocol

De collectie van menselijk haar steekproef van individuen vereist ethische goedkeuring door het menselijk onderzoek ethische commissie in de ontvangende instellingen en moet worden gedaan in overeenstemming met de institutionele richtlijnen. 1. Isolatie van keratinocyten uit geplukt Hair Thaw extracellulaire matrix (ECM) oplossing (dat wil zeggen, Matrigel) op ijs O / N. Met voorgekoeld pipetpunten, voeg 200 ul ECM oplossing 12 ml koud DMEM / F12 medium. Coat ee…

Representative Results

Het haar gaat door 3 verschillende fasen van de groeicyclus: anagen (de groeifase), catagene (de regressie fase) en telogen (de rustfase) 20,21. De anagene haarfollikels bevat meerdere lagen epitheel; Deze lagen omvatten ORS, IRS en de haarschacht (figuur 1). Anagen haar uiteindelijk ondergaat de overgang naar de catagene fase, die wordt gekenmerkt door apoptose van de ORS en beëindiging van de haarschacht differentiatie. Tenslotte catagene haar overgang naar de telogene fase, waarin apoptos…

Discussion

Generatie van patiënt-specifieke hiPSCs biedt een unieke benadering voor het bestuderen van de pathogenese van de zieke celtypen in vitro, en biedt ook een platform voor drug discovery om nieuwe moleculen die de ziekte fenotypes kan redden identificeren. Deze ziektemodel benaderingswijze via hiPSCs heeft veelbelovende resultaten opgeleverd voor diverse ziekten, waaronder lange QT-syndroom, ziekte van Huntington, ziekte van Parkinson en amyotrofe laterale sclerose 22. Diverse initiatieven zijn al aan…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

The authors wish to thank Harene Ranjithakumaran and Stacey Jackson for technical support. This work was supported in part by grants from the National Health and Medical Research Council (R.C.B. Wong, A. Pébay), the University of Melbourne (R.C.B. Wong), Retina Australia (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung, A. Pébay) and the Ophthalmic Research Institute of Australia (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung, A. Pébay); Australian Research Council Future Fellowship (A. Pébay, FT140100047), Cranbourne Foundation Fellowship (R.C.B. Wong); intramural funding from the National Institutes for Health (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung) and operational infrastructure support from the Victorian Government.

Materials

Antibiotic Mix: 
250 ng/ml Antimycotic amphotericin B Sigma A2942-20ml Antibiotic mix is made up in PBS. 
1X Penicillin/Streptomycin Invitrogen 15140-122
PBS (-) Invitrogen 14190-144
Knockout Serum Replacement (KSR) medium:  KSR medium is filtered using Stericup (Millipore, #SCGPU05RE) before use. bFGF is added fresh to the media before use.
20% knockout serum replacement (KSR) Invitrogen 10828-028
DMEM/F12 with glutamax Invitrogen 10565-042
1× MEM non-essential amino acid Invitrogen 11140-050
 0.5× Penicillin/Streptomycin Invitrogen 15140-122
 0.1 mM β-mercaptoethanol Invitrogen 21985
 bFGF (10 ng/ml, added fresh) Millipore GF003
Keratinocyte medium: 
 EpiLife with 60 µM Calcium Invitrogen M-EPI-500-CA
1× Human keratinocyte growth supplement (HKGS) Invitrogen S-001-5
Fetal Bovine Serum (FBS) medium:  FBS medium is filtered using Stericup (Millipore, #SCGPU05RE)  before use.
10% fetal bovine serum (FBS) Invitrogen 26140079
DMEM  Invitrogen 11995-073
0.5× Penicillin/Streptomycin Invitrogen 15140-122
2 mM L-glutamine Invitrogen 25030
0.25% trypsin-EDTA Invitrogen 25200-056
Extracellular Matrix (ECM):
Matrigel Corning  354234 Aliquot Matrigel stock and store in -80°C following manufacturer’s instructions. Stock concentration of Matrigel varies slightly from batch to batch (~9mg/ml). We recommend to use 200µl matrigel for coating a 12-well plate (~150µg/well). 
Coating Matrix Kit  Invitrogen R-011-K
Plasmids:  Note that pCXLE-eGFP is only used for monitoring transfection efficiency and is not required for reprogramming.
-          pCXLE-eGFP Addgene 27082
-          pCXLE-hOct3/4-shP53F Addgene 27077
-          pCXLE-hSK Addgene 27078
-          pCXLE-hUL Addgene 27080
Transfection reagent Fugene HD Promega E231B
Gelatin (from porcine skin) Sigma G1890 Make up 0.1% gelatin in distilled water. Autoclave before use. 
Reduced Serum medium: OPTI-MEM Invitrogen 31985062
Accutase Sigma A6964-100ml
Mouse embryonic fibroblast (MEF) feeder MEF can be inactivated by mitomycin C treatment or irradiation as described previously 16.
26G needle Terumo NN2613R
6-well plate (tissue culture treated) BD Biosciences 353046
12-well plate (tissue culture treated) BD Biosciences 353043
10 cm dish (tissue culture treated) BD Biosciences 353003
Dispase Invitrogen 17105-041 Use at 10mg/ml
Collagenase IV Invitrogen 17104-019 Use at 1mg/ml
TRA-160 antibody Millipore MAB4360 Use at 5µg/ml
OCT4 antibody Santa Cruz SC-5279 Use at 5µg/ml
NANOG antibody R&D Systems AF1997 Use at 10µg/ml
MycoAlert Detection kit Lonza LT07-418

References

  1. Takahashi, K., Yamanaka, S. Induction of pluripotent stem cells from mouse embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors. Cell. 126, 663-676 (2006).
  2. Takahashi, K., et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 131, 861-872 (2007).
  3. Yu, J., et al. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science. 318, 1917-1920 (2007).
  4. Okita, K., et al. A more efficient method to generate integration-free human iPS cells. Nat Methods. 8, 409-412 (2011).
  5. Park, I. H., et al. Reprogramming of human somatic cells to pluripotency with defined factors. Nature. 451, U141-U141 (2008).
  6. Okita, K., et al. An efficient nonviral method to generate integration-free human-induced pluripotent stem cells from cord blood and peripheral blood cells. Stem Cells. 31, 458-466 (2013).
  7. Dowey, S. N., Huang, X., Chou, B. K., Ye, Z., Cheng, L. Generation of integration-free human induced pluripotent stem cells from postnatal blood mononuclear cells by plasmid vector expression. Nat Protoc. 7, 2013-2021 (2012).
  8. Zhou, T., et al. Generation of induced pluripotent stem cells from urine. J Am Soc Nephrol. 22, 1221-1228 (2011).
  9. Aasen, T., et al. Efficient and rapid generation of induced pluripotent stem cells from human keratinocytes. Nat Biotechnol. 26, 1276-1284 (2008).
  10. Peters, A., Zambidis, E., Ye, K., Jin, S. Chapter 16. Generation of nonviral integration-free induced pluripotent stem cells from plucked human hair follicles. Human Embryonic and Induced Pluripotent Stem Cells: Lineage-Specific Differentiation Protocols.Springer Protocols Handbooks. , 203-227 (2012).
  11. Fuchs, E. Scratching the surface of skin development. Nature. 445, 834-842 (2007).
  12. Limat, A., Noser, F. K. Serial cultivation of single keratinocytes from the outer root sheath of human scalp hair follicles. J Invest Dermatol. 87, 485-488 (1986).
  13. Piao, Y., Hung, S. S., Lim, S. Y., Wong, R. C., Ko, M. S. Efficient generation of integration-free human induced pluripotent stem cells from keratinocytes by simple transfection of episomal vectors. Stem Cells Transl Med. 3, 787-791 (2014).
  14. Higgins, C. A., et al. Reprogramming of human hair follicle dermal papilla cells into induced pluripotent stem cells. J Invest Dermatol. 132, 1725-1727 (2012).
  15. Muchkaeva, I. A., et al. Generation of iPS Cells from Human Hair Follice Dermal Papilla Cells. Acta naturae. 6, 45-53 (2014).
  16. Naaldijk, Y., Friedrich-Stockigt, A., Sethe, S., Stolzing, A. Comparison of different cooling rates for fibroblast and keratinocyte cryopreservation. J Tissue Eng Regen. , (2013).
  17. Sporl, F., et al. Real-time monitoring of membrane cholesterol reveals new insights into epidermal differentiation. J Invest Dermatol. 130, 1268-1278 (2010).
  18. Conner, D. A., et al., Ausubel, F. N., et al. Mouse embryo fibroblast (MEF) feeder cell preparation. Current protocols in molecular biology. 23, Unit 23 22 (2001).
  19. Pebay, A., et al. Essential roles of sphingosine-1-phosphate and platelet-derived growth factor in the maintenance of human embryonic stem cells. Stem Cells. 23, 1541-1548 (2005).
  20. Myung, P., Ito, M. Dissecting the bulge in hair regeneration. J Clin Invest. 122, 448-454 (2012).
  21. Alonso, L., Fuchs, E. The hair cycle. J Cell Sci. 119, 391-393 (2006).
  22. Robinton, D. A., Daley, G. Q. The promise of induced pluripotent stem cells in research and therapy. Nature. 481, 295-305 (2012).
  23. Soares, F. A., Sheldon, M., Rao, M., Mummery, C., Vallier, L. International coordination of large-scale human induced pluripotent stem cell initiatives: Wellcome Trust and ISSCR workshops white paper. Stem cell reports. 3, 931-939 (2014).
  24. McKernan, R., Watt, F. M. What is the point of large-scale collections of human induced pluripotent stem cells. Nat Biotechnol. 31, 875-877 (2013).
  25. Utikal, J., et al. Immortalization eliminates a roadblock during cellular reprogramming into iPS cells. Nature. 460, U1145-U1112 (2009).
  26. Xu, Y., et al. Proliferation rate of somatic cells affects reprogramming efficiency. J Biol Chem. 288, 9767-9778 (2013).
  27. Liu, J., et al. Late passage human fibroblasts induced to pluripotency are capable of directed neuronal differentiation. Cell Transplant. 20, 193-203 (2011).
  28. Huallachain, M., Karczewski, K. J., Weissman, S. M., Urban, A. E., Snyder, M. P. Extensive genetic variation in somatic human tissues. Proc Natl Acad Sci U S A. 109, 18018-18023 (2012).
  29. Abyzov, A., et al. Somatic copy number mosaicism in human skin revealed by induced pluripotent stem cells. Nature. 492, 438-442 (2012).

Play Video

Cite This Article
Hung, S. S., Pébay, A., Wong, R. C. Generation of Integration-free Human Induced Pluripotent Stem Cells Using Hair-derived Keratinocytes. J. Vis. Exp. (102), e53174, doi:10.3791/53174 (2015).

View Video