We have developed a protocol to generate aggregates of mouse embryonic stem cells that display self-organization, symmetry breaking and elongation paralleling axial development. This technique allows the study of axial developmental processes and the generation of cell types that are otherwise difficult to perform in monolayer culture.
We hebben een protocol ontwikkeld verbetering van de huidige embryoiden Body (EB) cultuur die de studie van zelf-organisatie toelaat, symmetriebreking, axiale rek en lot van de cel specificatie met aggregaten van de muis embryonale stamcellen (mESCs) in suspensie cultuur. Kleine aantallen mESCs worden samengevoegd basismedium voor 48 uur in niet-weefselkweek behandeld, U-bodem 96-putjes platen, waarna ze competent te reageren op experimentele signalen. Na de behandeling, deze aggregaten beginnen tekenen van gepolariseerd genexpressie tonen en geleidelijk veranderen hun morfologie van een sferische celmassa tot een langwerpige, goed georganiseerde structuur in de afwezigheid van externe signalen asymmetrie. Deze structuren zijn niet alleen in staat om merkers van de drie kiembladen weergegeven, maar actief weergegeven gastrulatie-achtige bewegingen, blijkt uit een directionele losraken van individuele cellen uit het aggregaat, die cruciaal optreedt bij één gebied van de langwerpige structuur. Dit protocol geeft een gedetailleerde methode voor de reproduceerbare vorming van deze aggregaten, hun stimulatie met signalen zoals Wnt / β-catenine activering en BMP inhibitie en hun analyse door enkele keer-point of time-lapse fluorescentie microscopie. Daarnaast beschrijven we aanpassingen aan de huidige whole-mount muizenembryo kleuring procedures voor immunocytochemische analyse van specifieke markers in vaste aggregaten. De veranderingen in morfologie, genexpressie en lengte van de aggregaten kan kwantitatief worden gemeten, die informatie over signalen axiale lot kan veranderen. Verwacht wordt dat dit systeem kan worden toegepast zowel op de studie van de vroege ontwikkelingsgebeurtenissen zoals axiale afwikkeling en organisatie, en meer in het algemeen de processen van zelforganisatie en cellulaire besluitvorming. Ook kan een geschikte niche voor het genereren van celtypen die in het embryo dat onverkrijgbaar conventionele hechtende cultuur zoals ruggenmerg en motorische neuronen.
De studie en het begrip van de cel-beslissingen over het lot in de vroege ontwikkeling van zoogdieren kunnen gebruik maken van de culturen van embryonale stamcellen (SER), klonale populaties afkomstig van blastocysten die de mogelijkheid om zichzelf te vernieuwen en te differentiëren in alle soorten cellen van een organisme hebben te maken dwz., ze zijn pluripotent 1,2. Hoewel deze culturen zijn en blijven bruikbaar voor het begrijpen van de moleculaire basis van cel beslissingen over het lot zijn, zij kan sommige van de ruimtelijke schikking en globale gedragingen die worden gegenereerd in embryo tijdens gastrulatie reproduceren. In het embryo, het proces van gastrulatie transformeert een epitheellaag in drie afzonderlijke kiemlagen en verleent het embryo een openlijke achterwaartse organisatie 3-5. Pogingen om deze gebeurtenissen ex vivo herhalen zijn gebaseerd op het genereren van driedimensionale aggregaten van SER, genoemd embryoid organen (EBS), en het onderwerpen van hen to differentiatie omstandigheden 6,7. Deze aggregaten kunnen worden overgehaald om te differentiëren in verschillende celtypes, waarvan sommige hetzij niet kunnen worden verkregen of geïnduceerd met lage efficiëntie in hechtende kweek of helemaal niet worden geproduceerd, bijv. Bloed en 8 primordiale kiemcellen 9. Een beperking bij het gebruik van EBS is echter dat ze niet in staat zijn de morfogenetische gedrag kiemlaag distributie of axiale organisatie die belangrijke kenmerken van de ontwikkelende embryo, wat resulteert in ruimtelijke desorganisatie 6,10 zijn weergegeven. In een rapport, behandeling van EBS met Wnt leidt tot een zwakke polarisatie in genexpressie in een aantal aggregaten, maar geen duidelijke morfogenese wordt waargenomen 7. In recentere rapporten EBS die zijn gekweekt gedurende langere tijd ontwikkelen anterieure structuren zoals retina, cortex en binnenoor sensorische cellen, waardoor hun embryonale tegenhangers nabootsen, maar ontwikkelen zonder de context van een axiale organization 11-13.
Een rapport van Marikawa et al. 14, terwijl het werken met aggregaten van de muis P19 Embryo carcinoom (EC) cellen gevormd door de opknoping neerzetten, meldde de opkomst van de langwerpige structuren van mesodermale oorsprong die doet denken aan de verlengingen die worden waargenomen met exogastrulae in amfibie en zee-egels embryo's en Keller Explantaten 15-18. Aangezien dit niet was waargenomen met muis embryonale stamcellen (mESCs), hebben we geprobeerd om het gedrag waargenomen met P19 EG-cellen met behulp van aggregaten van mESCs 19 reproduceren en we melden kweekomstandigheden die leiden tot hun symmetriebreking en axiale verlenging. Een belangrijk verschil met het werken met P19 cellen is dat de samenvoeging protocol hier beschreven wordt uitgevoerd in een 96-wells plaat, gelijk aan die beschreven door Eiraku et al. 20 in plaats van opknoping druppels. Deze verandering leidde tot een verhoogde efficiëntie in termen van totale terugwinning en in beideintra- en inter-experimentele reproduceerbaarheid. Belangrijk handhaven aggregaten in afzonderlijke putjes zodat fusie tussen aggregaten (normaal bij poolen aggregaten opknoping druppels) niet voorkomt. Daarnaast is een belangrijk kenmerk van het protocol is 24 uur blootstelling aan de GSK3 remmer CHI99021 (chi), een potente activator van Wnt / β-catenine signalering, na aggregatie.
De hier beschreven methode vormt de basis voor het begrijpen van de processen van zelforganisatie, axiale organisatie en kiemlaag specificatie cultuur, waardoor gevolgtrekkingen worden gemaakt over axiale afwikkeling in vivo 19,21. Daarom heeft de werkwijze het mogelijk om gedetailleerde mechanistische onderzoek van de processen die moeilijk te bestuderen in het embryo kan toestaan. Ook een mogelijke toepassing bij het genereren van weefsels en organen die niet gemakkelijk verkrijgbaar in hechtende kweek door het ontbreken van een gestructureerde cellulaire niche zoalsruggenmerg precursors 21 en motorische neuronen. Driedimensionale aggregaat cultuur heeft een fysieke structuur en signalering omgeving die niet haalbaar met gebruikelijke middelen kan leiden tot een nieuwe benadering voor de afleiding van embryonale lineages in een ruimtelijk georganiseerde wijze.
De in dit manuscript beschreven techniek efficiënt en reproduceerbaar genereert aggregaten van muis embryonale stamcellen (mESCs) die de weergave georganiseerde symmetrie breken en rek 19, die zowel de hangende druppel kweek beschreven door Marikawa et al. 14 en EB vorming. Deze aggregaten gaan axiale rek ontwikkelen aanvulling op de bestaande werkwijzen voor het genereren van anterior organen van ES cellen zoals optische koppen 11 en de cerebrale cortex 13 en bevatten cellen met identiteit van de drie kiembladen welk scherm werkwijzen vergelijkbaar met die tijdens gastrulatie zoals snelle cel beweging 19,21.
Het is interessant om te speculeren over de aard van de symmetrie-verbreking event, omdat het voorkomt in de afwezigheid van externe patroonvorming weefsels en zygote asymmetrie keuen 19. De spontane vorming van een rudimentaire as kan ontstaan uit reeds bestaande heterogeneities in de basis van cellen, die de basis voor de ontwikkeling van asymmetrie vormen. Inderdaad populaties van cellen gekweekt in ESLIF statusindicatie een mengsel van zelf-vernieuwing en differentiërende cellen kunnen de relatieve verhoudingen van die per aggregaat naar de andere. Bovendien voorbereidend werk in ons laboratorium blijkt dat aggregaten van een volledige populatie van pluripotente cellen vertonen een vertraagde ontwikkeling en afwijkingen in patronen, suggereert een rol voor heterogeniteit in georganiseerde patroonvorming (DA Turner & A. Martinez Arias, in voorbereiding). Ook bedenken dat een reactie-diffusie mechanisme patroon kan genereren met diffusie van een remmer van het oppervlak van het aggregaat. Warmflash et al. 41 blijkt dat een dergelijk mechanisme verantwoordelijk voor de ontwikkeling radiale asymmetrie in hechtende kweek, waardoor het een mogelijke kandidaat voor patronen driedimensionaal zijn.
Tijdens de Initial 48 uur periode omvat, cellen bereikt een toestand vergelijkbaar met die in de postimplantatie epiblast, waarin ze competent te reageren op signalen uit de secundaire medium 19,21,24 zijn. Kenmerkend de hier beschreven protocol cellen met een puls van secundaire medium welke factoren (zoals Wnt / β-catenine agonisten) die de signalen voldoende rek bieden bevat. Vorige kweekmethoden beschreven door Lancaster et al. (Waarbij menselijke SER 13) en Eiraku et al. (Met mESCs 11) die een korte aggregatie in lage wrijvingscoëfficiënt 96-well platen voor geaggregeerde cellen werden overgebracht naar Matrigel druppeltjes voor on gaat cultuur. Hoewel de tijd tussen aggregatie en Matrigel insertie verschilde tussen de onderzoeken, in beide gevallen grote aantallen cellen werden gebruikt voor aggregaatvorming (ongeveer 3,000-4,500 cellen). Daarentegen het protocol hier beschreven 19 gebruikt veel minder cellen (ongeveer 400 cellenper aggregaat) dat is vastgesteld absoluut essentieel voor het proces van rek, symmetrie breken en de polarisatie die wordt waargenomen 19 worden. Bovendien, deze langwerpige structuren kunnen worden opgewekt in een veel kortere tijdsperiode zonder inbedding in kunstmatige matrices: vergelijk het genereren van gedefinieerde hersengebieden door Lancaster et al (> 20-30 dagen) 13 en de optische cups uit Eiraku. et al. (~ 11 dagen) 11 met de 5 dagen nodig voor het genereren van gepolariseerde langwerpige structuren.
Een van de beperkingen van de kweekmethode echter hier beschreven, is dat ze alleen kunnen worden gekweekt gedurende ongeveer 5-6 dagen na uitplaten tot hun omvang maakt ze bevoegd onder zwaartekracht naar de bodem van de putten en een adhesiekracht zelfs non beklede plastic-ware. Verdere experimenten met kunstmatige matrices zoals eerder vermeld, kunnen toelaten de periode te vergrotenobservatie en experiment en werkzaamheden aan de gang om de effecten van de beperkende aggregaten zodanig bepalen. Een andere beperking van deze techniek is dat om het medium te wijzigen zonder de aggregaten een klein volume drager dient in de bodem van de put. De gevolgen voor de chemische genetica benaderingen zijn de noodzaak om deze verdunning en eventueel resterende effecten van de vorige media overwegen: op de dag van de 3 uM Chi puls, is 2,37 pM oplossing daadwerkelijk zijn geleverd, en de daaropvolgende medium wijzigingen resulteren in een carry-over van 0,499 urn (72-96 uur) en 0,105 urn (96-120 uur) tussen de tijdstippen. Huidig werk niet gecorrigeerd voor verdunning en er wordt aangenomen dat de dagelijkse mediumveranderingen resteffecten minimaliseren.
Er zijn een aantal kritische stappen in het protocol voor zowel intra- en inter-experimentele reproduceerbaarheid te garanderen. Ten eerste moet de beginnende cultuur van mESCs goed worden onderhouden en niet meer dan confluent, middelgrote en moet altijd van goede kwaliteit ie zijn., fris en goed gemengd (Figuur 5A, B). Slechte kweekomstandigheden negatieve invloed op de aggregatie (figuur 5BI). Nauwkeurige telling van cellen aan een ~ 400 cellen / 40 pi celsuspensie te verkrijgen is essentieel, aangezien grotere aggregaten mogelijk niet automatisch organiseren en vaker dubbele aggregaten in elk putje (figuur 5Bii) terwijl kleinere aggregaten niet in staat de juiste bereiken vormen dichtheid, waar ze in staat zijn om te reageren op de stimulus (figuur 5Biii). Een belangrijke optimalisatie stap was het opnemen van een tweede PBS-wassing dat contaminant serum verwijdert uit de celsuspensie (stap 2,6); Dit verbeterde de aggregatie frequentie en versnelde ontwikkeling van de aggregaten met ongeveer 24 uur. Vervolgens zorgen ervoor mediumveranderingen toegepast met voldoende kracht om eventuele aggregaten die het potentieel heeft om zich aan het oppervlak van de put heeft los; niet zo resu doenlts in de aggregaten 'crashen' (figuur 5Biv). Bovendien, en zoals eerder vermeld (en lager), is het essentieel dat de aggregaten worden gehandhaafd in suspensiekweek en wordt voorkomen hechten op elk oppervlak. Nadat de aggregaten zijn gehecht, het patroon van genexpressie en de rek potentieel worden verstoord.
Omdat deze techniek is relatief eenvoudig, en goed onder de bevoegdheid van personen met een goede weefselkweek technieken, kan het grootste deel van de problemen in verband met de samenvoeging relatief snel als deze kritische stappen worden gevolgd worden opgelost; een volledige lijst van trouble-shooting is beschikbaar (tabel 1). Eenmaal onder de knie, kan deze techniek worden gebruikt om de axiale ontwikkeling, symmetriebreking en cel-beslissing gebeurtenissen te bestuderen. Specifieker, deze aggregaten hebben het potentieel om pools van cellen die tot dusver beschikbaar zijn in kweek, zoals het ruggenmerg en moto genererenr neuronen.
Ethische NB: Opgemerkt dient te worden met de nodige voorzichtigheid dat de vertaling van dit protocol voor de menselijke ES of iPS celcultuur de onderzoeker dicht bij de juridische grondslag van de veertien dagen limiet op het menselijk embryo-onderzoek, namelijk het genereren van een primitieve streep zou kunnen brengen, zoals beschreven in de Menselijke Fertilisatie en Embryologie Act 2008 (UK) 42. Sinds de wet omvat alle levende menselijke embryo's, ongeacht hun manier van de schepping, zou de cultuur van menselijke gastruloids buiten de primitieve streep als stadium buiten de reikwijdte van licentieerbare onderzoek.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk wordt gefinancierd door een ERC Advanced Investigator Award aan AMA (DAT, TB) met een bijdrage van een projectsubsidie van de Wellcome Trust AMA, een EPSRC studententijd naar PB-J en Erasmus, Stichting dr. Hendrik Muller's Vaderlandsch Fonds en de Fundatie van de Vrijvrouwe van Renswoude te 's-Gravenhage te SCvdB. We willen J. Briscoe, S. Muñoz-Descalzo, C. Schroeter, en T. Rodriguez bedanken voor discussies en opbouwende kritiek, Joaquin de Navascués voor de montage medium protocol en beide AK Hadjantonakis en C. Budjan voor het delen van protocollen hun laboratorium betreffende kleuring van hele-mount embryo. Een eerdere versie van dit artikel is eerder beschikbaar gesteld op de bioRxiv Prepress Server 29.
2-Mercaptoethanol | Gibco/Invitrogen | 31350-010 | |
25cm2 Cell Culture Flask | Grenier Bio-one | 690 175 | |
Benchtop Centrifuge | MSE | MSB020.CX1.5 | |
BES Buffered Saline (BBS) | Sigma-Aldrich | B2891 | BBS+CaCl2 made by disolving 50 mM BES Sodium Salt, 280 mM NaCl, 1.5 mM Na2HPO4 in distilled water with 1 mM CaCl2 adjusted to pH 6.96 with 1 M HCl |
Centrifuge tubes (15 or 50ml) | Greiner Bio-One | 118271 or 227261 | |
CHIR 99021 (Chi) | CSCR | n/a | Bought through the Wellcome Trust-Medical Research Council Cambridge Stem Cell Institute. Stock concentration: 10mM in DMSO |
Dissection Well (30mm Internal Diameter) | Fisher Scientific | 12678586 | |
ESLIF | 500 mL GMEM, 5mL Sodium Pyruvate, 5 mL Non-Essential Amino Acids, 5 mL Glutamax, 1 mL beta-mercaptoethanol, 50 mL FBS and 550 µL LIF (1000 units). | ||
Foetal Bovine Serum (FBS) | Biosera | FB-1090/500 | |
Gelatin | Sigma-Aldrich | G1890-100G | Dissolved in distilled water to a 1 % (w/v) solution, autoclaved and diluted to 0.1% in PBS (see below) for individual use. |
Glasgow's Minimal Essential Medium (GMEM) | Gibco | 11710-035 | |
GlutaMAX | Gibco | 35050-038 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G5516 | |
Improved Neubauer Haemocytometer | Hawksley | AS1000 | |
Leukaemia Inhibitory Factor (LIF), Recombinant | CSCR | n/a | Produced in house by the Wellcome Trust-Medical Research Council Cambridge Stem Cell Institute. |
n-Propyl-gallate | Sigma-Aldrich | 02370 | |
N2B27/NDiff 227 | Stemcells, Inc. | SCS-SF-NB-02 | http://www.stemcellsinc.com/_literature_40366/Technical_Specifications_Ndiff |
Non-Essential Amino Acids | Gibco/Invitrogen | 11140-035 | |
Paraformaldehyde powder | Sigma-Aldrich | P6148 | Dissolved in water to form a 8% Formaldehyde stock solution. Diluted with BBS+CaCl2 to give a 4% working solution |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | D8662 | With Calcium and Magnesium |
Sodium Pyruvate | Invitrogen | 11360-039 | |
Sterile Reservoir | STARLAB | E2310-1010 | |
Sterile, Non-Tissue Culture Treated, U-Bottomed 96-well Plate | Grenier Bio-one | 650185 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
Trypsin-EDTA | Gibco | 25300-054 |