Направлено дифференциация примитивные и окончательного гемопоэтических прародителей от человеческих плюрипотентных стволовых клеток
Summary
Здесь мы представляем человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPSC) культуры протоколы, используемые для различения hPSCs в CD34+ кроветворные прародителями. Этот метод использует стадии конкретных манипуляции канонических WNT, сигнализации для указания клетки исключительно для окончательного или примитивных гемопоэтических программы.
Abstract
Одна из основных целей для регенеративной медицины является создание и поддержание гемопоэтических стволовых клеток (СКК) от человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPSCs). До недавнего времени усилия по дифференциации hPSCs в СКК преимущественно породили гемопоэтических прародителей, которые не имеют потенциал HSC и вместо этого напоминают желточного мешка кроветворения. Эти результирующие гемопоэтических прародителями может ограниченную полезность в vitro болезни моделирования различных взрослых гемопоэтических расстройств, особенно те из лимфоидных линий. Однако мы недавно описал методы для создания Эритрею myelo лимфоидных мультилинейного окончательного гемопоэтических прародителей из hPSCs, используя протокол стадии конкретных направленного дифференцирования, который мы приводим здесь. Посредством ферментативного диссоциации hPSCs на базальной мембраны матрица покрытием пластик образуются embryoid органов (EBs). EBs различаются в мезодермы рекомбинантных BMP4, который впоследствии определяется в программе окончательное гемопоэтических ингибитором GSK3β, CHIR99021. В качестве альтернативы примитивных кроветворения определяется ингибитором PORCN, IWP2. Кроветворения далее управляется через помимо рекомбинантного VEGF и поддерживает кроветворную цитокинов. Результате гемопоэтических прародителями, созданные с помощью этого метода имеют потенциал, чтобы быть использованы для развития моделирование, в пробиркеи болезни.
Introduction
Человеческих плюрипотентных стволовых клеток (hPSCs) определяются как включающие в себя как человеческих эмбриональных стволовых клеток (ЭСК), так и человеческое индуцированных плюрипотентных стволовых клеток (hiPSCs) и имеют уникальную возможность не только проходят самообновления в условиях соответствующего роста, но Кроме того, способность отличать в все типы клеток от трех зародышевых:1энтодермы и мезодермы эктодермы. Из-за этих уникальных способностей hPSCs провести большие перспективы для регенеративной медицины, болезни моделирования и терапии на базе ячеек2. В то время как несколько типов клеток были успешно дифференцированы от hPSCs, одна из существенных проблем является спецификацией в vitro исключительно взрослого как hPSC производные гемопоэтических стволовых клеток (СКК) и окончательное гемопоэтических прародителями.
Скорее всего препятствием для развития человека СКК от hPSCs является наличие нескольких гемопоэтических программ внутри эмбриона человека3. Первая программа, которая возникает, называют «примитивных кроветворения,» происходит в пределах extraembryonic желточный мешок ткани и лучше всего характеризуется его переходных производства erythroblast прародителями (EryP-ХФУ), макрофаги и megakaryocytes. В частности эта программа не приводить к СКК, ни это дает подъем к T и B лимфоидные предшественники. Однако желточного мешка временно привести к ограниченным окончательного гемопоэтических прародителями, например Эритрею миелоидного progenitor (EMP4,5,6,,78) и эритроидные недостаточным лимфоидных загрунтовать Multipotent с прародителем (LMPP9). Однако ни EMPs ни LMPPs полностью Multipotent с, или способных приживления HSC-как взрослых получателей. В противоположность этому позже в процессе развития, классически определенных «окончательное» гемопоэтических программа указана в регионе аорто Гонада мезонефрос эмбриона надлежащего, рождая всех взрослых гемопоэтических линии, включая HSC. Спецификации этих внутри эмбриональных окончательного гемопоэтических клеток происходит в паз-зависит от моды, через эндотелиальные и кроветворная переход от кроветворения эндотелия (он)3,10,11 ,12,,1314. Помимо воссоздания потенциала multilineage потенциал и паз зависимость этих клеток могут использоваться различать эти окончательные гемопоэтических прародителей от Эми и LMPP (Обзор ссылки3,13 ).
Понимание механизма(ов), управляющих примитивных и окончательного гемопоэтических спецификации от hPSCs вероятно, решающее значение для воспроизводимых производства окончательного гемопоэтических прародителями через разнообразные hPSC линии. До недавнего времени, hPSC дифференциация протоколы, разделяющие Multipotent с примитивным и окончательного гемопоэтических предшественники не существует,15,16,17,18 19,20,21,,2223,24,25. Многие подходы, с помощью плода бычьим сывороточным (ФБС) и/или стромы Сопредседатель культуры впервые изложил гемопоэтических потенциал hPSC дифференциации, с смеси примитивных и окончательного гемопоэтических потенциальных15,16, 17,–19,–22,–23,–25. Кроме того, многие сыворотки бесплатно гемопоэтических протоколы описал сигнал требования к спецификации мезодермы от hPSCs, который затаивает гемопоэтических потенциальных18,20,21, 24. Однако, поскольку эти методы по-прежнему вызывают гетерогенной смеси обеих программ, их использование в клинических приложений и понимание развития механизмов могут быть ограниченными.
Недавно мы построили на эти исследования, обозначив сигнала стадии конкретных требований для ACTIVIN/NODAL и WNT сигнализации в примитивных и окончательного гемопоэтических спецификации от hPSC производные мезодермы18,26 . Последний был особенно уникальным, как его использование стадии специфичных WNT сигнал манипуляции позволяет для спецификации исключительно примитив или исключительно окончательного гемопоэтических прародителями26. Во время спецификации мезодермы, ингибирование канонических WNT сигнализации с PORCN ингибитор IWP2 приводит к спецификации CD43+ EryP-ХФУ и миелоидного прародителями, не поддающиеся обнаружению лимфоидных потенциал. В противоположность, стимуляции канонических WNT сигнализации с ингибитором GSK3β, CHIR99021, во время той же стадии дифференцировки привело к полное отсутствие обнаружению CD43+ EryP-ХФУ, одновременно ведя к Спецификация CD34+CD43− он. Это население обладает миелоидного, С.Петербург-выражая эритроидные и T-лимфоидных потенциал. Последующий анализ определил это как отсутствие выражение CD7327,28 и CD18428и ее потенциал гемопоэтических был NOTCH-зависимых от28. Кроме того, одноклеточных Клональный анализ показал, что эти окончательные гемопоэтических линии может быть получен из28Multipotent с одной клетки. Взятые вместе, эти исследования показывают, что этап конкретных WNT сигнализации манипуляции можно указать чистой примитивных гемопоэтических прародителями, либо Multipotent с NOTCH-зависит от окончательного гемопоэтических прародителями.
Здесь мы приводим Наша стратегия дифференциации, которая дает исключительно примитивных или окончательного гемопоэтических прародителями, через манипуляции канонических WNT, сигнализации во время mesodermal патронирования и их вниз по течению гемопоэтических линии анализов. Этот протокол имеет большую ценность для исследователей, которые заинтересованы в производстве примитивных или окончательного гемопоэтических прародителей от hPSCs для регенеративной медицины приложений.
Protocol
Representative Results
Discussion
Этот протокол описывает метод быстрого, сыворотки, строма бесплатно для дифференциации примитивных или окончательного гемопоэтических прародителями. Mesodermal спецификации примитивных или окончательного гемопоэтических прародителей может достигаться надежно с помощью нашего протоко?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Эта работа была поддержана школы медицины университета Департамента внутренней медицины, отдела гематологии, Вашингтон. CD был поддержан T32HL007088 из национального сердца, легких и крови института. CMS была поддержана американского общества гематологии ученый премии.
Materials
| Iscove's Modified Dulbecco's Medium (IMD) | Corning | 10-016 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS), ES cell rated | Gemini Bioproducts | 100-500 | |
| Fetal Bovine Serum (FBS) | Hyclone | SH30396.03 | |
| L-glutamine, 200 mM solution | Life Technologies | 25030-081 | |
| Penicillin-streptomycin | Life Technologies | 15070-063 | |
| 0.25% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25200056 | |
| 0.05% Trypsin-EDTA | Life Technologies | 25300054 | |
| Gelatin, porcine skin, Type A | Sigma-Aldrich | G1890 | |
| Alpha-MEM | Life Technologies | 12000-022 | |
| DMEM-F12 | Corning | 10-092-CV | |
| Knock-out serum replacement | Life Technologies | 10828028 | "KOSR" |
| Non-essential amino acids (NEAA) | Life Technologies | 11140050 | |
| b-mercaptoethanol, 55 mM solution | Life Technologies | 21985023 | |
| Hydrochloric acid | Sigma-Aldrich | H1758 | |
| Fraction V, Bovine Serum Albumin | Fisher Scientific | BP1605 | |
| Ham's F12 | Corning | 10-080 | |
| N2 supplement | Life Technologies | 17502048 | |
| B27 supplement, no vitamin A | Life Technologies | 12587010 | |
| Stempro-34 (SP34) | Life Technologies | 10639011 | "SP34" |
| Growth factor reduced Matrigel | Corning | 354230 | "MAT" |
| L-absorbic acid | Sigma-Aldrich | A4403 | |
| Human serum transferrin | Sigma-Aldrich | 10652202001 | |
| Monothioglycerol (MTG) | Sigma-Aldrich | M6145 | |
| Collagenase B | Roche | 11088831001 | |
| Collagenase II | Life Technologies | 17101015 | |
| DNaseI | Calbiochem | 260913 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Life Technologies | 14190144 | |
| bFGF | R&D Systems | 233-FB | |
| BMP4 | R&D Systems | 314-BP | |
| Activin A | R&D Systems | 338-AC | |
| VEGF | R&D Systems | 293-VE | |
| SCF | R&D Systems | 255-SC | |
| IGF-1 | R&D Systems | 291-G1 | |
| IL-3 | R&D Systems | 203-IL | |
| IL-6 | R&D Systems | 206-IL | |
| IL-7 | R&D Systems | 207-IL | |
| IL-11 | R&D Systems | 218-1L | |
| TPO | R&D Systems | 288-TP | |
| EPO | Peprotech | 100-64 | |
| Flt-3 ligand (FLT3-L) | R&D Systems | 308-FK | |
| CHIR99021 | Tocris | 4423 | |
| IWP2 | Tocris | 3533 | |
| Angiotensin II | Sigma-Aldrich | A9525 | |
| Losartan Potassium | Tocris | 3798 | |
| CD4 PerCP Cy5.5 Clone RPA-T4 | BD Biosciences | 560650 | Dilution 1:100; T cell assay |
| CD8 PE Clone RPA-T8 | BD Biosciences | 561950 | Dilution 1:10; T cell assay |
| CD34 APC Clone 8G12 | BD Biosciences | 340441 | Dilution 1:100; EHT assay |
| CD34 PE-Cy7 Clone 8G12 | BD Biosciences | 348801 | Dilution 1:100; Hemogenic endothelium |
| CD43 FITC Clone 1G10 | BD Biosciences | 555475 | Dilution 1:10; Hemogenic endothelium |
| CD45 APC-Cy7 Clone 2D1 | BD Biosciences | 557833 | Dilution 1:50; T cell assay |
| CD45 eFluor450 Clone 2D1 | BD Biosciences | 642284 | Dilution 1:50; EHT assay |
| CD56 APC Clone B159 | BD Biosciences | 555518 | Dilution 1:20; T cell assay |
| CD73 PE Clone AD2 | BD Biosciences | 550257 | Dilution 1:50; Hemogenic endothelium |
| CD184 APC Clone 12G5 | BD Biosciences | 555976 | Dilution 1:50; Hemogenic endothelium |
| 4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | BD Biosciences | 564907 | Dilution 1:10,000; T cell assay |
| OP9 DL4 cells | Holmes, R. and J.C. Zuniga-Pflucker. Cold Spring Harb Protoc, 2009. 2009(2): p. pdb prot5156 | ||
| MethoCult H4034 | Stemcell Technologies | 4034 | "MeC" |
| Milli-Q water purification system | EMD Millipore | ||
| 5% CO2 incubator | Set at 37 C | ||
| Multigas incubator | Set at 37 C, 5% CO2, 5% O2 | ||
| 6 well tissue culture plate | Corning | 353046 | |
| 24 well tissue culture plate | Corning | 353226 | |
| 6 well low-adherence tissue culture plate | Corning | 3471 | |
| 24 well low-adherence tissue culture plate | Corning | 3473 | |
| 35 mm tissue culture dishes | Corning | 353001 | |
| Blunt-end needle, 16 gauge | Corning | 305198 | |
| 3 cc syringes | Corning | 309657 | |
| 5 mL polypropylene test tube | Corning | 352063 | |
| 5 mL polystyrene test tube | Corning | 352058 | |
| 15 mL polypropylene conical | Corning | 430791 | |
| 50 mL polypropylene conical | Corning | 430921 | |
| 2 mL serological pipette | Corning | 357507 | |
| 5 mL serological pipette | Corning | 4487 | |
| 10 mL serological pipette | Corning | 4488 | |
| 25 mL serological pipette | Corning | 4489 | |
| Cell scrapers | Corning | 353085 | |
| 2.0 mL cryovials | Corning | 430488 | |
| 5 mL test tube with 40 µM cell strainer | Corning | 352235 | |
| 40 µM cell strainer | Corning | 352340 | |
| Cell culture centrifuge | |||
| Biosafety hood | |||
| FACS AriaII or equivalent | |||
| LSRii or equivalent | |||
| FlowJo software | TreeStar | ||
| Water bath | Set at 37 C | ||
| 0.22 µM filtration system | Corning | ||
| Autoclave | |||
| 4 C refrigerator | |||
| -20 C Freezer | |||
| -80 C Freezer |
References
- Thomson, J. A., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282 (5391), 1145-1147 (1998).
- Murry, C. E., Keller, G. Differentiation of embryonic stem cells to clinically relevant populations: lessons from embryonic development. Cell. 132 (4), 661-680 (2008).
- Ditadi, A., Sturgeon, C. M., Keller, G. A view of human haematopoietic development from the Petri dish. Nat Rev Mol Cell Biol. 18 (1), 56-67 (2017).
- Chen, M. J., et al. Erythroid/myeloid progenitors and hematopoietic stem cells originate from distinct populations of endothelial cells. Cell Stem Cell. 9 (6), 541-552 (2011).
- McGrath, K. E., et al. Distinct Sources of Hematopoietic Progenitors Emerge before HSCs and Provide Functional Blood Cells in the Mammalian Embryo. Cell Rep. 11 (12), 1892-1904 (2015).
- McGrath, K. E., et al. A transient definitive erythroid lineage with unique regulation of the beta-globin locus in the mammalian embryo. Blood. 117 (17), 4600-4608 (2011).
- Palis, J., et al. Spatial and temporal emergence of high proliferative potential hematopoietic precursors during murine embryogenesis. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (8), 4528-4533 (2001).
- Palis, J., Robertson, S., Kennedy, M., Wall, C., Keller, G. Development of erythroid and myeloid progenitors in the yolk sac and embryo proper of the mouse. Development. 126 (22), 5073-5084 (1999).
- Boiers, C., et al. Lymphomyeloid contribution of an immune-restricted progenitor emerging prior to definitive hematopoietic stem cells. Cell Stem Cell. 13 (5), 535-548 (2013).
- Bertrand, J. Y., et al. Haematopoietic stem cells derive directly from aortic endothelium during development. Nature. 464 (7285), 108-111 (2010).
- Hadland, B. K., et al. A requirement for Notch1 distinguishes 2 phases of definitive hematopoiesis during development. Blood. 104 (10), 3097-3105 (2004).
- Kumano, K., et al. Notch1 but not Notch2 is essential for generating hematopoietic stem cells from endothelial cells. Immunity. 18 (5), 699-711 (2003).
- Medvinsky, A., Rybtsov, S., Taoudi, S. Embryonic origin of the adult hematopoietic system: advances and questions. Development. 138 (6), 1017-1031 (2011).
- Robert-Moreno, A., Espinosa, L., de la Pompa, J. L., Bigas, A. RBPjkappa-dependent Notch function regulates Gata2 and is essential for the formation of intra-embryonic hematopoietic cells. Development. 132 (5), 1117-1126 (2005).
- Chadwick, K., et al. Cytokines and BMP-4 promote hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells. Blood. 102 (3), 906-915 (2003).
- Davis, R. P., et al. Targeting a GFP reporter gene to the MIXL1 locus of human embryonic stem cells identifies human primitive streak-like cells and enables isolation of primitive hematopoietic precursors. Blood. 111 (4), 1876-1884 (2008).
- Kaufman, D. S., Hanson, E. T., Lewis, R. L., Auerbach, R., Thomson, J. A. Hematopoietic colony-forming cells derived from human embryonic stem cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 98 (19), 10716-10721 (2001).
- Kennedy, M., et al. T lymphocyte potential marks the emergence of definitive hematopoietic progenitors in human pluripotent stem cell differentiation cultures. Cell Rep. 2 (6), 1722-1735 (2012).
- Ledran, M. H., et al. Efficient hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells on stromal cells derived from hematopoietic niches. Cell Stem Cell. 3 (1), 85-98 (2008).
- Ng, E. S., et al. The primitive streak gene Mixl1 is required for efficient haematopoiesis and BMP4-induced ventral mesoderm patterning in differentiating ES cells. Development. 132 (5), 873-884 (2005).
- Pick, M., Azzola, L., Mossman, A., Stanley, E. G., Elefanty, A. G. Differentiation of human embryonic stem cells in serum-free medium reveals distinct roles for bone morphogenetic protein 4, vascular endothelial growth factor, stem cell factor, and fibroblast growth factor 2 in hematopoiesis. Stem Cells. 25 (9), 2206-2214 (2007).
- Vodyanik, M. A., Bork, J. A., Thomson, J. A., Slukvin, I. I. Human embryonic stem cell-derived CD34+ cells: efficient production in the coculture with OP9 stromal cells and analysis of lymphohematopoietic potential. Blood. 105 (2), 617-626 (2005).
- Vodyanik, M. A., Thomson, J. A., Slukvin, I. I. Leukosialin (CD43) defines hematopoietic progenitors in human embryonic stem cell differentiation cultures. Blood. 108 (6), 2095-2105 (2006).
- Yu, C., et al. Retinoic acid enhances the generation of hematopoietic progenitors from human embryonic stem cell-derived hemato-vascular precursors. Blood. 116 (23), 4786-4794 (2010).
- Zambidis, E. T., Peault, B., Park, T. S., Bunz, F., Civin, C. I. Hematopoietic differentiation of human embryonic stem cells progresses through sequential hematoendothelial, primitive, and definitive stages resembling human yolk sac development. Blood. 106 (3), 860-870 (2005).
- Sturgeon, C. M., Ditadi, A., Awong, G., Kennedy, M., Keller, G. Wnt Signaling Controls the Specification of Definitive and Primitive Hematopoiesis From Human Pluripotent Stem Cells. Nat Biotechnol. 32 (6), 554-561 (2014).
- Choi, K. D., et al. Identification of the hemogenic endothelial progenitor and its direct precursor in human pluripotent stem cell differentiation cultures. Cell Rep. 2 (3), 553-567 (2012).
- Ditadi, A., et al. Human Definitive Haemogenic Endothelium and Arterial Vascular Endothelium Represent Distinct Lineages. Nat Cell Biol. 17 (5), 580-591 (2015).
- Conner, D. A. Mouse embryo fibroblast (MEF) feeder cell preparation. Curr Protoc Mol Biol. Chapter 23, (2001).
- La Motte-Mohs, R. N., Herer, E., Zuniga-Pflucker, J. C. Induction of T-cell development from human cord blood hematopoietic stem cells by Delta-like 1 in vitro. Blood. 105 (4), 1431-1439 (2005).
- Schmitt, T. M., et al. Induction of T cell development and establishment of T cell competence from embryonic stem cells differentiated in vitro. Nat Immunol. 5 (4), 410-417 (2004).
- Holmes, R., Zuniga-Pflucker, J. C. The OP9-DL1 system: generation of T-lymphocytes from embryonic or hematopoietic stem cells in vitro. Cold Spring Harb Protoc. 2009 (2), (2009).
- Polychronopoulos, P., et al. Structural basis for the synthesis of indirubins as potent and selective inhibitors of glycogen synthase kinase-3 and cyclin-dependent kinases. J Med Chem. 47 (4), 935-946 (2004).
- Chen, B., et al. Small molecule-mediated disruption of Wnt-dependent signaling in tissue regeneration and cancer. Nat Chem Biol. 5 (2), 100-107 (2009).
- Sugimura, R., et al. Haematopoietic stem and progenitor cells from human pluripotent stem cells. Nature. , (2017).
- Ohgushi, M., et al. Molecular pathway and cell state responsible for dissociation-induced apoptosis in human pluripotent stem cells. Cell Stem Cell. 7 (2), 225-239 (2010).
- Peschle, C., et al. Embryonic—-Fetal Hb switch in humans: studies on erythroid bursts generated by embryonic progenitors from yolk sac and liver. Proc Natl Acad Sci U S A. 81 (8), 2416-2420 (1984).
