Transplantatie-geschikt retinale Pigment epitheel Tissue Engineering afgeleid van menselijke embryonale stamcellen
Summary
Beschrijven we een methode om ingenieur een retinale weefsel samengesteld van retinale pigment epitheliale cellen afgeleid van menselijke pluripotente stamcellen gekweekt op de top van menselijke vruchtwater membranen en de voorbereiding voor de transplantatie in diermodellen.
Abstract
Verscheidene pathologische condities van het oog van invloed op de functionaliteit en/of het voortbestaan van de retinale pigment epitheel (RPE). Het gaat hierbij om sommige vormen van retinitis pigmentosa (RP) en leeftijdsgebonden Macula Degeneratie (AMD). Celtherapie is een van de meest veelbelovende therapeutische strategieën voorgesteld om te genezen van deze ziekten, met al bemoedigende voorlopige resultaten bij de mens. Echter, de methode voor de bereiding van de prothese heeft een grote invloed op haar functionele uitkomsten in vivo. Inderdaad, RPE cellen als een celsuspensie geënt zijn minder functioneel dan dezelfde cellen getransplanteerd als retinale weefsel. Hierin beschrijven we een eenvoudige en reproduceerbare methode ingenieur RPE weefsel en de voorbereiding voor de implantatie van een in vivo . RPE cellen afgeleid van menselijke pluripotente stamcellen worden overgeënt op een biologische drager, het menselijke vruchtwater membraan (hAM). Deze steun heeft vergeleken met kunstmatige steigers, het voordeel van het hebben van een kelder membraan dat dicht bij de de Bruch membraan waar endogene RPE cellen zijn gekoppeld. Echter, de manipulatie is niet gemakkelijk, en we verschillende strategieën voor de juiste kweken en voorbereiding voor het enten van in vivoontwikkeld.
Introduction
RPE is van cruciaal belang voor de overleving en de homeostase van de researchdieren waarmee het strak gekoppeld1is. Verscheidene pathologische condities wijzigen zijn functionaliteit en/of overleving, met inbegrip van RP en AMD.
RP is een groep van erfelijke monogeen mutaties die invloed hebben op de functies van researchdieren of RPE cellen of beide2,3. Geschat wordt dat mutaties die van invloed zijn speciaal de RPE goed voor 5% van RP2cellen. AMD is een andere aandoening waar de RPE laag wordt gewijzigd, toonaangevende uiteindelijk tot centrale visie verlies. AMD wordt veroorzaakt door de complexe interacties tussen genetische en omgevingsfactoren en beïnvloedt de oudere4,5,6. Volgens de prognoses, zal AMD een zorg van 196 miljoen patiënten wereldwijd door 20207zijn. Voor deze stoornissen, geen doeltreffende behandeling bestaat, en een van de voorgestelde strategieën transplantatie van nieuwe RPE cellen ter compensatie van de doden/deactiveren bestaande RPE cellen8.
De wijze van formulering van het eindproduct te worden geënt is essentieel om ervoor te zorgen de beste functionele resultaten. RPE cellen geïnjecteerd als een celsuspensie, ondanks het feit dat een gemakkelijke en eenvoudige methode van levering, bezorgdheid met betrekking tot hun voortbestaan, integratie en functionaliteit9,10,11,12 , 13. wetenschappers ontwikkelen nu meer complexe formuleringen te leveren ontworpen retinale weefsel9,13,14,15,16. In dit verband ontwikkelden we een originele methode voor het genereren van in vitro RPE weefsel, dat kan worden gebruikt voor transplantatie9.
RPE celbanken afgeleid van menselijke embryonale stamcellen (ES) cellen worden in dit protocol gebruikt. Echter alternatief RPE cel banken uit andere cel bronnen (mens-geïnduceerde pluripotente stamcellen, primaire RPE cellen, enz.) en gedifferentieerd met een andere methode zijn ook geschikt voor dit protocol. Het bevat gerichte differentiatie protocollen met behulp van cytokines en/of kleine moleculen17,18,19,20,21,22.
Om te worden getransplanteerd, moet de gemanipuleerde weefsel worden voorbereid op een steiger. In de afgelopen jaren, werden verschillende steigers ontwikkeld gebaseerd op een polymeer of op een matrix van biologische herkomst13,23,24. Hier, de biologische substraat gebruikt is de hAM, maar andere substraten, zoals kale Bruch membranen, kunnen worden uitgevoerd. De hierin beschreven methode heeft het voordeel van het gebruik van een biologische steiger die meer relevant is voor het RPE inheemse milieu.
Menselijke ES cel-afgeleide RPE cellen worden gekweekt ten minste 4 weken om volledig worden georganiseerd als een geplaveide enkelgelaagde. In dat stadium, het epithelium verkregen is functioneel en gepolariseerde9. Ten slotte, zoals dit weefsel rimpels gemakkelijk, het is ingebed in een dunne laag van een hydrogel vervoerder te geven meer stevigheid en elasticiteit en te beveiligen tijdens de injectie-procedure. Dit product wordt vervolgens opgeslagen bij 4 ° C tot enten.
Protocol
Representative Results
Discussion
We beschreven een methode voor de cultuur van RPE cellen op een biologische steiger en de voorbereiding voor de implantatie in diermodellen. Een van de essentiële stappen van het protocol is het onderhoud van de oriëntatie van de hAM langs de procedure tot haar opneming in gelatine. Inderdaad, de inheemse epitheel van het membraan is verwijderd en haar kelder membraan wordt blootgesteld9. De RPE-cellen moeten worden ontpit op de top van dit membraan kelder. Bij de voorbereiding voor het insluite…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank Jérôme Larghero en Valérie Vanneaux (Hôpital Saint Louis, Parijs, Frankrijk) voor hun inbreng tijdens het opzetten van de hier beschreven methode.
Dit werk werd gesteund door subsidies van de ANR [GPiPS: ANR-2010-RFCS005; SightREPAIR: ANR-16-CE17-008-02], de Fondation pour la Recherche Médicale [Bio-ingenieurswetenschappen programma – DBS20140930777] en van LABEX blazen [ANR-10-LABX-73] Olivier Goureau en Christelle Monville. Het werd gesteund door NeurATRIS, een translationeel onderzoeksinfrastructuur (Investissements d’Avenir) voor biotherapies in de neurowetenschappen [ANR-11-INBS-0011] en INGESTEM, de nationale infrastructuur (Investissements d’Avenir) engineering voor pluripotente en gedifferentieerde stamcellen [ANR-11-INBS-000] te Christelle Monville. Karim Ben M’Barek werd gesteund door beurzen van DIM Stempole en LABEX blazen [ANR-10-LABX-73]. -Stam maakt deel uit van het Biotherapies Instituut voor zeldzameziekten ondersteund door de Association Française contre les myopathieën (AFM)-Téléthon.
Materials
| Sterile biosafety cabinet | TechGen International | Not applicable | |
| Liquid waste disposal system for aspiration | Vacuubrand | BVC 21 | |
| CO2-controlled +37 °C cell incubator | Thermo Electron Corporation | BVC 21 NT | |
| 200 µL pipette: P200 | Gilson | F144565 | |
| 1 mL pipette: P1000 | Gilson | F144566 | |
| Pipet aid | Drummond | 75001 | |
| +4 °C refrigerator | Liebherr | Not applicable | |
| Vibratome | Leica | VT1000S | |
| Fine scissors | WPI | 501758 | |
| Forceps (x2) | WPI | 555227F | |
| Water bath | Grant subaqua pro | SUB6 | |
| Precision balance | Sartorius | CP225D | |
| Centrifuge | Eppendorff | 5804 | |
| Microscope | Olympus | SC30 | |
| Horizontal Rocking Shaker | IKA-WERKE | IKA MTS 214D | |
| Vortex | VWR | LAB DANCER S40 | |
| Disposable Scalpel | WPI | 500351 | |
| plastic paraffin film | VWR | PM992 | |
| 0.200 µm single use syringe filter | SARTORIUS | 16532 | |
| Syringe without needle 50 mL | Dutscher | 50012 | |
| Bottles 250mL | Dutscher | 28024 | |
| 15 mL sterile Falcon tubes | Dutscher | 352097 | |
| 50 mL sterile Falcon tubes | Dutscher | 352098 | |
| culture insert | Scaffdex | C00001N | |
| 60 mm cell culture disches: B6 | Dutscher | 353004 | |
| 12 well cell culture plate | Corning | 3512 | |
| 6-well culture plates | Corning | 3506 | |
| Razor blades | Ted Pella, Inc | 121-9 | |
| Cyanoacrylate glue | Castorama | 3178040670105 | |
| PBS 1X (500 mL) | Sigma | D8537 | |
| Thermolysine | Roche | 5339880001 | |
| DMEM, high glucose, GlutaMAX | Invitrogen | 61965-026 | |
| KSR CTS (KnockOut SR XenoFree CTS) | Invitrogen | 12618-013 | |
| MEM-NEAA (100X) | Invitrogen | 11140-035 | |
| b-mercaptoethanol (50 mM) | Invitrogen | 31350-010 | |
| Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15140122 | |
| CO2-independent medium | GIBCO | 18045-054 | |
| Gelatin | MERCK | 104078 | |
| human amniotic membrane | Tissue bank St Louis hospital (Paris, France) | Not applicable |
References
- Strauss, O. The retinal pigment epithelium in visual function. Physiological Reviews. 85 (3), 845-881 (2005).
- Hartong, D. T., Berson, E. L., Dryja, T. P. Retinitis pigmentosa. Lancet. 368 (9549), 1795-1809 (2006).
- Daiger, S. P., Sullivan, L. S., Bowne, S. J. Genes and mutations causing retinitis pigmentosa. Clinical Genetics. 84 (2), 132-141 (2013).
- Gehrs, K. M., Anderson, D. H., Johnson, L. V., Hageman, G. S. Age-related macular degeneration–emerging pathogenetic and therapeutic concepts. Annals of Medicine. 38 (7), 450-471 (2006).
- Swaroop, A., Chew, E. Y., Rickman, C. B., Abecasis, G. R. Unraveling a multifactorial late-onset disease: from genetic susceptibility to disease mechanisms for age-related macular degeneration. Annual Review of Genomics and Human Genetics. 10, 19-43 (2009).
- Khandhadia, S., Cherry, J., Lotery, A. J. Age-related macular degeneration. Advances in Experimental Medicine and Biology. 724, 15-36 (2012).
- Wong, W. L., et al. Global prevalence of age-related macular degeneration and disease burden projection for 2020 and 2040: a systematic review and meta-analysis. The Lancet. Global Health. 2 (2), e106-e116 (2014).
- Ben M’Barek, K., Regent, F., Monville, C. Use of human pluripotent stem cells to study and treat retinopathies. World Journal of Stem Cells. 7 (3), 596-604 (2015).
- Ben M’Barek, K., et al. Human ESC-derived retinal epithelial cell sheets potentiate rescue of photoreceptor cell loss in rats with retinal degeneration. Science Translational Medicine. 9 (421), (2017).
- Schwartz, S. D., et al. Embryonic stem cell trials for macular degeneration: a preliminary report. Lancet. 379 (9817), 713-720 (2012).
- Schwartz, S. D., et al. Human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium in patients with age-related macular degeneration and Stargardt’s macular dystrophy: Follow-up of two open-label phase 1/2 studies. Lancet. 385 (9967), 509-516 (2015).
- Hsiung, J., Zhu, D., Hinton, D. R. Polarized human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelial cell monolayers have higher resistance to oxidative stress-induced cell death than nonpolarized cultures. Stem Cells Translational Medicine. 4 (1), 10-20 (2015).
- Diniz, B., et al. Subretinal implantation of retinal pigment epithelial cells derived from human embryonic stem cells: improved survival when implanted as a monolayer. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 54 (7), 5087-5096 (2013).
- Kamao, H., et al. Characterization of human induced pluripotent stem cell-derived retinal pigment epithelium cell sheets aiming for clinical application. Stem Cell Reports. 2 (2), 205-218 (2014).
- Mandai, M., et al. Autologous induced stem-cell-derived retinal cells for macular degeneration. The New England Journal of Medicine. 376 (11), 1038-1046 (2017).
- Thomas, B. B., et al. Survival and functionality of hESC-derived retinal pigment epithelium cells cultured as a monolayer on polymer substrates transplanted in RCS rats. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 57 (6), 2877-2887 (2016).
- Borooah, S., et al. Using human induced pluripotent stem cells to treat retinal disease. Progress in Retinal and Eye Research. 37, 163-181 (2013).
- Leach, L. L., Clegg, D. O. Concise review: Making stem cells retinal: Methods for deriving retinal pigment epithelium and implications for patients with ocular disease. Stem Cells. 33 (8), 2363-2373 (2015).
- Reichman, S., et al. From confluent human iPS cells to self-forming neural retina and retinal pigmented epithelium. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 111 (23), 8518-8523 (2014).
- Lustremant, C., et al. Human induced pluripotent stem cells as a tool to model a form of Leber congenital amaurosis. Cellular Reprogramming. 15 (3), 233-246 (2013).
- Reichman, S., et al. Generation of storable retinal organoids and retinal pigmented epithelium from adherent human iPS Cells in xeno-free and feeder-free conditions. Stem Cells. 35 (5), 1176-1188 (2017).
- Maruotti, J., et al. Small-molecule-directed, efficient generation of retinal pigment epithelium from human pluripotent stem cells. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (35), 10950-10955 (2015).
- Stanzel, B. V., et al. Human RPE stem cells grown into polarized RPE monolayers on a polyester matrix are maintained after grafting into rabbit subretinal space. Stem Cell Reports. 2 (1), 64-77 (2014).
- Ilmarinen, T., et al. Ultrathin polyimide membrane as cell carrier for subretinal transplantation of human embryonic stem cell derived retinal pigment epithelium. PloS One. 10 (11), e0143669 (2015).
- Thumann, G., Schraermeyer, U., Bartz-Schmidt, K. U., Heimann, K. Descemet’s membrane as membranous support in RPE/IPE transplantation. Current Eye Research. 16 (12), 1236-1238 (1997).
- Kiilgaard, J. F., Scherfig, E., Prause, J. U., la Cour, M. Transplantation of amniotic membrane to the subretinal space in pigs. Stem Cells International. 2012, 716968 (2012).
- Capeans, C., et al. Amniotic membrane as support for human retinal pigment epithelium (RPE) cell growth. Acta Ophthalmologica Scandinavica. 81 (3), 271-277 (2003).
- Ohno-Matsui, K., et al. The effects of amniotic membrane on retinal pigment epithelial cell differentiation. Molecular Vision. 11, 1-10 (2005).
- Paolin, A., et al. Amniotic membranes in ophthalmology: long term data on transplantation outcomes. Cell and Tissue Banking. 17 (1), 51-58 (2016).
- Hu, Y., et al. A novel approach for subretinal implantation of ultrathin substrates containing stem cell-derived retinal pigment epithelium monolayer. Ophthalmic Research. 48 (4), 186-191 (2012).
- Pennington, B. O., Clegg, D. O. Pluripotent stem cell-based therapies in combination with substrate for the treatment of age-related macular degeneration. Journal of Ocular Pharmacology and Therapeutics: The Official Journal of the Association. 32 (5), 261-271 (2016).
- Song, M. J., Bharti, K. Looking into the future: Using induced pluripotent stem cells to build two and three dimensional ocular tissue for cell therapy and disease modeling. Brain Research. 1638 (Pt A), 2-14 (2016).
- Ramsden, C. M., et al. Stem cells in retinal regeneration: Past, present and future). Development. 140 (12), 2576-2585 (2013).
- da Cruz, L., et al. Phase 1 clinical study of an embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelium patch in age-related macular degeneration. Nature Biotechnology. 36 (4), 328-337 (2018).
- Kashani, A. H., et al. A bioengineered retinal pigment epithelial monolayer for advanced, dry age-related macular degeneration. Science Translational Medicine. 10 (435), (2018).
- Binder, S., Stanzel, B. V., Krebs, I., Glittenberg, C. Transplantation of the RPE in AMD. Progress in Retinal and Eye Research. 26 (5), 516-554 (2007).
- Dunn, K. C., Aotaki-Keen, A. E., Putkey, F. R., Hjelmeland, L. M. ARPE-19, a human retinal pigment epithelial cell line with differentiated properties. Experimental Eye Research. 62 (2), 155-169 (1996).
- Salero, E., et al. Adult human RPE can be activated into a multipotent stem cell that produces mesenchymal derivatives. Cell Stem Cell. 10 (1), 88-95 (2012).
