El objetivo de este artículo es proporcionar un enfoque estandarizado para inducir la diferenciación de progenitores hepáticos humanos a partir de células madre pluripotentes. El desarrollo de este procedimiento con formulaciones de medios listas para usar ofrece al usuario un sistema fácil para generar células hepáticas humanas para la investigación biomédica y la traducción.
La enfermedad hepática es un problema de salud mundial en aumento. Si bien el trasplante de hígado es un modo efectivo de terapia, la mortalidad de los pacientes ha aumentado debido a la escasez de disponibilidad de órganos de donantes. La escasez de órganos también afecta el suministro rutinario de hepatocitos humanos para la investigación básica y la clínica. Por lo tanto, el desarrollo de fuentes renovables de células progenitoras del hígado humano es deseable y es el objetivo de este estudio. Para poder generar y desplegar eficazmente progenitores hepáticos humanos a gran escala, se desarrolló un sistema de diferenciación de progenitores hepáticos reproducibles. Este protocolo ayuda a la reproducibilidad experimental entre usuarios en una variedad de formatos de software de cultivo celular y permite diferenciaciones utilizando líneas de células madre pluripotentes embrionarias humanas e inducidas. Estas son ventajas importantes sobre los sistemas de diferenciación actuales que mejorarán la investigación básica y pueden allanar el camino hacia el desarrollo de productos clínicos.
La enfermedad hepática representa un desafío de salud global, causando aproximadamente 2 millones de muertes por año en todo el mundo1. Aunque existen varios sistemas modelo para estudiar enfermedades hepáticas e intervenir clínicamente, el uso rutinario de sistemas basados en células está limitado por inconvenientes significativos (para una revisión ver Szkolnicka et al.2). Los métodos avanzados de cultivo de células madre pluripotentes humanas (hPSC) y de diferenciación de células somáticas representan tecnologías prometedoras para desarrollar herramientas para la investigación biomédica básica y fuentes renovables de células diferenciadas para la clínica3,4.
Hasta la fecha, se han desarrollado múltiples protocolos para la diferenciación de células similares a hepatocitos (HLC)5,6,7,8. Estos protocolos intentan recrear aspectos del desarrollo del hígado humano mediante el uso de una combinación de moléculas pequeñas y factores de crecimiento9,10. La mayoría de los protocolos consisten en un proceso de diferenciación gradual, donde las hPSC se preparan para el endodermo definitivo, seguido de la especificación de progenitor hepático11,12,13y terminando con la especificación HLC. Los HHLC producidos por estos protocolos muestran una mezcla de fenotipos fetales y adultos. Esto incluye la expresión de alfa fetoproteína (AFP), como marcadores de hepatocitos como HNF4α y albúmina (ALB), así como la capacidad de metabolización de fármacos14,15,16. Entre laboratorios, la diferenciación de HLC puede variar; por lo tanto, es necesario el desarrollo de protocolos estandarizados. Esto permitirá a los investigadores generar y aplicar eficazmente HHLC derivados de células madre a gran escala para la investigación básica y clínica.
Se desarrolló un sistema de diferenciación de progenitores hepáticos que se puede aplicar tanto a líneas de células madre embrionarias humanas como pluripotentes inducidas utilizando pautas fáciles de seguir. Este procedimiento produce poblaciones homogéneas de progenitores hepáticos en diferentes formatos de cultivo, que van desde matraces de cultivo celular hasta placas de 96 pomos. A continuación se proporciona el protocolo para producir progenitores hepáticos derivados de células madre en formatos de 24 y 96 pozos.
La densidad celular utilizada en el protocolo presentado a continuación se especifica para un pozo de una placa de 24 y 96 pozos respectivamente (ver Tabla 1). Se requiere la optimización del número de células de partida para los diferentes formatos de placas de cultivo celular y líneas celulares. La densidad de celdas de partida sugerida para la optimización del protocolo es de 2 x10 5 celdas/cm2. Para la optimización de la densidad, se pueden probar varias densidades celulares agregando ± 50,000 celdas / cm2 a la vez.
La generación de células progenitoras hepáticas humanas a partir de células madre pluripotentes a gran escala podría representar una alternativa prometedora al material derivado de cadáveres. La estandarización y reproducibilidad de protocolos son clave para garantizar la traducción de la tecnología y el impacto en la investigación biomédica. Para abordar esto, el trabajo previo se ha centrado en desarrollar un protocolo de diferenciación escalonada a partir de hESC e iPSC utilizando aditivos y matrices definidos15,23,24,25,26,27,28. De este manera, se ha mejorado el fenotipo y la reproducibilidad de los hepatocitos, permitiendo la semiautomatización del proceso de diferenciación19. El sistema presentado se ve reforzado por su combinación con medios de cultivo celular listos para usar y un sistema de diferenciación de hepatocitos fácil.
Anteriormente, se destacaba la densidad celular pluripotente previa al inicio del protocolo de diferenciación como variable clave para conseguir una población homogénea de células progenitoras hepáticas26. Utilizando este procedimiento más refinado, es posible generar un gran número de progenitores hepáticos derivados de células madre de manera gradual utilizando un rango de densidades celulares iniciales (Tabla 1). En el día 5, la inducción definitiva del endodermo fue validada por tinción Sox17(Figura 3). La diferenciación eficiente y robusta en endodermo definitivo se logró con las líneas ESC e iPSC probadas, con más del 80% expresando Sox17(Figura 3). En el día 10, los progenitores hepáticos mostraron una morfología uniforme similar a un adoquín, y los marcadores de células madre hepáticas fueron altamente enriquecidos tanto para AFP como para HNF4α (>86%, Figura 4). Utilizando una combinación de tecnologías manuales y semiautomatizadas fue posible realizar la diferenciación en múltiples formatos de placas19.
En su forma actual, la diferenciación celular es adecuada para la experimentación in vitro. Sin embargo, es probable que se requiera enriquecimiento celular antes de la aplicación clínica para garantizar que una población homogénea de progenitores hepáticos esté preparada para la entrega.
En conclusión, el protocolo descrito aquí proporciona al campo un enfoque estandarizado para producir progenitores hepáticos a gran escala. El trabajo futuro se centrará en la producción de un nuevo medio para la posterior diferenciación, maduración y mantenimiento de HLC.
The authors have nothing to disclose.
Este estudio fue apoyado con premios de la Asociación de Formación Doctoral de MRC (MR/K501293/1), la Plataforma de Medicina Regenerativa del Reino Unido (MRC MR/L022974/1 y MR/K026666/1), la Oficina científica principal (TCS/16/37).
DPBS with Calcium and Magnesium | ThermoFisher | 14040133 | |
Gentle cell dissociation reagent | STEMCELL Technologies | 7174 | |
Hoechst 33342 Ready Flow Reagent | thermofisher | R37165 | |
Human Recombinant Laminin 521 | BioLamina | LN521-02 | |
Human Serum Albumin ELISA | Alpha Diagnostics | 1190 | |
Human Serum Alpha Fetoprotein ELISA | Alpha Diagnostics | 500 | |
mTeSR1 medium | STEMCELL Technologies | 5850 | |
Operetta High-Content Imaging System | PerkinElmer | HH12000000 | |
PBS, no calcium, no magnesium | ThermoFisher | 14190250 | |
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) | Life Technologies | 15140122 | |
Rho-associated kinase (ROCK)inhibitor Y27632 | Sigma-Aldrich | Y0503-1MG | |
STEMdiff Definitive Endoderm Supplement CJ | STEMCELL Technologies | ||
STEMdiff Definitive Endoderm Supplement MR | STEMCELL Technologies | ||
STEMdiff Endoderm Basal Medium | STEMCELL Technologies | ||
STEMdiff Hepatic Progenitor Medium | STEMCELL Technologies | ||
TWEEN 20 | Sigma-Aldrich | P9416 | |
Antibodies | |||
Albumin | Sigma-Aldrich | A6684 | 1:200 (mouse) |
Alpha-fetoprotein | Sigma-Aldrich | A8452 | 1:400 (mouse) |
HNF-4α | Santa Cruz | sc-8987 | 1:400 (rabbit) |
IgG | DAKO | 1:400 | |
Sox17 | R&D Systems, Inc. | AF1924 | 1:200 (Goat) |
Software | |||
Columbus Image Data Storage and Analysis system | PerkinElmer |