Différenciation des monocytes en macrophages phénotypiquement distincts après traitement par des exosomes dérivés de cellules souches de sang de cordon humain (CB-SC)-Dérivés
Summary
L’application Exosome est un outil émergent pour le développement de médicaments et la médecine régénérative. Nous établissons un protocole d’isolement exosome avec une grande pureté pour isoler les exosomes de nouvelles cellules souches identifiées appelées CB-SC pour les études mécanistes. Nous coculture également cb-SC-dérivé exosomes avec des monocytes humains, conduisant à leur différenciation en macrophages phénotypiquement distincts.
Abstract
La thérapie d’éducateur de cellules souches (SCE) est une nouvelle approche clinique pour le traitement du diabète de type 1 et d’autres maladies auto-immunes. La thérapie de SCE fait circuler les cellules mononucléaires de sang du patient isolé (par exemple, lymphocytes et monocytes) par une machine d’apheresis, co-cultures les cellules mononucléaires de sang du patient avec des cellules souches adhérentes dérivées du sang de cordon ombilical (CB-SC) dans le dispositif de SCE, et retourne alors ces cellules immunitaires « instruites » au sang du patient. Les exosomes sont des vésicules extracellulaires de taille nanométrique entre 30\u2012150 nm existant dans tous les médias biofluidés et de culture cellulaire. Pour explorer davantage les mécanismes moléculaires sous-jacents à la thérapie SCE et déterminer les actions des exosomes libérés par CB-SC, nous étudions quelles cellules phagocytisent ces exosomes pendant le traitement par CB-SC. En co-culturant les exosomes dérivés du CB-SC étiquetés PAR Dio avec les cellules mononucléaires sanguines périphériques humaines (PBMC), nous avons constaté que les exosomes dérivés du CB-SC étaient principalement pris en charge par des monocytes humains CD14 positifs, conduisant à la différenciation des monocytes en macrophages de type 2 (M2), avec morphologie spindle-like et expression des marqueurs moléculaires de surface associés à M2. Ici, nous présentons un protocole pour l’isolement et la caractérisation des exosomes cb-SC-dérivés et le protocole pour la co-culture des exosomes CB-SC-dérivés avec les monocytes humains et la surveillance de la différenciation M2.
Introduction
Les cellules souches du sang de cordon ombilical (CB-SC) sont un type unique de cellules souches identifiées à partir du sang de cordon ombilical humain et se distinguent d’autres types connus de cellules souches telles que les cellules souches mésenchymales (MSC) et les cellules souches hématopoïétiques (HSC)1. En fonction de leurs propriétés uniques de modulation immunitaire et de leur capacité à adhérer étroitement à la surface des boîtes de Pétri, nous avons développé une nouvelle technologie désignée comme thérapie d’éducateur de cellules souches (SCE) dans les essaiscliniques 2,3. Pendant la thérapie de SCE, les cellules mononucléaires périphériques de sang d’un patient (PBMC) sont rassemblées et distribuées par un séparateur cellulaire et co-cultivés avec le CB-SC adhérent in vitro. Ces cellules « instruites » (CB-SC-traitées PBMC) sont alors retournées à la circulation du patient dans un système à boucle fermée. Les essais cliniques ont déjà démontré l’innocuité clinique et l’efficacité de la thérapie SCE pour le traitement des maladies auto-immunes, y compris le diabète de type 1 (T1D)2,4 et l’alopécie areata (AA)5.
Les exosomes sont une famille de nanoparticules dont le diamètre est de 30\u2012150 nm et existent dans tous les médias biofluides et de culture cellulaire6. Les exosomes sont enrichis de nombreuses molécules bioactives, y compris les lipides, les ARNM, les protéines et les microARN (miARN), et jouent un rôle important dans les communications cellule à cellule. Ces derniers temps, les exosomes sont devenus plus attrayants pour les chercheurs et les compagnies pharmaceutiques en raison de leur potentiel thérapeutique dans les cliniques7,8,9. Récemment, nos études mécanistes ont démontré que les exosomes CB-SC-libérés contribuent à la modulation immunisée de la thérapie de SCE10.
Ici, nous décrivons le protocole pour explorer le mécanisme de la thérapie de SCE ciblant des monocytes par des exosomes CB-SC-libérés. Premièrement, les exosomes libérés par CB-SC ont été isolés des supports conditionnés dérivés du CB-SC à l’aide de méthodes d’ultracentrifugation et validés par cytométrie d’écoulement, tache occidentale (WB) et diffusion dynamique de la lumière (DLS). Deuxièmement, les exosomes dérivés de CB-SC ont été étiquetés avec un colorant lipophile fluorescent vert : Dio. Troisièmement, ils ont été co-cultivés avec PBMC pour examiner les pourcentages positifs d’exosomes dérivés de CB-SC étiquetés Dio aux différentes sous-populations de PBMC par cytométrie de flux. Ce protocole fournit des conseils pour étudier l’action des exosomes sous-jacents à la modulation immunitaire des cellules souches.
Protocol
Representative Results
Discussion
L’application d’exosomes est un domaine émergent pour le diagnostic clinique, le développement de médicaments et la médecine régénérative. Ici, nous présentons un protocole détaillé concernant la préparation des exosomes CB-SC-dérivés et l’étude fonctionnelle des exosomes sur la différenciation des monocytes humains. Le protocole actuel a démontré que les exosomes fonctionnels CB-SC-dérivés sont isolés par centrifugation séquentielle et ultracentrifugation avec la pureté élevée et présentan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous sommes reconnaissants à MM. Poddar et Ludwig pour leur généreux soutien financier par l’intermédiaire de la Fondation Hackensack UMC. Nous apprécions Laura Zhao pour le montage en anglais.
Materials
| 1.5 ml Microcentrifuge tube | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
| 15 ml conical tube | Falcon | 352196 | |
| 24-well plate | Falcon | 351147 | Non-tissue culture plate |
| 3,3'-Diostadecyloxacarbocyanine perchlorate(Dio) | Millipore sigma | D4292-20MG | Store at 4 °C |
| 300 Mesh Grids | Ted Pella | 1GC300 | |
| 50 mL conical tube | Falcon | 352070 | |
| 6-well plate | Falcon | 353046 | Tissue culture plate |
| 96-well plate | Falcon | 353072 | Tissue culture plate |
| ACK Lysis Buffer | Lonza | 10-548E | 100 ml |
| Amicon-15 10kDa Centrifuge Fliter Unit | Millipore sigma | UFC901024 | |
| Anti-Human Alix | Biolegend | 634501 | store at 4 °C, RRID: AB_2268110 |
| Anti-Human Calnexin | Biolegend | 699401 | store at 4 °C, RRID: AB_2728519 |
| Anti-Human CD11c antibody, Pe-Cy7 | BD Bioscience | 561356 | store at 4 °C, RRID: AB_10611859 |
| Anti-Human CD14 antibody, Karma Orange | Beckman Coulter | B36294 | store at 4 °C, RRID: AB_2728099 |
| Anti-Human CD163 antibody, PE | BD Bioscience | 556018 | store at 4 °C, RRID: AB_396296 |
| Anti-Human CD19 antibody, PC5 | Beckman Coulter | IM2643U | store at 4 °C, RRID: AB_131160 |
| Anti-Human CD206 antibody, FITC | BD Bioscience | 551135 | store at 4 °C, RRID: AB_394065 |
| Anti-Human CD209 antibody, Brilliant Violet 421 | BD Bioscience | 564127 | store at 4 °C, RRID: AB_2738610 |
| Anti-Human CD270 antibody, PE | Biolegend | 318806 | store at 4 °C, RRID: AB_2203703 |
| Anti-Human CD3 antibody, Pacfic Blue | Biolegend | 300431 | store at 4 °C, RRID: AB_1595437 |
| Anti-Human CD34 antibody, APC | Beckman Coulter | IM2427U | store at 4 °C, RRID: N/A |
| Anti-Human CD4 antibody, APC | BD Bioscience | 555349 | store at 4 °C, RRID: AB_398593 |
| Anti-Human CD45 antibody, Pe-Cy7 | Beckman Coulter | IM3548U | store at 4 °C, RRID: AB_1575969 |
| Anti-Human CD56 antibody, PE | Beckman Coulter | IM2073U | store at 4 °C, RRID: AB_131195 |
| Anti-Human CD63 antibody,PE | BD Bioscience | 561925 | store at 4 °C, RRID: AB_10896821 |
| Anti-Human CD8 antibody, APC-Alexa Fluor 750 | Beckman Coulter | A94686 | store at 4 °C, RRID: N/A |
| Anti-Human CD80 antibody, APC | Beckman Coulter | B30642 | store at 4 °C, RRID: N/A |
| Anti-Human CD81 antibody, FITC | BD Bioscience | 561956 | store at 4 °C, RRID: AB_394049 |
| Anti-Human CD86 antibody, APC-Alexa Fluor 750 | Beckman Coulter | B30646 | store at 4 °C, RRID: N/A |
| Anti-Human CD9 antibody, FITC | ThermoScientic | MA5-16860 | store at 4 °C, RRID: AB_2538339 |
| Anti-Human Galectin 9 antibody, Brilliant Violet 421 | Biolegend | 348919 | store at 4 °C, RRID: AB_2716134 |
| Anti-Human OCT3/4 antibody, eFluor660 | ThermoScientic | 50-5841-82 | store at 4 °C, RRID: AB_11218882 |
| Anti-Human SOX2 antibody, Alexa Fluor 488 | ThermoScientic | 53-9811-82 | store at 4 °C, RRID: AB_2574479 |
| BCA Protein Assay Kit | ThermoFisher Scientific | 23227 | |
| Bovine Serum Albumin | Millipore Sigma | A1933 | |
| Buffy coat | New York Blood Center | 40-60 ml/unit | |
| Cell scraper | Falcon | 353085 | |
| Disposable semi-micro cuvette | VWR | 97000590 | |
| Dissociation buffer | Gibco | 131510014 | 100 ml |
| Dual-Chanber cell counting slides | Bio-Rad | 1450015 | |
| Exosome-Human CD63 Detection reagent | ThermoFisher Scientific | 10606D | store at 4 °C |
| Ficoll-Paque PLUS density grandient media | GE Health | 17-1440-03 | 500 ml |
| Fixed-Angle Rotor(25°) | Thermo Scientifc | 75003698 | Maxium 24,700 x g |
| Gallios flow cytometer | Beckman Coulter | 3 lasers 10 Color Max |
|
| Human cord blood | Cryo-Cell International | 40-100 ml/unit | |
| Human Fc Block | BD Bioscience | 564220 | store at 4 °C |
| Immun-Blot PVDF membrane | Bio-Rad | 1620177 | |
| Millex-GP Syringe Filter Unit, 0.22 µm | Millipore Sigma | SLGP033RS | |
| Optima XE-90 Ultracentriguge | Beckman Coulter | ||
| Orbital Shaker MP4 | BioExpress | S-3500-1 | |
| PBS | ThermoFisher Scientific | 10010049 | 500 ml |
| Propidium Iodide | BD Bioscience | 56-66211E | store at 4 °C |
| Nikon Eclipse Ti2 microscope | Nikon instruments Inc | Eclipse Ti2 | NIS-Elements software version 5.11.02 |
| Hochest 33342 | Thermo Scientifc | 62249 | 5 ml |
| Revert microsopy | Fisher scientific | 12563518 | |
| Rotor 41 Ti | Beckman Coulter | 331362 | Maxium 41,000 rpm |
| Sorvall St 16R Centrifuge | Thermo Scientifc | 75004381 | |
| Swinging Bucket Rotor | Thermo Scientifc | 75003655 | |
| TC-20 cell counter | Bio-Rad | ||
| ThermoScientific Forma 380 Steri Cycle CO2 Incubator | ThermoFisher Scientific | ||
| Transmission electron microscopy | JEOL | JEM-2100 PLUS | |
| Ultracentrifuge tube | Beckman Coulter | 331372 | |
| X'VIVO 15 Serum-free medium | Lonza | BEBP04-744Q | 1000 ml Culture medium, store at 4 °C |
References
- Zhao, Y. Stem cell educator therapy and induction of immune balance. Current Diabetes Reports. 12 (5), 517-523 (2012).
- Zhao, Y., et al. Reversal of type 1 diabetes via islet beta cell regeneration following immune modulation by cord blood-derived multipotent stem cells. BMC Medicine. 10 (1), 3 (2012).
- Zhao, Y., et al. Targeting insulin resistance in type 2 diabetes via immune modulation of cord blood-derived multipotent stem cells (CB-SCs) in stem cell educator therapy: phase I/II clinical trial. BMC Medicine. 11, 160 (2013).
- Delgado, E., et al. Modulation of autoimmune T-cell memory by stem cell educator therapy: phase 1/2 clinical trial. EBioMedicine. 2 (12), 2024-2036 (2015).
- Li, Y., et al. Hair regrowth in alopecia areata patients following Stem Cell Educator therapy BMC. Medicine. 13 (1), 87 (2015).
- Colombo, M., Raposo, G., Thery, C. Biogenesis, secretion, and intercellular interactions of exosomes and other extracellular vesicles. Annual Review of Cell And Developmental Biology. 30, 255-289 (2014).
- Abak, A., Abhari, A., Rahimzadeh, S. Exosomes in cancer: small vesicular transporters for cancer progression and metastasis, biomarkers in cancer therapeutics. PeerJ. 6, 4763 (2018).
- Adamiak, M., Sahoo, S. Exosomes in myocardial repair: advances and challenges in the development of next-generation therapeutics. Molecular Therapy. 26 (7), 1635-1643 (2018).
- Akyurekli, C., et al. A systematic review of preclinical studies on the therapeutic potential of mesenchymal stromal cell-derived microvesicles. Stem Cell Review and Report. 11 (1), 150-160 (2015).
- Hu, W., Song, X., Yu, H., Sun, J., Zhao, Y. Released exosomes contribute to the immune modulation of cord blood-derived stem cells (CB-SC). Frontiers in Immunology. (11), 165 (2020).
- Jacobson, G., Kårsnäs, P. Important parameters in semi-dry electrophoretic transfer. Electrophoresis. 11 (1), 46-52 (1990).
- Dykstra, M. J., Reuss, L. E. . Biological Electron Microscopy: Theory, Techniques, and Troubleshooting. , (2011).
- Konoshenko, M. Y., Lekchnov, E. A., Vlassov, A. V., Laktionov, P. P. Isolation of extracellular vesicles: general methodologies and latest trends. BioMed Research International. 2018, 8545347 (2018).
- Witwer, K. W., et al. Standardization of sample collection, isolation and analysis methods in extracellular vesicle research. Journal of Extracellular Vesicles. 2, (2013).
- Orecchioni, M., Ghosheh, Y., Pramod, A. B., Ley, K. Macrophage polarization: different gene signatures in M1(LPS+) vs. classically and M2(LPS-) vs. alternatively activated macrophages. Frontiers in Immunology. 10, 1084 (2019).
