هنا ، نصف بروتوكولا ، طريقة زراعة الخلايا البطانية الممتدة (EECM) ، والتي تسمح بتمايز الخلايا الجذعية متعددة القدرات إلى خلايا تشبه الخلايا البطانية الوعائية الدقيقة في الدماغ (BMEC). تظهر هذه الخلايا تعبيرا جزيئيا عن التصاق الخلايا البطانية ، وبالتالي فهي نموذج حاجز دموي دماغي بشري مناسب لدراسة تفاعلات الخلايا المناعية في المختبر.
يعد خلل الحاجز الدموي الدماغي (BBB) سمة مرضية مميزة للعديد من الأمراض التنكسية العصبية والالتهابية العصبية التي تؤثر على الجهاز العصبي المركزي (CNS). نظرا لمحدودية الوصول إلى عينات BBB المرتبطة بالمرض ، لا يزال من غير المفهوم جيدا ما إذا كان عطل BBB هو سبب لتطور المرض أو بالأحرى نتيجة لعملية الالتهاب العصبي أو التنكس العصبي. وبالتالي ، توفر الخلايا الجذعية متعددة القدرات التي يسببها الإنسان (hiPSCs) فرصة جديدة لإنشاء نماذج BBB في المختبر من المتبرعين الأصحاء والمرضى ، وبالتالي دراسة خصائص BBB الخاصة بالمرض من المرضى الفرديين. تم وضع العديد من بروتوكولات التمايز لاشتقاق الخلايا البطانية الوعائية الدقيقة في الدماغ (BMEC) من hiPSCs. النظر في سؤال البحث المحدد إلزامي للاختيار الصحيح لبروتوكول تمايز BMEC المعني. هنا ، نصف طريقة زراعة الخلايا البطانية الممتدة (EECM) ، والتي تم تحسينها للتمييز بين hiPSCs إلى خلايا شبيهة ب BMEC ذات نمط ظاهري مناعي ناضج ، مما يسمح بدراسة تفاعلات الخلايا المناعية و BBB. في هذا البروتوكول ، يتم تمييز hiPSCs أولا إلى خلايا سلفية بطانية (EPCs) عن طريق تنشيط إشارات Wnt / β-catenin. ثم يتم تمرير المزرعة الناتجة ، التي تحتوي على خلايا تشبه العضلات الملساء (SMLCs) ، بالتتابع لزيادة نقاء الخلايا البطانية (ECs) وللحث على خصائص خاصة ب BBB. تسمح الزراعة المشتركة ل EECM-BMECs مع هذه SMLCs أو الوسط المشروط من SMLCs بالتعبير القابل للتكرار والتأسيسي والمنظم بالسيتوكين لجزيئات التصاق EC. الأهم من ذلك ، أن الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC تنشئ خصائص حاجز مماثلة ل BMECs البشرية الأولية ، وبسبب تعبيرها عن جميع جزيئات التصاق EC ، تختلف الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC عن غيرها من نماذج BBB المشتقة من hiPSC. وبالتالي فإن الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC هي النموذج المفضل للتحقيق في التأثير المحتمل لعمليات المرض على مستوى BBB ، مع تأثير على تفاعل الخلايا المناعية بطريقة شخصية.
تتكون وحدة الأوعية الدموية العصبية (NVU) في الجهاز العصبي المركزي (CNS) من الخلايا البطانية الوعائية الدقيقة عالية التخصص (ECs) ، والخلايا المحيطة المضمنة في الغشاء القاعدي البطاني بالإضافة إلى الغشاء القاعدي المتني ونهاية الخلاياالنجمية 1. داخل NVU ، الخلايا البطانية الوعائية الدقيقة في الدماغ (BMECs) هي المكونات الرئيسية التي تشكل الحاجز الدموي الدماغي (BBB). تشكل BMECs تقاطعات ضيقة معقدة ومستمرة ولها نشاط بينوسيتي منخفض للغاية مقارنة ب ECs الوعائية الدقيقة في الأعضاء الطرفية ، والتي تسمح ل BBB بتثبيط الانتشار الحر للجزيئات القابلة للذوبان في الماء في الجهاز العصبي المركزي. يضمن التعبير عن ناقلات التدفق المحددة ومضخات التدفق بواسطة BMECs امتصاص وتصدير العناصر الغذائية والجزيئات الضارة ، على التوالي ، من الجهاز العصبي المركزي2. بالإضافة إلى ذلك ، يتحكم BBB بشكل صارم في دخول الخلايا المناعية إلى الجهاز العصبي المركزي من خلال التعبير عن مستويات منخفضة من جزيئات التصاق البطانية الضرورية لتهريب الخلايا المناعية إلى الجهاز العصبيالمركزي 3. في ظل الظروف الفسيولوجية ، تكون مستويات التعبير عن جزيئات الالتصاق على سطح BMECs ، مثل جزيء الالتصاق بين الخلايا -1 (ICAM-1) وجزيء التصاق الخلايا الوعائية -1 (VCAM-1) ، منخفضة ، لكن هذه المستويات تزداد في بعض الاضطرابات العصبية2. تم الإبلاغ عن الانهيار المورفولوجي والوظيفي ل BBB في العديد من الأمراض العصبية ، مثل السكتة الدماغية4 والتصلب المتعدد (MS) 5 والعديد من الأمراض التنكسية العصبية6،7،8. التحقيق التفصيلي للخصائص الخلوية والجزيئية ل BMECs في ظل كل من الظروف الفسيولوجية والمرضية هو نهج لتحديد الاستراتيجيات العلاجية الجديدة التي تستهدف BBB.
حتى وقت قريب ، تم استخدام BMECs البشرية والقوارض الأولية أو الخالدة لدراسة BBB. ومع ذلك ، من غير الواضح ما إذا كانت الاستنتاجات المستندة إلى النماذج الحيوانية ل BBB قابلة للتطبيق بسهولة على BBB البشري ، لأن التعبير عن العديد من الجزيئات المهمة ، بما في ذلك جزيئات الالتصاق والبروتينات الحاملة للمذاب ، يختلف بين البشر والقوارض 9,10. على الرغم من أن خطوط BMEC البشرية مثل hCMEC / D3 تعبر عن مستويات مناسبة من جزيئات الالتصاق11 ، إلا أن BMECs الخالدة هذه لا تحتوي عموما على تقاطعات ضيقة معقدة وخصائص حاجز قوية12. تعد BMECs البشرية الأولية مفيدة لدراسة وظائف الحاجز13 ، لكنها ليست متاحة بسهولة لجميع الباحثين. علاوة على ذلك ، قد يكون من الصعب الحصول على BMECs الأولية من المرضى حيث يجب جمعها من خلال خزعة الدماغ أو الجراحة التي يتم إجراؤها فقط في ظل ظروف سريرية محددة.
سمحت التطورات الحديثة في تكنولوجيا الخلايا الجذعية بالتمايز بين أنواع الخلايا البشرية المختلفة ، الناشئة عن مصادر الخلايا الجذعية مثل الخلايا الجذعية متعددة القدرات التي يسببها الإنسان (hiPSCs). تسمح لنا النماذج المشتقة من hiPSC بإنشاء نماذج فيزيولوجية مرضية باستخدام عينات مشتقة من المريض. يمكن الجمع بين العديد من أنواع الخلايا المشتقة من hiPSC لإنشاء ثقافات مشتركة ذاتية أو عضويات تحاكي الظروف الفسيولوجية بشكل أفضل. يمكن استخدام العديد من البروتوكولات المستخدمة على نطاق واسع14،15،16،17،18،19 للتمييز بين الخلايا الشبيهة ب BMEC المشتقة من hiPSC والتي لها خصائص حاجز انتشار قوية مع التعبير عن الناقلات الخاصة ب BBB ومضخات التدفق ، وهي مفيدة لدراسة الانتشار شبه الخلوي للجزيئات الصغيرة وآليات النقل الجزيئي وتوصيل الدواء إلى الدماغ20,21. ومع ذلك ، فقد أظهرت الدراسات السابقة أن الخلايا الشبيهة ب BMEC المشتقة من hiPSC المستخدمة على نطاق واسع تفتقر إلى التعبير عن جزيئات التصاق البطانية الرئيسية ، بما في ذلك VCAM-1 و selectins و ICAM-2 ، المسؤولة عن التوسط في التفاعلات بين الخلايا المناعية و BBB22. علاوة على ذلك ، تم الإبلاغ عن BMECs السابقة المشتقة من hiPSC لإظهار خصائص بطانية وظهارية مختلطة على مستوى النسخ23. لذلك ، قمنا بتطوير طريقة زراعة الخلايا البطانية الممتدة (EECM) ، وهو بروتوكول جديد يسمح بتمايز hiPSCs إلى خلايا شبيهة ب BMEC تشبه BMECs البشرية الأولية فيما يتعلق بالتشكل وخصائص الحاجز وتعبير جزيء الالتصاق البطاني. يصف هذا البروتوكول الإجراءات المنهجية التفصيلية للتمييز بين hiPSCs والخلايا الشبيهة ب BMEC التي تعرض نمطا ظاهريا مناعيا ناضجا.
النقاط الحرجة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها
قبل البدء في تمايز EPC ، يجب على الباحثين التأكد من عدم حدوث أحداث تمايز الخلايا التلقائية في ثقافات hiPSC. يعد عدم وجود خلايا متمايزة تلقائيا واستخدام مستعمرات hiPSC النقية أمرا بالغ الأهمية للحصول على نتائج قابلة للتكرار. تعد كثافة البذر hiPSC في اليوم -3 مهمة للحصول على درجة نقاء عالية من CD31 + EPCs بعد MACS. قد تتطلب كثافة البذر لكل خط hiPSC وكل ممر التحسين. اعتمادا على خط hiPSC ورقم المرور ، يمكن أن تتراوح كثافة البذر بين 75 × 10 3 إلى 400 × 10 3 hiPSCs لكل بئر من صفيحة 12 بئرا (20-100 × 103 / سم2). نقطة تفتيش الكثافة الدنيا ل hiPSCs هي كثافة الخلية في اليوم 2. يجب أن تصل hiPSCs إلى التقاء 100٪ بحلول اليوم 2 على أبعد تقدير. إذا لم تكن hiPSCs متقاربة بحلول اليوم 2 ، فإن نقاء CD31 + EPCs بعد MACS عادة ما يكون منخفضا جدا. في هذه الحالة ، يمكن زيادة كثافة البذر hiPSC. إذا انفصلت أعداد كبيرة من الخلايا المتمايزة عن اللوحة في حوالي اليوم 3 إلى اليوم 5 ، فيمكن تقليل كثافة البذر الأولية hiPSC. 7-8 ميكرومتر CHIR99021 في تجربتنا هو التركيز الأمثل لخطوط hiPSCs المستخدمة هنا ، ولكن قد يلزم تحسين التركيز لخطوط hiPSC الأخرى التي قد تستجيب بشكل مختلف للعلاج المثبط. يجب تأكيد نقاء CD31 + EPCs قبل وبعد MACS. قبل متابعة MACS ، يجب أن يكون خليط الخلايا الذي تم فرزه مسبقا >10٪ خلايا CD31 +. عادة ما تؤدي النسب المئوية لخلايا CD31 + البالغة <6٪ إلى EPCs بنسبة <80٪ بعد MACS. هناك حاجة إلى تحسين كثافة البذر الأولية و / أو تركيز CHIR99021 في هذه الحالة.
من أجل النجاح في المرور الانتقائي وتوليد طبقات أحادية EC نقية ، يعد نقاء CD31 + EPCs بعد MACS أمرا بالغ الأهمية. إذا كانت درجة النقاء بعد MACS 95٪. يجب تحسين كثافة البذر EPC على الألواح المطلية بالكولاجين وفقا لخط hiPSC لتحقيق التقاء 100٪ في غضون 3-7 أيام. عادة ما يؤدي الانتظار حتى تتلاقى ECs بنسبة 100٪ إلى مرور انتقائي ناجح. ومع ذلك ، حتى بالنسبة ل ECs المتقاربة بنسبة 100٪ ، فإن بعض SMLCs الخاصة بخطوط hiPSC تنفصل أيضا مبكرا. في هذه الحالة ، قد يكون المرور الانتقائي عند التقاء أقل (على سبيل المثال ، ≤80٪) فعالا. إذا انفصلت بعض SMLCs في وقت أبكر من ECs ، فغالبا ما لا يمكن إنقاذ ECs من مجموعة EC-SMLC المختلطة. في هذه الحالة ، قد يكون من المفيد تقصير وقت التنشيط لكاشف التفكك في تمرير ECs والمرور الانتقائي المتكرر. يعد استخدام كاشف التفكك التجاري بدلا من التربسين ككاشف تفكك مفيدا للتمرير الانتقائي ، حيث لا يسمح التربسين بالانفصال المنفصل لل ECs و SMLCs. تشير مقايسات النفاذية لدينا باستخدام متتبعات الجزيئات الصغيرة واختبار مستويات التعبير عن جزيء التقاطع والالتصاق الضيق إلى أنه يمكن تخزين EPCs والخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC و SMLCs في النيتروجين السائل لمدة 2 سنوات على الأقل.
أهمية وحدود الطريقة
تميز الطريقة CD31 + EPCs عن hiPSCs من خلال استخدام مثبطات GSK-3 الكيميائية لتنشيط إشارات Wnt / β-catenin. بعد الاختيار الإيجابي ل CD31 + EPCs بواسطة MACS ، يتم استزراع EPCs في وسط بطاني محدد يعزز التمايز إلى مجموعات بطانية مختلطة و SMLC. يسمح المرور الانتقائي لهذه المجموعات المختلطة ذات الخصائص اللاصقة المختلفة بفصل ECs عن SMLCs. بعد مرور واحد أو اثنين ، تظهر الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC خصائص حاجز وتعبير عن جزيئات الالتصاق البطانية التي تلخص تلك الخاصة ب BMECs البشرية الأولية. تؤدي الثقافة المشتركة مع SMLCs أو المواد الطافية الخاصة بها إلى التعبير الناجم عن السيتوكين ل VCAM-1.
في الجسم الحي ، يحافظ BBB على توازن الجهاز العصبي المركزي من خلال إنشاء نفاذية منخفضة للجزيئات شبه الخلوية وعبر الخلايا ، من خلال نقل العناصر الغذائية عبر ناقلات محددة والتحكم في الاتجار بالخلايا المناعية في الجهاز العصبي المركزي. بالنسبة لدراسات BBB ، من الضروري وجود نموذج مناسب يعرض الجزيئات والوظائف ذات الأهمية المعنية. يوفر إنتاج الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC باستخدام كواشف وعينات محددة من المرضى أو الأشخاص الأصحاء نموذج BBB بشري قابل للتطوير. مزايا النموذج الذي يستخدم خلايا شبيهة ب EECM-BMEC على نماذج BBB الأخرى هي: 1) مورفولوجيا وملف تعريف النسخ البطاني30 الذي يشبه نموذج BMECs البشري الأساسي. 2) وجود تقاطعات ضيقة ناضجة ؛ 3) خصائص الحاجز المرغوب فيها ؛ و 4) التعبير القوي لجزيئات التصاق البطانية ، بما في ذلك ICAM-1 و ICAM-2 و VCAM-1 و E- و P-selectin و CD99 وجزيء التصاق خلايا سرطان الجلد (MCAM) وجزيء التصاق خلايا الكريات البيض المنشط (ALCAM) 22. وبالتالي ، فإن هذا النموذج مفيد بشكل خاص لدراسة التفاعلات بين الخلايا المناعية و BMECs. على الرغم من أن نفاذية متتبعات الجزيئات الصغيرة أعلى بالنسبة للخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC من تلك التي تم الإبلاغ عنها سابقا للخلايا الشبيهة ب BMEC المشتقة من iPSC14,15 ، إلا أن خصائص الحاجز تقارن جيدا بتلك الموصوفة ل BMECs البشرية الأولية. يشير هذا التشابه إلى أن الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC من المحتمل أن تكون نموذجا جيدا في المختبر ل BBB. يجب أن يؤخذ تعبير E-selectin على الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC في ظل الظروف الفسيولوجية في الاعتبار عند استخدام هذا النموذج لدراسة BBBs غير الملتهبة التي تفتقر إلى تعبير E-selectin التأسيسي في الجسم الحي31. في دراستنا السابقة ، أثبتنا أن الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC يمكن أن تنسخ BBB ، كما لوحظ في أدمغة مرضى التصلب العصبي المتعدد فيما يتعلق بالوصلات الضيقة المعطلة. ينتج عن هذا نفاذية أعلى للجزيئات الصغيرة وزيادة التعبير عن جزيء الالتصاق الوظيفي ، مما يتوسط في زيادة الالتصاق وانتقال الخلايا المناعية عبر الخلايا الشبيهة ب BMEC32. علاوة على ذلك ، أظهرنا أن تنشيط إشارات Wnt / β-catenin يمكن أن يخفف من اضطراب التقاطعات الضيقة وزيادة تعبير VCAM-1 في الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC المشتقة منMS 32. تشير هذه النتائج إلى أن النموذج مفيد بالفعل لدراسة دور BBB في أمراض المناعة العصبية ، مثل مرض التصلب العصبي المتعدد.
مجتمعة ، تعد الخلايا الشبيهة ب EECM-BMEC أداة واعدة لفهم متعمق للآليات الفيزيولوجية المرضية على مستوى BBB وكأداة لتطوير أهداف علاجية جديدة لتثبيت BBB. في المستقبل ، يمكن تطبيق النموذج لدراسة خلل BBB في مجموعة واسعة من الأمراض ويمكن أن يفتح سبلا لنهج علاجية جديدة.
The authors have nothing to disclose.
تم دعم HN من قبل مؤسسة Uehara Memorial Foundation ، وهي زمالة تبادل أبحاث ما بعد الدكتوراه ECTRIMS ، JSPS في إطار برنامج البحث المشترك الذي تم تنفيذه بالاشتراك مع SNSF (JRPs) رقم المنحة JPJSJRP20221507 و KAKENHI Grant رقم 22K15711 ، برنامج JST FOREST (رقم المنحة JPMJFR2269 ، اليابان) ، مؤسسة YOKOYAMA لعلم الصيدلة السريرية رقم المنحة YRY-2217 ، مؤسسة إيشيرو كانهارا ، مؤسسة ناريشيج لأبحاث علم الأعصاب ، مؤسسة نوفارتيس (اليابان) لتعزيز العلوم ، وصندوق جامعة ياماغوتشي. تم دعم BE من قبل الجمعية السويسرية للتصلب المتعدد والمؤسسة الوطنية السويسرية للعلوم (المنح 310030_189080 و ZLJZ3_214086) ومنحة البرنامج الاستراتيجي الياباني السويسري للعلوم والتكنولوجيا (SJSSTP) IZLJZ3_214086.
0.22 mm Syringe filter | TPP | 99722 | |
15 mL Centrifuge tube | Falcon | 352196 | |
40 μm Falcon cell strainer | Falcon | 352340 | |
5 mL Round-bottom tube | SPL | 40005 | |
50 mL Centrifuge tube | Falcon | 352070 | |
96-Well plate, round bottom | SPL | 34096 | |
Accutase | Sigma-Aldrich | A6964-500ml | |
Acetic acid | Sigma-Aldrich | 695092 | |
Advanced DMEM/F12 | Life Technologies | 12634 | |
All-in-One Fluorescence Microscope | Keyence | BZ-X810 | |
B-27 Supplement (503), serum free | Thermo Fischer Scientific | 17504044 | |
Bovine serum albumin (BSA), 7.5% in dPBS | Sigma-Aldrich | A8412 | |
CellAdhere Dilution Buffer | STEMCELL Technologies | ST-07183 | |
CellTracker Green CMFDA Dye | Invitrogen | C7025 | |
Chamber slides | Thermo Fischer Scientific | 178599 | |
CHIR99021 | Selleck Chemicals | S1263 | |
Collagen IV from human placenta | Sigma-Aldrich | C5533 | |
Corning tissue culture plates (12-well) | Corning | 3512 | |
Corning tissue culture plates (6-well) | Corning | 3506 | |
Cryo tube innercap 2.0 mL | Watson | 1396-201S | |
Dimethylsulfoxide (DMSO), sterile | Sigma-Aldrich | D2650 | |
DMEM (13), [+] 4.5 g/L D-glucose, [-] L-glutamine, [-] pyruvate | Thermo Fischer Scientific | 31053-028 | |
Dulbecco’s (d) PBS (without calcium, magnesium) | Thermo Fisher | 14190250 | |
Dulbecco’s modified Eagle’s medium/nutrient mixture F-12 (DMEM-F12) | Thermo Fischer Scientific | 11320074 | |
EasySepFITC Positive Selection Kit II | STEMCELL Technologies | 18558 | |
EasySepMagnet | Stemcell Technologies | 18000 | |
Ethylenediaminetetraacetic Acid Solution0.02% in DPBS | Sigma | E8008-100ML | |
Fetal Bovine Serum, qualified | Thermo Fischer Scientific | 10270106 | |
Fibronectin from bovine plasma | Sigma-Aldrich | F1141 | |
Ficoll-Paque PLUS | Sigma-Aldrich | GE17144002 | |
FIJI software (Version 2.0.0) | Image J, USA | ||
FlowJo version10 | BD | ||
Fluorescein sodium salt | Sigma-Aldrich | F6377 | |
GlutaMAX Supplement | Thermo Fischer Scientific | 35050-061 | |
Glutaraldehyde solution | Sigma-Aldrich | G6257 | |
HCL | Sigma-Aldrich | H1758 | |
HEPES buffer solution | Thermo Fischer Scientific | 15630-056 | |
Human Endothelial Serum Free Medium (hESFM) | Thermo Fischer Scientific | 11111-044 | |
Human fibroblast growth factor 2 (FGF2) | Tocris | 233-FB-500 | |
iPS human induced pluripotent stem cells | Riken RBC | HPS1006 | |
Kanamycin Sulfate (100x) | Thermo Fischer Scientific | 15160-047 | |
L-Ascorbic acid 2-phosphate sesquimagnesium salt hydrate | Sigma-Aldrich | A8960-5G | |
L-Glutamine 200 mM (1003) | Thermo Fischer Scientific | 25030-024 | |
Matrigel, growth factor reduced | Corning | 354230 | |
MEM NEAA (1003) | Thermo Fischer Scientific | 11140-035 | |
Methanol | Sigma-Aldrich | 32213 | |
Mowiol | Sigma-Aldrich | 81381 | |
mTeSR Plus-cGMP | STEMCELL Technologies | ST-100-0276 | |
mTeSR1 complete kit (basal medium plus 53 supplement) | STEMCELL Technologies | 85850 | |
NaCl | Sigma-Aldrich | 71376 | |
Paraformaldehyde | Millipore | 104005 | |
Pen Strep | Thermo Fischer Scientific | 15140-122 | |
Recombinant Human IFN-gamma Protein | R&D Systems | 285-IF-100 | |
Recombinant Human IL-2 | BD Biosciences | 554603 | |
Recombinant Human TNF-alpha Protein | R&D Systems | 210-TA-020 | |
ROCK inhibitor Y-27632 | Tocris | 1254 | |
RPMI medium 1640 | Thermo Fischer Scientific | 21875-034 | |
Scalpel | FEATHER | 2975-11 | |
Skim milk | BD Biosciences | 232100 | |
Sodium azide (NaN3) | Sigma-Aldrich | 71290 | |
Sodium pyruvate | Thermo Fischer Scientific | 11360-039 | |
Transwells, PC Membrane, 0.4 mm, 12 mm, TC-Treated | Corning | 3401 | |
Tris base | Sigma-Aldrich | 93362 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
Vitronectin XF | STEMCELL Technologies | 078180 | |
Water, sterile, cell culture | Sigma-Aldrich | W3500 |