Hier wordt een eenvoudige workflow beschreven om endotheelcellen te onderscheiden van menselijke pluripotente stamcellen, gevolgd door een gedetailleerd protocol voor hun mechanische stimulatie. Dit maakt het mogelijk om de ontwikkelingsmechanobiologie van endotheelcellen te bestuderen. Deze aanpak is compatibel met stroomafwaartse assays van levende cellen die na mechanische stimulatie uit de kweekchip zijn verzameld.
Het hart is het eerste orgaan dat tijdens de ontwikkeling functioneel tot stand komt, waardoor de bloedcirculatie al heel vroeg in de zwangerschap op gang komt. Naast het transporteren van zuurstof en voedingsstoffen om de groei van de foetus te garanderen, regelt de foetale circulatie veel cruciale ontwikkelingsgebeurtenissen die plaatsvinden in de endotheellaag door middel van mechanische signalen. Biomechanische signalen induceren structurele veranderingen in bloedvaten, stellen arterioveneuze specificatie vast en regelen de ontwikkeling van hematopoëtische stamcellen. De ontoegankelijkheid van de zich ontwikkelende weefsels beperkt het begrip van de rol van de bloedsomloop in de vroege menselijke ontwikkeling; Daarom zijn in-vitromodellen cruciale hulpmiddelen voor de studie van vaatmechanobiologie. Dit artikel beschrijft een protocol om endotheelcellen te onderscheiden van door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen en hun daaropvolgende zaaien in een fluïdisch apparaat om hun reactie op mechanische signalen te bestuderen. Deze aanpak maakt het mogelijk om endotheelcellen op lange termijn te kweken onder mechanische stimulatie, gevolgd door het ophalen van de endotheelcellen voor fenotypische en functionele karakterisering. Het hier vastgestelde in-vitromodel zal een belangrijke rol spelen bij het ophelderen van de intracellulaire moleculaire mechanismen die de signalering transduceren die wordt gemedieerd door mechanische signalen, die uiteindelijk de ontwikkeling van bloedvaten tijdens het leven van de menselijke foetus orkestreren.
Tijdens de embryonale ontwikkeling is het hart het eerste orgaan dat functionaliteit1 tot stand brengt, met detecteerbare samentrekkingen vanaf het vroegste stadium van de vorming van endocardiale buizen2. De bloedsomloop, samen met de mechanische signalen die worden gemedieerd door de bloedstroom in het vat, regelt veel cruciale aspecten van de vroege ontwikkeling. Voorafgaand aan de vestiging van de foetale circulatie is het vaatstelsel georganiseerd in een primaire capillaire plexus; Bij het functioneren van het hart reorganiseert deze plexus zich in veneuze en arteriële vasculatuur3. De rol van mechanische signalen in arterioveneuze specificatie wordt weerspiegeld door de pan-endotheliale expressie van arteriële en veneuze markers voordat de bloedstroom op gang komt4.
Hemodynamische krachten regelen niet alleen de ontwikkeling van het vaatstelsel zelf, maar spelen ook een fundamentele rol bij de controle van de vorming van bloedcellen. Hematopoëtische stam- en voorlopercellen (HSPC’s) komen voort uit gespecialiseerde endotheelcellen, hemogeen endotheel 5,6,7,8 genaamd, die uitsluitend in het vroege ontwikkelingsstadium in verschillende anatomische regio’s van de embryo’s aanwezig zijn. Hartdeficiënte modellen, samen met in vitro modellen, hebben aangetoond dat mechanische signalen de HSPC-productie van het hemogene endotheel 9,10,11,12,13,14 instrueren en verhogen.
Van verschillende soorten stromingsdynamica is aangetoond dat ze de celcyclus differentieel regelen 15, waarvan bekend is dat ze belangrijk zijn in zowel hemogeen endotheel16,17 als arteriële celspecificatie18. Al met al zijn mechanische signalen cruciale determinanten van celidentiteit en -functie tijdens de ontwikkeling. Nieuwe in vitro fluïdische apparaten stellen ons in staat om de beperkingen te overwinnen die gepaard gaan met het bestuderen van ontwikkelingsmechanobiologie tijdens de ontwikkeling van menselijk bloed in vivo.
Het algemene doel van het protocol in dit manuscript is om stap voor stap de experimentele pijplijn te beschrijven om het effect van schuifspanning op menselijke endotheelcellen te bestuderen die in vitro zijn afgeleid van door mensen geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSC’s). Dit protocol bevat gedetailleerde instructies over de differentiatie van hiPSC’s in endotheelcellen en hun daaropvolgende zaaien in fluïdische chips voor het stimulatieprotocol. Hiermee kunnen verschillende in vitro afgeleide endotheelcellen worden getest op hun vermogen om de schuifspanning te detecteren door hun oriëntatie als reactie op de stroom te analyseren. Dit zal andere laboratoria in staat stellen om vragen te beantwoorden over de reactie op schuifspanning en de functionele gevolgen ervan voor verschillende endotheelcelidentiteiten.
Het protocol dat we hier beschrijven, maakt het mogelijk om mechanosensitieve endotheelcellen te genereren uit menselijke pluripotente stamcellen en hun reactie op mechanische stimulatie te bestuderen die wordt gemedieerd door gecontroleerde schuifspanning. Dit protocol is volledig gebaseerd op cytokines en volledig compatibel met GMP-reagentia voor mogelijke vertaling in de productie van cellen voor celtherapie.
De afleiding van hiPSC’s biedt wetenschappers een instrumenteel model voor de vroege stadia van embryonale ontwikkeling dat de studie van processen mogelijk maakt die anders moeilijk in vivo te bestuderen zijn. In feite worden menselijke embryonale weefsels die beschikbaar zijn voor onderzoek verzameld uit embryo’s die niet circuleren, en dit kan een aanzienlijke invloed hebben op de moleculaire handtekening die wordt gecontroleerd door mechanische signalen. De hier beschreven aanpak maakt live-imaging en real-time studie van de celrespons op schuifspanning mogelijk. De combinatie van hiPSC’s met fluïdica biedt een studiemodel dat de beperkte beschikbaarheid en de ontoegankelijkheid van de zich ontwikkelende foetale weefsels overwint wanneer de start van de bloedsomloop de oprichting van het cardiovasculaire en bloedsysteem remodelleert en regelt 3,9,10,25.
Een beperking van het protocol is dat de endotheelcellen die van dit protocol zijn afgeleid, mogelijk niet de verschillende identiteiten weerspiegelen van verschillende endotheelcellen die aanwezig zijn in de zich ontwikkelende weefsels. Om deze beperking te overwinnen, kan een specifieke combinatie van cytokinen nodig zijn tijdens het differentiatieproces voorafgaand aan de fluïdische stimulatie om de gewenste identiteit of weefselspecifiek fenotype26 te verkrijgen. De isolatie van endotheliale subsets kan worden verkregen met behulp van een meer verfijnd immunofenotype tijdens de isolatiestap. Dit protocol isoleert endotheelcellen alleen op basis van de expressie van CD34, waardoor kolomisolatie mogelijk is in plaats van fluorescentie-geactiveerde celsortering (FACS); Dit vermindert celdood en het risico op besmetting. Bovendien is dit protocol specifiek ontworpen om de rol van schuifspanning gemedieerd door laminaire stroming te bestuderen. Alternatieve fluïdische benaderingen zullen moeten worden gebruikt om het effect van andere mechanische signalen, zoals uitrekken of compressie, of andere soorten stroming zoals verstoorde of verstoorde stroming te bestuderen.
We hebben eerder aangetoond dat iPSC-afgeleide endotheelcellen de heterogene arterioveneuze cellulaire identiteiten nabootsen27, vergelijkbaar met die waargenomen in de foetale dorsale aorta28,29,30. Dit is met name van belang in de context van de ontwikkeling van bloedvaten en cellulaire specificatie, waarvan bekend is dat deze wordt gecontroleerd door de bloedcirculatie. Studies in verschillende modellen toonden aan dat een gebrek aan circulatie resulteert in een veranderde arterioveneuze specificatie11,14,31. De mechanismen die mechanische signalen verbinden met celspecificatie zijn nog onbekend en de hier beschreven pijplijn maakt verfijnde functionele studies mogelijk die niet in vivo konden worden getest.
Deze pijplijn beschrijft de productie en de stimulatie van endotheelcellen die zijn afgeleid van hiPSC’s met behulp van in de handel verkrijgbare fluïdische kanalen, waardoor het niet nodig is om de apparaten te gieten zoals bij de veelgebruikte polydimethylsiloxaan (PDMS)-apparaten 12. Bovendien maakt het gebruik van PDMS-chips het verzamelen van de gestimuleerde cellen bijzonder uitdagend, terwijl met dit protocol de cellen gemakkelijk uit het kanaal kunnen worden gehaald. Dit verbetert de analytische kracht aanzienlijk, waardoor latere analyses mogelijk zijn, zoals proteomische en transcriptomische analyses, flowcytometrie en functionele assays, waarvoor mogelijk verdere kweek of in vivo assays nodig zijn.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de Research Advanced Grant 2021 van de European Hematology Association, de Global Research Award 2021 van de American Society of Hematology en het Internal Strategy Support Fund ISSF3, gefinancierd door de Welcome Trust en de Universiteit van Edinburgh. We danken Fiona Rossi van de Flow Cytometry Facility voor haar ondersteuning bij de flowcytometrie-analyse. Ten behoeve van open access heeft de auteur een Creative Commons Attribution (CC BY)-licentie toegepast op elke door de auteur geaccepteerde manuscriptversie die voortkomt uit deze inzending.
0.6 Luer uncoated slide | ibidi | IB-80186 | |
25% BSA | Life Technologies | A10008-01 | |
6-well plates | Greiner Bio-one | 657160 | |
Accutase | Life Technologies | A1110501 | Cited as Dissociation reagent |
Ascorbic acid | Merck | A4544-100G | |
Aspiration pipette | Sardtedt | 86.1252.011 | |
B27 supplement | Life Technologies | 17504044 | Cited as Neuronal cell culture supplement (50x) |
BD FACS DIVA | BD Biosciences | Version 8.0.1 | Cited as flow cytometry software |
BD LSR Fortessa 5 Laser | BD Biosciences | ||
bFGF | Life Technologies | PHG0021 | |
CD34 Microbead kit | Miltenyil Biotec | 30-046-702 | |
CD34 PE clone 4H11 | Invitrogen | 12-0349-42 | |
CD34 PerCP-eFluor 710 clone 4H11 | Invitrogen | 44-0349-42 | |
Cellstar cell-repellent surface 6-well plates | Greiner Bio-one | 657970 | Cited as cell-repellent plate |
CHIR99021 | Cayman Chemicals | 13122-1mg-CAY | |
Cryostor CS10 cell cryopreservation | Merck | C2874-100ML | Cited as Cryopreservation solution |
Dimethyl Sulfoxide | VWR | 200-664-3 | Cited as DMSO |
DMEM/F-12 | Life Technologies | 10565-018 | |
DPB Ca2+ Mg2+ | Life Technologies | 14080055 | |
DPBS | Life Technologies | 14200075 | |
EASY Strainer 40 μm | Greiner Bio-one | 542040 | |
EDTA | Life technologies | 15575020 | |
FcR Blocking Reagent | Miltenyil Biotec | 130-059-901 | |
Fiji | Version 1.53c | ||
Flow Jo | Version 10.7.1 | Cited as flow cytometry sanalysis oftware | |
FLT3L | Peprotech | 300-19-10uG | |
Fluidic unit | ibidi | 10903 | |
GlutaMax | Life Technologies | 35050038 | Cited as L-glutamine supplement |
Ham F-12 | Life Technologies | 11765054 | |
Holo-transferrin | Merk | T0665-500MG | |
Human Serum Albumin | Fujifilm UK LTD | 9988 | |
Ibidi Pump system | ibidi | 10902 | Cited as Pump system |
IMDM | Life Technologies | 12440053 | |
Inverted microscope | ioLight/Thisle Scientific | IOL-IO-INVERT | Cited as inverted in-incubator microscope |
Lyophilised BSA | Merck | A2153-100G | |
MiniMACS Separator | Miltenyil Biotec | 130-042-102 | Cited as Magnetic separator |
MS Columns | Miltenyil Biotec | 130-042-201 | Cited as Magnetic column |
MTG | Merck | M6145-25ML | |
N2 supplement | Life Technologies | 17502048 | |
Notebook for pump system | ibidi | 10908 | |
Paraformaldehyde 37-41% | Fisher Chemicals | F/1501/PB15 | |
Pastette | Greiner Bio-one | 612398 | |
Pen/Strep | Gibco | 15070063 | |
Perfusion Set YELLOW/GREEN: 50 cm, ID 1.6 mm, 10 mL reservoirs | Ibidi | IB-10964 | Cited as Perfusion set |
Polystyrene Round Bottom Tubes | Falcon | 352008 | Cited as Flow cytometry tubes |
Prism 9 | Verison 9.4.0 | ||
Pump control software | ibidi | version 1.6.1 | Cited as Pump software |
ReLeSR | Stem cell tecchonologies | 5872 | Cited as Detaching solution |
rhBMP4 | R&D | 314-BP-010 | |
rhEPO | R&D | 287-TC-500 | |
rhIGF1 | Peprotech | 100-11-100uG | |
rhIL11 | Peprotech | 200-11-10uG | |
rhIL3 | Peprotech | 200-03-10uG | |
rhIL6 | R&D | 206-IL-010 | |
rhLaminin-521 | Life technologies | A29248 | Cited as Laminin |
rhSCF | Life Technologies | PHC2111 | |
rhTPO | R&D | 288-TPN-025 | |
rhVEGF | R&D | 293-VE-010 | |
RLT Lysis Buffer | Qiagen | 79216 | |
Serial Connector for µ-Slides: Sterile, Sterile | ibidi | IB-10830 | |
StemPro-CD34 SFM media | Life Technologies | 10639011 | Cited as Serum-Free media for CD34+ cells (SFM-34) |
StemPro-CD34 Nutrient Supplement | Life Technologies | 10641-025 | Cited as 34 nutrient supplement |
StemPro hESC SFM | Life Technologies | A1000701 | Cited as Culture media |
StemPro supplement | Life Technologies | A10006-01 | |
Vitronectin (VTN-N) recombinant human protein, truncated | Invitrogen | A31804 | |
Y-27632 dihydrochloride | Tocris | 1254 | Cited as iRock |
β-Mercaptoethanol | Gibco | 21985023 |