Burada açıklanan, endotel hücrelerini insan pluripotent kök hücrelerinden ayırt etmek için basit bir iş akışı ve ardından mekanik stimülasyonları için ayrıntılı bir protokoldür. Bu, endotel hücrelerinin gelişimsel mekanobiyolojisinin incelenmesine izin verir. Bu yaklaşım, mekanik stimülasyondan sonra kültür çipinden toplanan canlı hücrelerin aşağı akış testleriyle uyumludur.
Kalp, gelişim sırasında işlevsel olarak kurulan ilk organdır, bu nedenle gebeliğin çok erken dönemlerinde kan dolaşımını başlatır. Fetal dolaşım, fetal büyümeyi sağlamak için oksijen ve besinlerin taşınmasının yanı sıra, endotel tabakasında meydana gelen birçok önemli gelişimsel olayı mekanik ipuçları aracılığıyla kontrol eder. Biyomekanik sinyaller kan damarı yapısal değişikliklerini indükler, arteriyovenöz spesifikasyonu oluşturur ve hematopoietik kök hücrelerin gelişimini kontrol eder. Gelişmekte olan dokuların erişilemezliği, dolaşımın erken insan gelişimindeki rolünün anlaşılmasını sınırlar; Bu nedenle, in vitro modeller, damar mekanobiyolojisi çalışması için çok önemli araçlardır. Bu makale, endotel hücrelerini insan kaynaklı pluripotent kök hücrelerden ayırt etmek ve daha sonra mekanik ipuçlarına tepkilerini incelemek için akışkan bir cihaza tohumlanmaları için bir protokolü açıklamaktadır. Bu yaklaşım, mekanik stimülasyon altında endotel hücrelerinin uzun süreli kültürüne ve ardından fenotipik ve fonksiyonel karakterizasyon için endotel hücrelerinin alınmasına izin verir. Burada oluşturulan in vitro model, insan fetal yaşamı boyunca damar gelişimini düzenleyen mekanik ipuçlarının aracılık ettiği sinyallemeyi ileten hücre içi moleküler mekanizmaları aydınlatmak için etkili olacaktır.
Embriyonik gelişim sırasında kalp, endokardiyal tüp oluşumunun en erken aşamasından itibaren saptanabilir kasılmalarla1 işlevsellik 1 kuran ilk organdır2. Dolaşım, damar içindeki kan akışının aracılık ettiği mekanik ipuçlarıyla birlikte, erken gelişimin birçok önemli yönünü kontrol eder. Fetal dolaşım kurulmadan önce, vaskülatür primer bir kapiller pleksus halinde düzenlenir; Kardiyak fonksiyon üzerine, bu pleksus venöz ve arteriyel vaskülatür3 olarak yeniden düzenlenir. Arteriyovenöz spesifikasyonda mekanik ipuçlarının rolü, kan akışı başlamadan önce arteriyel ve venöz belirteçlerin pan-endotelyal ekspresyonu ile yansıtılmaktadır4.
Hemodinamik kuvvetler sadece damar sisteminin gelişimini kontrol etmekle kalmaz, aynı zamanda kan hücresi oluşumunun kontrolünde de temel bir rol oynar. Hematopoetik kök ve progenitör hücreler (HSPC’ler), embriyoların farklı anatomik bölgelerinde sadece gelişimin erken evresinde bulunan hemojenik endotel 5,6,7,8 adı verilen özel endotel hücrelerinden ortaya çıkar. Kalp yetmezliği olan modeller, in vitro modellerle birlikte, mekanik ipuçlarının hemonojenik endoteldenHSPC üretimini yönlendirdiğini ve artırdığını göstermiştir 9,10,11,12,13,14.
Farklı akış dinamiğinin, hem hemojenik endotel 16,17 hem de arteriyel hücre spesifikasyonu18’de önemli olduğu bilinen hücre döngüsünü 15 farklı şekilde kontrol ettiği gösterilmiştir. Toplamda, mekanik ipuçları, gelişim sırasında hücre kimliğinin ve işlevinin kritik belirleyicileridir. Yeni in vitro akışkan cihazlar, in vivo insan kanı gelişimi sırasında gelişimsel mekanobiyoloji çalışmasıyla ilgili sınırlamaların üstesinden gelmemizi sağlar.
Bu makaledeki protokolün genel amacı, insan kaynaklı pluripotent kök hücrelerden (hiPSC’ler) in vitro türetilen insan endotel hücreleri üzerindeki kayma geriliminin etkisini incelemek için deneysel boru hattını adım adım tanımlamaktır. Bu protokol, hiPSC’lerin endotel hücrelerine farklılaşması ve daha sonra stimülasyon protokolü için akışkan çiplere tohumlanması hakkında ayrıntılı talimatlar içerir. Bunu kullanarak, farklı in vitro türevli endotel hücreleri, akışa yanıt olarak yönelimlerini analiz ederek kayma stresini algılama yetenekleri açısından test edilebilir. Bu, diğer laboratuvarların kayma stresine verilen yanıt ve bunun farklı endotel hücre kimlikleri üzerindeki fonksiyonel sonuçları hakkındaki soruları ele almasına izin verecektir.
Burada tarif ettiğimiz protokol, insan pluripotent kök hücrelerinden mekanosensitif endotel hücrelerinin üretilmesine ve bunların kontrollü kayma gerilmesinin aracılık ettiği mekanik stimülasyona tepkilerinin incelenmesine izin verir. Bu protokol tamamen sitokin bazlıdır ve hücre tedavisi için hücre üretimine potansiyel çeviri için GMP reaktifleri ile tamamen uyumludur.
HiPSC’lerin türetilmesi, bilim insanlarına embriyonik gelişimin erken aşamaları için, aksi takdirde in vivo24 üzerinde çalışılması zor olan süreçlerin incelenmesini sağlayan araçsal bir model sağlar. Aslında, araştırma için mevcut olan insan embriyonik dokuları, dolaşımı olmayan embriyolardan toplanır ve bu, mekanik ipuçları tarafından kontrol edilen moleküler imza üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Burada açıklanan yaklaşım, kayma gerilimine hücre tepkisinin canlı görüntülenmesini ve gerçek zamanlı olarak incelenmesini sağlar. HiPSC’lerin akışkanlarla kombinasyonu, dolaşımın başlatılması kardiyovasküler ve kan sistemininkurulmasını yeniden şekillendirdiğinde ve kontrol ettiğinde, gelişmekte olan fetal dokuların sınırlı kullanılabilirliğinin ve erişilemezliğinin üstesinden gelen bir çalışma modeli sağlar 3,9,10,25.
Protokolün bir sınırlaması, bu protokolden türetilen endotel hücrelerinin, gelişmekte olan dokularda bulunan farklı endotel hücrelerinin çeşitli kimliklerini yansıtmayabilmesidir. Bu sınırlamanın üstesinden gelmek için, istenen kimliği veya dokuya özgü fenotip26’yı elde etmek için akışkan stimülasyondan önceki farklılaşma işlemi sırasında spesifik bir sitokin kombinasyonuna ihtiyaç duyulabilir. Endotelyal alt kümelerin izolasyonu, izolasyon adımı sırasında daha rafine bir immünofenotip kullanılarak elde edilebilir. Bu protokol, endotel hücrelerini yalnızca CD34 ekspresyonuna dayalı olarak izole eder, böylece floresanla aktive edilen hücre sınıflandırması (FACS) yerine kolon izolasyonuna izin verir; Bu, hücre ölümünü ve kontaminasyon riskini azaltır. Ayrıca, bu protokol, laminer akışın aracılık ettiği kesme geriliminin rolünü incelemek için özel olarak tasarlanmıştır. Germe veya sıkıştırma gibi diğer mekanik ipuçlarının veya bozulmuş veya bozulmuş akış gibi diğer akış türlerinin etkisini incelemek için alternatif akışkan yaklaşımların kullanılması gerekecektir.
Daha önce iPSC’den türetilen endotel hücrelerinin, fetal dorsal aortta 28,29,30 gözlemlenene benzer heterojen arteriyovenöz hücresel kimlikleri 27 taklit ettiğini göstermiştik. Bu, kan dolaşımı tarafından kontrol edildiği bilinen damar gelişimi ve hücresel spesifikasyon bağlamında özellikle önemlidir. Farklı modellerde yapılan çalışmalar, dolaşım eksikliğinin arteriyovenöz spesifikasyonun değişmesine neden olduğunu göstermiştir11,14,31. Mekanik ipuçlarını hücre spesifikasyonuna bağlayan mekanizmalar hala bilinmemektedir ve burada açıklanan boru hattı, in vivo olarak test edilemeyen rafine fonksiyonel çalışmalara izin vermektedir.
Bu boru hattı, ticari olarak temin edilebilen akışkan kanallar kullanılarak hiPSC’lerden türetilen endotel hücrelerinin üretimini ve uyarılmasını açıklar ve cihazların yaygın olarak kullanılan polidimetilsiloksan (PDMS) cihazlarında olduğu gibi döküm ihtiyacını ortadan kaldırır12. Ayrıca, PDMS çiplerinin kullanılması, uyarılan hücrelerin toplanmasını özellikle zorlaştırırken, bu protokol ile hücreler kanaldan kolayca alınabilir. Bu, proteomik ve transkriptomik analizler, akış sitometrisi ve daha fazla kültüre veya in vivo tahlillere ihtiyaç duyabilecek fonksiyonel tahliller gibi sonraki analizlere izin veren analitik gücü önemli ölçüde artırır.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, Avrupa Hematoloji Derneği’nden Research Advanced Grant 2021, Amerikan Hematoloji Derneği’nden 2021 Küresel Araştırma Ödülü ve Welcome Trust ve Edinburgh Üniversitesi tarafından finanse edilen Dahili Strateji Destek Fonu ISSF3 tarafından desteklenmiştir. Flow Sitometri Tesisi’nden Fiona Rossi’ye Flow sitometri analizindeki desteği için teşekkür ederiz. Açık erişim amacıyla, yazar, bu gönderimden kaynaklanan herhangi bir Yazar Tarafından Kabul Edilen Makale sürümüne bir Creative Commons Atıf (CC BY) lisansı uygulamıştır.
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 |