عالية الإنتاجية توصيف الخلايا الجذعية البالغة المهندسة لتسليم العوامل العلاجية لاستراتيجيات اعصاب
Özet
This study describes an experimental platform to rapidly characterize engineered stem cells and their behaviors before their application in long-term in vivo transplant studies for nervous system rescue and repair.
Abstract
Mesenchymal stem cells (MSCs) derived from bone marrow are a powerful cellular resource and have been used in numerous studies as potential candidates to develop strategies for treating a variety of diseases. The purpose of this study was to develop and characterize MSCs as cellular vehicles engineered for delivery of therapeutic factors as part of a neuroprotective strategy for rescuing the damaged or diseased nervous system. In this study we used mouse MSCs that were genetically modified using lentiviral vectors, which encoded brain-derived neurotrophic factor (BDNF) or glial cell-derived neurotrophic factor (GDNF), together with green fluorescent protein (GFP).
Before proceeding with in vivo transplant studies it was important to characterize the engineered cells to determine whether or not the genetic modification altered aspects of normal cell behavior. Different culture substrates were examined for their ability to support cell adhesion, proliferation, survival, and cell migration of the four subpopulations of engineered MSCs. High content screening (HCS) was conducted and image analysis performed.
Substrates examined included: poly-L-lysine, fibronectin, collagen type I, laminin, entactin-collagen IV-laminin (ECL). Ki67 immunolabeling was used to investigate cell proliferation and Propidium Iodide staining was used to investigate cell viability. Time-lapse imaging was conducted using a transmitted light/environmental chamber system on the high content screening system.
Our results demonstrated that the different subpopulations of the genetically modified MSCs displayed similar behaviors that were in general comparable to that of the original, non-modified MSCs. The influence of different culture substrates on cell growth and cell migration was not dramatically different between groups comparing the different MSC subtypes, as well as culture substrates.
This study provides an experimental strategy to rapidly characterize engineered stem cells and their behaviors before their application in long-term in vivo transplant studies for nervous system rescue and repair.
Introduction
ثمة مسألة رئيسية مع تنفيذ العلاجات المفيدة لعلاج اضطرابات الجهاز العصبي هي في تطوير طرق فعالة منع المزيد من تدهور وتسهيل استعادة وظيفة أيضا. استراتيجية مبتكرة هي وراثيا الخلايا الجذعية مهندس خارج الحي، لإنتاج عوامل اعصاب، قبل الزرع الخاصة بهم. هذا المزيج من العلاج القائم على الخلايا، إلى جانب وجود نوع من العلاج الجيني، ويوفر وسيلة قوية لعلاج المرض أو الإصابة الناجمة عن وفاة الخلايا العصبية في الجهاز العصبي.
عوامل عصبية ضرورية للنمو وبقاء الخلايا العصبية النامية وكذلك صيانة واللدونة من الخلايا العصبية الناضجة. وقد أظهر عدد من الدراسات الأدوار الهامة من عوامل عصبية في تعزيز النمو الأولي والتفريق بين الخلايا العصبية في الجهاز العصبي المركزي والمحيطي (CNS والجهاز العصبي المحيطي)، وأنها يمكن أيضا أن يحفز تجديد في المختبر وفينماذج نيمال الإصابة العصبية 1. وأعربت المستمدة من الدماغ عامل التغذية العصبية (BDNF) غاية في الجهاز العصبي المركزي وتلعب أدوارا هامة في تنظيم التطور العصبي، اللدونة متشابك وإصلاح 2. خط المشتقة من الخلايا الدبقية عامل التغذية العصبية (GDNF) يعزز بقاء العديد من أنواع الخلايا العصبية بما في ذلك الدوبامين وmotorneurons 3. وهكذا، استراتيجية هامة لإصلاح العصبي هو توفير مصادر خارجية من عوامل عصبية إلى المناطق المصابة أو المريضة من الجهاز العصبي.
الخلايا الجذعية الوسيطة المشتقة من نخاع العظام متعددة القدرات (اللجان الدائمة) عقد إمكانات كبيرة للتسليم من البروتينات العلاجية لعلاج الجهاز العصبي التالفة أو المريضة. وقد اجتذب زرع اللجان الدائمة اهتماما كبيرا في الجهود الرامية إلى تطوير علاجات خلية القاعدة متوافقة المرضى منذ لديهم عدد من المزايا بما في ذلك، 1) السهولة النسبية من العزلة وصيانة، 2) قدرة multipotential، 3) المخاوف الأخلاقية قليلا، 4) القدرة على البقاء والهجرة بعد زرع و5) إمكانية زرع ذاتي 4،5. وقد تم الإبلاغ عن نتائج واعدة مع استخدام اللجان الدائمة ساذجة وهندستها وراثيا في النماذج الحيوانية لعدد من الظروف العصبية المختلفة، بما في ذلك إصابة في العمود الفقري الحبل 6،7، 8،9 السكتة الدماغية، المايلين نقص 10، وتنكس الشبكية 11-13. اقتران زرع الخلايا مع تسليم عوامل عصبية من الخلايا الجذعية المعدلة وراثيا هي رواية واستراتيجية مهمة إصلاح العصبية.
خطوة أساسية في تطوير النظم العلاجية تسليم العامل القائم على الخلية لتحديد صحة طبيعية من الخلايا المهندسة. على هذا النحو، وكان الغرض الرئيسي من هذه الدراسة لتقييم المعلمات نمو العامة للخلايا الجذعية البالغة وراثيا. مدخلا مهما لتقييم بسرعة المعلمات خلايا متعددة هو لتوظيف الخلوية القائم على صورة عالية من خلال screeninز (HTS)، غالبا ما يشار إلى ارتفاع باسم الفحص المحتوى (HCS) إجراءات 14. تسمح هذه التقنية الحصول على الصور الآلي والتحليل وهذا النهج هو بشكل خاص مناسبة تماما لتطبيقات أبحاث الخلايا الجذعية. في هذا المشروع قمنا بتطوير منصة التنميط الذي يسمح لتوصيف السريع والأمثل للتفضيلات الركيزة الخلايا والوظائف الخلوية مع الخلايا الجذعية البالغة وراثيا التي تستخدم نظام HCS.
Protocol
Representative Results
Discussion
الخلايا الجذعية الوسيطة الكبار (اللجان الدائمة) هي نوع من الخلايا جذابة لوضع استراتيجية تجريبية الجمع بين تسليم العلاج الخلوي والجيني مقرها. اللجان الدائمة هي متعدد القدرات، قادرة على التفريق الى خلايا من سلالته أرومية متوسطة، وعرض ليونة كبيرة، التفريق / transdifferentiating في الأنساب العصبية والدبقية مع الحث المناسب النماذج 17،18. وعلاوة على ذلك، تم زرع اللجان الدائمة وأثبتت فعاليتها في الدراسات قبل السريرية لعدد من الاضطرابات، بما في ذلك ظروف الاعصاب 19. الكفاءة العلاجية من اللجان الدائمة هو معروف بسبب مفيد لمكافحة التكاثري، والأنشطة المضادة للالتهابات ومضادة للأفكارك الخاصة 20. ومن المعروف أيضا اللجان الدائمة لإنتاج وإفراز العديد من عوامل عصبية والنمو، الأمر الذي يسهم المرجح أن الصفات اعصاب المرتبطة اللجان الدائمة ساذجة بعد زرع في مواقع الإصابة أو المرض 21. IMPOrtantly، اللجان الدائمة يمكن تعديلها وراثيا لتسليم المستمر للعوامل عصبية عن الجمع بين التطبيقات المستندة إلى العلاج الجيني الخلوية و، واستخدمت في عدد من النماذج الحيوانية من الإصابة أو المرض إلى الجهاز العصبي المركزي 11،19،22.
في تطوير إستراتيجية تعتمد العلاج الخلوي والجينات مجتمعة، من المهم أن صحة الخلايا وتقييمها بعناية قبل استخدامها المكثف للفي المختبر، وخاصة في التطبيقات الجسم الحي. كدليل على المفهوم، ونحن التحقيق السكان متعددة من الخطوط الهندسية والتحكم MSC من أجل دراسة النتائج المترتبة على التعديلات الوراثية على صحة الخلايا واللياقة البدنية باستخدام نهج عالية فحص المحتوى (HCS). بشكل عام، HCS يشير إلى الخلوي الصورة القائمة على إنتاجية عالية فحص 14. هذا النهج يسمح فحص والتقييم الكمي من الظواهر الخلوية في مستويات متعددة من المكانية (الخلية إلى التحت خلوية) والزمنية (ميلي ثانية إلى أيام) الدقةolution عبر ظروف تجريبية مختلفة. باستخدام هذا النهج الذي الوصول الخلافات المحتملة في تفضيل الركيزة على المعايير التالية: تكاثر الخلايا والتعبير عن بروتين الفلورية الخضراء (GFP)، موت الخلية، والحركة خلية / الهجرة. تم تصميم التجارب في 96-جيدا شكل لوحة ثقافة الخلية. ضمن لوحة واحدة ونحن التحقيق بشكل روتيني الخلافات المتعلقة الركيزة الممكنة فيما يتعلق بكل المعلمة للسكان MSC مختلفة من الخلايا transduced lentiviral ومقارنة اللجان الدائمة هندسيا مع الأصل، اللجان الدائمة غير transduced. تقدم هذه وسيلة لمقارنة نتائج مباشرة لأنواع فرعية مختلفة MSC مع بطارية لفحوصات في المختبر مثل تكاثر الخلايا باستخدام Ki67 immunolabeling، ويعيش / ميت بقاء الخلية الفحص باستخدام يوديد propidium تلطيخ، وسلوك الخلية عن طريق أداء الوقت الفاصل بين التصوير الرقمي . وامتدادا لهذا HCS واحد يمكن ان تؤدى ELISAs على عينات سائل الإعلام مكيفة التي تم جمعها من فرد ثells لتحديد الكمية إفراز عوامل عصبية. وسائل الإعلام مكيفة من أنواع فرعية مختلفة MSC يمكن أن تستخدم أيضا في اختبارات بيولوجية في المختبر لتحديد النشاط البيولوجي من العوامل يفرز 11،23. هذا النوع من منصة HCS ويمكن أيضا أن تستخدم لفي المختبر قياسات ثمرة neurite من الثقافات العصبية الأولية والعصبية خطوط الخلايا الجذعية 24. وعموما، أظهرت نتائجنا أن مجموعات سكانية فرعية من اللجان الدائمة المعدلة وراثيا المعروضة سلوكيات مماثلة في المقارنة إلى اللجان الدائمة غير المعدلة. وكان تأثير ركائز ثقافة متنوعة على نمو الخلايا والهجرة الخلية لا يختلف بشكل كبير بين أنواع فرعية MSC، فضلا عن ركائز الثقافة. على هذا النحو، فإن ركائز المصفوفة خارج الخلية اختبار لا يبدو أن تلعب دورا حاسما في تعديل هذه الجوانب من سلوك الخلية لهذه اللجان الدائمة مهندسة مختلفة.
وتوضح هذه الدراسة استخدام نظام HCS لتحليل مختلفار جوانب السلوك الخلية. ومع ذلك، فإنه ليس من غير المألوف لمواجهة القيود المرتبطة تحليل الصور. في بعض الأحيان، في حين أن تحليل الصور مضان، كان من الصعب بعض الشيء لتحديد قيمة العتبة الصحيحة أعلاه والتي immunolabeled أو أن تحسب الخلايا الملون وصفت بأنها إيجابا / الملون. وهكذا، للحد من التحيز الذاتي، كان تحديد القيم عتبة يعتمد على مقارنة مع الضوابط (تم تنفيذ ضوابط السلبية للتصوير مضان بالتوازي خلال تجهيز جميع من هذا الإغفال من الأجسام المضادة الأولية أو الثانوية). تمت مصادفة الحد آخر خلال تحليل للهجرة الخلية باستخدام الفاصل الزمني التصوير الرقمي. في بعض الحالات، كان البرنامج التصوير غير قادرين على التفريق بين الحركة البراونية عشوائية من خلية مقابل خلية المهاجرة الواقع على بعد مسافة قصيرة جدا. كانت قيود إضافية واضحة في الحالات التي يكون فيها البرنامج تحليل غير قادرين على التمييز بين وجود multipخلايا جنيه على مقربة جدا إلى واحد آخر. للتغلب على هذا القيد المطلوبة تحديد الخلية اليدوية أثناء التحليل بدلا من تحليل مؤتمتة بالكامل. كثافة الطلاء خلية يمكن أن يؤدي أيضا إلى انحراف بيانات الهجرة الخلية بين السكان من الخلايا التي تبدي قدرا أكبر من الأفضلية لتنمو في كتل مقابل الخلايا التي تنمو بمعزل عن بعضها البعض. هذه الأنواع من الاختلافات في جزء من المحتمل انعكاس لخلية الركيزة مقابل تفضيلات خلية خلية.
باستخدام نظام HCS للحصول على الصور وإجراء تحليل البيانات يوفر وسيلة فعالة وسريعة لتقييم المعلمات خلية متعددة. وبالإضافة إلى ذلك، تم أشرطة الفيديو الرقمية الوقت الفاصل لمدة 30 ظروف مختلفة (6 ركائز و 5 أنواع فرعية مختلفة MSC) اكتسبت بشكل روتيني لفترات تتراوح بين ساعات إلى أيام (48 ساعة) أثناء استخدام الغرفة البيئية. تم استخدام هذه البيانات في وقت لاحق لحساب وتحديد الفروق في معدلات الهجرة الخلية عبر خطوط الخلايا المختلفة على ECM مختلفةالجزيئات.
في هذا التقرير قمنا سلط الضوء على تنفيذ منصة عالية فحص المحتوى لتقييم صحة الخلية وظيفة. هذا النوع من التحليل هو مفيد لوضع استراتيجيات عقلانية لتصميم خلية أنواع، وكذلك ركائز البوليمر لتسهيل نمو الخلايا الموجهة وتجديد العصبي. وهذه خطوة أساسية نحو تطبيق الجذعية تسليم خلية القاعدة من العوامل العلاجية قبل واسعة النطاق في الدراسات قبل السريرية المجراة باستخدام استراتيجيات زرع الخلايا.
Açıklamalar
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Funding for this research was provided by the US Army Medical Research and Materiel Command (Grant account no. W81XWH-11-1-0700) and the Stem Cell Research Fund. PAB and EMP were recipients of Ames Laboratory Summer Undergraduate Laboratory Internships (SULI).
Materials
| 96 well plates | Greiner Bio One | 655090 | 96 well plates selected for use in ImageXpress |
| Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) | A9647 | |
| Rabbit anti-Ki67 antibody | Abcam (Cambridge, MA) | Ab16667 | 1:200 dilution |
| Collagen type I | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) | C7661 | Collagen from rat tail |
| DAPI | Invitrogen (Carlsbad, CA) | D3571 | |
| Donkey anti-Rabbit Cy3 | Jackson Immuno Res Lab (West Grove, PA) | 711-165-152 | 1:500 dilution |
| ECL(Entactin-Collagen-Laminin) | Millipore/Chemicon (Temecula, CA) | 08-110 | |
| Fetal bovine serum (FBS) | Hyclone (Logan, UT) | SH30071.03 | |
| Equine serum | Hyclone (Logan, UT) | SH3007403 | |
| Ethanol | Chemistry Store (Ames, IA) | 12003510 | 100%, 200 proof |
| Fibronectin | Fisher Scientific (Hampton, NH) | CB-40008 | |
| Iscove’s Modified Dulbeccos Medium (IMDM) | Hyclone (Logan, UT) | SH30396.03 | |
| KH2PO4 | Fisher Scientific (Hampton, NH) | P285 | For PO4 buffer |
| K2HPO4 | Fisher Scientific (Hampton, NH) | P288 | For PO4 buffer |
| L-Glutamine | Gibco/Invitrogen (Grand Island, NY) | 25030-081 | |
| Laminine (mouse) | Trevigen (Gaithersburg, MD) | 3400-010-01 | |
| Mouse MSCs of adult C57BL/6 mice | Tulane Cent for Gene Therapy (New Orleans, LA) | Isolated from bone marrow | |
| Genetically modified MSCs (GFP, BDNF, GDNF, BDNF/GDNF) | These cells were obtained from our previous study : Ye et. al. (in preparation) | ||
| Normal donkey serum (NDS) | Jackson Immuno Res Lab (West Grove, PA) | 017-000-121 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Fisher Scientific (Hampton, NH) | O4042 | 4% PFA in 0.1M PO4 buffer |
| Penicillin-Streptomycin | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) | P0781 | |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) | P4417 | |
| Poly-L-lysine | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) | P4707 | |
| Propidium iodide (PI) | Invitrogen (Carlsbad, CA) | P1304MP | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich (St. Louis, MO) | X100 | |
| Trypsin 0.05% (EDTA 1X) | Invitrogen (Carlsbad, CA) | 25300-054 | |
| Iscove's Modified Dulbecco's Medium | Invitrogen (Carlsbad, CA) | 12440–046 | |
| Hybridoma-qualified FBS | Hyclone (Logan, UT) | SH30396.03 | |
| Equine serum | Hyclone (Logan, UT) | SH3007403 | |
| ImageXpress Micro | Molecular devices (Sunnyvale, CA) | ImageXpress micro | High content screening system |
| MetaXpress 4.0 | Molecular devices (Sunnyvale, CA) | MetaXpress 4.0 | Image acquisition and analysis software |
Referanslar
- Thoenen, H., Sendtner, M. Neurotrophins: from enthusiastic expectations through sobering experiences to rational therapeutic approaches. Nature neuroscience. 5 Suppl, 1046-1050 (2002).
- Park, H., Poo, M. M. Neurotrophin regulation of neural circuit development and function. Nature reviews. 14, 7-23 (2013).
- Lin, L. F., Doherty, D. H., Lile, J. D., Bektesh, S., Collins, F. GDNF: a glial cell line-derived neurotrophic factor for midbrain dopaminergic neurons. Science (New York, N.Y.). 260, 1130-1132 (1993).
- Azizi, S. A., Stokes, D., Augelli, B. J., DiGirolamo, C., Prockop, D. J. Engraftment and migration of human bone marrow stromal cells implanted in the brains of albino rats–similarities to astrocyte grafts. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 95, 3908-3913 (1998).
- Prockop, D. J., Gregory, C. A., Spees, J. L. One strategy for cell and gene therapy: harnessing the power of adult stem cells to repair tissues. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 100 Suppl 1, 11917-11923 (2003).
- Akiyama, Y., Radtke, C., Honmou, O., Kocsis, J. D. Remyelination of the spinal cord following intravenous delivery of bone marrow cells. Glia. 39, 229-236 (2002).
- Hofstetter, C. P., et al. Marrow stromal cells form guiding strands in the injured spinal cord and promote recovery. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99, 2199-2204 (2002).
- Chopp, M., Li, Y. Treatment of neural injury with marrow stromal cells. Lancet neurology. 1, 92-100 (2002).
- Li, L., et al. Transplantation of marrow stromal cells restores cerebral blood flow and reduces cerebral atrophy in rats with traumatic brain injury: in vivo MRI study. Journal of neurotrauma. 28, 535-545 (2011).
- Jin, H. K., Carter, J. E., Huntley, G. W., Schuchman, E. H. Intracerebral transplantation of mesenchymal stem cells into acid sphingomyelinase-deficient mice delays the onset of neurological abnormalities and extends their life span. The Journal of clinical investigation. 109, 1183-1191 (2002).
- Harper, M. M., et al. Transplantation of BDNF-secreting mesenchymal stem cells provides neuroprotection in chronically hypertensive rat eyes. Investigative ophthalmology & visual science. 52, 4506-4515 (2011).
- Arnhold, S., et al. Adenovirally transduced bone marrow stromal cells differentiate into pigment epithelial cells and induce rescue effects in RCS rats. Investigative ophthalmology & visual science. 47, 4121-4129 (2006).
- Inoue, Y., et al. Subretinal transplantation of bone marrow mesenchymal stem cells delays retinal degeneration in the RCS rat model of retinal degeneration. Experimental eye research. 85, 234-241 (2007).
- Xia, X., Wong, S. T. Concise review: a high-content screening approach to stem cell research and drug discovery. Stem cells (Dayton, Ohio). 30, 1800-1807 (2012).
- Scholzen, T., Gerdes, J. The Ki-67 protein: from the known and the unknown. Journal of cellular physiology. 182, 311-322 (2000).
- Kapuscinski, J. DAPI: a DNA-specific fluorescent probe. Biotechnic & histochemistry : official publication of the Biological Stain Commission. 70, 220-233 (1995).
- Jiang, Y., et al. Pluripotency of mesenchymal stem cells derived from adult marrow. Nature. 418, 41-49 (2002).
- Woodbury, D., Schwarz, E. J., Prockop, D. J., Black, I. B. Adult rat and human bone marrow stromal cells differentiate into neurons. Journal of Neuroscience Research. 61, 364-370 (2000).
- Huang, B., Tabata, Y., Gao, J. Q. Mesenchymal stem cells as therapeutic agents and potential targeted gene delivery vehicle for brain diseases. Journal of controlled release : official journal of the Controlled Release Society. 162, 464-473 (2012).
- Uccelli, A., Benvenuto, F., Laroni, A., Giunti, D. Neuroprotective features of mesenchymal stem cells. Best Pract Res Clin Haematol. 24, 59-64 (2011).
- Forostyak, S., Jendelova, P., Sykova, E. The role of mesenchymal stromal cells in spinal cord injury, regenerative medicine and possible clinical applications. Biochimie. 95, 2257-2270 (2013).
- Shi, D., et al. The effect of lentivirus-mediated TH and GDNF genetic engineering mesenchymal stem cells on Parkinson’s disease rat model. Neurological sciences : official journal of the Italian Neurological Society and of the Italian Society of Clinical Neurophysiology. 32, 41-51 (2011).
- Harper, M. M., et al. Brain-derived neurotrophic factor released from engineered mesenchymal stem cells attenuates glutamate- and hydrogen peroxide-mediated death of staurosporine-differentiated RGC-5 cells. Experimental eye research. 89, 538-548 (2009).
- Harrill, J. A., Freudenrich, T. M., Machacek, D. W., Stice, S. L., Mundy, W. R. Quantitative assessment of neurite outgrowth in human embryonic stem cell-derived hN2 cells using automated high-content image analysis. Neurotoxicology. 31, 277-290 (2010).
