This protocol allows for the reliable generation and characterization of blood outgrowth endothelial cells (BOECs) from a small volume of adult peripheral blood. BOECs can be used as a surrogate for endothelial cells from patients with vascular disorders and as a substrate for the generation of induced pluripotent stem cells.
Historically, the limited availability of primary endothelial cells from patients with vascular disorders has hindered the study of the molecular mechanisms underlying endothelial dysfunction in these individuals. However, the recent identification of blood outgrowth endothelial cells (BOECs), generated from circulating endothelial progenitors in adult peripheral blood, may circumvent this limitation by offering an endothelial-like, primary cell surrogate for patient-derived endothelial cells. Beyond their value to understanding endothelial biology and disease modeling, BOECs have potential uses in endothelial cell transplantation therapies. They are also a suitable cellular substrate for the generation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) via nuclear reprogramming, offering a number of advantages over other cell types. We describe a method for the reliable generation, culture and characterization of BOECs from adult peripheral blood for use in these and other applications. This approach (i) allows for the generation of patient-specific endothelial cells from a relatively small volume of adult peripheral blood and (ii) produces cells that are highly similar to primary endothelial cells in morphology, cell signaling and gene expression.
Bis vor kurzem wurde die postnatale Generation von neuen Blutgefäßen vermutlich ausschließlich durch einen Prozess bekannt als Angiogenese, definiert als das Sprießen neuer Schiffe von den Endothelzellen der bereits bestehenden Gefäßen auftreten. 1 Dieses Verfahren steht im Gegensatz aus der Vaskulogenese oder die de novo Bildung von Blutgefäßen von endothelialen Vorläuferzellen, die gedacht wurde, um während der Embryogenese ausschließlich auftreten. 2 Allerdings haben neuere Studien identifiziert und isoliert zirkulierenden endothelialen Vorläuferzellen (EPCs) im peripheren Blut von Erwachsenen. Diese Zellen besitzen die Fähigkeit, in der Kultur zu reifen Endothelzellen differenzieren und sind vermutlich in der postnatalen Vaskulogenese zu beteiligen. 3,4
Protokolle für die Isolierung und Expansion dieser EPCs beinhalten üblicherweise die Kultur von peripheren mononukleären Blutzellen (PBMNC) in Medien, die endotheliale Wachstumsfaktoren, einschließlich vascular endothelialen Wachstumsfaktor (VEGF) und Fibroblasten-Wachstumsfaktor-2. 5-8 EPC Kulturen produzieren eine Vielzahl von stark unterschiedlichen Zelltypen. Anfängliche Kulturen (<7 Tage) sind durch eine Monozyten-Zelltyp, in der Literatur als "früh" EPCs bekannt dominiert. Trotz ihres Namens exprimieren diese Zellen des Monozyten-Marker CD14, negativ für die Vorläufermarker CD34 und exprimieren nur geringe Niveaus der klassischen endotheliale CD31 und VEGF-Rezeptor-2 (VEGFR2). 5 Fortsetzung Kultur führt zu einer sekundären Population von Zellen, erst Auswuchs EPCs oder Blut Auswuchs Endothelzellen (BOECs), die als diskrete Kolonien von Endothel-ähnlichen Zellen erscheinen bekannt. Im Gegensatz zu den monozytären frühen EPCs, BOECs, die auch endotheliale Kolonie-bildenden Zellen (ECFCs), Auswuchs Endothelzellen oder spät Auswuchs Endothelzellen aufgerufen haben, zeigen Sie die Kopfsteinpflastermorphologie, die typisch für endotheliale Zellmonoschichten ist und in Oberflächenmarker sehr ähnlich5 und Genexpression 9 bis Endothelzellen reifen.
Die Erzeugung von Endothel-ähnlichen Zellen aus peripherem Blut bietet mehrere Vorteile, insbesondere für die Untersuchung der Endothelzelldysfunktion mit vaskulären Erkrankungen, wie pulmonaler arterieller Hypertonie (PAH) 10 oder von Willebrand-Krankheit. 11 Vor der Verfügbarkeit von BOECs, Endothelzellen assoziiert Zellen konnte nur von verpflanzten Organen zum Zeitpunkt des Todes oder der Organtransplantation oder isolierte aus der Nabelschnurvene Geburts ableiten. Dies reduziert die Verfügbarkeit eine ernsthafte Beschränkung auf das Verständnis der Biologie von endothelialen Zellen von Patienten mit Herzkreislauferkrankungen, sowie die Wechselwirkungen zwischen Endothelzellen und entweder Blutzellen oder Wandzellen. Ferner das Isolieren und Kultivieren einer reinen Population von Endothelzellen aus diesen Quellen ist technisch anspruchsvoll, und die Zellen mit diesen Verfahren abgeleitet zeigen nur eine limited proliferative Kapazität. BOECs bieten daher einen wertvollen Ersatz für die Isolierung und Kultivierung von Patienten stammende primäre Endothelzellen.
Zusätzlich zu ihrer in-vitro-Anwendungen sind BOECs potentiell auch in autologe Zelltransplantationstherapien nützlich. Diese Anwendungen sind sowohl Endothelzelltransplantation zur Gefäßneubildung (siehe 12 und Referenzen darin) zu fördern, sowie die Erzeugung von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen). 13 BOEC stamm iPSCs können für Krankheit Modellierung verwendet werden und bieten ein enormes Potenzial als Ausgangs Material für die autologe Zelltherapien. BOECs umprogrammieren schneller und mit einem höheren Wirkungsgrad als Haut-Fibroblasten. Außerdem BOECs auch für die Erzeugung von iPS-Zellen, die frei von karyotypischen Anomalien, die ein wesentliches Merkmal jeder Technologie, die sich für translationale Anwendungen sein wird, ist es zu ermöglichen. Die Fähigkeit, iPSCs von einem Patienten eine Blutprobe zu erzeugenlso eliminiert die Notwendigkeit für ein Hautbiopsie und die Erzeugung von Hautfibroblasten, wodurch die Erzeugung von Zellen zur Erleichterung von Patienten mit Wundheilungsstörungen oder sehr jungen.
Die unten beschriebenen Protokoll durch genehmigt und in Übereinstimmung mit den Richtlinien des National Research Ethics Service Committee (East of England) durchgeführt wird, bietet eine einfache und zuverlässige Methode für die Erzeugung von BOECs mit mehr als 90% Wirkungsgrad aus einem relativ kleinen Volumen (60 ml) aus dem peripheren Blut. Diese Zellen sind stark proliferative und kann wiederholt agiert werden, was zur Erzeugung von Hunderten von Millionen von Zellen aus einer einzelnen Blutprobe.
We present a detailed protocol that allows for the robust and efficient derivation of BOECs from adult peripheral blood mononuclear cells (PBMNCs). Our protocol includes two important refinements that represent advances on previous methods of BOEC isolation.14-16 These include the absence of heparin in the initial PBMNC culture medium and the use of defined, embryonic stem cell-qualified serum. This latter refinement is of particular importance. Embryonic stem cell (ESC)-qualified serum is a more consistent grade of serum and, although it is not known yet what component(s) are enriched in the serum that benefit BOEC isolation, the impact of this defined serum on the efficiency of BOEC generation is clear in our hands. In addition, we have also had success in isolating BOECs using human serum, thereby allowing for the generation of BOECs for clinical translation. In our hands, this refined protocol results in the successful isolation of stable BOEC cultures from greater than 90% of donors, making it one of the most reliable BOEC generation methods reported thus far. Although the use of particular sera is critical to BOEC generation, it also represents a primary limitation of the current protocol. Future improvements to the technique could include the generation of these cells in serum-free, defined culture conditions.
Critical Steps in the protocol include processing blood samples as soon as possible after collection, complete harvesting of the buffy coat cells after density gradient centrifugation and the timely passaging of initial colonies from P0 to P1. This passaging step is critical to establishment of a stable isolation. Like other endothelial cells, BOECs appear to be very sensitive to plating density. If the plating density after passaging is too low, the BOECs will not proliferate. Conversely, if the colonies are allowed to become overconfluent before passaging, the cells will also cease to proliferate and have the tendency to convert into an elongated, mesenchymal cell phenotype. If few colonies appear from days 7 to 14, or if the colonies are small in size, troubleshooting can include increasing cell density by passaging P0 colonies into a T-25 flask instead of a T-75.
Once the technique is mastered, the resultant BOECs can be used in several applications, including in vitro studies of endothelial cell biology, disease modeling and drug screening, as well as in vivo cell transplantation therapies. An important consideration for the development of any cell therapy process is to use cells that are free from pathogenic mutations. We have previously shown that BOECs isolated using our protocol possess genomes that are free from copy number variations and are thus representative of the individual from which they were collected. In addition, we have also demonstrated that the majority of BOEC-derived iPSC lines are free from copy number variations.13 This contrasts with previous reports of copy number variation in fibroblast-derived iPSCs. To date, these cells remain the only iPSCs for which this degree of genomic fidelity has been reported. This feature is important for the field of iPSC biology and the use of iPSCs in disease modeling, drug screening and future cell transplantation therapies.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by grants funded by the British Heart Foundation (BHF), Dinosaur Trust, McAlpine Foundation, Fondation Leducq, Fight for Sight, the Cambridge Biomedical Research Centre, National Institute of Health Research including (i) the BHF Oxbridge Centre of Regenerative Medicine [RM/13/3/30159], (ii) the BHF Cambridge Centre of Research Excellence, (iii) Addenbrooke’s Hospital, Cambridge University Hospitals NHS Foundation Trust and (iv) Papworth Hospital NHS Foundation Trust, and supported the Cambridge NIHR BRC Cell Phenotyping Hub. MLO is funded by a BHF Intermediate Fellowship. FNK is funded by a BHF PhD Studentship.
For blood collection | |||
60 mL syringe with luer-lok tip | BD | 309653 | |
19G Surflo Winged Infusion Set | Terumo | SV-19BL | |
50 mL conical centrifuge tube | StarLab | E1450 | 2 per donor |
Sodium Citrate | Martindale Pharmaceuticals | 270541 | |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
For buffy coat isolation | |||
Ficoll-Paque Plus | GE Healthcare | 17-1440-03 | |
Dulbecco’s PBS (without Ca2+ and Mg2+) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
Sterile wrapped plastic transfer pipettes | Appleton Woods | KC231 | |
Turk’s Solution | Millipore | 1.093E+09 | |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
For cell culture, passaging and freezing cells | |||
Type 1 Collagen (derived from rat tail) | BD Biosciences | 35-4236 | |
Dulbecco’s PBS (without Ca2+ and Mg2+) | Sigma-Aldrich | D8537 | |
0.02M Acetic Acid | Sigma-Aldrich | A6283 | prepared in reagent grade water |
Endothelial Growth Medium-2MV (containing Bullet Kit, but not serum) |
Lonza | CC-3202 | Note: It is essential that the medium does not contain heparin. Do not use EGM-2. |
Fetal Bovine Serum (U.S.), Defined | Hyclone | SH30070 | |
10x Trypsin EDTA | Gibco | T4174 | Dilute to 1x in PBS prior to use |
Heat Inactivated FBS | Gibco | 10500-064 | |
DMEM | Gibco | 41965-039 | |
DMSO | Sigma-Aldrich | 276855 | |
Nalgene Mr. Frosty Freezing Container | Sigma-Aldrich | C1562 | |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
For flow cytometric characterization | |||
FITC-conjugated mouse anti-human CD14 | BD Biosciences | 555397 | Mouse IgG1k, Clone: WM59 Dilution: 1:20 |
FITC-conjugated mouse anti-human CD31 | BD Biosciences | 555445 | Mouse IgG1k, Clone: WM59 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse anti-human CD34 | BD Biosciences | 555824 | Mouse IgG1k, Clone: 581/CD34 Dilution: 1:20 |
FITC-conjugated mouse anti-human CD45 | BD Biosciences | 560976 | Mouse IgG1k, Clone: HI30 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse anti-human VEGFR2 | R&D Systems | FAB357A | Mouse IgG1, Clone: 89106 Dilution: 1:10 |
FITC-conjugated mouse IgG1k isotype control | BD Biosciences | 555748 | Clone: MOPC-21 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse IgG1k isotype control | BD Biosciences | 555751 | Clone: MOPC-21 Dilution: 1:20 |
APC-conjugated mouse IgG1k isotype control | R&D Systems | IC002A Dilution: 1:10 |
Clone: 11711 |
EDTA, 0.5M solution | Sigma-Aldrich | E7889 | |
Name | Company | Catalog Number | Yorumlar |
For immunofluorescent microscopy | |||
Corning Costar 24-well tissue culture plate | Sigma-Aldrich | CLS3527 | |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | 158127 | |
BSA | Sigma-Aldrich | A7906 | |
Polysorbate 20 | Sigma-Aldrich | P2287 | |
Monoclonal mouse anti-human CD34 antibody | R&D Systems | MAB72271 | Clone 756510, IgG1, use at 10 μg/ml |
Polyclonal goat anti-human VE-cadherin (CD144) | R&D Systems | AF938 | Antigen affinity- purified IgG, use at 1:300 |
Monoclonal rabbit anti-human Von Willebrand Factor (vWF) | Abcam | ab154193 | Clone EPSISR15, use at 1:250 |
Donkey anti-mouse IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | Life Technologies | A-21202 | Polyclonal, 2 mg/ml, use at 1:200 |
Donkey anti-goat IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor 488 conjugate | Life Technologies | A-11055 | Polyclonal, 2 mg/ml, 1:200 |
Donkey anti-rabbit IgG (H+L) secondary antibody, Alexa Fluor 568 conjugate | Life Technologies | A-10042 | Polyclonal, 2 mg/ml, 1:200 |
DAPI (4′,6-Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride) | Sigma-Aldrich | D9542 | use at 1 μg/ml |