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This protocol entails detailed procedures for isolation of urine derived cells from muscular dystrophy patients; their efficient and rapid reprogramming through Sendai virus transduction.
Dystrophischen Kardiomyopathie ist eine schlecht verstanden Folge der Muskeldystrophie. Generieren von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPS-Zellen) von Patienten mit Muskeldystrophie ist eine unschätzbare Quelle für zelluläre in vitro Krankheitsmodellsysteme und für Wirkstoff-Screening-Studien verwendet werden. Patienten stammenden Urinzellen in erfolgreiche Reprogrammierung in induzierte pluripotente Stammzellen, um dystrophischen Kardiomyopathie Muster 1 verwendet. Adressieren der Sicherheitsbedenken von integrierenden Vektor-Systeme, unter Verwendung eines nicht-integrierenden Sendai-Virus-Vektors für die Transduktion von Yamanaka Faktoren in den Urin-Zellen von Patienten mit Muskeldystrophie gesammelt präsentieren wir ein Protokoll. Dieses Protokoll erzeugt vollständig neu programmiert Klone innerhalb von 2-3 Wochen. Die pluripotenten Zellen sind vektorfreien Durchgang durch-13. Diese dystrophischen iPS-Zellen lassen sich in Herzmuskelzellen differenziert und entweder verwendet werden, um Krankheitsmechanismen und für Wirkstoff-Screening zu untersuchen.
Kardiomyopathie ist die zweithäufigste Todesursache bei Patienten mit Duchenne und Becker-Muskeldystrophie (MD). Obwohl Mutationen in dem X-verknüpften Dystrophin-Gen in 1 auftreten: 3,500 männlichen Neugeborenen, ist sehr wenig über die molekularen und zellulären Ereignisse, die zum fortschreitenden Herzmuskelschäden bekannt. Menschen induzierte pluripotente Stammzellen von Muskeldystrophie-Patienten stammen, wurden als neuartige Instrument, um die zugrunde liegenden Krankheitsmechanismen zu studieren und für Wirkstoff-Screening 1,2 verwenden entstanden.
Die erwartete Beschwerden von Hautbiopsien oder Blutproben kann jungen Patienten und / oder ihrer Erziehungsberechtigten davon abzubringen, die Einwilligung zur Studienteilnahme zu geben. Urinproben ein nicht-invasives Quelle somatischer Zellen, abänderbar Neuprogrammierung Methoden. Wir haben kürzlich gezeigt, dass Urin Zellen von Muskeldystrophie Patienten gesammelt wurden, können kultiviert werden und effizient in iPSCs Hilfe retroviraler Transduktion mit den Yamanaka Faktoren (umprogrammiertOCT3 / 4, Sox2, Klf4 und c-Myc; OSKM) 1. Der Nachteil der retroviralen Gentransfer ist die zufällige Integration der Umprogrammierung Gene in die Wirtschromosomen. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben wir das nicht-integrierenden Sendaivirus zur Urin Reprogrammierung verwendet.
Dieses Protokoll beschreibt die Sendai-Virus Reprogrammierung von Zellen aus Urin isoliert Muskeldystrophie-Patienten, die dann in Herzmuskelzellen oder anderen Zelltypen für eine weitere Studie unterschieden werden können. Dieses Protokoll kann auch für andere Patienten spezifischen Krankheiten angepasst werden.
HINWEIS: Die Patienten und / oder ihrer Erziehungsberechtigten sollten Einwilligung in einem Institutional Review Board teilzunehmen geben genehmigten Studie.
1. Puffer und Medien Vorbereitungen
2. Urinprobenentnahme
3. Isolierung und Expansion von Urin Cells
HINWEIS: Führen Sie die folgenden Schritte unter sterilen Bedingungen in einem BSL2 Biologische Sicherheitswerkbank.
4. Urin Zell Reprogrammierung Mit Sendai Virus
HINWEIS: Der richtige Umgang mit und die Verwendung von PSA (persönliche Schutzausrüstung) wird empfohlen, während die Manipulation der Transfektion Mittel. Die folgenden Schritte werden unter sterilen Bedingungen in einem BSL2 Biologische Sicherheitswerkbank. Die ordnungsgemäße Entsorgung der Transfektion Mittel und / oder transfizierten Zellen wird empfohlen, um das Risiko von Umwelt- und Gesundheitsgefahren zu vermeiden. Für Urin Reprogrammierung, verwenden Sie ein Sendai Reprogrammierung Kit mit Änderungen an Feeder-abhängigen Protokoll des Herstellers wie unten beschrieben.
Meist Progenitorzellen aus menschlichem Urin isoliert sind positiv für uroepithelial Vorläufer und Perizyten Marker wie CD44, CD73 und CD146 (97,37%, 97,09% und 97,3% jeweils, Figur 1A und 1B). Diese Zellen exprimierten auch andere mesenchymalen Marker wie alpha-Aktin der glatten Muskulatur und Vimentin (1B). RT-PCR-Analyse zeugt von einer gemischten Population von Zellen in den Kulturen, daß es eine schwache Expression von Cytokeratin-7 (CK-7) und Uroplakin (UP) -Ia & -IIIa, Marker uroepithelial Linie (Figur 1C).
Die Umprogrammierung Schritte werden durch schema in 2A zusammengefasst. Repräsentative Bilder zeigen die Morphologie der Zellen während der verschiedenen Zeitpunkten während des gesamten Protokolls (2B). Die Urin-Zellen zu transformieren aus langgestreckten, Typ-II-Zellen (Tag 0) in ein Kopfsteinmuster (Tag 4) während der Umprogrammierung. By Tag 12, typisch pluripotenten Klone (iPS) zu sehen sind und in der Lage sind, ihre pluripotenten Morphologie unter Zuführung freien Bedingungen (iPS-P2) zu halten. Lebendzellfärbungen für TRA-1-81 identifiziert umprogrammiert Klone (2C).
Um die Bildung von Vektoren und transgene freien pluripotenten Klone zu bestätigen, wird die RT-PCR unter Verwendung von Primern gegen die SeV viralen Genoms und jeder der exogenen OSKM Faktoren. Die Hochregulation endogener Reprogrammierungsfaktoren können auch in diesem Schritt bestätigt wird. Das exogene Genexpressions nicht mehr durch Passage-13 erfaßt wird, aber die Hochregulation endogener Faktoren beobachtet (3A). Immunfluoreszenzfärbung bestätigt Pluripotenz Marker Ausdruck auf iPS-Zellen (Oct3 / 4 und TRA-1-81; 3B). Die endogene Umprogrammierung der Genexpression in Urin Zellen gesehen können diese Zellen führen zu höheren Wirkungsgraden 1 umprogrammieren, verglichen mit anderen Zellquellen. Die expression des Dystrophin-Gens und Proteins durch Immunfluoreszenz verifiziert, Western-Blot (WB) und RT-PCR-Analysen (3C-D). Immunfluoreszenzfärbung von Wildtyp-UCs und iPS-Zellen für Dystrophin zeigen deutlich, Kernlokalisierungs 11 in iPS-Zellen, aber nur sehr wenige UCs ausgedrückt positive (3C). Dystrophin-Expression in den Zellen zu überprüfen, Immunblot-Analyse für Dystrophin ergab, dass das ubiquitäre Dystrophin Isoform (DP71) ist die vorherrschende Isoform, die in Wildtyp iPSCs erzeugt, während dystrophischen iPSCs fehlt Dystrophin Genexpression nachweisbar DP71 Expression (Abbildung 3D). Die Exon Deletionsmutationen von Dystrophin in den dystrophischen iPS-Zellen unter Verwendung spezifischer Primer flankieren die gelöschten Exons bestätigt werden. Kein PCR-Amplifikation in den dystrophischen iPSCs erkannt, während Wildtyp-iPS-Zellen zeigen, Dystrophin Transkript Verstärkung (3E).
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Abbildung 1. Charakterisierung der isolierten Zellen Urin (BKS) zeigt uroepithelial Vorläufer, mesenchymale und glatte Muskelzellen Linien. (A) Durchflusszytometrische Analyse UCs sondiert mit konjugierten Antikörper gegen uroepithelial und Perizyten Marker CD44, CD73 und CD146. (B) Immunfluoreszenzfärbung von UCS mit CD44, αSMA und Vimentin. (C) Genexpressionsprofil UCs zeigen schwache Expression von CK-7 und UP-Ia und UP-IIIa im Vergleich zu positiven Kontrollproben, während die Genexpression von alpha-smooth muscle actin (αSMA) ist vergleichbar mit der Positivkontrolle. Bitte klicken Sie hier um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Abbildung 2. Die Neuprogrammierung von UC zu iPS-Zellen zu generieren. (A) Schematische Darstellung der Neuprogrammierung Timeline. (B) Bilder, die verschiedene Morphologien UCs während des SeV Übertragung, bei Tag 0 (SeV Übertragung), Tag 4 (morphologische Übergang), Tag 12 (pluripotenten Klone neu aufkommende MEFs) und die charakteristische iPSC Klon unter Zuführung freien Bedingungen (iPS -P2 auf Matrigel). (C) Live-Cell-Imaging für TRA-1-81 pluripotente Kolonien an Tag 17 zu erkennen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Abbildung 3. Erzeugung von viralen Genoms und Transgene Kostenlose iPS-Zellen. (A)Genexpressionsanalyse zeigt die Gegenwart des SeV Genoms und OSKM Transgenen bei Passage 2 (iPS-P2) und ihrem Verschwinden von Durchgang 13 (iPS-P13) während endogenen Genexpression besteht während des gesamten. (B) Phasenkontrastbilder und Immunfluoreszenz verglichen Oct3 / 4 und TRA-1-81-Färbung in UCs und resultierende iPS-Zellen. (C) Dystrophin wird durch Immunfluoreszenz in Wildtyp-iPS-Zellen im Vergleich zu Wildtyp-UC, und (D) die spezifische Dystrophin-Isoformen (DP71) kann durch WB bestätigt werden erkannt. (E) RT-PCR-Analyse wird verwendet, um die spezifische Dystrophin Exon-Deletion in den dystrophischen iPS-Zellen im Vergleich zu Wildtyp-UCs und iPS-Zellen zu bestätigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieses Bild anzuzeigen.
Name des Reagenz / Material / Ausrüstung | Unternehmen | Katalog-Zahl | Kommentare |
GAPDH-Forward Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | GTGGACCTGACCTGCCGTCT |
GAPDH-Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | GGAGGAGTGGGTGTCGCTGT |
CK7-Forward Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | TGGTGCTGAAGAAGGATGTG |
CK7-Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | CACGCTGGTTCTTGATGTTG |
Up-Ia-Forward Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | ACGTCCTACACCCACCGTGA |
Up-Ia-Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | ACCCCACGTGTAGCTGTCGAT |
Up-IIIa-Forward Primer | IDT Inc. | Seq given in Kommentaren | ACAAACAGAGGGTGGGAGGA CAG |
Up-IIIa-Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | AGAAGGGCAGGGAGCCCAGG |
αSMA-Forward Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | ACCCACAATGTCCCCATCTA |
αSMA-Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | TGATCCACATCTGCTGGAAG |
Oct3 / 4 (exogene) -Forward Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | CCCGAAAGAGAAAGCGAACCAG |
Oct3 / 4 (exogene) -Reverse Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | AATGTATCGAAGGTGCTCAA |
Sox2 (exogene) -Forward Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | ATGCACCGCTACGACGTGAG CGC |
Sox2 (exogene) -Reverse Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | AATGTATCGAAGGTGCTCAA |
Klf4 (exogene) -Forward Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | TTCCTGCATGCCAGAGGAGCCC |
Klf4 (exogene) -Reverse Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | AATGTATCGAAGGTGCTCAA |
cMyc (exogene) -Forward Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | TAACTGACTAGCAGGCTTGTCG |
cMyc (exogene) -Reverse Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | TCCACATACAGTCCTGGATGAT GATG |
SeV (exogene) -Forward Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | GGATCACTAGGTGATATCGAGC |
SeV (exogene) -Reverse Primer * | IDT Inc. | * Life Tech-Cytotune Kit | ACCAGACAAGAGTTTAAGAGA TATGTATC |
Oct3 / 4 (endogene) -Forward Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | CAGTGCCCGAAACCCACAC |
Oct3 / 4 (endogene) -Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | GGAGACCCAGCAGCCTCAAA |
Sox2 (endogene) -Forward Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | CAAGATGCACAACTCGGAGA |
Sox2 (endogene) -Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | GTTCATGTGCGCGTAACTGT |
Dystrophin-Forward Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | GGCAAAAACTGCCAAAAGAA |
Dystrophin-Reverse Primer | IDT Inc. | Seq in den Kommentaren gegeben | GACCTGCCAGTGGAGGATTA |
Tabelle 1. Liste der Primer Sequenzen.
Modellierung von Herzkreislauferkrankungen mit iPS-Zellen entwickelt sich zu einem gemeinsamen Ansatz für den genetischen Beitrag 4-6 zu verstehen. Einige unerwartete Schwierigkeiten, die einem Zellproben von Patienten, insbesondere junge Kinder, können, indem sie die Möglichkeit einer nichtinvasiven Ansatz wie einer Urinsammlung vermieden werden. In diesem jungen Patientengruppe ist es oft schwierig, eine Urinvolumen ausreichend zu sammeln, um genügend Zellen zur Reprogrammierung Urin ergeben. Coaching der jungen Patienten Flüssigkeiten trinken 30 Minuten vor der Urinsammlung verbessert den Erfolg der Urin Zellisolierung. Jedoch kann wiederholen Urin Sammlungen notwendig in dieser Bevölkerung. Wir haben kombiniert und angepasst zwei verschiedene Protokolle 3,7, um die Isolierung und Kultivierung von UCs von Patienten mit Muskeldystrophie zu optimieren.
Induzierte pluripotente Stammzellen aus entweder Hautfibroblasten oder Urin-Zellen von Muskeldystrophie patien erzeugt wurdets 1,2. Allerdings stützte beide Umprogrammierung Protokolle auf Lentiviren, die Umprogrammierung Faktoren in die Körperzellen einzuführen. Diese Integration von Virenliefermethode kann problematisch sein, wenn das Transgen zufällig integriert in das Wirtsgenom und verursacht entweder Transgen Reaktivierung oder Mutagenese (in 8 überprüft). Daher wird bei diesen Techniken konnten wir mit Hilfe des Sendai-Virus, die OSKM Transgene in den Urin-Zellen in einer nicht-integrierend 9 transduzieren.
Dieses Verfahren unter Verwendung von Sendai-Virus auf UCs umprogrammieren bietet den Vorteil eines nicht-integrierenden Ansatz mit höherer Transduktionseffizienz 9,10. Urin-Zellen von Muskeldystrophie-Patienten gesammelt innerhalb von 2-3 Wochen nach der Transduktion umprogrammiert. Diese Umprogrammierung Kinetik sind vergleichbar mit UC Umprogrammierung mit lentiviralen Transduktion 1. Obwohl dieses Protokoll kann skaliert werden, um Feeder freie Methode für Urin Reprogrammierung zu etablieren, werdening ein effizientes Verfahren mit Sendai-Virus-Transduktion von Zellen aus Urin Muskeldystrophie Patienten isoliert. Das beschriebene Verfahren beruht auf MEFs als Feeder-Schicht, um sich voll zu etablieren die pluripotenten MD-Klon vor, um Feeder freien Bedingungen in Durchgang 2 zu übertragen.
Die nukleare Verbreitung des DP71 Isoform des Dystrophin-Protein ist seit langem in verschiedenen embryonalen Stadium Zellmodellen 11,12 festgelegt. Das ubiquitäre Expression von DP71 in Kernmatrix Bruchteil der frühen Vorläufer / embryonalen Stadium Zellen legt nahe, ihre Rolle in der Kernarchitektur und Zellzyklusregulation 12. Unsere neu programmiert Wildtyp-iPS-Zellen exprimieren DP71; jedoch ist seine Abwesenheit in dystrophischen iPSCs die Umprogrammierung oder pluripotente Potenzial der dystrophischen Zellen nicht hemmen. Abschließend werden die dystrophischen Genmutationen in iPS-Zellen umprogrammiert konserviert; so dass es ein effizientes Werkzeug dystrophischen Kardiomyopathie zu Modell.
The authors declare that they have no competing financial interests.
Development of this protocol was supported by the Advancing a Healthier Wisconsin and the National Center for Advancing Translational Sciences, National Institutes of Health, through Grant Number 8UL1TR000055. Its contents are solely the responsibility of the authors and do not necessarily represent the official views of the NIH.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Materials | |||
4 Oz. Specimen Cup with Lid | STL Medical Supply | M9AMSAS340 | For Urine Sample Collection |
15 ml BD-Falcon Tubes | Fisher Scientific | 352097 | |
50 ml BD-Falcon Tubes | Fisher Scientific | 352098 | |
Round Glass Coverslips | Fisher Scientific | 12-545-81 | |
CytoTune-iPS Sendai Reprogramming Kit | Life Technologies | A1378-001 | |
PBS, pH 7.4 | Life Technologies | 10010-023 | |
Pen-Strep w/o Glutamine | Life Technologies | 15140-122 | Warm in 37 °C water bath before use |
RPMI Medium 1640 | Life Technologies | 11875-093 | Warm in 37 °C water bath before use |
B-27 Supplement w/Insulin (50x) | Life Technologies | 17504-044 | Warm in 37 °C water bath before use |
B-27 Supplement w/o Insulin (50x) | Life Technologies | 0050129SA | Warm in 37 °C water bath before use |
DMEM/F12 (1:1) | Life Technologies | 11330-032 | Warm in 37 °C water bath before use |
Versene, 1:5,000 | Life Technologies | 15040066 | Warm in 37 °C water bath before use |
bFGF (10 µg) | Life Technologies | 13256-029 | Warm in 37 °C water bath before use |
Cell Counter Cartridges | Life Technologies | C10228 | |
Knockout Serum (500 ml Bottle) | Life Technologies | 10828-028 | Warm in 37 °C water bath before use |
Recovery Cell Culture Freezing Medium | Life Technologies | 12648-010 | |
Keratinocyte-SFM (1x), Liquid | Life Technologies | 17005-042 | Warm in 37 °C water bath before use |
DMEM, High Glucose, Glutamax | Life Technologies | 10566-016 | Warm in 37 °C water bath before use |
Ham's F-12 Nutrient Mix | Life Technologies | 11765-054 | Warm in 37 °C water bath before use |
EGF Recombinant Human Protein, Liquid Form | Life Technologies | PHG0311L | Warm in 37 °C water bath before use |
Insulin, Human Recombinant, Zinc Soln | Life Technologies | 12585-014 | Warm in 37 °C water bath before use |
TeSR-E8 | Stem Cell Technologies | 5940 | Warm in 37 °C water bath before use |
ROCK Inhibitor (Y-27632) | Selleck | S1049 | Warm in 37 °C water bath before use |
Matrigel | BD Biosciences | 354277 | hESC Qualified Matrix, LVED Free |
RNeasy Mini Kit | Qiagen | 74104 | |
iScript cDNA Synthesis Kit | Bio-Rad | 170-8890 | |
DreamTaq Green PCR Master Mix (2x) | Thermo-Scientific | K1081 | |
FBS-Qualified | Sigma Aldrich | F6178 | Warm in 37 °C water bath before use |
Adenine Bioreagent | Sigma Aldrich | A2786-5G | Warm in 37 °C water bath before use |
Cholera Toxin from Vibrio cholerae | Sigma Aldrich | C8052-.5MG | Warm in 37 °C water bath before use |
Hydrocortisone | Sigma Aldrich | H0888-1G | Warm in 37 °C water bath before use |
Holo-transferrin from human | Sigma Aldrich | T0665-50MG | Warm in 37 °C water bath before use |
3,3',5-Triiodo-L-thyronine sodium salt | Sigma Aldrich | T6397-100MG | Warm in 37 °C water bath before use |
DAPI | Santa Cruz Biotechnology | SC-3598 | |
Fluoromount Aquous mounting medium | Sigma Aldrich | F4680 | |
16% Paraformaldehyde | Alfa-Aesar | 43368 | |
Antibodies | |||
Mouse anti CD44 - labeled with FITC | BD Biosciences | 560977 | |
Mouse anti CD146 - labeled with PE | BD Biosciences | 561013 | |
Mouse anti CD73 - labeled with PE | BD Biosciences | 561014 | |
Mouse anti-α-smooth muscle actin | Sigma Aldrich | A2547 | |
Mouse anti-Vimentin | Abcam | ab8978-100 | |
Mouse Anti - TRA-1-81 | Life Technologies | 411100 | |
Rabbit anti Oct 3/4 | Santa Cruz Biotechnology | SC-9081 | |
Mouse Anti Dystrophin | Leica Biosystems | NCL-DYSB |
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