Method Article
This manuscript provides a step-by-step procedure for the derivation and maintenance of human keratinocytes from plucked hair and subsequent generation of integration-free human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) by episomal vectors.
Recent advances in reprogramming allow us to turn somatic cells into human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Disease modeling using patient-specific hiPSCs allows the study of the underlying mechanism for pathogenesis, also providing a platform for the development of in vitro drug screening and gene therapy to improve treatment options. The promising potential of hiPSCs for regenerative medicine is also evident from the increasing number of publications (>7000) on iPSCs in recent years. Various cell types from distinct lineages have been successfully used for hiPSC generation, including skin fibroblasts, hematopoietic cells and epidermal keratinocytes. While skin biopsies and blood collection are routinely performed in many labs as a source of somatic cells for the generation of hiPSCs, the collection and subsequent derivation of hair keratinocytes are less commonly used. Hair-derived keratinocytes represent a non-invasive approach to obtain cell samples from patients. Here we outline a simple non-invasive method for the derivation of keratinocytes from plucked hair. We also provide instructions for maintenance of keratinocytes and subsequent reprogramming to generate integration-free hiPSC using episomal vectors.
La scoperta di umani cellule staminali pluripotenti indotte (hiPSCs) ha rivoluzionato il campo della medicina rigenerativa, che fornisce un metodo fattibile per la generazione di cellule staminali paziente-specifici 1-3. hiPSCs sono stati generati con successo da vari tipi di cellule somatiche, inclusi i fibroblasti, cellule ematopoietiche 4,5 6,7, cellule epiteliali renali di urina 8 e cheratinociti 9,10. Fino ad oggi, i fibroblasti della pelle e cellule ematopoietiche rappresentano le fonti di cellule più comunemente usati per la generazione iPSCs paziente-specifici. Probabilmente, questo è dovuto al fatto che le biopsie cutanee e raccolta del sangue sono procedure mediche di routine e grandi biobanche di sangue o di pelle campioni di pazienti sono stati stabiliti in molti paesi.
A differenza di cellule del sangue e fibroblasti cutanei che richiedono metodi di estrazione invasivi, cheratinociti rappresentano un tipo di cellula facilmente accessibile per la generazione hiPSC. Keratinocytes sono cellule epiteliali ricchi di cheratina che formano la barriera epidermica esterno della pelle e si trovano anche in unghie e capelli 11. In particolare, cheratinociti possono essere trovati sulla guaina esterna della radice (ORS) dei follicoli piliferi, uno strato cellulare esterno che copriva il fusto del capello insieme con la guaina interna della radice (IRS) celle (12, figura 1). Come la raccolta dei capelli è una procedura semplice che non richiede l'assistenza di personale medico, si prevede la possibilità per i pazienti di recuperare ed inviare i propri campioni di capelli ai laboratori, il che faciliterà enormemente la raccolta dei campioni dei pazienti per la generazione hiPSC. Cheratinociti epidermici hanno una maggiore efficienza riprogrammazione e cinetica riprogrammazione più veloci rispetto ai fibroblasti, aggiungendo i vantaggi di utilizzare cheratinociti come le cellule di partenza per hiPSC generazione 9,13. Inoltre, hiPSCs può essere generato anche utilizzando altre popolazioni di cellule all'interno del follicolo pilifero,comprese le cellule della papilla dermica situate alla base del 14,15 follicolo pilifero.
Precedenti rapporti di generazione IPSC utilizzando cellule dei capelli derivate utilizzano spesso metodi di riprogrammazione retrovirali o basati lentivirali-9,14,15. Tuttavia, questi metodi virali introducono integrazione genomica indesiderabile dei transgeni esteri durante la riprogrammazione. In confronto, l'uso di vettori episomiale rappresenta un metodo di riprogrammazione fattibile, non virale per generare iPSCs senza integrazione 4. Abbiamo già messo a punto un metodo semplice, economico e non virale per riprogrammare efficientemente cheratinociti in hiPSCs utilizzando vettori episomiale 13. Qui forniamo un protocollo dettagliato per la generazione di hiPSCs cheratinociti derivate, compresa la derivazione di cheratinociti da capelli strappato, espansione e manutenzione dei cheratinociti e successiva riprogrammazione per generare hiPSCs.
La raccolta del campione di capelli umani da individui richiede l'approvazione etica dal comitato etico della ricerca umana nelle istituzioni ospitanti e deve essere fatto in conformità con le linee guida istituzionali.
1. Isolamento dei cheratinociti da capelli a pizzico
2. Manutenzione e Passaging dei cheratinociti
3. Generazione di hiPSCs da cheratinociti Utilizzando episomiale Vettori
I capelli passa attraverso 3 diverse fasi del ciclo di sviluppo: anagen (fase di crescita), catagen (la fase di regressione) e telogen (fase di riposo) il 20,21. Il follicolo pilifero anagen contiene più strati di epitelio; questi strati comprendono i ORS, IRS e il fusto del capello (Figura 1). Capelli Anagen alla fine subisce la transizione alla fase catagen, che è caratterizzato da apoptosi delle ORS e alla conclusione della differenziazione fusto del capello. Infine, la transizione capelli catagen alla fase telogen, dove cessa apoptosi e il follicolo diventa telogen di riposo con un telogen caratteristico rigonfiamento 20,21.
La Figura 1 illustra la morfologia di un capello telogen e un pelo anagen. Noi di solito utilizziamo capelli anagen per cheratinociti derivazione. A seguito di tale protocollo, escrescenze cheratinociti si possono osservare già dopo tre giorni dopo il collegamento dei capelli (Figura 2A) e continueranno a proliferate (Figura 2B). Nella nostra esperienza, alcuni peli anagen possono non riuscire a collegare o non osservare cheratinociti escrescenza; quindi raccogliere almeno 5-10 anageni di ogni individuo al fine di garantire il successo isolamento dei cheratinociti. Successivamente, i cheratinociti possono essere diversi passaggi su una nuova piastra e mantenuti per passaggi multipli (Figura 2C). È importante notare che non vi è una migliore crescita dei cheratinociti su una matrice di rivestimento con cheratinociti terreno come descritto nella sezione 2, rispetto al Matrigel con KSR media.
Dopo l'espansione, i cheratinociti possono essere riprogrammate per generare hiPSCs come descritto nel capitolo 3. Figura 3A mostra un cheratinociti derivati dal tipico hiPSC colonia dopo 32 giorni di riprogrammazione. È comune osservare alcuni differenziazione al centro della colonia hiPSC. Una volta raccolte manualmente, i hiPSCs derivati tipicamente presentino un alto rapporto nucleo citoplasma e una colonia definito limiteary (Figura 3B). Linee cellulari stabilizzate di hiPSCs possono essere caratterizzati per pluripotency come descritto in precedenza 13,19, come l'espressione di marcatori pluripotenti OCT4, Nanog e TRA-160 (Figura 3C-E).
Figura 1. Immagini rappresentative della peli pizzicate in diverse fasi di crescita. (A) Diagramma capelli in fase anagen o telogen. Immagini a contrasto di fase che mostrano un capello strappato a (B) fase telogen e (C) anagen di fase. HS albero = capelli; IRS = interno Root guaina; ORS = esterna Root guaina. Scala bar = 100 micron. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Immagini Figura 2. Immagini rappresentative della cheratinociti-capelli derivati. Contrasto di fase di un capello strappato placcato giù per (A) 3 giorni e (B) 10 giorni. Frecce bianche segnano la conseguenza di cheratinociti da un capello strappato. Immagine contrasto (C) Fase del Day 3 coltura di cheratinociti con una morfologia tipica di ciottoli dopo passaging. Scala bar = 100 micron. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3. Immagini rappresentative della hiPSCs cheratinociti di derivazione. (A) contrasto di fase immagine di una cultura riprogrammazione Giorno 32 mostra una cheratinociti derivati da hiPSC coLony. (B) selezionato manualmente hiPSCs cheratinociti derivati da con morfologia simile a hESC. Immunostaining di hiPSCs con pennarelli pluripotenti (C) Nanog e (D) OCT4 e (E) TRA-160 in hiPSCs cheratinociti-derivati. Scala bar = 100 micron. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Generazione di hiPSCs paziente-specifici offre un approccio unico per lo studio patogenesi nei tipi di cellule malate in vitro, e fornisce anche una piattaforma per lo screening di stupefacenti per identificare nuove molecole in grado di salvare i fenotipi di malattia. Questo approccio di modellazione malattia utilizzando hiPSCs ha dato risultati promettenti per una varietà di malattie, tra cui la sindrome del QT lungo, malattia di Huntington, il morbo di Parkinson e la sclerosi laterale amiotrofica 22. Diverse iniziative sono già in corso per stabilire le librerie su larga scala di hiPSCs paziente-specifici, tra cui consorzi in USA, Europa, Australia, Cina, Corea del Sud e Giappone 23,24.
Qui un protocollo per stabilire hiPSCs da cheratinociti-capelli derivata viene descritto, che ha il potenziale di facilitare e accelerate la creazione di librerie di larga scala di hiPSCs malattie specifiche. Questo protocollo offre due vantaggi: in primo luogo, il episomialesistema utilizzato in questo protocollo genera hiPSCs senza integrazione utilizzando un cocktail di sei fattori di riprogrammazione (OCT4, SOX2, Klf4, L-MYC, LIN28, shRNA per p53) relativamente alta efficienza 4. Rispetto ai metodi di riprogrammazione retrovirali o lentivirali-mediata, l'uso di episomiale vettore evita l'integrazione genomica indesiderabile dei transgeni stranieri durante la riprogrammazione., Pertanto, molte iniziative favoriscono l'uso di metodi di riprogrammazione senza integrazione per l'istituzione di biblioteche hiPSC su larga scala, come ad esempio vettori episomiale, virus Sendai o mRNA, rispetto ai metodi di riprogrammazione integrative 23.
In secondo luogo, i capelli è facilmente accessibile e può essere raccolto dai pazienti stessi, senza l'utilizzo di procedure invasive o la presenza di personale medico. Questo offre un'opportunità unica per i pazienti provenienti da diverse regioni per la raccolta e la posta nei propri campioni di capelli al laboratorio per cheratinociti derivazione e la successiva riprogrammazione. A sostegno della fattibilità di questa strategia, i nostri dati non pubblicati indicano che i cheratinociti possono essere isolati con successo da capelli pizzico che è stato conservato a 4 ° C per un massimo di 10 giorni.
La metodologia qui descritta permette la derivazione di cheratinociti da capelli spennati. Mentre cheratinociti possono derivare da un solo capello, la nostra raccomandazione è di raccogliere almeno 5 anageni per cheratinociti derivazione. Una limitazione di questo protocollo è che alcuni peli non possono allegare bene e cheratinociti potrebbe non riuscire a crescere. Capelli più spesso tende a collegare meglio, mentre i capelli bene richiede una ridotta quantità di terreno di coltura durante la placcatura per evitare galleggiante e migliorare l'attaccamento. Una volta che i cheratinociti sono derivati, si consiglia di ampliare e congelare giù scorte con metodi di crioconservazione lento congelamento standard di 16. Riprogrammazione successiva di cheratinociti può essere effettuata seguenti passi descritti in questo protocollo. È importantenotare che il tasso di proliferazione delle cellule di partenza può influenzare l'efficienza riprogrammazione, con una diminuzione di efficienza riprogrammazione osservato nel tardo passaggi come cellule raggiungono la senescenza cellulare 25-27. A questo proposito, utilizzare cheratinociti entro passaggio 6 per esperimenti di riprogrammazione. Inoltre, l'efficienza di riprogrammazione possono variare tra i cheratinociti diverso dell'individuo.
Studi recenti suggeriscono diffusa mosaicismo genetico in diversi tipi di tessuti somatici 28, con ~ 30% di fibroblasti cutanei segnalati per avere somatica CNVs nel genoma 29. Questi CNVs possono essere causati da errori nella replicazione del DNA, riparazione del DNA o trasposone mobilitazione. È anche possibile che l'esposizione UV prolungata alla pelle può causare CNVs aggiuntivi in cellule epidermiche inclusi i fibroblasti e cheratinociti, ma la portata di questo non è ben compreso. Come CNVs in cheratinociti saranno riportati durante il processo di riprogrammazione, è important per eseguire cariotipo di routine o analisi CNV per garantire che le hiPSCs stabiliti mantenere la stabilità genomica. In sintesi, qui abbiamo descritto le procedure per la generazione di hiPSCs da cheratinociti-capelli derivati, che potrebbero essere utilizzati per la modellazione della malattia e della medicina rigenerativa.
The authors have no conflict of interest.
The authors wish to thank Harene Ranjithakumaran and Stacey Jackson for technical support. This work was supported in part by grants from the National Health and Medical Research Council (R.C.B. Wong, A. Pébay), the University of Melbourne (R.C.B. Wong), Retina Australia (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung, A. Pébay) and the Ophthalmic Research Institute of Australia (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung, A. Pébay); Australian Research Council Future Fellowship (A. Pébay, FT140100047), Cranbourne Foundation Fellowship (R.C.B. Wong); intramural funding from the National Institutes for Health (R.C.B. Wong, S.S.C. Hung) and operational infrastructure support from the Victorian Government.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Antibiotic Mix: | |||
250 ng/ml Antimycotic amphotericin B | Sigma | A2942-20ml | Antibiotic mix is made up in PBS. |
1X Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15140-122 | |
PBS (-) | Invitrogen | 14190-144 | |
Knockout Serum Replacement (KSR) medium: | KSR medium is filtered using Stericup (Millipore, #SCGPU05RE) before use. bFGF is added fresh to the media before use. | ||
20% knockout serum replacement (KSR) | Invitrogen | 10828-028 | |
DMEM/F12 with glutamax | Invitrogen | 10565-042 | |
1× MEM non-essential amino acid | Invitrogen | 11140-050 | |
0.5× Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15140-122 | |
0.1 mM β-mercaptoethanol | Invitrogen | 21985 | |
bFGF (10 ng/ml, added fresh) | Millipore | GF003 | |
Keratinocyte medium: | |||
EpiLife with 60 µM Calcium | Invitrogen | M-EPI-500-CA | |
1× Human keratinocyte growth supplement (HKGS) | Invitrogen | S-001-5 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) medium: | FBS medium is filtered using Stericup (Millipore, #SCGPU05RE) before use. | ||
10% fetal bovine serum (FBS) | Invitrogen | 26140079 | |
DMEM | Invitrogen | 11995-073 | |
0.5x Penicillin/Streptomycin | Invitrogen | 15140-122 | |
2 mM L-glutamine | Invitrogen | 25030 | |
0.25% trypsin-EDTA | Invitrogen | 25200-056 | |
Extracellular Matrix (ECM): | |||
Matrigel | Corning | 354234 | Aliquot Matrigel stock and store in -80°C following manufacturer’s instructions. Stock concentration of Matrigel varies slightly from batch to batch (~9mg/ml). We recommend to use 200µl matrigel for coating a 12-well plate (~150µg/well). |
Coating Matrix Kit | Invitrogen | R-011-K | |
Plasmids: | Note that pCXLE-eGFP is only used for monitoring transfection efficiency and is not required for reprogramming. | ||
- pCXLE-eGFP | Addgene | 27082 | |
- pCXLE-hOct3/4-shP53F | Addgene | 27077 | |
- pCXLE-hSK | Addgene | 27078 | |
- pCXLE-hUL | Addgene | 27080 | |
Transfection reagent Fugene HD | Promega | E231B | |
Gelatin (from porcine skin) | Sigma | G1890 | Make up 0.1% gelatin in distilled water. Autoclave before use. |
Reduced Serum medium: OPTI-MEM | Invitrogen | 31985062 | |
Accutase | Sigma | A6964-100ml | |
Mouse embryonic fibroblast (MEF) feeder | MEF can be inactivated by mitomycin C treatment or irradiation as described previously 16. | ||
26G needle | Terumo | NN2613R | |
6-well plate (tissue culture treated) | BD Biosciences | 353046 | |
12-well plate (tissue culture treated) | BD Biosciences | 353043 | |
10 cm dish (tissue culture treated) | BD Biosciences | 353003 | |
Dispase | Invitrogen | 17105-041 | Use at 10 mg/ml |
Collagenase IV | Invitrogen | 17104-019 | Use at 1 mg/ml |
TRA-160 antibody | Millipore | MAB4360 | Use at 5 µg/ml |
OCT4 antibody | Santa Cruz | SC-5279 | Use at 5 µg/ml |
NANOG antibody | R&D Systems | AF1997 | Use at 10 µg/ml |
MycoAlert Detection kit | Lonza | LT07-418 |
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