Method Article
An ideal model for studying adult stem cell biology is the mouse hair follicle. Here we present a protocol for isolating different populations of hair follicles stem cells and epidermal keratinocytes, employing enzymatic digestion of mouse dorsal skin followed by FACS analysis.
The hair follicle (HF) is an ideal system for studying the biology and regulation of adult stem cells (SCs). This dynamic mini organ is replenished by distinct pools of SCs, which are located in the permanent portion of the HF, a region known as the bulge. These multipotent bulge SCs were initially identified as slow cycling label retaining cells; however, their isolation has been made feasible after identification of specific cell markers, such as CD34 and keratin 15 (K15). Here, we describe a robust method for isolating bulge SCs and epidermal keratinocytes from mouse HFs utilizing fluorescence activated cell-sorting (FACS) technology. Isolated hair follicle SCs (HFSCs) can be utilized in various in vivo grafting models and are a valuable in vitro model for studying the mechanisms that govern multipotency, quiescence and activation.
Le cellule staminali adulte (SCS) sono essenziali per mantenere l'omeostasi tissutale, sostituendo le cellule che muoiono e riparare tessuti danneggiati su lesioni. Questi SC sono definite dalla loro capacità di subire un continuo auto-rinnovamento e di differenziarsi in varie linee cellulari 1-3. I sistemi più studiati, che dipendono SCs adulti per il rifornimento, includono il sistema ematopoietico, l'intestino ed il 1,2,4 pelle.
Durante l'embriogenesi, la pelle inizia come un singolo strato di cellule epidermiche. Morfogenesi del follicolo pilifero (HF) inizia quando le cellule mesenchimali popolano la pelle e formano un sottostante derma collagene 5. Specializzato cellule mesenchimali, che poi costituiscono la papilla dermica (DP), organizzano direttamente sotto lo strato epidermico e stimolano l'epitelio di formare placodi capelli che iniziano a crescere verso il basso 6. Altamente cellule proliferanti della matrice, situato nella parte inferiore del HF,busta queste cellule mesenchimali e formare il bulbo pilifero, mentre lo strato interno comincia a differenziarsi in cilindri concentrici per formare il fusto del capello (HS) e nelle vicinanze della guaina interna della radice (IRS) 2,3.
Nella vita postnatale l'epidermide della pelle è composta da tre vani: l'epidermide interfollicolare (IFE), la ghiandola sebacea (SG) e l'HF. In contrasto con la IFE e SG che sono in un costante stato di omeostasi, l'HF è un mini-organo dinamico che subisce continui cicli di crescita (anagen), la distruzione (catagen) e di riposo (telogen) 4,7. Le cellule staminali del follicolo pilifero (HFSCs) che il carburante questo ciclo perpetuo, risiedono in una nicchia specializzata all'interno della HF conosciuto come il rigonfiamento 4. Durante anagen i HFSCs uscire dal rigonfiamento, a seguito di segnali di attivazione dal DP, iniziare proliferare e scendere verso il basso creando così una lunga scia lineare di cellule conosciute come la guaina esterna radice (ORS) 8-10. Le celle di matrice, checircondare il DP alla base della HF, rapidamente ciclo e migrare verso l'alto subire differenziazione terminale generando l'HS e l'IRS 10 (Figura 1). La durata di anagen determina la lunghezza dei capelli e dipende dalla capacità proliferativa e la differenziazione delle cellule della matrice 6. Quando l'HF entra catagen, le celle di matrice transito di amplificazione nel bulbo cessano di proliferare, apoptosi e regrediscono completamente tirando la DP verso l'alto fino a raggiungere la parte non bicicletta della HF 8,11. Durante questa retrazione HF forma una struttura temporanea noto come il filamento epiteliale, che è caratteristica di catagen, e contiene molte cellule apoptotiche. Nei topi, catagen dura tra 3-4 giorni ed è altamente sincronizzato nel primo ciclo del capello. Quando la HF raggiunge telogen tutti HFSCs diventano quiescenti. Le fasi distinte del ciclo HF sono inoltre caratterizzati da cambiamenti nel colore della pelle del topo causa mla produzione elanin. I cambiamenti della pelle dal nero durante anagen al grigio scuro durante catagen al rosa durante telogen 6,7,12,13.
Figura 1: Il ciclo dei capelli follicolo. Il HF è composto da una parte superiore permanente e una porzione ciclismo inferiore costantemente rimodellamento che subisce continui cicli di rapida crescita (anagen), la distruzione (catagen) e una fase di quiescenza parente o di riposo (telogen). Clicca qui per visualizzare un più grande versione di questa figura.
SCS mantenendo la HF sono stati inizialmente identificati utilizzando esperimenti Chase, con timidina triziata, che ha rivelato una popolazione di cellule di sostegno etichette ciclismo lento (LRC) che risiedevano nella regione permanente del HF appena sotto la SG 14. I progressi nella HFSCCaratterizzazione rivelato un piccolo numero di marcatori che possono essere utilizzati per identificare e isolare SCs specifici dalla nicchia HF 15. Forse il miglior marcatore per l'arricchimento di HFSCs è CD34, un marker superficie cellulare anche identificato come un marcatore SC ematopoietiche negli esseri umani 16. All'interno di questo CD34 + popolazioni due distinte popolazioni sono stati anche isolati sulla base di espressione α6 integrina 2. Un altro indicatore è la cheratina 15 (K15), che è altamente espresso nella regione bulge, co-localizza con espressione CD34 e un promotore K15 viene utilizzato per il targeting e isolare HFSCs in animali transgenici 15,17-19. Negli ultimi dieci anni sono stati segnalati anche diversi altri distinte popolazioni di HFSCs e cellule progenitrici di risiedere all'interno del HF 17,20-27.
Una caratteristica interessante aggiuntiva di HFSCs è il loro contributo alla riparazione della pelle. In condizioni normali HFSCs ricostituire l'HF e non prendono parte a IFE omeostasi. However, in risposta a ferita, queste cellule uscire la loro nicchia SC e di aiuto nel ripopolare l'IFE 9. Abbiamo recentemente dimostrato che i topi cancellati per il display gene Sept4 / ARTS pro-apoptotica un aumento del numero di CD34, K15 e Sox9 + HFSCs, che dimostrano una resistenza all'apoptosi. HFSCs sono stati isolati da Sept4 / ARTS - / - pelli dorsali utilizzando la fluorescenza delle cellule attivate (FACS) e c'era più di due volte maggiore del numero di cellule CD34 + e K15 + HFSCs. Questi Sept4 / arte - / - HFSCs sono state espanse in vitro e non hanno dato luogo a solo più colonie, ma sono stati anche in grado di resistere a condizioni più severe rispetto ai controlli 28.
Come risultato di avere un maggior numero di HFSCs, Sept4 / arte - / - mice guarite significativamente più veloce in risposta alle lesioni asportazione della pelle. Sorprendentemente, Sept4 / arte - / - mice displayeda gran numero di HF rigenerate dal letto della ferita, e cicatrici significativamente più piccoli. Inoltre, i topi cancellati per XIAP (inibitore della X-linked di apoptosi), il target biochimico di ARTI, hanno dimostrato ridotta guarigione 28.
I nostri risultati e il lavoro svolto in altri laboratori hanno dimostrato che HFSCs servire come un modello ideale per lo studio della biologia e della funzione della SCS adulti. Qui, descriviamo la metodologia per l'arricchimento e l'isolamento di HFSCs e cheratinociti epidermici in base alla espressione di quattro marcatori: α6 integrina; β1 integrine; Sca-1 (un marker per cheratinociti epidermici) e CD34. Isolamento analogo di K15 + HFSCs può essere eseguita anche con il giornalista del mouse K15-GFP 19.
Questo studio è stato condotto in stretta conformità con le raccomandazioni delineate nella guida per la cura e l'uso di animali da laboratorio di Ministero della Salute di Israele. Tutti gli animali sono stati trattati secondo il protocollo approvato istituzionale cura degli animali IL-02.302-2015 del Technion Israel Institute of Technology.
1. Preparazione sperimentale
2. Isolamento dei follicoli piliferi dall'epidermide adulti
3. Preparazione della sospensione singola cella da follicoli piliferi
4. Flusso Analisi Citometria
Questo protocollo descrive in dettaglio l'arricchimento e l'isolamento di due tipi di popolazioni:. Rigonfiamento SC e cheratinociti epidermici Figura 2 illustra le principali fasi del protocollo. Utilizzando pelle rimossa dalla dorsale posteriore di 8 settimane di età topi, abbiamo arricchito SC rigonfiamento utilizzando il marcatore CD34, che si esprime solo in HFSCs; e Sca-1, che le etichette cheratinociti epidermici. La figura 3 mostra diversi modelli di CD34 e Sca-1 all'interno del α6 + / + β1 popolazione di cellule epiteliali della pelle. Le cellule sono state prima gated secondo l'espressione di integrina-α6 e integrina-β1, che è designato come P1 in figura 3. La popolazione di cellule con positive per α6 / β1expression stato poi gated secondo l'espressione di CD34 e cellule Sca-1. Due distinte popolazioni di cellule sono visti nel CD34 vs Sca-1 trama. α6 + / β1 + / CD34 + / Sca-1 - rappresenta le HFSCs (designato come P2 in figura 3) e α6 + / β1 + / Sca-1 + / CD34 - rappresenta cheratinociti epidermici (designato come P3 in figura 3). Circa 150-500 x 10 3 cellule per animale del α6 + β1 + piscina sono CD34 + HFSCs.
Figura 2:. HFSC e la pelle cheratinociti isolamento dorsale è stato rimosso dai topi. Il grasso è stato raschiato e la pelle è stato incubato in tripsina. HF sono stati demoliti fuori dalla pelle e la sospensione è stata filtrata attraverso 70 micron e 40 micron filtri cellulari. A seguito di etichettatura con le cellule anticorpi di superficie sono stati allineati con citometria a flusso e due popolazioni di cellule sono stati raccolti sulla base di espressione relativa: CD34 + / Sca-1 - e CD34 - / Sca-1 +. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Figura 3: Profiling di cellule ordinati analisi FACS di pelli dorsali valutare la percentuale di HFSCs isolati da topi.. FACS-purificato α6 + β1 + cellule sono state ordinati per la CD34 + Sca-1 - (rosa, α6 + β1 + CD34 + Sca-1 -, blu, α6 + β1 + CD34 - Sca-1 +, arancione, α6 + β1 + CD34 - Sca-1 -). I dati indicati sono da quattro topi combinati e ordinati insieme. Nei topi wild-type circa il 4-6% del α6 + β1 + piscina (designato P1) sono CD34 + / Sca-1 -. HFSCs (P2) Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.
Il protocollo qui descritto è ben consolidata per isolare HFSCs dalla pelle dorsale di topi adulti, ma può essere ugualmente applicata per l'isolamento di altre popolazioni all'interno della struttura HF, basato sulla selezione dei marcatori 2,16,23,28,29. Questo metodo è notevolmente vantaggioso rispetto ad altri metodi di isolamento cellulare, come la dissociazione dei tessuti, dal fatto che un tipo di cellula specifico può essere selezionato e raccolto da una miscela di popolazioni cellulari eterogenee. Inoltre, il metodo descritto qui è veloce ed affidabile e può essere utilizzata per isolare fino a quattro differenti popolazioni HFSC basati sui livelli di espressione differenziale dei marcatori utilizzati. Può essere utilizzato per l'arricchimento e l'isolamento di HFSCs per ulteriori analisi molecolari, come RNA-Seq o spettrometria di massa, ma anche per la successiva coltura cellulare ed espansione in innesto vivo.
La preparazione di una elevata qualità, sospensione singola cellula è un componente essenziale di una sucmoni FACS 29. Efficienza di questo protocollo dipende anche dal materiale di partenza utilizzato per l'isolamento HF. Per ridurre al minimo la quantità di tessuto non-epidermica nella cura materiale di partenza deve essere presa quando la rasatura e quando sezionare pelle dorsale. Questo migliora la purezza e la resa di cellule epidermiche. Per garantire una sospensione singola cella ottimale, HF dovrebbero essere raschiata in una testa verso la coda e in piccole quantità alla volta a garantire che tutte ciuffi di capelli sono rotti in pezzi più piccoli con un bisturi e che una sospensione singola HF si ottiene . Inoltre, le cellule devono essere maneggiare con cura in ogni momento e sospensioni devono essere tenuti in ghiaccio per garantire la vitalità cellulare. Infine, tecniche sterili sono fondamentali per minimizzare il rischio di contaminazione, soprattutto se le cellule devono essere utilizzati per colture cellulari.
Nel protocollo qui descritto, isolamento delle diverse popolazioni di cellule è ottenuto utilizzando quattro marcatori di superficie cellulare. UNpasso cruciale per il successo l'ordinamento delle cellule è le impostazioni iniziali appropriate del FACS, la compensazione adeguata utilizzando singoli controlli macchiati e la gerarchia dei parametri di gating. l'ordinamento delle cellule di successo richiede anche l'eliminazione di detriti ed efficace discriminare gli eventi di singoletto da doppietti / aggregati. Canotte si distinguevano da doppiette a base di FSC e parametri width e height SSC. I parametri per l'ordinamento delle cellule devono essere regolati in base al tipo sorter ma anche al coniugato fluorocromo utilizzato. Qui, PE fluorescenza sono stati raccolti utilizzando un filtro 585/42, FITC e PE-Cy7 fluorescenza sono stati raccolti utilizzando rispettivamente 530/30 e 780/60 del filtro, e APC fluorescenza sono stati raccolti utilizzando un filtro di 780/60.
Cellulare ordinamento viene eseguito inizialmente con gating per le cellule vive sulla base di bassa espressione DAPI e scatter in avanti. eventi di singoletto sono stati inizialmente selezionati regolando la porta dispersione e doppiette sono stati eliminati da un gating gainst canottiere avanti seguito da canottiere scatter. Due anticorpi integrine, α6 e β1 sono stati usati per selezionare le cellule epidermiche per garantire un arricchimento per tutti i SC rigonfiamento. Blanpain et al., Ha mostrato la presenza di due popolazioni di HFSCs rigonfiamento che esprimono livelli sia alti o bassi di integrina α6 ma positivo per CD34 2. Di conseguenza, le cellule che esprimono sia β1 alto / basso α6 e β1 alta / alta α6 deve essere selezionato prima di gating per CD34. Due popolazioni sono stati poi selezionati in base alla espressione di un marcatore specifico a gonfiarsi SC, CD34, e un indicatore che seleziona cheratinociti epidermici, Sca-1 23. Sca-1 co-localizza con integrina-α6 nel infundibolo e l'IFE, ma non si esprime nel rigonfiamento HF. Al contrario, HFSCs rigonfiamento esprimono CD34 e integrina-α6 23, che consente l'isolamento differenziale delle due popolazioni distinte; HFSCs e cheratinociti epidermici.
e_content "> Il metodo robusto qui descritto è stato utilizzato per un certo numero di applicazioni a valle, ad esempio, isolamento di HFSCs per colture cellulari 23,28, 23,24 innesto e analisi molecolare 17. Inoltre, la selezione di una combinazione di marcatori specifici o utilizzando diversi topi giornalista permette l'isolamento di sottopopolazioni all'interno della struttura HF, ad esempio, Lgr6 21, Lgr5 25, Lrig1 24 e permette il confronto diretto dei cambiamenti molecolari che si verificano in queste cellule. Inoltre, tra le altre applicazioni questo metodo può essere usato per confrontare cambiamenti nel numero HFSC nel wild-type contro gli animali knockout, esaminando i cambiamenti nelle popolazioni SC sulla ferita inflizione 28 ed è quindi uno strumento prezioso in SC e la pelle di ricerca.The authors have nothing to declare
This work was supported in part by NIH grant RO1GM60124 (to H.S.). H.S. is an Investigator with the Howard Hughes Medical Institute. Y.F. is supported by the Deloro Career Advancement Chair and The German Israeli Foundation (I-2381-412.13/2015). D.S. is supported by the Coleman-Cohen post-doctoral fellowship.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Isoflurane | Primal Critical Care | 66794-017-10 | |
Carbon dioxide | - | - | |
Electro Shaver | Oster | Golden A5 | Shaver from any other company could be used |
70% ethanol | Gadot Lab | 830000051 | 96% ehtanol diluted with distilled water |
Dissection mat | Dissection tools from any provider can be used | ||
Forceps | Dumont | 11251-10 | Foreceps from any other company could be used |
Scissors | Dumont | 14094-11 | Scissors from any other company could be used |
Needles/Pins | - | - | |
Scalpel | Albion | 10 | Ensure that the scalpel has a blunt end |
Tissue culture dish 60mm x 15mm | Sigma-Aldrich | CLS430166 | |
PBS | - | In-house PBS without Calcium and Magnesium | |
0.25% Trypsin/EDTA | Biological Industries | 03-050-1A | Trypsin obtained from a different company might have a different activity and duration of the trypsin digest has to be adjusted accordingly |
Pipettes 10ml | Sigma-Aldrich | Corning, 4488 | |
Ice | - | - | |
50 ml sterie centrifuge tubes | Minplast Ein-shemer | 35050-43 | |
70µM Cell strainer | Fisher | 22362548 | |
40µM Cell strainer | Fisher | 22362549 | |
Staining buffer | - | ||
Centrifuge | Eppendorf 5804 R | 5805 000.017 | |
FACS tubes with Cell strainer caps | Falcon | 352235 | |
FACS tubes | Falcon | 352063 | |
Integrin β1 | eBioscience | 25-0291 | 1:400 |
Integrin α6 | eBioscience | 15-0495 | 1:600 |
Sca I | eBioscience | 11-5981 | 1:200 |
CD34 | eBioscience | 9011-0349 | 1:300 |
DAPI | Sigma-Aldrich | D9542 | 50ng/ml |
Dry Chelex | BioRad | 142-2842 | |
Beaker | Pyrex | - | |
Distilled H2O | - | - | |
Stir bar | - | - | |
NHCl | BioLab | 1903059 | |
Fetal bovine serum (FBS) | Beit Haemek Biological Industries | 400718 | FBS obtained from a different company can be used |
1L glass bottle | Ilmabor | Boro 3.3 | |
Bottle top filter | Autofil | 1102-RLS |
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