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.
A descoberta de humanos induzida por células estaminais pluripotentes (hiPSCs) revolucionou o campo da medicina regenerativa, proporcionando um método viável para a produção de células estaminais específicos do paciente 1-3. hiPSCs ter sido gerado com êxito a partir de vários tipos de células somáticas, incluindo fibroblastos, células hematopoiéticas 4,5 6,7, células epiteliais renais de urina 8 e queratinócitos 9,10. Até à data, os fibroblastos da pele e células hematopoiéticas representam as fontes de células mais comumente utilizados para gerar iPSCs específicos do paciente. Indiscutivelmente, isso se deve ao fato de que as biópsias de pele e coleta de sangue são procedimentos médicos de rotina e grandes biobancos de sangue ou de pele amostras de pacientes foram estabelecidos em muitos países.
Em contraste com as células sanguíneas e de fibroblastos da pele que requerem métodos de extracção invasiva, queratinócitos representam um tipo de células facilmente acessíveis para a geração hiPSC. Keratinocytes são células epiteliais rico em queratina que formam a barreira epidérmica exterior da pele e são também encontrados em unhas e cabelo 11. Em particular, os queratinócitos podem ser encontrados na bainha externa da raiz (ORS) dos folículos pilosos, uma camada celular externa que cobria o eixo do cabelo, juntamente com a bainha radicular interna (IRS), células (12, Figura 1). Como coleta de cabelo é um procedimento simples, que não requer a assistência de pessoal médico, ele fornece uma oportunidade para os pacientes de recolher e enviar suas próprias amostras de cabelo para laboratórios, o que facilitaria muito a recolha de amostras de doentes para a geração de hiPSC. Queratinócitos epidérmicos também têm uma maior eficiência de reprogramação e cinética de reprogramação mais rápidas em comparação com fibroblastos, a adição às vantagens da utilização de queratinócitos como as células de partida para a geração de hiPSC 9,13. Além disso, hiPSCs também pode ser gerado usando outras populações de células dentro do folículo piloso,incluindo as células de papila dérmicas localizadas na base do folículo piloso 14,15.
Relatórios anteriores de geração iPSC usando células derivadas de cabelo muitas vezes utilizam métodos de reprogramação retrovirais ou à base de lentivírus 9,14,15. No entanto, estes métodos virais introduzir integração genómica indesejável de transgenes estranhos durante a reprogramação. Em comparação, a utilização de vectores epissomais representa um método viável reprogramação, não-viral para gerar iPSCs livre de integração 4. Nós já desenvolveu um método simples, eficaz e não-viral para reprogramar eficiente queratinócitos em hiPSCs usando vetores epissomais 13. Aqui nós fornecemos um protocolo detalhado para a geração de hiPSCs derivado de queratinócitos, incluindo a derivação de queratinócitos a partir de cabelo arrancado, de expansão e de manutenção dos queratinócitos e reprogramação subsequente para gerar hiPSCs.
A coleta de amostra de cabelo humano de indivíduos requer aprovação ética pelo comitê de ética em pesquisa em humanos nas instituições de acolhimento e deve ser feito em conformidade com as diretrizes institucionais.
1. Isolamento de queratinócitos a partir de cabelo arrancado
2. Manutenção e Passaging de queratinócitos
3. Geração de hiPSCs de Queratinócitos Usando vectores epissomais
O cabelo passa por três fases diferentes do ciclo de crescimento: anágena (fase de crescimento), catágena (fase de regressão) e telógena (na fase de repouso) 20,21. O folículo piloso anágena contém várias camadas de epitélio; essas camadas incluem os ORS, IRS e do eixo do cabelo (Figura 1). Cabelos anágenos eventualmente sofre a transição para a fase catágena, que é marcado por apoptose das ORS e rescisão de diferenciação eixo do cabelo. Finalmente, a transição de cabelo catagen à fase telógena, onde cessa de apoptose e telógeno o folículo torna-se tranquila com um eflúvio característica bojo 20,21.
A Figura 1 ilustra a morfologia de um cabelo e uma eflúvio cabelo anágeno. Nós normalmente utilizam cabelos anágenos para queratinócitos derivação. Na sequência deste protocolo, excrescências de queratinócitos pode ser observado nas primeiras três dias após a fixação do cabelo (Figura 2A) e continuará a proliferate (Figura 2B). Em nossa experiência, alguns cabelos anágenos podem falhar para anexar ou deixar de observar queratinócitos conseqüência; assim, recolher, pelo menos, 5-10 cabelos anágenos de cada indivíduo para garantir o isolamento dos queratinócitos bem sucedido. Subsequentemente, os queratinócitos podem ser passadas para um novo prato e mantida durante várias passagens (Figura 2C). É importante notar que há um melhor crescimento de queratinócitos em uma matriz de revestimento com meio Keratinocyte conforme descrito no capítulo 2, em comparação com Matrigel com meio KSR.
Após a expansão, os queratinócitos podem ser reprogramadas de modo a gerar hiPSCs como descrito na secção 3. A Figura 3A mostra um derivado de queratinócito típico hiPSC colónia após 32 dias de reprogramação. É comum observar alguma diferenciação no centro da colónia hiPSC. Uma vez escolhido manualmente, os hiPSCs derivados geralmente exibem alta núcleo rácio citoplasmática e uma colônia definido ligadoAry (Figura 3B). As linhas celulares estabelecidas de hiPSCs pode, então, ser caracterizada por pluripotência como descrito anteriormente 13,19, tal como a expressão de marcadores pluripotentes OCT4, NANOG e TRA-160 (Figura 3C-E).
Figura 1. Imagens representativas de cabelos arrancados em diferentes fases de crescimento. (A) Diagrama ilustrando os pêlos na fase anágena ou telógeno. Imagens de contraste de fase mostrando uma cabelo arrancado em (B) fase telógena e (C) fase anágena. HS = eixo de cabelo; IRS = Inner Root bainha; ORS = Outer Root bainha. Scale bar = 100 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2. Imagens representativas de queratinócitos derivadas de cabelo. Imagens de contraste de fase de um fio de cabelo arrancado plaqueadas para baixo (A) 3 dias e (b) 10 dias. As setas brancas marcam o crescimento de queratinócitos a partir de um cabelo arrancado. Imagem de contraste (C) Fase do Dia 3 cultura de queratinócitos com uma morfologia típica calçada portuguesa após passaging. Scale bar = 100 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3. Imagens representativas de hiPSCs derivadas de queratinócitos. (A) imagem de contraste de fase de uma cultura de reprogramação Dia 32 mostrando um hiPSC co-derivado de queratinócitolony. (B) selecionado manualmente hiPSCs derivadas de queratinócitos com morfologia semelhante à hESCs. A imunocoloração de hiPSCs com marcadores pluripotentes (C) NANOG e (D) OCT4 e (E) de TRA-160 em hiPSCs derivadas de queratinócitos. Scale bar = 100 mm. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Geração de hiPSCs específicos do paciente oferece uma abordagem única para estudar patogênese nos tipos de células doentes in vitro, e também fornece uma plataforma para a triagem de drogas para identificar novas moléculas que podem resgatar os fenótipos da doença. Esta abordagem de modelagem doença usando hiPSCs tem produzido resultados promissores para uma variedade de doenças, incluindo a síndrome de QT longo, doença de Huntington, doença de Parkinson e esclerose lateral amiotrófica 22. Várias iniciativas já estão em andamento para estabelecer bibliotecas em larga escala de hiPSCs específicos do paciente, incluindo consórcios nos EUA, Europa, Austrália, China, Coréia do Sul e Japão 23,24.
Aqui um protocolo para estabelecer hiPSCs de queratinócitos derivados de cabelo é descrito, que tem o potencial de facilitar e fast-track a criação de bibliotecas em larga escala de hiPSCs de doenças específicas. Este protocolo oferece duas vantagens: em primeiro lugar, o epissomalsistema utilizado neste protocolo gera hiPSCs sem integração usando um coquetel de seis fatores de reprogramação (OCT4, SOX2, KLF4, L-MYC, LIN28, shRNA para p53) a relativamente alta eficiência 4. Comparado com os métodos de reprogramação retrovirais ou lentivirais mediada por, o uso de vector epissomal evita integração genómica indesejável de transgenes estranhos durante reprogramação., Assim, várias iniciativas favorecer a utilização de métodos de reprogramação livre de integração para a criação de bibliotecas hiPSC de grande escala, tais como a vetores epissomais, vírus Sendai ou mRNA, em relação aos métodos de reprogramação integrativas 23.
Em segundo lugar, o cabelo é facilmente acessível e pode ser colhida pelos próprios pacientes sem o uso de procedimentos invasivos ou a presença de equipes médicas. Isso fornece uma oportunidade única para os pacientes de diferentes regiões para coletar e-mail em suas próprias amostras de cabelo para o laboratório para a derivação de queratinócitos e reprogramação subsequente. Em apoio da viabilidade desta estratégia, os nossos dados não publicados indicam que os queratinócitos podem ser isolados com sucesso a partir de cabelo arrancado que foi armazenada a 4 ° C durante até 10 dias.
A metodologia aqui descrita vai permitir a derivação de queratinócitos a partir de cabelo arrancado. Enquanto os queratinócitos podem ser derivados a partir de apenas um único fio de cabelo, a nossa recomendação é coletar pelo menos 5 cabelos anágenos para queratinócitos derivação. Uma limitação deste protocolo é que alguns pêlos pode não prender bem e os queratinócitos podem deixar de crescer. Cabelo mais grosso tende a anexar melhor, enquanto o cabelo fino requer quantidade reduzida de meio de cultura durante chapeamento para evitar flutuante e aprimorar anexo. Uma vez que os queratinócitos são derivadas, é aconselhável para expandir e congelar para baixo stocks utilizando métodos de criopreservação lento de congelamento padrão 16. Reprogramação subsequente de queratinócitos podem ser realizadas etapas seguintes descritos neste protocolo. É importantenotar que a taxa de proliferação das células de partida podem afectar a eficiência reprogramação, com a diminuição da eficiência de reprogramação observado em passagens tardias como as células atingem 25-27 senescência celular. A este respeito, utilize queratinócitos, o mais tardar passagem 6 para experimentos de reprogramação. Além disso, a eficiência de reprogramação pode variar entre queratinócitos diferente do indivíduo.
Estudos recentes sugerem mosaicismo genético generalizada em vários tipos de tecidos somáticos 28, com ~ 30% de fibroblastos da pele relatados como possuindo somática CNVs no genoma 29. Estes CNVs podem ser causadas por erros na replicação do DNA, reparo de DNA ou mobilização transposon. É também possível que a exposição prolongada de UV para a pele podem causar CNVs adicionais em células da epiderme, incluindo fibroblastos e queratinócitos, mas a extensão deste não é bem compreendido. Como CNVs em queratinócitos será transferido durante o processo de reprogramação, é importante para executar cariotipagem rotina ou análise CNV para assegurar que as estabelecidas hiPSCs manter a estabilidade genómica. Em resumo, aqui descrevemos procedimentos para geração de hiPSCs de queratinócitos derivados de cabelo, que poderiam ser usados para a modelagem de doenças e medicina regenerativa.
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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