构建一个同基因的3 d人体肾发生的由内皮祖细胞模型,间充质,SIX2-Positive肾祖细胞

文摘

尿已经成为选择非侵入性肾上皮细胞和肾源干细胞可用于产生诱导多能干细胞。本研究的目的是要生成一个3 d肾原性的祖细胞模型由三个不同的细胞types-urine-derived SIX2-positive肾祖细胞,iPSC-derived间充质干细胞,iPSC-derived内皮细胞来自同一个人。描述生成的间充质干细胞显示塑料附着生长和trilineage脂肪细胞分化潜力,软骨细胞和成骨细胞。此外,这些细胞表达典型的MSC标记CD73 CD90、CD105。诱导内皮细胞CD31表达内皮细胞表面标志。urine-derived肾祖细胞结合后,诱导间充质干细胞,诱导内皮细胞在一组比,self-condensed成三维细胞肾原性的祖细胞,我们称之为3 d-npcs。分段3 d-npcs Immunofluorescence-based染色法显示细胞表达肾祖细胞标记(SIX2和PAX8),足突细胞标记(Nephrin和Podocin)、内皮标记(CD31)和间叶细胞标记(波形蛋白和PDGFR -β)。这三个d-npcs分享肾脏祖特点和因此可能分化成足细胞和近端和远端小管。作为urine-derived肾祖细胞可以很容易地获得细胞脱落成尿液,直接从肾3 d-npcs祖细胞的生成而不是多能干细胞或肾活检拥有潜力巨大的使用肾毒性测试,药物筛选,造型nephrogenesis和疾病。

1。介绍

许多疾病的条件,包括肾疾病,需要更换的组织或器官。器官或组织移植是唯一有效的和最广泛使用的治疗1]。随着干细胞可用于自体的一代,专门的细胞,干细胞疗法是另一种移植(2]。然而,治疗面临的主要问题:全球供体短缺,可怜的捐献者和接受者之间immunohistocompatibility,畸胎瘤等副作用的概率,对干细胞治疗肿瘤形成。是使用替代肾脏移植肾祖细胞,可从人类尿液分离(1),以生成肾细胞类型和随后移植肾组织。肾脏生理过程导致裁减了数千个可行的肾细胞进入尿液(1,3]。感兴趣的细胞类型,即。,urine stem cell or urine-derived renal progenitor cell (UdRPC), is required for the renewal of kidney cells [4]。UdRPCs有大米很像形态(3)和共享干细胞特征包括clonogenicity、高扩张产能,多功能分化潜能和自我更新由SIX2 [3,5,6]。此外,这些细胞有潜力成为分化成许多类型的细胞在肾脏。

三维瀑样技术是另一个选择。感兴趣的细胞器官,如心脏,肝脏,肾脏,生成从诱导多能干细胞(万能)以3 d方式,名叫瀑样。因为这些瀑样由瀑特异性细胞可以自我组织,他们能够概括的一些典型的器官结构和功能(7,8]。其他包括gastruloids三维模型,定义为在体外多细胞模型能够模仿原肠胚形成的过程(9]。发表的报告显示成功代瀑样来自组织如视杯(10],脑下垂体上皮[11],肠[12),大脑13),和肾14]。目前现有的瀑样模型的不足包括血管化和相关供应的缺乏营养和氧气通过血液流动以及复杂的组织结构。此外,这种组织工程是基于特定的诱导因素和支架的使用,也不能完全概括在活的有机体内微环境变化中的信息交互所需的流动性在器官发生(15]。鉴于这些不足,瀑样的一代模仿的多细胞的相互作用在活的有机体内器官是下一步需要加强瀑样技术,尤其是在肾脏。

在这里,我们描述了生成和特征3 d-npcs(三维肾元祖细胞)组成的三个细胞types-SIX2-positive urine-derived肾祖细胞(UdRPCs) UdRPC-iPSC-derived间充质干细胞(UdRPC-iMSCs)和内皮细胞(UdRPC-iECs)模拟的多细胞组织在活的有机体内器官。上述细胞类型的结合导致self-condensed 3 d-npcs,维持肾祖SIX2标志的表达在自我更新支持培养介质。3 d-npcs可以利用有效的代肾瀑样有用作为研究平台nephrogenesis,肾脏疾病的造型,和肾毒性测试。

2。材料和方法

2.1。万能Urine-Derived肾祖细胞(UdRPCs)

iPSC线使用,ISRM-UM51,这里叫做UdRPC-iPSCs,从肾祖细胞重新编程(UdRPCs)像之前描述的那样从尿液样本分离(16,17]。CYP2D6 ISRM-UM51是已知的HLA和中间代谢状态(17]。

2.2。内皮细胞的分化UdRPC-iPSCs (UdRPC-iECs)

分化之前,UdRPC-iPS细胞适应E8介质(干细胞技术)Matrigel-coated板块(康宁合并,# 354277)。confluency在80 - 90%,细胞分离与0.05% EDTA / PBS和单个细胞被播种在Matrigel-coated板岩抑制剂的添加y - 27632 (10μ米)(Tocris生物科学,# 1254/1)第一个24小时提高细胞存活率。当细胞密度达到70 - 80%,中胚层形成被培养的细胞诱导44 h E8介质包含25 ng / ml苯丙酸诺龙(PeproTech, # 120 - 14 - e), 5 ng / ml BMP4 (PeproTech, # 120 - 05 -等),和1μM CHIR99021 (Tocris生物科学、# TB4423-GMP / 10) (18]。媒介改变了E7介质(干细胞技术,# 05910)补充50 ng / ml BMP4, 5μM SB431542 (Tocris生物科学、# 1614),和50 ng / ml VEGF-A (PeprotTech, # 100 - 200年)三至五天。内皮细胞维持E7中补充了200 ng / ml VEGF-A或介质(Gibco # M200500) 37°C和5%的公司₂。人脐带静脉内皮细胞作为控制(通过传代形成细胞。

2.3。间充质干细胞的分化UdRPC-iPSCs (UdRPC-iMSCs)

这些UdRPC-iPSCs被分为单个细胞在90 - 100%的confluency酝酿TrypLE (Gibco # 12604021) 4分钟。单个细胞被播种在Matrigel-coated 6-well盘子。如之前所述,分化confluency[准备在60 - 70%19,20.]。维护中被替换为间充质干细胞(MSC)分化培养基组成的最小基本培养基鹰(αmem) (Sigma-Aldrich # M8042-6x500ml), 10%的边后卫(Gibco, # 10500064), 1% P / S(表达载体,# 15140122),1% GlutaMAX (Gibco, # 35050061),和10μ米的TGFβ受体抑制剂SB431542。细胞分化进行了14天,媒介改变了每隔一天。之后,细胞通过TrypLE和被镀上裸露的烧瓶。使细胞持续直到达到一个MSC-like形态。这些细胞被保存在MSC栽培介质(αmem, 10%的边后卫,GlutaMAX P / S, 1%和1%)缺乏SB431542。分化产生UdRPC-iMSCs进行事后评估他们trilineage分化潜能。此外,典型的MSC细胞表面标记物的表达和缺乏造血标记通过流式细胞术分析。

2.4。在体外分化分析

2.4.1。脂肪生成

诱导脂肪生成是由孵化UdRPC-iMSCs adipoinductive中(Gibco # A1007001)与介质变化每两天三周。形成的脂质滴检测通过油红O染色(Sigma-Aldrich # 1320-06-5)。

2.4.2。Chrondrogenesis

UdRPC-iMSCs软骨形成的诱导与chondroinductive介质(Gibco # A1007101),并与常规细胞培养的三个星期中改变每隔一天。软骨形成和阿尔新蓝染色证实(Sigma-Aldrich, # 33864-99-2)。

2.4.3。骨生成

UdRPC-iMSCs被播种在两井24-well板和孵化在论述媒介(Gibco # A1007201)与介质变化每两天三周。展示成功的分化、钙仓库被确定与茜素红染色(Sigma-Aldrich # 130-22-3)。

2.5。Immunophenotyping UdRPC-iMSCs的

immunophenotyping,每个细胞类型两个生物复制,即UdRPC-iMSCs,本机UdRPCs和本地人类胎儿msc (21),进行分析。每个复制被分为两个整除,每个包含 细胞。MSC表现型鸡尾酒(fluorochrome-conjugated单克隆抗体:CD14-PerCP, CD20-PerCP, CD34-PerCP, CD45-PerCP, CD73-APC, CD90-FITC,和CD105-PE)或同形像控制鸡尾酒(鸡尾酒fluorochrome-conjugated单克隆抗体:鼠标IgG1-FITC,鼠标IgG1-PE,鼠标IgG1-APC,鼠标IgG1-PerCP,和鼠标IgG2a-PerCP)添加到样本。与相应的抗体的细胞被孵化鸡尾酒10分钟偶尔在4°C在黑暗中摇曳的管。细胞被洗了之后,和固定样本测量使用青色ADP(美国贝克曼库尔特,CA)和分析使用峰会4.3软件。

2.6。Immunofluorescence-Based染色

多聚甲醛(Polysciences, # 18814 - 10)固定样本用1% Triton x - 100 / PBS(默克,# 9002-93-1)。如果染色细胞表面标记的目的是,洗涤是用PBS代替。在这一步中,样本与PBS洗两次。阻止未指明的结合位点,样品在室温下与阻断缓冲区孵化2 h。

主要抗体是孵化一夜之间在4°C。相应的抗体稀释后指令表1。第二天,洗了三次样品渐变为0.05% / PBS(默克,# 9005-64-5)。二级抗体(解决1:500年阻塞缓冲/ PBS的比率1:2)和赫斯特(热费舍尔,# H3570)(1: 5000)被添加和孵化1 h在室温下在黑暗中。洗后样品两次0.05%渐变/ PBS,板块在1% PS / PBS在4°C到评价荧光显微镜下X-Cite系列120流明动力学(蔡司)。

2.7。代3 d-npcs基于UdRPCs Coculture, UdRPC-iMSCs, UdRPC-iECs

中3 d-npc维修准备通过添加5 ng / ml VEGF-A, 1μg / ml肝素和5 ng / ml EGF (PeproTech, # 100 - 47)肾祖维护媒介(RPMM) [16,17]。UdRPCs汇合的井,UdRPC-iMSCs, UdRPC-iECs孵化与TrypLE 37°C到细胞分离;此后,RPMM添加酶反应。UdRPCs和UdRPC-iMSCs离心机在250 g×5分钟,和UdRPC-iECs离心机在150 g×5分钟。吸气后上层清液和补充新鲜培养基,细胞数。播种三种细胞类型之间的比例是10:7:2 (UdRPCs、UdRPC-iMSCs和UdRPC-iECs)。所需的细胞数量的一个组合过程如下: UdRPCs, UdRPC-iMSCs, UdRPC-iECs。在1毫升RPMM resuspended细胞类型。混合三种类型的细胞后,细胞悬液加入7毫升RPMM T25瓶,灌装的总量10毫升。岩石抑制剂y - 27632 (10μ米)添加了第一天,确保细胞的生存。瓶是放置在一个直立的位置在孵化器37°C和5%的公司₂。培养14天之后,凝聚3 d-npcs转移到培养皿中并将其保持在37°C和5%的公司₂在一个旋转的孵化器。大约90%的冷凝实验导致三维,不依从3 d-npcs。

3所示。结果与讨论

3.1。推导的UdRPC-iMSCs UdRPC-iPSCs

在这项研究中,成功来自iPSC UdRPC-iMSCs线从UdRPCs UM51重新编程17]。标准定义的间充质干细胞包括塑料坚持,trilineage脂肪细胞分化潜力,软骨细胞、成骨细胞、细胞表面标记物的表达CD73, CD90、和CD105和更高(95%),和缺乏造血标记CD14、CD20, CD34、CD45 [22]。UdRPC-iMSCs显示呈纺锤状形态和塑料表面(图能够坚持1(一))。他们潜在的区分临床相关chondrogenic和成骨的命运被阿尔新蓝和茜素红染色法观察(图1(一))。此外,向脂肪细胞分化的潜能被油红O染色(图所示1(一))。

Immunophenotyping确诊的UdRPC-iMSCs典型的MSC细胞表面标记物的表达CD73, CD90、CD105和缺乏造血标记CD14 / CD20、CD34、CD45 ( ,图1 (b))。CD73和CD105的水平 和 ,分别(图1 (b))。UdRPC-iMSCs CD90较低水平( )而骨髓msc(图1 (b))。参考黄金标准骨骨髓来源msc CD90超过95%⁺细胞(图S1A)。然而,MSC与不同的器官和起源已知表达一组不同的MSC细胞表面标记,甚至有不同程度的表达(23]。相比之下,本机UdRPCs UdRPC-iMSCs的产生,有高水平的CD73 ( )和CD90 ( )和一个低水平的CD105 ( )(图印地)。Urine-derived描述了干细胞表达CD29、CD44、和CD73(> 98%)和一个变量的CD54的表达,CD90、CD105,存在24,25]。msc之间的这些差异可能是由于固有的功能差异和细胞内异构族群的一部分组织(23]。自从UdRPC-iMSCs熊MSC CD90表达式功能以外的95%,即,plastic adherence and the trilineage differentiation to adipogenic, chondrogenic, and osteogenic fate, UdRPC-iMSCs are considered MSC-like.

此外,immunofluorescence-based染色还揭示了MSC标记的表达αsma、波形蛋白和PDGFR -β(图2)。msc被发现在几乎所有的人体组织,UdRPC-iMSCs非常适合瀑样的产生由不同的细胞类型。msc描述了自凝固的过程中很重要的一代的瀑样收缩的肌动球蛋白细胞骨架msc轴发挥关键的作用[2,26]。冷凝并没有发生在缺乏msc和瀑样不能形成(2]。这个观察也在这项研究;尽管UdRPCs msc、孵化仅UdRPCs只导致了新兴的3 d细胞总量没有典型的圆形瀑样结构与边界的典型3 d-npcs(数据没有显示)。众所周知从胚胎内陷,肌球蛋白II是活跃在这个发展的过程导致内位错的信息连接(2,26]。Takebe等人能够显示,在msc、肌球蛋白II高度表达在冷凝发生(2]。此外,它已被证明,进步招聘间叶细胞的祖细胞起着基本的作用在细胞命运收购nephrogenesis在老鼠和人类27]。msc的另一个重要的角色被Togel et al ., msc被注入大鼠模型遭受reperfusion-induced急性肾功能衰竭(28]。注入的msc能够保护肾脏细胞免受进一步伤害和部分恢复肾脏功能抗炎因子的分泌。

3.2。Urine-Derived肾祖细胞(UdRPCs)

UdRPCs空心尿中分离的男性捐赠者的非洲起源(17]。在扩散介质时,保留了典型的大米很像形态(图3(一个)),表示PAX8和SIX2(图3 (b))。

3.3。从UdRPC-iPSCs代内皮细胞

UdRPC-iPSCs是内皮细胞分化(UdRPC-iECS)使用修改后的两步协议(18]。分化细胞与广泛的细胞体cobblestone-like形态和生长薄粘附细胞层(图4(a))。像HUVECs UdRPC-iECs均匀CD31表达内皮细胞表面标志(图4(b))。细胞大小的UdRPC-iECs小于HUVECs(图4(b)),可以解释为一个较低的通道数量和他们来自万能小自己。自在活的有机体内脉管系统建立了营养和氧气供应在胚胎早期发育,UdRPC-iECs用于肾脏preorganoids的形成应该支持营养和氧气的足够的可用性,并允许肾脏结构的进一步成熟。

3.4。3 d-nephron祖细胞的形成

三维肾元祖细胞(3 d-npcs)结合生成urine-derived SIX2-positive肾祖细胞(UdRPCs) UdRPC-iMSCs,和UdRPC-iECs比10:7:2。2到4天后细胞混合物self-condensed形成圆形,三维结构与锋利的边界(图5)。3 d-npcs被转移到培养皿中各自的细胞结合后14天。

3.5。肾脏的表达、内皮细胞和间充质3 d-npcs标记

培养3 - 4周后,3 d-npcs固定,脱水,随后嵌入cryosectioning的准备。被染色的部分表达的几个kidney-specific标记,如SIX2 PAX8, Nephrin, Podocin,内皮标记——CD31、和间叶细胞标记,PDGFR -β和波形蛋白(图6)。

3 d-npcs表达小鼠的肾祖SIX2标志已被证明是表达在肾脏早期开发,特别是在帽间质,祖细胞组成的一个地区致力于肾元的命运(27,29日]。该基因参与维护祖状态,和SIX2损耗,导致分化的祖细胞对细胞类型肾元,肾脏的功能单位,包括足细胞和远端和近端小管。

3表达的早期肾标记PAX8均匀d-npcs(图6)。PAX8表达在肾元形态发生,维护新兴肾泡阶段,调节肾脏器官发生(30.,31日]。细胞质表达Nephrin没有见过SIX2和PAX8制服,但更多的本地化(图6)。Nephrin是免疫球蛋白的蛋白质,存在于上皮细胞粘附受体超家族,足细胞环绕肾小球和肾小球的滤过屏障(32]。podocytic脚通过狭缝过程是相互联系的膜片由Nephrin, Podocin, TRPC6, FAT1 [33,34]。表达的膜蛋白Podocin,编码NPHS2,检测细胞的质膜内3 d-npcs(图6)。必须指出的是,本地UdRPCs表达SIX2 [17)、Nephrin Podocin(数据未显示);因此,进一步的证据支持我们的3 d-npcs生成。

此外,3 d-npcs港口内皮细胞CD31表达细胞表面标志(图6)。CD31也称为PECAM-1糖蛋白,而且存在内皮细胞在细胞表面,CD31也可以发现血小板和白细胞(35]。这种蛋白质参与内皮细胞之间的粘附,细胞间连接(35]。表达波形蛋白和PDGFR - MSC标记β不均匀分布作为PAX8看到。波形蛋白是一种三世中间丝状体,形成细胞骨架微管和肌动蛋白丝。这种蛋白质对细胞和组织完整性的维护很重要(36]。波形蛋白被发现为上皮间充质转变(EMT)移植EMT-related基因的表达(37]。PDGFR -β是有丝分裂原PDGF受体蛋白质(38)和间充质干细胞的发展。如前所述,msc自凝固的瀑样至关重要。在这种情况下,UdRPC-iMSCs可能参与细胞骨架的冷凝过程中收缩力导致3 d形成(2]。添加UdRPC-iMSCs也应该有利于3 d-npcs的血管化。msc在特定的已知分泌多种生长因子和细胞因子,其中一些与proangiogenic VEGF-A等属性,白介素- 6 (IL),引发,HGF, PDGF [19,38,39]。

此外,该部分还染色pluripotency-associated蛋白表达的交易——1 - 81,SSEA4, NANOG(图6)。我们选择分析NANOG表达式,因为细胞质变体在肾脏中表达的是40]。

3.6。生成3 d肾脏瀑样

代的肾脏瀑样近年来先进。相对于二维培养肾组织方法,三维培养系统更好的模拟在活的有机体内配置。大多数协议都是基于人类多能干细胞的使用(的ESCs和万能)通过中间的形成中胚层分化成肾结构(14,41]。另外,肾组织与一个两步生成的协议,开始形成多能干细胞随后chemical-induced拟胚体肾细胞谱系分化包括足细胞,细胞的近端和远端小管和收集管道(42]。为了捕捉肾脏器官的复杂性,多细胞肾coculture已经的球状体,msc, HUVECs由间充质细胞凝结被Takebe等工程。26和高桥等。38]。在移植到老鼠,在活的有机体内环境、供体血管连接和自组织功能组织实现器官功能,如排尿观察(26]。此外,而不是多能干细胞、小鼠和人类主要描述了活检分离出的肾脏细胞的生成三维肾结构在体外(43,44]。孤立肾开发完成后在出生之前,人类npc的不过是很困难的。几组从事优化这种隔离以及过程在体外培养条件。人类npc的隔离方法从人类胎儿肾脏以及长期的3 d文化孤立的胎儿npc保留肾原性的潜力已经被描述45,46]。与类似的肾原性的潜在为主npc,我们代3 d-npcs新颖的方法是基于使用UdRPCs结合同基因的UdRPC-iMSCs UdRPC-iECs。作为排泄尿液是产品,隔离UdRPCs无损伤,具有成本效益的,不定(3]。此外,他们可以从每一个孤立的捐赠无论年龄、性别、健康状况。此外,即使这些细胞中端粒酶活性,他们并不会形成畸胎瘤和肿瘤(3,5]。

4所示。结论

总结我们的研究中,异形的3 d-npcs生成通过结合UdRPCs, UdRPC-iPSC-derived UdRPC-iMSCs,和UdRPC-iECs源自相同的遗传背景,因此同基因的。immunofluorescence-based分析证明肾祖标记的表达(SIX2和PAX8),肾小球标记(Nephrin和Podocin),内皮标记(CD31)以及间质标记(波形蛋白和PDGFR -β)。3 d-npcs肾祖特征,因此有可能产生多种细胞类型的肾脏血统。从同基因的细胞类型3 d-npcs兴起,诱导肾细胞类型的分化与后续瀑样形成可能导致将来使用在细胞替代疗法,药物筛选,肾毒性的研究以及肾脏疾病模型。

数据可用性

照片和图数据用于支持本研究的结果中包括文章和补充文件。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

我们感谢马蒂娜Bohndorf技术支持和卡特Raba流式细胞仪分析技术建议。承认教授詹姆斯•阿贾耶Heinrich-Heine-Universitat医学院的支持,杜塞尔多夫。我们感谢教授理查德•Oreffo英国南安普顿大学提供在本研究中使用的胎儿msc。

补充材料

Immunophenotype胎儿msc和本地UdRPCs。MSC细胞表面标记物的表达CD73 CD90、CD105和造血标记CD14、CD20, CD34、CD45分析。(一)胎儿msc。(B)本机UdRPCs。直方图的免疫球蛋白g控制显示在橙色和MSC标记显示在蓝色的直方图( )。(补充材料)

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