Epigenetic Rejuvenation of Mesenchymal Stromal Cells Derived from Induced Pluripotent Stem Cells

Η ανακάλυψη της μεθόδου του κυτταρικού επαναπρογραμματισμού ανθρώπινων δερματικών ινοβλαστών σε επαγόμενα πολυδύναμα βλαστοκύτταρα (induced pluripotent stem cells, iPSCs) το 2007 άνοιξε το δρόμο για τη μελέτη και την εξατομικευμένη θεραπεία πολλών χρόνιων νόσων. Επιδιώξαμε να δημιουργήσουμε iPS - κυτταρικές σειρές επαναπρογραμματίζοντας μεσεγχυματικά στρωματικά κύτταρα (mesenchymal stromal cells, MSCs) μυελού των οστών, μέσω μιας μεθόδου επαναπρογραμματισμού χωρίς ενσωμάτωση γονιδίων στο γενετικό υλικό των κυττάρων. Δερματικοί ινοβλάστες από φυσιολογικούς δότες και μεσεγχυματικά στρωματικά κύτταρα μυελού των οστών από φυσιολογικό δότη μεταμόσχευσης μυελού των οστών και από ασθενή με β-Μεσογειακή αναιμία (β-ΜΑ) διαμολύνθηκαν, μέσω λιποσωματικών φορέων, με συνθετικά mRNA που κωδικοποιούν τους μεταγραφικούς παράγοντες Oct4, Klf4, Sox2, Lin28, c-Myc. Στη συνέχεια, τα κύτταρα ελέγχθηκαν σε καλλιέργειες για τον σχηματισμό αποικιών πολυδύναμων βλαστοκυττάρων. Οι αποικίες απομονώθηκαν και με συνεχείς ανακαλλιέργειες δημιουργήθηκαν κυτταρικές σειρές, οι οποίες εξετάστηκαν για την πολυδυναμία τους με μεθόδους ανίχνευσης της έκφρασης των μεταγραφικών παραγόντων πολυδυναμίας (κυτταρομετρία ροής, RT-PCR, μελέτη του μεταγραφώματος με RNA μικροσυστοιχίες). Ως θετικός μάρτυρας και μέτρο σύγκρισης χρησιμοποιήθηκε πολύ καλά χαρακτηρισμένη εμβρυονική σειρά πολυδύναμων βλαστοκυττάρων. Οι iPS-κυτταρικές σειρές μελετήθηκαν, επίσης, ως προς τη λειτουργική τους πολυδυναμία με τον έλεγχο της ικανότητας τους να δημιουργούν in vitro εμβρυϊκά σωματίδια και in vivo τερατώματα μετά από υποδόρια εμφύτευση τους σε ανοσοανεπαρκείς ποντικούς, και ως προς τη δυνατότητα διαφοροποίησής τους σε αιμοποιητικά προγονικά κύτταρα. Η γενετική σταθερότητα των κυτταρικών σειρών ελέγχθηκε με DNA μικροσυστοιχίες συγκριτικού γονιδιωματικού υβριδισμού (aCGH). Απομονώθηκαν 3 iPS κυτταρικές σειρές από κάθε δείγμα κυττάρων, οι οποίες εμφανίζουν μεταγράφωμα πανομοιότυπο με εκείνο των πολυδύναμων εμβρυονικών βλαστοκυττάρων και. δημιουργούν εμβρυϊκά σωματίδια in vitro και τερατώματα in vivo, τα οποία αποτελούνται από ιστούς καταγωγής και από τα τρία βλαστικά δέρματα. Τα iPSCs των κυτταρικών σειρών πολλαπλασιάζονται για μεγάλο χρονικό διάστημα χωρίς μορφολογικές ενδείξες διαφοροποίησης. Με τη μέθοδο aCGH, στις iPS κυτταρικές σειρές μετά την 10η ανακαλλιέργεια ανιχνεύθηκαν πολυμορφισμοί στον αριθμό αντιγράφων (CNVs), τα οποία ήταν ελλείμματα μεγέθους περίπου 3 Mb. Η διαφοροποίηση των iPSCs σε αιμοποιητικά προγονικά κύτταρα οδήγησε στην παραγωγή CD34+ κυττάρων σε ποσοστό 8-10% των παραχθέντων κυττάρων με ασθενούς έντασης συνέκφραση του CD45, προσομοιάζοντας στο αιμαγγειακό στελεχιαίο κύτταρο. Στην παρούσα διατριβή παρουσιάζεται, για πρώτη φορά στην Ελλάδα, εξ όσων γνωρίζουμε, η τεχνολογία παραγωγής ανθρώπινων iPSCs με μια ασφαλή και αξιόπιστη μέθοδο. Οι iPSCs-κυτταρικές σειρές μπορεί να χρησιμοποιηθούν στη μελέτη ασθενειών, στον έλεγχο φαρμάκων και στην ανάπτυξη πρωτοκόλλων ιστικής μηχανικής και κυτταρικής θεραπείας.

Download Full-text

Interrupted reprogramming into induced pluripotent stem cells does not rejuvenate human mesenchymal stromal cells

10.1101/344903 ◽

2018 ◽

Author(s):

Carolin Göbel ◽

Roman Goetzke ◽

Thomas Eggermann ◽

Wolfgang Wagner

Keyword(s):

Stem Cells ◽

Induced Pluripotent Stem Cells ◽

Mesenchymal Stromal Cells ◽

Stromal Cells ◽

Pluripotent Stem Cells ◽

Replicative Senescence ◽

Chromosome 1 ◽

Differentiation Potential ◽

Pluripotency Factors ◽

Induced Pluripotent

AbstractReplicative senescence hampers application of mesenchymal stromal cells (MSCs) because it limits culture expansion, impairs differentiation potential, and hinders reliable standardization of cell products. MSCs can be rejuvenated by reprogramming into induced pluripotent stem cells (iPSCs), which is associated with complete erasure of age- and senescence-associated DNA methylation (DNAm) patterns. However, this process is also associated with erasure of cell-type and tissue-specific epigenetic characteristics that are not recapitulated upon re-differentiation towards MSCs. In this study, we therefore followed the hypothesis that overexpression of pluripotency factors under culture conditions that do not allow full reprogramming might reset senescence-associated changes without entering a pluripotent state. MSCs were transfected with episomal plasmids and either successfully reprogrammed into iPSCs or cultured in different media with continuous passaging every week. Overexpression of pluripotency factors without reprogramming did neither prolong culture expansion nor ameliorate molecular and epigenetic hallmarks of senescence. Notably, transfection resulted in immortalization of one cell preparation with gain of large parts of the long arm of chromosome 1. Taken together, premature termination of reprogramming does not result in rejuvenation of MSCs and harbours the risk of transformation. This approach is therefore not suitable to rejuvenate cells for cellular therapy.

Download Full-text

Differentiation of Induced Pluripotent Stem Cells towards Mesenchymal Stromal Cells is Hampered by Culture in 3D Hydrogels

Scientific Reports ◽

10.1038/s41598-019-51911-5 ◽

2019 ◽

Vol 9 (1) ◽

Cited By ~ 4

Author(s):

Roman Goetzke ◽

Hans Keijdener ◽

Julia Franzen ◽

Alina Ostrowska ◽

Selina Nüchtern ◽

...

Keyword(s):

Stem Cells ◽

Tissue Culture ◽

Induced Pluripotent Stem Cells ◽

Mesenchymal Stromal Cells ◽

Stromal Cells ◽

Pluripotent Stem Cells ◽

3D Culture ◽

Growth Patterns ◽

Tissue Culture Plastic ◽

Induced Pluripotent

Abstract Directed differentiation of induced pluripotent stem cells (iPSCs) towards specific lineages remains a major challenge in regenerative medicine, while there is a growing perception that this process can be influenced by the three-dimensional environment. In this study, we investigated whether iPSCs can differentiate towards mesenchymal stromal cells (MSCs) when embedded into fibrin hydrogels to enable a one-step differentiation procedure within a scaffold. Differentiation of iPSCs on tissue culture plastic or on top of fibrin hydrogels resulted in a typical MSC-like phenotype. In contrast, iPSCs embedded into fibrin gel gave rise to much smaller cells with heterogeneous growth patterns, absence of fibronectin, faint expression of CD73 and CD105, and reduced differentiation potential towards osteogenic and adipogenic lineage. Transcriptomic analysis demonstrated that characteristic genes for MSCs and extracellular matrix were upregulated on flat substrates, whereas genes of neural development were upregulated in 3D culture. Furthermore, the 3D culture had major effects on DNA methylation profiles, particularly within genes for neuronal and cardiovascular development, while there was no evidence for epigenetic maturation towards MSCs. Taken together, iPSCs could be differentiated towards MSCs on tissue culture plastic or on a flat fibrin hydrogel. In contrast, the differentiation process was heterogeneous and not directed towards MSCs when iPSCs were embedded into the hydrogel.

Download Full-text