Research on cardiac differentiation from human pluripotent stem cells: how to get beating cells in a dish

Abstract

Probably, the gain in organ complexity and cell function has led to a decrease in healing capacities in the adult mammalian heart. In an effort to generate new venues for the generation of functional cardiac cells, in the present work we have explored the possibility to manipulate cell fate and plasticity making use of different technologies. First, and taking advantage of somatic cell reprogramming we have generated induced pluripotent stem cells (iPSCs) from umbilical cord derived mesenchymal stem cells (ucMSCs), an amenable source of stem cells in the clinical setting. In a very simple manner we have converted ucMSCs into iPSCs with either four transcription factors (OCT4, SOX2, KLF4 and c-MYC) or two transcription factors (OCT4 and SOX2). Second, by a cell conversion approach, we have been able to produce cells expressing cardiac-related markers at the protein level from human post-natal dermal fibroblasts. Our protocol induces cell de-differentiation by the overexpression of OCT4 and SOX2 pluripotent-related transcription factors first, and the specific meso-cardiac transcriptional factor GATA4 afterwards. Finally, in order to define new conditions for the generation of cardiac-like cells from either pluripotent stem cells or somatic cells, we have developed a reporter cell line for the cardiac gene alpha Myosin Heavy Chain (MYH6) by means of TALEN and CRISPR/CAS9 genome editing technologies. In this manner we have been able to explore culture conditions promoting cardiac differentiation from human embryonic stem cells. The work presented here shows different approaches aiming to generate cardiac-like cells with an impact in Regenerative Medicine.

És probable que l’adquisició de complexitat tant en els òrgans, com en les funcions cel•lulars al llarg de l’evolució hagi portat a la disminució de les capacitats d’autocuració del cor de mamífers adults. Per tal de generar noves plataformes per la generació de cèl•lules cardíaques funcionals, en el treball exposat a continuació, hem explorat la possibilitat de manipular tant el destí com la plasticitat cel•lular fent servir diferents tecnologies. En primer lloc, aprofitant la reprogramació somàtica, hem generat cèl•lules mare pluripotents induïdes (iPSCs) a partir de cèl•lules mare mesenquimals derivades de sang de cordó umbilical (ucMSCs), una font fàcilment accessible de cèl•lules mare en l’entorn clínic. De manera senzilla, hem aconseguit convertir ucMSCs en iPSCs amb quatre (OCT4, SOX2, KLF4 i c-MYC) o amb tan sols dos factors de transcripció (OCT4 i SOX2). En segon lloc, mitjançant una estratègia de conversió cel•lular, hem aconseguit produir cèl•lules que expressen marcadors relacionats amb teixit cardíac a nivell proteic a partir de fibroblasts dèrmics post-natals d’origen humà. El nostre protocol indueix en una primera fase la de-diferenciació dels fibroblasts mitjançant la sobre expressió primer dels factors de pluripotència OCT4 i SOX2, i després del factor de transcripció específic per mesoderm cardíac GATA4. Finalment, amb l’objectiu de definir noves condicions per la generació de cèl•lules cardíaques a partir de cèl•lules mare pluripotents o cèl•lules somàtiques hem enginyat una línia cel•lular reportera pel gen cardíac que codifica per la cadena pesant de la miosina (alpha myosin heavy chain o MYH6) mitjançant les tècniques d’edició gènica TALEN i CRISPR/CAS9. D’aquesta manera hem estat capaços d’explorar diferents condicions de cultiu per promoure la diferenciació cardíaca a partir de cèl•lules mare pluripotents d’origen embrionari. El treball aquí exposat, mostra diferents estratègies dissenyades amb la intenció de generar cèl•lules cardíaques amb un cert impacte en la futura Medicina Regenerativa.