Close
USC Libraries
University of Southern California
About
FAQ
Home
Collections
Login
USC Login
Register
0
Selected 
Invert selection
Deselect all
Deselect all
 Click here to refresh results
 Click here to refresh results
USC
/
Digital Library
/
University of Southern California Dissertations and Theses
/
Folder
Derivation and characterization of human embryonic stem (hES) cells and human induced pluripotent stem (hiPS) cells in clinical grade conditions
(USC Thesis Other) 

Derivation and characterization of human embryonic stem (hES) cells and human induced pluripotent stem (hiPS) cells in clinical grade conditions

doctype icon
play button
PDF
 Download
 Share
 Open document
 Flip pages
 More
 Download a page range
 Download transcript
Copy asset link
Request this asset
Request accessible transcript
Transcript (if available)
Content       DERIVATION AND CHARACTERIZATION OF HUMAN EMBRYONIC   STEM (HES) CELLS AND HUMAN INDUCED PLU RIPOTENT STEM   (HIPS) CELLS IN CLINICAL GRADE CONDITIONS    by    Jordan Elliott Pomeroy            A Dissertation Presented to the   FACULTY OF THE USC GRADUATE SCHOOL   UNIVERSITY OF SOUTHERN CALIFORNIA   In Partial Fulfillment of the   Requirements for the Degree   DOCTOR OF PHILOSOPHY   (SYSTEMS BIOLOGY AND DISEASE)      May 2012    Copyright 2012                                                  Jordan Elliott Pomeroy ii    Epigragph “Science is a way of thinking much more than it is a body of knowledge” – Carl Sagan  “Somewhere, something incredible is waiting to be known” – Carl Sagan  iii    Dedication I would like to dedicate this dissertation to my family and friends.  Without their  continuing love, encouragement, and support I would not have reached the conclusion  of this wonderful goal. I look forward to sharing the next great moments with all the  special people in my life at present and those who I have not yet had the pleasure to  meet.  iv    Acknowledgements I would like to acknowledge the shapers of my scientific thought: Dr. Angel  Amores, Dr. John Postlethwait, Dr. Robert Petroski, Dr. Martin Pera, Dr. Kouichi  Hasegawa, and Dr. Jun Wu.  Assumption has no value in the presence of experience. v    Table of Contents Epigraph                                                                                                                                            ii  Dedication                                                                                                                                        iii  Acknowledgements                                                                                                                        iv  List of Tables                                                                                                                                   vii  List of Figures                                                                                                                                 viii  Abstract                                                                                                                                          x  Introduction                                                                                                                                      1  Chapter One:       A Xenobiotic‐Free (Xeno‐Free) Cell Culture System for the                                                                    Derivation and Maintenance of Human Pluripotent Stem Cells                3  Introduction                                                                                                                         3  Materials and Methods                                                                                                     9  Results                                                                                                                                13  Conclusions                                                                                                                       20    Chapter Two:      Derivation of Xeno‐Free Human Induced Pluripotent Stem Cells          24  Introduction                                                                                                                      24  Materials and Methods                                                                                                  33  Results                                                                                                                                38  Conclusions                                                                                                                       49    Chapter Three:    Derivation of Xeno‐Free Human Embryonic Stem Cells                           57  Introduction                                                                                                                       57  Materials and Methods                                                                                                   70  Results                                                                                                                                75  Conclusions                                                                                                                       86    Chapter Four:     Molecular Characterization of the Reprogramming Process                                                        Improves Selection of High Fidelity Human Induced Pluripotent                  Stem Cells                                                                                                            92                            Introduction                                                                                                                      92  Materials and Methods                                                                                                  98  vi    Results                                                                                                                              102  Conclusions                                                                                                                     123    Conclusion                                                                                                                                    134  Bibliography                                                                                                                                 135  Appendices                                                                                                                                   144  Appendix A:  Egg/Sperm Donor Consent Form                                                         144  Appendix B:  Embryo Donor Consent Form                                                               151 vii    List of Tables Table 1:  Derived XF‐hiPSC Lines                                                                                                 45 Table 2:  Embryo Derivation Results                                                                                          79 Table 3:  Live‐Cell ICC Selection Based Derivation Efficiency                                               123 viii    List of Figures Figure 1:    HES3 Maintained On Human Vitronectin/Fibronectin/hDFf  v.         Gelatin/mEF                                                                                                                 16  Figure 2:    HES3 Maintained With Standard KSR vs. KSR‐XF                                                  17  Figure 3:    50X vs. 100X Xeno‐Free Growth Factor Cocktail                                                  18  Figure 4:    ICC of HES3 Maintained in KSR‐XF                                                                          19  Figure 5:    PiggyBac Transposon and Transfection Efficiency                                               29  Figure 6:    Transposon Reprogramming Protocol                                                                   31  Figure 7:    Image of Cellular Focus Undergoing Reprogramming at Day 5                         40  Figure 8:    Images of Foci Undergoing Reprogramming at Weeks 2/3                                41  Figure 9:    Images of Foci at Weeks 4/5 and Subsequent Outgrowths                                42  Figure 10:  Images of hiPSCs                                                                                                        44  Figure 11:  ICC Images of Full and Partial hiPSCs                                                                      46  Figure 12:  Embryoid Body ICC Images of hiPSCs                                                                     47  Figure 13:  Embryoid Body Quantification                                                                                50  Figure 14:  Quantitative PCR for hiPSC Lines J1 and K1                                                          54  Figure 15:  Derivation of hESCS                                                                                                   62  Figure 16:  Representative Human Embryos                                                                            77  Figure 17:  Successful Derivation of mESCs by Laser Isolation                                              78  Figure 18:  Embryo SC006‐C Outgrowth Images                                                                      80  Figure 19:  Embryo SC011‐F Outgrowth Images                                                                       81  Figure 20:  Embryo SC010‐A Outgrowth Images                                                                      82  Figure 21:  Images of the XF‐hESC Line USC‐01                                                                        84  ix    Figure 22:  ICC Panel for the XF‐hESC Line USC‐01                                                                  85  Figure 23:  Embryoid Body Images of USC‐01                                                                          86  Figure 24:  ICC Reprogramming Timeline                                                                                  93  Figure 25:  Live‐Cell ICC Selection Methods                                                                              96  Figure 26:  Genes Queried by Quantitative RNA Expression                                                  97  Figure 27:  TRA‐1‐60/GDF‐3 ICC Timeline                                                                               104  Figure 28:  GCTM‐2/EpCAM ICC Timeline                                                                               105  Figure 29:  OCT4/DNMT3b ICC Timeline                                                                                 106  Figure 30:  Nanog/E‐Cadherin ICC Timeline                                                                            107  Figure 31:  EpCAM/DNMT3b ICC Timeline                                                                              108  Figure 32:  EpCAM/E‐Cadherin ICC Timeline                                                                          109  Figure 33:  ICC Reprogramming Marker Timeline Graphs                                                    111  Figure 34:  ICC Timeline Concatenated data                                                                           113  Figure 35:  Live‐Cell ICC Images                                                                                                 115  Figure 36:  Fluidigm Concatenated Data                                                                                 116  Figure 37:  Fluidigm Upregulated Data                                                                                    118  Figure 38:  Live‐Cell Staining Intensity Correlates With Expression                                    121  Figure 39:  ‘Fully’ and ‘Partially’ Reprogrammed hiPSCs Derived from Live‐         Cell Selection                                                                                                            124  Figure 40:  ICC of Live‐Cell Selected hiPSCs                                                                             126  Figure 41:  Embryoid Body Analysis of Live‐Cell Selected hiPSCs                                        128    x    Abstract Future use of pluripotent cells for regenerative medicine will require the  derivation and characterization of new cell lines in clinical grade conditions.  Removing  potential sources of contamination, such as cell culture components sourced from  animals, will aid the regulatory approval for future stem cell based therapeutics.  In this  dissertation, I describe the development of a xenobiotic‐free cell culture system for the  derivation and maintenance of human pluripotent cell lines.  I have derived >40 hiPSC  lines and one hESC line in the xeno‐free cell culture conditions with maintenance of  pluripotency charcacterized by morphology and immunocytochemistry marker  expression for >50 passages and >30 passages respectively.  The hESC line, USC‐01 and  several hiPSC lines derived for this study demonstrate highly similar gene expression  patterns although slight differences are apparent.  USC‐01 and several hiPSC lines  demonstrate the ability to differentiate into cells displaying characteristics of all three  germ layers in an embryoid body differentiation assay.  Further examination of the  process of reprogramming somatic cells to a pluripotent state at both the RNA and  protein expression levels indicates several genes/markers selective for hiPSCs achieving  a pluripotent state most similar to the “gold‐standard” of pluripotency possessed by  hESCs.  This study confirms the usefulness of the markers TRA‐1‐60, E‐Cadherin and  EpCAM for live‐cell selection of the best hiPSC colonies and also demonstrates the  usefulness of the marker GCTM‐2.  Expression analysis of colonies undergoing  reprogramming also indicates that the genes FOXD3, CDH3, LCK, EDNRB, EPHA1, SOX2,  xi    and HAS3 are active in only a small subset of colonies 30 days after transfection of the  piggyBac transposon reprogramming cassette.  Since these genes are active in all hESC  and most hiPSC positive control lines tested, confirmation of their activation could be  used to select reprogramming hiPSC colonies most likely to achieve a pluripotent state  similar to hESCs.  Increased selection and derivation efficiencies of hiPSC lines  demonstrating high fidelity to the hESC pluripotent state will streamline the generation  of hiPSC lines for future testing as a replacement for hESCs in regenerative medicine.                 1    Introduction   Mammals undergo complex developmental processes after sexual reproduction.   The fertilized embryo must traverse critical developmental checkpoints to differentiate  into all the cells necessary for a fully functional organism.  The word “totipotent”  describes a cell that can differentiate into cells necessary for gestational support and  contribute to the organism itself.  The first cells (blastomeres) in a cleavage stage  embryo are totipotent.  A “pluripotent” cell is one step down the development ladder  such that it can only contribute to the developing organism and does not contribute to  the formation of gestational tissue such as the placenta.  The first mammalian  pluripotent cells were isolated from the inner cell mass (ICM) of mouse embryos by  Evans and Kaufman in 1981 (Evans and Kaufman 1981).These pluripotent cells are  known as embryonic stem cells (ESCs).  The derivation of mouse ESCs revolutionized the  field of developmental biology and allowed the production of transgenic knockout mice  (Thomas and Capecchi 1987) which greatly influenced both science and medicine since  researchers could identify the function of genes and elucidate the genetic basis of  disease.  Researchers also began to see the potential for pluripotent stem cells to  produce an unlimited source of differentiated cells that could be used in regenerative  medicine.  Efforts to derive human ESCs, however, were not successful until 1998 when  James Thomson et al. derived the first lines (Thomson, Itskovitz‐Eldor et al. 1998).   Demonstration that human ESCs could be differentiated into functional somatic cell  types, such as neurons, in vitro quickly followed with the studies of Reubinoff et al. in  2    2000 (Reubinoff, Pera et al. 2000).  The field of ESC research has grown dramatically  since these early discoveries, but much work remains to translate the potential of these  cells to clinically relevant therapeutics.  The genesis of the work described in this dissertation stems from the advent of  technology demonstrating the ability to reprogram somatic cells into a pluripotent state  similar to that possessed by human ESCs (Takahashi and Yamanaka 2006).  The resulting  induced pluripotent stem cells (iPSCs), however, exhibit low efficiency of generation,  regardless of methodology, (Stadtfeld, Nagaya et al. 2008; Yamanaka 2009; Yu, Hu et al.  2009) and a divergent molecular profile that is most likely the result of an incomplete  epigenetic remodeling (Kim, Doi et al. 2010), or genetically unstable (Hussein, Batada et  al. 2011) reprogramming process (Pera 2011). There is a need, consequently, to  characterize human ESCs (hESCs) vs. human iPSCs (hiPSCs) to determine the extent of  their equivalency.  Specifically, if hiPSCs are to replace hESC in cell therapy, they must  exhibit a high level of fidelity to the standard pluripotent profile (Smith, Luong et al.  2009) of hESCs to lend confidence for future clinical use of these cells.  One major  problem with such comparative studies is the variability introduced by the wide variety  of cell culture conditions previously used for derivation and maintenance of the hESCs  and hiPSCs.  The aim of this project is thus to derive hESCs and hiPSCs in identical clinical  grade conditions to provide a platform for determining equivalency while limiting  variability. 3    Chapter One: A Xenobiotic-Free (Xeno-Free) Cell Culture System for the Derivation and Maintenance of Human Pluripotent Stem Cells 1. Introduction   Derivation of hESCs and hiPSCs in clinical grade conditions requires the  development of a cell culture system that meets regulatory guidelines for clinical  application of these cells.  Standard cell culture systems for derivation and maintenance  of human pluripotent stem cells typically utilize components sourced from animal  products, such as fetal bovine serum (FBS) in the growth medium and mouse embryonic  fibroblasts (mEFs) that serve as a supporting feeder layer for the pluripotent cells.   Future clinical approval of hESCs or hiPSCs will most likely hinge on the creation of  defined cell culture systems (Ludwig, Levenstein et al. 2006) and the replacement of  components sourced from animal products (Ellerstrom, Strehl et al. 2006), for the  derivation and maintenance of pluripotent cell lines.  While efforts have focused on  creating more defined systems for culture of human pluripotent cell lines, such as  Knockout Serum Replacement (KSR – Life Technologies), such components still contain  products sourced from animals.  Many companies are now actively testing cell culture  systems without animal products “xeno‐free (XF)”.  In this study, I undertook beta  testing the Knockout Serum Replacement – XenoFree (KSR‐XF) system from Life  Technologies.    Below I will detail the components of my xeno‐free cell culture system which  include an extracellular matrix (ECM) coating of human vitronectin/fibronectin,  4    XenoFree human fibroblast feeders, and the KSR‐XF growth medium.  The xeno‐free  hESC cell culture system demonstrated an equivalent ability to maintain pluripotency of  the HES3 line, measured by markers and maintenance of an undifferentiated state, as to  that shown by HES3 grown in standard culture conditions.  The successful establishment  of this xeno‐free cell culture system enabled future derivations of XF‐hESCs and XF‐ hiPSCs.  Specific Aim #1: Optimize the Use of Human Plasma Vitronectin/ Fibronectin As a XF-ECM Growth Matrix Most pluripotent cell culture systems begin with a base coating of ECM proteins  on the growth surface of the plastic cell culture dishes.  The ECM coating aids the  attachment and proliferation of the pluripotent cells in addition to adhesion factors  present in the liquid phase of the growth medium.   Many standard systems supporting  embryonic stem cells incorporate a base of 0.1% gelatin (denatured collagen), usually  sourced from pig, that facilitates attachment of the fibroblast feeders and hESCs.    However, gelatin alone does not support attachment and spreading of hESC, which  requires integrin ligands present in serum or as additives. More defined systems use of a  medley of ECM proteins such as fibronectin, vitronectin, and laminin.  The use of  multiple ECM proteins aids the culture of hESCs by providing binding sites for specific  integrins (transmembrane binding proteins) expressed on the surface of the pluripotent  cells.  Integrins are important in cell biology because of their bi‐potential ability to  provide structural contact with the external environment while also being linked to  5    internal second messenger systems influencing proliferation signals within the cell.  In  particular, the RGD binding domain of vitronectin serves as a binding substrate for  Integrin  α5 βv which has been shown to support and aid the proliferation of hESCs  (Braam, Zeinstra et al. 2008).  Some groups have demonstrated the use of synthetic  vitronectin RGD domains for hESC support (Elefanty and Stanley 2010; Chen,  Gulbranson et al. 2011), but we decided to use native human vitronectin for this study  since there was not a ready source of the synthetic peptides.  Fibronectin is important  for both fibroblast feeders and hESCs.   The addition of laminin is mainly indicated when  using “feeder‐free” culture conditions (Braam, Zeinstra et al. 2008) not investigated in  this study.  Therefore, I decided to focus on optimizing vitronectin and fibronectin for  the extracellular matrix coating.   Previous work detailing the importance of the ECM proteins mentioned above  generally used peptides from animal sources due to their low cost and ready supply.   Obtaining human vitronectin and fibronectin is thus critical to establishing the  extracellular matrix component of the xeno‐free cell culture system.  Human fibronectin  and vitronectin are commercially available, but the vitronectin is prohibitively expensive  at $2,000.00 per milligram.  Derivation, maintenance and characterization of new  pluripotent cell lines require several milligrams for long term culture such that the  commercial sourcing of vitronectin would be cost prohibitive.  I thus isolated milligram  quantities of human vitronectin from unused human Fresh Frozen Plasma (FFP).   Commercial human fibronectin, however, is a viable source at $60/mg.  The  6    combination of human vitronection and fibronectin provided a suitable XF‐ECM  substrate for the attachment and proliferation of human pluripotent cells.  Specific Aim #2: Establish a Xeno-Free Cell Culture System for Fetal Human Dermal Fibroblast Feeders   Many cell culture systems require the use of an additional cell source that  secretes factors vital to the health and proliferation of the study cells.  Such supporting  cells are termed “feeders.” Feeders are typically seeded on the culture dish at a density  that provides a monolayer while allowing ample room for the attachment and  proliferation of the study cells.  The correct feeder density will provide a sufficient  concentration of growth factors to support proliferation of pluripotent cells.  A variety  of cell types are used as feeders, but standard ESC cell culture systems employ mouse  embryonic fibroblasts (mEFs) (Thomson, Itskovitz‐Eldor et al. 1998).  mEFs are prepared  by the enzymatic digestion of whole embryonic mice except for the head and visceral  organs.    The harvested mEFs must be mitotically inactivated before use as feeders to  prevent continued proliferation while still providing viable, robust growth factor  secreting cells.  The two main methods for inactivation are irradiation and exposure to  Mitomycin C.  Irradiation is a very cost effective mechanism compared to the expensive  protein Mitomycin C, but many institutions do not have an irradiator.   This makes  Mitomycin C a more appropriate inactivator for small batches of cells.  Since I need to  replace the animal sourced mEFs  for a xeno‐free system, I substituted fetal human  dermal fibroblasts (hDFfs) prepared in a similar methodology as described above since  7    such cells have been successfully used as human feeders in previous studies (Richards,  Tan et al. 2003).     It was also necessary to replace the FBS containing mEF medium with a xeno‐ free medium capable of supporting the expansion of hDFfs.  Many companies advertise  Low‐Serum mediums, but only American Type Culture Collection (ATCC) had a “serum‐ free” fibroblast medium containing recombinant human growth supplements suitable  for use in this project.  The hDFfs grown in the xeno‐free, humanized fibroblast medium  supported proliferation and maintenance of pluripotency in the hESC line HES3.     Specific Aim #3: Establish a Xeno-Free Cell Culture Medium for the Derivation and Maintenance of Human Pluripotent Cells   The final component of the xeno‐free cell culture system is the xeno‐free culture  medium.  Standard hESC culture medium used in our lab comprises a base of DMEM  supplemented with 20% FBS.  This medium was used to derive some of the first hESC  lines (Thomson, Itskovitz‐Eldor et al. 1998; Reubinoff, Pera et al. 2000), but the FBS  negated its use in this project.  In the years since these original lines were derived in the  late 1990s, many companies have sought to produce more defined cell culture mediums  to limit experimental/culture variability.  The main source of variability in this cell  culture medium is the FBS.  As such, the biotechnology products company Life  Technologies produced Knockout Serum Replacement (KSR) to replace the FBS  component.   KSR is a proprietary serum supplement with the chief ingredients  remaining undefined, but the main idea was to remove components within FBS until  8    only the factors necessary to support the maintenance of hES pluripotency remained.   While KSR represents a technological advancement, many components within this  supplement are still sourced from animals.  Consequently, it was essential to find a cell  culture medium that was xeno‐free to move forward with “clinical grade” pluripotent  cell line derivation.    Few xeno‐free cell culture supplements were available when I began this project  in 2009, but two mediums were in late stage development.  Stem cell products  companies were actively seeking to develop “clinical grade” products in anticipation of  future clinical trials with stem cell derived therapeutics and the necessity to adhere to  potential regulatory guidelines set forth by the Food and Drug Administration (FDA).   One of these products was a xeno‐free version of KSR being developed by Life  Technologies.  The other was mTeSR‐2 from StemCell Technologies.  I approached both  companies to test these mediums for use in my xeno‐free cell culture system.  Of the  two, only KSR‐XF had published data supporting the derivation of hiPSCs (Rodriguez‐ Piza, Richaud‐Patin et al. 2010; Ross, Suhr et al. 2010) so I mainly focused on developing  this medium.  Since it was a xeno‐free version of the KSR that we already used on a  regular basis in the lab, direct comparison between xeno‐free and standard cell culture  systems was more ideal.  I continued to experiment with both media at the start of the  project, but I later found that I could not derive hiPSCs using mTeSR‐2.  This failure  added more impetus to focus on Xeno‐Free KSR.  The KSR‐XF cell culture medium  supported the maintenance of pluripotency of the HES3 line through repeated passages.  9    2. Materials and Methods Standard hESC Culture Conditions Culture dishes were coated with a 0.1% porcine gelatin (Sigma #G9136) solution  for >1 hr at room temperature (RT).  Irradiated mouse embryonic fibroblasts (mEFs)  were freshly prepared by the USC stem cell core facility according to the WiCell‐2003  protocol “Derivation of Mouse Embryonic Fibroblasts, “ and plated at 25% confluency in  mEF medium (DMEM [Gibco #11960], 10% fetal bovine serum [Gibco #16000‐044], 2  mM L‐Glutamine [Gibco #25030‐081], and 100 U/mL Pen/Strep [Gibco #15140‐122]) the  night before passaging.  The day of passaging, mEF medium was replaced with KSR hESC  medium (DMEM‐F12 [Gibco #11330], 20% Knockout Serum Replacement [Gibco  #10828‐028], 4ng/mL Human FGF‐b [Milipore #GF003], .01 uM 2‐Mercaptoethanol  [Sigma #M3148], 0.1 mM MEM‐NEAA [Gibco #11140‐050], 2 mM L‐Glutamine, and 100  U/mL Pen/Strep) which was allowed to equilibrate in a 37 o C, 5% CO 2  incubator for  1 hr.   The hES cell lines HES2 and HES3 were passaged into small clumps by manual dissection  with fine needles and transferred to the equilibrated cell culture dishes.  This process  was repeated every 7 days. Xeno-Free hESC Culture Conditions Culture dishes were coated with native human vitronectin (0.5 ug/cm 2  – isolated  in house, method below) and human fibronectin (0.5 ug/cm2‐ Gibco #33016‐015)  diluted into sterile PBS at 2.5 ug/mL with a volume sufficient to effectively cover the cell  culture surface.  Dishes were incubated at RT for >3 hours.  Native human vitronectin  10    was isolated from bags of unused Fresh Frozen Plasma (FFP) obtained from the Los  Angeles County Blood Bank (IRB #HS‐10‐00134) using a heparin bead protein isolation  column as described in (Yatohgo, Izumi et al. 1988).  Briefly, thawed FFP was pre‐cleared  on a Protein A Sepharose CL‐4B (GE Life Sciences #17‐0780‐01) column to remove  proteins non‐specifically binding to the sepharose beads.  8M urea was added to the  pre‐cleared human FFP to activate the heparin binding domain of vitronectin and the  activated FFP was passed through a Heparin‐Sepharose 6 Fast Flow (GE Life Sciences #  17‐0998‐01) column.   After several washes, the vitronectin was fractionally eluted and  fractions with an A 280  of >0.05 were pooled for dialysis.  The dialyzed, purified  vitronectin was then quantified and lyophilized for long term storage @‐20 o C.  The  average recovery from one 250 mL bag of FFP was about 5 mg.  XF‐hDFf feeders were prepared by expansion of an early passage cell stock  obtained from ScienCell (#2300).  Stock hDFfs were thawed into 15 mL of Serum Free  fibroblast growth medium from ATCC which contains a Fibroblast Basal Medium (#PCS‐ 201‐030) and a Serum‐Free Fibroblast Growth Kit (#PCS‐201‐040) with the following  human or recombinant growth factors: HSA 500 ug/mL, linoleic acid 0.6 mM, lecithin 0.6  ug/mL, 7.5 mM L‐Glutamine, rhFGF 5n ng/mL, rhEGF 5 ng/mL, rhTGF‐1 30 pg/mL,  rhInsulin 5 ug/mL, hydrocoritisone 1 ug/mL, and ascorbic acid 50 ug/mL.  The thawed  cell suspension was transferred to a T‐150 cell culture flask coated with 1 ug/cm 2   fibronectin and allowed to expand to ~90% confluency, replacing medium every other  day, before freezing for working stocks.  Once reaching the desired confluency, the cells  11    were washed once with 10 mL sterile PBS before exposure to 2 mL TrypLE Select (Gibco  #12563‐011).  After detaching, cells were diluted 1:10 with XF‐Fibroblast Medium,  counted, and centrifuged.  The cell pellet was resuspended in the appropriate volume of  XF‐Fibroblast Freezing Medium (10% DMSO in XF‐Fibroblast Medium) to give 1 x 10 6   cells/mL aliquots and slow frozen (~1 °C/min) in a Mister Frosty device to ‐80 o C for long  term storage.    For preparation of mitotically inactivated XF‐hDFfs for plating, frozen working  stocks were thawed into XF‐Fibroblast Medium and transferred to 2 X T‐150 flasks  coated with 1 ug/cm 2  native human fibronectin.  Upon reaching 90% confluency, the XF‐ hDFfs were split 1:4.  Cells were washed once with10 mL PBS followed by exposure to 2  mL of TrypLE Select.  After detaching, 10 mL of XF‐Fibroblast Medium was added to each  T‐150 and the entire volume is centrifuged.  The cell pellet was resuspended in 120 mL  of XF‐Fibroblast Medium and transferred to 8 x T150 fibronectin coated flasks.  Cells are  fed every other day until reaching 100% confluency wherein they are inactivated.   Mitotic inactivation of the cells required >2 hour exposure to 20 ng/mL Mitomycin‐C  (Milipore #47589) diluted in sterile PBS.  Cells were then washed twice with 10 mL PBS  before detaching with TrypLE Select.  Cells were resuspended in XF‐Fibroblast Medium,  counted, and centrifuged.  The cell pellet was resuspended in XF‐Fibroblast Freezing  Medium in plating aliquots of 3 x 10 6  cells/mL and slow frozen to ‐80 o C.  XF‐hDFfs are  viable using this methodology until P6.  For plating, aliquots were thawed in XF‐ 12    Fibroblast Medium and plated onto vitronectin/ fibronectin coated culture dishes at a  density of 5 x 10 4  cells/cm 2  and allowed to attach overnight before hESC passage.  Xeno‐free hESC medium (DMEM‐F12, 20% XF‐Knockout Serum Replacement CTS  [Gibco #12618‐013], 100 X XF‐Growth Factor Cocktail CTS [Gibco #A13560SA], 10 ng/mL  Animal Free bFGF [Milipore #GF003‐AF], .01uM 2‐Mercaptoethanol, 0.1 mM MEM‐ NEAA, 2 mM L‐Glutamine, and 100 U/mL Pen/Strep) was added to fresh XF‐hDFf culture  dishes on the day of hESC passage and allowed to equilibrate > 1 hour at 37 o C/5%  CO 2 .   Pluripotent cell colonies were passaged by manual cutting with a fine needle into small  clumps of 50‐500 cells and transferred to equilibrated xeno‐free cell culture dishes.   KSR‐XF hESC Medium was replaced daily with new passage occurring every 7 days.  Immunocytochemistry of Pluripotent Cells Cultured in Xeno-Free Conditions After several passages in the KSR‐XF cell culture system, the HES3 cell line was  transferred to 4‐well chamber slides coated with 0.5 ug/cm2 vitronectin/fibronectin and  seeded with hDFf feeders.  Colonies were allowed to expand for 5 days followed by  removal of KSR‐XF hESC Medium and fixation with a 4% paraformaldehyde (PFA, Sigma  #158127) solution in 1X PBS for 10 min at room temp.  Fixed cells were then washed 3  times with 1X PBS and permeabilized with 0.1% Triton X‐100 for 5 min followed by  washing three times with 1X PBS.  Primary antibodies were diluted to working  concentrations in PBS containing 2% animal serum (matched to secondary antibodies)  and incubated for 1 hour at room temp followed by a 3X wash with PBS.  Secondary  13    antibodies were diluted in PBS plus 2% animal serum and incubated for 1 hour followed  by 3X wash with PBS.  ProLong Gold anti‐fade reagent plus DAPI (Life Technologies  #P36931) was utilized to mount the slides which were allowed to cure overnight.   Images were taken with a Zeiss AxioImager Z1 microscope.   Marker pairs for staining were GCTM‐2/SOX2, TRA‐1‐60/OCT4, and SSEA‐ 4/Nanog.  Primary and secondary antibody combinations with dilutions were as follows:  [GCTM‐2 neat (Mouse IgM, in house hybridoma) / AlexaFluor 488 goat anti‐mouse IgM  (u chain) 1:1000 (Life Technologies #A21042)] [SOX2 1:1000 (Rabbit IgG polyclonal,  Milipore #AB5603) / AlexaFluor 568 goat anti‐rabbit IgG (H+L) 1:1000 (Life Technologies  #A11036)] [TRA‐1‐60 1:100 (Mouse IgM, Santa Cruz Biotechnology #sc‐21705) /  AlexaFluor 594 goat anti‐mouse IgM (u chain) 1:1000 (Life Technologies #A21044)]  [OCT4 1:200 (Mouse IgG 2b , Santa Cruz Biotechnologies #sc‐5279) / AlexaFluor 488 goat  anti‐mouse IgG 2b  1:1000 (Life Technologies #A21141)] [SSEA‐4 1:50 (clone MC‐813‐70,  Mouse IgG3, Milipore #MAB4304) / AlexaFluor 488 rabbit anti‐mouse IgG (H+L) 1:1000  (Life Technologies #A11059)] [Nanog 1:20 (Goat IgG polyclonal, R&D Systems #AF1997) /  AlexaFluor 568 rabbit anti‐goat IgG (H+L) 1:1000 (Life Technologies #A11079)]  3. Results Human Vitronectin/Fibronectin Extracellular Matrix Supports hESC Maintenance Human fibronectin was commercially obtained from Life Technologies.  I isolated  human vitronectin from unused fresh frozen plasma (FFP) acquired from the LAC+USC  Blood Bank after IRB approval.  Receiving approval for the FFP, even though it was  14    otherwise destined for disposal, took 6 months from the start of contact to final  signatures.  Following the protocol in Yatohgo et al. (Yatohgo, Izumi et al. 1988)  vitronectin was isolated from the FFP by employing a heparin bead column, followed by  lyophilization and freezing at ‐20 o C for future use.  With one week of labor, each 250 mL  bag of FFP yielded ~5mg of vitronectin.  The identity of the FFP isolated vitronectin was  validated by Western Blot with commercially available vitronectin positive control.  I  isolated 20.5 mg human vitronectin from five bags of FFP: 0.6, 3.5, 6.2, 5.3 and 4.9 mg  respectively.    Subsequent testing of the human vitronectin and fibronectin under standard hES  cell culture conditions indicated an optimal surface coating of 0.5ug/cm 2  for each ECM  protein.  A 0.1ug/ cm 2  coating was not sufficient for robust attachment and proliferation  while 1 ug/cm 2  did not show improved culture of the hESC line HES2.  Adequate coating  requires exposing the culture surface to a 2.5 ug/mL solution of vitronectin/fibronectin  in PBS for >2 hours.  The vitronectin/fibronectin coating demonstrated hESC culture  support equivalent to that of a 0.1% porcine gelatin extracellular matrix coating.  I was  able to demonstrate long term maintenance of the hESC line HES3 for >6 passages on  this matrix combination (0.5ug/cm 2  VF) with the retention of several pluripotency  markers and limited cellular differentiation.    XF-hDFf Human Feeders Support hESC Maintenance I obtained commercially available, low‐passage hDFfs from ScienCell.  The  commercial stock of hDFfs was thawed in Serum Free Fibroblast Medium from ATCC and  15    transferred to T‐150 cell culture flasks coated with 0.5 ug/cm2 fibronectin.  Under these  conditions, thawed hDFfs exhibit rapid proliferation.  Initial attempts to enzymatically  passage the XF‐hDFfs with TrypLE Select and Defined Trypsin Inhibitor failed because  the inhibitor caused dramatic cell lysis.  Those cells that survived the exposure to  Defined Trypsin Inhibitor exhibited marked reduction in proliferative capacity with an  enlarged, flattened morphology.  Further testing indicated that TrypLE could be  effectively removed by dilution in Serum Free Fibroblast Medium followed by  centrifugation, resuspension and transfer to fresh culture flasks.  Using these refined  techniques, I demonstrated the ability to expand XF‐hDFfs through P6 for feeder  production.  Cells allowed to go beyond P6 exhibit reduced proliferative capacity and  shift from a small compact morphology to a large, flat cell type.      Frozen P4‐P6 aliquots remain viable for >3 months at ‐80 o C.    The final, effective  feeder cell density at plating is 5 x 10 4  cells/cm 2  and the feeder dishes are ready to  receive passaged pluripotent cells the next day.  Waiting longer than 24 hours reduced  pluripotent cell attachment and expansion.  This density provides 80‐90% confluency  the day after plating.  Higher density inhibited the expansion of pluripotent colonies  while lower density led to increased differentiation.  The established cell lines  HES2/HES3 were successfully maintained on these feeder dishes with standard KSR hESC  medium for >6 passages validating their use in future experiments [Figure 1].  HES3  colonies continue to be compact with tight borders.  The interface between the HES3     16        Figure 1:  HES3 Maintained On Human Vitronectin/Fibronectin/hDFf vs. Gelatin/mEF  These images illustrate the appearance of the HES3 cell line cultured under “standard” laboratory  conditions which utilize 0.1% gelatin/mEFs/KSR (A) and “Xeno‐Free” conditions 0.5 ug/cm2 fibronectin‐ vitronectin/hDFfs/XF‐KSR (B).  Grossly, both colonies possess similar morphology: compact, angular cells  forming a polygonal colony with tight borders at the feeder interface.     colonies and hDFfs (B), however, shows much closer apposition than as seen with mEFs  (A).  KSR-XF CTS hESC Medium Supports Maintenance of HES3 I tested two xeno‐free, commercially available hESC media.  Initial tests with the  KSR‐XF medium demonstrated short term maintenance of HES3 while the mTeSR‐2  medium exhibited more robust maintenance and had the ability to support short term  feeder‐free maintenance.  I had difficulty, however, using mTeSR‐2 for derivation  experiments leading me to discontinue its testing.    During my beta testing of KSR‐XF medium, Life Technologies informed me that  they had produced a XF‐Growth Factor Cocktail (XF‐GFC) as they were also having issues  with long term maintenance of hESCs.  After supplementing the XF‐GFC to the KSR‐XF  medium, I demonstrated long term maintenance of HES3 on defined matrices with   17        Figure 2:  HES3 Maintained With Standard KSR vs. KSR‐XF   These images illustrate the appearance of the HES3 cell line on human fibronectin/vitronectin/hDFf in  normal KSR (A) and XF‐KSR (B).  The HES3 cell line was transferred to the humanized KSR‐XF system at P50  and maintained for 8 passages in KSR‐XF.  The colony in panel (A) represents cells returned to normal KSR  for 2 passages and panel (B) are the same cells maintained in KSR‐XF for 2 more passages.  The colonies  maintain gross morphological similarities in both conditions supporting the use of the KSR‐XF system.    results similar to those seen with standard KSR medium [Figure 2].  In Figure 2, the HES3  cell line was transferred from standard conditions at P50 and maintained for eight  passages in KSR‐XF+GFC before being switched back to regular KSR for two passages (A).   Image (B) shows the appearance of HES3 maintained in KSR‐XF for 10 passages.  HES3  colonies possess a round, flat, compact morphology under both conditions.    Unfortunately, the original XF‐GFC prototype was discontinued in Spring 2010  for a reformulation leading to a 6 month delay in this project.  Life Technologies did not  add or remove any components in the reformulation.  Instead, they doubled the stock  concentration (50X to 100X) for each component for increased long term stability.  Final  diluted working concentrations, however, remained the same.  Reformulated 100X XF‐ GFC exhibited equivalent long term maintenance capacity for the HES3 line [Figure 3].   Colony morphology remained similar although colonies exposed to KSR‐XF with 100X   18        Figure 3: 50X vs. 100X Xeno‐Free Growth Factor Cocktail  These images illustrate the appearance of the HES3 cell line in XF‐KSR cell culture conditions.  During beta  testing of the XF‐KSR growth factor cocktail, Life Technologies reformulated the components from a 50X  stock solution to a 100X stock solution.  The HES3 cell line maintains similar morphological characteristics  after 5 passages in both 50X (A) and 100X (B) stock solutions demonstrating equivalence.    GFC (B) commonly appeared more dense and compact than those maintained in 50X  GFC (A).  In response to this delay and constant “backorder” issues of the prototype  products, I forged a direct relationship with the product development team at Life  Technologies to ensure adequate supply.    One major difference between the use of standard KSR and KSR‐XF is the  method of passaging the hESCs.  Under standard KSR culture, ‘’enzymatic” passaging is  accomplished by adding a digestive enzyme cocktail including  collagenase/trypsin/20%KSR (CTK) to the cell s.  The cells are allowed to digest until the  mEFs detach from the surface.  The mEF containing CTK is aspirated and a small volume  is left to continue digestion of the hESC colonies.  After the colonies have adequately  lifted from the culture surface, KSR medium is added to the dish and the colonies are  triturated until they break into clumps of >200 cells wherein they are gravity  sedimented and resuspended in fresh KSR then transferred to new cell culture dishes.  I   19        Figure 4: ICC of HES3 Maintained in KSR‐XF  These images show immunocytochemistry staining results for markers associated with the pluripotent  state.  HES3 P50+P10XF were fixed in 4% PFA and stained according to the methods presented in this  section.  Panel (A) shows the results for GCTM2 (green), SOX2 (red), DAPI (blue).  Panel (B) shows the  results for TRA‐1‐60 (red), OCT4 (green), and DAPI (blue).  Panel (C) shows the results for SSEA‐4 (green),  Nanog (red), and DAPI (blue).  Strong staining for each of these markers suggests robust maintenance of  pluripotency of the HES3 line after 10 passages in the KSR‐XF cell culture system.    attempted to use the “enzymatic” passaging technique on my XF culture system,  substituting KSR‐XF into the CTK digestive cocktail, but the hDFfs did not respond well to  this technique.  Instead of detaching as single cells, the feeders would detach as a sheet  effectively trapping the hESC colonies.  The light trituration necessary to break the hESC  colonies apart without dissociation to single cells was insufficient to release the hESC  colonies from the tight “wadding” of undissociated hDFfs.  Increasing digestion time  with XF‐CTK did not break up the sheets of hDFfs without fully dissociating the hESC  colonies to single cells.  Single cell passaging is notoriously difficult with hESCs due to  the fact that they rapidly differentiate or die when dissociated.      After the failure of XF‐enzymatic passage, I resorted to manual passage of the  hESC colonies in the KSR‐XF culture system.  Expanded colonies at Day 7 were dissected  into small pieces containing >100 cells.  The strong bonds developed between the hESC  colony and hDFf feeders required close dissection to ensure transfer of the outermost  edges of the colony.  Manual passaging provided robust attachment post‐passage and  20    the HES3 cell line exhibited strong pluripotency marker expression by immuno‐ cytochemistry (ICC) after 10 passages [Figure 4].  The HES3 cell line demonstrates the  expected patterns of surface staining for TRA‐1‐60, GCTM‐2, and SSEA‐4 noted by the  intense fluorescence separated by visible cell borders.  Nuclear staining for OCT4, SOX2,  and Nanog was strong throughout the e colonies.  Limited spontaneous differentiation  was noted during the initial maintenance testing.  4. Conclusions The xeno‐free hESC cell culture system is composed of a human  vitronectin/fibronectin ECM coating, XF‐hDFf feeders, and KSR‐XF hESC Medium.  The  use of defined culture systems often presents practical challenges in terms of costs  alone.  Commercially available human plasma fibronectin is within the research budget  of most laboratories desiring to derive multiple human ES and IPS cell lines, but human  plasma vitronectin is not.  After demonstrating the ability of commercial vitronectin to  support the maintenance of pluripotency in the HES2 line, I initiated an IRB to obtain  unused FFP from the LAC+USC Blood Bank.  I was able to isolate over 20 mg of  vitronectin from the FFP which has a market price of $40,000.  This amount was  sufficient for commencement of the derivation project and saved valuable research  dollars for other expensive xeno‐free cell culture components.  Initiating this IRB  protocol, moreover, provided some valuable experience in terms of human subjects  approval.  Receiving approval for the FFP, even though it was destined for disposal, took  6 months from initiation to final approval.    21    Optimizing the production of XF‐hDFfs required more than a year of testing.  I  first demonstrated that hDFfs work as a replacement for mEFs under standard KSR hESC  cell culture conditions.  I then tested the only commercially available XF‐Fibroblast  medium and showed it supported the expansion of hDFfs.  There were many low‐serum  fibroblast media available, but ATCC had the only serum‐free medium, which also came  with a high price of >$200 per 500 mL bottle.  Successful feeder production starts with  low‐passage (P2) hDFf stocks which are expanded in fibronectin coated cell culture  flasks.  It was highly important to passage the XF‐hDFfs before they reached 100%  confluency because the proliferative capacity was greatly reduced either as a result of  overcrowding or the extended exposure to TrypLE necessary to dissociate the densely  packed cells.  With careful monitoring, the XF‐hDFfs provided viable Mitomycin‐C  mitotically inactivated feeders out to P6.  Passaging the XF‐hDFs beyond P6 resulted in a  remarkably reduced proliferative capacity and dramatic enlargement of the individual  fibroblasts rendering them less useful as feeder stocks.  These low‐passage XF‐hDFf  feeders provided long‐term maintenance of pluripotency when they were plated at a  density of 5x10 4  cells/cm 2  on top of the human vitronectin/fibronectin ECM.  The choice to move forward with beta testing of the KSR‐XF medium  components resulted from its similarity to the standard KSR system used in the Pera Lab  and due to its eventual support for the derivation of XF‐hiPSCs.  The published hiPSC  derivation data with early versions of KSR‐XF also provided impetus to move forward  with the Life Technology product (Rodriguez‐Piza, Richaud‐Patin et al. 2010; Ross, Suhr  22    et al. 2010).  The XF medium, mTeSR‐2, initially demonstrated better long‐term  maintenance of pluripotency than the KSR‐XF system, but its failure to facilitate XF‐ hiPSC derivation limited its usefulness in this study.  mTeSR‐2 has a very high FGF‐b  concentration (>80 ng/mL) which helps stabilize the pluripotent state.  This high  concentration of FGF‐b, however, induced rapid proliferation of untransfected  fibroblasts in the hiPSC reprogramming experiments described below which  overcrowded the cells undergoing reprogramming.  The eventual addition of the XF‐GFC  from Life Technologies to the KSR‐XF medium raised the pluripotency maintenance  support level close to that demonstrated by mTeSR‐2.  Nevertheless, problems with  availability of the prototype KSR‐XF components from Life Technologies hampered early  progress with this system.  I finally arranged a direct line of communication with the  Stem Cell Products Development group at Life Technologies to ensure a steady supply of  KSR‐XF and the 100X XF‐GFC.  Life Technologies invited me to speak about the  development of this medium at the International Society for Stem Cell Research annual  meeting in June 2011.  With all three xeno‐free cell culture system components validated, I next  perfected serial passage techniques to ensure the transfer of high quality, pluripotent  cells from generation to generation.  This required manual passage of individual colonies  dissected using a fine hypodermic needle. Unfortunately, manual passage is a highly  labor intensive technique that limits the ability to expand pluripotent cell lines into large  surface area culture flasks.  Experiments requiring large numbers of XF‐hESCs would  23    thus require a full‐time skilled technical assistant, automation, or optimization of  enzymatic passage techniques.  Nevertheless, manual passage eliminated exposure to  trypsin which has been shown to increase susceptibility to chromosomal abnormalities,  possibly leading to a state of “adaptation” (Mitalipova, Rao et al. 2005). Even though the  manual passaging process is time consuming, the pluripotent cell lines cultured under  these xeno‐free conditions exhibited strong ICC staining for pluripotency markers and  limited spontaneous differentiation after long‐term passage (P8).  Establishing a xeno‐free hESC cell culture system was extremely challenging.   Starting with proof‐of‐concept studies to validate the effectiveness of the humanized  ECM, hDFf feeders and KSR‐XF hESC Medium followed by scaling up to quantities  necessary for derivation and long term maintenance of pluripotent cells required  foresight and patience.  Major roadblocks to progress were the inhibitory price of  commercial human vitronectin and the inconsistent product availability of prototype  xeno‐free medium components from Life Technologies.  Despite the obstacles present  during optimization, the XF‐hESC cell culture system provides stable, reliable  maintenance of pluripotent cells. 24    Chapter Two: Derivation of Xeno-Free Human Induced Pluripotent Stem Cells    1. Introduction   Cellular reprogramming to pluripotency is the process of taking a fully  differentiated cell and returning it to a pluripotent state, present in the early human  embryo, defined by the ability of a cell to differentiate into all cells present in an  organism.  The field of cellular reprogramming has existed for greater than 60 years.   The first experiments, performed by Briggs and King in the 1950s with later experiments  by Sir John Gurdon,  involved somatic cell nuclear transfer (SCNT) wherein the nucleus  of a somatic cell was inserted into an enucleated Xenopus egg cell (Briggs and King  1952; Gurdon 1962).  The resulting chimeric cell was able to proceed through  development into a fully functional organism.  Amazingly, the “cloned” individual began  as a fully differentiated “programmed nucleus” that was able to completely revert to  the naïve epigenetic state capable of differentiating into all the cell types necessary in  the organism.  The source of the reprogramming factors in SCNT is the cytoplasm of the  egg cell.  The totality of factors involved in this reprogramming process remain elusive,  but continued experimentation has started to narrow down the key genes involved in  reprogramming to the pluripotent state.  One key observation was the speed of the  reprogramming process.  Fully programmed nuclei were able to convert to a pluripotent  state rapidly in SCNT, but the process took longer, about 10 days (Cowan, Atienza et al.  25    2005; Yu, Vodyanik et al. 2006; Hasegawa, Zhang et al. 2010) in cellular fusion  experiments with ESCs and somatic cells.  The experiments in the Yamanaka lab in 2006  elegantly identified four nuclear transcription factors (OCT4, SOX2, KLF4 and CMYC)  capable of driving a somatic cell to a pluripotent‐like state, but this required three  weeks of transgene expression (Takahashi and Yamanaka 2006) for full reprogramming.   These transgene mediated reprogrammed cells are called induced pluripotent stem cells  (iPSCs).  The differences in reprogramming time between these three reprogramming  methodologies point to a dynamic reprogramming system dependent on the  combination and concentration of specific reprogramming factors.   Understanding the  differences in the length of time to fully reprogram a cell will undoubtedly unlock  additional factors responsible in the reprogramming process and illustrate the correct  stoichiometric values for these factors which allow for the rapid reprogramming  observed in SCNT.  While the biology of the reprogramming process is highly important, the  potential of iPSCs to provide an unlimited source of donor matched cells and tissue is an  equally relevant clinical topic.  Contemporary research on iPSCs indicates a long road  ahead toward full understanding of the possible pitfalls created by driving a somatic cell  to a pluripotent state.  Some of these problems include the role of leftover epigenetic  memory not reset during the reprogramming process (Kim, Doi et al. 2010), genetic  stability (Hussein, Batada et al. 2011), immunogenicity of donor matched iPSCs (Zhao,  Zhang et al. 2011),  and the true fidelity of the pluripotent‐like state presented by iPSCs  26    in relation to the “gold standard” pluripotent state observed in ESCs (Smith, Luong et al.  2009).  One piece of the clinical puzzle is defining the reprogramming conditions that  would pass muster when scrutinized by regulatory bodies such as the Food and Drug  Administration (FDA).  In this chapter, I will discuss the derivation of “fully”  reprogrammed human iPSCs in the clinical grade xeno‐free cell culture system described  in Chapter One.   This study will help pave the way to eventual therapeutic use of this  cellular technology.      Specific Aim #1: Optimize the Transfection Protocol for the Delivery of Reprogramming Factors Via the PiggyBac Vector Various methods exist to reprogram somatic cells to a pluripotent state.   Yamanaka illustrated proof‐of‐concept by introducing four transcription factors: OCT4,  SOX2, KLF4 and CMYC into fibroblasts. The four factors were introduced to the  fibroblasts via individual viral vectors that facilitated integration into the host genome  and reprogramming transgene expression.  Our lab utilized the four vector  reprogramming technique to successfully derive hiPSCs in a paper describing relative  reprogramming efficiencies between cytoplast fusion and iPSCs (Hasegawa, Zhang et al.  2010).  The experiments done in this paper also delivered valuable lessons for  characterization and maintenance of hiPSCs.  As the field of iPSC research has advanced,  new techniques have been utilized to address the issues of reprogramming efficiency  and the production of integration‐free iPSCs.  Integration of the reprogramming  transgenes into the host DNA has the potential to alter gene expression by direct  27    insertion into a gene or disruption of its critical regulatory regions, so reprogramming  without integration is paramount to future clinical use of hiPSCs.  One method to increase efficiency was to reduce the number of vectors  necessary from four to one.  This was accomplished by creating a polycistronic  reprogramming cassette containing the four factors carried by a single virion (Carey,  Markoulaki et al. 2009).  The polycistronic reprogramming cassette eliminated the  necessity that one individual cell be independently transduced by all four vectors.  While  the polycistronic cassette increased the efficiency of reprogramming, reduced the  amount of labor necessary to produce fresh virus for each transduction and reduced the  number of host genome integrations, the viral vector still had the major issue of  genomic integration.  Once the virally delivered transgenes integrated into the host  genome, they could not be removed.   Such integration would be problematic for clinical  use of such cells, because the cassette may integrate into an important region of DNA  thus disabling a necessary gene or potentially inducing neoplastic growth, similar to  what has been observed during some trials of gene therapy (Hacein‐Bey‐Abina, von  Kalle et al. 2003; Howe, Mansour et al. 2008).  Further research using non‐integrating  adenoviral vectors (Stadtfeld, Nagaya et al. 2008) and recombinant protein transfection  techniques (Zhou, Wu et al. 2009) led to the first integration free iPSCs.  The non‐ integrating techniques, however, were plagued by extremely low derivation efficiencies.   To solve the problems of genome integration and low efficiency, several groups  inserted the reprogramming cassette into the piggyBac transposon (Kaji, Norrby et al.  28    2009; Woltjen, Michael et al. 2009; Yusa, Rad et al. 2009) which has the notable  characteristic of being able to integrate and be subsequently removed without leaving a  trace in the host genome.  This means that the reprogramming factors can be delivered  for long enough to achieve reprogramming, and seamlessly removed when utilizing the  “fully” reprogrammed cells for further experimentation.  Interestingly, the piggyBac  transposon was isolated from the Cabbage Looper Moth and it is unique among  transposons in that it removes seamlessly (Fraser, Ciszczon et al. 1996).  Many  transposons, such as Sleeping Beauty, leave behind some kind of footprint even if it is as  small as 1 or 2 nucleotide changes (Liu, Aronovich et al. 2004).  Such small changes could  still be enough to cause damage via mutation and compromise regulatory approval.  The  use of piggyBac transposons represents a unique intersection in science where two  seemingly unrelated fields merge to produce amazing technical capability.  Since my study focused on creating clinical grade iPSCs it was necessary to  produce integration‐free reprogrammed cells.  I thus chose to use the four “Yamanaka”  genes OCT4, SOX2, KLF4 and CMYC carried on the piggyBac transposon (pPB:CAG.OSKM‐ pu Δtk) synthesized by Yusa et al. in 2009 (Yusa, Rad et al. 2009).  This reprogramming  system utilizes a two plasmid system with the transposon mediated cassette contained  on one plasmid and the transposase enzyme necessary for integration and removal  located on a second plasmid.  The transposon cassette consists of TTAA flanking repeat  regions, necessary for interacting with the piggyBac transposase, surrounding a  polycistronic reprogramming cassette with expression driven by the CAG synthetic   29        Figure 5: PiggyBac Transposon and Transfection Efficiency  This schemetic (A) represents the relevant regions of the piggyBac reprogramming transposon.  The four  reprogrogramming transcription factors (OCT4, SOX2, KLF4, and CMYC) are linked by self cleaving 2A  peptide sequences.  The synthetic, constitutively active CAG promoter drives expression of this  polycistronic repgrogramming cassette which is trailed by a positive/negative selection element.   Puromycin exposure positively selects cells with successful transposon integration while gancyclovir will  eliminate cells possessing the transposon thus facilitating negative selection for eventual transposon  removal.  PiggyBac specific terminal repeats flank the reprogramming/selection cassette.  A second  plasmid containing the piggyBac transposase (pCyL43) is co‐transfected with this transposon plasmid to  initiate integration and removal.  Transfection methodologies were optimized (B) for the two‐plasmid  piggyBac transposon reprogramming system and hDFfs.  The AMAXA Nucleofector system provided the  highest reproducible transfection efficiency (5‐10%): AMAXA Keratinocyte Kit #VPD‐1002, NHDF High  Viability Program #P‐022, 4 mg PB:CAG.OSKM‐puDtk transposon, 2 mg pCyL43 piggyBac transposase, and  2 x 10 6  hDFfs @P5.  Efficiency was queried by the percentage of nuclei positive for OCT4 after 72 hrs (C).   Scale bar = 100 um.    promoter.  The reprogramming factors are linked by 2A self‐cleaving linker peptide  sequences followed by a positive/negative selection cassette employing puromycin  positive selection and tyrosine kinase mediated negative selection [Figure 5].  The  transposon is coded by the name pPB:CAG.OSKM‐pu Δtk and I obtained it from the  Wellcome Trust Sanger Institute plasmid database.  The tranposase plasmid, pCyL43:PB  was also obtained from the Sanger Institute.  Optimal transfection conditions will  30    generate sufficient fibroblasts with integrated reprogramming transposons for efficient  generation of hiPSCs.  Specific Aim #2: Reprogram Fetal Human Dermal Fibroblasts to Induced Pluripotent Stem Cells Once the reprogramming transgenes have been delivered to the target somatic  cell, one must observe the culture dishes for 3‐5 weeks until viable “ESC‐like” colonies  appear [Figure 6].  Several somatic cell types have been used to generate hiPSCs, but  donor fibroblast cell lines are easily accessible and expandable for large scale  experiments.  I used the same hDFfs for feeder preparation for the reprogramming  experiments in this study.  Observations from previous reprogramming studies indicate  that reprogramming fibroblasts undergo a process of mesenchymal to epithelial  transition (MET) (Li, Liang et al. 2010).  This is exemplified by fibroblasts changing from  an elongated cell morphology to a round, flat epithelioid morphology.  These changes  are visible early during reprogramming, but a diverse population of non‐fibroblast  cellular foci appear during the reprogramming process.  The heterogenous nature of each of the foci undergoing reprogramming  presents a challenge when deciding to select colonies for hiPSC derivation, but one can  use the morphological phenotype of hESCs as a guide.  hESCs usually form flat, round,  compact colonies with tight borders.  Identifying foci displaying the morphological  appearance of hESCs is thus helpful for initial triaging for further propagation and a few  studies have confirmed this observation (Meissner, Wernig et al. 2007).  Using   31      Figure 6: Transposon Reprogramming Protocol  This diagram references all the key points of the reprogramming process.  Low‐passage hDFfs are  expanded in an FBS containing medium before harvest and transfection with the AMAXA Nucleofector.   The piggyBac transposon reprogramming system is composed of two plasmids, one which contains the  OSKM reprogramming cassette and the second containing the piggyBac transposase enzyme.  Five days  post‐transfection, the medium is replaced with KSR‐XF hESC Medium and the cells are allowed to  proliferate for >30 days until hESC‐like reprogramming foci are isolated for propagation and  characterization.    morphological characteristics alone, I isolated several foci from weeks 3‐5 and  demonstrated establishment and long‐term passage of hiPSCs with strong hESC‐like  characteristics.  Specific Aim #3: Validate Pluripotentcy of XF-hiPSCs by ICC, EB Assay, and Teratoma Formation Morphology similar to hESCs alone is not sufficient for determining the  pluripotential nature of hiPSCs.  hiPSC lines with varying post‐isolation morphological  characteristics resulted from propagation of foci undergoing reprogramming.  Some of  these hiPSC lines were very hESC‐like but others gave rise to colonies in which the  individual cells and overall morphology diverged greatly from hESCs.  Previous literature  has suggested that the colonies most similar to hESCs are “fully” reprogrammed while  32    the divergent cell lines are “partially” reprogrammed (Masaki, Ishikawa et al. 2007;  Chan, Ratanasirintrawoot et al. 2009).  These studies looked at reprogramming foci prior  to isolation and post‐isolation to describe the “full” vs. “partial” characteristics.    However, it would be very useful to identify selectable criteria that enabled prospective  isolation of “fully” and “partially” reprogrammed hiPSCs.  Standard characterization protocols for pluripotent cells require a diverse panel  of pluripotency markers queried by ICC, gene expression analysis as well as embryoid  body (EB) analysis and teratoma formation, both of which indicate the ability of the  pluripotent cell line to maintain self‐renewal and to differentiate into cells possessing  characteristics of all three germ layers: ectoderm, endoderm and mesoderm.  ICC is the  first and simplest characterization step necessary to segregate “partially” and “fully”  reprogrammed hiPSCs.  I have utilized a panel of pluripotency markers shown to be  expressed on hESCs to characterize several hiPSC lines.  My standard panel contains the  following markers shown to be involved in maintenance or descriptive of the pluripotent  state: transcription factors – OCT4, SOX2, NANOG (Chambers and Smith 2004; Jaenisch  and Young 2008), cell surface markers – Alkaline Phospatase, TRA‐1‐60, SSEA‐4  (Thomson, Itskovitz‐Eldor et al. 1998), GCTM‐2 (Mason and Pera 1991; Schopperle,  Kershaw et al. 2003), intercellular signaling molecules ‐ EpCAM (Lu, Lu et al. 2010), E‐ Cadherin (D'Amour, Agulnick et al. 2005), and GDF3 (Levine and Brivanlou 2006).  Based  on marker expression, a hiPSC line is considered “fully” reprogrammed if the majority of  colonies stain strongly positive for all the markers with a pattern similar to hESCs.    33    In other mammalian systems such as mouse and rat, it is possible to take the  characterization a step further by creating animals completely sourced from the  pluripotent cells.  This is achieved by injecting pluripotent cells into blastocysts where  they integrate into the developing embryo and form a chimeric animal.  The resulting  animal is comprised of cells sourced from the host blastocyst and the injected  pluripotent cells.  If the pluripotent cells contribute to the formation chimeric animal’s  germ tissue, particularly the gametes, F1 generation chimeric animals may be mated to  produce an animal completely sourced from the pluripotent cells.  Since such testing is  impossible in human due to ethical and technical roadblocks, EB assays and teratoma  formation are the final characterization steps.  hiPSC cell lines exhibiting hESC‐like  morphology,  similar pluripotent marker expression patterns and the ability to  differentiate into all three germ layers will be validated as “fully” reprogrammed while  “partially” reprogrammed lines will fail to demonstate hESC‐like characteristics in these  assays.  Karyotype analysis demonstrating long‐term chromosomal stability is also  important to ensure a normal genetic makeup prior to utilization.  2. Materials and Methods PiggyBac Transposon Transfection Conditions The piggyBac transfection system used in this study contains two plasmids.  The  transposon plasmid pPB‐CAG.OSKM‐pu Δtk containing the reprogramming cassette and  the transposase plasmid pCyL43:PB which facilitates seamless integration/excision of  the transposon were obtained from the Wellcome Trust Sanger Institute (Yusa, Rad et  34    al. 2009).  Bacterial stabs were re‐plated followed by clone selection and expansion for  Maxi‐Prep (Qiagen EndoFree Maxi Kit #12363).  The identity of each plasmid was  confirmed with a customized restriction enzyme digest created by plasmid DNA  sequence analysis.     Low passage (<P4) hDFf fibroblasts stocks used for feeder preparation were also  utilized as the starting somatic cells for reprogramming to hiPSCs.  Several transfection  systems were tested for optimal integration efficiency of the two plasmid piggyBac  transfection system: Lipofectamine 2000 (Life Technologies #11668), Lipofectamine LTX  (Life Technologies #15338), Neon Transfection System + Starter Pack (Life Technologies  #MPK5000, #MPK5000S), and the Amaxa Nucleofector II System with the NHDF  Nucleofector Kit and the Human Keratinocyte Nucleofector Kit (Lonza #VPD‐1001, #VPD‐ 1002).  Protocols included with each system were followed, with programs, cell  numbers, reagent concentrations, and plasmid concentrations varied to achieve optimal  transfection.  Each system was tested on the hDFfs cultured under xeno‐free conditions  and in a serum containing fibroblast medium (MEM‐alpha [Gibco #32561], 10% FBS, 0.1  mM MEM‐NEAA, 2mM L‐Glutamine, and 100U/mL Pen/Strep).  Transfection efficiency  was measured by ICC staining for the percentage of OCT4 positive cells after plating  transfected cells onto 0.1% gelatin coated 4‐Well glass chamber slides and allowing 72  hours for transgene expression.    Optimal transfection conditions providing a reproducible 5‐10% transfection  efficiency were as follows.  2 x 10 6  hDFfs (P2/3) were cultured in serum containing  35    fibroblast medium and harvested at 90% confluency.  Following the protocol contained  in the Amaxa Human Keratinocyte Nucleofector Kit, the cells were pelleted and  resuspended in 100 uL transfection solution containing 4 ug pPB‐CAG.OSKM‐pu Δtk  transposon plasmid and 2 ug pCyL43:PB transposase plasmid.  Cells were transferred to  the transfection cuvette and nucleofected with the NHDF High Viabilty (P‐022)  transfection program on the Amaxa Nucleofector platform.  Transfected cells were  immediately diluted into equilibrated serum containing fibroblast medium and plated  for derivation and characterization.  hiPSC Derivation Following the optimal transfection protocol described above, the cells were  transferred to 3 x 10 cm culture dishes coated with 0.5 ug/cm2 vitronectin/fibronectin.   Serum containing fibroblast medium was replaced the following day and every other  day after until reprogramming Day 5, when the medium was switched to KSR‐XF on an  alternate daily feeding schedule.  Reprogramming dishes were observed daily for the  appearance of non‐fibroblastic foci.  Mature foci possessing hESC‐like colony  morphology were isolated by microscope assisted manual dissection starting on Day 20  and continuing until the reprogramming plate became unusable due to overcrowding  and detachment of the cellular layer from the culture surface (~Day 35).  Isolated foci  were transferred to xeno‐free cell culture plates and observed for  attachment/outgrowth.  Proliferating isolates were continually passaged for  characterization.  36    hiPSC Characterization by ICC, Embryoid Body, and Teratoma Formation Isolated reprogramming colonies demonstrating long‐term, stable passage were  characterized by ICC for markers of pluripotency, embryoid body differentiation, and  teratoma formation.  ICC marker combinations were GCTM‐2/SOX2, TRA‐1‐60/OCT4,  and SSEA‐4/Nanog with staining following the procedures described in Chapter One.   Embryoid bodies were created from a modified “Spin‐EB” protocol (Ng, Davis et al.  2008).  Briefly, hiPSC colonies were isolated by microscope assisted manual dissection  and pelleted.  Colony pellets were enzymatically digested to single cells with TrypLE  containing the Rho Kinase Inhibitor Y‐27632 (10 ng/mL, Sigma #Y 0503).  Digested cells  were diluted in KSR‐XF medium + ROCK Inhibitor and 5 x 10 3  cells/tube were transferred  to low‐binding PCR tubes and centrifuged at 400g for 2 minutes.  After two days of re‐ aggregation, small EBs were transferred to a 96‐well low‐binding plate containing  STEMdiff APEL medium (StemCell Technologies #05210).  APEL medium was changed  every other day until Day 8 when expanding EBs were transferred to 48‐well plates  coated with 0.1% porcine gelatin in HES medium (DMEM [Gibco #11960], 20% FBS, 1X  Insulin‐Transferrin‐Selenium (ITS) [Gibco #41400‐045], 0.1 mM 2‐Mercaptoethanol  [Gibco #21985‐023], 0.1 mM MEM‐NEAA, 2 mM L‐Glutamine, and 100 U/mL Pen/Strep).   HES medium was changed every other day and EBs were observed for attachment and  differentiated cellular outgrowths for two more weeks at which time they were fixed in  4% PFA for ICC.  Several markers of differentiation were used to characterize the EB  outgrowths: Nestin‐1:40 (Ectoderm, Milipore #MAB5326, Clone 10C2, mIgG1),  37    Alphafetoprotein‐1:500 (Endoderm, Sigma #A8452, Clone C3, mIgG2a), and Smooth  Muscle Actin‐neat (Mesoderm, DAKO #M0851, Clone 1A4, mIgG2a).  Secondary  antibodies were as follows: Nestin / AlexaFluor 594 goat anti‐mouse IgG1 1:1000 (Life  Technologies #A21125), Alphafetoprotein / AlexaFluor 488 goat anti‐mouse IgG2a  1:1000 (Life Technologies #A21131), and Smooth Muscle Actin / AlexaFluor 488 goat  anti mouse IgG2a 1:1000 (Life Technologies #A21131).  Fixed cells were permeabilized  with 0.2% Triton X‐100 followed by three washes with PBS.  Fixed cultures were  incubated with primary antibodies for 4 hours followed by three washes with PBS.   Secondary antibodies were incubated for one hour followed by three washes in PBS.   Hoescht 33342 1:1000 (Molecular Probes #H3570) was added during the secondary  antibody incubation for nuclear counterstaining.  EB outgrowths were fluorescently  imaged on a Zeiss Axiovert A1.  For assessment of teratoma formation, Over 40 colonies from each hiPSC line  were manually isolated and digested with TrypLE + ROCK Inhibitor as described above.   The digestion solution was diluted 1:50 with KSR‐XF followed by pelleting.  The cell  pellet was resuspended in 50 uL of a 5% Matrigel (BD #356234) solution in mEF medium  and kept on ice until testicular capsule injection.  Adult male NOD‐SCID mice were  anesthetized with Phenobarbital before surgical exposure of both testes.  Approximately  2 x 10 4  cells in 10uL of 5% Matrigel solution were injected underneath the testicular  capsule.  Mice were allowed to recover and teratoma development was monitored for  >6 weeks by palpation of the lower abdominal area.  Mature teratomas were isolated  38    from the mice and fixed in 4% PFA followed by cryosectioning and H&E staining.   Standard histological assessments of fully differentiated tissue were applied to identify  tissue arising from all three germ layers.  3. Results Optimal Transfection Conditions for the piggyBac Reprogramming Plasmids Both piggyBac plasmids were validated by restriction enzyme digestion.  DNA  from bacterial colonies bearing the transposon plasmid pPB:CAG.OSKM‐pu Δtk showed  the expected restriction fragment pattern, and DNA isolation was scaled up via the  Qiagen Endofree Maxi Kit with a high yield (>1 mg at 1.4 ug/uL).   The pCyL43:PB  transposase plasmid, however, was found to be defective on initial testing.  The Sanger  Institute did not provide sequence validation information for pCyL43:PB, but I was able  to identify the sequence of the piggyBac transposase with the help of a colleague in the  Ying Lab.  The sequence was obtained for the atub‐pBac‐K10 construct from the  Drosophila Genomics Resource Center at Indiana University  (https://dgrc.cgb.indiana.edu/files/repository/1155.txt?id=74880bce8bf559aaaea4bb89 4c8e316a).  Restriction enzyme digestion based on the published piggyBac transposase  sequence confirmed the identity of a new pCyL43 stock from Sanger, and the plasmid  DNA production was scaled up (> 500 ug at 750 ng/uL).  The activity of the piggyBac  plasmids was confirmed by the presence of OCT4 staining in the transfected hDFfs 7  days post‐transfection.   39    Initial transfection efficiencies using the transposon system and Lipofectamine  2000 were extremely low (<0.01%).  The transfection reaction contained 1 x 10 6  hDFfs, 2  ug transposon and 1ug transposase with average reagent concentrations as listed in the  Lipofectamine 2000 protocol.   I used the same xeno‐free hDFf fibroblast line for  reprogramming that I used for production of human fibroblast feeders.  It was  immediately apparent, however, that these cells exhibit extremely low survival post‐ transfection (>95% cell death).  I thus obtained a new aliquot of hDFfs from ScienCell  and expanded the cells in a standard fibroblast medium containing a MEM‐alpha base  supplemented with 10% FBS.  I ran an empirical transfection assay using several  transfection methodologies in combination with varying transfection reagent, plasmid  DNA, and hDFf cell numbers [Figure 6b].   The chemical transfection methods  Lipofectamine 2000 and Lipofectamine LTX displayed the lowest maximum transfection  efficiency (< 0.1% and < 1% respectively).  The Neon Electroporator from Life  Technologies demonstrated improved transfection efficiency (3‐5%).  The highest  efficiency (5‐10%) was achieved with the AMAXA nucleofector system using the Human  Keratinocyte Nucleofector Kit and the NHDF High Viability (P‐022) electroporation  protocol with 4ug transposon, 2 ug transposase and 2 x 10 6  hDFfs.  I estimated  transfection efficiency by determining the percentage of fibroblasts expressing OCT4  three days post‐transfection.      40        Figure 7: Image of Cellular Focus Undergoing Reprogramming at Day 5  This image illustrates several small foci undergoing reprogramming appearing five days post‐transfection  with PB:CAG‐OSKM‐puDtk and the pCyL43 transposase plasmid.  Notably, transfected hDFfs become more  compact and aggregate into round colonies.  These foci are surrounded by normal, untransfected  fibroblasts that will begin acting as autologous feeders during reprogramming.  Previous studies indicate a  process of mesenchymal‐to‐epithelial transition (MET) underlying the changes observed here.    Derivation of Xeno-Free hiPSCs Following transfection with the optimized AMAXA protocol described above, the  first signs of reprogramming were noticeable on Day 2/3 as some cells lost the  elongated fibroblast phenotype and begin to form small aggregates with a compact,  round cellular phenotype.  By Day 4/5 larger aggregates of these compact cells appear  surrounded by normal looking fibroblasts [Figure 7].  I term these aggregates  “reprogramming foci” since each focus is most likely the product of one fibroblast with   41        Figure 8: Images of Foci Undergoing Reprogramming at Weeks 2/3  Reprogramming foci number and shape continue to evolve during the reprogramming process.  By Day 12  (A), most foci form dense, elongated colonies that track with the fibroblast bands.  By Day 18 (B), many  foci begin enlarging, no longer tracking with the fibroblasts, and several small foci become visible.  By Day  20 (C, D, E) large round colonies appear with many foci displaying heterogeneous morphologies indicating  multiple emerging cell types.  By Day 24 (F), round ESC‐like colonies are large enough for mechanical  isolation.  Colonies resembling hESCs are rare during Weeks 2/3 and most fail to develop into “fully”  reprogrammed hiPSCs after isolation.    transposon integration(s).  Evidence of MET is noticeable in the reprogramming dishes  during the first week as the foci display morphological characteristics of epithelial cells ,  such as compact, closely associated cells, while the surrounding non‐transfected  fibroblasts retain an elongated, mesenchymal morphology.    Week 1 was defined by changes visible in single cells, but weeks 2/3 were  defined by the wide variety of reprogramming foci [Figure 8].  Each 10 cm dish  contained, on average, >1000 visible foci undergoing reprogramming with varying  morphological characteristics.  Some foci exhibit rapid proliferation to a large size, while  others remained small or only first appeared during this phase.  Some foci remained  round (C, F) with many exhibiting an elongate phenotype (A, B, D, E).  Some foci stayed   42        Figure 9: Images of Foci at Weeks 4/5 and Subsequent Outgrowths  Reprogramming weeks 4/5 are characterized by increasing numbers of colonies with hESC‐like  morphology.  Colony C4 (A), isolated at Day 24, exhibited attachment, but had non‐hESC like outgrowths  (B) at passage three.  Most colonies isolated by morphological criteria alone have a “partially”  reprogrammed phenotype as seen with colony C4.  The proliferating cells tend to be dark, diffuse, and  form palisading outgrowths without tight colony borders.  K1 (C), isolated on Day 32, initially showed  robust “partially” reprogrammed cellular outgrowths, but soon began to show a dimorphic phenotype by  passage five with cells exhibiting “partially” and “fully” reprogrammed characteristics (D).  With further  passages, I was able to split K1 into separate “partially” and “fully” reprogrammed hiPSC lines.  Colony J1  (E), also isolated on Day 32, exhibited the most hESC‐like morphology in the entire reprogramming dish.   Its outgrowths (F) formed colonies extremely similar to hESCs by passage two.  These images are a small  sampling of the diverse colony populations arising during reprogramming.  Morphological criteria can aid  hiPSC selection, as illustrated by colony J1, but the process remains highly inefficient with most isolated  colonies forming “partially” reprogrammed hiPSCs.    flat (C, E, F) while others began expanding vertically (B, D).  The edges of some foci  formed a tight border with others being more diffuse.  While each reprogramming focus  had a unique morphology, there were some trends present that helped create  classifications among the reprogramming foci.    One classification consisted of round, compact foci that resembled hESC  colonies. I used the hESC‐like morphological criteria to select foci from Weeks 3‐5.  My  earliest successful derivation attempt came at Day 19 and my latest success came at Day  43    35.  Waiting longer than Week 5 was not an option because the cellular layer in the  over‐confluent dishes rapidly begins detaching from the growth surface.  Many  reprogramming foci selected by hESC‐like morphology failed to attach.  Of those  selected foci that attached and proliferated, most did not display hESC characteristics  [Figure 9].  The cell lines C4, K1 and J1 illustrate three typical phenotypes for isolated  foci (Transformed, Partial, and Full).  Transformed phenotypes are characterized by  rapidly proliferating cells that remain loosely associated with rough colony borders.   Partial phenotypes exhibit dense colonies with rough border regions composed of small  dark cells.  Lines with a Full phenotype have characteristic dense, round colonies with  smooth colony edges.  The hiPSC line C4 (A) attached and proliferated for a few  passages, but the cells were dark and the colonies were diffuse (B).  hiPSC C4 is a typical  example of the “transformed” group which does not survive long term passage.  The  “partial” group was characterized by the hiPSC line K1 (C) that continued to proliferate  for several passages while maintaining its unique morphological traits of small, dark cells  in dense, fast‐proliferating colonies (D).  Interestingly, I was able to split the K1 line into  two cell lines that possessed “partial” and “full” characteristics (K1, K1ENR).  The “full”  hiPSC line J1 (E) was isolated from a reprogramming focus on Day 32.  Of all the  reprogramming foci in the 10 cm dish, J1 had the most hESC‐like appearance.  J1  immediately demonstrated cellular outgrowths with highly similar characteristics to  hESCs such as small cells in compact, round, flat colonies (F).  I used morphological  criteria to derive several hiPSC lines [Figure 10] that fall into the “full” (A‐F) and “partial”   44        Figure 10: Images of hiPSCs  I have derived several hiPSC lines from three different donor hDFf stocks.  The first six panels represent  “fully” reprogrammed lines based on their morphological similarities to hESCs: J1 (A), K1 ENR (B), U1 (C),  Y4 ENR (D), AA4 (E), and AE4 (F).  Several lines exhibiting a similar, but non hESC‐like morphology are  shown in the bottom three panels.  These “partially” reprogrammed lines continue to stably proliferate  after several passages: K1 (G), W4 (H), Y4 (I).  Interestingly, the image for the Y4 “partially” reprogrammed  line illustrates the point at which a dimorphic cell population exists during early passaging.  These colonies  were passaged into separate culture dishes to form the Y4 and Y4 ENR cell lines.  During subsequent  passages, the two Y4 lines maintain their “fully” and “partially” reprogrammed morphological traits.   While these two types of hiPSCs are commonly derived from the transfection dishes, several other  intermediate cell types also grow out of isolated reprogramming foci.  Unfortunately, these intermediates  fail to proliferate through several passages for full characterization.    (G‐I) morphological descriptive categories.  These morphologically divergent lines  originate from several independent transfection experiments and from three different   45        Table 1: Derived XF‐hiPSC Lines  This table lists all XF‐hiPSC lines derived and propagated for study.  Three different hDFf donor lines were  successfully used for reprogramming experiments.  Each date corresponds to the initiation of a new  transposon transfection experiment.  “Fully” reprogrammed cell lines are noted in black font while  “partially” reprogrammed cell lines are noted in red font.  The hiPSC line J1 has been continually passaged  since initial isolation >P50.  The hiPSC lines K1/K1E and Y4/Y4E represent lines isolated from the same  reprogramming foci, but they have been split into “fully” and “partially” reprogrammed cell lines that  stably maintain divergent morphological characteristics.    hDFf donor cell lines [Table 1].  Conservatively, 1 out of 50 reprogramming foci isolated  by morphological characteristics gave rise to a “fully” reprogrammed hiPSC line.   These  “full” hiPSCs exhibited morphology similar to hESCs at the cellular and colony level and  some lines have retained this morphology with limited spontaneous differentiation for  >50 passages. “Partial” hiPSC lines demonstrating long term maintenance for >50  passages while maintaining a stable, unique morphological identity were also isolated.  XF-hiPSCs Demonstrate Pluripotency Via ICC and Embryoid Body Analysis  “Fully” and “Partially” reprogrammed lines were stained by ICC for the markers  GCTM‐2/SOX2, TRA‐1‐60/OCT4 and SSEA‐4/Nanog [Figure 11].  SOX2 and OCT4 stain  strongly positive on both hiPSC lines, but it is not possible to decipher endogenous or   46        Figure 11: ICC Images of Full and Partial hiPSCs  These images illustrate pluripotent marker expression on the J1 “fully” reprogrammed and K1 “partially”  reprogrammed XF‐hiPSC cell lines.  Representative colonies are stained with the cell surface marker  GCTM‐2 (green) and nuclear marker SOX2 (red) (A, D).  J1 has a marker distribution similar to hESCs while  K1 shows patchy GCTM‐2 staining and diffuse colony borders.  SOX2 expression is strong on both cell lines  which is expected due to its inclusion on the integrated reprogramming transposon.  Colonies were also  stained with the nuclear marker OCT4 (green) and cell surface marker TRA‐1‐60 (red) (B, E).  J1 exhibits an  hESC‐like staining pattern while K1 has a central area positive for TRA‐1‐60 and palisading diffuse edges  positive for OCT4.  OCT4 is also part of the reprogramming transposon so strong expression is expected.   The cell surface marker SSEA‐4 (green) and nuclear marker Nanog (red) stain strongly on both cell lines (C,  F), but the pattern is widely divergent.  J1 again possesses hESC‐like staining characteristics while K1  illustrates non‐compact borders and patchy staining for SSEA‐4.  The nuclear marker Nanog is not  included on the transposon so its strong staining is indicative of reprogrammed pluripotency transcription  factor networks.  Both XF‐hiPSC cell lines J1 and K1 show pluripotency marker expression, but J1 exhibits a  more hESC‐like staining pattern than K1.      transgene expression due to the inclusion of these two genes on the piggyBac  transposon reprogramming cassette (A, B, D, E).  The nuclear marker Nanog, originating  from endogenous activation of this pluripotency gene, stains brightly on both hiPSC lines  (C, F), but the staining is limited to colony borders in the J1 “fully” reprogrammed line  while Nanog positivity in the K1 “partially” reprogrammed line exhibits a diffuse,   47      Figure 12: Embryoid Body ICC Images of hiPSCs   This embryoid body assay was performed to investigate the pluripotent nature of the hiPSCs.  The top  three panels correspond to the “fully” reprogrammed line AA4 while the bottom three panels correspond  to the “partially” reprogrammed line Y4.  After three weeks of differentiation, both lines showed strong  expression for markers of all three germ layers.  Nestin (red) is a marker for neural tissue of the ectoderm  lineage (A, D).  Alphafetoprotein (green) is a marker of liver progenitors of the endoderm lineage (B, E)  and Smooth Muscle Actin (green) is a marker of smooth muscle contractile tissue of the mesoderm  lineage (C, F).  Hoescht dye (blue) was used as a nuclear counterstain in all of the images.  The Y4  “partially” reprogrammed line predominantly formed Nestin positive cells.  This was expected since the Y4  line, along with other “partially” reprogrammed lines, commonly spontaneously differentiate into cells  with long axonal‐like processes.  It was unexpected, however, that the Y4 line also differentiated into cells  of endodermal and mesodermal lineage.  Y4, much like the K1 line, was split into “partially” and “fully”  reprogrammed lines early on during passaging.  It is possible that some “fully” reprogrammed cells  remained in the Y4 line enriched for its “partially” reprogrammed characteristics, or the continued  presence of the reprogramming transposon leads to a dynamic state with some cells switching from  “partially” to “fully” reprogrammed. Scale bars = 50 um.    palisading pattern at the colony border.  GCTM‐2 and TRA‐1‐60 are strongly positive on  the surface and borders of J1 (A, B), but positivity is limited to a few cells at the center  48    of the K1 colony (D, E).  SSEA‐4 positivity spans the entire surface of J1 (C) and K1 (F),  but the finger‐like projections at the edge of K1 are highlighted compared to the tight  colony borders of J1.  All markers stain positive on the “fully” and “partially”  reprogrammed cell lines.  “Partially” reprogrammed lines, however, exhibit a spotty  staining pattern with some colonies having limited positivity or being marker negative  entirely.    All hiPSC lines tested in the Spin‐EB assay demonstrated robust EB formation.  An  interesting observation was that “full” hiPSCs developed multiple, small EBs after  aggregation while “partial” hiPSCs usually developed a single, large EB despite equal cell  number input.  After attachment on gelatin coated plates, the EBs exhibited robust  cellular outgrowth consisting of multiple cell types.  “Partial” EBs predominantly  produced long, axon‐like cellular projections emanating from the central EB mass.  “Full”  EBs produced a variety of morphologically nondescript cells.  Interestingly, large central  masses in the “full” EBs appeared to retain pluripotent morphology while it was hard to  decipher cellular identity in the center of “partial” EB outgrowths due to their high  density and three dimensional shapes.  Both “full” and “partial” EBs [Figure 12] showed  a majority of Nestin (Ectoderm) (A, D) positive cells with small islands of  Alphafetoprotein (Endoderm) positive cells interspersed (B, E).  Few cells positive for  Smooth Muscle Actin (Mesoderm) were noted in “full” (C) and “partial” (F) hiPSCs, but  both hiPSC morphological subtypes displayed the ability to differentiate into all three  germ layers as measured by expression of the selected markers.    Interestingly, the  49    axonal‐like projections noted under phase microscopy stained brightly for Nestin in the  “partially” reprogrammed EB outgrowths (F).  Such outgrowths were not seen in the  “fully” reprogrammed EBs.   After staining the EBs in this assay, I quantified the proportion of EB wells  staining positive for the various markers [Figure 13].  Overall, when comparing EBs  produced from the hESC line USC01, “Full” lines G4E, G4F, AA4 and “Partial” lines Y4,  G5D (A), there is no statistical difference between the ability of each line to produce  cells with characteristics of all three germ layers.  G5D was the lone exception as it did  not have SMA positive cells, but only 2 wells were stained.  Qualitatively, however, the  “Partial” lines exhibited a propensity greater than “Full” lines to form Nestin positive  outgrowths, and they were the only lines to produce long, axon‐like projections (B).   I am currently performing teratoma assays on two of my hiPSC cell lines: G4E and  G4F.  The teratoma data will be included in a future manuscript describing XF‐hiPSC  derivation.  4. Conclusions I have successfully created large stocks of the piggyBac reprogramming plasmids  pPB:CAG.OSKM‐pu Δtk and pCyL43:PB.  The plasmids were validated by restriction  enzyme digestion.  Empirical testing of transfection conditions indicate that the AMAXA  Nucleofector system provides the highest efficiency with 5‐10% of the cells surviving  nucleofection demonstrating integration of the reprogramming transposon.  A 5‐10%  transfection efficiency is the minimum necessary to have enough integrated cells to   50        Figure 13: Embryoid Body Quantification  These graphs depict the staining results for the embryoid body assay.  hESCs, “full” and “partial” hiPSCs  were dissociated and allowed to aggregate as embryoid bodies before plating.  EB outgrowths were  stained for the markers Nestin (Ectoderm), Alphafetoprotein (Endoderm), and Smooth Muscle Actin  (Mesoderm).  Wells with positive staining were counted and displayed as a percentage of total EB wells  (A).  All cell lines differentiated into cells expressing markers characteristic of all three germ layers except  G5D which failed to show SMA positivity.  Interestingly, only the “partial” hiPSCs produced outgrowths  with structures highly characteristic of axonal projections (B).  This is in line with previous expression data  suggesting that the “partial” lines possess a more neuronal profile.  Even with the predominantly nestin  positive outgrowths, the “partial” lines were able to differentiate into cells characteristic of all three germ  layers.  51    proceed with experimentation.  With this efficiency, ~1 x 10 5  cells have integrated  piggyBac transposon(s) assuming that half of the cells do not survive the transfection.   With an estimated hiPSC generation efficiency of 0.1%, transposon integrated  fibroblasts progressing to a “Fully” reprogrammed state, I can expect to maximally  generate 100 new hiPSC lines with each reprogramming experiment.  This efficiency was  more than enough to generate several unique XF‐hiPSC lines for further characterization  and equivalency testing with XF‐hESCs.  Observing the number of foci undergoing reprogramming in each 10 cm dish  provides an initial indication of the transfection efficiency and lends support for  continuing the experiment.  As mentioned previously, the fibroblast medium is replaced  with KSR‐XF at Day 5 and the reprogramming cells begin to flatten and spread out upon  exposure to the KSR‐XF.  Therefore, it is important for the dishes to be highly confluent  before switching to the KSR‐XF since the high number of surrounding normal fibroblasts  help keep the foci closely associated as well as providing an endogenous feeder layer to  support the reprogramming cells.  The hiPSCs generated in these experiments are not  xeno‐free throughout the entire process since the fibroblasts are expanded in FBS  containing medium prior to transfection and for the first 5 days post‐transfection.  It is  possible that further refinement of the transfection conditions would allow for greater  transfection efficiency on cells grown entirely in xeno‐free conditions, but my initial  testing indicates that the fragile XF‐hDFfs do not survive the transfection in sufficient  numbers to proceed with reprogramming.    52    To date, I have derived more than 40 hiPSC lines and several of these lines have  been maintained for >20 passages without loss of pluripotency markers.  The  morphology of the hiPSC colonies closely mimics the morphology of either HES2 or HES3  in the same culture system although the “full” hiPSCs appear more compact and three‐ dimensional.  ICC, however, indicates a similar profile of pluripotency marker expression  (GCTM‐2, TRA‐1‐60, SSEA‐4, Nanog, SOX2, OCT4).  hiPSCs and the hESC line HES3  demonstrate a similar RNA expression profile of pluripotency markers by qPCR .   Spontaneous differentiation is also evident in the hiPSC lines derived in this study, but  few colonies will spontaneously differentiate suggesting a stable reprogrammed state.  I  have also tested several lines for embryoid body formation and the majority possess the  ability to differentiate into cells expressing markers characteristic of all three germ  layers: Nestin (ectoderm), AFP (endoderm) and SMA (mesoderm).    Interestingly, I derived several “partially” reprogrammed hiPSC lines that possess  dramatically different colony morphological characteristics.  The colonies proliferate  more rapidly and have diffuse borders with dark, palisading cells.  ICC staining for  pluripotency markers indicates that the majority of the cells in the “partially”  reprogrammed hiPSCs lose or never had expression of the surface markers GCTM‐2 and  TRA‐1‐60.  Further examination of the “partially” reprogrammed lines indicates a  propensity toward a neural phenotype.  This is suggested by the spontaneous  differentiation of these lines into cells with axonal‐like elongated projections emanating  from the EB and staining predominantly positive for the neural protein nestin.  qPCR  53    analysis of the K1 line before EB formation shows dramatically decreased expression of  pluripotency associated genes (OCT4, Nanog, DNMT3b, Nodal, GDF3, CRIPTO1) while  showing increased expression of SOX2 and PAX6, both strongly expressed in neural cells  [Figure 14].  It is possible that the neural phenotype is a default pathway in this  reprogramming system or the “partially” reprogrammed hiPSCs represent cells that  have not reached a stable reprogrammed state.  “Partially” reprogrammed hiPSC lines  like K1, however, continue to exhibit the same cellular and colony characteristics for >50  passages indicating that the cells have reached a stable but incompletely reprogrammed  phenotype.  In fact, I was able to split the K1 hiPSC line into two clonogenic populations, one  which remained in a “partial” state (K1) and another which exhibited a stable “fully”  reprogrammed state (K1ENR).  Whether these two lines originate from a single  fibroblast with integrated transgenes or from two separate, independently integrated  fibroblasts that then blended together to form one heterogenous focus during the  reprogramming process remains to be tested.  One could do Southern Blot analysis to  see if the two K1 lines exhibit a different transposon integration profile.   If the  integration profile is the same, then the two lines originated from a single cell whereas a  different profile would indicate multiple cells of origin.    The first scenario would indicate a more intriguing phenomenon wherein the  “partially” reprogrammed line possesses a mix of cells with the same transposon  integrations each of which is subject to an independent, dynamic reprogramming   54        Figure 14: Quantitative PCR for hiPSC Lines J1 and K1  This graph illustrates the relative expression of several pluripotency and lineage related genes.  The HES3  line is used as a reference for relative expression for the J1 (red, green) and the K1 (purple) hiPSC lines.  J1  exhibits similar expression compared to HES3 except for decreased PAX6 and elevated GATA4.  K1,  however, exhibits marked decreases in pluripotency gene expression except for slightly elevated SOX2.   K1 also exhibits dramatically elevated PAX6 (ectoderm) expression with strong decreases inGATA4  (endoderm) and MIXL1 (mesoderm).  With elevated SOX2 and PAX6, the “partial” K1 line possesses  characteristics of a neural phenotype while the “full” J1 line has similar expression to the pluripotent  control HES3.    process.  This phenomenon would account for the late appearance of K1 ENR after  several passages (P3‐5) wherein only a small subset of cells in the original selected focus  achieve a “fully” reprogrammed state.  Several passages would then be necessary for  the small “fully” reprogrammed population to expand enough for visual segregation.   Accordingly, even “fully” reprogrammed lines displaying early morphology similar to  hESCs require a few passages before all the colonies exhibit a stable “fully”  55    reprogrammed state.  Since I am manually passaging these hiPSCs, I select for the best  looking colonies to propagate. Consequently, I am adding a level of selection bias that  accounts for this observation.  Such stability issues also point to a reprogramming  process that may require more than 3‐5 weeks for completion.  The heterogeneity displayed by the isolated foci undergoing reprogramming is a  gross sign illustrating the amazingly complex biology underlying the reprogramming  process.  As the transgenes begin to reprogram the cell, epigenetic imprinting must be  removed and the pluripotency gene networks must be restarted if the cell is to reach a  naïve, pluripotent ESC state.  The very low reprogramming efficiency reported by hiPSC  studies indicates that successful removal of epigenetic imprinting and pluripotency  network remodeling is a difficult process.  As a result, most cells will assume some  intermediate phenotype between a somatic cell and a pluripotent cell.  Heterogeneous  reprogramming foci are glaring evidence of this complicated process.  Deriving hiPSCs by selecting foci based solely on their morphological  resemblance to hESCs remains inefficient with only 1‐2% reaching a stable, “fully”  reprogrammed identity.  The majority of morphologically selected foci fail to attach or  attach without proliferating.  This failure could be due to mechanical damage received  by manual fine needle dissection or it could be due to the functional proliferative  capacity of the reprogramming focus itself.  Technological advancements are thus  necessary to improve selection of the best “fully” reprogrammed hiPSCs.  Live‐cell  staining with cell surface pluripotency markers, such as GCTM‐2 and TRA‐1‐60, or the  56    inclusion of selective reporter genes on the reprogramming cassette will help select  hiPSCs possessing the most hESC‐like characteristics. 57    Chapter Three: Derivation of Xeno-Free Human Embryonic Stem Cells 1. Introduction The political and ethical climate surrounding the derivation and use of hESCs  continues to evolve.  Currently, the Dickey‐Wicker Congressional Amendment of 1995  prohibits the use of federal funds to derive new hESCs.  Dr. Martin Pera, as a result of  federal funding impediments to new hESC derivation, obtained a $1.4 million grant from  the California Institute of Regenerative Medicine (CIRM) to support the derivation of  new pluripotent cell lines at the Keck School of Medicine of the University of Southern  California [CIRM RL1-00667-1].  The state funds distributed through CIRM do not have  restrictions related to the use of human embryos for hESC derivation and research.   With strong financial support for new hESC derivation, we began developing the  methodology to derive new, clinically relevant hESC lines.    The following  commentary describing the justification for new hESC derivation  and current derivation technology is excerpted from a review I co‐authored with Dr.  Pera and Dr. Kouichi Hasegawa (Hasegawa, Pomeroy et al. 2010).  Scientific Justification and Ethical Criteria For New Derivations Any efforts to derive new hESC lines should be justified scientifically.  A recent  analysis of the literature indicated that there are now over 1000 hESC lines in existence  and that roughly 70% of these have been characterized to some degree in peer‐ reviewed publications (Loser, Schirm et al. 2010).   However, much of the scientific  58    literature on hESCs is based on only a handful of cell lines (McCormick, Owen‐Smith et  al. 2009; Scott, McCormick et al. 2009).  Given that there are over a thousand hESC lines  in existence, there is certainly a case for more work on a wider range of these  established cell lines (assuming that the majority are in fact available for distribution).   However, what scientific rationale justify generation of additional cell lines?   First, genetic or epigenetic variation in the ability of hESC lines to undergo  differentiation into particular lineages remains a largely unknown factor.  Thus it is  uncertain how many cell lines might be required to provide a panel with, for example,  high competency for beta islet cell formation.  Similarly, little is known about how  genetic or epigenetic stability varies between different hESC lines.  Second, estimates of  the number of hESC lines that will be required to provide adequate coverage for tissue  matching in transplantation vary. Limited studies suggest that existing cell lines are not  representative of a wide range of ethnic diversity (Laurent, Nievergelt et al. 2010;  Mosher, Pemberton et al. 2010), and the problem of matching populations of mixed  racial origin has not really been addressed. Third, only a small minority of the published  cell lines have been derived under conditions that are optimal for future clinical use.   Technology for hESC derivation, maintenance, and expansion are constantly evolving  and there is a strong argument for deriving cell lines using improved methodology.  While the advent of iPSC technology may circumvent ethical roadblocks around  the use of embryos in research, there are still questions over the biological equivalence  and safety of iPSC lines compared to hESC (Lee, Park et al. 2009).  Some concerns  59    include limitations or reductions in developmental potential (Hu, Weick et al. 2010; Kim,  Lee et al. 2010), variability relating to the starting cell type used for reprogramming  (Kulkeaw, Horio et al. 2010), and an epigenetic / gene expression profile which may  suggest and independent pluripotent state for iPSCs when compared to ESCs (Chin,  Mason et al. 2009; Doi, Park et al. 2009). hESCs, as such, remain the standard by which  all other pluripotent cell lines are judged (Hyun, Hochedlinger et al. 2007; Smith, Luong  et al. 2009).   The research community has been moving towards uniform international ethical  standards for the derivation of new cell lines.  The European Union started the process  in 2004 with Directive 2004/23/EC followed by the International Society for Stem Cell  Research (ISSCR) in 2007 and the National Institutes of Health (NIH) in 2009. Each of  these sets of guidelines, subjected to public comment and extensive refinement,  adheres to some very basic principles to ensure the highest level of safety and  compassion in the study of hESCs:  1) Only unused embryos created for the purpose of in vitro fertilization (IVF)  should be used for the derivation of ESCs.    2) Donors should voluntarily consent to the donation of embryos for research  without influence from those participating in the study.    3) The standard of IVF care should be unaffected by the decision to donate.   4) No financial compensation was made for the donation.   60    5) Donors should be informed of alternatives to donation, that embryos would  be used for the derivation of ESCs, that no direct medical benefit was  intended, that the ESCs may have commercial potential to which they would  not be entitled, that identifying information would remain confidential, and  that they may withdraw from the study until the embryos are actually used.  The push to implement these standards is reflected in the European Human Embryonic  Stem Cell Registry (hESCreg) and the NIH Embryonic Stem Cell Registry.  The NIH registry  currently comprises 64 lines that adhere to US federal guidelines with 12 more in  submission as of May 2010 (150 with 43 more in submission as of March 2012).  While  hESCreg has over 650 lines listed, the provenance of only a small fraction has been  validated to meet European/International guidelines.  As hESC technology moves into the translational and clinical stage, standards for  derivation of cell lines will become more stringent.  The first step toward the clinic  involves the derivation and characterization of Good Manufacturing Practice (GMP)  quality cell lines (Ahrlund‐Richter, De Luca et al. 2009).   In order to qualify for GMP, the  cell lines must be derived and cultured in: 1) Defined and 2) controlled conditions 3) by  trained staff 4) with full documentation.  Some proprietary lines have been derived  under GMP conditions (ESI, WiCell), and only one cell line, H1, has been maintained  under GMP conditions and approved for clinical trials (Geron Corporation).   It should be  noted that GMP does not preclude the use of products derived from animal sources,  such as fetal calf serum, so long as the product meets the GMP standards defined above  61    and no other suitable products are available.  Future clinical acceptance of any new  hESC line, however, can only be improved by the combination of xeno‐free GMP  methods for derivation and maintenance.    Human Embryo Culture, Assessment, and Establishment of hESCs Embryo Culture and Assessment   Figure 15 illustrates some key phases in the life history of a hESC line, beginning  with embryo culture.  Human embryo culture has been refined over the thirty plus years  since the first successful in vitro fertilization (IVF) procedure.  In general, procedures for  culture of the fertilized egg from the two pronuclear (2PN) stage of fertilization through  initial cleavage and transfer to the uterus for implantation have sought to mimic the  conditions that a zygote would experience while traveling through the fallopian tube.   Human tubal fluid nearest the ovary is high in pyruvate and lactate, while the  concentration of glucose increases as the zygote nears the uterus.  Therefore, it is  common to culture human embryos in sequential media wherein a human tubal fluid  analogue medium is used from fertilization to the 8‐cell stage at day 3, and this is  followed by a switch to a high glucose, complete medium for compaction and blastocyst  formation on days 5‐6 (Bongso and Tan 2005; Mercader, Valbuena et al. 2006; Ilic,  Genbacev et al. 2007; Sathananthan and Osianlis 2010).  However, some workers argue  that a single media system yields equivalent results (Biggers and Summers 2008).  Many  embryo culture protocols have employed co‐culture systems using fibroblasts,  endometrial cells, or other cell types to support development, and a recent meta‐  62      Figure 15: Derivation of hESCS  63    analysis indicated that co‐culture does indeed improve embryo quality (Kattal, Cohen et  al. 2008).  However, co‐culture of embryos has the same drawbacks as the use of feeder  cells during establishment and maintenance.    Embryo quality is a critical factor in hESC derivation.  For the most part,  assessment of embryo quality continues to rely on morphological criteria (Bongso and  Tan 2005), though metabolomics (Botros, Sakkas et al. 2008),  and proteomics (Katz‐ Jaffe, McReynolds et al. 2009)  may ultimately provide more objective and accurate  evaluation.  The highest level of success comes from implantation of high‐quality,  expanded blastocysts on Day 5/6, and reported success in hESC derivation is also  greatest under these parameters.  Since the best available embryos are of course used  for transfer to the uterus, surplus embryos for hESC derivation may not always be of the  highest quality.  Several groups (Mitalipova, Calhoun et al. 2003) have reported  derivation of hESC lines from poor quality embryos, and a recent study confirmed the  potential of this approach(Lerou, Yabuuchi et al. 2008) , though success rates were quite  low unless the embryos were able to reach the blastocyst stage.  Timing of inner cell  mass (ICM) isolation is another critical factor determining the outcome of derivation.   Most of hESC lines have been derived from blastocysts at day 5/6 of culture.  A recent  study indicated up to 50% efficiency when blastocysts were allowed to develop until day  6 (Chen, Egli et al. 2009).  At this stage, isolated ICM attaches to the feeder layer with  relative ease and starts proliferating.  These results are reflective of the higher rates of  successful implantation during IVF treatment when blastocyst stage embryos are used.  64    Avoiding Immunosurgery and Exposure to Animal Products   Although some workers have derived hESC from explanted blastocysts, most  have relied on immunosurgery for isolation of the inner cell mass (ICM) (Solter and  Knowles 1975; Bongso, Fong et al. 1994). Because trophectoderm cells show rapid rates  of growth and may inhibit the expansion of the ICM in culture, their early removal is  considered beneficial by most workers.  Immunosurgery requires the use of  xenomaterials in the form of animal‐sourced antibodies and complement.  Whole and  partial‐embryo culture methods (Kim, Oh et al. 2005) can eliminate the need for  immunosurgery, but do not enrich for ICM during initial derivation. Two alternate  approaches avoid the pitfalls of immunosurgery with animal components and whole  embryo culture.  First, the inner cell mass can be isolated mechanically by dissection  with sharpened metal needles (Strom, Inzunza et al. 2007).  The second possibility is to  perform the isolation with infrared lasers, which are widely used for drilling holes in the  zona pelucida of eggs and early embryos for preimplantation genetic diagnosis (PGD)  testing.  The infrared laser can be used to isolate the inner cell mass through ablation of  the zona pelucida and trophectoderm (Turetsky, Aizenman et al. 2008).  Proof of  concept of this technique was demonstrated on genetically abnormal embryos  identified during PGD, with 3 out of 8 inner cell masses producing disease‐specific hESC  lines.   A more recent study using laser‐assisted derivation in human embryos reported  derivation efficiency as high as 52% when isolating ICM from day 6 blastocysts (Chen,  Egli et al. 2009).  65    Blastomere Culture   Several groups have examined the potential for hESC derivation from single  blastomeres. Given that preimplantation genetic diagnosis entails biopsy of a single  blastomere and allows for the normal development of the remaining cleavage stage  embryo, blastomere biopsies were undertaken to create new hESCs without the  destruction of embryos, to avoid ethical concerns. The technique was first reported in  the mouse in 2006 (Chung, Klimanskaya et al. 2006), and this report was closely  followed by the derivation of hESCs from human blastomeres (Klimanskaya, Chung et al.  2006). Co‐culture of the blastomere with existing hESC lines was a necessity in these  studies, a potential limitation to the use of the technique for deriving clinical grade lines.    Another study employed co‐culture with the parent embryo with some success (Chung,  Klimanskaya et al. 2008).  This method of co‐culture with the parent embryo also  produced blastomere derived hESCs in the presence of human feeders and minimal  xenomaterials (Ilic, Giritharan et al. 2009).  It is possible that maintaining the parent  embryo in culture with the biopsied blastomere may restrict its future use in IVF  treatment, so elimination of this step is important.  In 2009 a group used 4‐cell stage  embryos and isolated individual blastomeres (Geens, Mateizel et al. 2009).  Each  blastomere was allowed to develop in sequential medium until day 3 or 4 when they  were transferred to inactivated MEFs.  Two new cell lines were established, only one of  which was karyotypically normal.    66    Derivation of hESCs from blastomeres represents an interesting technical  achievement, and the technique has the potential to provide insight into possible  differences in cell lines derived from presumed totipotent blastomeres of early stages  versus pluripotent cells derived from the later stage ICM of the blastocyst.   Whilst it has  been argued that such an approach can leave a viable embryo intact (on the basis of  experience with preimplantation genetic diagnosis) and thus circumvent ethical issues  around embryo destruction, it seems unlikely that clinicians would chose to implant an  embryo that had undergone biopsy in preference to one that had not (unless there were  a clinical indication for carrying out the biopsy).  Therefore, it is unclear whether such  procedures would ultimately impact on the long term viability of the embryos, which  would likely be discarded anyway.  Specific Aim #1: Obtain Fully Consented Human Embryos Based on the scientific justification described in the previous passages, we  decided to obtain human embryos for hESC derivation in “clinical grade” conditions.   Obtaining surplus human embryos has been the most demanding and difficult project so  far, but my experience in coordination and execution of a human subjects study has  gained tremendously.  The most difficult part of deriving new hESCs is obtaining high  quality human embryos that are in limited supply.  Dr. Martin Pera began this process in  2008 by initiating an IRB and getting stem cell research oversight (SCRO) committee  approval for consenting donors and obtaining embryos from our collaborator, Dr.  Richard Paulson, of USC Fertility.  While the ethical review documents were in  67    preparation, support for hESC research at the federal government level was dramatically  shifting.  In 2001, Federal funding support for hESC research was limited to the 76 hESC  lines reported to be in existence (the actual number of available cell lines turned out to  be much lower).  Such restrictions, only a few years after the first successful derivations  of hESCs, severely hampered progress in this field since many of these lines were  unusable or not readily available for distribution.  With the change of presidential  administrations in January 2009, President Obama directed the National Institutes of  Health (NIH) to draft new guidelines for the federally funded/sanctioned research on  new hESC lines.  It was imperative that the IRB and embryo consenting process matched  the new guidelines which were released on July 7 th , 2009.  Chiefly important among  these guidelines is the necessity that all donated embryos be surplus to clinical  requirement and no longer needed for future fertility treatment.  Surplus embryos are  thus only available after donors have voluntarily decided to end fertility treatment  regardless of success.  Another main guideline is the need to obtain consent from all  parties involved in the fertility treatment.  This means that up to four individuals would  need to give consent: Patient/Partner and Sperm/Egg donor.  Other guidelines address a  patient’s release of rights to future commercial gain, that medically trained consenting  personnel must not be directly involved in the research, and that fertility care should  not be affected by the decision to donate.  After vetting our documents against the new  NIH guidelines, we submitted them for final approval in late 2009 at which point we  68    were cleared to begin contacting potential donors (Appendix A ‐ Egg/Sperm Donor and  Appendix B ‐ Embryo Donor Consent Forms).    Specific Aim #2: Optimize Laser Assisted Inner Cell Mass Enrichment Protocol While the consenting process was underway, I was busy establishing the xeno‐ free cell culture system above and had successfully derived hiPSCs.  These results lent  confidence for the first hESC derivation attempts starting in December 2010.  Standard  derivation procedures, as described above, utilize the immunosurgery technique to  selectively lyse the trophectoderm of the developing blastocyst thus leaving the inner  cell mass (ICM) enriched for plating onto the feeders/extracellular matrix (Solter and  Knowles 1975; Bongso, Fong et al. 1994).  I was unable to use this technology since  immunosurgery requires antibodies isolated from animal serum rendering this process  not xeno‐free.    Therefore, I procured the XY Clone 1420 um infrared laser from Hamilton Thorne  to mechanically dissect the ICM from the fully expanded blastocysts.  Infrared lasers are  used clinically to drill a hole in the zona pellucida to facilitate removal of single cells in  early cleavage embryos for the purpose of preimplantation genetic diagnosis.  Recently,  researchers have used such lasers to artificially hatch blastocyst stage embryos and  remove the bulk of trophectoderm leaving an enriched ICM (Turetsky, Aizenman et al.  2008).  This laser‐assisted ICM enrichment technique allows for XF derivation of hESCs.   It is imperative that the laser‐assisted ICM enrichment protocol be fully optimized  69    before beginning derivation attempts with scarce, fully‐consented human embryos.  To  this end, I utilized mouse blastocysts on which to hone my laser derivation skills.  I  demonstrated derivation of a mouse ESC line with the laser derivation rig and this  success provided confidence moving forward with human embryos.    Specific Aim #3: Derive and Characterize XenoFree Human Embryonic Stem Cells The majority of fully‐consented human embryos received for derivation of hESCs  were low quality.  Of the 45 embryos received to date, most did not survive the thawing  process or failed to develop into expanded blastocysts necessary for laser aided  isolation of ICMs.  Several embryos did not progress past the the blastomere stage and  failed to compact to form morula stage embryos.  Amongst those that made it to a  blastocyst stage, the ICM was frequently fragmented.  The initial derivation attempts  were unsuccessful in large part due to the low embryo quality.  Despite the low quality, many embryos exhibited attachment and proliferation.   Most of the outgrowths did not possess hESC‐like characteristics.  A few fully expanded  blastocysts yielded dimorphic cell proliferations following isolation, but I was unable to  manually dissect a hESC‐like population of cells from these outgrowths.  Further  refinement of the protocol led me to enzymatically dissociate the entire proliferative  population followed by re‐plating.  Subsequent outgrowths demonstrated hESC‐like  colonies which became the first new XF‐hESC line at the Keck School of Medicine,  USC01.  USC01 continues to possess the pluripotent characteristics of hESCs after >30  70    passages.  The new, karyotypically normal (46XY) XF‐hESC line stably expresses several  markers of pluripotency, and differentiates into cells exhibiting characteristics of all  three germ layers in embryoid body assays.  2. Materials and Methods Human Embryo Donor Consent IRB (HS‐08‐00576) and SCRO (2008‐6‐1) approval for obtaining consent from  human embryo donors for the purpose of deriving new hESC lines was granted in 2009.   The consent process adheres to the 2009 NIH guidelines for the use of new hESC lines.   Surplus human embryos resulting from the completion or discontinuance fertility  treatment at USC Fertility were identified and approached for consent for donation.   Consent was obtained from the patients receiving fertility treatment as well as gamete  donors if the donated embryo was the result of a donated gamete(s).  Unidentifiable  sperm donors contributing to the fertilization of a donated embryo were allowed for  embryos fertilized and stored before November 2007, but all sperm donors were  consented past this date.  Donor contact was undertaken by fertility specialists trained  in human subjects research before sending consent documents for signatures.  After  receipt of all signed consent forms, donors were contacted a final time for any questions  and informed of a 30 day waiting period after which the fully consented human embryo  became available for hESC derivation.  Fully consented human embryos were re‐coded  for this study with any identifiable patient information removed from the record.      71    Human Embryo Culture to Blastocyst and Transfer for Derivation Fully consented human embryos were stored at USC Fertility, a fully licensed  fertility clinic associated with the University of Southern California, until used for  derivation.  Embryos were cryogenically stored at the 2PN, Day 3 and Blastocyst stage.   Upon thaw, embryos were cultured under standard protocols at USC Fertility with a two  stage blastocyst culture protocol until the equivalent of Day 5/6 embryonic  development stage.  Day 5/6 embryos were then transferred to a HEPES buffered  blastocyst medium (In Vitro Care #2002) supplemented with Serum Substitute  Supplement (Irvine Scientific #99193), and transported by car to the Eli and Edythe  Broad CIRM Center for Regenerative Medicine and Stem Cell Research with a 30 minute  average travel time.  Transported embryos were kept near 37 o C by placing the vial close  to my skin while covering myself with a jacket.  Upon arrival at the derivation facility,  embryos were immediately transferred to equilibrated Quinn’s Advantage Protein Plus  Blastocyst medium (SAGE In‐Vitro Fertilization Inc. #1529) in a 37 o C incubator.  Embryo  quality was scored according to the Gardner Blastocyst Grading System (Gardner 1998).   Briefly, the embryo is scored from 0 (undeveloped) to 6 (hatched) with two letter grades  for the quality of the ICM (A‐C) and the trophectoderm (A‐C).  Laser Assisted Enrichment of the Inner Cell Mass and XF-hESC Derivation Isolation of the ICM from Day 5/6 human embryos was accomplished by laser  dissection of the zona pellucida and removal of the bulk of the trophectoderm.  Each  embryo was transferred to a 35 uL drop of XF‐KSR culture medium covered with embryo  72    tested mineral oil (Sigma #M5310) to protect it from contamination while on the  derivation system.   A 1420 um infrared laser (XY Clone – Hamilton Thorne) attached to  a 40X objective on a Zeiss Axiovert A1 microscope provided a fixed, pulsatile, (100%  Power, 400 us pulse) and ablative beam for embryo dissection.  The Day 5/6 embryo  was moved into the path of the laser through a bi‐manual manipulation system  consisting of the following components: 2 X joystick fine micromanipulators (Narishige  #MO‐302), 2 X coarse manipulators (Narishige #MN‐4), 1 X air operated coarse  microinjector (Narishige #IM‐5A), 1 X oil operated fine microinjector (Narishige #IM‐6),  and glass embryo holding pipettes: 18‐25 um ID, 60 mm L, 30 o  angle (Swemed #14308).   Embryos were always oriented with the ICM on the side of the fine microinjector to  prevent mechanical damage.  The glass holding pipettes formed the direct interface  with the embryos with positive/negative pressure from the screw drive microinjectors  producing fine control.  ICM enriched embryonic material was transferred to xeno‐free  cell culture dishes and allowed to attach for 48 hours before observation for cellular  outgrowths.  Fresh KSR‐XF medium was added daily.    Cellular outgrowths were observed twice daily for the appearance of hESC‐like  cells and to monitor proliferation of non‐hESC‐like cells.  Once proliferating cells began  to demonstrate aggregation/ detachment, the entire outgrowth was mechanically  isolated and enzymatically digested with TrypLE + ROCK Inhibitor.  Dissociated cells were  re‐plated onto fresh xeno‐free cell culture dishes in XF‐KSR + ROCK Inhibitor.  New hESC‐ 73    like colonies were allowed to expand before mechanical passage onto fresh culture  dishes every 7 days.    Frozen stocks of new XF‐hESC lines were prepared by the vitrification method  (ESI Methodology Manual Embryonic Stem Cell Culture, www.escellinternational.com).   Briefly, 10 whole colonies were manually isolated and transferred to XF‐Freezing  solutions of increasing sucrose concentration (0%, 10%, 20%): XF‐KSR supplemented  with sucrose, 10% DMSO and 10% propylene glycol.  Colonies were then transferred to  freezing straws by capillary action and immediately immersed in liquid nitrogen.  Straws  were placed in vials for long‐term liquid nitrogen storage.  Thawing requires the reverse  procedure wherein colonies are transferred to thawing medium with decreasing sucrose  concentrations (20%, 10%, 0%) before transferring to fresh XF cell culture dishes.  Characterization of XF-hESC Lines New XF‐hESC lines were characterized by ICC, embryoid body assay and  teratoma formation.  ICC was performed with the following pluripotency markers after  4% PFA fixation: GCTM‐2, TRA‐1‐60, GDF‐3 (rabbit IgG polyclonal, Abcam #AB38547),  EpCAM (mIgG1, DAKO #M0804), E‐Cadherin (mIgG2 b , R&D Systems #MAB18381), SSEA‐ 4, OCT4, SOX2, DNMT3b (Goat IgG, Santa Cruz Biotechnology #sc‐10235), Nanog , and  Alkaline Phosphatase (Vector Labs #SK‐5300).  The marker combinations were: TRA‐1‐ 60/GDF‐3, GCTM‐2/EpCAM, OCT4/DNMT3b, E‐Cadherin/Nanog, EpCAM/DNMT3b,  EpCAM/E‐Cadherin, SSEA‐4/SOX2, and Alkaline Phospatase.  Primary and secondary  antibody combinations with dilutions were as follows: [TRA‐1‐60 1:100 / AlexaFluor 594  74    goat anti‐mouse IgM ( μ chain) 1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A21044)] [GDF‐3  1:50 / AlexaFluor 488 donkey anti‐rabbit IgG 1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies  #A21206)] [ GCTM‐2 neat / AlexaFluor 488 goat anti‐mouse IgM ( μ chain) 1:1000 (Santa  Cruz Biotechnologies #A21042)] [EpCAM 1:50 / AlexaFluor 568 goat anti‐mouse IgG  1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A21124)] [OCT4 1:200 / AlexaFluor 488 rabbit anti‐ mouse IgG (H+L) 1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A11059)] [DNMT3b 1:300 /  AlexaFluor 568 rabbit anti‐goat IgG 1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A11079)] [E‐ Cadherin 1:20 / AlexaFluor 488 rabbit anti‐goat IgG (H+L) 1:1000 (Santa Cruz  Biotechnologies #A11078)] [Nanog 1:20 / AlexaFluor 594 F(Ab’)2 fragment of rabbit anti‐ mouse IgG (H+L) 1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A21205)] [EpCAM 1:50 /  AlexaFluor 594 F(Ab’)2 fragment of rabbit anti‐mouse IgG (H+L) 1:1000 (Santa Cruz  Biotechnologies #A21205)] [DNMT3b 1:300 / AlexaFluor 488 rabbit anti‐goat IgG (H+L)  1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A11078)] [EpCAM 1:50 / AlexaFluor AlexaFluor 568  goat anti‐mouse IgG 1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A21124)] [E‐Cadherin 1:20 /  AlexaFluor 488 goat anti‐mouse IgG2 b  1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A21141)]  [SSEA‐4 1:100 / AlexaFluor 488 goat anti‐mouse IgG3 1:1000 (Santa Cruz  Biotechnologies #A21151)] [SOX2 1:1000 / AlexaFluor 568 goat anti‐rabbit IgG (H+L)  1:1000 (Santa Cruz Biotechnologies #A11036)].  Cells were plated in 8‐well chamber  slides coated with 0.5 ug/cm2 vitronectin/fibronectin and 5 x 10 4  cells/cm 2  hDFfs.  All  cells were permeabilized with 0.2% Triton X‐100 after fixation except for the TRA‐1‐ 60/GDF‐3 well.  All primary and secondary antibodies were prepared in a 2% serum  75    solution matching the species of secondary antibody except for TRA‐1‐60/GDF‐3 which  was prepared in a 1% BSA solution. Primary antibodies were incubated for 2 hours  followed by 3X wash with PBS and secondary antibodies were incubated for 1 hour  followed by 3X wash with PBS.  Slides were wet mounted with ProLong Gold Antifade  Reagent and allowed to cure overnight before imaging on a Zeiss AxioImager Z1  microscope.  Embryoid body assay and teratoma formation were performed under the same  conditions detailed in the materials and methods section for Chapter Two.  Karyotyping  was performed by the USC DNA core utilizing the GTW banding technique.  3. Results  Obtain Fully Consented Human Embryos The consenting team first began contacting donors representing a pool of 150  embryos previously consented for another fertility research project.  The embryos in  this pool were frozen from 1989 to 2005, but each embryo needed new consent in order  to adhere to the 2009 NIH guidelines.  The consenting team immediately ran into  difficulty tracking down current contact information for the individuals responsible for  each embryo.  This difficulty dramatically reduced the number of available embryos  from this pool, but 36 fully‐consented embryos were obtained from this group.  After  exhausting this initial pool of embryos, the consenting team began contacting recent  patients who had concluded fertility treatment but had embryos remaining in frozen  storage.  Another 9 fully‐consented embryos came from this secondary group.  The  76    consenting team is currently approaching new donors at the beginning of fertility  treatment, but it may be several years before such patients conclude fertility treatment  resulting in surplus embryos.  The extensive effort put forth by the consenting team has  yielded ~60 embryos for use in the derivation project, 45 of which I have received for  derivation experiments.  Quality of the fully consented embryos was very low [Figure 16].  8/45 embryos  failed to survive the thawing process.  Based on the Gardner Blastocyst Grading System,  21 embryos were scored as Grade 0 blastocysts since they failed to show signs of  development.  17 of the Grade 0 embryos were highly fragmented and arrested in the  cleavage stage (A‐C).  Four of the Grade 0 embryos exhibited initial signs of compaction  to the morula stage but did not advance further (D‐F).  Four embryos showed signs of  initial cavitation present in early blastocysts (Grade 2/3, G‐I), but the cells present in  these embryos showed obvious signs of fragmentation.    12/45 embryos developed to  the expanded blastocyst stage, Grade 4+ (J‐L), with one starting to hatch (Grade 5) and  another fully hatching (Grade 6).  Despite advancing to an expanded blastocyst stage,  only 5/12 Grade 4+ embryos had a discernible inner cell mass.  Only one embryo, SC011‐ F (K), exhibited the highest quality score of Grade 4AA with a discernible, healthy ICM  and surrounding trophectoderm without fragmentation.  The majority of the high  quality blastocysts came from a single donor pool, SC011.  As stated above, all living  embryos were transferred for derivation attempts at developmental day 5/6 regardless  of quality.    77      Figure 16: Representative Human Embryos  These images show the various stages of development and quality of embryos at time of transfer for hESC  derivation.  The Gardner blastyocyst scoring system was used to describe the embryo quality.  The  majority of the embryos failed to reach the desired expanded blastocyst stage (Grade 4) occuring at Day  5/6 post‐fertilization.  Most embryos did not progress farther than the early cell division stages and  exhibited severe cellular fragmentation: Grade 0 Fragmented (A, B, C).  Some embryos began to show  early proliferation toward the compacting morula stage, but did not progress further: Grade 0 Compacting  (D, E, F).  A small subset of embryos began to show cavitation leading to the blastocyst stage, but the  quality remained low: Grade 2 Early Blast (G, H, I).  Nine out of 45 embryos developed to fully expanded  blastocysts ideal for laser assisted derivation of hESCs: Grade 4+ Expanded Blastocyst (J, K, L).  Most of the  expanded blastocysts came from one donor pool (SC011) suggesting that embryo quality is strongly linked  to the health of original donor tissue.  Overall, the quality of the embryos in this study was very poor.  All  embryos were dissected for derivation, regardless of quality.  78    Figure 17: Successful Derivation of mESCs by Laser Isolation  Optimizing laser‐assisted dissection of the ICM from blastocyst stage embryos required proof‐of‐concept  studies using mouse embryos.  Such practice streamlined the derivation process and provided evidence  that the laser didnot cause damage to the ICM preventing derivation of ESCs.  The first image (A)  illustrates the appearance of a fullyexpanded mouse blastocyst at Day 3.5.  The second image (B) shows  representative muESC colonies appearing after twopassages.  This successful derivation and practice with  >50 mouse embryos facilitated the first attempts at laser‐assisted derivation of new hESC lines.    Optimize Laser Assisted Inner Cell Mass Enrichment Protocol I assembled the derivation rig and familiarized myself with the relevant  parts/software.  I practiced on more than 50 mouse blastocysts to refine the laser‐ assisted derivation technique.  Mouse blastocysts obtained from frozen stocks at USC  Fertility demonstrated remarkably lower quality than those isolated fresh in the USC  Transgenic core facility.   The mouse embryo pictured in Figure 17 illustrates the  appearance of a high quality blastocyst (A) at Day 3.5 of development.  The zona  pellucida is relatively thin and opaque.  The trophectoderm forms a thin external cellular  layer underneath the zona while the ICM is compact and large.  Fully optimized laser‐ assisted ICM isolation required less than 10 minutes for complete dissection and  transfer of the isolated ICM to equilibrated cell culture dishes.  I successfully   79        Table 2: Embryo Derivation Results  This table describes the XF‐hESC derivation results.  I received 45 fully‐consented, surplus human embryos  from USC Fertility.  The embryos in this study were frozen from 1989 to 2007 at different stages of  development: 2PN, Day 3, and Blastocyst.  Eight embryos did not survive the thawing process.  Of the 37  embryos transferred for derivation, 14 exhibited attachment and outgrowth post‐isolation.  Only one  embryo, SC010‐A, demonstrated successful derivation.  This embryo gave rise to the XF‐hESC line USC01.  80        Figure 18: Embryo SC006‐C Outgrowth Images  These images illustrate the attachment and outgrowth of embryo SC006‐C after laser‐assisted derivation  in XF‐KSR conditions.  The development of SC006‐C arrested at the morula stage (A), but the overall  health of the cells appeared good with mild fragmentation. Two days after plating (B), the embryo had  attached without any outgrowths.  By Day 4 (C) a robust proliferative outgrowth appeared with most cells  exhibiting a “trophectodermal” phenotype.  At Day 6 (D) the cellular outgtrowth had reached full  expansion with cells starting to show aggregation.  The aggregation had become severe at Day 9 (E) and  much of the outgrowth started to detach.  The aggregation and detachment was fully complete by Day 11  (F).  These images detail the common fate of embryos exhibited attachment and proliferation when  derived under XF‐KSR conditions.  Notably, only one non‐hESC like cell type was observed preventing  mechanical isolation and propagation of pluripotent cells.    demonstrated derivation of mESCs using the laser‐assisted protocol with the new mESC  line surviving several passages (B).  Derive and Characterize Xeno-Free Human Embryonic Stem Cells 5/45 embryos (11.1%) developed into fully expanded blastocysts with discernible  ICMs.  I attempted laser assisted derivation on 35 embryos and transferred the isolates  to fresh KSR‐XF cell culture dishes.  14 embryos or ICM isolates attached and exhibited  outgrowths with the morphology of most outgrowths resembling trophectoderm [Table  2].  These “trophectodermal” outgrowths proliferate rapidly before aggregating and   81        Figure 19: Embryo SC011‐F Outgrowth Images  These images illustrate the attachment and outgrowth of embryo SC011‐F post laser‐assisted derivation.   This embryo successfully developed into a fully expanded blastocyst (A) as did most of the embryos from  this donor.  Laser‐assisted dissection produced two clumps of cells (B) with the left clump comprised of  trophectodermal cells and the right clump consisting of a trophectoderm/ICM mix.  On Day 2 after plating,  the dissected ICM exhibited attachement and initial outgrowth (C).  By Day 3 (D), a robust proliferative  cell mass is present.  Interestingly, Day 4 (E) a dimorphic cell population appeared with a central cell mass  exhibiting hESC‐like characteristics.  Day 6 (F) clearly shows two cell types with a central, dense cell mass  suspected to contain pluripotent cells and a surrounding proliferative outgrowth beginning to show  aggregation.  I chose to mechanically isolate the central cell mass on Day 7, and I transferred it to a new  cell culture dish.  Unfortunately, the isolated cells did not attach.  This embryo, however, evidenced the  viability of healthy embryos and supported the expansion of the ICM post dissection in KSR‐XF cell culture  conditions.    detaching two weeks after isolation.  Embryo SC006‐C [Figure 18] was a poor quality  embryo that developed to the morula stage without progressing to the blastocyst stage  by embryo Day 6 (A).  I hatched and plated the entire embryo (B) since I could not  discern a solitary ICM.  After 4 days, a large “trophectodermal” proliferation was  noticeable (D).  On the sixth day (E), the cellular outgrowth began to demonstrate  aggregation followed by complete detachment eleven days (F) after isolation.  Only one     82        Figure 20: Embryo SC010‐A Outgrowth Images  These images illustrate the attachment and outgrowth of the embryo SC010‐A.  Based on previous  unsuccessful derivation attempts, I allowed this embryo to develop as long as possible before derivation.   In this case, the embryo developed into a fully expanded blastocyst and hatched from the zona pellucida.   This made laser‐assisted dissection impossible so I plated the entire hatched blastocyst with (A) showing  its appearance two days after plating.  By Day 3 (B) rapid proliferation and initial signs of trophectodermal  aggregation were noted.  The embryo continued to expand at Day 4 (C), but the signs of aggregation  increased.  The first signs of detachment were evident at Day 5 (D) and this led me to mechanically disect  the entire outgrowth followed by TrypLE dissociation in the presence of Rho Kinase Inhibitor.  I pursued  enzyme digestion in order to release pluripotent cells from the aggregating trophectoderm thus allowing  them to interface with the vitronectin/fibronectin/hDFf cell culture substrate.  Six days after digestion (E)  a small, proliferating mass with hESC‐like characteristics appeared.  Two other hESC‐like outgrowths were  discovered at the edge of the cell culture dish on Day 13 with one of these colonies pictured (F).  I  mechanically passaged these outgrowths for future propagation and characterization.    cell type was observed proliferating from embryo SC006‐C during is derivation course.   Embryo SC006‐C did not result in a new XF‐hESC line.      Embryo SC011‐F exemplifies the highest quality blastocyst (Grade 4AA)  obtained in this project [Figure 19].  The well‐developed ICM (A) allowed for removal of  a majority of the trophectoderm (B).  Four days after isolation (D), SC011‐F showed two  distinct cell populations, one which resembled the “trophectodermal” outgrowths seen  83    in previous derivation attempts and a central, dense, hESC‐like outgrowth.  Manual  isolation of this secondary cell type on Day 7 (F) was unsuccessful because the central  cell mass did not reattach.  Embryo SC011‐F failed to produce a new XF‐hESC line.   I allowed my last set of embryos to develop as long as possible at the fertility  clinic prior to transferring them to the lab for isolation.  One of the embryos (SC010‐B)  developed into a fully expanded blastocyst and I performed laser isolation.  This embryo  attached, but did not show proliferation.  The second and last consented embryo  (SC010‐A) developed into a fully expanded blastocyst, but hatched on its own prior to  transfer from the clinic [Figure 20].  Since I could not perform laser isolation on this  embryo, I plated it directly onto an equilibrated xeno‐free cell culture dish (A).  Marked  proliferation and aggregation of the isolated embryo was observed by Day 3 (B).   Detachment of the outgrowth was already apparent by Day 4 (C) so I dissociated the  entire cellular outgrowth on Day 5 (D) in TrypLE plus ROCK Inhibitor.  The dissociated  cells were transferred to a fresh xeno‐free cell culture dish.  Surprisingly, six days after  dissociation (E), I observed a proliferating outgrowth from the trypsinized proliferative  cell mass that had hESC‐like morphological characteristics at the cellular level.  I  attempted to manually isolate this interesting colony nine days after plating, but the cell  mass was lost during transfer.  Nevertheless, I continued to observe the plate for more  outgrowths and discovered two proliferating colonies at the very edge of the dish 13  days after plating (F).  I transferred these larger outgrowths to fresh xeno‐free culture  dishes and both produced colonies with strong resemblance to hESCs [Figure 21].  The   84    Figure 21: Images of the XF‐hESC Line USC‐01  These images depict the first Xeno‐Free hESC line derived at USC.  The first four panels (A, B, C, D) depict a  single P2 colony expanding on Days 1, 2, 3, and 5.  Colonies continue to possess hESC‐like morphology at  P3 and P5 (E, F).      first four panels of this figure (A‐D) depict a single colony proliferating from Day 2‐5.   The last two panels (E, F) show colonies exhibiting tight borders with small, round, hESC‐ like cells after repeated passage (P3, P5 respectively).  These are the first images of USC‐ 01, the first XF‐hESC line derived at USC.    USC‐01 is currently at 34 passages in the KSR‐XF hESC medium and remains  strongly positive for a variety of pluripotency markers by ICC:  Surface (TRA‐1‐60, GCTM‐ 2, GDF‐3, EpCAM, E‐Cadherin, SSEA‐4 and Alkaline Phosphatase) and Nuclear (OCT4,  SOX2, Nanog, and DNMT3b) [Figure 22].  The quality of staining based on intensity and  cellular localization for each marker matches that observed for previously derived, non‐ XF hESCs.  USC01 also exhibits strong expression of pluripotency genes by qPCR (see  Chapter Four).  Spontaneous differentiation is common in the central regions of large   85      Figure 22: ICC Panel for the XF‐hESC Line USC‐01  These fluorescent images depict several markers of pluripotency expressed on the XenoFree hESC line  USC01 cultured in XF‐KSR+CX at P5.  (A) Cell surface markers TRA‐1‐60 (red) and GDF‐3 (green). (B) Cell  surface markers GCTM‐2 (green) and EpCAM (red).  (C) Nuclear markers OCT4 (green) and DNMT3b (red).  (D) Cell surface marker E‐Cadhering (red) and nuclear marker Nanog (green). (E) Cell surface marker  EpCAM (red) and nuclear marker DNMT3b (green). (F) Cell surface markers EpCAM (red) and E‐Cadherin  (green).  (G) Cell surface marker SSEA‐4 (green) and nuclear marker SOX2 (red).  All of the preceding  images have nuclear counterstaining with DAPI (blue).  Alkaline Phosphatase (H) staining is strong (dark  contrast).  Strong positivity for all markers in this ICC staining panel support the pluripotent identity of the  Xeno‐Free hESC line USC01.  Scale bars = 50 um.    colonies, but it is rare for entire colonies to fully differentiate during the 7 days between  passaging.  EB analysis indicates robust differentiation into cells with characteristics of  all three germ layers [Figure 23].  Nestin (A) remained the most prevalent marker among  differentiated cells mirroring what was seen with hiPSC EBs, but strongly staining  Smooth Muscle Actin (C) cells were more numerous in USC‐01 EBs.  AFP (B) positive cells  were the least prevalent in these differentiation experiments.  The intensity of staining  for all markers appeared greater for hESC EBs than seen with hiPSC EBs with USC01  differentiated cells possessing more developed cellular architectures.  Teratoma analysis  is currently underway and I expect results very soon.  Karyotyping by the Giemsa‐ trypsin‐Wrights banding technique indicated that USC01 is 46 XY at P12.  Out of 20 cells   86        Figure 23: Embryoid Body Images of USC‐01  analyzed, 14 had a full 46XY chromosomal content while the other 6 demonstrated  random loss of one autosome (compatible with a normal diploid karyotype).  4. Conclusions The development of the KSR‐XF cell culture system described in Chapter One  paved the way for implementing xeno‐free techniques starting with the first derivation  steps.  Manual dissection replaced immunosurgery for ICM isolation since the antibodies  and complement proteins are sourced from animal serum.  The XY Clone infrared laser  combined with micromanipulation techniques added precision to the manual dissection  that would not be afforded with dissection by hand alone.  The value of laser dissection  for ICM enrichment was further evidenced by the derivation of mESCs.  The newly  derived mESC line demonstrated that the XY Clone laser was not damaging the ICM and  that viable cells resulted from the process.  With the derivation techniques and culture  system solidified, I received my first thawed embryos from the fertility clinic.  I immediately realized that the success of the project would not hinge upon the  XF‐hESC medium or laser isolation techniques alone.  Instead, the quality of the starting  87    material would dictate the probability of deriving new hESC lines.  Unfortunately, the  quality of the donated human embryos was very low in this study.  There are a variety of  reasons for the high number of sub standard embryos.  In general, the best embryos  generated for fertility treatment are transferred for treatment.  Patients  with infertility  may also not produce the best embryos.  Many embryos had been frozen several years  ago, possibly under freezing conditions not meeting contemporary protocol.  Regardless  of the reasons, >80% of the donated embryos possessed marginal or substandard  quality.  It would be wise to collaborate with a large number of fertility clinics in future  experiments to mitigate the problems associated with embryo quality.      Despite quality issues, 14 embryo isolates attached and demonstrated early  proliferation.  The proliferative outgrowths, however, had a similar pattern of rapid  expansion followed by cellular aggregation and detachment.  The appearance of these  outgrowths suggested a “trophectodermal” identity.  The better looking embryos  typically produced a larger proliferative outgrowth indicating the presence of more  viable starting cells, but only one embryo, SC011‐F demonstrated a dimorphic cell  population at the center of the outgrowth.  The speed of aggregation and detachment  of the trophectodermal cells, however, impaired the expansion of the secondary cell  type believed to represent an ICM outgrowth.  Manual dissection of the secondary cell  type did not yield continuous cultures of hESCs .    The experience I had above was most definitely frustrating, but it led me to  conclude that there was room for technical improvement in the derivation procedure.   88    First, of those embryos that develop to a fully expanded blastocyst it is imperative to  allow them to develop as long as possible to increase the size of the ICM and allow for  easier laser isolation.  Second, residual presumptive trophectoderm from the isolation  proliferates rapidly in this culture system and impedes the successful interaction of the  ICM with the feeders/ECM.  It may be possible that there are some hESCs dispersed  within the trophectoderm, but they cannot expand within the dominant, over‐ proliferating trophectodermal cells.  The hyperproliferating cellular explant from manual  dissection should thus be enzymatically dissociated by Day 7 to release the pluripotent  cells.  This will provide greater opportunity for a direct interface between the  pluripotent cells and the vitronectin/fibronectin /hDFf feeders.  Adding ROCK Inhibitor  also provides stability for the dissociated single or small clumps of hESCs.  The new line,  USC‐01, survived derivation after implementation of these technical changes.    Moreover, previously unsuccessful embryos most likely would have yielded viable  pluripotent cells had I performed the dissociation prior to full aggregation/detachment  of the outgrowth.  I will employ this technique in all future derivations.  The successful  derivation of the XF‐hESC line USC01 validates the thorough preparation and I anticipate  the arrival of more embryos as the consenting process continues.    When comparing my derivation efficiency of 0% (0/30) from low quality embryos  and 20% (1/5) from high quality embryos, it is clear that embryo quality directly affects  the success of derivation attempts.  Lerou et al. describe a 0.6% derivation efficiency  from low quality Day 3 embryos which increased to 4.1% for Day 5 low quality embryos,  89    and 8.5% for low‐quality Day 5 embryos that progressed to the blastocyst stage (Lerou,  Yabuuchi et al. 2008).  My data reflect the results obtained in the Lerou paper and  indicate that high quality embryos are necessary for the derivation of a large library of  hESCs.  Further characterization of USC‐01 by ICC indicates strong expression for a large  panel of pluripotency markers.  Staining intensity and cellular localization of the markers  is comparable to the established cell lines HES2 and HES3.  Embryoid body assays also  demonstrate the ability of USC‐01 to produce differentiated cells possessing  characteristics of all three germ layers.  The staining intensity and underlying  architecture of positively staining structures appears more developed in the USC‐01  generated EBs compared to the staining seen with hiPSCs.  This may indicate a lack of  equivalency between the newly derived hESCs and hiPSCs.  It is important to remember,  however, that the hiPSCs in this study still have integrated transposons actively  expressing transgenes which could limit the differentiation potential of hiPSCs in an EB  assay.  Teratoma analysis is currently underway, but I expect that the assay will produce  highly differentiated tissues on pathological examination.  At P12, karyotype analysis  confirmed the 46XY stable chromosomal status of this XF‐hESC line.  I will perform the  karyotype analysis again on older cells, greater than P30, to demonstrate long‐term  chromosomal stability in xeno‐free cell culture conditions.  Early passage stocks have  also been cryogenically banked for future distribution with successful thawing for  distribution.   90    The derivation of USC‐01 and several hiPSC lines under identical xeno‐free cell  culture conditions described in this study provides a platform for future equivalency  comparisons.  True comparative studies require several pluripotent cell lines for broad  characterization and identification of similar/dissimilar traits.  To that end, more XF‐ hESC lines are required to complete such analysis.  Also, it would be informative to  derive iPSC from trophectoderm outgrowths of embryos that gave rise to hESC, for  comparing the two cell types on identical genetic backgrounds.  It is also worth noting  that the origin of these cell lines is not entirely xeno‐free.  For the hiPSCs, the donor  tissue for the hDFf stocks was passaged in FBS containing medium and high efficiency  transfection required the cells to be grown in FBS containing fibroblast medium until 5  days post‐transfection.  USC‐01 is almost entirely xeno‐free except for that the  commercial hDFf feeder stocks were expanded in FBS containing medium before being  prepared in xeno‐free conditions.  A 100% xeno‐free cell culture system will require the  in‐house preparation of xeno‐free primary human fibroblast cell lines for both feeders  and hiPSC production which was beyond the scope of this study.  Nevertheless, the  xeno‐free methodology described here will easily translate to a 100% xeno‐free system.  Derivation of new hESC lines under defined conditions will generate valuable  data less influenced by variability introduced through earlier cell culture systems.  One  step toward more defined systems is the removal of animal products from the  derivation process.  From the initial isolation of the ICM all the way to the media and  growth factors used to direct differentiation, implementing xeno‐free techniques  91    demonstrates the feasibility of “clinical grade” hESC derivation.  The successful  derivation of the new XF‐hESC line USC‐01 provides proof‐of‐concept for future “clinical  grade” pluripotent cell lines.  92    Chapter Four: Molecular Characterization of the Reprogramming Process Improves Selection of High Fidelity Human Induced Pluripotent Stem Cells 1. Introduction I developed this project as a secondary research topic since the hESC derivation  process was beleaguered by delays and very limited availability of good quality embryos.   The second half of my characterization project, XF‐hiPSC derivation, was streamlined  and reproducible from a technical standpoint which allowed me to ask questions about  the molecular basis of the reprogramming process.  The reprogramming process, by  nature, is very inefficient.  Several groups showed improvement in  reprogramming  efficiency by incorporating additional nuclear transcription factors into the  reprogramming mix (Liao, Wu et al. 2008; Mali, Ye et al. 2008), inclusion of small  molecules into the growth media like the histone deacetylase inhibitor butyrate (Mali,  Chou et al. 2010), or lowering the oxygen concentrations in the incubator to more  closely mimic physiological conditions (Utikal, Polo et al. 2009).  These improvements in  reprogramming efficiency added impetus to development of  selection protocols for the  best “fully” reprogrammed hiPSCs for further characterization and study.  One lab  identified a surface marker of pluripotency (TRA‐1‐60) that appeared late during  reprogramming; selection of colonies positive for this marker by live cell staining  increased hiPSC derivation efficiency (Chan, Ratanasirintrawoot et al. 2009).  Another  lab identified the markers EpCAM and E‐Cadherin as “late” markers suitable for  selection in mouse iPSCs (Chen, Chuang et al. 2011).   In October of 2010, I began a   93      Figure 24: ICC Reprogramming Timeline  To produce a timeline illustrating the appearance of pluripotency related markers, transfected fibroblasts  were transferred to glass chamber slides and fixed/stained every three days with the listed marker  combinations (Day 3‐24).    study to produce a timeline of pluripotency marker appearance during the  reprogramming process to find late markers selective for “fully” reprogrammed hiPSCs.    Selection of foci undergoing reprogramming by cell surface pluripotency markers  provides the opportunity to isolate the most hESC‐like hiPSCs, and isolate foci at  progressive timepoints for molecular characterization through quantitative gene  expression analysis  Specific Aim #1: A Timeline of Pluripotency Marker Appearance During the Reprogramming Process Using ICC to Determine the Order of Activation for Key Pluripotency Regulator Genes The first phase of this project centered on determining the temporal activation  of genes involved in pluripotency during the reprogramming process.  I began by  preparing chamber slides containing fibroblasts transfected with the piggyBac  reprogramming cassette.  Every 3 days, I fixed the slides and stained for a combination  94    of pluripotency markers: TRA‐1‐60/GDF‐3, GCTM‐2/EpCAM, OCT4/DNMT3b, Nanog/E‐ Cadherin, EpCAM/DNMT3b, and EpCAM/E‐Cadherin [Figure 24].  TRA‐1‐60 and GCTM‐2  are cell surface glycoproteins expressed on pluripotent cells, whose functional  significance is not known.  The secreted marker GDF‐3, a BMP inhibitor, is implicated in  the regulation of cell fate in stem cells (Levine and Brivanlou 2006).  Theintercellular  adhesion molecule EpCAM is involved in the maintenance of pluripotency (Ng, Ang et al.  2010) and has been shown to influence proliferation through its intracellular domain  EpICD (Maetzel, Denzel et al. 2009) and subsequent interactions with beta‐catenin.  The  intercellular adhesion molecule E‐Cadherin is also expressed on pluripotent cells and has  the ability to influence pluripotent cell fate through the stabilization of beta‐catenin  (Orsulic, Huber et al. 1999; Sato, Meijer et al. 2004).  Their appearance during  reprogramming indicates a transition from a fibroblastic state to a state more associated  with pluripotency.  The nuclear transcription factors OCT4, DNMT3b and Nanog are  master regulators of pluripotency so their appearance indicates the re‐activation of  endogenous pluripotency networks.  Understanding the timing of expression for these  pluripotency markers during reprogramming provides a framework for assaying the  molecular changes underlying the reprogramming process.        95    Specific Aim #2: “Late” Markers of Pluripotency Used to Select Reprogramming Colonies at Days 10, 20, and 30 to Analyze Reactivation of Pluripotency Networks Via Quantitative Expression Profiles With the Fluidigm Biomark HD Platform Reprogramming a cell from a fibroblastic state to a pluripotent state requires the  reactivation of pluripotency gene networks.  The low efficiency of cellular  reprogramming is most likely caused by the failure to completely re‐activate the  necessary gene networks to maintain pluripotency.  To test the above hypothesis, I  performed live‐cell staining with a combination of TRA‐1‐60/E‐Cad and GCTM2/EpCAM  at Day 10, 20 and 30 during reprogramming [Figure 25].  Live‐cell staining can only be  performed on surface antigens since visualization of nuclear antigens would require the  permeabilization of the cell membranes effectively killing the target cells.  Selection by  live‐cell staining presents an advantage since production of reporter cell lines is not  feasible for mid or high throughput derivation of iPSC.  The cell surface markers in this  assay are highly expressed on pluripotent cells and achieve elevated expression on  reprogramming foci after 2‐3 weeks of reprogramming.  Intense staining for these  markers may indicate the re‐activation of pluripotency associated transcriptional  networks which can be assayed by quantitative expression analysis.  After isolating  colonies for intense vs. negative marker expression by live cell staining, total RNA was  extracted from whole reprogramming foci.  Quantitative RNA expression analysis was  then performed on >40 genes chosen for their involvement in regulating pluripotency  and early lineage commitment [Figure 26].    96      Figure 25: Live‐Cell ICC Selection Methods  Following the same transfection procedures as previously described, transfected cells were plated into  35mm dishes.  The dishes were live‐cell stained with the marker combinations GCTM‐2/EpCAM and TRA‐ 1‐60/E‐Cadherin at Day 10, 20 and 30.  Double positive/negative reprogramming foci were manually  isolated and lysed for RNA isolation.  Quantitative expression analysis was performed on the isolated foci  to determine the underlying expression profile of reprogramming foci during the reprogramming process.      The Fluidigm Biomark HD quantitative expression platform is a new technology  that facilitates this study.  The Fluidigm system allows one to query the expression of 48  genes from sample sizes as small as one cell.  Standard RNA expression quantification  methodologies require large RNA inputs from several thousand cells to query expression  of only a few genes.  Single‐cell and small colony analysis is possible with standard  expression studies, but the labor necessary to query large sample numbers against  multiple genes is inhibitory.  Looking at the expression of several genes from small  reprogramming foci would thus not be possible without the powerful Fluidigm  microfluidics platform.  After running the 48 gene expression panel on >150 samples  selected by pluripotency marker positivity/negativity at increasing intervals during  reprogramming, the expression data supports the value of live‐cell ICC for selection of   97        Figure 26: Genes Queried by Quantitative RNA Expression  Expression levels of 49 genes were quantitatively analyzed by the Fluidigm Biomark HD system.  The  genes selected for this study were chosen based on their involvement in maintenance of the pluripotent  state, early lineage commitment (ectoderm, endoderm, mesoderm, neural crest), or expression on hDFfs.   The housekeeping genes PPIA and B2M were used as controls for relative expression quantification.    “fully” reprogrammed hiPSCs while also providing a unique look at the activation of  pluripotency transcriptional networks that could provide an increased level of selection.  Specific Aim #3: Utilize “Late” Markers of Pluripotency to Select for “Fully” Reprogrammed hiPSCs and Validate these Cell Lines by ICC, qPCR, Embryoid Bodies, and Teratoma Formation The data generated by the Fluidigm Biomark HD expression analysis experiments  indicated that reprogramming foci with intense marker positivity possess an expression  profile similar to hESCs and “fully” reprogrammed hiPSCs.  The final aim of this project is  to verify that live‐cell staining selection with “late” markers of pluripotency increases  98    the derivation efficiency of “fully” reprogrammed hiPSCs.  To accomplish this  experiment, I isolated a large sample of dual positive/dual negative foci undergoing  reprogramming at Day 30 and observed them for several passages.  The majority of foci  selected by live‐cell staining and demonstrating attachment/outgrowths produced  “fully” reprogrammed hiPSCs while marker negative foci generated “partially”  reprogrammed hiPSCs.  Foci selection by live‐cell staining provides a significant  advantage to selection by foci morphology alone.    2. Materials and Methods ICC Reprogramming Timeline Low passage hDFfs were nucleofected with the pPB.OSKM‐pu Δtk transposon and  pCyL43:PB transposase plasmids as described in Chapter Two.  After resuspension in  equilibrated MEM‐alpha fibroblast medium, nucleofected cells were plated in 2‐well  chamber slides coated with 0.5 ug/cm 2  vitronectin/fibronectin at a density of 1 x 10 3   cells/cm 2 .  MEM‐alpha fibroblast medium was changed the day after transfection and  every other day until Day 5 when the medium was replaced with XF‐KSR hESC medium  with feeding continuing every other day.  Non‐transfected hDFfs were also plated at the  same density as negative controls for ICC staining.  Beginning on Day 3 and ending on  Day 24, slides were fixed with 4% PFA at three day intervals.  Fixed slides were stained  with the following pluripotency marker combinations on Day 3, Day 6, Day 9, Day 12,  Day 15, Day 18, Day 21, and Day 24:  TRA‐1‐60/GDF‐3, GCTM‐2/EpCAM, OCT4/DNMT3b,  99    Nanog/E‐Cadherin, EpCAM/DNMT3b, and EpCAM/E‐Cadherin.  Staining conditions were  identical to those described in Chapter Three.  Positivity for the pluripotency markers was determined by comparison to the  “fully” reprogrammed hiPSC line J1.  Three categories were utilized to score the ICC  slides: Negative (matches negative control/background), Positive (stains above  background with correct cellular localization), and Intense (staining intensity resembles  positive control staining).  Quantification by integration of fluorescence above individual  nuclei using Image J software supported the three category scoring for marker positivity  although assessment of marker staining was performed visually.  All colonies present on  the slides were scored according to the above criteria and noted to be Double Negative,  Single Positive, or Double Positive.  All intense staining colonies were also  scored/included in the positive category.  Fluidigm Biomark HD Expression Profiling of Single Foci Undergoing Reprogramming Low passage hDFfs were nucleofected with the pPB.OSKM‐pu Δtk transposon and  pCyL43:PB transposase plasmids as described in Chapter Two.  After resuspension in  equilibrated MEM‐alpha fibroblast medium, nucleofected cells were plated into 35 mm  cell culture dishes coated with 0.5 ug/cm 2  vitronectin/fibronectin at a density of 1 x 10 3   cells/cm 2 .  MEM‐alpha fibroblast medium was changed the day after transfection and  every other day until Day 5 when the medium was replaced with XF‐KSR hESC medium  with feeding continuing every other day.    100    On Days 10, 20, and 30 reprogramming dishes were stained by live‐cell ICC with  the marker combinations: GCTM‐2/EpCAM and TRA‐160/E‐Cadherin.  Primary and  secondary antibodies were diluted into XF‐KSR hESC medium and allowed to  consecutively incubate for 20 min at 37 o C with 3X sterile PBS wash following each  incubation.  1 mL sterile PBS was added to each 35 mm cell culture dish for imaging with  a Zeiss Axiovert A1.  Hoescht dye (1:1000) was added during the secondary antibody  incubation for nuclear counterstaining.  Primary and secondary antibody pairings with  dilutions were as follows: [GCTM‐2 (neat) / AlexaFluor 488 – A21042 (1:1000)] [EpCAM  (1:50) / AlexaFluor 568 – A21124 (1:1000)] [TRA‐1‐60 (1:100) / AlexaFluor 594 – A21044  (1:1000)] [E‐Cadherin (1:20) / AlexaFluor 488 – A21141 (1:1000)].  Double negative and  double positive colonies were imaged and isolated by manual dissection for expression  analysis.  Non‐transfected hDFfs (negative control) and hiPSCs/hESCs (positive controls)  were also live‐cell stained and isolated.  Isolated colonies were immediately lysed in 250 uL RLT lysis buffer contained in  the Qiagen RNeasy Micro Kit (Qiagen #74004) and RNA was extracted following the  Qiagen protocol.  The small amount of extracted RNA prohibited quantification prior to  analysis, so colonies of similar size were isolated to reduce input variability in future  expression studies.  The entire extracted RNA sample was reverse transcribed to cDNA  according to the Qiagen QuantiTect Rev. Transcription Kit (Qiagen #205313).    The cDNA  samples were pre‐amplified with TaqMan PreAmp Master Mix (AB Biostystems  #4391128) and PCR primers specific for several pluripotency and lineage specific genes.   101    An 18 cycle pre‐amplification protocol was constructed with the following parameters:  10 min @ 95 o C, 18X (15 sec @95 o C, 4 min @ 60 o C).  Pre‐amplified samples were diluted  1:5 with TE for storage.  Expression analysis was performed with the Fluidigm Biomark HD microfluidics  platform with a 48 x 48 IFC chip.  Samples and controls were run in duplicate such that  20 test samples and four controls (positive, negative, RT‐, and no template) can be run  on each chip with 48 genes being tested by real time PCR.  All samples were prepared  according to the Fluidigm protocol.  Briefly, pre‐amplified samples are mixed with the  provided 20X GE Sample Loading Reagent and TaqMan Universal PCR Master Mix (Life  Technologies #4304437) and transferred to a 96‐well PCR plate for loading.  TaqMan  Gene Expression Assay probes are mixed 1:1 with DA Assay Loading Reagent and  transferred to a 96‐well PCR plate for loading.  Samples and assays are loaded into the  48 x 48 well chip and run on the Fluidigm Biomark HD system for 40 cycles.  Delta Ct  values for analysis were calculated by subtracting the Ct value for cyclophilin from the  test Ct value.  A cutoff Ct value of 40 was given for samples that did not show  amplification for a target gene.  Delta Ct values were uploaded to the MultiExperiment  Viewer software for hierarchical clustering analysis.  Genes of interest were then  compared between selection groups by 2x2 contigency tables and the Fisher’s Exact  Test.      102    Live-Cell Selection and Characterization of hiPSCs Low‐passage hDFfs were nucleofected and plated as described in the previous  section.  After 30 days, reprogramming dishes were live‐cell stained with the marker  pairs GCTM‐2/EpCAM and TRA‐1‐60/E‐Cadherin.  Staining conditions were identical to  the previous section except that Hoescht Dye was not added due to possible toxicity.   Double positive and double negative foci were imaged, isolated by manual dissection,  and transferred to fresh XenoFree culture dishes.  hiPSCs exhibiting attachment and  outgrowth were continually passaged as long as they were viable and observed for  “fully” and “partially” reprogrammed morphological characteristics.    “Fully” and “Partially” reprogrammed hiPSCs were plated in 8‐well chamber  slides for ICC and stained for the following markers: TRA‐1‐60/GDF‐3, GCTM‐2/EpCAM,  OCT4/DNMT3b, Nanog/E‐Cadherin, EpCAM/DNMT3b, EpCAM/E‐Cadherin, SSEA‐ 4/SOX2, and Alkaline Phosphatase.  Staining conditions were previously described in  Chapter Three.  Live‐cell selected hiPSCs were also prepared for spin‐EB differentiation  assays and teratoma formation as described in Chapter Two.  3. Results Pluripotency Associated Markers Demonstrate Progressive Positivity Between “Early” and “Late” Markers With Intensely Staining Foci Describing a Small Population. Every three days (3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24), I fixed reprogramming slides with  4% PFA and performed ICC with a panel of pluripotency markers (Nuclear: OCT4, SOX2,  Nanog, DNMT3b – Receptors: E‐Cadherin, EpCAM – Surface:  SSEA4, TRA‐1‐60, GCTM‐2).   103    The following marker combinations were used: TRA‐1‐60/GDF‐3, GCTM‐2/EpCAM,  OCT4/DNMT3b, Nanog/E‐Cadherin, EpCAM/DNMT3b, EpCAM/E‐Cadherin [Figure 27,  Figure 28, Figure 29, Figure 30, Figure 31, Figure 32 respectively].  Each of the  reprogramming timeline figures illustrates representative staining from marker  combinations at each timepoint.  The selected colonies represent the best images with  the most intense staining.  Colonies of varying staining positivity/intensity were present  on each slide indicating non‐uniform reprogramming.  As the reprogramming process progressed, the percentage of colonies staining  for the markers increased [Figure 33].  GDF‐3 staining began to appear on Day 9 while  TRA‐1‐60 first became positive on Day 12 (A), which is also the first time at which  colonies stained double positive.  Accounting for marker positivity (above background  with proper cellular localization) alone, both GDF‐3 and TRA‐1‐60 appear on slightly less  than 50% of colonies by Day 24 with about 35% staining double positive.  When scoring  the most intensely staining colonies, those that have staining similar to the positive  control, such colonies do not appear until Day 18 for both markers with single and  double intensely positive colonies representing about 10% on Day 24.  GCTM‐2 shows positive staining by Day 12 with EpCAM predominantly appearing  at Day 15 (B).  Over half of the colonies become EpCAM positive by Day 24 while slightly  over 40% show GCTM‐2 positivity.  Only 25% of colonies show double positive staining  for these markers.  Day 18 produces the first intensely positive colonies for GCTM‐ 2/EpCAM with about 10% intensely positive for both markers on Day 24.  The   104        Figure 27: TRA‐1‐60/GDF‐3 ICC Timeline  These images depict the timeline of expression of the pluripotency markers TRA‐1‐60 (red) and GDF‐3  (green).  Cells were fixed every three days post transfection and stained by ICC.  DAPI (blue) was used as a  nuclear counterstain in all panels.  The hiPSC line J1 was used as a positive control for reference staining.   GDF‐3 is a secreted protein that has an intercellular staining pattern.  Initial cytoplasmic GDF‐3 staining  was noted at Day 6 with strong intercellular staining first appearing at Day 12.  TRA‐1‐60 marks a cell  surface glycoprotein that is present on all pluripotent cell lines.  TRA‐1‐60 exhibits stippled staining on Day  9 with strong cell surface staining arising by Day 15.  Interestingly, both markers strongly stain a small  subset of cells early on with full colony involvement not appearing until Day 21/24.  The intensity of  staining for both markers increases during the reprogramming timeline.  Scale bars = 50 um.      105        Figure 28: GCTM‐2/EpCAM ICC Timeline  These images depict the timeline of expression of the pluripotency markers GCTM‐2 (green) and EpCAM  (red).  Cells were fixed every three days post transfection and stained by ICC.  DAPI (blue) was used as a  nuclear counterstain in all panels.  The hiPSC line J1 was used as a positive control for reference staining.   GCTM‐2 stains a cell surface glycoprotein present on pluripotent cells.  Light, stippled GCTM‐2 staining  starts by Day 9 with strong staining appearing by Day 15/18.  High intensity GCTM‐2 staining similar to the  J1 control appears at Day 21/24 with whole colony involvement.  EpCAM is an intracellular adhesion  molecule that also has intracellular second messenger connectivity.  EpCAM first appears by Day 12 with a  strong intercellular staining pattern that gains intensity during the reprogramming process until it is  similar to the J1 control at Day 21/24.  Scale bars = 50 um.    106        Figure 29: OCT4/DNMT3b ICC Timeline  These images depict the timeline of expression of the pluripotency markers OCT4 (green) and DNMT3b  (red).  Cells were fixed every three days post transfection and stained by ICC.  DAPI (blue) was used as a  nuclear counterstain in all panels.  The hiPSC line J1 was used as a positive control for reference staining.   The nuclear transcription factor OCT4 is a master regulator of the pluripotent state.  OCT4 expression is  immediately evident at Day 3 reflecting its activity on the reprogramming transposon.  DNMT3b is  another transcription factor implicated in regulating pluripotency.  DNMT3b first demonstrates notable  staining at Day 12 with strong nuclear staining appearing by Day 18.  The colony shown at Day 24 exhibits  staining very similar to the J1 positive control.  OCT4 and DNMT3b exhibit overlapping staining with all  DNMT3b positive cells also showing OCT4 positivity.  Scale bars = 50 um.       107        Figure 30: Nanog/E‐Cadherin ICC Timeline  These images depict the timeline of expression of the pluripotency markers Nanog (green) and E‐Cadherin  (red).  Cells were fixed every three days post transfection and stained by ICC.  DAPI (blue) was used as a  nuclear counterstain in all panels.  The hiPSC line J1 was used as a positive control for reference staining.   Nanog is a nuclear transcription factor that was one of the first genes found to regulate the pluripotent  state.  Nanog expression first appears by Day 3/6 of the reprogramming process with strong staining  similar to the J1 positive control appearing at Day 21, especially in the colony pictured at Day 24.  E‐ Cadherin is an intracellular adhesion molecule with intracellular signalling capabilities.  E‐Cadherin  expression appears by Day 12 of the reprogramming process with strong intercellular staining appearing  by Day 15.  The staining intensity of Nanog and E‐Cadherin increases during the course of the  reprogramming process as evident in these selected colony images.  Scale bars = 50 um.    108        Figure 31: EpCAM/DNMT3b ICC Timeline  These images depict the timeline of expression of the pluripotency markers DNMT3b (green) and EpCAM  (red).  Cells were fixed every three days post transfection and stained by ICC.  DAPI (blue) was used as a  nuclear counterstain in all panels.  The hiPSC line J1 was used as a positive control for reference staining.   Both of these markers were previously used in combination with other markers, but I wanted to look for  overlapping positivity between different combinations.  DNMT3b exhibited light expression by Day 9 with  strong expression appearing by Day 18.  EpCAM began to show expression by Day 12 with increasing  expression during the reprogramming process.  Interestingly, the colony image for Day 18 illustrates a  small subset of cells strongly positive for EpCAM, indicating a dynamic reprogramming process within one  colony.  Scale bars = 50 um.    109        Figure 32: EpCAM/E‐Cadherin ICC Timeline  These images depict the timeline of expression of the pluripotency markers E‐Cadherin (green) and  EpCAM (red).  Cells were fixed every three days post transfection and stained by ICC.  DAPI (blue) was  used as a nuclear counterstain in all panels.  The hiPSC line J1 was used as a positive control for reference  staining.  Both of these markers were previously used in combination with other markers of pluripotency.   For the EpCAM and E‐Cadherin combination, I wanted to investigate the appearance of two intercellular  adhesion markers.  Both EpCAM and E‐Cadherin show intercellular staining patterns by Day 12 with  intensity increasing during the process of reprogramming.  By Day 21, both markers exhibit strong  overlapping expression with some areas being stronger for one marker over another.  Such overlapping  and non‐overlapping staining is very similar to the J1 positive control.  The colony shown in Day 24 looks  remarkably similar to J1 possibly indicating a more “fully” reprogrammed state.  Another interesting  observation about the colony shown at Day 24 is its small size compared to most colonies appearing after  24 days of reprogramming.  This could indicate that a high rate of proliferation is not necessary to achieve  a “fully” reprogrammed state.  In fact, many small colonies exhibited the strongest expression during the  late stages of reprogramming.  Scale bars = 50 um.    110    concordance between markers is greater for intensely staining colonies as seen with the  previous marker pair.  OCT4 is part of the integrated reprogramming cassette accounting for its  immediate appearance and high rates of positivity (C).  DNMT3b staining, however, first  appears at Day 12 with more than 60% of colonies positive by Day 24.  Interestingly, all  colonies positive for DNMT3b are also positive for OCT4.  Intensely staining DNMT3b  starts at Day 18 with fewer than 10% of colonies possessing such characteristics by Day  24.  Nanog staining first appears early at Day 6 with a rapid increase to 40% of  colonies positive by Day 12 (D).  E‐Cadherin positivity first begins on Day 12 with a  steady increase to 40% of colonies positive by Day 24.  Slightly more than 20% of  colonies exhibit concordant staining with Nanog and E‐Cadherin after 24 days of  reprogramming.  A few intensely staining colonies appear at Day 15 for both markers,  but concordant intense staining fails to cross 10% of total colonies at Day 24.  The combination of EpCAM and DNMT3b gave slightly different results to the previously  examined combinations of these markers with others. (E).  Both markers appear at Day  12 and exhibit a lower saturation percentage on Day 24 (EpCAM – 30%, DNMT3b –  40%).  Less than 25% of colonies on Day 24 are positive for both markers.  As for intense  staining, Day 18 shows the first numerous appearances with fewer than 10% intensely  staining for both markers.        111       Figure 33: ICC Reprogramming Marker Timeline Graphs  These graphs illustrate the appearance of pluripotency markers during the process of reprogramming.  Reprogramming slides were fixed every three  days and stained with the marker pairs TRA‐1‐60/GDF‐3 (A), GCTM‐2/EpCAM (B), OCT4/DNMT3b (C), Nanog/E‐Cadherin (D), DNMT3b/EpCAM (E), and  EpCAM/E‐Cadherin (F).  Reprogramming foci were scored as negative, positive, or intense for one or both markers.  Intensely staining foci numbers  are also included in the positive data.  The results are listed as a percentage of total foci present in the well of the chamber slide.  Markers appearing  early are OCT4 at Day 3 and Nanog at Day 6.  GDF‐3 expression starts by Day 9 while TRA‐1‐60, GCTM‐2, EpCAM, E‐Cadherin and DNMT3b do not  appear on numerous foci until Day 12.  Positivity increases after appearance, but appears to reach a maximum for most markers by Day 24.  On the  whole, intensely positive foci do not appear until Day 18 for all markers and demonstrate a higher concordance for double positive compared to single  positive  foci.  The exception is EpCAM and E‐Cadherin which show high concordance in both the positive and intensely positive groups.  Intensely  staining, double‐positive foci may represent reprogramming foci most likely to achieve a “fully” reprogrammed state.   112      The combination of EpCAM and E‐Cadherin (F) is the first pair of markers both  exhibiting intercellular localization.  The two markers appear positive on Day 12 with  increasing positivity towards 35% on Day 24.  Interestingly, the percentage double  positive is highly concordant with the single positive data for EpCAM/E‐Cadherin  suggesting that most colonies are double positive.  Intensely positive colonies appear on  Day 18 with a plateau for both markers below 10% on Day 24.  The intense staining data  is also highly concordant between single and double staining.  Compiling the data from all the marker pairs into a concatenated timeline  illustrates some important relationships between the markers [Figure 34].  Nanog and  GDF‐3 are early positive markers appearing on Day 6 and Day 9 respectively (A).  GCTM‐ 2, TRA‐1‐60, EpCAM, E‐Cadherin, and DNMT3b are late positive markers appearing on  Day 12.  Regardless of time of appearance, the percentage of colonies staining positive  for these markers increases to 30‐50% of reprogramming foci by Day 24.  Intense  staining foci (B), however, generally appear at reprogramming Day 18 with around 10%  of colonies exhibiting intense staining by Day 24.  As a general observation, marker positivity is not uniform on reprogramming  foci.  Staining was deemed positive even if a small proportion of cells within one focus  exhibited expression so long as the staining was above background and in the correct  cellular localization.  As the reprogramming process progresses, the number of colonies  with positive marker expression increased along with the number of cells within each     113        Figure 34: ICC Timeline Concatenated data  These graphs depict the percentage of reprogramming foci positive (A) and intensely positive (B) for  pluripotency markers during the process of reprogramming.  The markers GCTM‐2, TRA‐1‐60, GDF‐3,  EpCAM, E‐Cadherin, Nanog, DNMT3b and OCT4 were tested by ICC on reprogramming cells fixed every  three days.  Positivity was scored as staining above background with proper cellular localization while  intense positivity was scored as staining highly similar to the J1 “fully” reprogrammed hiPSC line.  Overt  positivity for all markers ranged between 30‐50% at Day 24 while intense positivity hovered around 10%.   Foci exhibiting intense staining also appear later during the reprogramming process indicating that time  and staining intensity select a population of reprogramming foci more likely to progress to a “fully”  reprogrammed state.  The cell surface markers GCTM‐2, TRA‐1‐60, E‐Cadherin and EpCAM are thus useful  for live‐cell selection of these late, intense foci undergoing reprogramming.    114    foci exhibiting marker positivity.  Intense staining was also a function of the percentage  of each foci exhibiting strong marker expression.   “Late” Markers of Pluripotency Identify Reprogramming Foci With RNA Expression Profiles Closer to Pluripotent Cells Live‐cell staining with the “late” marker combinations GCTM‐2/EpCAM and TRA‐ 1‐60/E‐Cadherin enabled selection of double positive reprogramming foci for RNA  expression analysis [Figure 35].  The positive contol XF‐hESC line USC01 exhibited strong  positivity for all four markers (A, D).  The positive control “full” XF‐hiPSC line AA4 (B)  demonstrates strong GCTM‐2/EpCAM positivity.  The positive control “full” XF‐hiPSC line  AE1 (E) exhibits strong positivity for TRA‐1‐60/E‐Cadherin.  Using the XF‐hESC line USC01  and “full” XF‐hiPSC lines as positive controls for comparison I selected several  reprogramming foci with equivalent marker positivity.  GD30F (C) is an example of  intense GCTM‐2/EpCAM staining arising after 30 days of reprogramming and TD302B (F)  is a reprogramming focus with intense TRA‐1‐60/E‐Cadherin staining after 30 days.   Double negative colonies were also isolated for RNA expression analysis.  All colonies  isolated at Day 10 after live‐cell staining were marker negative which was expected from  the reprogramming timeline study since most markers did not have intense staining  until Day 18.  By Day 20, several colonies exhibited intense staining with increasing  number and size of strongly staining colonies by Day 30.    I ran eight Fluidigm chips containing over 150 samples and controls [Figure 36].   Cluster analysis of the data provides two major clusters along the vertical (SAMPLE) axis.      115        Figure 35: Live‐Cell ICC Images  These images depict characteristic live‐cell staining for the selection markers GCTM‐2 / EpCAM (Top) and  TRA‐1‐60 / E‐Caderin (bottom).  The first image in each section (A, D) demonstrates positive control  staining on the Xeno‐Free hESC line USC01.  The second image depicts positive control staining on the  Xeno‐Free hiPSC lines AA4 (B) and AE1 (E).  The last image in each section illustrates strong staining on  reprogramming hiPSCs 30 days post‐transfection (C, F).  While the staining intensity is similar between the  controls and the reprogramming colonies, the reprogramming colonies are much more dense due to the  over‐crowded nature of the cell culture dishes during late reprogramming stages.  This high density does  not allow for single‐cell resolution of the selection markers as seen in the positive controls.   Reprogramming colonies with high intensity live‐cell staining for both marker combinations were selected  for further analysis and propagation.  Scale bars = 50 um.    The top vertical cluster groups the positive control hESC, hiPSC cell lines with a majority  of the Day 30 double positive samples and a few Day 20 double positive samples.  I have  deemed this the “Pluripotent” cluster.  The bottom vertical cluster groups the negative  control hDFf samples along with the majority of the Day 20 double positive, all Day 10  double negative, and all Day 20/30 double negative samples.  I have deemed this the     116      Figure 36: Fluidigm Concatenated Data    117    “Fibroblastic” cluster.  A few major clusters also appear along the horizontal (GENE) axis.   In relation to the fibroblastic group, the pluripotent group exhibits decreased expression  of several genes (Downregulated Cluster): BMP2, KLF4, DKK1, and EGFR.  These genes  can be seen on the left side of the cluster map.  In an opposite relationship, the  pluripotent group shows dramatically increased expression of several genes (Early  Upregulated Cluster): ERBB3, DNMT3B, EPCAM, CDH1, LEFTY1, NODAL, NANOG,  CRIPTO1, OCT3/4.  This group of strongly upregulated genes includes several canonical  pluripotency master regulators.  Several of the samples in the “fibroblastic cluster,  however, show increased expression of these genes.  Another cluster of genes exhibits  strong expression in the positive controls, but limited expression among some of the  double positive staining samples from Day 20/30 in the pluripotent group (Late  Upregulated Cluster): FOXD3, CDH3, EPHA1, HAS3, LCK, EDNRB, and SOX2.  Some of  these genes are known pluripotency regulators (FOXD3, CDH3, SOX2) while the  functions of the remaining genes in the maintenance of the pluripotent state are largely  unknown.    I charted the proportion of reprogramming foci showing upregulation of the  genes mentioned above [Figure 37].  The “early” upregulated genes are shown in the  top graph (A), and the “late” upregulated genes are shown in the bottom graph (B).   While it is apparent that both groups show an upregulation with time, the “early” group  demonstrates upregulation by Day 10 with expression also noted in the Day 20N and  Day 30N double negative samples.  A few of these genes are significantly different     118        Figure 37: Fluidigm Upregulated Data  These graphs illustrate the expression of pluripotency related genes in reprogramming foci selected for  GCTM‐2/EpCAM, TRA‐1‐60/E‐Cadherin positivity/negativity every 10 days post‐transfection of the  reprogramming transposon.  Several genes are upregulated “early” and lack specificity for marker  positivity while a select group of “late” genes appear in about half of the Day 30 foci and are restricted to  those foci positive for markers after live‐cell staining selection.    119    between Day 30P double positive foci and “fully” reprogrammed hiPSC controls  (DNMT3b, EpCAM and CDH1 – p < .05).  Of these genes, only CDH1 is expressed in a  significantly different proportion of foci between Day 20P and Day 30P double positive  isolated foci.  The “late” group has very limited expression in double negative foci (Day  10N, Day 20N, Day 30N) and double positive foci isolated at Day 20P.  About half of the  double positive foci isolated at Day 30P show expression of these “late” genes.  The  expression differences between the “fully” reprogrammed hiPSC controls and Day 30P  foci are significant to very highly significant for all the genes.  The expression differences  between Day 20P and Day 30P double positive isolated foci are significant (p < .05) to  very highly significant (p < .001) for all genes except SOX2.  Furthermore, the expression  differences between Day 30P double positive foci and Day 30N double negative foci are  highly significant (p < .01) to very highly significant for all the “late” genes except HAS3.   Another interesting observation is that mouse OCT4 (muOCT4) is expressed on  all hiPSC and reprogramming foci samples tested indicating continued activity of the  reprogramming transposon.    Specificity of human and mouse OCT4 was tested by  inclusion of transposon plasmid as a control for mouse OCT‐4.  The mouse primer  detects expression of muOCT4 on the transposon but not huOCT4 on the hESC positive  controls.  Conversely, the human OCT4 primer does not amplify muOCT4 on the  transposon but does amplify endogenous human OCT4 on the hESC positive controls.  It is clear from the data that Day 10 colonies continue to exhibit a profile similar to the  control hDFfs. All Day 10 samples fall into the Fibroblastic cluster. Some Day 10 selected    120    foci exhibit increased expression for a few pluripotency related genes, but pan‐ activation of all the queried pluripotency genes was not observed.   All marker negative  foci selected at Day 20 group together in the Fibroblastic cluster.  About half of the Day  20 double positive samples, however, group with the Pluripotent cluster (GD19D,  GD20D, TD20E, TD202G, TD19A, TD19B, TD19C, TD20B, GD19F, GD19B, TD19D) with the  remainder retaining a more fibroblastic expression profile.   By Day 30, the expression  profile of marker positive colonies exhibits stronger expression of pluripotency genes  that more closely resembles that of the positive controls.  All but one (TD30C) Day 30  double positive foci group in the Pluripotent Cluster.   All Day 30 marker negative  reprogramming foci group with the Fibroblastic Cluster.    Intensely staining foci selected at Day 30 exhibit the most pluripotent expression  profile [Figure 38] by clustering closest to the positive controls (A).  Foci G30F and  TD302B (B) are two samples with intense staining and strong clustering with the positive  controls in the Pluripotent Cluster.  Intensely staining Day 20 double positive foci  (GD20D, TD19B) also cluster closer to the positive controls than a less intensely staining  counterpart GD20B.  Double negative Day 10 samples clearly cluster with the hDFf  negative controls.     121    121     Figure 38: Live‐Cell Staining Intensity Correlates With Expression  The top panel (A) shows clustering analysis for positive control hESCs and “fully” reprogrammed hiPSCs along with double positive foci selected at Day  20 and 30.  Double negative foci selected at Day 10 and hDFf negative controls are also included.  The clustering analysis shows strong segregation  between the various groups with most double positive foci clustering with positive controls and double negative samples clustering with negative  controls.  The most intensely staining double positive foci (B) group with positive controls suggesting that intense marker positivity can be used to  select for the most “fully” reprogrammed foci.    122    “Late” Markers of Pluripotency Increase “Fully” Reprogrammed hiPSC Derivation Efficiency Colonies exhibiting dual positivity showed dramatically higher derivation  efficiency compared to negative colonies [Table 3].  None of the marker negative  colonies gave rise to “fully” reprogrammed hiPSCs.  Of 53 marker negative colonies, 30  attached and exhibited outgrowths resembling “transformed” and “partially”  reprogrammed hiPSCs.  I was only able to passage two of these lines long‐term for  further characterization (T2Qn, T3Rn).  Of the 73 marker positive colonies live‐cell  selected, 19 attached and exhibited outgrowths.  Fourteen of these newly derived  hiPSCs exhibited a “fully” reprogrammed state observed by morphology with the other  five showing a “partially” reprogrammed identity by morphology.  With 14/73 live‐cell  selected foci generating hiPSCs with morphology suggestive of a “fully” reprogrammed  state, the selection aided derivation efficiency was 19.2%.   The live‐cell selected hiPSC  lines G4E, G4F, and T2G exhibit a “fully” reprogrammed morphology while the hiPSC  lines G5C, G5D, and T3D exhibit a “partially” reprogrammed morphology [Figure 39].    Several of these live cell selected “fully” and “partially” reprogrammed hiPSCs  were propagated long‐term and characterized by ICC, EB and teratoma assays [Figure  40].  The live‐cell selected, “fully” reprogrammed hiPSC line G4F demonstrates strong  marker positivity for the pluripotency markers TRA‐1‐60, GCTM‐2, GDF‐3, EpCAM, E‐ Cadherin, SSEA‐4, Alkaline Phospatase, OCT4, DNMT3b, Nanog, and SOX2 (A‐H).  The  strong staining is restricted to round, compact colonies much like that seen with the XF‐    123        Table 3: Live‐Cell ICC Selection Based Derivation Efficiency  Live‐cell staining with the pluripotency marker combinations GCTM‐2/EpCAM and TRA‐1‐60/E‐Cadherin  aids the selection of “fully” reprogrammed XF‐hiPSCs.  I isolated 73 double positive reprogramming foci  and 53 double negative foci and transferred them to xeno‐free culture dishes for derivation.  19 double  positive foci exhibited attachment/outgrowths (25.3%) compared to 30 double negative foci (56.6%).   14/19 (73.7%) double positive outgrowths exhibited a “fully” reprogrammed morphology after several  passages while 0/30 (0.0%) of the double negative outgrowths gave rise to “fully” reprogrammed hiPSCs.   Overall, 14/73 double positive foci gave rise to “fully” reprogrammed hiPSCs by morphology.  Several of  these “full” hiPSCs were shown to possess characteristics similar to hESCs.  Live‐cell selection greatly  increases derivation efficiency compared to selecting by morphology alone in which ~2% of selected foci  give rise to “fully” reprogrammed hiPSCs.    hESC line USC01.  The live‐cell selected, “partially” reprogrammed hiPSC line G5D also  demonstrates positivity for each of the markers in this study (I‐P), but the surface  markers show patchy staining across the colonies.  The nuclear markers also show  limited areas of positivity across each colony.  Embryoid body analysis for the live‐cell selected, “fully” reprogrammed hiPSC  line G4F shows positivity for Nestin, Alphafetoprotein, and Smooth Muscle Actin  confirming the presence of differentiated cells expressing genes characteristic of all  three germ layers [Figure 41].  Teratoma analysis is currently underway for G4F with the  results expected shortly.  4. Conclusions The data presented in this chapter support the hypothesis that reprogramming  colonies exhibiting intense staining for a combination of the late surface GCTM‐ 2/EpCAM and TRA‐1‐60/E‐Cadherin are more likely to give rise to “fully” reprogrammed     124        Figure 39: ‘Fully’ and ‘Partially’ Reprogrammed hiPSCs Derived from Live‐Cell Selection  These images illustrate the fate of reprogramming colonies selected by live‐cell ICC with combinations of  “late” pluripotency markers.  GCTM‐2 (green) / EpCAM (red) and TRA‐1‐60 (red) / E‐Cadherin (green) were  used in combination for selection.  Colonies demonstrating marked positivity for both markers were  isolated for propagation.  After several passages, colony morphology indicated that live‐cell selected  colonies gave rise to both “fully” and “partially” reprogrammed hiPSCs.  Most live‐cell selected hiPSCs  demonstrated a “fully” reprogrammed morphology.  Marker negative colonies isolated at Day 30 only  gave rise to “partially” reprogrammed hiPSCs.    125    iPSCs.  Several genes (FOXD3, CDH3, LCK, EPHA1, EDNRB, HAS3 and SOX2) were also  identified by quantitative expression analysis of foci undergoing reprogramming that  may have value in the further refinement of selection for the best “fully” reprogrammed  hiPSCs.  The reprogramming marker timeline experiment confirmed the late appearance  of TRA‐1‐60 (Day 12) and of EpCAM/E‐Cad (Day 12).  TRA‐1‐60 has previously been  identified as a selective pluripotency marker appearing “late” in the reprogramming  process (Chan, Ratanasirintrawoot et al. 2009).  EpCAM and E‐Cad were also recently  shown to be selective, late markers in mouse iPSCs (Chen, Chuang et al. 2011).  I also  demonstrated that GCTM‐2 appears late during the reprogramming process (Day 12)  with intense staining appearing by Day 18.  This is the first study to indicate the late  appearance of GCTM‐2, and it appears similar to the timeline for TRA‐1‐60.  This was  expected since GCTM‐2 and TRA‐1‐60 bind to the same antigen, but bind at different  epitopes.  The endogenous nuclear marker of pluripotency, Nanog, appears at Day 6  with widespread positivity by Day 9.  The secreted pluripotency marker and BMP  antagonist GDF‐3 also appears early at Day 9.  The endogenous nuclear pluripotency  marker, DNMT3b, demonstrated expression by Day 12.  The early appearance of the  endogenous nuclear markers makes them less selective for “fully” reprogrammed iPSCs  and their use would not be possible in a live‐cell selection process due to their  intracellular nature.  The early appearance of GDF‐3 also precludes its use as a selective  marker.  This study also marks the first characterizations of DNMT3b and GDF‐3 during     126        Figure 40: ICC of Live‐Cell Selected hiPSCs  These fluorescent images depict several markers of pluripotency expressed on two XF‐hiPSC lines that  were selected on Day 33 by live‐cell staining with the marker combination GCTM‐2/EpCAM.  The hiPSC  line G4F (top, P12) exhibits a “fully” reprogrammed morphology while the line G5D (bottom, P12) exhibits  a “partially” reprogrammed morphology.  Both lines are positive for all markers in this panel except for  SOX2 which was absent from all G5D colonies.  G4F exhibits strong colony‐wide staining for the markers,  similar to hESCs, while G5D shows non‐uniform positivity in small areas of each colony.  ICC confirms a  divergent phenotype between the “fully” and “partially” reprogrammed lines.  (A, I) Cell surface markers  TRA‐1‐60 (red) and GDF‐3 (green). (B,J) Cell surface markers GCTM‐2 (green) and EpCAM (red).  (C, K)  Nuclear markers OCT4 (green) and DNMT3b (red). (D,L) Cell surface marker E‐Cadherin (red) and nuclear  marker Nanog (green).  (E, M) Cell surface marker EpCAM (red) and nuclear marker DNMT3b (green). (F,  N) Cell surface markers EpCAM (red) and E‐Cadherin (green).  (G, O) Cell surface markerSSEA‐4 (green)  and nuclear marker SOX2 (red).  Alkaline Phosphatase (H, P) staining is faint, but positive (red).  All   of the preceding images have nuclear counterstaining with DAPI (blue).  Scale Bars = 50 um.    reprogramming.  OCT4 staining does not provide a basis for selection because existing  reagents do not discriminate between its expression from endogenous and transgene    127    sources.  Increasing intensity of OCT4 staining during reprogramming, however, may  point to the increased contribution of endogenously expressed OCT4, as this  pluripotency network is re‐activated by reprogramming transgene expression.  While the previous paragraph details the first appearance of positive staining for  the examined pluripotency markers, intense staining resembling that expressed on  positive control hiPSCs first appears around Day 18 for all markers.  The percentage of  reprogramming foci exhibiting intense staining plateaus around 10% for all markers by  Day 24 whereas positive staining above background increases over the course of the  timeline to 30‐50% of total colonies.  The appearance of foci exhibiting intense staining  may suggest a strong re‐activation of pluripotency regulatory networks.  Therefore,  selection by intensity of staining could aid isolation of the most “fully” reprogrammed  hiPSCs.  Additionally, staining for a combination of markers illustrates relationships  between the two markers.  In each combination study, the percentage of foci staining  positive for one marker was higher than the percentage staining for both markers.  The  one noticeable exception is the marker combination EpCAM/E‐Cadherin which  demonstrates a high level of concordance between single positive and double positive  foci.  This concordance supports the idea that EpCAM and E‐Cadherin are under the  same temporal control in the reprogramming process such that a similar pluripotency  regulatory network modulates the expression of both surface receptors.  Consequently,  marker combinations demonstrating a lack of concordance are most likely under control     128        Figure 41: Embryoid Body Analysis of Live‐Cell Selected hiPSCs  These images depict the pluripotency of the Xeno‐Free hiPSC line G4F through its differentiation  potential.  Embryoid body formation is a standard characterization assay utilized to identify progenitor  and fully differentiated cells.  Positivity for Nestin (red) indicates cells with a neural phenotype arising  from the ectoderm (A).  Alphafetoprotein (green) is indicative of liver progenitors arising from the  endoderm (B).  Smooth Muscle Actin is a contractile protein found in cells arising from the mesoderm (C).    of different regulatory networks.  Interestingly, when one categorizes the markers for  intense staining the level of concordance is very high.  For example, if one marker stains  intense, it is highly likely that the second marker in the combination will also stain  intense.  This data supports the hypothesis that intense staining is representative of foci  who have strong reactivation of all the pluripotency networks necessary to reach a  “fully” reprogrammed state.  A strong positive reaction in the ICC assay requires  activation not only of the relevant transcriptional network but also appropriate post‐ transcriptional control and post‐translational modification.     Further support for the link between intense staining and reactivation of  pluripotency regulatory networks is evident in the expression data arising from the  Fluidigm Biomark HD experiments.  Live‐cell staining by nature is a less sensitive imaging  technique than the highly sensitive staining images coming from the fixed samples on    129    glass slides presented in the timeline experiments.  The decrease in sensitivity results  from the challenge of imaging through a plastic cell culture dish and the overlying  culture medium.  Only the most intense staining foci will be adequately visualized.  The  plastic dish, consequently, acts as a high pass filter.  The expression data reflects this  relationship as double positive foci selected at Day 30 have an expression profile that  cluster with the pluripotent positive controls while less intense staining foci and  negative staining foci cluster with the fibroblast negative controls.  It is possible that  some of the negative staining foci selected for expression analysis would have been  scored in the positive (not intense) group if they were imaged on high resolution glass  slides.  This data supports the hypothesis that intense staining for a combination of late‐ markers select for hiPSCs exhibiting a more “fully” reprogrammed expression profile.  The quantitative expression data from this study provides a wealth of  information beyond the selectivity of live‐cell staining with a combination of  pluripotency markers.  As described in the results section, three major clusters of genes  exist among the samples.  The Downregulated Cluster illustrates genes expressed highly  on the fibroblast negative controls that must be downregulated to achieve a “fully”  reprogrammed state.  The Early Upregulated Cluster contains genes (OCT4, Nanog,  NODAL, CDH1, EpCAM, LEFTY1, CRIPTO1, and DNMT3b), all of which have well known  roles in the maintenance of pluripotency (Nichols, Zevnik et al. 1998; Chambers, Colby  et al. 2003; James, Levine et al. 2005; Vallier, Alexander et al. 2005; Li, Pu et al. 2007; Lu,  Lu et al. 2010; Redmer, Diecke et al. 2011), that must be upregulated to achieve “full”    130    reprogramming.  Researchers commonly look at the activation of these genes to  describe “full” reprogramming, but our data suggests that expression of these genes  alone does not signify complete reactivation of the pluripotency network.  A more  intriguing cluster of genes, consequently, is the Late Upregulated Cluster.  All of the  positive controls have high expression of these genes, but only some of the selected  reprogramming foci exhibit expression.  I hypothesize that the activation of this group of  genes which includes FOXD3, CDH3, LCK, EPHA1, EDNRB, HAS3 and SOX2 indicate a  more complete reprogramming process and could thus be used to isolate  reprogramming colonies that have the highest probability of becoming “fully”  reprogrammed hiPSCs.  There are data to implicate FOXD3 (Hanna, Foreman et al.  2002), SOX2 (Avilion, Nicolis et al. 2003), CDH3 (Kolle, Ho et al. 2009), LCK (Meyn,  Schreiner et al. 2005), and HAS3(Tang, Barbacioru et al. 2010) in the maintenance or  description of the pluripotent state.  Expression analysis of these genes indicates a  highly statistically significant difference between Day 30 double positive reprogramming  foci and the positive control “fully” reprogrammed hiPSCs and hESCs.  Over half of the  double positive foci were negative for expression of these genes suggesting that they  have not concluded the reprogramming process at this point.  It is possible that the foci  lacking expression of these genes would later exhibit expression, but the absence of  expression after 4‐5 weeks of reprogramming indicates a prolonged process that could  be abortive.  Selection of reprogramming foci that have rapidly re‐activated expression  of these late upregulated genes could improve the derivation of “fully” reprogrammed    131    hiPSCs.  Future studies could look at a timeline of appearance for these genes as  markers to see if they identify a smaller percentage of colonies during late  reprogramming with a more “fully” reprogrammed expression profile.  Moreover, one  could create a reporter construct with GFP driven by the promoters of these genes such  as FOXD3 or CDH3.  This reporter could be included on the reprogramming cassette if it  is insulated from the constitutive promoter.  Alternatively, an extra transposon plasmid  containing the reporter construct could be added to the transfection protocol.   Additionally, such a reporter line could help the production of XF‐hiPSCs since live‐cell  staining with animal sourced antibodies would not be necessary.  Among the upregulated genes not within the previously mentioned  Downregulated, Early Upregulated and Late Upregulated clusters are the early lineage  genes CER1, GSC, BRACHYURY, GATA4, and MIXL1.  I hypothesize that the elevated  expression of these genes indicates the progression of reprogramming foci through  lineage intermediates during the reprogramming process.  This could either occur as  they are still in transition, or there may be a significant subset of cells in a  reprogramming focus that are pluripotent and undergoing early stages of lineage  commitment.  This lineage expression data underlies the unstable, dynamic process of  reprogramming that is most likely incomplete even at Day 30.  It usually takes several  passages after foci isolation for a stable “fully” reprogrammed hiPSC line to appear.  This  points to a heterogenous population of cells existing within a single reprogramming  focus.  Even though the entire reprogramming focus originated from a single cell with    132    integrated transposon(s), each cell arising from a mitotic event can experience an  individual reprogramming environment such that some progeny cells will reach a “fully”  reprogrammed state while others may divert along another “partially” reprogrammed  intermediate state.  Staining data supports this idea since intense staining may be  limited to small areas of a reprogramming focus.  With time, the more “fully”  reprogrammed cells within the focus may compete with the intermediates such that the  majority of the focus exhibits intense staining.  Supporting this is the observation that  Day 20 foci often have limited areas of intense staining while Day 30 foci have a much  more focus‐wide, intense staining.  Additionally, I have been able to split two hiPSC cell  lines into clonogenic populations of “fully” and “partially” reprogrammed hiPSCs.  All of  these observations support the idea of a dynamic reprogramming process.  It would be  very interesting to perform single‐cell expression analysis on an entire reprogramming  focus to illustrate the different states of reprogramming present among each of its cells.  After confirming the link between intense staining for the marker combinations  GCTM‐2/EpCAM and TRA‐1‐60/E‐Cadherin with a more pluripotent expression profile, I  wanted to determine the usefulness of these markers for increasing the derivation  efficiency of hiPSCs.  At Day 30, I live‐cell stained several dishes and manually dissected  marker positive/negative foci.  The foci were transferred to xeno‐free cell culture dishes  for observation.  Of 53 double negative foci, 30 attached and proliferated.  All of these  double negative foci gave rise to “partially” reprogrammed hiPSCs with most failing to  propagate after a few passages.  Conversely, 19 of the 73 double positive foci exhibited    133    attachment/proliferation.  14 of these selected foci resulted in “fully” reprogrammed  hiPSCs while 5 resulted in “partially” reprogrammed hiPSCs.  The live‐cell selected cells  exhibiting a “fully” reprogrammed state stain strongly positive for my standard ICC  panel and illustrate differentiation into cells with characteristics of all three germ layers  by embryoid body analysis.    When taken as a percentage of total colonies selected, the “fully”  reprogrammed derivation efficiency of double positive foci is 14/73 (19.2%).  Compared  to derivation efficiency of selection by morphology alone which averages 1/50 ‐1/100  (1‐2%), live‐cell selection represents a nearly 20‐fold selection advantage.  This dramatic  improvement has the potential to save enormous amounts of time dedicated to initial  derivation and subsequent cell culture of hiPSCs.  Live‐cell selection utilizing a  combination of GCTM‐2, TRA‐1‐60, EpCAM, and E‐Cadherin provides a significant  advantage for the derivation of “fully” reprogrammed hiPSCs and could easily be  incorporated into automated selection protocols for high throughput methodology.   134    Conclusion The data presented in this dissertation represents several contiguous and  interconnected research projects.  I have successfully established a xeno‐free  pluripotent cell culture system that can be translated to a GMP facility for future clinical  derivation of pluripotent cell lines for drug discovery or regenerative medicine.  The  xeno‐free cell culture system successfully supported the derivation of several XF‐hiPSC  lines as well as the derivation of a XF‐hESC line, USC01.  I will soon begin the process of  submitting the paperwork for inclusion of USC01 on the NIH Stem Cell Registry to enable  federal funding support and distribution for future research.  While the original goal of  deriving several XF‐hiPSC and XF‐hESC lines for characterization of equivalency was not  achieved, comparison between USC01 and the XF‐hiPSC lines indicates strong similarity  among all assays, but it is apparent that there are also slight differences between hiPSCs  and hESCs in morphology, proliferative capacity, pluripotency marker expression, gene  expression profile and differentiation capacity.  The cell culture platform I have  developed provides a basis for comparison of the two cell types generated under  conditions fully compatible with clinical use.  The gene expression studies presented in  Chapter Four have a strong potential to add definition to the process of “full”  reprogramming and provide a foundation to select the best XF‐hiPSC transformants for  testing equivalence with the gold standard of pluripotency, hESCs.   135      Bibliography Ahrlund‐Richter, L., M. De Luca, et al. (2009). "Isolation and production of cells suitable  for human therapy: challenges ahead." Cell Stem Cell 4(1): 20‐6.    Avilion, A. A., S. K. Nicolis, et al. (2003). "Multipotent cell lineages in early mouse  development depend on SOX2 function." Genes Dev 17(1): 126‐40.    Biggers, J. D. and M. C. Summers (2008). "Choosing a culture medium: making informed  choices." Fertil Steril 90(3): 473‐83.    Bongso, A., C. Y. Fong, et al. (1994). "Isolation and culture of inner cell mass cells from  human blastocysts." Hum Reprod 9(11): 2110‐7.    Bongso, A. and S. Tan (2005). "Human blastocyst culture and derivation of embryonic  stem cell lines." Stem Cell Rev 1(2): 87‐98.    Botros, L., D. Sakkas, et al. (2008). "Metabolomics and its application for non‐invasive  embryo assessment in IVF." Mol Hum Reprod 14(12): 679‐90.    Braam, S. R., L. Zeinstra, et al. (2008). "Recombinant vitronectin is a functionally defined  substrate that supports human embryonic stem cell self‐renewal via alphavbeta5  integrin." Stem Cells 26(9): 2257‐65.    Briggs, R. and T. J. King (1952). "Transplantation of Living Nuclei From Blastula Cells into  Enucleated Frogs' Eggs." Proc Natl Acad Sci U S A 38(5): 455‐63.    Carey, B. W., S. Markoulaki, et al. (2009). "Reprogramming of murine and human  somatic cells using a single polycistronic vector." Proc Natl Acad Sci U S A 106(1):  157‐62.    Chambers, I., D. Colby, et al. (2003). "Functional expression cloning of Nanog, a  pluripotency sustaining factor in embryonic stem cells." Cell 113(5): 643‐55.    Chambers, I. and A. Smith (2004). "Self‐renewal of teratocarcinoma and embryonic stem  cells." Oncogene 23(43): 7150‐60.    Chan, E. M., S. Ratanasirintrawoot, et al. (2009). "Live cell imaging distinguishes bona  fide human iPS cells from partially reprogrammed cells." Nat Biotechnol 27(11):  1033‐7.    136      Chen, A. E., D. Egli, et al. (2009). "Optimal timing of inner cell mass isolation increases  the efficiency of human embryonic stem cell derivation and allows generation of  sibling cell lines." Cell Stem Cell 4(2): 103‐6.    Chen, G., D. R. Gulbranson, et al. (2011). "Chemically defined conditions for human iPSC  derivation and culture." Nat Methods 8(5): 424‐9.    Chen, H. F., C. Y. Chuang, et al. (2011). "Surface marker epithelial cell adhesion molecule  and E‐cadherin facilitate the identification and selection of induced pluripotent  stem cells." Stem Cell Rev 7(3): 722‐35.    Chin, M. H., M. J. Mason, et al. (2009). "Induced pluripotent stem cells and embryonic  stem cells are distinguished by gene expression signatures." Cell Stem Cell 5(1):  111‐23.    Chung, Y., I. Klimanskaya, et al. (2008). "Human embryonic stem cell lines generated  without embryo destruction." Cell Stem Cell 2(2): 113‐7.    Chung, Y., I. Klimanskaya, et al. (2006). "Embryonic and extraembryonic stem cell lines  derived from single mouse blastomeres." Nature 439(7073): 216‐9.    Cowan, C. A., J. Atienza, et al. (2005). "Nuclear reprogramming of somatic cells after  fusion with human embryonic stem cells." Science 309(5739): 1369‐73.    D'Amour, K. A., A. D. Agulnick, et al. (2005). "Efficient differentiation of human  embryonic stem cells to definitive endoderm." Nat Biotechnol 23(12): 1534‐41.    Doi, A., I. H. Park, et al. (2009). "Differential methylation of tissue‐ and cancer‐specific  CpG island shores distinguishes human induced pluripotent stem cells,  embryonic stem cells and fibroblasts." Nat Genet 41(12): 1350‐3.    Elefanty, A. G. and E. G. Stanley (2010). "Defined substrates for pluripotent stem cells:  are we there yet?" Nat Methods 7(12): 967‐8.    Ellerstrom, C., R. Strehl, et al. (2006). "Derivation of a xeno‐free human embryonic stem  cell line." Stem Cells 24(10): 2170‐6.    Evans, M. J. and M. H. Kaufman (1981). "Establishment in culture of pluripotential cells  from mouse embryos." Nature 292(5819): 154‐6.      137    Fraser, M. J., T. Ciszczon, et al. (1996). "Precise excision of TTAA‐specific lepidopteran  transposons piggyBac (IFP2) and tagalong (TFP3) from the baculovirus genome in  cell lines from two species of Lepidoptera." Insect Mol Biol 5(2): 141‐51.    Gardner, D. K., Schoolcraft, W.B. (1998). Elimination of high order multiple gestations by  blastocyst culture and transfer. Female infertility therapy current practice. H. C.  Shoham Z, Jacobs H. London, Martin Dunitz: 267‐274.    Geens, M., I. Mateizel, et al. (2009). "Human embryonic stem cell lines derived from  single blastomeres of two 4‐cell stage embryos." Hum Reprod 24(11): 2709‐17.    Gurdon, J. B. (1962). "Adult frogs derived from the nuclei of single somatic cells." Dev  Biol 4: 256‐73.    Hacein‐Bey‐Abina, S., C. von Kalle, et al. (2003). "A serious adverse event after  successful gene therapy for X‐linked severe combined immunodeficiency." N  Engl J Med 348(3): 255‐6.    Hanna, L. A., R. K. Foreman, et al. (2002). "Requirement for Foxd3 in maintaining  pluripotent cells of the early mouse embryo." Genes Dev 16(20): 2650‐61.    Hasegawa, K., J. E. Pomeroy, et al. (2010). "Current technology for the derivation of  pluripotent stem cell lines from human embryos." Cell Stem Cell 6(6): 521‐31.    Hasegawa, K., P. Zhang, et al. (2010). "Comparison of reprogramming efficiency  between transduction of reprogramming factors, cell‐cell fusion, and cytoplast  fusion." Stem Cells 28(8): 1338‐48.    Howe, S. J., M. R. Mansour, et al. (2008). "Insertional mutagenesis combined with  acquired somatic mutations causes leukemogenesis following gene therapy of  SCID‐X1 patients." J Clin Invest 118(9): 3143‐50.    Hu, B. Y., J. P. Weick, et al. (2010). "Neural differentiation of human induced pluripotent  stem cells follows developmental principles but with variable potency." Proc Natl  Acad Sci U S A 107(9): 4335‐40.    Hussein, S. M., N. N. Batada, et al. (2011). "Copy number variation and selection during  reprogramming to pluripotency." Nature 471(7336): 58‐62.    Hyun, I., K. Hochedlinger, et al. (2007). "New advances in iPS cell research do not  obviate the need for human embryonic stem cells." Cell Stem Cell 1(4): 367‐8.    138      Ilic, D., O. Genbacev, et al. (2007). "Derivation of hESC from intact blastocysts." Curr  Protoc Stem Cell Biol Chapter 1: Unit 1A 2.    Ilic, D., G. Giritharan, et al. (2009). "Derivation of human embryonic stem cell lines from  biopsied blastomeres on human feeders with minimal exposure to  xenomaterials." Stem Cells Dev 18(9): 1343‐50.    Jaenisch, R. and R. Young (2008). "Stem cells, the molecular circuitry of pluripotency and  nuclear reprogramming." Cell 132(4): 567‐82.    James, D., A. J. Levine, et al. (2005). "TGFbeta/activin/nodal signaling is necessary for  the maintenance of pluripotency in human embryonic stem cells." Development  132(6): 1273‐82.    Kaji, K., K. Norrby, et al. (2009). "Virus‐free induction of pluripotency and subsequent  excision of reprogramming factors." Nature 458(7239): 771‐5.    Kattal, N., J. Cohen, et al. (2008). "Role of coculture in human in vitro fertilization: a  meta‐analysis." Fertil Steril 90(4): 1069‐76.    Katz‐Jaffe, M. G., S. McReynolds, et al. (2009). "The role of proteomics in defining the  human embryonic secretome." Mol Hum Reprod 15(5): 271‐7.    Kim, D. S., J. S. Lee, et al. (2010). "Robust enhancement of neural differentiation from  human ES and iPS cells regardless of their innate difference in differentiation  propensity." Stem Cell Rev 6(2): 270‐81.    Kim, H. S., S. K. Oh, et al. (2005). "Methods for derivation of human embryonic stem  cells." Stem Cells 23(9): 1228‐33.    Kim, K., A. Doi, et al. (2010). "Epigenetic memory in induced pluripotent stem cells."  Nature 467(7313): 285‐90.    Klimanskaya, I., Y. Chung, et al. (2006). "Human embryonic stem cell lines derived from  single blastomeres." Nature 444(7118): 481‐5.    Kolle, G., M. Ho, et al. (2009). "Identification of human embryonic stem cell surface  markers by combined membrane‐polysome translation state array analysis and  immunotranscriptional profiling." Stem Cells 27(10): 2446‐56.      139    Kulkeaw, K., Y. Horio, et al. (2010). "Variation in hematopoietic potential of induced  pluripotent stem cell lines." Stem Cell Rev 6(3): 381‐9.    Laurent, L. C., C. M. Nievergelt, et al. (2010). "Restricted ethnic diversity in human  embryonic stem cell lines." Nat Methods 7(1): 6‐7.    Lee, H., J. Park, et al. (2009). "Induced pluripotent stem cells in regenerative medicine:  an argument for continued research on human embryonic stem cells." Regen  Med 4(5): 759‐69.    Lerou, P. H., A. Yabuuchi, et al. (2008). "Derivation and maintenance of human  embryonic stem cells from poor‐quality in vitro fertilization embryos." Nat  Protoc 3(5): 923‐33.    Lerou, P. H., A. Yabuuchi, et al. (2008). "Human embryonic stem cell derivation from  poor‐quality embryos." Nat Biotechnol 26(2): 212‐4.    Levine, A. J. and A. H. Brivanlou (2006). "GDF3, a BMP inhibitor, regulates cell fate in  stem cells and early embryos." Development 133(2): 209‐16.    Li, J. Y., M. T. Pu, et al. (2007). "Synergistic function of DNA methyltransferases Dnmt3a  and Dnmt3b in the methylation of Oct4 and Nanog." Mol Cell Biol 27(24): 8748‐ 59.    Li, R., J. Liang, et al. (2010). "A mesenchymal‐to‐epithelial transition initiates and is  required for the nuclear reprogramming of mouse fibroblasts." Cell Stem Cell  7(1): 51‐63.    Liao, J., Z. Wu, et al. (2008). "Enhanced efficiency of generating induced pluripotent  stem (iPS) cells from human somatic cells by a combination of six transcription  factors." Cell Res 18(5): 600‐3.    Liu, G., E. L. Aronovich, et al. (2004). "Excision of Sleeping Beauty transposons:  parameters and applications to gene therapy." J Gene Med 6(5): 574‐83.    Loser, P., J. Schirm, et al. (2010). "Human embryonic stem cell lines and their use in  international research." Stem Cells 28(2): 240‐6.    Lu, T. Y., R. M. Lu, et al. (2010). "Epithelial cell adhesion molecule regulation is  associated with the maintenance of the undifferentiated phenotype of human  embryonic stem cells." J Biol Chem 285(12): 8719‐32.    140      Ludwig, T. E., M. E. Levenstein, et al. (2006). "Derivation of human embryonic stem cells  in defined conditions." Nat Biotechnol 24(2): 185‐7.    Maetzel, D., S. Denzel, et al. (2009). "Nuclear signalling by tumour‐associated antigen  EpCAM." Nat Cell Biol 11(2): 162‐71.    Mali, P., B. K. Chou, et al. (2010). "Butyrate greatly enhances derivation of human  induced pluripotent stem cells by promoting epigenetic remodeling and the  expression of pluripotency‐associated genes." Stem Cells 28(4): 713‐20.    Mali, P., Z. Ye, et al. (2008). "Improved efficiency and pace of generating induced  pluripotent stem cells from human adult and fetal fibroblasts." Stem Cells 26(8):  1998‐2005.    Masaki, H., T. Ishikawa, et al. (2007). "Heterogeneity of pluripotent marker gene  expression in colonies generated in human iPS cell induction culture." Stem Cell  Res 1(2): 105‐15.    Mason, M. D. and M. F. Pera (1991). "Biochemical analysis and cellular location of the  GCTM‐2 antigen in embryonal carcinoma and in other tumour cell lines." Recent  Results Cancer Res 123: 59‐61.    McCormick, J. B., J. Owen‐Smith, et al. (2009). "Distribution of human embryonic stem  cell lines: who, when, and where." Cell Stem Cell 4(2): 107‐10.    Meissner, A., M. Wernig, et al. (2007). "Direct reprogramming of genetically unmodified  fibroblasts into pluripotent stem cells." Nat Biotechnol 25(10): 1177‐81.    Mercader, A., D. Valbuena, et al. (2006). "Human embryo culture." Methods Enzymol  420: 3‐18.    Meyn, M. A., 3rd, S. J. Schreiner, et al. (2005). "SRC family kinase activity is required for  murine embryonic stem cell growth and differentiation." Mol Pharmacol 68(5):  1320‐30.    Mitalipova, M., J. Calhoun, et al. (2003). "Human embryonic stem cell lines derived from  discarded embryos." Stem Cells 21(5): 521‐6.    Mitalipova, M. M., R. R. Rao, et al. (2005). "Preserving the genetic integrity of human  embryonic stem cells." Nat Biotechnol 23(1): 19‐20.    141      Mosher, J. T., T. J. Pemberton, et al. (2010). "Lack of population diversity in commonly  used human embryonic stem‐cell lines." N Engl J Med 362(2): 183‐5.    Ng, E. S., R. Davis, et al. (2008). "A protocol describing the use of a recombinant protein‐ based, animal product‐free medium (APEL) for human embryonic stem cell  differentiation as spin embryoid bodies." Nat Protoc 3(5): 768‐76.    Ng, V. Y., S. N. Ang, et al. (2010). "Characterization of epithelial cell adhesion molecule  as a surface marker on undifferentiated human embryonic stem cells." Stem  Cells 28(1): 29‐35.    Nichols, J., B. Zevnik, et al. (1998). "Formation of pluripotent stem cells in the  mammalian embryo depends on the POU transcription factor Oct4." Cell 95(3):  379‐91.    Orsulic, S., O. Huber, et al. (1999). "E‐cadherin binding prevents beta‐catenin nuclear  localization and beta‐catenin/LEF‐1‐mediated transactivation." J Cell Sci 112 ( Pt  8): 1237‐45.    Pera, M. F. (2011). "Stem cells: The dark side of induced pluripotency." Nature  471(7336): 46‐7.    Redmer, T., S. Diecke, et al. (2011). "E‐cadherin is crucial for embryonic stem cell  pluripotency and can replace OCT4 during somatic cell reprogramming." EMBO  Rep 12(7): 720‐6.    Reubinoff, B. E., M. F. Pera, et al. (2000). "Embryonic stem cell lines from human  blastocysts: somatic differentiation in vitro." Nat Biotechnol 18(4): 399‐404.    Richards, M., S. Tan, et al. (2003). "Comparative evaluation of various human feeders for  prolonged undifferentiated growth of human embryonic stem cells." Stem Cells  21(5): 546‐56.    Rodriguez‐Piza, I., Y. Richaud‐Patin, et al. (2010). "Reprogramming of human fibroblasts  to induced pluripotent stem cells under xeno‐free conditions." Stem Cells 28(1):  36‐44.    Ross, P. J., S. T. Suhr, et al. (2010). "Human‐induced pluripotent stem cells produced  under xeno‐free conditions." Stem Cells Dev 19(8): 1221‐9.      142    Sathananthan, A. H. and T. Osianlis (2010). "Human embryo culture and assessment for  the derivation of embryonic stem cells (ESC)." Methods Mol Biol 584: 1‐20.    Sato, N., L. Meijer, et al. (2004). "Maintenance of pluripotency in human and mouse  embryonic stem cells through activation of Wnt signaling by a pharmacological  GSK‐3‐specific inhibitor." Nat Med 10(1): 55‐63.    Schopperle, W. M., D. B. Kershaw, et al. (2003). "Human embryonal carcinoma tumor  antigen, Gp200/GCTM‐2, is podocalyxin." Biochem Biophys Res Commun 300(2):  285‐90.    Scott, C. T., J. B. McCormick, et al. (2009). "And then there were two: use of hESC lines."  Nat Biotechnol 27(8): 696‐7.    Smith, K. P., M. X. Luong, et al. (2009). "Pluripotency: toward a gold standard for human  ES and iPS cells." J Cell Physiol 220(1): 21‐9.    Solter, D. and B. B. Knowles (1975). "Immunosurgery of mouse blastocyst." Proc Natl  Acad Sci U S A 72(12): 5099‐102.    Stadtfeld, M., M. Nagaya, et al. (2008). "Induced pluripotent stem cells generated  without viral integration." Science 322(5903): 945‐9.    Strom, S., J. Inzunza, et al. (2007). "Mechanical isolation of the inner cell mass is  effective in derivation of new human embryonic stem cell lines." Hum Reprod  22(12): 3051‐8.    Takahashi, K. and S. Yamanaka (2006). "Induction of pluripotent stem cells from mouse  embryonic and adult fibroblast cultures by defined factors." Cell 126(4): 663‐76.    Tang, F., C. Barbacioru, et al. (2010). "Tracing the derivation of embryonic stem cells  from the inner cell mass by single‐cell RNA‐Seq analysis." Cell Stem Cell 6(5):  468‐78.    Thomas, K. R. and M. R. Capecchi (1987). "Site‐directed mutagenesis by gene targeting  in mouse embryo‐derived stem cells." Cell 51(3): 503‐12.    Thomson, J. A., J. Itskovitz‐Eldor, et al. (1998). "Embryonic stem cell lines derived from  human blastocysts." Science 282(5391): 1145‐7.      143    Turetsky, T., E. Aizenman, et al. (2008). "Laser‐assisted derivation of human embryonic  stem cell lines from IVF embryos after preimplantation genetic diagnosis." Hum  Reprod 23(1): 46‐53.    Utikal, J., J. M. Polo, et al. (2009). "Immortalization eliminates a roadblock during cellular  reprogramming into iPS cells." Nature 460(7259): 1145‐8.    Vallier, L., M. Alexander, et al. (2005). "Activin/Nodal and FGF pathways cooperate to  maintain pluripotency of human embryonic stem cells." J Cell Sci 118(Pt 19):  4495‐509.    Woltjen, K., I. P. Michael, et al. (2009). "piggyBac transposition reprograms fibroblasts to  induced pluripotent stem cells." Nature 458(7239): 766‐70.    Yamanaka, S. (2009). "Elite and stochastic models for induced pluripotent stem cell  generation." Nature 460(7251): 49‐52.    Yatohgo, T., M. Izumi, et al. (1988). "Novel purification of vitronectin from human  plasma by heparin affinity chromatography." Cell Struct Funct 13(4): 281‐92.    Yu, J., K. Hu, et al. (2009). "Human induced pluripotent stem cells free of vector and  transgene sequences." Science 324(5928): 797‐801.    Yu, J., M. A. Vodyanik, et al. (2006). "Human embryonic stem cells reprogram myeloid  precursors following cell‐cell fusion." Stem Cells 24(1): 168‐76.    Yusa, K., R. Rad, et al. (2009). "Generation of transgene‐free induced pluripotent mouse  stem cells by the piggyBac transposon." Nat Methods 6(5): 363‐9.    Zhao, T., Z. N. Zhang, et al. (2011). "Immunogenicity of induced pluripotent stem cells."  Nature 474(7350): 212‐5.    Zhou, H., S. Wu, et al. (2009). "Generation of induced pluripotent stem cells using  recombinant proteins." Cell Stem Cell 4(5): 381‐4.      144    Appendix A: Sperm/Egg Donor Consent Form   145        146        147        148        149      150      151    Appendix B: Embryo Donor Consent Form     152      153      154      155      156 
Asset Metadata
Creator Pomeroy, Jordan Elliott (author) 
Core Title Derivation and characterization of human embryonic stem (hES) cells and human induced pluripotent stem (hiPS) cells in clinical grade conditions 
Contributor Electronically uploaded by the author (provenance) 
School Keck School of Medicine 
Degree Doctor of Philosophy 
Degree Program Systems Biology and Disease 
Publication Date 05/01/2012 
Defense Date 03/05/2012 
Publisher University of Southern California (original), University of Southern California. Libraries (digital) 
Tag Cells,clinical,embryonic,human,induced,OAI-PMH Harvest,pluripotent,STEM 
Language English
Advisor Pera, Martin F. (committee chair), Chuong, Cheng-Ming (committee member), Lu, Wange (committee member), Ying, Qi-Long (committee member) 
Creator Email jep1780@yahoo.com,jpomeroy@usc.edu 
Permanent Link (DOI) https://doi.org/10.25549/usctheses-c3-20555 
Unique identifier UC11289441 
Identifier usctheses-c3-20555 (legacy record id) 
Legacy Identifier etd-PomeroyJor-692.pdf 
Dmrecord 20555 
Document Type Dissertation 
Rights Pomeroy, Jordan Elliott 
Type texts
Source University of Southern California (contributing entity), University of Southern California Dissertations and Theses (collection) 
Access Conditions The author retains rights to his/her dissertation, thesis or other graduate work according to U.S. copyright law.  Electronic access is being provided by the USC Libraries in agreement with the a... 
Repository Name University of Southern California Digital Library
Repository Location USC Digital Library, University of Southern California, University Park Campus MC 2810, 3434 South Grand Avenue, 2nd Floor, Los Angeles, California 90089-2810, USA
Abstract (if available)
Abstract Future use of pluripotent cells for regenerative medicine will require the derivation and characterization of new cell lines in clinical grade conditions.  Removing potential sources of contamination, such as cell culture components sourced from animals, will aid the regulatory approval for future stem cell based therapeutics.  In this dissertation, I describe the development of a xenobiotic-free cell culture system for the derivation and maintenance of human pluripotent cell lines.  I have derived >40 hiPSC lines and one hESC line in the xeno-free cell culture conditions with maintenance of pluripotency charcacterized by morphology and immunocytochemistry marker expression for >50 passages and >30 passages respectively.  The hESC line, USC-01 and several hiPSC lines derived for this study demonstrate highly similar gene expression patterns although slight differences are apparent.  USC-01 and several hiPSC lines demonstrate the ability to differentiate into cells displaying characteristics of all three germ layers in an embryoid body differentiation assay.  Further examination of the process of reprogramming somatic cells to a pluripotent state at both the RNA and protein expression levels indicates several genes/markers selective for hiPSCs achieving a pluripotent state most similar to the “gold-standard” of pluripotency possessed by hESCs.  This study confirms the usefulness of the markers TRA-1-60, E-Cadherin and EpCAM for live-cell selection of the best hiPSC colonies and also demonstrates the usefulness of the marker GCTM-2.  Expression analysis of colonies undergoing reprogramming also indicates that the genes FOXD3, CDH3, LCK, EDNRB, EPHA1, SOX2, and HAS3 are active in only a small subset of colonies 30 days after transfection of the piggyBac transposon reprogramming cassette.  Since these genes are active in all hESC and most hiPSC positive control lines tested, confirmation of their activation could be used to select reprogramming hiPSC colonies most likely to achieve a pluripotent state similar to hESCs.  Increased selection and derivation efficiencies of hiPSC lines demonstrating high fidelity to the hESC pluripotent state will streamline the generation of hiPSC lines for future testing as a replacement for hESCs in regenerative medicine. 
Tags
clinical
embryonic
human
induced
pluripotent
STEM
Linked assets
University of Southern California Dissertations and Theses
doctype icon
University of Southern California Dissertations and Theses 
Action button