Hematopoietic stem cells (HSCs) primarily reside in the bone marrow, where they receive external cues from their local microenvironment. The complex milieu of biophysical cues, cellular components and cell-secreted factors regulates the process by which HSC produce the blood and immune system. We previously showed direct coculture of primary murine hematopoietic stem and progenitor cells with a population of marrow-derived mesenchymal stromal and progenitor cells (MSPCs) in a methacrylamide-functionalized gelatin (GelMA) hydrogel improves hematopoietic progenitor maintenance. However, the mechanism by which MSPCs influenced HSC fate decisions remained unknown. Herein, we report the use of proteomic analysis to correlate HSC phenotype to a broad candidate pool of 200 soluble factors produced by combined mesenchymal and hematopoietic progeny. Partial least squares regression (PLSR), along with an iterative filter method, identified TGFβ-1, MMP-3, c-RP and TROY as positively correlated with HSC maintenance. Experimentally, we then observe exogenous stimulation of HSC monocultures in GelMA hydrogels with these combined cytokines increases the ratio of hematopoietic progenitors to committed progeny after a 7-day culture 7.52 ± 3.65-fold compared to non-stimulated monocultures. Findings suggest a cocktail of the downselected cytokines amplifies hematopoietic maintenance potential of HSCs beyond that of MSPC-secreted factors alone. This work integrates empirical and computation methods to identify cytokine combinations to improve HSC maintenance within an engineered HSC niche, suggesting a route toward identifying feeder-free culture platforms for HSC expansion. Insight Hematopoietic stem cells within an artificial niche receive maintenance cues in the form of soluble factors from hematopoietic and mesenchymal progeny. Applying a proteomic regression analysis, we identify a reduced set of soluble factors correlated to maintenance of a hematopoietic phenotype during culture in a biomaterial model of the bone marrow niche. We identify a minimum factor cocktail that promotes hematopoietic maintenance potential in a gelatin-based culture, regardless of the presence of mesenchymal feeder cells. By combining empirical and computational methods, we report an experimentally feasible number of factors from a large dataset, enabling exogenous integration of soluble factors into an engineered hematopoietic stem cell for enhanced maintenance potential of a quiescent stem cell population.

中文翻译：

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在工程化的骨髓生态位中将分泌组与造血干细胞表型变化联系起来。

造血干细胞 (HSC) 主要存在于骨髓中，在那里它们接收来自其局部微环境的外部信号。生物物理线索、细胞成分和细胞分泌因子的复杂环境调节 HSC 产生血液和免疫系统的过程。我们之前展示了在甲基丙烯酰胺功能化明胶 (GelMA) 水凝胶中将原代小鼠造血干细胞和祖细胞与骨髓来源的间充质基质和祖细胞 (MSPC) 直接共培养可改善造血祖细胞的维持。然而，MSPC 影响 HSC 命运决定的机制仍然未知。在此，我们报告了使用蛋白质组学分析将 HSC 表型与由间充质和造血后代组合产生的 200 种可溶性因子的广泛候选库相关联。偏最小二乘回归 (PLSR) 以及迭代过滤器方法确定 TGFβ-1、MMP-3、c-RP 和 TROY 与 HSC 维持正相关。在实验上，我们然后观察到外源性刺激 GelMA 水凝胶中的 HSC 单培养与这些组合细胞因子相比，7 天培养后造血祖细胞与定型后代的比率增加了 7.52 ± 3.65 倍，与非刺激的单一培养相比。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。连同迭代过滤方法，确定 TGFβ-1、MMP-3、c-RP 和 TROY 与 HSC 维持正相关。在实验上，我们然后观察到外源性刺激 GelMA 水凝胶中的 HSC 单培养与这些组合细胞因子相比，7 天培养后造血祖细胞与定型后代的比率增加了 7.52 ± 3.65 倍，与非刺激的单一培养相比。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。连同迭代过滤方法，确定 TGFβ-1、MMP-3、c-RP 和 TROY 与 HSC 维持正相关。在实验上，我们然后观察到外源性刺激 GelMA 水凝胶中的 HSC 单培养与这些组合细胞因子相比，7 天培养后造血祖细胞与定型后代的比率增加了 7.52 ± 3.65 倍，与非刺激的单一培养相比。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。c-RP 和 TROY 与 HSC 维持正相关。在实验上，我们然后观察到外源性刺激 GelMA 水凝胶中的 HSC 单培养与这些组合细胞因子相比，7 天培养后造血祖细胞与定型后代的比率增加了 7.52 ± 3.65 倍，与非刺激的单一培养相比。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。c-RP 和 TROY 与 HSC 维持正相关。在实验上，我们然后观察到外源性刺激 GelMA 水凝胶中的 HSC 单培养与这些组合细胞因子相比，7 天培养后造血祖细胞与定型后代的比率增加了 7.52 ± 3.65 倍，与非刺激的单一培养相比。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。然后，我们观察到外源性刺激 GelMA 水凝胶中的 HSC 单培养与这些组合细胞因子相比，7 天培养后造血祖细胞与定型后代的比例增加了 7.52 ± 3.65 倍。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。然后，我们观察到外源性刺激 GelMA 水凝胶中的 HSC 单培养与这些组合细胞因子相比，7 天培养后造血祖细胞与定型后代的比例增加了 7.52 ± 3.65 倍。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。研究结果表明，低选择的细胞因子的混合物可以放大 HSC 的造血维持潜力，超出单独的 MSPC 分泌因子的能力。这项工作整合了经验和计算方法来确定细胞因子组合，以改善工程造血干细胞生态位内的造血干细胞维持，提出了一种确定无饲养层培养平台以进行造血干细胞扩增的途径。Insight人造生态位内的造血干细胞以来自造血和间充质后代的可溶性因子的形式接收维持线索。应用蛋白质组学回归分析，我们确定了一组减少的可溶性因子，这些因子与在骨髓壁龛生物材料模型中培养期间维持造血表型相关。我们确定了在基于明胶的培养物中促进造血维持潜力的最小因子鸡尾酒，而不管是否存在间充质饲养细胞。通过结合经验和计算方法，我们从大型数据集中报告了实验上可行的因子数量，使可溶性因子外源性整合到工程造血干细胞中，以增强静止干细胞群的维持潜力。