Interleukin-3 (IL-3) is capable of supporting the proliferation of a broad range of hematopoietic cell types, whereas granulocyte colonystimulating factor (G-CSF) and macrophage CSF (M-CSF) represent critical cytokines in myeloid differentiation.When this was investigated in a pluripotent-stem-cell-based hematopoietic differentiation model, IL-3/G-CSF or IL-3/M-CSF exposure resulted in the continuous generation of myeloid cells from an intermediate myeloid-cell-forming complex containing CD34 + clonogenic progenitor cells for more than 2 months.Whereas IL-3/G-CSF directed differentiation toward CD45 + CD11b + CD15 + CD16 + CD66b + granulocytic cells of various differentiation stages up to a segmented morphology displaying the capacity of cytokine-directed migration, respiratory burst response, and neutrophil-extracellular-trap formation, exposure to IL-3/M-CSF resulted in CD45 + CD11b + CD14 + CD163 + CD68 + monocyte/macrophage-type cells capable of phagocytosis and cytokine secretion.Hence, we show here that myeloid specification of human pluripotent stem cells by IL-3/G-CSF or IL-3/M-CSF allows for prolonged and large-scale production of myeloid cells, and thus is suited for cell-fate and disease-modeling studies as well as gene-and cell-therapy applications.

Abstract Background There is a significant demand for intermediate-scale bioreactors in academic and industrial institutions to produce cells for various applications in drug screening and/or cell therapy. However, the application of these bioreactors in cultivating hiPSC-derived immune cells and other blood cells is noticeably lacking. To address this gap, we have developed a xeno-free and chemically defined intermediate-scale bioreactor platform, which allows for the generation of standardized human iPSC-derived hematopoietic organoids and subsequent continuous production of macrophages (iPSC-Mac). Methods We describe a novel method for intermediate-scale immune cell manufacturing, specifically the continuous production of functionally and phenotypically relevant macrophages that are harvested on weekly basis for multiple weeks. Results The continuous production of standardized human iPSC-derived macrophages (iPSC-Mac) from 3D hematopoietic organoids also termed hemanoids, is demonstrated. The hemanoids exhibit successive stage-specific embryonic development, recapitulating embryonic hematopoiesis. iPSC-Mac were efficiently and continuously produced from three different iPSC lines and exhibited a consistent and reproducible phenotype, as well as classical functionality and the ability to adapt towards pro- and anti-inflammatory activation stages. Single-cell transcriptomic analysis revealed high macrophage purity. Additionally, we show the ability to use the produced iPSC-Mac as a model for testing immunomodulatory drugs, exemplified by dexamethasone. Conclusions The novel method demonstrates an easy-to-use intermediate-scale bioreactor platform that produces prime macrophages from human iPSCs. These macrophages are functionally active and require no downstream maturation steps, rendering them highly desirable for both therapeutic and non-therapeutic applications.

Abstract Drug-inducible suicide systems may help to minimize risks of cellular therapies due to the tumor forming potential of human induced pluripotent stem cells (hiPSCs). Recent research challenged the usefulness of such systems since rare drug-resistant subclones were observed that showed elimination or silencing of the transgene. We have introduced a drug-inducible Caspase9 suicide system (iCASP9) into the AAVS1 safe harbor locus of hiPSCs. In these cells, apoptosis could be efficiently induced in vitro . In mice, drug treatment generally led to rapid elimination of teratomas, but individual animals subsequently formed tumor tissue from monoallelic iCASP9 hiPSCs. Very rare drug-resistant subclones of monoallelic iCASP9 hiPSCs appeared in vitro with frequencies of ~ 3×10 -8 . Transgene elimination, presumably via Loss of Heterozygosity (LoH), or methylation of the CAG promoter but not methylation of the ppp1r12c locus were identified as underlying mechanisms. In contrast, we never observed any escapees from biallelic iCASP9 hiPSCs, even after treatment of up to 0.8 billion hiPSCs. In conclusion, biallelic integration of an iCASP9 system in the AAVS1 locus may substantially contribute to the safety level of iPSC-based therapies, which should be calculated by relating clonal escapee frequencies to the cell number in tumors of a size that is readily detectable during routine screening procedures.