Este protocolo demuestra el uso de chips microfluídicos compartimentados, moldeados por inyección en un copolímero de olefina cíclico a neuronas cultivadas diferenciadas de las células madre humanas. Estos chips son premontados y más fáciles de usar que los dispositivos tradicionales de poli(dimetilsiloxano) compartimentados. Aquí se describen múltiples paradigmas experimentales comunes, como el etiquetado viral, el aislamiento fluido, la axotomía y la inmunomancha.
El uso de dispositivos microfluídicos para compartimentar las neuronas cultivadas se ha convertido en un método estándar en neurociencia. Este protocolo muestra cómo utilizar un chip multi-compartimento premontado hecho en un copolímero de olefina cíclico (COC) para compartimentar las neuronas diferenciadas de las células madre humanas. La huella de estos chips COC es la misma que una diapositiva de microscopio estándar y son igualmente compatibles con la microscopía de alta resolución. Las neuronas se diferencian de las células madre neuronales humanas (NSC) en neuronas glutamatérgicas dentro del chip y se mantienen durante 5 semanas, lo que permite tiempo suficiente para que estas neuronas desarrollen sinapsis y espinas dendríticas. Además, demostramos múltiples procedimientos experimentales comunes utilizando estos chips multi-compartimento, incluyendo el etiquetado viral, el establecimiento de microambientes, la axotomía y la inmunocitoquímica.
Las neuronas diferenciadas con células madre humanas (neuronas hSC) se utilizan cada vez más para la investigación biológica. Estas neuronas, que pueden derivarse de material de origen humano, son de gran interés para la investigación traslacional, incluyendo el estudio de lesiones cerebrales traumáticas y trastornos neurodegenerativos como la enfermedad de Alzheimer. Por lo tanto, las herramientas para mejorar y facilitar el estudio de las neuronas hSC están en demanda.
Para estudiar la morfología polarizada única de las neuronas, muchos investigadores utilizan dispositivos microfluídicos multicomparticionizados1,2,3,4,5,6, 7,8,9,10,11. Estos dispositivos permiten mediciones y manipulaciones de neuronas de proyección larga con acceso subcelular único. Los dispositivos microfluídicos multicomparticionales consisten en dos compartimentos microfluídicos paralelos separados por microgrooves, que guían el crecimiento axonal. Las neuronas o células madre neurales (NSC) se nivelan en el compartimiento somatodedrítico, y luego se adhieren a la parte inferior de la superficie del compartimiento después de minutos. Las neuronas diferenciadas crecen y extienden sus axons/proyecciones a través de la región de microgroove en un compartimiento axonal adyacente y aislado. En el pasado, estos dispositivos se fabricaban exclusivamente utilizando moldeo de réplica de poli (dimethylsiloxane) (PDMS). Los dispositivos PDMS tienen muchos inconvenientes descritos anteriormente12,incluyendo la hidrofobicidad persistente y la necesidad de montar en una cubierta de vidrio inmediatamente antes de su uso. Las virutas moldeadas por inyección premontadas superan muchos de estos inconvenientes y se venden comercialmente (ver Tabla de Materiales)12. Los compartimentos de estos chips se hacen hidrófilos de forma permanente y todo el chip se moldea por inyección en copolímero de olefina cíclico (COC) ópticamente transparente.
Este protocolo demuestra cómo utilizar este chip COC para diferenciar los SCN humanos en neuronas excitatorias, y para separar y aislar fluidamente sus proyecciones neuronales largas. Para esta demostración, las neuronas se diferenciaron de las células madre H9 aprobadas por NIH. Se pueden utilizar procedimientos similares para diferenciar las células madre pluripotentes inducidas por el hombre.
El chip COC multicompartimento premontado es una plataforma compartimentada fácil de usar para diferenciar y mantener los SCN humanos en neuronas durante largo plazo (>4 semanas). En este protocolo, demostramos la diferenciación de los InSC humanos en neuronas glutamatérgicas, neuronas de etiquetas retrógradas, realizamos inmunocitoquímica, visualizamos morfología dendrítica de la columna vertebral y realizan axotomía. Estos chips son compatibles con imágenes de alta resolución y no hay autofluorescencia con el COC12.
Los chips multicompartimento COC son funcionalmente equivalentes a los dispositivos compartimentados basados en silicona y tienen beneficios e inconvenientes como se describió anteriormente12. La Tabla 1 compara chips COC multicompartimento y dispositivos de silicona para el cultivo de neuronas hSC. Las virutas compartimentadas COC proporcionan una mejor superficie hidrófila para la fijación y el mantenimiento de células madre durante un largo período de cultivo. Los dispositivos basados en PDMS deben montarse y conectarse a los cubreobjetos de vidrio. La naturaleza hidrófoba de los dispositivosPDMS provoca la agregación de células madre 5; esto conduce a ambos desafíos en la toma de imágenes a nivel celular y una mayor susceptibilidad al daño físico debido al movimiento de los agregados celulares durante los cambios en los medios. El chip de plástico supera estos desafíos. El COC es impermeable al gas, a diferencia de PDMS, por lo que las bolsas de aire atrapadas o formadas dentro de los canales deben ser retiradas por el usuario. La solución de pre-recubrimiento reduce la posibilidad de que el aire quede atrapado en los canales. Esta solución consiste en etanol y otros agentes. Un protocolo publicado previamente para el cultivo de neuronas murinas dentro de estos chips de plástico proporciona detalles adicionales sobre las células de pipeteo y los medios dentro de los chips12. Los NSC son más frágiles que las neuronas murinas, por lo que deben ser manejados más suavemente. También es fundamental mezclar las células madre a fondo antes de enchaparlas pipetándolas suavemente hacia arriba y hacia abajo.
El uso de neuronas derivadas de células madre humanas diferenciadas in vitro se está volviendo cada vez más popular en la medicina y la investigación. Estas neuronas son importantes para la investigación y aplicaciones clínicas para muchos trastornos del SNC, incluyendo enfermedades neurodegenerativas y lesiones cerebrales traumáticas. Estas neuronas se asemejan mucho a las neuronas fetales humanas15. En el futuro, las neuronas envejecidas apropiadamente podrían ser generadas a partir de células madre para imitar la función neuronal relacionada con la edad y utilizarse junto con estos dispositivos compartimentados. Estos dispositivos facilitarán la investigación en enfermedades que afectan a la salud y la función del axón como los déficits de axón en las neuronas de los pacientes diagnosticados con trastornos del espectro autista y regeneración axonal después de la lesión16,17.
The authors have nothing to disclose.
Los autores reconocen el apoyo de Xona Microfluidics, LLC, el Instituto Nacional de Salud Mental (R42 MH097377), y el Instituto Nacional de Trastornos Neurológicos y Accidentes Cerebrovasculares (R41 NS108895, P30 NS045892). El contenido es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud.
Alexa Fluor hydrazide 488 | ThermoFisher Scientific | A10436 | |
Alexa Fluor secondary antibodies | ThermoFisher Scientific | 1:1000 | |
anti_beta-tubulin III | Aves | TUJ | 1:1000 |
anti-vGAT antibody | Synaptic Systems | 131 003 | 1:1000 |
anti-vGlut1 antibody | NeuroMab | 75-066 | clone N28/9, 1:100 |
complete neural stem cell media: | |||
REC HU EGF 10 UG BIOSOURCE (TM) |
ThermoFisher Scientific | PHG0314 | 20ng/mL |
REC HU FGF BASIC 10 UG BIOSOURCE (TM) |
ThermoFisher Scientific | PHG0024 | 20ng/mL |
GlutaMAX Supplement (100X) | ThermoFisher Scientific | 35050061 | 2mM |
KnockOut DMEM/F-12 | ThermoFisher Scientific | 12660012 | |
StemPro Neural Supplement | ThermoFisher Scientific | A1050801 | 2% |
Epifluorescence imaging system | EVOS Fluorescence imaging system | AMF4300 | 10x objective |
fluorinated ethylene propylene film | American Durafilm | 50A | 0.5 mil thickness |
Fluoromount G | ThermoFisher Scientific | 00-4958-02 | |
Gibco DPBS without Calcium and Magnesium | ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
GIBCO HUMAN NSC (H9) KIT COMBO KIT |
Gibco | N7800200 | |
Gibco Laminin | ThermoFisher Scientific | 23017015 | |
Glass Pasteur pipettes | Sigma-Aldrich | CLS7095D5X SIGMA | 5.75 in length |
H9-DERIVED HU NEURAL STEM CELL 1E6 CELLS/VIAL; 1 ML |
ThermoFisher Scientific | 510088 | |
hibernate-E Medium | ThermoFisher Scientific | A1247601 | |
Incubator, 5% CO2 37 °C | |||
Laser scanning confocal imaging system | Olympus | FV3000RS | 30x silicone oil objective |
modified rabies virus | Salk Institute for Biological Studies | G-deleted Rabies-eGFP | Material Transfer Agreement required |
Mr. Frosty | ThermoFisher Scientific | 5100-0001 | |
Neural differentiation media | Per 100 mL. | ||
Antibiotic-Antimycotic (100x) | ThermoFisher Scientific | 15240112 | 1mL (100X) |
Ascorbic acid | Sigma Aldrich | A8960 | 200mM |
BDNF | ThermoFisher Scientific | PHC7074 | 40 ng/mL |
Gibco B27 Plus Supplement (50X) | FisherScientific | A3582801 | 2mL (50X) |
Gibco CultureOne Supplement (100X) | FisherScientific | A3320201 | 1mL (100X) |
Gibco Neurobasal Plus Medium | FisherScientific | A3582901 | |
StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | ThermoFisher Scientific | A1110501 | |
Taylor Wharton Liquid N2 dewar | FisherScientific | 20HCB11M | |
triton X-100 | ThermoFisher Scientific | 28314 | |
XC pre-coat | Xona Microfluidics, LLC | XC Pre-Coat | included with XonaChips |
XonaChip | Xona Microfluidics, LLC | XC450 | 450 µm length microgroove barrier |
Humidifier Tray | Xona Microfluidics, LLC | humidifier tray |