私たちは、興奮性皮質ニューロン12に人間の人工多能性幹細胞(hiPSCs)の、迅速な再現性、および効率的な分化を説明以前に公開されたプロトコルを変更して実施します。具体的には、私たちの修飾は、神経細胞の密度の制御を可能にし、ネットワークレベルでの電気生理学的特性を測定するために微小電極アレイ上で使用します。
人間の人工多能性幹細胞(hiPSCs)由来のニューロンは、神経疾患を研究するための有望な新しいツールを提供しています。過去十年間では、ニューロンへhiPSCsを区別するための多くのプロトコルが開発されています。しかし、これらのプロトコルは、多くの場合、高い変動、低再現性、および低効率と遅いです。また、これらのプロトコルを用いて得られたニューロンは、多くの場合、未成熟であり、ニューロンは、数ヶ月のために培養される場合を除き、単一細胞とネットワークの両レベルで十分な機能活性を欠いています。部分的に起因するこれらの制限のために、hiPSC由来の神経回路網の機能特性は、まだ十分に特徴付けられていません。ここでは、転写因子ニューロゲニン-2 12の強制発現によってhiPSCsからのヒトの神経細胞の産生を記載し、最近公開されたプロトコルに適合させます。このプロトコルは、transducのほぼ100%の変換効率で、迅速な(3週間以内に成熟ニューロンを生じる)と効率的ですED細胞(> DAPI陽性細胞の95%であるMAP2陽性)。さらに、プロトコルは、神経疾患への細胞型特異的な貢献の調査を可能にする興奮性ニューロンの均一な集団を生成します。私たちは私たちに、ニューロンの総数を明示的に制御を与え、安定的に形質導入されたhiPSC細胞を生成することにより、元のプロトコルを変更しました。次いで、これらの細胞を微小電極アレイ上hiPSC由来神経回路網を生成するために使用されます。細胞密度の観点から実験間の一貫性を保持しつつ、このようにして、hiPSC由来の神経回路網の自発電気活動を測定し、特徴付けることができます。提示されたプロトコルは、特にヒト神経ネットワーク上の機序および薬理学的研究のために、広く適用可能です。
in vitroでのヒト神経細胞を生成するために、人間の人工多能性幹細胞(hiPSCs)の開発分化プロトコルは、神経疾患を研究するための強力な新しいツールを提供しています。最近まで、これらの疾患の研究は厳しく、人間の神経細胞を用いたモデルシステムの欠如によって妨げられました。げっ歯類の神経疾患を研究するために使用することができるが、そのような試験の結果は、ヒト1に容易に変換することができません。これらの制限を考えると、hiPSC由来のニューロンは、神経学的障害の根底にある分子メカニズムを解明し、インビトロ薬剤スクリーニングのためにするために使用することができる有望な代替モデルです。
過去十年間では、ニューロンへhiPSCsを変換するには、いくつかのプロトコルが2-8を開発されてきました。しかし、これらのプロトコルは、依然として多くの方法で制限されています。まず、プロトコルは、多くの場合、時間がかかる:( すなわち synap十分な成熟と神経細胞を生成しますSE形成)および機能的活性は、9困難な大規模な研究をレンダリングする培養手順、数ヶ月を必要とします。また、hiPSC対のニューロンの変換効率が低いです。プロトコルは、多くの場合、神経細胞の異種集団を得、従って、神経細胞の特定のサブセットの研究を許可していません。また、プロトコルが異なるIPSCライン10,11のために異なる結果をもたらす、再現性がありません。最後に、成熟段階と、得られた神経細胞の機能的特性はまた、10の変数です。
これらの問題に対処するために、Zhang ら。 (2013)12を迅速かつ再現ニューロゲニン-2転写因子を過剰発現させることによってhiPSCsからのヒトの神経細胞を生成するプロトコルを開発しました。ニューロンの特性は、複数の独立している( – (3週間ニューロゲニン-2の発現を誘導した後にのみ2)、プロトコルが再現可能である著者によって報告され、分化が比較的迅速に発生しますhiPSCライン)をtarting、およびhiPSCツーニューロンの変換は(ほぼ100%)は非常に効率的です。そのプロトコルで生成された神経細胞の集団は、神経疾患への細胞型特異的な貢献の調査を可能にすること、(上位層皮質ニューロンに似ている)均質です。さらに、彼らのhiPSC由来のニューロンは、わずか20日後に成熟した性質(シナプスと堅牢な機能活性を形成するために、 例えば 、能力)を示しました。
hiPSC技術は、ヒト疾患の研究のために利用することができる前に、ネットワークレベルでhiPSC由来の神経細胞の電気生理学的特性を特徴づけることは、重要な前提条件です。この理由のため、多くの研究グループは、最近、マイクロ電極アレイ(MEA)装置(マルチチャンネルシステムズ、ロイトリンゲン、ドイツ)13-16を用いて、ネットワークレベルで幹細胞由来のニューロンを研究し始めました。 MEAの電極は、神経細胞を培養することが可能な基板内に埋め込まれています。MEAは、神経回路網の電気生理学的特性およびその活性のインビトロでの発達を調査するために使用することができます。現在、のMEAは、成熟したネットワークを生成するために数ヶ月を要する分化プロトコルと組み合わせて使用されます。したがって、迅速な分化プロトコルでのMEAを組み合わせて、神経障害の大規模な研究で、この技術の使用を容易にすべきです。
ここでは、Zhang らの変更を提示します。 (2013年)12プロトコルとのMEA上で使用するためにそれを適応させます。具体的には、むしろ急性レンチウイルス形質導入に頼るよりも、我々は代わりに安定的に分化を誘導する前のrtTA / Ngn2を表現hiPSCラインを作成しました。我々は、神経細胞の密度は、神経ネットワーク形成のための、および神経細胞およびMEA 17,18の電極間の良好な接触のために重要であるため、主に、神経細胞密度にわたって再現可能な制御を持つようにこれをしました。 Althoug時間Zhang ら。プロトコルは、形質導入hiPSCsの変換に関して非常に効率的である、それは最初は12(Zhang らに図2Eを参照してください)メッキhiPSCsの数からニューロンの最終収率に関して本質的に可変です。安定したラインで、我々はこのようなレンチウイルスの毒性と感染効率などの変動を引き起こす多くの問題を、排除します。私たちは、その後、第3週することで、ネットワークの成熟( 例えば 、チャネルの大部分を含む同期イベント)を得、確実にMEAの上hiPSC由来の神経回路網を生成するパラメータを最適化しました。この迅速かつ信頼性の高いプロトコルが異なる( すなわち、患者特異的)hiPSCラインだけでなく、薬理学的研究のための強固な一貫性を提供由来ニューロン間の直接比較を有効にする必要があります。
ここでは、Zhang らによって発表され、効率的なhiPSC-分化プロトコルを実装しています。 MEAの上hiPSC由来の神経回路網のネットワーク活動を測定する(2013)12。我々は、神経分化を誘導する前のrtTA / Ngn2陽性hiPSCラインを作成することによって、元のプロトコルを適応しました。この追加のステップは、私たちは、MEA上の神経細胞密度を制御することができます。神経細胞の密度の制御は、MEAのにプロトコルを適応させるための性と一貫性を確保するための重要な前提条件でした。 MEAを用いた神経回路網の活性を測定するために、神経細胞は、MEAの電極17,18の上に直接密なネットワークを形成する必要があります。これは必ずしも神経細胞のプレーティング密度を厳密に制御する必要があります。この戦術は、分化前にhiPSCsの急性レンチウイルス形質導入に依存しないためのrtTA / Ngn2陽性hiPSCラインは、ニューロン密度を制御することができます。rtTA / Ngn2陽性hiPSCラインは、したがって、ほぼ例えば、レンチウイルスの毒性および可変感染効率に起因最終収率の変動を排除します。
実験手順のもう一つの重要なステップは、差別hiPSCsと共培養されたラットアストロサイトの数です。アストロサイトは、積極的に神経機能するために重要なプロセスであるその全てが、シナプス形成、保守、および除去を制御することにより、神経回路の開発の洗練に貢献しています。本論文で提示プロトコルは非常にアストロサイトに依存している:完全に成熟と機能のシナプスを形成するために、ニューロンはアストロサイトからのサポートを必要とします。我々は、アストロサイトの数は、ニューロンの成熟と自発的な活性を示す神経回路網の形成をサポートするために、hiPSC由来のニューロンの数にほぼ等しくなければならないことを経験しました。私たちのアストロサイトのプロトコル利回り初代細胞CULので、限られた寿命を持つトゥーレスは、ラットアストロサイトの単離は、定期的に実行する必要があります。
Zhang らによって発表されたプロトコルの私達の適応。 (2013)12は、MEA技術で使用するための可能性が大幅にhiPSC派生ネットワークのネットワーク活動を研究する当社の能力を向上させます。以前は、時間のかかる分化手順13-16に頼ったMEAとhiPSC由来の神経回路網の研究のために使用されるプロトコル。 Zhang らからプロトコル。 (2013)は、迅速な代替手段を提供し、私たちの修正は、それが今より実現可能な特に高スループットまたは薬理学的研究では、MEAの技術と組み合わせてhiPSC由来の神経細胞を使用することが可能になる変動性の源を除去します。また、この方法は、Zhang らにより発表されているため。 (2013)12は、私たちの適応プロトコルはネットワークAへの可能なフォーカスされた研究を行い、上位層皮質ニューロンの均一な集団を生成しますこの特定の神経細胞のサブセットのctivity。
それにもかかわらず、このアプローチはまた、いくつかの制限を有します。培養物は、ニューロンの異なるクラス( すなわち、抑制性および興奮性ニューロン)の異種ネットワークを構成する生体内ネットワークに似ている可能性が低いため、最初に、培養物の均質性はまた、不利と考えることができます。さらにMEA技術とhiPSC由来の神経細胞の使用を強化するために、他の神経細胞集団のための迅速な(導入遺伝子ベース)の分化プロトコルを開発することが重要であろう。プロトコルが利用可能になった場合は、in vitroでのネットワークは、より密接にin vivoでのネットワークを模倣します。第二に、現在ではラットアストロサイトは、成長をサポートするためのhiPSC由来の神経細胞に添加しなければならないので、結果として神経回路網は、人間の神経回路網狭義ではありません。アストロサイトにhiPSCsを区別するための信頼性の高いプロトコルは、将来のゾル5月この問題は26 VEの 。ここで説明するように、第3の、二次元の神経回路網は、複雑な三次元インビボで神経回路網を研究するための限られたモデルです。幸いなことに、MEAの技術と組み合わせて、ラット初代神経細胞の三次元培養を記述するプロトコルは、27,28はすでに利用可能です。将来を見越して、3次元培養技術とMEA技術でhiPSC由来の神経細胞とアストロサイトを得るための迅速な分化プロトコルの組み合わせは、神経疾患の根底にある生物学的メカニズムに新たな洞察を提供する必要があります。
The authors have nothing to disclose.
The authors thank Jessica Classen for performing the whole-cell patch-clamp experiments. The hiPSCs used in our experiments were kindly provided by Huiqing Zhou and Willem van den Akker from the Radboud University Nijmegen. The transfer vectors used in this protocol were kindly provided by Oliver Brüstle, Philipp Koch and Julia Ladewig from the University of Bonn Medical Centre.
Lebovitz's L-15 medium | Gibco | 11415-064 | |
B-27 supplement | Gibco | 0080085SA | |
Poly-D-lysine | Sigma-Aldrich | P6407 | |
Ca2+/Mg2+-free HBSS | Gibco | 14175-095 | |
0.05 % Trypsin-EDTA | Gibco | 25300-054 | |
2.5 % Trypsin | Gibco | 15090-046 | |
High-glucose DMEM | Gibco | 11965-092 | |
FBS | Sigma-Aldrich | F2442-500ML | |
Penicillin/Streptomycin | Sigma-Aldrich | P4333 | |
70 µm cell strainer | BD Falcon | 352350 | |
DPBS | Gibco | 14190-094 | |
psPAX2 lentiviral packaging vector | Addgene | Plasmid #12260 | |
pMD2.G lentiviral packaging vector | Addgene | Plasmid #12259 | |
Basement membrane matrix | Gibco | A1413201 | |
DMEM/F12 | Gibco | 11320-074 | |
Cell detachment solution | Sigma-Aldrich | A6964 | |
E8 medium | Gibco | A1517001 | |
ROCK inhibitor | Gibco | A2644501 | Alternatively, ROCK inhibitors like thiazovivin can be used. |
Polybrene | Sigma-Aldrich | H9268-5G | |
G418 | Sigma-Aldrich | G8168-10ML | |
Puromycin | Sigma-Aldrich | P9620-10ML | |
Vitronectin | Gibco | A14700 | |
6-well MEAs | Multi Channel Systems | 60-6wellMEA200/30iR-Ti-tcr | |
Glass coverslips | VWR | 631-0899 | |
Poly-L-ornithine | Sigma-Aldrich | P3655-10MG | |
Laminin | Sigma-Aldrich | L2020-1MG | |
Doxycyclin | Sigma-Aldrich | D9891-5G | |
N-2 supplement | Gibco | 17502-048 | |
Non-essential amino acids | Sigma-Aldrich | M7145 | |
NT-3, human recombinant | Promokine | C66425 | |
BDNF, human recombinant | Promokine | C66212 | |
Trypsin-EDTA | Gibco | 25300-054 | |
L-alanyl-L-glutamine | Gibco | 35050-038 | |
Neurobasal medium | Gibco | 21103-049 | |
Cytosine β-D-arabinofuranoside | Sigma-Aldrich | C1768-100MG | |
Straight fine-tipped forceps | Fine Science Tools | 11251 | |
Fine-tipped spring scissors | Fine Science Tools | 91500-09 |