本协议解释了从诱导多能干细胞生成2D单层小脑细胞,用于研究小脑发育的早期阶段。
小脑的精确和及时发育不仅对准确的运动协调和平衡至关重要,而且对认知也至关重要。此外,小脑发育的中断与许多神经发育障碍有关,包括自闭症、注意力缺陷多动障碍 (ADHD) 和精神分裂症。人类小脑发育的研究以前只能通过尸检或神经成像进行,但这些方法不足以了解早期 发育过程中体内 发生的分子和细胞变化,这是许多神经发育障碍的起源。从体细胞产生人类诱导多能干细胞(iPSC)的技术的出现以及进一步将iPSC重新分化为神经元的能力为早期大脑发育的 体外 建模铺平了道路。本研究为需要二维(2D)单层结构的应用提供了生成小脑细胞的简化步骤。代表早期发育阶段的小脑细胞通过以下步骤 来源 于人iPSC:首先,在三维(3D)培养中制造胚状体,然后用FGF2和胰岛素处理以促进小脑命运规范,最后,在聚l-鸟氨酸(PLO)/层粘连蛋白包被的底物上最终分化为单层。在分化 35 天时,iPSC 来源的小脑细胞培养物表达小脑标志物,包括 ATOH1、PTF1α、PAX6 和 KIRREL2,表明该方案产生谷氨酸能和 GABA 能小脑神经元前体,以及浦肯野细胞祖细胞。此外,分化的细胞显示出独特的神经元形态,并且对神经元身份的免疫荧光标志物(如TUBB3)呈阳性。这些细胞表达轴突引导分子,包括信号蛋白-4C、丛蛋白-B2和神经皮林-1,可以作为研究神经突生长和突触连接的分子机制的模型。该方法生成可用于下游应用的人类小脑神经元,包括需要 2D 单层格式的基因表达、生理和形态学研究。
了解人类小脑发育和这一过程的关键时间窗口不仅对于解码神经发育障碍的可能原因很重要,而且对于确定治疗干预的新靶点也很重要。在体外模拟人类小脑发育一直具有挑战性,但随着时间的推移,已经出现了许多区分人类胚胎干细胞(hESC)或具有小脑谱系命运的iPSCs的方案1,2,3,4,5,6,7,8.此外,重要的是开发产生可重复结果的协议,相对简单(以减少错误),并且不承担沉重的货币成本。
小脑分化的第一个方案是从板状胚体(EB)的2D培养物中产生的,用类似于体内发育的各种生长因子诱导小脑命运,包括WNT,BMP和FGFs1,9。最近发表的方案主要在用FGF2和胰岛素诱导3D类器官培养中诱导分化,然后是FGF19和SDF1用于菱形唇样结构3,4,或使用FGF2,FGF4和FGF8的组合5。两种小脑类器官诱导方法都产生了相似的3D小脑类器官,因为两种方案都报告了在相同时间点相似的小脑标志物表达。Holmes和Heine扩展了他们的3D协议5,以表明2D小脑细胞可以从hESC和iPSCs产生,它们以3D聚集体的形式开始。此外,Silva等人7证明,代表2D成熟小脑神经元的细胞可以用与Holmes和Heine类似的方法生成,使用不同的时间点从3D切换到2D并延长生长和成熟时间。
目前的协议通过使用胰岛素和FGF2产生自由漂浮的拟胚体(EB),然后在第14天将EB接种在PLO /层粘连蛋白包被的培养皿上以进行2D生长和分化,从而诱导无饲养层iPSC中的小脑命运。到第35天,获得具有小脑身份的细胞。概括小脑发育早期阶段的能力,特别是在2D环境中,使研究人员能够回答需要单层结构实验的特定问题。该协议也适用于进一步的修改,例如微图案表面,轴突生长测定和细胞分选,以富集所需的细胞群。
在 体外模拟 人类小脑发育的能力对于疾病建模以及进一步了解正常大脑发育非常重要。不太复杂且具有成本效益的协议为可复制的数据生成和跨多个科学实验室的广泛实施创造了更多机会。这里使用Muguruma等人报告的生长因子使用不需要酶或解离剂的改进方法来描述小脑分化方案,该方法不需要酶或解离剂。图4 和改进的2D单层细胞生长方案类似于Holmes等人的方法<e…
The authors have nothing to disclose.
我们感谢Jenny Gringer Richards在验证对照受试者方面的全面工作,我们从中生成了对照iPSC。这项工作得到了NIH T32 MH019113(致D.A.M.和K.A.K.),Nellie Ball Trust(致T.H.W.和A.J.W.),NIH R01 MH111578(致V.A.M.和J.A.W.),NIH KL2 TR002536(致A.J.W.)和Roy J. Carver慈善信托基金(致V.A.M.,J.A.W.和A.J.W.)的支持。这些数字是用 BioRender.com 创建的。
10 mL Serological pipette | Fisher Scientific | 13-678-26D | |
1-thio-glycerol | Sigma | M6145 | |
2 mL Serological pipette | Fisher Scientific | 13-678-26B | |
250 mL Filter Unit, 0.2 µm aPES, 50 mm Dia | Fisher Scientific | FB12566502 | |
35 mm Easy Grip Tissue Cluture Dish | Falcon | 353001 | |
4D Nucleofector core unit | Lonza | 276885 | Nucleofector |
5 mL Serological pipette | Fisher Scientific | 13-678-25D | |
60 mm Easy Grip Tissue Culture Dish | Falcon | 353004 | |
6-well ultra-low attachment plates | Corning | 3471 | |
9" Disposable Pasteur Pipets | Fisher Scientific | 13-678-20D | |
Apo-transferrin | Sigma | T1147 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A9418 | |
Cell culture grade water | Cytiva | SH30529.02 | |
Chemically defined lipid concentrate | Gibco | 11905031 | |
Chroman 1 | Cayman | 34681 | |
Class II, Type A2, Biological safety Cabinet | NuAire, Inc. | NU-540-600 | Hood, UV light |
Costar 24-well plate, TC treated | Corning | 3526 | |
Costar 6-well plate, TC treated | Corning | 3516 | |
DAPI solution | Thermo Scientific | 62248 | |
DMEM | Gibco | 11965092 | |
DMEM/F12 | Gibco | 11320033 | |
DMSO (Dimethly sulfoxide) | Sigma | D2438 | |
DPBS+/+ | Gibco | 14040133 | |
Emricasan | Cayman | 22204 | |
Epi5 episomal iPSC reprogramming kit | Life Technologies | A15960 | |
Essential 8-Flex | Gibco | A2858501 | PSC medium with heat-stable FGF2 |
EVOS XL Core Imaging system | Life Technologies | AMEX1000 | |
Fetal bovine serum – Premium Select | Atlanta Biologicals | S11150 | |
FGF2 | Peprotech | 100-18B | |
GlutaMAX supplement | Gibco | 35050061 | L-alanine-L-glutamine supplement |
Ham's F12 Nutrient Mix | Gibco | 11765054 | |
HERAcell VIOS 160i CO2 incubator | Thermo Scientific | 50144906 | |
Human Anti-EN2, mouse | Santa Cruz Biotechnology | sc-293311 | |
Human anti-Ki67/MKI67, rabbit | R&D Systems | MAB7617 | |
Human anti-PTF1a, rabbit | Novus Biologicals | NBP2-98726 | |
Human anti-TUBB3, mouse | Biolegend | 801213 | |
IMDM | Gibco | 12440053 | |
Insulin | Gibco | 12585 | |
Laminin Mouse Protein | Gibco | 23017015 | |
Matrigel Matrix | Corning | 354234 | Basement membrane matrix |
MEM-NEAA | Gibco | 11140050 | |
Mini Centrifuge | Labnet International | C1310 | Benchtop mini centrifuge |
Monarch RNA Cleanup Kit (50 µg) | New England BioLabs | T2040 | Silica spin columns |
Monarch Total RNA Miniprep Kit | New England BioLabs | T2010 | Silica spin columns |
N-2 supplement | Gibco | 17502-048 | |
Neurobasal medium | Gibco | 21103049 | |
PBS, pH 7.4 | Gibco | 10010023 | |
PFA 16% | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Polyamine supplement | Sigma | P8483 | |
Poly-L-Ornithine (PLO) | Sigma | 3655 | |
Potassium chloride | Sigma | 746436 | |
SB431542 | Sigma | 54317 | |
See through self-sealable pouches | Steriking | SS-T2 (90×250) | Autoclave pouches |
Sodium citrate dihydrate | Fisher Scientific | S279-500 | |
Syringe filters, sterile, PES 0.22 µm, 30 mm Dia | Research Products International | 256131 | |
Trans-ISRIB | Cayman | 16258 | |
TRIzol Reagent | Invitrogen | 15596018 | Phenol and guanidine isothiocyanate |
TrypLE Express Enzyme (1x) | Gibco | 12604039 | Cell dissociation reagent |
Vapor pressure osmometer | Wescor, Inc. | Model 5520 | Osmometer |
Y-27632 | Biogems | 1293823 |