2D 구조에서 체 외에서 인간 소뇌 발달 모델링
Summary
본 프로토콜은 소뇌 발달의 초기 단계를 조사하기 위해 유도 만능 줄기 세포로부터 소뇌 세포의 2D 단층 생성을 설명합니다.
Abstract
소뇌의 정확하고시기 적절한 발달은 정확한 운동 조정과 균형뿐만 아니라인지에도 중요합니다. 또한 소뇌 발달의 혼란은 자폐증, 주의력 결핍 과잉 행동 장애 (ADHD) 및 정신 분열증을 포함한 많은 신경 발달 장애와 관련이 있습니다. 인간의 소뇌 발달에 대한 조사는 이전에 사후 연구 또는 신경 영상을 통해서만 가능했지만 이러한 방법은 많은 신경 발달 장애가 발생하는 초기 발달 동안 생체 내에서 발생하는 분자 및 세포 변화를 이해하기에 충분하지 않습니다. 체세포에서 인간 유도 만능 줄기 세포 (iPSC)를 생성하는 기술의 출현과 iPSC를 뉴런으로 재 분화시키는 능력은 초기 뇌 발달의 시험관 내 모델링을위한 길을 열었습니다. 본 연구는 2차원(2D) 단층 구조가 필요한 응용 분야를 위해 소뇌 세포를 생성하기 위한 단순화된 단계를 제공합니다. 초기 발달 단계를 나타내는 소뇌 세포는 다음 단계를 통해 인간 iPSC에서 파생됩니다 : 먼저 배아체를 3 차원 (3D) 배양으로 만든 다음 FGF2 및 인슐린으로 처리하여 소뇌 운명 사양을 촉진하고 마지막으로 폴리 -l- 오르니 틴 (PLO) / 라미닌 코팅 기판에서 단층으로 말단으로 분화됩니다. 분화 35일째에 iPSC 유래 소뇌 세포 배양은 ATOH1, PTF1α, PAX6 및 KIRREL2를 포함한 소뇌 마커를 발현하며, 이는 이 프로토콜이 글루타메이트성 및 GABAergic 소뇌 뉴런 전구체와 푸르킨제 세포 전구체를 생성함을 시사합니다. 또한, 분화 된 세포는 뚜렷한 뉴런 형태를 나타내며 TUBB3와 같은 뉴런 정체성의 면역 형광 마커에 양성입니다. 이 세포는 세마포린 -4C, 플렉신 -B2 및 뉴로 필린 -1을 포함한 축삭 유도 분자를 발현하며 신경 돌기 성장 및 시냅스 연결성의 분자 메커니즘을 조사하기위한 모델이 될 수 있습니다. 이 방법은 2D 단층 형식이 필요한 유전자 발현, 생리학 및 형태학적 연구를 포함한 다운스트림 응용 분야에 유용한 인간 소뇌 뉴런을 생성합니다.
Introduction
인간의 소뇌 발달과이 과정의 중요한 시간 창을 이해하는 것은 신경 발달 장애의 가능한 원인을 해독 할뿐만 아니라 치료 적 개입을위한 새로운 표적을 식별하는 데에도 중요합니다. 시험관 내에서 인간 소뇌 발달을 모델링하는 것은 어려운 일이었지만 시간이 지남에 따라 소뇌 혈통 운명을 가진 인간 배아 줄기 세포(hESC) 또는 iPSC를 분화하는 많은 프로토콜이 등장했습니다.1,2,3,4,5,6,7,8 . 또한 재현 가능한 결과를 생성하고 비교적 간단하며(오류를 줄이기 위해) 금전적 비용이 많이 들지 않는 프로토콜을 개발하는 것이 중요합니다.
소뇌 분화를 위한 첫 번째 프로토콜은 도금된 배아체(EB)의 2D 배양에서 생성되어 WNT, BMP 및 FGF 1,9를 포함하여 생체 내 발달과 유사한 다양한 성장 인자로 소뇌 운명을 유도했습니다. 보다 최근에 발표된 프로토콜은 주로 FGF2 및 인슐린을 사용한 3D 오가노이드 배양에서 분화를 유도하고, 이어서 마름모꼴 립형 구조3,4에 대해 FGF19 및 SDF1을 유도하거나, FGF2, FGF4 및 FGF85의 조합을사용했습니다. 두 소뇌 오가노이드 유도 방법 모두 동일한 시점에서 유사한 소뇌 마커 발현을 보고했기 때문에 유사한 3D 소뇌 오가노이드를 생성했습니다. Holmes와 Heine은 3D 프로토콜5를 확장하여 2D 소뇌 세포가 3D 응집체로 시작하는 hESC 및 iPSC에서 생성될 수 있음을 보여주었습니다. 또한 Silva et al.7은 3D에서 2D로 전환하고 성장 및 성숙 시간을 연장하는 다른 시점을 사용하여 Holmes와 Heine과 유사한 접근 방식으로 2D에서 성숙한 소뇌 뉴런을 나타내는 세포를 생성 할 수 있음을 입증했습니다.
현재 프로토콜은 인슐린과 FGF2를 사용하여 자유 부동 배아체(EB)를 생성한 다음 2D 성장 및 분화를 위해 14일째에 PLO/라미닌 코팅 접시에 EB를 플레이팅하여 피더가 없는 iPSC에서 소뇌 운명을 유도합니다. 35 일째에 소뇌 정체성을 가진 세포가 얻어진다. 특히 2D 환경에서 소뇌 발달의 초기 단계를 요약하는 기능을 통해 연구원은 단층 구조 실험이 필요한 특정 질문에 답할 수 있습니다. 이 프로토콜은 또한 원하는 세포 집단을 풍부하게하기 위해 마이크로 패턴 표면, 축삭 성장 분석 및 세포 분류와 같은 추가 수정이 가능합니다.
Protocol
Representative Results
Discussion
시험관 내에서 인간 소뇌 발달을 모델링하는 능력은 질병 모델링뿐만 아니라 정상적인 뇌 발달에 대한 이해를 높이는 데 중요합니다. 덜 복잡하고 비용 효율적인 프로토콜은 복제 가능한 데이터 생성 및 여러 과학 실험실에서 광범위한 구현을 위한 더 많은 기회를 만듭니다. 소뇌 분화 프로토콜은 Muguruma et al.에 의해보고 된 성장 인자를 사용하여 효소 또는 해리 제를 필요로하지 않는 EB를 …
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 Jenny Gringer Richards가 통제 대상을 검증하는 데 철저한 노력을 기울인 것에 대해 감사 드리며, 그로부터 통제 iPSC를 생성했습니다. 이 작업은 NIH T32 MH019113 (D.A.M. 및 K.A.K.), Nellie Ball Trust (T.H.W. 및 AJW), NIH R01 MH111578 (V.A.M. 및 J.A.W.), NIH KL2 TR002536 (A.J.W.), 및 Roy J. Carver Charitable Trust (V.A.M., J.A.W. 및 AJW). 수치는 BioRender.com 로 만들어졌습니다.
Materials
| 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 |
References
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