Synaptische Microcircuit Modeling met 3D Cocultures van astrocyten en neuronen van menselijke pluripotente stamcellen

Astrocyten zijn een zeer overvloedige gliale celtype binnen het centrale zenuwstelsel (CNS) met een scala aan functionele verantwoordelijkheden buiten structurele steun. Door middel van de secretie van oplosbare synaptogenic factoren en componenten van de extracellulaire matrix (ECM), astrocyten steun bij de oprichting en clustering van volwassen synapsen tijdens ontwikkeling¹. Ze ook spelen een cruciale rol in het behoud van de gezondheid en de plasticiteit van synapsen t/m extracellulaire signalering^2,3,4,5, en bijdragen aan de stabiliteit op lange termijn van homeostatische omgevingen door het reguleren van extracellulaire kalium en glutamaat, evenals de secretie van energie substraten en ATP^6,7,8. Ten slotte, ze kunnen bijdragen tot de transmissie door het beïnvloeden van extrasynaptic stromingen⁹, en niet indirect invloed kunnen uitoefenen op de activiteit via andere celtypes zoals het bevorderen van myelinisering¹⁰. Belangrijker, omdat abnormaliteit of disfunctie van astrocyten tot veel neurologische syndromen en volwassen Neuropathologie leiden kan, is er een duidelijke behoefte aan het opnemen van astrocyten naast neuronen binnen gemanipuleerde neurale netwerken in volgorde voor een betere model van het endogene hersenen milieu. Een wezenlijk kenmerk van astrocyten is hun vermogen om de dynamische interacties vorm met neuronale synapsen^1,11,12. Bij het ontbreken van glia vormen de neuronen een beperkt aantal synapsen, die in het algemeen ook functionele looptijd^{13 ontbreekt}.

Menselijke astrocyten morfologische, transcriptionele en functionele kenmerken vertonen die — zoals toegenomen omvang en complexiteit van vertakkende, evenals soortspecifieke genen-dat zijn niet gerecapituleerd in knaagdieren^{12,14, 15}. Dientengevolge, studies met behulp van menselijke pluripotente stamcellen (hPSC)-afgeleide neurale cellen hebben worden geaccepteerd als een middel van CNS-gerelateerde ziekten in vitro onderzoeken terwijl het ontwikkelen van nieuwe therapieën, letsel modellen en cultuur paradigma’s^{16 ,17}. Bovendien toestaan hPSCs de studie van menselijke synapse formatie en functioneren zonder de behoefte aan primaire weefsel^18,19.

Een belemmering voor ons begrip van hoe verschillende celtypes en signalen aan synaptic circuit functie bijdragen is het ontbreken van relevante modellen van de menselijke hersenen. Er is behoefte aan een geschikt platform om te recapituleren zijn synaptic netwerken met hifi en reproduceerbaarheid. Onlangs, belang is gebleken bij de productie van 3D cultuur systemen (algemeen bekend als ‘organoids,’ ‘spheroïden’, of ‘mini hersenen’)²⁰ tot complexe driedimensionale (3D) model structuren op mobiele en macro niveau. 3D cultuur systemen behouden ECM en cel-cel interacties die normaal afwezig of beperkt tijdens typische 2D coculture paradigma’s^21,22. Een overvloed aan technieken bestaan voor het kweken van 3D neurale spheroïden^23,24,25; echter veel vereisen lange cultuur perioden (maanden tot jaren) voor spontane ontwikkeling en behoud van de laag, met de gebruiker vertonen zeer weinig controle over de output.

Hier, we illustreren een systematische methode om snel en consequent bioengineer Neurale interacties tussen meerdere celtypen (vooraf gedifferentieerde neuronen en astrocyten) afgeleid van hPSCs door het monteren van cellen in het gebied cocultures (‘Asteroïden’)²⁶ die recapituleren mens-specifieke morfologische complexiteit van 3D. Gelijkmatig verspreide neurale subtypen dat volwassen eigenschappen overneemt na verloop van tijd en kunnen worden vertoond of vehiculumcontrolegroep in een high-throughput manier genereert deze high-density neurale systeem. We laten zien voor de eerste keer dat menselijke astrocyten synaptic netwerkactiviteit burst in deze 3D cocultures induceren. Dit protocol is bovendien gemakkelijk aan te passen voor het genereren van bollen van verschillende maten, te gebruiken van cellen die zijn opgegeven met verschillende regionale identiteiten van de CNS, en te bestuderen van interacties van meerdere andere celtypes zoals gewenst.