Modélisation de Microcircuit synaptique avec 3D Cocultures d’Astrocytes et les neurones des cellules souches pluripotentes humaines

Avec une variété de responsabilités fonctionnelles au-delà de soutien structurel, les astrocytes sont un type de cellules gliales très abondante dans le système nerveux central (CNS). Par le biais de la sécrétion de facteurs solubles synaptogenic et constituants de la matrice extracellulaire (ECM), astrocytes aident à la mise en place et le regroupement des synapses matures au cours du développement¹. Ils jouent un rôle essentiel dans le maintien de la santé et la plasticité des synapses à extracellulaire signalisation^2,3,4,5aussi et contribuent à la stabilité à long terme de l’homéostasie environnements en régulant le potassium extracellulaire et glutamate, ainsi que la sécrétion de substrats énergétiques et ATP^6,7,8. Enfin, ils peuvent contribuer à la neurotransmission en influant sur les courants extrasynaptic⁹et peuvent influencer indirectement l’activité à travers d’autres types de cellules, telles que la promotion de la myélinisation¹⁰. Ce qui est important, car l’anomalie ou dysfonctionnement des astrocytes peut conduire à de nombreux syndromes neurodéveloppementaux et neuropathologie adulte, il y a un besoin évident d’inclure aux côtés de neurones dans l’ingénierie réseaux de neurones, les astrocytes dans l’ordre pour une meilleure modèle de l’environnement de cerveau endogène. Une caractéristique intégrale des astrocytes est leur capacité à forme dynamique des interactions avec les synapses neuronales^1,11,12. En l’absence des cellules gliales, les neurones forment un nombre limité de synapses, ce qui en général aussi le manque de maturité fonctionnelle¹³.

Astrocytes humains présentent des caractéristiques morphologiques, transcriptionnelles et fonctionnels, tels que l’augmentation de la taille et la complexité du branchements, ainsi que des gènes — qui ne sont pas récapitulée dans rongeurs^{12,14, 15}. Ainsi, des études utilisant les cellules souches pluripotentes humaines (hPSC)-des cellules neuronales dérivées sont largement acceptés comme un moyen d’examiner les maladies liées à la CNS in vitro tout en développant de nouveaux traitements, modèles de lésion et paradigmes de la culture^{16 ,},¹⁷. En outre, hPSCs permettre l’étude de la formation des synapses humaines et de la fonction sans la nécessité pour le tissu principal^18,19.

Une barrière à la compréhension de comment les divers types de cellules et signaux contribuent au fonctionnement synaptique est le manque de modèles appropriés du cerveau humain. Il y a un besoin pour une plate-forme appropriée récapituler ses réseaux synaptiques avec haute fidélité et de la reproductibilité. Récemment, l’intérêt a émergé dans la production de systèmes de culture 3D (généralement connu comme « organoids », « sphéroïdes », ou « mini cerveaux »)²⁰ pour modéliser le complexe en trois dimensions (3D) structures au niveau cellulaire et macro. Systèmes de culture 3D conservent des interactions ECM et les cellules qui sont normalement absents ou limités au cours de la co-culture 2D typique paradigmes^21,22. Une abondance de techniques existent pour la culture des sphéroïdes neurale 3D^23,24,25; Cependant, beaucoup exigent des périodes de culture longue (mois à années) pour le développement spontané et préservation de la couche, avec l’utilisateur présentant très peu de contrôle sur la sortie.

Ici, nous illustrons une méthode systématique pour rapidement et constamment des interactions neuronales bioingénieur parmi plusieurs types de cellules (différenciée des neurones et les astrocytes) dérivé de hPSCs en assemblant des cellules dans les cocultures sphère (« astéroïdes »)²⁶ qui récapitulent les complexités morphologiques spécifiques à l’humain en 3D. Ce système neural haute densité génère des sous-types neurales-répartie qui prennent matures propriétés au fil du temps et peuvent être projetés ou dosés de manière à haut débit. Nous montrons pour la première fois que les astrocytes humains induisent réseau synaptique rafale activité dans ces cocultures 3D. En outre, le présent protocole est facilement adaptable pour générer des sphères de différentes tailles, d’utiliser des cellules spécifiées à différentes identités régionales du SNC et pour étudier les interactions de plusieurs autres types de cellules comme vous le souhaitez.