تحليل التدفق الخلوي لمعلمات الميتوكوندريا المتعددة في الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة بالإنسان ومشتقاتها العصبية والدبقية
Summary
تشير هذه الدراسة إلى نهج جديد لقياس المعلمات الوظيفية المتعددة للميتوكوندريا استنادا إلى قياس التدفق الخلوي والتلطيخ المزدوج باستخدام اثنين من المراسلين الفلوريين أو الأجسام المضادة للكشف عن التغيرات في حجم الميتوكوندريا ، وإمكانات غشاء الميتوكوندريا ، ومستوى أنواع الأكسجين التفاعلية ، وتكوين سلسلة الجهاز التنفسي للميتوكوندريا ، والحمض النووي للميتوكوندريا.
Abstract
الميتوكوندريا مهمة في الفيزيولوجيا المرضية للعديد من الأمراض التنكسية العصبية. غالبا ما تكون التغيرات في حجم الميتوكوندريا ، وإمكانات غشاء الميتوكوندريا (MMP) ، وإنتاج الميتوكوندريا لأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) ، وعدد نسخ الحمض النووي للميتوكوندريا (mtDNA) من سمات هذه العمليات. يفصل هذا التقرير نهجا جديدا قائما على قياس التدفق الخلوي لقياس معلمات الميتوكوندريا المتعددة في أنواع مختلفة من الخلايا ، بما في ذلك الخلايا الجذعية متعددة القدرات المستحثة من قبل الإنسان (iPSCs) والخلايا العصبية والدبقية المشتقة من iPSC. تستخدم هذه الاستراتيجية القائمة على التدفق الخلايا الحية لقياس حجم الميتوكوندريا ومستويات MMP و ROS ، بالإضافة إلى الخلايا الثابتة لتقدير مكونات السلسلة التنفسية للميتوكوندريا (MRC) والبروتينات المرتبطة ب mtDNA مثل عامل نسخ الميتوكوندريا A (TFAM).
من خلال المشاركة في التلطيخ مع مراسلي الفلورسنت ، بما في ذلك MitoTracker Green (MTG) ، و tetramethylrhodamine ethyl ester (TMRE) ، و MitoSox Red ، يمكن قياس التغيرات في حجم الميتوكوندريا و MMP و ROS الميتوكوندريا كميا والمتعلقة بمحتوى الميتوكوندريا. يسمح التلطيخ المزدوج بالأجسام المضادة ضد الوحدات الفرعية المعقدة MRC و translocase لغشاء الميتوكوندريا الخارجي 20 (TOMM20) بتقييم تعبير الوحدة الفرعية MRC. نظرا لأن كمية TFAM تتناسب مع عدد نسخ mtDNA ، فإن قياس TFAM لكل TOMM20 يعطي قياسا غير مباشر ل mtDNA لكل حجم الميتوكوندريا. يمكن تنفيذ البروتوكول بأكمله في غضون 2-3 ساعات. الأهم من ذلك ، تسمح هذه البروتوكولات بقياس معلمات الميتوكوندريا ، سواء على المستوى الكلي أو المستوى المحدد لكل حجم الميتوكوندريا ، باستخدام قياس التدفق الخلوي.
Introduction
الميتوكوندريا هي عضيات أساسية موجودة في جميع الخلايا حقيقية النواة تقريبا. الميتوكوندريا هي المسؤولة عن إمدادات الطاقة عن طريق إنتاج الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) عن طريق الفسفرة التأكسدية وتعمل كوسطاء التمثيل الغذائي للتخليق الحيوي والتمثيل الغذائي. تشارك الميتوكوندريا بعمق في العديد من العمليات الخلوية المهمة الأخرى ، مثل توليد ROS ، وموت الخلايا ، وتنظيم Ca2 + داخل الخلايا. ارتبط خلل الميتوكوندريا بالعديد من الأمراض العصبية التنكسية ، بما في ذلك مرض باركنسون (PD) ، ومرض الزهايمر (AD) ، ومرض هنتنغتون (HD) ، وترنح فريدريش (FRDA) ، والتصلب الجانبي الضموري (ALS)1. ويعتقد أيضا أن زيادة الخلل الوظيفي في الميتوكوندريا وتشوه mtDNA تساهم في شيخوخة الإنسان 2,3.
تحدث أنواع مختلفة من خلل الميتوكوندريا في الأمراض العصبية التنكسية ، والتغيرات في حجم الميتوكوندريا ، وإزالة الاستقطاب MMP ، وإنتاج ROS ، والتغيرات في عدد نسخ mtDNA شائعة4،5،6،7. لذلك ، فإن القدرة على قياس هذه الوظائف وغيرها من وظائف الميتوكوندريا لها أهمية كبيرة عند دراسة آليات المرض واختبار العوامل العلاجية المحتملة. علاوة على ذلك ، نظرا لعدم وجود نماذج حيوانية تكرر بأمانة الأمراض العصبية التنكسية البشرية ، فإن إنشاء أنظمة نموذجية مناسبة في المختبر تلخص المرض البشري في خلايا الدماغ هو خطوة مهمة نحو فهم أكبر لهذه الأمراض وتطوير علاجات جديدة2،3،8،9.
يمكن استخدام iPSCs البشرية لتوليد خلايا دماغية مختلفة ، بما في ذلك الخلايا العصبية وغير العصبية (أي الخلايا الدبقية) ، وقد تم العثور على تلف الميتوكوندريا المرتبط بالأمراض العصبية التنكسية في كلا النوعينمن الخلايا 3،10،11،12،13. تتوفر الطرق المناسبة لتمايز iPSC إلى سلالات عصبية ودبقية 14،15،16. توفر هذه الخلايا منصة فريدة من نوعها للإنسان / المريض لنمذجة الأمراض في المختبر وفحص الأدوية. علاوة على ذلك ، نظرا لأن هذه مشتقة من المرضى ، فإن الخلايا العصبية المشتقة من iPSC والخلايا الدبقية توفر نماذج مرضية تعكس ما يحدث في البشر بشكل أكثر دقة.
حتى الآن ، تتوفر طرق قليلة ومريحة لقياس معلمات وظيفية متعددة للميتوكوندريا في iPSCs ، وخاصة الخلايا العصبية الحية والخلايا الدبقية. يوفر استخدام قياس التدفق الخلوي للعالم أداة قوية لقياس المعلمات البيولوجية ، بما في ذلك وظيفة الميتوكوندريا ، في الخلايا المفردة. يوفر هذا البروتوكول تفاصيل لتوليد أنواع مختلفة من خلايا الدماغ، بما في ذلك الخلايا الجذعية العصبية (NSCs)، والخلايا العصبية، والخلايا النجمية الدبقية من iPSCs، بالإضافة إلى النهج الجديدة القائمة على قياس التدفق الخلوي لقياس معلمات الميتوكوندريا المتعددة في أنواع الخلايا المختلفة، بما في ذلك iPSCs والخلايا العصبية والدبقية المشتقة من iPSC. يوفر البروتوكول أيضا استراتيجية تلطيخ مشترك لاستخدام قياس التدفق الخلوي لقياس حجم الميتوكوندريا ، MMP ، مستوى ROS الميتوكوندريا ، مجمعات MRC ، و TFAM. من خلال دمج مقاييس حجم الميتوكوندريا أو كتلتها ، تسمح هذه البروتوكولات أيضا بقياس كل من المستوى الكلي والمستوى المحدد لكل وحدة ميتوكوندريا.
Protocol
Representative Results
Discussion
فيما يلي بروتوكولات لتوليد الخلايا العصبية والخلايا النجمية المشتقة من iPSC وتقييم جوانب متعددة من وظيفة الميتوكوندريا باستخدام قياس التدفق الخلوي. تسمح هذه البروتوكولات بالتحويل الفعال ل iPSCs البشرية إلى كل من الخلايا العصبية والخلايا النجمية الدبقية والتوصيف التفصيلي لوظيفة الميتوكوند…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نشكر مركز التصوير الجزيئي والمرفق الأساسي لقياس التدفق الخلوي في جامعة بيرغن في النرويج. تم دعم هذا العمل بتمويل من مجلس البحوث النرويجي (رقم المنحة: 229652) ، Rakel og Otto Kr.Bruuns legat ومجلس المنح الدراسية الصيني (رقم المشروع: 201906220275).
Materials
| anti-Oct4 | Abcam | ab19857, RRID:AB_445175 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-SSEA4 | Abcam | ab16287, RRID:AB_778073 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-mouse IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11005) as secondary antibody. |
| anti-Sox2 | Abcam | ab97959, RRID:AB_2341193 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-Pax6 | Abcam | ab5790, RRID:AB_305110 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-Nestin | Santa Cruz Biotechnology | sc-23927, RRID:AB_627994 | Primary Antibody; use as 1:50, 20 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-mouse IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11005) as secondary antibody. |
| anti-GFAP | Abcam | ab4674, RRID:AB_304558 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-chicken IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11042) as secondary antibody. |
| anti-S100β conjugated with Alexa Fluor 488 | Abcam | ab196442, RRID:AB_2722596 | Primary Antibody; use as 1:400, 2.5 μL in 1000 μL staining solution; |
| anti-TH | Abcam | ab75875, RRID:AB_1310786 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-Tuj 1 | Abcam | ab78078, RRID:AB_2256751 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-mouse IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11005) as secondary antibody. |
| anti-Synaptophysin | Abcam | ab32127, RRID:AB_2286949 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody. |
| anti-PSD-95 | Abcam | ab2723, RRID:AB_303248 | Primary Antibody; use as 1:100, 10 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 594 goat anti-chicken IgG (1:800, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11042) as secondary antibody. |
| anti-TFAM conjugated with Alexa Fluor 488 | Abcam | ab198308 | Primary Antibody; use as 1:400, 2.5 μL in 1000 μL staining solution; use mouse monoclonal IgG2b Alexa Fluor® 488 as an isotype control. |
| anti-TOMM20 conjugated with Alexa Fluor 488 | Santa Cruz Biotechnology | Cat# sc-17764 RRID:AB_628381 | Primary Antibody; use as 1:400, 2.5 μL in 1000 μL staining solution; use mouse monoclonal IgG2a Alexa Fluor® 488 as an isotype control. |
| anti-NDUFB10 | Abcam | ab196019 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody; use rabbit monoclonal IgG as an isotype control. |
| anti-SDHA | Abcam | ab137040 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-rabbit IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11008) as secondary antibody; use rabbit monoclonal IgG as an isotype control. |
| anti-COX IV | Abcam | ab14744, RRID:AB_301443 | Primary Antibody; use as 1:1000, 1 μL in 1000 μL staining solution; use Alexa Fluor ® 488 goat anti-mouse IgG (1:400, Thermo Fisher Scientific, Catalog # A-11001) as secondary antibody; use mouse monoclonal IgG as an isotype control. |
| Activin A | PeproTech | 120-14E | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| ABM Basal Medium | Lonza | CC-3187 | Basal medium for astrocyte culture |
| AGM SingleQuots Supplement Pack | Lonza | CC-4123 | Supplement for astrocyte culture |
| Antibiotic-Antimycotic | Thermo Fisher Scientific | 15240062 | CDM ingredient |
| Advanced DMEM/F-12 | Thermo Fisher Scientific | 12634010 | Basal medium for dilute Geltrex |
| Bovine Serum Albumin | Europa Bioproducts | EQBAH62-1000 | Blocking agent to prevent non-specific binding of antibodies in immunostaining assays and CDM ingredient |
| BDNF | PeproTech | 450-02 | DA neurons medium ingredient |
| B-27 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| BD Accuri C6 Plus Flow Cytometer | BD Biosciences, USA | ||
| Chemically Defined Lipid Concentrate | Thermo Fisher Scientific | 11905031 | CDM ingredient |
| Collagenase IV | Thermo Fisher Scientific | 17104019 | Reagent for gentle dissociation of human iPSCs |
| CCD Microscope Camera Leica DFC3000 G | Leica Microsystems, Germany | ||
| Corning non-treated culture dishes | Sigma-Aldrich | CLS430589 | Suspension culture |
| DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14190250 | Used for a variety of cell culture wash |
| DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Thermo Fisher Scientific | 10565018 | Astrocyte differentiation basal Medium |
| EDTA | Thermo Fisher Scientific | 15575020 | Reagent for gentle dissociation of human iPSCs |
| Essential 8 Basal Medium | Thermo Fisher Scientific | A1516901 | Basal medium for iPSC culture |
| Essential 8 Supplement (50X) | Thermo Fisher Scientific | A1517101 | Supplement for iPSC culture |
| EGF Recombinant Human Protein | Thermo Fisher Scientific | PHG0314 | Supplement for NSC culture |
| FGF-basic (AA 10–155) Recombinant Human Protein | Thermo Fisher Scientific | PHG0024 | Supplement for NSC culture |
| Fetal Bovine Serum | Sigma-Aldrich | 12103C | Medium ingredient |
| FGF-basic | PeproTech | 100-18B | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| FCCP | Abcam | ab120081 | Eliminates mitochondrial membrane potential and TMRE staining |
| Fluid aspiration system BVC control | Vacuubrand, Germany | ||
| Formaldehyde (PFA) 16% | Thermo Fisher Scientific | 28908 | Cell fixation |
| Geltrex | Thermo Fisher Scientific | A1413302 | Used for attachment and maintenance of human iPSCs |
| GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | Supplement for NSC culture |
| GDNF | Peprotech | 450-10 | DA neurons medium ingredient |
| Glycine | Sigma-Aldrich | G8898 | Used for blocking buffer |
| Ham's F-12 Nutrient Mix | Thermo Fisher Scientific | 31765027 | Basal medium for CDM |
| Heregulin beta-1 human | Sigma-Aldrich | SRP3055 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| Hoechst 33342 | Thermo Fisher Scientific | H1399 | Stain the nuclei for confocal image |
| Heracell 150i CO2 Incubators | Fisher Scientific, USA | ||
| IMDM | Thermo Fisher Scientific | 21980032 | Basal medium for CDM |
| Insulin | Roche | 1376497 | CDM ingredient |
| InSolution AMPK Inhibitor | Sigma-Aldrich | 171261 | Neural induction medium ingredient |
| Insulin-like Growth Factor-I human | Sigma-Aldrich | I3769 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| KnockOut DMEM/F-12 medium | Thermo Fisher Scientific | 12660012 | Basal medium for NSC culture |
| Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
| Leica TCS SP8 STED confocal microscope | Leica Microsystems, Germany | ||
| Monothioglycerol | Sigma-Aldrich | M6145 | CDM ingredient |
| MitoTracker Green FM | Thermo Fisher Scientific | M7514 | Used for mitochondrial volume indicator |
| MitoSox Red | Thermo Fisher Scientific | M36008 | Used for mitochondrial ROS indicator |
| N-Acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich | A7250 | Neural induction medium ingredient |
| N-2 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17502048 | Astrocyte differentiation medium ingredient |
| Normal goat serum | Thermo Fisher Scientific | PCN5000 | Used for blocking buffer |
| Orbital shakers – SSM1 | Stuart Equipment, UK | ||
| Poly-L-ornithine solution | Sigma-Aldrich | P4957 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
| Poly-D-lysine hydrobromide | Sigma-Aldrich | P7405 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
| Purmorphamine | STEMCELL Technologies | 72204 | Promotes DA neuron differentiation |
| ProLong Gold Antifade Mountant | Thermo Fisher Scientific | P36930 | Mounting the coverslip for confocal image |
| PBS 1x | Thermo Fisher Scientific | 18912014 | Used for a variety of wash |
| Recombinant Human/Mouse FGF-8b Protein | R&D Systems | 423-F8-025/CF | Promotes DA neuron differentiation |
| SB 431542 | Tocris Bioscience | TB1614-GMP | Neural Induction Medium ingredient |
| StemPro Neural Supplement | Thermo Fisher Scientific | A10508-01 | Supplement for NSCs culture |
| TrypLE Express Enzyme | Thermo Fisher Scientific | 12604013 | Cell dissociation reagent |
| Transferrin | Roche | 652202 | CDM ingredient |
| TRITON X-100 | VWR International | 9002-93-1 | Used for cells permeabilization in immunostaining assays |
| TMRE | Abcam | ab113852 | Used for mitochondrial membrane potential staining |
| Water Bath Jb Academy Basic Jba5 JBA5 Grant Instruments | Grant Instruments, USA |
Riferimenti
- Wang, Y., Xu, E., Musich, P. R., Lin, F. Mitochondrial dysfunction in neurodegenerative diseases and the potential countermeasure. CNS Neuroscience & Therapeutics. 25 (7), 816-824 (2019).
- Chen, A., et al. Nicotinamide riboside and metformin ameliorate mitophagy defect in induced pluripotent stem cell-derived astrocytes with POLG mutations. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 9, 737304 (2021).
- Liang, K. X., et al. Disease-specific phenotypes in iPSC-derived neural stem cells with POLG mutations. EMBO Molecular Medicine. 12 (10), 12146 (2020).
- Chen, H., Chan, D. C. Mitochondrial dynamics–fusion, fission, movement, and mitophagy–in neurodegenerative diseases. Human Molecular Genetics. 18, 169-176 (2009).
- Lin, M. T., Beal, M. F. Mitochondrial dysfunction and oxidative stress in neurodegenerative diseases. Nature. 443 (7113), 787-795 (2006).
- Singh, A., Kukreti, R., Saso, L., Kukreti, S. Oxidative stress: A key modulator in neurodegenerative diseases. Molecules. 24 (8), 1583 (2019).
- Kondadi, A. K., Anand, R., Reichert, A. S. Functional interplay between cristae biogenesis, mitochondrial dynamics and mitochondrial DNA integrity. International Journal of Molecular Sciences. 20 (17), 4311 (2019).
- Sterneckert, J. L., Reinhardt, P., Schöler, H. R. Investigating human disease using stem cell models. Nature Reviews. Genetics. 15 (9), 625-639 (2014).
- Patani, R. Human stem cell models of disease and the prognosis of academic medicine. Nature Medicine. 26 (4), 449 (2020).
- Liang, K. X., et al. N-acetylcysteine amide ameliorates mitochondrial dysfunction and reduces oxidative stress in hiPSC-derived dopaminergic neurons with POLG mutation. Experimental Neurology. , 337 (2021).
- Kikuchi, T., et al. Human iPS cell-derived dopaminergic neurons function in a primate Parkinson’s disease model. Nature. 548 (7669), 592-596 (2017).
- Juopperi, T. A., et al. Astrocytes generated from patient induced pluripotent stem cells recapitulate features of Huntington’s disease patient cells. Molecular Brain. 5, 17 (2012).
- Liang, K. X., et al. Stem cell derived astrocytes with POLG mutations and mitochondrial dysfunction including abnormal NAD+ metabolism is toxic for neurons. bioRxiv. , (2020).
- Liu, Q., et al. Human neural crest stem cells derived from human ESCs and induced pluripotent stem cells: induction, maintenance, and differentiation into functional schwann cells. Stem Cells Translational Medicine. 1 (4), 266-278 (2012).
- Hong, Y. J., Do, J. T. Neural lineage differentiation from pluripotent stem cells to mimic human brain tissues. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 7, 400 (2019).
- Lundin, A., et al. Human iPS-derived astroglia from a stable neural precursor state show improved functionality compared with conventional astrocytic models. Stem Cell Reports. 10 (3), 1030-1045 (2018).
- Liang, K. X., et al. N-acetylcysteine amide ameliorates mitochondrial dysfunction and reduces oxidative stress in hiPSC-derived dopaminergic neurons with POLG mutation. Experimental Neurology. 337, 113536 (2021).
- Pendergrass, W., Wolf, N., Poot, M. Efficacy of MitoTracker Green™ and CMXrosamine to measure changes in mitochondrial membrane potentials in living cells and tissues. Cytometry. Part A. 61 (2), 162-169 (2004).
- Keij, J. F., Bell-Prince, C., Steinkamp, J. A. Staining of mitochondrial membranes with 10-nonyl acridine orange, MitoFluor Green, and MitoTracker Green is affected by mitochondrial membrane potential altering drugs. Cytometry. 39 (3), 203-210 (2000).
- Buckman, J. F., et al. MitoTracker labeling in primary neuronal and astrocytic cultures: influence of mitochondrial membrane potential and oxidants. Journal of Neuroscience Methods. 104 (2), 165-176 (2001).
- Zanchetta, L. M., Kirk, D., Lyng, F., Walsh, J., Murphy, J. E. Cell-density-dependent changes in mitochondrial membrane potential and reactive oxygen species production in human skin cells post sunlight exposure. Photodermatology, Photoimmunology & Photomedicine. 26 (6), 311-317 (2010).
