Burada sunulan protokol, immünkompetan farelerde transnazal bir yolla indüklenmiş pluripotent kök hücre kaynaklı insan mikrogliasının (iPSMG) beyne transplantasyonuna izin verir. Hücrelerin hazırlanması ve transnazal transplantasyonu ve iPSMG’nin idamesi için sitokin karışımının uygulanması yöntemi gösterilmiştir.
Mikroglia, beynin makrofaj benzeri hücrelerinin uzmanlaşmış popülasyonudur. Hem fizyolojik hem de patolojik beyin fonksiyonlarında önemli roller oynarlar. Mevcut mikroglia anlayışımızın çoğu, farede yapılan deneylere dayanmaktadır. İnsan mikrogliası, fare mikrogliasından farklıdır ve bu nedenle fare mikrogliasının tepkisi ve özellikleri her zaman insan mikrogliasınınkini temsil etmeyebilir. Ayrıca, etik ve teknik zorluklar nedeniyle, insan mikrogliası üzerine yapılan araştırmalar, mikroglia’nın in vivo özelliklerini kapitüle etmeyen in vitro kültür sistemi ile sınırlıdır. Bu sorunların üstesinden gelmek için, indüklenmiş pluripotent kök hücre kaynaklı insan mikrogliasını (iPSMG), koloni uyarıcı faktör 1 reseptörü (CSF1R) antagonisti kullanarak endojen mikroglia’nın farmakolojik tükenmesi ile kombinasyon halinde bir transnazal yolla immünkompetan farelerin beynine invaziv olmayan bir şekilde nakledilmesi için basitleştirilmiş bir yöntem geliştirilmiştir. Bu protokol, hücreleri invaziv olmayan bir şekilde fare beynine nakletmek için bir yol sağlar ve bu nedenle insan mikrogliasının fizyolojik ve patolojik beyin fonksiyonlarındaki in vivo rolünü değerlendirmek için değerli olabilir.
Mikroglia, merkezi sinir sistemindeki (CNS) makrofaj benzeri hücrelerin uzmanlaşmış bir popülasyonudur ve nöral devre gelişimi, nörotransmisyonun modüle edilmesi ve beyin homeostazınınsürdürülmesi gibi çeşitli beyin fonksiyonlarının kontrolünde önemli roller oynar 1,2,3. Murin mikroglia, insanlardan gelenlerle birçok işlevi paylaşmasına rağmen, türe özgü farklılıklar gösterir. Bu nedenle, fare mikrogliasının çeşitli uyaranlara tepkisi her zaman insan mikroglia 4,5,6’nınkini temsil etmeyebilir. Birçok çalışma insan mikrogliasını analiz etmiş olsa da, bu deneyler in vitro çalışmalarla sınırlıdır. İn vitro kültürlü insan mikrogliası, in vivo olanlardan çok farklı morfolojik özellikler ve gen ekspresyonu gösterir. Bu nedenle, in vitro deneyler her zaman insan mikrogliasının in vivo özelliklerini teslim etmeyebilir. Bu nedenle, insan mikrogliasını in vivo olarak incelemek için deneysel bir sisteme ihtiyaç vardır.
Son zamanlarda, insan mikrogliasının in vivo özelliklerini incelemek için, in vitro olarak üretilen indüklenmiş pluripotent kök hücreler (iPSC’ler) – veya embriyonik kök hücrelerden türetilmiş insan mikrogliaları cerrahi olarak farelerin beyninenakledilir 7,8,9,10,11,12,13,14. Bu yaklaşımı kullanarak, insan mikrogliasının çeşitli in vivo özellikleri karakterize edilmiştir. Bununla birlikte, bu yöntemin yaygın kullanımı iki nedenden dolayı sınırlıdır. Birincisi, bağışıklık eksikliği olan farelerin gerekliliğidir. Bu nedenle, insan mikrogliasının çeşitli nörodejeneratif hastalıklardaki rolünü incelemek için, hastalık mutasyonu taşıyan farelerin, önemli zaman ve çaba gerektiren bağışıklık eksikliği olan farelere geçmesi gerekir. Ayrıca, çeşitli nörolojik bozukluklarda, T hücreleri gibi periferik bağışıklık hücreleri, mikroglial fonksiyonları modüle edebilir15,16,17. Bu nedenle, bağışıklık eksikliği olan farelerde yapılan deneyler, insan mikrogliasının in vivo olarak iyi niyetli özelliklerini temsil etmeyebilir. İkincisi, mikroglia nakli için invaziv ameliyatlar ek ekipman ve eğitim gerektirir. Ayrıca, invaziv transplantasyon sırasında beyin hasarı mikroglial fenotipleri değiştirebilir.
Bu protokolde, iPSMG’nin immünkompetan vahşi tip farelere non-invaziv transnazal transplantasyonu (Tsn) tanımlanmıştır18. Endojen fare mikroglia19 ve Tsn’yi tüketen bir CSF1R antagonisti PLX5622’nin farmakolojik AÇIK / KAPALI kombinasyonunu birleştiren iPSMG, fare beynine invaziv olmayan bir şekilde nakledilebilir. Ayrıca, eksojen insan sitokinin uygulanmasıyla, nakledilen iPSMG, herhangi bir immünosüpresan olmadan bölgeye özgü bir şekilde 60 gün boyunca canlı kalır.
Buradaki protokol, iPSMG’nin fare beynine non-invaziv transplantasyonunu açıklamaktadır. Mevcut protokolün benzersizliği, farmakolojik PLX ON / OFF yöntemlerini ve intranazal transplantasyonu birleştirerek, iPSMG’nin immünkompetan fare beynine invaziv olmayan bir şekilde nakledilebilmesidir. Nakledilen iPSMG, hipokampus ve beyincikteki mikroglia’nın çoğunluğunu, boş nişi 60 güne kadar işgal ederek oluşturdu, ancak kortekste değil.
iPSMG’nin verimli Tsn’si için kritik noktalar (i) endojen fare mikrogliasının tükenme verimliliği (ii) her 12 saatte bir insan sitokinlerinin uygulanmasıdır. Mikroglia beyinde kendi bölgelerini korur. Transplante edilen iPSMG’nin engraftasyonu için bir niş sağlamak için fare mikrogliasının verimli bir şekilde tükenmesi gerekir. Endojen fare mikrogliasının tükenmesi yetersiz olduğunda, fare hipokampusunun ve beyinciğin iPSMG tarafından kolonizasyonu gözlenmez. Mikroglia’nın yaşayabilirliği CSF1R ve TGFBR sinyallerinin19,21,22’ye bağlıdır. hCSF1’in insan mikrogliasının canlılığını seçici olarak arttırdığı bildirilmiştir ve hTGF-β1, mikroglia’nın yaşayabilirliği için gereklidir ve her 12 saatte bir21,23,24 uygulandığında iltihabı azaltır. Eksojen insan sitokinlerinin yokluğunda, iPSMG fare beyninde gözlenmez. Ayrıca, iPSMG’yi aşırı pipetleme veya Tsn’den önce başka herhangi bir yolla mekanik olarak aktive etmemeye özen gösterilmelidir, çünkü iPSMG özelliklerini ve transplantasyon verimliliğini geri dönülmez bir şekilde değiştirir. İPSMG’nin tatmin edici Tsn’si görülmezse, transplantasyondan önce iPSMG’nin yaşayabilirliği ve endojen mikroglianın tükenmesi belirlenmelidir. Endojen fare mikrogliasının tükenmesi% 90’dan fazla değilse, PLX5622 besleme süresi tükenmeyi arttırmak için değiştirilebilir.
İnvaziv olan ve ek ekipman ve eğitim gerektiren geleneksel bir cerrahi transplantasyon yöntemiyle karşılaştırıldığında, Tsn invaziv olmayan, basit, stabil ve kolay bir şekilde transplantasyona izin verir. Ek olarak, bu yöntem iPSMG’nin immünokompetan farelerin beyinlerine transplantasyonuna izin verir; Böylece, immünkompetan hastalık modeli fareler iPSMG’nin yanıtını incelemek için kullanılabilir.
Mevcut yöntemin en büyük dezavantajı, iPSMG’nin engraftasyonundaki bölgesel heterojenliktir. Beyin bölgesine özgü iPSMG transplantasyonu gerekiyorsa, nakledilen iPSMG 60 gün boyunca sadece hipokampus ve beyincikte aşılanmış kaldığı, ancak kortekste olmadığı için mevcut protokol uygun değildir. Ayrıca, eksojen insan sitokinlerinin her 12 saatte bir intranazal olarak uygulanması ihtiyacı, yoğun emek gerektirdiği ve pahalı olduğu için mevcut protokolün bir sınırlamasıdır.
Sonuç olarak, iPSMG’nin Tsn’si için immünokompetan farelerin beyinlerine ayrıntılı bir protokol sağlanmıştır. PLX5622 tarafından fare mikrogliasının farmakolojik AÇIK / KAPALI ile birleştirildiğinde, bu protokol iPSMG’nin başarılı bir şekilde aşılanmasını sağlar. Ekzojen sitokinler uygulandığında nakledilen hücreler hipokampus ve beyincikte sürekli bir süre gözlemlenebildiğinden, mevcut yöntem insan mikrogliasının bu bölgelerdeki hem fizyolojik hem de patolojik durumlardaki rolünü değerlendirmek için değerli olabilir.
The authors have nothing to disclose.
Hibe sponsorları: Bu çalışma JSPS KAKENHI 17K14961 (PB), 20K15899 (PB), JP18K06481 (YS), JP20KK0366 (YS), 20H05902 (SK), 20H05060 (SK), 19H04746 (SK), 21H04786 (SK), 21K19309 (SK), AMED-CREST (SK), CREST (SK), Mitsubishi Bilim Vakfı (SK), Takeda Bilim Vakfı (SK) ve Yamanashi Üniversitesi’nden (SK) Frontier Brain Science Grant tarafından desteklenmiştir.
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Thermo Fisher Scientific | 10566 | |
AIN 93G | Oriental Yeast Co | ||
Anti-Iba1 antibody | FUJIFILM | 019–19741 | |
Anti-STEM121 antibody | Takara Bioscience | Y40410 | |
Butorphanol tartrate | Kyoritsu Seiyaku | 8019 | |
Confocal microscope | Olympus | FV1200 | |
Fetal bovine serum | GE Healthcare Life Sciences | SH30070.03 | |
Frozen iPSMG | Shionogi & Co., Ltd | Laboratory for Drug Discovery and Disease Research | |
Human colony stimulating factor 1 (hCSF1) | PeproTech | 300-25 | |
Hyaluronidase | Sigma-Aldrich | H-3506 | |
Medetomidine hydrochloride | Meiji Seika | VETLI5 | |
Midazolam | Astellas | 18005A2 | |
Paraformaldehyde | Wako Pure Chemical Industries | 162-16065 | |
Penicillin/streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
Pipette | Eppendorf | 3120000011 | |
Pipette tip | Eppendorf | 30076028 | |
PLX5622 | Amadis Chemical | A930097 | |
Transforming growth factor-β1 (Tgf-b1) | PeproTech | 100-21 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X-100 | |
VECTA SHIELD Hard Set Mounting Medium | Vector Laboratories | H-1400-10 | antifade mounting medium |