여기에서는 성체 쥐 뇌실 영역에서 분리된 확장된 신경 줄기 세포(NSC)에서 유전자 전달 효율성을 향상시키도록 설계된 핵절충 시스템에 대해 설명합니다. 이 연구 결과는 이 방법이 NSC의 유전자 섭동을 크게 개선하여 기존 transfection 프로토콜의 효과를 능가하고 세포 생존율을 향상시킨다는 것을 보여줍니다.
성체 쥐 뇌의 뇌실하 영역(SVZ)에서 신경 줄기 세포(NSC)의 분리 및 확장은 염기성 섬유아세포 성장 인자(bFGF)와 표피 성장 인자(EGF)를 미토겐으로 보충하여 신경구로 알려진 클론 응집체를 생성하는 배지에서 달성할 수 있습니다. 이 in vitro 시스템은 NSC 잠재력을 연구하는 데 유용한 도구입니다. 플라스미드에 운반된 siRNA 또는 유전자의 transfection은 유전자 발현에 대한 섭동을 유도하고 NSC 생물학을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 그러나 NSC 배양에 대한 외인성 핵산 전달은 중추신경계(CNS) 세포 transfection의 낮은 효율성으로 인해 어렵습니다. 여기에서는 성체 쥐 SVZ의 확장된 NSC에서 높은 유전자 전달 효율을 달성하는 개선된 핵절충 시스템을 소개합니다. 당사는 이 비교적 간단한 방법이 성인 NSC의 유전자 섭동을 향상시켜 생존율이 80%를 초과하는 기존 transfection 프로토콜을 능가한다는 것을 입증했습니다. 또한, 이 방법은 1차 분리 NSC에도 적용할 수 있으며, 신경권 배양에서 knockdown 또는 과발현을 통한 유전자 발현 조작을 통해 유전자 기능 연구에서 중요한 발전을 제공합니다.
신경 줄기 세포(NSC)는 뇌에 상주하는 다능 줄기 세포입니다. 이 세포는 자가 재생 능력을 가지고 있으며 성상교세포(astrocyte), 희소돌기아교세포(oligodendrocyte), 뉴런(neuron)의 세 가지 신경 계통으로 분화할 수 있습니다1. 결과적으로, NSC는 포유류의 성체 신경 발생, 즉 뇌에서 새로운 신경 세포가 생성되는 과정에 중요한 역할을 합니다2. 비소세포(NSC)는 주로 신경인성 틈새(neurogenic niche)라고 불리는 성인 뇌 내의 두 영역, 즉 외측 심실의 벽을 따라 있는 뇌실하 영역(subventricular zone, SVZ)과 해마의 치상이랑(dentate gyrus) 내의 입하 영역(SGZ)에 존재합니다 3,4. 성체 마우스에서 가장 활동적인 신경인성 틈새인 SVZ의 NSC(B 세포라고도 함)는 자가 재생되어 통과 증폭 전구 세포(TAP 또는 C 세포)를 생성한 후 신경 아세포(A 세포)로 분화합니다. 이 신경아세포는 로스트랄 이동류(rostral migratory stream, RMS)를 통해 후각구(olfactory bulbs, OB)로 이동하며, 여기서 인터뉴런(interneuron)으로 완전히 분화되어 기존의 회로(circuitry) 3,4,5,6에 통합됩니다.
이러한 틈새 내에서 NSC를 조절하는 분자 단서와 신호의 복잡한 상호 작용을 이해하는 것은 치료 응용 분야에 대한 잠재력을 활용하는 데 중요합니다. 이를 위해 NSC의 선택적 1차 배양에서 표면 마커 7,8,9,10을 사용한 세포 선택에 이르기까지 이 세포 집단을 연구하기 위한 다양한 방법이 개발되었습니다. 본 논문은 염기성 섬유아세포 성장 인자(bFGF)와 표피 성장 인자(EGF)라는 두 가지 유사 항액을 모두 포함하는 무혈청 선택적 배지를 사용하여 SVZ NSC의 시험관 내 분리 및 배양에 대해 자세히 설명합니다. 이 배지는 세포 증식을 촉진하고 신경권(neurospheres)으로 알려진 시험관 내 클론, 3차원, 비부착성 응집체를 형성하는 성인 마우스 뇌의 SVZ에서 얻은 NSC의 줄기성을 유지합니다9. 신경권 배양은 NSC 증식, 자가 재생, 분화 및 생존에 영향을 미치는 분자 메커니즘 및 요인을 조작하고 연구하기 위한 통제된 플랫폼 역할을 합니다11. 특히, 배양에서 형성된 일차 신경구의 수는 생체 내 SVZ에 존재하는 NSC의 수를 추정할 수 있게 하며, 이는 성인 NSC 풀에 대한 다양한 조건의 영향을 연구하기 위한 강력한 도구가 됩니다(12,13). 더욱이, 일단 1차 배양이 확립되면, NSC는 증식 조건 하에서 대칭적 분열을 통과할 때 새로운 응집체(2차 신경구)를 생성할 수 있다14. 따라서, 2차 신경구 세포의 저밀도 파종(클론 분석)은 이러한 배양물의 자가 재생률을 평가하기 위해 활용될 수 있습니다 4,15,16,17.
NSC 조절을 지배하는 메커니즘을 밝히는 데 있어 신경권의 잠재력에도 불구하고, 일부 연구자들은 세포가 성장하는 인공 조건이 신경인성 틈새 18,19,20,21,22 의 복잡한 생체 내 미세환경을 충실하게 복제하지 못할 수 있다고 주장하면서 시험관 내 발견의 타당성에 의문을 제기합니다. 또 다른 논란의 여지가 있는 점은 신경권에서 관찰된 이질성에 관한 것이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 변동성은 in vivo23,24에서 자연적으로 발생하는 NSC의 대칭 및 비대칭 분할을 반영하는 것으로 여겨진다. 또한, 최근의 검증은 SVZ 신경인성 틈새 내에서 작동하는 메커니즘을 예측하기 위한 NSC 배양의 활용을 지원했으며, 여러 연구에서 시험관 내에서 배양된 NSC가 생체 내에서 관찰된 전사체 프로필을 정확하게 유지한다는 것을 입증했습니다 11,25.
따라서 신경권 배양은 NSC 증식 및 분화 능력을 탐구하는 방법일 뿐만 아니라 NSC 생물학을 지배하는 유전자의 영향을 연구하는 시스템을 제공합니다. 비소세포종(NSC)에서 유전자 기능을 조사하기 위한 핵심 기법은 유전자 발현 섭동(gene expression perturbation)입니다. 플라스미드를 통해 전달된 siRNA 또는 유전자는 세포 배양에 transfection되어 표적 유전자의 knockdown 또는 upregulation을 초래할 수 있습니다. 이 다재다능한 접근법은 조건부 녹아웃 마우스를 사용하여 배양하는 것에 비해 시간과 비용을 크게 줄여 신경 발생의 유전적 기반을 밝히고 치료 전망을 탐색할 수 있는 유망한 방법을 제시합니다. NSC에서 특정 유전자의 발현을 변경하면 유전자의 행동을 조절할 수 있으며, 증식, 분화 및 이동과 같은 중요한 생물학적 과정에 영향을 미칠 수 있습니다. 그러나 특히 쥐 신경구 내에서 NSC를 transfection할 수 있다는 전망은 주목할 만한 도전 과제를 제시합니다. 신경구의 3차원 구조는 형질주입의 효율성을 손상시키며, 종종 성공적인 외인성 핵산 전달률이 낮아져 유전자 조작의 범위를 제한한다26,27. 또한, transfection 절차는 세포의 생존력과 기능에 해로운 영향을 미칠 수 있다27. 이러한 맥락에서 우리는 세포 손상을 완화하고 높은 생존율을 달성하며 NSC 배양을 교란하는 데 사용되는 유전자 전달 분석에서 더 높은 효능을 보장하는 방법으로 nucleofection 시스템을 제시합니다.
이 원고는 신경권 배양 시스템을 사용하여 유전자를 교란하기 위해 성인 SVZ 신경인성 틈새에서 NSC를 분리, 확장 및 핵화하는 절차를 설명하는 것을 목표로 합니다. 이 방법은 기존 transfection 프로토콜의 효과를 능가하여 표적 세포 간의 생존율이 크게 높아지고 유전자 전달 효율이 개선됩니다.
in vivo NSC 집단을 식별하기 위한 명확한 마커가 없기 때문에 NSC 분석은 주로 생체 외 조건에서 신경인성 틈새에서 분리된 세포의 거동을 관찰하는 데 기반을 두었습니다. Reynolds와 Weiss의 선구적인 연구는 비접착 조건에서 젊은 성인(2개월) 마우스 SVZ 조직의 개별 세포를 분리하고 확장할 수 있도록 정확한 배양 조건을 설정함으로써 토대를 마련했습니다. 이러한 세포는 일반적으로 EGF와 bFGF를 함유한 무혈청 배지에서 증식하며, 이러한 조건은 뉴런과 신경교세포로의 분화를 완전히 방지하면서 증식을 촉진합니다. 실제로, 이러한 배양 조건9 하에서, 대부분의 세포는 배양 첫 며칠 동안 죽지만, 소수의 부분집합이 분열하기 시작하여 주로 부유 신경구(floating neurosphere)9를 형성한다. 이러한 세포 응집체의 효소 해리 및 하위 배양은 배양 증식을 촉진하여 이러한 배양의 자가 재생 능력을 입증합니다.
특히, 신경권 배양은 EGF만 첨가하면 증식 가능성을 보이는 반면, bFGF만 함유하는 배지에서 성장한 NSC는 장기적인 세포 증식을 나타내지 않는다30. 두 증거 모두 EGF가 주요 NSC 자기 재생 미토겐임을 지적합니다. 그럼에도 불구하고, 배양 배지에서 EGF와 bFGF의 존재는 NSCs31의 자가 재생 능력을 향상시킬 뿐만 아니라 성상교세포, 뉴런 및 희소돌기아교세포(32,33,34,35)로의 분화 잠재력의 균형을 맞추는 데 기여합니다. 또한, 배지를 보충하기 위해 상업적 대안 대신 호르몬 및 요인의 정의된 혼합물을 사용하면 NSC 배양의 높은 품질과 재현성을 보장할 수 있습니다. 이러한 조건 하에서, 마우스 NSC 배양은 불멸화(immortalization)를 거치지 않고 안정적인 세포주로 지속될 수 있습니다. 그럼에도 불구하고 신경권 배양에서 우려되는 점은 증식성 세포 집단이 유전적 변형을 겪어 세포주기 조절 메커니즘을 우회하고 불멸화된 표현형으로 이어질 수 있는 가능성입니다. 따라서 신경권 배양은 확장성이 매우 높지만 체외 통로 10개 이상의 배양은 복제 노화를 겪을 수 있고 비정상적인 염색체 함량이나 불규칙한 성장 동력을 가진 세포가 나타날 수 있기 때문에 일반적으로 연구를 위해 폐기됩니다. 더욱이, 장기적으로 확립된 신경권 배양의 사용은 지속적으로 모니터링되어야 합니다. 신경권 배양은 또한 통제된 환경에서 그들의 특성과 잠재력을 검사할 수 있는 기회를 제공하며, 생체 내에서보다 더 정확하게 조절하고 모니터링할 수 있는 더 정확하고 조정 가능한 설정을 제공합니다. 체외에서 clonogenic 또는 집단 분석을 통해, 이러한 세포의 자가 재생 및 증식 능력을 정량화하는 것이 가능해, 이러한 특성을 지배하는 근본적인 메커니즘의 식별을 용이하게 합니다.
그럼에도 불구하고, in vitro에서 NSC와 협력하는 것의 많은 장점에도 불구하고, 이 배양 프로토콜의 특성과 NSC의 섬세함은 이 분야에서 도전 과제가 되고 있습니다. 예를 들어, 일반적인 해부 중에 생성되는 주요 신경구의 수는 실험자의 기술과 정밀도에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 1차 신경구 결과는 2개월 된 쥐의 SVZ에서 얻은 1차 신경구 수의 이러한 변동성을 보여주며, 이는 500개에서 3000개 사이의 신경구에 이릅니다. 다양한 요인이 이러한 변동성에 기여할 수 있습니다. 첫째, 박리의 정밀도는 원치 않는 실질 조직을 최소화하여 1차 구 형성을 억제합니다. 둘째, SVZ 조직의 작은 조각을 생성하면 효율적인 효소 소화 및 분쇄가 가능하여 세포 손실을 줄일 수 있습니다. 이는 해부 프로토콜의 충분한 사전 실습과 신경권 배양 확립 중 조직 처리의 미세 조정된 개발의 필요성을 강조합니다.
이러한 배양의 또 다른 한계는 신경구가 NSC와 전구 세포를 모두 포함할 수 있기 때문에 1차 배양 내에서 이 두 집단을 구별하기 어렵다는 사실에 있습니다. GFAP, Nestin, Musashi 및 SOX2와 같은 다양한 마커가 NSC8에 의해 발현되는 것으로 보고되었지만, 이들 중 어느 것도 NSC와 독점적으로 연관되어 있지는 않습니다. 세포 표면 항원 발현을 기반으로 하는 새로운 FACS 기술을 통해 NSC와 그 자손을 분리할 수 있습니다. 이러한 연구는 통과 증폭 전구 세포가통로 25, 36에서 신경 구체를 형성 할 수 없음을 입증했습니다. 따라서, SVZ 세포와 신경권 개시 세포 사이의 관계는 추가적인 개선이 필요하지만(18,19,20,21,22,23), 장기간에 걸쳐 연속적으로 통과할 수 있는 신경구의 능력은 배양에서 NSC의 존재를 반영할 수 있습니다.
이 신경구 배양 시스템은 시험관내 NSC 자가 재생 능력을 유지하는 데 있어 신호 전달 경로 및 유전자 발현의 영향을 조사하기 위한 강력한 모델 역할을 했습니다 15,29. 이러한 측면을 탐구하기 위한 한 가지 접근법은 NSC를 transfection하여 특정 유전자를 과발현하거나 knockdown하는 것입니다. 이는 바이럴 및 비바이럴 방법을 포함한 다양한 기술을 통해 달성할 수 있습니다. 바이러스 벡터는 종종 높은 유전자 전달 효율을 달성하지만, 높은 안전성 요구사항 및 시간 소모적인 벡터 생성과 같은 중요한 한계가 있다26. 반대로, lipofection 및 electroporation과 같은 고전적인 transfection 방법은 매우 낮은 transfection 속도를 달성하므로 transfection이 어려운 세포에는 적합하지 않습니다. 뉴클레오펙션 기술은 셀 유형별 뉴클레오펙션 용액을 각 셀 유형에 대한 고유한 전기적 매개변수와 결합하여 사용자 친화적인 접근 방식을 제공합니다(37,38). 이것은 DNA가 세포핵(39)으로 직접 전달되는 것을 보장하여, 세포주기-독립적인 방식으로 DNA 혼입을 가능하게 한다. 결과적으로, 뉴클레오펙션은 마우스 NSC와 같은 transfection이 어려운 세포를 transfection하기 위한 실행 가능한 기술로 부상하고 있습니다(28,40).
이 방법의 한 가지 제한은 각 핵에 대해 최소 2 x 106 세포가 권장되고 필요하지만, 최적의 조건에서는 단일 핵절× 더 적은 수의 세포가 사용될 수 있습니다(즉, 510 5 세포). 이 방법의 또 다른 단점은 핵절충에 사용되는 DNA의 품질과 농도가 유전자 전달 효율에 상당한 영향을 미친다는 것입니다. 내독소 존재로 인한 세포 폐사율 상승을 방지하기 위해 내독소가 없는 준비된 DNA를 사용하는 것이 적극 권장됩니다. 또한 핵절충을 위해 6μg 이상의 총 DNA를 사용하면 유전자 전달 효율과 세포 생존율을 모두 크게 감소시킬 수 있습니다. 마지막으로, 전기 펄스 투여는 핵세포의 생존에도 중요합니다.
이 연구에서 우리는 에피솜 플라스미드를 사용하여 발현의 하향 조절을 포함하는 전략을 사용하여 Snrpn 유전자 발현의 조작을 예시했습니다. 이러한 플라스미드는 세포의 게놈에 통합되지 않으며, NSC가 시험관 내에서 계속 증식함에 따라 도입된 DNA는 세포 분열을 따라 희석되어 유전자 조작의 효과를 잃게 됩니다. 따라서 이 전략은 단기간에 급격한 변화가 생기거나 생년월일 세포에 미치는 영향을 시험관 내에서 연구하는 데 유용합니다. 유전자 섭동의 더 장기적인 영향을 평가하기 위한 몇 가지 대안을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 트랜스포손 기반 piggyBAC과 같은 통합 시스템을 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 transposable sequences에 의해 측면에 포함된 플라스미드에 포함된 목적하는 암호화 서열을 도입하고, 효소 transposase41에 대한 서열을 포함하는 플라스미드와 세포를 co-nucleofect하는 것으로 구성됩니다. 또는 트랜스포손 또는 CRISPR/Cas 시스템을 사용할 수 있습니다.
transfection(transfection) 기술의 추가 개발은 성체 신경 줄기 세포 생리학에서 다양한 유전자의 역할을 평가하기 위한 고처리량 분석을 향한 중요한 단계가 될 것입니다. 점점 더 정교해지는 정제 및 확장 방법과 함께 이러한 연구를 통해 성인 NSC의 체외 생물학을 이해하고 부유 신경구와 생체 내 NSC 간의 생물학적 차이를 비교할 수 있습니다.
The authors have nothing to disclose.
이 작업은 Ministerio de Ciencia e Innovación 및 Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI) (PID2019-110045GB-I00; PID2022-142734OB-I00 및 EUR2023-143479)를 SRF에 연결합니다. EJV(FPU20/00795) 및 DSL(FPU22/03797)은 Spanish Formación de Profesorado Universitario 펠로우십 프로그램(FPU)에서 자금을 지원합니다. LLC(PRE2020-094137) 및 JDM(PREP2022-000680)은 Spanish Formación de Personal Investigador(FPI) 펠로우십 프로그램의 자금 지원을 받습니다. CMM(CIACIF/2022/366)은 Generalitat Valenciana에서 자금을 지원합니다. MIL(CPI-22-481)은 Programa INVESTIGO 펠로우십(Next Generation EU)의 자금 지원을 받습니다. Ministerio de Ciencia e Innovación에서 제공하는 오픈 액세스 기금.
0.22 μm pore-filter bottles (250 mL) | VWR | 514-0330P | |
0.22 μm pore-filter bottles (500 mL) | VWR | 514-0332P | |
12-well plate | LabClinics | PLC30012 | |
15 mL tube | Fisher | 10738771 | |
24-well plate | LabClinics | PLC30024 | |
4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) | BioWest | L0180-100 | |
4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Sigma | D9542 | |
48-well plate | ThermoFisher | 150687 | |
6-well plate | LabClinics | PLC30006 | |
96-well plate | Labclinics | PLC30096 | |
Accutase solution | Sigma | A6964-100ML | Referred as enzymatic solution |
Amaxa Mouse Neural Stem Cell Nucleofector Kit | Lonza | VPG-1004 | |
Amaxa Nucleofector Iib | Lonza | 10700807 | |
Antibiotic/Antimitotic (A/A) | Sigma | A5955 | |
Apo-t-Transferrine | Sigma | T2252-1G | |
Basic Fibroblast Growth Factor (bFGF) | Sigma | F0291 | |
Blasticidin | Sigma | 203350 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | B4287-25MG | |
Cell strainer 40 μm | LabClinics | PLC93040 | |
Deoxynucleotide triphosphate (dNTPs) | NZYTech | MB08701 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma | D8418 | |
Dulbecco’s Phosphate Saline Buffer (DPBS) | Gibco | 14080-055 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) F12 1:1 | Gibco | 11320-074 | |
E. coli DH5α Competent Cells | ThermoFisher | EC0112 | |
Earles's Balanced Salt Solution (EBSS) | Gibco | 24010-043 | |
Epidermal Growth Factor – Human recombinant (EGF) | Gibco | 53003-018 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma | E-6511 | |
Fine Forceps | Fine Science Tools | 11274-20 | |
Fine Scissors Sharp | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Glucose | Sigma | G-7021 | |
GoTaq G2 Flexi DNA Polymerase | Promega | M7805 | Kit includes reagents for PCR |
Heparin | Sigma | H-3149 | |
Insuline | Sigma | I6634 | |
LB agar (Lennox) | LabKem | AGLB-00P-500 | |
LB broth (Lennox) | LabKem | LBBR-00P-500 | |
L-Cysteine | Sigma | C-8277 | |
L-Glutamine | Gibco | 25030-024 | |
Neubauer chamber | Blaubrand | BR718620 | |
Nuclease free water | Labbox | WATR-00A-10K | |
NZYMaxiprep Endotoxin Free Kit | NZYTech | MB39901 | |
Papain Lyophilized | Worthington | LS003119 | |
Progesterone | Sigma | P-6149 | |
Putrescine | Sigma | P-7505 | |
Scalpel | Fine Science Tools | 10316-14 | |
shSCRAMBLE | Mission (Sigma) | SHC003 | |
shSNRPN | Mission (Sigma) | TRCN0000109285 | |
Sodium Selenite | Sigma | S-9133 | |
Spatula | Fine Science Tools | 10090-17 | |
Sterile PES Syringe Filters (0.22 μm pore-filter) | Epica | SFPE-22E-050 | |
T12.5 cm2 Flask | Biofil | TCF012025 | |
T25 cm2 Flask | LabClinics | PLC70025 | |
T75 cm2 Flask | LabClinics | PLC70075 | |
Tweezers | Fine Science Tools | 91150-20 |