Summary

Specifikationen af ​​Telencephalic glutamaterge neuroner fra humane pluripotente stamceller

Published: April 14, 2013
doi:

Summary

Denne fremgangsmåde giver telencephalic neuroner ved at gå gennem checkpoints, der ligner dem observeret under den menneskelige udvikling. Cellerne får lov til spontant differentierer, udsættes for faktorer, der skubber dem mod det neurale afstamning, isoleres, og udplades på dækglas for at muliggøre terminal differentiering og modning.

Abstract

Her har en trinvis procedure for effektiv frembringelse telencephalic glutamaterge neuroner fra humane pluripotente stamceller (PSC) blevet beskrevet. Differentieringsprocessen initieres ved at bryde de humane PSC'er i klumper, som runde op til dannelse af aggregater, når cellerne er placeret i en suspensionskultur. Aggregaterne dyrkes derefter i hESC medium fra dag 1-4 for at tillade spontan differentiering. I denne periode har cellerne kapacitet til at blive en af ​​de tre kimlag. Fra dag 5-8, cellerne anbringes i et neuralt induktionsmedium at skubbe dem ind i neurale afstamning. Omkring dag 8 cellerne lov til at fæstne på 6-brøndsplader og differentiere i hvilket tidsrum neuroepitelceller form. Disse neuroepitelceller kan isoleres på dag 17. Cellerne kan derefter holdes som neurosfærer, indtil de er klar til at blive udpladet på dækglas. Ved hjælp af et basisk medium uden caudalizing faktorer, neuroepitelceller er specified i telencephalic forstadier, som derefter kan yderligere differentieret i dorsale telencephalic progenitorer og glutamaterge neuroner effektivt. Samlet set vores system giver et værktøj til at generere menneskelige glutamaterge neuroner for forskere at studere udviklingen af ​​disse neuroner og de sygdomme, der påvirker dem.

Introduction

Humane pluripotente stamceller (PSC), herunder både humane embryonale stamceller (hESCs) og induceret pluripotente stamceller (iPSCs), har kapacitet til at generere alle celletyper i kroppen, herunder neuroner 1-3. Instrueret differentiering af forskellige neuronale undertyper fra humane PSC har nøglen for anvendelse af disse celler i regenerativ medicin. Den generation af funktionelle neuronale undertyper under udvikling er en kompleks proces, der involverer induktion af neurale afstamning, specifikationen af regionale progenitorer langs Rostro-caudale akse, og differentieringen af post-mitotiske neuron typer fra de regionale progenitorer 4,5. Begyndende i 2001, har flere systemer blevet oprettet for at generere neurale afstamning fra hESCs, som har ydet en platform for den efterfølgende generation af neuronale undertyper 6,7. Baseret på udviklingsmæssige principper, flere neuron typer såsom spinal motor neuroner 8-12, midthjernen DOPaminerge neuroner 13-15, og neurale nethinde celler 16,17 er effektivt angivet fra humane PSC. Dette blev gjort ved at anvende kritiske morfogener, som er vigtige for specifikationen af disse neuron typer under de vivo udvikling. Andre protokoller er også blevet udviklet til at fremme differentiering af hESCs til neuroner under anvendelse af enten yderligere faktorer 18-20, såsom små molekyler eller ved co-dyrkning med andre celletyper til at fremme differentiering 21.

Den menneskelige neocortex er højt udviklet og indeholder mange celletyper, herunder glutamaterge neuroner, som spiller en vigtig rolle i læring, hukommelse og kognitiv funktion 22,23. Det første trin i frembringelse glutamaterge neuroner i kultur er at specificere telencephalic progenitorceller. Yoshiki Sasai gruppe først rapporteret den styrede differentiering af telencephalic precursorer fra mus ESC (mESCs) under anvendelse af et serumfrit suspension kultur i nærvær af DKK1 (som inhiberer Wnt signalering) samt LeftyA (som inhiberer nodal signalering) 24. Efterfølgende har flere grupper, herunder vores rapporterede også specifikationen af telencephalic precursorer fra humane PSC'er i serumfrit medium 25-27. Frembringelsen af telencephalic precursorer fra humane PSC kræver ikke anvendelse af exogene morfogener og effektiviteten i at generere disse prækursorer er meget højere end den fra mESCs 26,27. Her har en kemisk defineret system for neural induktion der var veletableret af Zhang gruppe 7 blevet beskrevet. Uden tilsætning af exogene caudalizing faktorer, effektivt denne protokol genererer telencephalic precursorer fra humane PSC 27. Disse progenitorer kan derefter opdeles i dorsale eller ventrale progenitorer ved at regulere signalering af Wnt og sonic pindsvin (SHH). Den dorsale progenitorer kan yderligere differentiere sig til glutamaterge neuroner efficiently 27. Desuden denne protokol fungerer godt til dannelse af glutamaterge neuroner fra human iPSCs 28, som muliggør dannelsen af patientspecifikke neuroner, som kan anvendes til at undersøge virkningsmekanismen samt potentielle terapier for en lang række sygdomme . Desuden vores system giver også en platform til at undersøge mulighederne for udvikling og specifikation af diverse neuronale typer i telencephalon.

Protocol

1. Dannelse af humane pluripotente stamcelle Aggregates (D1-D4) Humane pluripotente stamceller dyrkes på muse embryonale fibroblast (MEF) foderautomater i nærvær af hESC medium suppleret med basisk fibroblastvækstfaktor (bFGF, 4 ng / ml). Efter 5-7 dage i kultur, når kolonierne er store, men stadig er udifferentierede de er klar til det næste trin. Enzymopløsningen bør først fremstilles. I et 50 ml rør, opløse dispase (eller collagenase) i en 1 mg / ml koncentration i DMEM/F12-medium. Eft…

Representative Results

Her, til en protokol differentiere humane PSC'er i telencephalic glutamaterge neuroner gennem flere kritiske trin: dannelse af PSC aggregater, induktionen af neuroepitelceller, frembringelsen af telencephalic progenitorer, og den terminale differentiering af disse progenitorer i telencephalic neuroner (fig. 1) har blevet beskrevet. Dette system er robust og effektiv i den generation af telencephalic progenitorer og glutamaterge neuroner. Som et eksempel (fig. 2), uden tilsætning af…

Discussion

Der er flere kritiske trin i den neurale differentieringsprocessen. Det er vigtigt at sikre, at de humane PSC er pluripotente for ellers cellerne allerede kan være forspændt mod at blive en ikke-neuronal afstamning. Dette kan bekræftes ved farvning af humane PSC'er med antistoffer mod pluripotency markører, såsom Oct4, Sox2, Nanog, og Tra-1-60 1-3. Hvis de humane PSC'er ikke lægger meget godt efter passage dem, kan ROCK inhibitor (Y27632) tilsættes for at hjælpe. For dem har problemer med at h…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne vil gerne takke Dr. Y. Sasai for gavmildt at give den FOXG1 antistof. Dette arbejde blev støttet af Connecticut Stamcelleforskning Tilskud (08-SCB-UCHC- 022 og 11-SCB24) og Spastisk Paraplegi Foundation.

Materials

Reagent Supplier Catalog #
Dulbecco’s modified eagle medium with F12 nutrient mixture (DMEM/F12) Gibco 11330-032
Knockout Serum Replacer Gibco 10828-028
L-glutamine (200 mM) Gibco 25030
Non Essential Amino Acids Gibco 1140-050
2-Mercaptoethanol (14.3 M) Sigma M-7522
Neurobasal medium Gibco 21103-049
N2 Gibco 17502-048
B27 Gibco 12587-010
Heparin Sigma H3149
Poly-L-ornithine hydrobromide (polyornithine) Sigma 116K5103
Laminin (human) Sigma L-6274
Laminin (mouse) Invitrogen 23017-015
FBS Gemini 100-106
Bovine serum albumin (BSA) Sigma A-7906
Dispase Gibco 17105-041
Collagenase Invitrogen 17104-019
Accutase Innovative Cell Technologies AT104
ROCK Inhibitor Stemgent 04-0012
SB431542 Stemgent 04-0010
Dorsomorphin Stemgent 04-0024
Fibroblast growth factor 2 (FGF2, bFGF) Invitrogen 13256-029
Trypsin inhibitor Gibco 17075
0.1% gelatin Millipore ES-006-B
Foxg1 antibody Dr. Y. Sasai  
Hoxb4 antibody (1:50) Developmental Studies Hybridoma Bank I12
Pax6 antibody (1:5000) Developmental Studies Hybridoma Bank PAX6
Nkx2.1 antibody (1:200) Chemicon MAB5460
Tbr1 antibody (1:2000) Chemicon AB9616
vGLUT1 antibody (1:100) Synaptic Systems 135302
Brain derived neurotrophic factor (BDNF) PrepoTech Inc. 450-02
Glial derived neurotrophic factor (GDNF) PrepoTech Inc. 450-10
Insulin growth factor 1 (IGF1) PrepoTech Inc. 100-11
Cyclic AMP (cAMP) Sigma D-0260
Sonic hedgehog (SHH) R&D 1845-SH
50 ml tubes Becton Dickinson (BD) 352098
15 ml tubes BD 352097
6 well plates BD 353046
24 well plates BD 353047
T25 flasks (untreated) BD 353009
T75 flasks (untreated) BD 353133
Coverslips Chemiglass Life Sciences 1760-012
6 cm Petri dishes BD 353004
9” glass pipetes Fisher 13-678-20D
Steriflip filters (0.22 μM) Millipore SCGP00525
Stericup filters 1,000 ml (0.22 μM) Millipore SCGPU10RE
Phase contrast microscope (Observer A1) Zeiss R2625
Carbon dioxide incubator (Hera Cell 150) Thermo Electron Corporation  
Biosafety hood (Sterilgard III Advance) The Baker Company  
Centrifuge (5702 R) Eppendorf  

Referências

  1. Takahashi, K., Tanabe, K., et al. Induction of pluripotent stem cells from adult human fibroblasts by defined factors. Cell. 131, 861-872 (2007).
  2. Thomson, J. A., Itskovitz-Eldor, J., et al. Embryonic stem cell lines derived from human blastocysts. Science. 282, 1145-1147 (1998).
  3. Yu, J., Vodyanik, M. A., et al. Induced pluripotent stem cell lines derived from human somatic cells. Science. 318, 1917-1920 (2007).
  4. Jessell, T. M. Neuronal specification in the spinal cord: inductive signals and transcriptional codes. Nat. Rev. Genet. 1, 20-29 (1038).
  5. Wilson, S. I., Edlund, T. Neural induction: toward a unifying mechanism. Nat. Neurosci. 4, 1161-1168 (2001).
  6. Reubinoff, B. E., Itsykson, P., et al. Neural progenitors from human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 19, 1134-1140 (2001).
  7. Zhang, S. C., Wernig, M., Duncan, I. D., Brustle, O., Thomson, J. A. In vitro differentiation of transplantable neural precursors from human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 19, 1129-1133 (2001).
  8. Hu, B. Y., Weick, J. P., et al. Neural differentiation of human induced pluripotent stem cells follows developmental principles but with variable potency. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 4335-4340 (2010).
  9. Singh Roy, N., Nakano, T., et al. Enhancer-specified GFP-based FACS purification of human spinal motor neurons from embryonic stem cells. Exp. Neurol. 196, 224-234 (2005).
  10. Lee, H., Shamy, G. A., et al. Directed differentiation and transplantation of human embryonic stem cell-derived motoneurons. Stem Cells. 25, 1931-1939 (2007).
  11. Boulting, G. L., Kiskinis, E., et al. A functionally characterized test set of human induced pluripotent stem cells. Nat. Biotechnol. 29, 279-286 (2011).
  12. Li, X. J., Du, Z. W., et al. Specification of motoneurons from human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 23, 215-221 (2005).
  13. Perrier, A. L., Tabar, V., et al. Derivation of midbrain dopamine neurons from human embryonic stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 101, 12543-12548 (2004).
  14. Roy, N. S., Cleren, C., et al. Functional engraftment of human ES cell-derived dopaminergic neurons enriched by coculture with telomerase-immortalized midbrain astrocytes. Nat Med. 12, 1259-1268 (2006).
  15. Yan, Y., Yang, D., et al. Directed differentiation of dopaminergic neuronal subtypes from human embryonic stem cells. Stem Cells. 23, 781-790 (2005).
  16. Meyer, J. S., Shearer, R. L., et al. Modeling early retinal development with human embryonic and induced pluripotent stem cells. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 106, 16698-16703 (2009).
  17. Osakada, F., Ikeda, H., et al. Toward the generation of rod and cone photoreceptors from mouse, monkey and human embryonic stem cells. Nat Biotechnol. 26, 215-224 (2008).
  18. Carpenter, M. K., Inokuma, M. S., et al. Enrichment of neurons and neural precursors from human embryonic stem cells. Exp. Neurol. 172, 383-397 (2001).
  19. Chambers, S. M., Fasano, C. A., et al. Highly efficient neural conversion of human ES and iPS cells by dual inhibition of SMAD signaling. Nat. Biotechnol. 27, 275-280 (2009).
  20. Chambers, S. M., Qi, Y., et al. Combined small-molecule inhibition accelerates developmental timing and converts human pluripotent stem cells into nociceptors. Nat. Biotechnol. 30, 715-720 (2012).
  21. Kawasaki, H., Mizuseki, K., et al. Induction of midbrain dopaminergic neurons from ES cells by stromal cell-derived inducing activity. Neuron. 28, 31-40 (2000).
  22. Rubenstein, J. L., Beachy, P. A. Patterning of the embryonic forebrain. Curr. Opin. Neurobiol. 8, 18-26 (1998).
  23. Hevner, R. F., Hodge, R. D., Daza, R. A., Englund, C. Transcription factors in glutamatergic neurogenesis: conserved programs in neocortex, cerebellum, and adult hippocampus. Neurosci. Res. 55, 223-233 (2006).
  24. Watanabe, K., Kamiya, D., et al. Directed differentiation of telencephalic precursors from embryonic stem cells. Nat. Neurosci. 8, 288-296 (2005).
  25. Watanabe, K., Ueno, M., et al. A ROCK inhibitor permits survival of dissociated human embryonic stem cells. Nat. Biotechnol. 25, 681-686 (2007).
  26. Pankratz, M. T., Li, X. J., et al. Directed neural differentiation of human embryonic stem cells via an obligated primitive anterior stage. Stem Cells. 25, 1511-1520 (2007).
  27. Li, X. J., Zhang, X., et al. Coordination of sonic hedgehog and Wnt signaling determines ventral and dorsal telencephalic neuron types from human embryonic stem cells. Development. 136, 4055-4063 (2009).
  28. Zeng, H., Guo, M., et al. Specification of region-specific neurons including forebrain glutamatergic neurons from human induced pluripotent stem cells. PLoS One. 5, e11853 (2010).
  29. Kim, D. S., Lee, J. S., et al. Robust enhancement of neural differentiation from human ES and iPS cells regardless of their innate difference in differentiation propensity. Stem Cell Rev. 6, 270-281 (2010).
  30. Zhang, X., Huang, C. T., et al. Pax6 is a human neuroectoderm cell fate determinant. Cell Stem Cell. 7, 90-100 (2010).
  31. Stern, C. D. Initial patterning of the central nervous system: how many organizers. Nat. Rev. Neurosci. 2, 92-98 (2001).
  32. Ma, L., Hu, B., et al. Human embryonic stem cell-derived GABA neurons correct locomotion deficits in quinolinic acid-lesioned mice. Cell Stem Cell. 10, 455-464 (2012).
  33. Li, W., Wei, W., et al. Generation of rat and human induced pluripotent stem cells by combining genetic reprogramming and chemical inhibitors. Cell Stem Cell. 4, 16-19 (2009).
  34. Lowry, W. E., Richter, L., et al. Generation of human induced pluripotent stem cells from dermal fibroblasts. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 105, 2883-2888 (2008).
  35. Dimos, J. T., Rodolfa, K. T., et al. Induced pluripotent stem cells generated from patients with ALS can be differentiated into motor neurons. Science. 321, 1218-1221 (2008).
  36. Ebert, A. D., Yu, J., et al. Induced pluripotent stem cells from a spinal muscular atrophy patient. Nature. 457, 277-280 (2009).
  37. Lee, G., Papapetrou, E. P., et al. Modelling pathogenesis and treatment of familial dysautonomia using patient-specific iPSCs. Nature. 461, 402-406 (2009).
  38. Park, I. H., Arora, N., et al. Disease-specific induced pluripotent stem cells. Cell. 134, 877-886 (2008).
  39. Chamberlain, S. J., Chen, P. F., et al. Induced pluripotent stem cell models of the genomic imprinting disorders Angelman and Prader-Willi syndromes. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 107, 17668-17673 (2010).
  40. Kiskinis, E., Eggan, K. Progress toward the clinical application of patient-specific pluripotent stem cells. J. Clin. Invest. 120, 51-59 (2010).
  41. Koch, P., Tamboli, I. Y., et al. Presenilin-1 L166P mutant human pluripotent stem cell-derived neurons exhibit partial loss of gamma-secretase activity in endogenous amyloid-beta generation. Am. J. Pathol. 180, 2404-2416 (2012).
  42. Walsh, R. M., Hochedlinger, K. Modeling Rett syndrome with stem cells. Cell. 143, 499-500 (2010).
  43. Egawa, N., Kitaoka, S., et al. Drug Screening for ALS Using Patient-Specific Induced Pluripotent Stem Cells. Sci. Transl. Med. 4, (2012).
  44. Kola, I., Landis, J. Can the pharmaceutical industry reduce attrition rates. Nature Reviews Drug Discovery. 3, 711-716 (2004).
check_url/pt/50321?article_type=t

Play Video

Citar este artigo
Boisvert, E. M., Denton, K., Lei, L., Li, X. The Specification of Telencephalic Glutamatergic Neurons from Human Pluripotent Stem Cells. J. Vis. Exp. (74), e50321, doi:10.3791/50321 (2013).

View Video