Summary

인간 미세아교세포 유사 세포: 유도만능줄기세포로부터의 분화 및 인간 시냅토좀을 이용한 체외 생세포 식균작용 분석

Published: August 18, 2022
doi:

Summary

이 프로토콜은 시험관 내 실험을 위해 인간 유도 만능 줄기 세포 (iPSC)의 미세 아교 세포와 같은 세포로의 분화 과정을 설명합니다. 또한 라이브 셀 이미징 시스템을 사용하여 체외 식균 작용 분석의 기질로 사용할 수 있는 iPSC 유래 하부 운동 뉴런에서 인간 시냅토솜을 생성하는 자세한 절차도 포함되어 있습니다.

Abstract

미세아교세포는 뇌 미세 환경에서 항상성을 유지하고 여러 신경계 질환의 핵심 역할을 하는 골수성 기원의 상주 면역 세포입니다. 건강과 질병에서 인간 미세아교세포를 연구하는 것은 인간 세포의 공급이 극히 제한되어 있기 때문에 어려운 일입니다. 인간 개체에서 유래 한 유도 만능 줄기 세포 (iPSC)는이 장벽을 우회하는 데 사용할 수 있습니다. 여기에서는 시험관 내 실험을 위해 인간 iPSC를 미세아교세포 유사 세포(iMG)로 분화하는 방법을 보여줍니다. 이러한 iMG는 미세아교세포와 유사한 형태, 적절한 마커의 발현 및 활성 식균작용을 포함하여 미세아교세포의 예상 및 생리학적 특성을 나타냅니다. 추가적으로, 인간 iPSC 유래 하부 운동 뉴런(i3LMN)으로부터 유래된 시냅토좀 기질을 분리하고 표지하기 위한 문서가 제공된다. 살아있는 세포, 종단 영상 분석은 pH에 민감한 염료로 표지 된 인간 시냅 토좀의 삼킴을 모니터링하는 데 사용되어 iMG의 식세포 능력을 조사 할 수 있습니다. 본원에 기술된 프로토콜은 인간 미세아교세포 생물학 및 질병에 대한 미세아교세포의 기여를 조사하는 상이한 분야에 광범위하게 적용가능하다.

Introduction

미세아교세포는 중추신경계(CNS)에 상주하는 면역 세포이며 CNS 발달에 중요한 역할을 합니다. 미세 아교 세포는 항상성을 유지하고 외상 및 질병 과정에 적극적으로 반응하기 위해 성인 뇌에서도 중요합니다. 누적 증거에 따르면 미세아교세포는 여러 신경 발달 및 신경 퇴행성 질환의 발병 기전에 주요 기여를 합니다1,2. 미세아교세포 생물학에 대한 현재의 지식은 주로 마우스 모델에서 파생되었지만 최근 연구에서는 쥐와 인간 미세아교세포 사이의 중요한 차이점을 밝혀냈으며 인간 미세아교세포의 유전학 및 생물학적 기능을 연구하기 위한 기술 개발의 필요성을 강조했습니다.3,4. 해부된 1차 조직으로부터 미세아교세포를 분리하면 미세아교세포 특성5이 심각하게 변형될 수 있으며, 잠재적으로 그러한 세포로 얻은 결과를 교란시킬 수 있다. 이 방법의 전반적인 목표는 인간 iPSC를 iMG로 분화하여 기저 조건에서 인간 미세아교세포를 연구하기 위한 세포 배양 시스템을 제공하는 것입니다. 또한, 완전 인간 모델 시스템을 사용하는 식작용 분석은 품질 관리 측정으로서 및 질병의 맥락에서 iMG 기능 장애를 평가하기 위한 수단으로서 본 명세서에 포함된다.

iPSC로부터 미세아교세포 분화를 위한 다수의 프로토콜이 최근 문헌 6,7,8,9,10에 등장하였다. 일부 프로토콜의 잠재적 단점은 연장된 또는 장기간의 분화, 다중 성장 인자의 추가, 및/또는 복잡한 실험 절차(6,9,10)를 포함한다. 여기에서 iPSC를 원시 대식세포 전구체(PMP)라고 하는 전구체 세포로 분화하여 미세아교세포 개체 발생의 측면을 요약하는 “사용자 친화적인” 분화 방법이 입증되었습니다7,11. PMP는 이전에 설명된 대로 생성되며, 일부 최적화는 여기에 제시되어 있습니다12. PMP는 MYB 비의존적 난황낭 유래 대식세포를 모방하며, 이는 혈액-뇌 장벽 폐쇄 전에 뇌를 침범하여 배아 발달 동안 미세아교세포를 생성합니다13. PMP를 iMG로 최종 차별화하기 위해 Haenseler et al. 및 Brownjohn et al.의 프로토콜을 기반으로 하는 빠르고 단순화된 단일 배양 방법을 사용했으며, iMG가 미세아교세포가 풍부한 마커 7,8을 강력하게 발현하는 효율적인 미세아교세포 분화 방법을 생성하기 위해 일부 수정했습니다. 이 분화 방법은 iPSC 배양에 대한 전문 지식과 인간 모델 시스템을 사용하여 미세아교세포 생물학을 연구하는 것을 목표로 하는 연구 목표를 가진 실험실에서 재현할 수 있습니다.

iPSC 유래 미세아교세포는 시험관 내 실험을 위한 생물학적으로 관련된 인간 미세아교세포 공급원을 나타내며 식균작용을 포함한 미세아교세포 표준 기능을 조사하는 중요한 도구입니다. 미세아교세포는 뇌와 CNS의 전문 식세포로, 세포 파편, 응집된 단백질 및 분해된 미엘린14를 제거합니다. 미세아교세포는 또한 시냅스를 삼켜 시냅스 리모델링과 병원균의 식균작용을 통한 외부 감염에 대한 방어기능을 합니다 15,16. 이 프로토콜에서 iMG에 의한 식균 작용은 iMG 삼키기위한 재료로 인간 시냅 토좀을 사용하여 평가됩니다. 이를 위해, 인간i3LMNs로부터 유래된 시냅토좀을 단리하기 위한 설명이 기술된다. i3LMN-유래된 인간 시냅토좀은 pH에 민감한 염료로 표지되어 시험관 내에서 포식체 처리 및 분해 중에 산성 구획 내에 국한된 시냅토좀의 정량화를 가능하게 한다. 생세포 현미경을 사용한 식균 작용 분석은 미세아교세포 삼킴의 동적 과정을 실시간으로 모니터링하기 위해 표시됩니다. 이 기능 분석은 완전한 인간 시스템을 사용하여 건강 및 질병에서 소교 세포 식균 작용의 가능한 결함을 조사하기위한 기초를 설정합니다.

Protocol

알림: 이 프로토콜에 사용되는 모든 시약은 멸균되어야 하며 모든 단계는 멸균 상태의 생물안전 캐비닛에서 수행해야 합니다. 모든 iPSC 라인과 유지 보수 및 차별화 매체는 재료 표에 설명되어 있습니다. 아래에 예시된 미세아교세포 분화 방법은 이전에 공개된 프로토콜 7,8,12에 기초하고 여기에 설명된 새로운 변형을 갖는다.<…

Representative Results

이 프로토콜을 사용하여 iMG를 생성하려면 잘 정의된 가장자리가 있는 콤팩트한 콜로니 형태를 보여주는 미분화 iPSC로 시작하는 것이 중요합니다(그림 2A). EB 형성 섹션에 설명된 대로 유지된 해리된 iPSC는 EB라고 하는 구형 응집체를 형성하며, 이는 분화 4일째까지 크기가 커집니다(그림 2B). EB가 수집되고 PMP 생성에 적합한 조건에서 도금되면 Matrigel로 ?…

Discussion

여기에 설명된 분화 프로토콜은 ~6-8주 내에 iPSC 유래 미세아교세포 유사 세포를 고순도로 충분한 수율로 얻을 수 있는 효율적인 방법을 제공하여 면역형광 실험 및 더 많은 수의 세포가 필요한 기타 분석을 수행할 수 있습니다. 이 프로토콜은 1주일 동안 최대 1× 10,6개의 iMG를 산출하여 단백질 및 RNA 추출 및 해당 다운스트림 분석(예: RNASeq, qRT-PCR, 웨스턴 블롯, 질량 분석법)을 가능하게 합?…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

저자들은 운동 뉴런 분화를 위한 WTC11 hNIL iPSC 라인을 제공한 마이클 워드와 미세아교세포 분화에 사용되는 KOLF2.1J WT 클론 B03 iPSC 라인을 공급한 잭슨 연구소에 감사를 표합니다. 또한 프로토콜 구현 과정에서 도움을 준 도로시 샤퍼, 생세포 이미징 시스템에 도움을 준 앤서니 지암페트루치와 존 랜더스, 개정 기간 동안 기술적 기여를 해준 헤이든 갓, 이 연구에서 협력한 조나단 정에게 감사드립니다. 이 연구는 UMASS Chan Medical School과 Angel Fund, Inc.의 Dan and Diane Riccio Fund for Neuroscience Fund의 지원을 받았습니다.

Materials

Antibodies for immunofluorescence analysis
anti-IBA1 rabbit antibody Wako Chemical USA NC9288364 1:350 dilution
anti-P2RY12 rabbit antibody Sigma-Aldrich HPA014518 1:50 dilution
anti-TMEM119 rabbit antibody Sigma-Aldrich HPA051870 1:100 dilution
Antibodies for Western blot analysis
anti-β-Tubulin rabbit antibody Abcam ab6046 1:500 dilution
anti-Synaptophysin (SYP) rabbit antibody Abclonal A6344 1:1,000 dilution
anti-PSD95 mouse antibody Millipore MAB1596 1:500 dilution
Borate buffer components
Boric acid (100 mM) Sigma B6768
Sodium bicarbonate (NaHCO3) BioXtra Sigma-Aldrich S6297-250G
Sodium chloride (75 mM) Sigma  S7653
Sodium tetraborate (25 mM) Sigma 221732
Cell culture materials
6-well plates Greiner Bio-One 657160
40 μm Cell Strainers  Falcon 352340
100 mm x 20 mm Tissue Culture Treated CELLTREAT 229620
Cell Lifter, Double End, Flat Blade & Narrow Blade, Sterile CELLTREAT 229305
low adherence round-bottom 96-well plate Corning 7007
Primaria 24-well Flat Bottom Surface Modified Multiwell Cell Culture Plate Corning 353847,
Primaria 6-well Cell Clear Flat Bottom Surface-Modified Multiwell Culture Plate Corning 353846
Primaria 96-well Clear Flat Bottom Microplate Corning 353872
Cell dissociation reagents
Accutase  Corning 25058CI dissociation reagents used for lower motor neuron differentiation
TrypLE reagent Life Technologies 12-605-010 dissociation reagents used for microglia differentiation
UltraPure 0.5 M EDTA, pH 8.0 Invitrogen 15575020
Coating reagents for cell culture
Matrigel GFR Membrane Matrix Corning™ 354230 Referred as to extracellular matrix coating reagent
CellAdhere Laminin-521 STEMCELL Technology 77004 Referred as to laminin 521
Poly-D-Lysine Sigma P7405 Reconstitute to 0.1 mg/mL in borate buffer
Poly-L-Ornithine Sigma  P3655 Reconstitute to 1 mg/mL in borate buffer
Components of iPSC media
 mTeSR Plus Kit STEMCELL Technology 100-0276 To prepare iPSC media mixed the components to 1x
Components of EB media
BMP-4 Fisher Scientific PHC9534 final concentration 50 ng/mL
iPSC media final concentration 1x
ROCK inhibitor Y27632 Fisher Scientific BD 562822 final concentration 10 µM
SCF PeproTech 300-07 final concentration 20 ng/mL
VEGF PeproTech 100-20A final concentration 50 ng/mL
Components of PMP base media
GlutaMAX Gibco 35050061 final concentration 1x
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) Gibco 15140122 final concentration 100 U/mL
X-VIVO 15 Lonza 12001-988 final concentration 1x
Components of PMP complete media
55 mM 2-mercaptoethanol Gibco 21985023 final concentration 55 µM
IL-3 PeproTech 200-03 final concentration 25 ng/mL
M-CSF PeproTech 300-25 final concentration 100 ng/mL
PMP base media final concentration 1x
Components of iMG base media
Advanced DMEM/F12 Gibco 12634010 final concentration 1x
GlutaMAX Gibco 35050061 final concentration 1x
N2 supplement, 100x Gibco 17502-048 final concentration 1x
Penicillin-Streptomycin (10,000 U/mL) Gibco 15140122 final concentration 100 U/mL
Components of iMG complete media
55 mM 2-mercaptoethanol Gibco 21985023 final concentration 55 µM
IL-34 PeproTech or Biologend 200-34 or 577904 final concentration 100 ng/mL
iMG base media final concentration 1x
M-CSF PeproTech 300-25 final concentration 5 ng/mL
TGF-β PeproTech 100-21 final concentration 50 ng/mL
Components of Induction base media
DMEM/F12 with HEPES Gibco 11330032 final concentration 1x
GlutaMAX Gibco 35050061 final concentration 1x
N2 supplement, 100x Gibco 17502-048 final concentration 1x
Non-essential amino acids (NEAA), 100x Gibco 11140050 final concentration 1x
Components of Complete induction media
Compound E Calbiochem 565790 final concentration 0.2 μM and reconstitute stock reagent to 2 mM in 1:1 ethanol and DMSO
Doxycycline Sigma D9891 final concentration 2 μg/mL and reconstitute stock reagent to 2 mg/mL in DPBS
Induction base media final concentration 1x
ROCK inhibitor Y27632 Fisher Scientific BD 562822 final concentration 10 μM
Components of Neuron media
B-27 Plus Neuronal Culture System Gibco A3653401 final concentration 1x for media and suplemment
GlutaMAX Gibco 35050061 final concentration 1x
N2 supplement, 100x Gibco 17502-048 final concentration 1x
Non-essential amino acids (NEAA), 100x Gibco 11140050 final concentration 1x
iPSC lines used in this study
KOLF2.1J: WT clone B03 The Jackson Laboratories
WTC11 hNIL National Institute of Health
Synaptosome isolation reagents
BCA Protein Assay Kit Thermo Scientific Pierce 23227
dimethyl sulfoxide (DMSO) Sigma D2650
Syn-PER Synaptic Protein Extraction Reagent Thermo Scientific 87793 Referred as to cell lysis reagent for isolation of synaptosomes
Phagocytosis assay dyes
NucBlue Live Ready reagent Invitrogen  R37605
pHrodo Red, succinimidyl ester ThermoFisher Scientific  P36600 Referred as to pH-sensitive dye
Other cell-culture reagents
Trypan Blue, 0.4% Solution AMRESCO INC K940-100ML
Bovine serum albumin (BSA) Sigma 22144-77-0
BrdU Sigma B9285 Reconstitute to 40 mM in sterile water
Cytochalasin D Sigma final concentration 10 µM
DPBS with Calcium and magnesium Corning 21-030-CV
DPBS without calcium and magnesium Corning 21-031-CV Referred as to DPBS
KnockOut  DMEM/F-12 Gibco 12660012 Referred as to DMEM-F12 optimized for growth of human embryonic and induced pluripotent stem cells
Laminin Mouse Protein, Natural Gibco 23017015 Referred as to laminin
Software and Equipment
Centrifuge Eppendorf Model 5810R
Cytation 5 live cell imaging reader Biotek
Gen5 Microplate Reader and Imager Software Biotek version 3.03
Multi-Therm Heat-Shake Benchmark refer as tube shaker
Water sonicator Elma Mode Transsonic 310

Referências

  1. Heider, J., Vogel, S., Volkmer, H., Breitmeyer, R. Human iPSC-derived glia as a tool for neuropsychiatric research and drug development. International Journal of Molecular Sciences. 22 (19), 10254 (2021).
  2. Muzio, L., Viotti, A., Martino, G. Microglia in neuroinflammation and neurodegeneration: from understanding to therapy. Frontiers in Neuroscience. 15, 742065 (2021).
  3. Galatro, T. F., et al. Transcriptomic analysis of purified human cortical microglia reveals age-associated changes. Nature Neuroscience. 20 (8), 1162-1171 (2017).
  4. Gosselin, D., et al. An environment-dependent transcriptional network specifies human microglia identity. Science. 356 (6344), (2017).
  5. Haimon, Z., et al. Re-evaluating microglia expression profiles using RiboTag and cell isolation strategies. Nature Immunology. 19 (6), 636-644 (2018).
  6. Abud, E. M., et al. iPSC-derived human microglia-like cells to study neurological diseases. Neuron. 94 (2), 278-293 (2017).
  7. Brownjohn, P. W., et al. Functional studies of missense TREM2 mutations in human stem cell-derived microglia. Stem Cell Reports. 10 (4), 1294-1307 (2018).
  8. Haenseler, W., et al. A highly efficient human pluripotent stem cell microglia model displays a neuronal-co-culture-specific expression profile and inflammatory response. Stem Cell Reports. 8 (6), 1727-1742 (2017).
  9. McQuade, A., et al. Development and validation of a simplified method to generate human microglia from pluripotent stem cells. Molecular Neurodegeneration. 13 (1), 1-13 (2018).
  10. Muffat, J., et al. Efficient derivation of microglia-like cells from human pluripotent stem cells. Nature Medicine. 22 (11), 1358-1367 (2016).
  11. Haenseler, W., Rajendran, L. Concise review: modeling neurodegenerative diseases with human pluripotent stem cell-derived microglia. Stem Cells. 37 (6), 724-730 (2019).
  12. Wilgenburg, B. v., Browne, C., Vowles, J., Cowley, S. A. Efficient, long term production of monocyte-derived macrophages from human pluripotent stem cells under partly-defined and fully-defined conditions. PloS One. 8 (8), 71098 (2013).
  13. Hoeffel, G., Ginhoux, F. Ontogeny of tissue-resident macrophages. Frontiers in Immunology. 6, 486 (2015).
  14. Janda, E., Boi, L., Carta, A. R. Microglial phagocytosis and its regulation: a therapeutic target in Parkinson’s disease. Frontiers in Molecular Neuroscience. 11, 144 (2018).
  15. Schafer, D. P., Stevens, B. Microglia function in central nervous system development and plasticity. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 7 (10), 020545 (2015).
  16. Nau, R., Ribes, S., Djukic, M., Eiffert, H. Strategies to increase the activity of microglia as efficient protectors of the brain against infections. Frontiers in Cellular Neuroscience. 8, 138 (2014).
  17. Fernandopulle, M. S., et al. Transcription factor-mediated differentiation of human iPSCs into neurons. Current Protocols in Cell Biology. 79 (1), 51 (2018).
  18. Gutbier, S., et al. Large-scale production of human IPSC-derived macrophages for drug screening. International Journal of Molecular Sciences. 21 (13), 4808 (2020).
  19. Sellgren, C., et al. Patient-specific models of microglia-mediated engulfment of synapses and neural progenitors. Molecular Psychiatry. 22 (2), 170-177 (2017).
  20. Schmidt, E. J., et al. ALS-linked PFN1 variants exhibit loss and gain of functions in the context of formin-induced actin polymerization. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 118 (23), (2021).
  21. Miksa, M., Komura, H., Wu, R., Shah, K. G., Wang, P. A novel method to determine the engulfment of apoptotic cells by macrophages using pHrodo succinimidyl ester. Journal of Immunological Methods. 342 (1-2), 71-77 (2009).

Play Video

Citar este artigo
Funes, S., Bosco, D. A. Human Microglia-like Cells: Differentiation from Induced Pluripotent Stem Cells and In Vitro Live-cell Phagocytosis Assay using Human Synaptosomes. J. Vis. Exp. (186), e64323, doi:10.3791/64323 (2022).

View Video