Lineage-riprogrammazione di cellule pericyte-derivate del cervello umano adulto in neuroni indotti
Summary
Targeting cellule cerebrali residente per discendenza diretta-riprogrammazione offre nuove prospettive per la riparazione del cervello. Qui si descrive un protocollo di come preparare le culture arricchito da pericytes cervello residente da adulto corteccia cerebrale umana e convertirli in neuroni indotti dall'espressione retrovirus-mediata dei fattori di trascrizione Sox2 e Ascl1.
Abstract
Diretto lignaggio riprogrammazione di cellule non neuronali nei neuroni indotti (INS) può fornire approfondimenti sui meccanismi molecolari alla base neurogenesi e attivare nuove strategie per la modellazione in vitro o la riparazione del cervello malato. Identificazione dei tipi di cellule non neuronali cerebrali residente suscettibili di conversione diretta in Ins potrebbe consentire per il lancio di un tale approccio in situ, cioè all'interno del tessuto cerebrale danneggiato. Qui si descrive un protocollo sviluppato nel tentativo di identificare cellule derivate dal cervello umano adulto che soddisfano questa premessa. Questo protocollo prevede: (1) la coltura di cellule umane dalla corteccia cerebrale ottenuto da biopsie cerebrali adulte umane; (2) l'espansione in vitro (approssimativamente richiede 2-4 settimane) e caratterizzazione di coltura mediante immunocitochimica e citofluorimetria; (3) l'arricchimento da cellule fluorescenza-attivato (FACS) usando anti-recettore PDGF-β e anticorpi anti-CD146;(4) il retrovirus trasduzione mediata con la trascrizione neurogenica fattori Sox2 e ascl1; (5) e, infine, la caratterizzazione della risultante neuroni indotti periciti-derivato (PdiNs) mediante immunocitochimica (14 giorni a 8 settimane dopo trasduzione retrovirale). In questa fase, in possono essere sondato per le loro proprietà elettriche mediante registrazione patch-clamp. Questo protocollo prevede una procedura altamente riproducibile per la conversione in vitro stirpe di pericytes cervello residente in Ins umane funzionali.
Introduction
Al contrario di riprogrammazione di cellule somatiche in cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs), che a loro volta sono dotati di una pletora di potenziali di differenziazione, riprogrammare diretto mira per conversione diretta di uno specifico tipo cellulare in un altro. Per quanto riguarda la loro applicazione nel contesto della modellazione malattie e potenziali terapie a base di cellule, entrambi gli approcci di riprogrammazione hanno vantaggi e svantaggi specifici. Riprogrammazione in iPSCs (i) fornisce una fonte pressoché infinita di cellule; (Ii) consente di ingegneria genetica; (Iii) conferisce con un potenziale di differenziazione quasi illimitate. Tuttavia, principali svantaggi di iPSCs comportano il rischio di tumorigenicità delle cellule indifferenziate (formazione teratoma in vivo) e la necessità di coltura ex vivo e successivo trapianto se queste cellule devono essere utilizzati per terapie cellulari. Viceversa, diretto lignaggio riprogrammazione è limitata dalla minore resa delle cellule desiderateche correla direttamente con il numero di cellule bersaglio della popolazione di partenza, ma possiede il vantaggio che cellule della linea-riprogrammato sembrano mostrare alcun rischio oncogeno dopo trapianto 1,2; Inoltre, riprogrammazione diretta può anche essere realizzato in situ, cioè all'interno dell'organo dove sarebbero necessarie queste cellule, evitando così la necessità di trapianto.
Con questo in mente, il nostro laboratorio ha perseguito la possibilità delle cellule cerebrali residente-lignaggio riprogrammazione in Ins come un nuovo approccio verso terapie cellulari delle malattie neurodegenerative. Le cellule cerebrali residente che possono essere potenzialmente considerati bersagli cellulari per lignaggio riprogrammazione comprendono diversi tipi di macroglia (astrociti, cellule NG2 e oligodendrociti), microglia e cellule dei microvasi associate (cellule endoteliali e periciti). Abbiamo ampiamente studiato il potenziale riprogrammazione in vitro della astroglia del cor cerebraletex dei primi topi postnatale 3-5. Alla ricerca di fonti di cellule simile adatti per lignaggio riprogrammazione diretta nel cervello umano adulto, abbiamo incontrato una popolazione di cellule che può essere riprogrammato con successo in Ins e caratteristiche espositive di periciti. Qui si descrive un protocollo di come raccogliere queste cellule adulte da biopsie del cervello umano, per espandere e arricchire queste cellule in vitro, e infine riprogrammare successo una frazione sostanziale di queste cellule espanse in vitro (nell'intervallo 25-30%) in Ins. Riprogrammazione può essere ottenuto mediante simultanea retrovirus-mediata co-espressione di due fattori di trascrizione, Sox2 e ascl1. Questi PdiNs sono stati trovati per acquisire la capacità di azione ripetitiva potenziale di cottura e servire bersagli sinaptici per altri neuroni che indicano la loro capacità di integrare nelle reti neurali. Il nostro protocollo prevede una procedura semplice per l'isolamento e lignaggio conversione di adulti pericytes cervello umano in Ins. </p>
Protocol
Representative Results
Discussion
Il presente protocollo descrive l'espansione in vitro e l'arricchimento di cellule pericyte-derivate a seguito isolamento dal adulta corteccia cerebrale umana e la successiva conversione in Ins dall'espressione retrovirus-mediata della trascrizione neurogena fattori Sox2 e Ascl1. Tale protocollo prevede un sistema sperimentale in vitro per studiare la stirpe di conversione delle cellule cerebrali residente in neuroni e potenzialmente anche glia, con l'obiettivo in mente di tradurre in u…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Siamo grati al Dr. Magdalena Götz per il suo ingresso durante lo sviluppo di questo protocollo. Ringraziamo il Dr. Marius Wernig (Stanford University) per generosamente ci fornisce la sequenza codificante Sox2. Siamo anche molto grati al Dr. Alexandra Lepier per la produzione di virus. Questo lavoro è stato sostenuto da sovvenzioni della Deutsche Forschungsgemeinschaft (BE 4182/2-2) e il BMBF (01GN1009A) a BB e il Ministero bavarese delle Scienze, la Ricerca e le Arti a MK e BBCS ricevuto finanziamenti dal SYSTHER-binazionale INREMOS virtuale Institute (Ministeri federale tedesco e sloveno dell'Istruzione e della Ricerca) e il DFG (SFB 824).
Materials
| anti-CD140b-PE | BD Biosciences | 558821 | use 1:100 |
| anti-CD146-FITC | AbD Serotec | MCA2141FT | use 1:100 |
| anti-CD13-FITC | AbD Serotec | MVA1270A488T | use 1:100 |
| anti-CD34-APC | BD Biosciences | 560940 | use 1:100 |
| anti-PDGFRβ | Cell Signaling | 3169S | use 1:200 |
| anti-CD146 | Abcam | Ab75769 | use 1:400 |
| anti-NG2 | Millipore | AB5320 | use 1:400 |
| anti-SMA | Sigma-Aldrich | A2547 | use 1:400 |
| anti-βIII-tubulin | Sigma-Aldrich | T8660 | use 1:400 |
| anti-MAP2 | Sigma-Aldrich | M4403 | use 1:200 |
| anti-GFAP | Sigma-Aldrich | G3893 | use 1:600 |
| anti-GFP | Aves Labs | GFP 10-20 | use 1:1000 |
| anti-RFP | Chromotek | 5F8 | use 1:500 |
| anti-S100β | Sigma-Aldrich | S2532 | use 1:300 |
| anti-NeuN | Millipore | MAB377 | use 1:200 |
| anti-GABA | Sigma-Aldrich | A2052 | use 1:500 |
| anti-Calretinin | Millipore | AB5054 | use 1:500 |
| anti-vGluT1 | SYnaptic SYstems | 135511 | use 1:1000 |
| Rat IgG1 isotype control FITC | AbD Serotec | 11-4301-81 | use 1:100 |
| Rat IgG1 isotype control PE | AbD Serotec | 12-4301-81 | use 1:100 |
| Rat IgG1 isotype control APC | AbD Serotec | 17-4301-81 | use 1:100 |
| TrypLE | Invitrogen | 12605-010 | |
| DMEM, high glucose, GlutaMAX | Invitrogen | 61965 | |
| B27 serum-free supplement | Invitrogen | 17504044 | |
| fetal calf serum | Invitrogen | 10106-169 | perform heat inactivation by incubation at 56 °C for 30 min |
| Penicillin-Streptomycin | Invitrogen | 15140122 | |
| HBSS (Hanks Balanced Salt Solution) | Invitrogen | 24020-091 | |
| Dulbecco's PBS without CaCl2 and MgCl2 (D-PBS, 1×; Invitrogen, cat. no. 14190) | Invitrogen | 14190 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Poly-D-lysine hydrobromide (PDL) | Sigma-Aldrich | P0899 | |
| PFA (paraformaldehyde) | Sigma-Aldrich | P1648 | |
| Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A9418 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| DAPI (4′,6-Diamidin-2-phenylindole) dilactate | Sigma-Aldrich | 042M4005 | |
| Aqua-Poly/Mount | Polysciences | 18606-20 | |
| Polypropylene round-bottom tubes | BD Biosciences | 352063 | |
| Polystyrene round-bottom tubes with cell-strainer cap | BD Biosciences | 352235 | |
| 24-well plates | Orange Scientific | 5530305 | |
| 75 cm2 culture flasks | Greiner Bio-One | 658175 | |
| 25 cm2 culture flasks | Greiner Bio-One | 690175 | |
| Disposable pipettes 10 ml | Sarstedt | ######### | |
| Glass Pasteur pipettes (150 mm) | Fisherbrand | FB50251 | |
| Glass coverslips 12 mm diameter | Menzel | CB00120RA1 | |
| Surgical disposable scalpels | B. Braun | 5518083 | |
| Tissue culture dishes | Greiner Bio-One | 633180 | |
| Conical tubes 15ml | BD Biosciences | 352095 | |
| Laminar flow hood | |||
| Centrifuge and swing-out rotor with adapters for 15 ml and 50 ml tubes | Hettich Lab Technology | 1406 | |
| Flow cytometry cell sorter: FACSAria l with FACSDiva software | BD Biosciences | ||
| Humified cell culture incubator | Eppendorf Galaxy 170R | ||
| Wather bath at 37 °C | |||
| FACSFlow sheath fluid | BD Biosciences | 342003 | |
| Epifluorescence microscope BX61 | Olympus | ||
| Confocal microscope LSM710 | Zeiss |
References
- Caiazzo, M., et al. Direct generation of functional dopaminergic neurons from mouse and human fibroblasts. Nature. 476, 224-227 (2011).
- Kim, J., et al. Functional integration of dopaminergic neurons directly converted from mouse fibroblasts. Cell stem cell. 9, 413-419 (2011).
- Duan, B., et al. Interactions between water deficit, ABA, and provenances in Picea asperata. Journal of experimental botany. 58, 3025-3036 (2007).
- Heinrich, C., et al. Directing astroglia from the cerebral cortex into subtype specific functional neurons. PLoS Biol. 8, (2010).
- Heinrich, C., et al. Generation of subtype-specific neurons from postnatal astroglia of the mouse cerebral cortex. Nat Protoc. 6, 214-228 (2011).
- Gavrilescu, L. C., Van Etten, R. A. Production of replication-defective retrovirus by transient transfection of 293T cells. J Vis Exp. , (2007).
- Karow, M., et al. Reprogramming of pericyte-derived cells of the adult human brain into induced neuronal cells. Cell stem cell. 11, 471-476 (2012).
- Ortega, F., et al. Using an adherent cell culture of the mouse subependymal zone to study the behavior of adult neural stem cells on a single-cell level. Nat Protoc. 6, 1847-1859 (2011).
- Ladewig, J., et al. Small molecules enable highly efficient neuronal conversion of human fibroblasts. Nat Methods. 9, 575-578 (2012).
- Espuny-Camacho, I., et al. Pyramidal neurons derived from human pluripotent stem cells integrate efficiently into mouse brain circuits in vivo. Neuron. 77, 440-456 (2013).
- Davila, J., Chanda, S., Ang, C. E., Sudhof, T. C., Wernig, M. Acute reduction in oxygen tension enhances the induction of neurons from human fibroblasts. J Neurosci Methods. 216, 104-109 (2013).
- Vierbuchen, T., et al. Direct conversion of fibroblasts to functional neurons by defined factors. Nature. 463, 1035-1041 (2010).
- Pfisterer, U., et al. Direct conversion of human fibroblasts to dopaminergic neurons. Proc Natl Acad Sci USA. 108, 10343-10348 (2011).
- Lu, J., et al. Generation of Integration-free and Region-Specific Neural Progenitors from Primate Fibroblasts. Cell Rep. 3, 1580-1591 (2013).
- Yang, N., Ng, Y. H., Pang, Z. P., Sudhof, T. C., Wernig, M. Induced neuronal cells: how to make and define a neuron. Cell Stem Cell. 9, 517-525 (2011).
- Pang, Z. P., et al. Induction of human neuronal cells by defined transcription factors. Nature. 476, 220-223 (2011).
- Yoo, A. S., et al. MicroRNA-mediated conversion of human fibroblasts to neurons. Nature. 476, 228-231 (2011).
- Son, E. Y., et al. Conversion of mouse and human fibroblasts into functional spinal motor neurons. Cell Stem Cell. 9, 205-218 (2011).
- Lujan, E., Chanda, S., Ahlenius, H., Sudhof, T. C., Wernig, M. Direct conversion of mouse fibroblasts to self-renewing, tripotent neural precursor cells. Proc Natl Acad Sci USA. 109, 2527-2532 (2012).
- Thier, M., et al. Direct conversion of fibroblasts into stably expandable neural stem cells. Cell Stem Cell. 10, 473-479 (2012).
- Yang, N., et al. Generation of oligodendroglial cells by direct lineage conversion. Nat Biotechnol. 31, 434-439 (2013).
- Najm, F. J., et al. Transcription factor-mediated reprogramming of fibroblasts to expandable, myelinogenic oligodendrocyte progenitor cells. Nat Biotechnol. 31, 426-433 (2013).
