Snelle detectie van neurologische fenotypen in menselijke neurale voorlopercellen (NPC)

Het gebruik van eenvoudiger organismen en Muismodellen heeft toegelicht de mechanismen van fundamentele hersenontwikkeling, alsmede de pathogenese van de ziekte. Ondanks deze vooruitgang blijft de etiologie van vele neuropsychiatrische aandoeningen ongrijpbaar omdat niet alle bevindingen in eenvoudiger organismen direct relevant voor complexe aspecten van ziekten bij de mens zijn. Verder, de grotere complexiteit van het menselijk brein vaak maakt het moeilijk om de menselijke ontwikkeling model en aandoeningen bij dieren. Met de evolutie en de vooruitgang van menselijke geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs) technologie, kunnen somatische cellen worden geherprogrammeerd tot stamcellen en vervolgens gedifferentieerd in neuronale cellen om te studeren ziekten bij de mens. Vooruitgang in de hiPSCs en “dienst” technologieën (transcriptomics, genomica, proteomica, metabolomica) beloven om een ommekeer teweeg op het begrip van de ontwikkeling van de menselijke hersenen. Deze technologieën nu maken mogelijk een “precisie geneeskunde”-benadering aan de karakterisatie van neuropsychiatrische ziekten op een case-by-case basis.

De huidige nietje in het veld hiPSC ziekte-modeling is om te onderscheiden van cellen in specifieke neuronale subtypen in een enkelgelaagde of gebruiken van een 3D-cultuur-systeem, genaamd een organoid om te recapituleren aspecten van hersenen ontwikkeling^{1,2, 3}. Deze systemen zijn ongelooflijk waardevol in studeren en unieke aspecten van menselijke ontwikkeling en ziekte^4,,^5,,^6,7blootleggen. Echter vereisen zowel neuronale culturen en organoids vaak overal van weken tot maanden in cultuur voordat ze klaar om te bestuderen zijn. De tijdrovende aard van deze protocollen en het bedrag van de middelen die nodig zijn om dat deze systemen cultuur vaak beperken het aantal experimenten die kunnen worden uitgevoerd en het aantal variabelen (zoals groeifactoren of drugs) die kan worden getest. Bovendien hebben vele studies met behulp van post mitotische neuronen en organoids gericht op processen zoals dendriet uitgroei of synaps formatie, die later in ontwikkeling te voorkomen. Terwijl deze processen zijn betrokken bij de pathologie van ontwikkelingsstoornissen zoals autisme en schizofrenie, zijn eerder developmental gebeurtenissen die voordat definitieve neuronale differentiatie plaatsvinden ook belangrijk voor de pathogenese van de ziekte^{8 ,9,10,11,12,13}. Inderdaad, recente genomic studies tonen aan dat de medio-foetale periode, die uit de proliferatie, proces uitgroei en migratie bestaat, met name belangrijk in autisme pathogenese^{11,14 is}. Het is dus belangrijk om te studeren van neurale stamcellen en progenitor cel populaties om deze eerdere processen beter te begrijpen. Organoid systemen, die beschouwd als beter recapituleren de ontwikkeling van de menselijke hersenen vanwege hun 3D natuur en overzichtelijke structuur weergegeven zijn, bevatten een voorvader zwembad dat is gebruikt om te bestuderen van enkele van deze eerdere gebeurtenissen. Echter de voorlopercellen bevolking in organoids is vaak schaars en meer als radiale gliacellen dan neurale stamcellen of voorlopercellen cellen^5,–¹⁵. Dus, zou het zinvol zijn om een hoge doorvoersnelheid methode om te studeren van de vroege stadia van neurologische in een actief proliferatieve-celpopulatie.

In het lab, hebben we een protocol dat gebruikmaakt van hiPSC afkomstige neurale voorlopercellen (NPC), een gemengde bevolking van neurale stamcellen en voorlopercellen thats zeer proliferatieve, om neurologische processen zoals proliferatie, cel migratie, te bestuderen en eerste proces (neurite) met de extensie. Deze testen werden ontwikkeld op basis van gebruikte technieken in ons lab voor decennia met succes studeren neurologische in rat en muis corticale culturen^16,17,18,19,,^{20, 21,22,23}. Nog belangrijker is, werd ook aangetoond dat fenotypes en regelgevende signalen die zijn gedefinieerd in de rat en muis cultuur-systemen sterk voorspellende van mechanismen die actief in vivo zijn zijn, met vermelding van de waarde van deze technieken^{16, 17,18,19,24}. Na aanvankelijke differentiatie van hiPSCs naar NPC’s laten deze methoden om vitale ontwikkelings processen in een kwestie van dagen te bestuderen. Deze methoden hebben veel voordelen: (1) zij vereisen wat geavanceerde apparatuur en zijn eenvoudig te implementeren, (2) de vele experimentele replicatieonderzoeken kunnen worden uitgevoerd in een korte periode van tijd, waardoor voor snelle bevestiging van de reproduceerbaarheid van de resultaten, en (3) cultuur variabelen zoals coating matrices, effecten van groeifactoren en activiteit van drugs kunnen snel en kosteneffectief worden getest. Bovendien, we profiteren van de reeds lang gevestigde rol van extracellulaire groeifactoren als kritische regelgevers van uiteenlopende ontwikkelings processen. NPC’s werden blootgesteld Schakel developmental signalen die direct stimuleren gebeurtenissen zoals proliferatie, neurite uitgroei en cel migratie, en vonden dat ze het vermogen om te identificeren van de gebreken die niet herkenbaar in controle voorwaarden^{19 , 25 , 26 , 27 , 28}. ook het gemak van de beoordeling van geneesmiddelen biedt een krachtige Laan precisie geneeskunde technieken om te testen van de werkzaamheid van verschillende therapeutische interventies vast te stellen. Dus, dit protocol vergemakkelijkt een hoge doorvoer, reproduceerbaar, en eenvoudige methode om te studeren van de vroege ontwikkeling van de hersenen, pathogenese van de ziekte en de potentiële positieve effecten van groeifactoren en drugs op neurologische fenotypen.