Organoids מוחי לייצג מערכת מודל חדש לחקור מוקדם המוח האנושי לפיתוח במבחנה. מאמר זה מספק את המתודולוגיה מפורט לייצר ביעילות organoids הומוגנית מסוג הקדמי הגבי מתאי גזע pluripotent המושרה האנושי כולל שלבים קריטיים איפיון ואימות.
קליפת המוח האנושי מאוד מורחבת ותערוכות מבנה מורכב עם אזורים פונקציונליים מסוימים, מתן תפקוד המוח גבוה יותר, כגון הכרה. המאמצים לחקור התפתחות קליפת המוח האנושי הייתה מוגבלת בשל הזמינות של מערכות מודל. תרגום תוצאות ממחקרים מכרסמים במערכת האנושית הינה מוגבלת על ידי הבדלים בין המינים, מחקרים על רקמות העיקרי מונעים על ידי חוסר של רקמות זמינות, כמו גם חששות אתיים. לאחרונה חלה התפתחות טכנולוגית תאי גזע (PSC) pluripotent האנושי כוללים את הדור של תלת מימד (3D) במערכות ארגון-עצמי organotypic תרבות, המחקות ליישום מסוים במידה אדם ספציפי במוח לפיתוח במבחנה. כיום, תקנות שונות זמינים לדור של כל המוח או organoids ספציפיים במוח-אזור. השיטה עבור הדור של הומוגניות לשחזור הקדמי והקלד organoids מ המושרה PSC (iPSC), אשר הקמנו בעבר ולתאר כאן, משלב את היכולת מהותי של PSC לארגון עצמי עם בידול מודרכים לכיוון השושלת neuroectodermal הקדמי, מטריקס בהטבעה כדי לתמוך את היווצרות neuroepithelium מתמשך. ליתר דיוק, פרוטוקול זה כרוך: (1) הדור של אגרגטים iPSC, כולל את ההמרה של מושבות iPSC תרבות טפט confluent; (2) אינדוקציה של neuroectoderm הקדמי; (3) את ההטמעה של אגרגטים neuroectodermal ב לפיגום מטריקס; (4) הדור של organoids הקדמי-סוג של אגרגטים neuroectodermal; (5) הקיבעון ואת האימות של הקדמי מסוג organoids. ככזה, פרוטוקול זה מספק מערכת בקלות רלוונטי לדור של סטנדרטית ו לשחזור נגזר iPSC קורטיקלית רקמות מבנים במבחנה.
המוח האנושי הוא ללא ספק אחד של איברים מורכבים ביותר, והוא אחראי על כל היכולות האינטלקטואליות אנושי. לכן, הבנה עמוקה יותר של התפתחות המוח האדם הספציפי הוא תנאי קריטי להבנת האדם יכולות קוגניטיביות. באופן מסורתי, חיות הטרנסגניים שימש מודל אורגניזמים ללמוד התפתחות המוח. מודלים אלה מסופקים יסוד תובנה העקרונות של התפתחות המוח. אנו יודעים כעת כי תכונה נפוצה של התפתחות המוח ביונקים כל היא כוריאוגרפיה מדויקת של התפשטות קדמון, נוירוג’נסיס הגירה העצבית. עם זאת, ישנם הבדלים מבניים משמעותיים בין מוחותיהם של אורגניזמים מודל, כגון מכרסמים ובני אדם, במיוחד באזור קליפת. המנגנון העיקרי זה יש כבר הציע לתרום להתפתחות בקליפת המוח בקופים הן של התפשטות מוגברת של תאי גזע וקדמון, כמו גם את הדור של התאים החיצונית עכשיו, דונלד רדיאלי (oRGCs), אשר נמצאות רק לעיתים רחוקות מכרסמים1 ,2,3.
שיטות להתפתחות קליפת המוח האנושי מודל כוללות את הדור של PSC, נגזר telencephalic ובתאים ואת קליפת המוח הקרנה נוירונים כמו טפט תרבויות. אלה סטנדרטית בידול פרוטוקולים החוזר היבטים מסוימים של ההתפתחות בקליפת המוח כגון הסדר הטמפורלי סטריאוטיפית של נוירוג’נסיס קורטיקלית4. עם זאת, בציפיות כשמדובר על החוק הביוגנטי של תהליכים התפתחותיים של organogenesis כגון המתבנת המרחבי, מורפוגנזה. ההתפתחויות האחרונות יותר בביולוגיה תאי גזע הובילה להקמתו של תרבויות תא צורב 3D החל מגירסה, אשר הם מהפכה בחקר במבחנה organogenesis האנושי. ניצול הקיבולת של מגירסה לארגון עצמי למבנים organotypic, organoids שונות, המשקפות מפתח מאפיינים מבניים ופונקציונליים של איברים, כולל אלה של כליות, מעיים, העין המוח כבר הוקמה5. Organoids כאלה מכילים מספר איברים ספציפיים הסלולר יחוברו, אשר לקבץ יחדיו ולארגן במרחב דומה מאוד פיתוח איברים ויוו5,6. בנוסף, הרכב התא, שושלת היוחסין היחסים ו ג’ין רשת מחקרים באמצעות רצפי RNA בתא יחיד חשף כי organoids המוח האנושי בנאמנות מסכם את הדברים היבטים עיקריים של פיתוח אנושי וקליפת העובר כגון תוכניות ביטוי גנים 7 , 8. אחד החיסרון העיקרי, אשר מנעו את היישום הרחב שלהם עד כה, אולם היה גדול אצווה-כדי-אצווה וריאציות של הטרוגניות תא צורב-כדי-תא צורב9.
כאן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט עבור מערכת תרבות תא צורב פשוט מתוקננת הקדמי והקלד. תכונת המפתח של מערכת זו הוא ביעילות, reproducibly מוליד PSC, נגזר organoids של זהות telencephalic הגבי הכמעט בלעדי. הפרוטוקול מבוסס על השיטות בשימוש שלנו נייר האחרונות תא דוחות 10. הוא משלב את יכולת ארגון עצמי של iPSCs עם אינדוקציה סלקטיבי של neuroepithelium קורטיקלית, ניתן להפיק robustly תרבויות הומוגניות של רקמת telencephalic הגבי מוקדם בתוך 3 שבועות. הפרוטוקול בונה על איתות SMAD שדווחה בעבר ועל חגיגת עיכוב האסטרטגיה שמנחה את הבידול של PSC לכיוון neuroectodermal הקדמי שושלת היוחסין11,12 בשילוב עם מטריקס הטבעה, אשר מקדם את היווצרות מבנים גדול ומתמשך neuroepithelial13. אנחנו משתמשים בהצלחה בשיטה המתוארת בשורות iPSC שונים, עם מספר שיבוטים לכל אדם. הראינו כי מערכת זו הוא מתאים ליישומי במורד הזרם שבו הפארמצבטית, הומוגניות בעלות חשיבות הגדולות כגון מידול המחלה. בעת החלת הפרוטוקול iPSCs נגזר חולים הסובלים מעוות קורטיקלית חמורה, היינו מסוגלים רוצה להתרכז פתולוגיים המחפשים המחלה במבחנה , וכן לזיהוי המנגנונים המולקולריים חדשה שמוביל פנוטיפי משנה10. אנו ממליצים כי הפרוטוקול המתואר תא צורב יכול להיות מנוצל כדי לסגור את הפער בין תרבויות נגזר PSC טפט קורטיקלית רדיוקציוניסטי ויוו מחקרים, כי הוא מייצג מערכת מבוססת תא מודל אמין ויציב כדי לדמות מוקדם פיתוח בקליפת המוח האנושי על בריאות ומחלה מחוץ לגוף האדם.
המוח organoids מייצגים כלי רב עוצמה עבור הלומדים המוח האנושי לפיתוח במבחנה כפי שהם מספקים רקע רלוונטי מינים ואת הסידור 3D מורכב של תאים בהקשר רקמות. עם זאת, הם לגשר על הפער בין מודלים בעלי חיים שאינם בני אדם וטכניקות רדיוקציוניסטי אנושי חד שכבתי דו מימדי תא תרבות. היישומים שלהם, עם זאת, מונעים על ידי חוסר הפארמצבטית9. פיתחנו פרוטוקול תא צורב מסוג הקדמי, אשר מתגבר על ההשתנות מדגם-כדי-sample גדולים על ידי שילוב את יכולת הארגון-העצמי של iPSC עם amenability שלהם כדי תכנים גורמים. באופן ספציפי, iPSCs היו מצטברים כדי לקדם את ארגון עצמי ומעכבות לאחר מכן TGF-ß/SMAD איתות לקדם בקליפת המוח הגבי בידול באמצעות חשיפת התרבויות BMP (-כעבור שנה–193189), TGF-β מסוג מעכבי הקולטן (A83-01). בנוסף, הוחל תרכובת מעכבות את המעבר ונ ט (IWR) כדי למנוע posteriorization. בניגוד ‘פנימי’ תא צורב המוח הפרוטוקולים19, אשר מבוססים על הרכבה עצמית ללא שליטה חיצוני והוליד organoids המוח מעדיף הטרוגנית, המציגות וריאציות אצווה גדולים (נמדדת את היעילות של קוטביות האאקטודרם עצביים היווצרות15), פרוטוקול המתוארים כאן reproducibly יוצר organoids הקדמי ספציפיים הומוגנית מן האדם iPSCs.
אלה organoids הקדמי-סוג יכול לשמש למגוון רחב של יישומים כגון לימודי התפתחותיות, מחקרים אבולוציוני כולל גנים תפקוד לימודי, מידול המחלה, באופן פוטנציאלי, למטרות טיפוליות בדיקות סמים. הפרוטוקול זאת, המתאימים ביותר לבחון היבטים מוקדם של התפתחות בקליפת המוח האנושי. השתמשנו למשל את organoids הקדמי-סוג לבחון היבטים ספציפיים האדם התנהגות vRGC. ליתר דיוק, שינויים הקשורים pathophysiological המשויך צורה חמורה של lissencephaly, מעוות בקליפת המוח האנושי מאופיין היעדרות ליד של מתקפלים קורטיקלית, היה מיועד. רק היבטים מסוימים של מחלה זו שניתן למדל בעכברים כמו המוח העכבר הוא באופן טבעי lissencephalic. בעת החלת מערכת תא צורב lissencephaly החולה נגזר iPSCs, אנו יכול באופן אמין מסכם את הדברים אדם ספציפי היבטים של המחלה ולזהות מנגנונים הבסיסית. ליתר דיוק, אנחנו יכול להדגים כי החולה נגזר organoids להראות הפחתה משמעותית בגודל שנגרם על-ידי מתג מ סימטרי אסימטרי חלוקת התא של vRGCs. בורר זה היה קשור עם שינויים בארגון vRGCs’ microtubule ברשת, הפרעה של האדריכלות של הגומחה VZ ושינינו את הביטוי של מולקולות אדהזיה תא, שמוביל הפעלה לקוי של N-קדהרין/β-catenin איתות ציר10. הערה: ויסות תלויי-β-catenin vRGC חטיבת מצבי הוצע להיות אדם ספציפי כמו ביטוי של β-catenin בעכברים מוביל להתרחבות קליפת משיקי, לאחר מכן קורטיקלית קיפול20. לפיכך, הנתונים שלנו להדגיש כי מערכת תא צורב מסוג הקדמי מייצג כלי מבטיחה ללמוד בצורה הניתנת לכימות ההיבטים האדם הספציפי של תחילת פיתוח קורטיקלית במבחנה.
אתגר גדול לעתיד היא כדי לשמור על אחידות organoids על פני תקופות זמן ממושך על מנת להשיג יותר בוגרת פנוטיפים עצביים. זה עשוי להיות ממומש על ידי אחת או יותר מהפעולות הבאות: culturing את organoids המערכת ביוריאקטור14, פיגומים החלת צף15, שכשהם המדיום בידול עם צמיחה עצבית או גורמים הישרדות עצביים. לבסוף, גידול מבוקר של מורכבות המוח עשוי להיות מושגת על ידי פיוזינג את organoids הקדמי-סוג עם מוחי organoids של זהות אזורית אחרת21,22.
יחדיו, פרוטוקול תא צורב מסוג הקדמי המובאת כאן מציע כלי בקלות רלוונטי ואמין לדור של מבנים קורטיקלית מוקדם בתוך חוץ גופית. נותן פרוטוקול לעלות רקמות קורטיקלית מוקדם מאוד הומוגנית על-פני מספר שורות iPSC, יכול להיות מנוצל בצורה אמינה ליצור רקמות קורטיקלית אדם ספציפי. לפיכך, המערכת זה מתאים במיוחד עבור יישומים הדורשים רמה גבוהה של הומוגניות הפארמצבטית כגון מידול המחלה.
The authors have nothing to disclose.
העבודה נתמכה על ידי משרד המדע חדשנות מחקר של נורדריין-וסטפאליה (קבוצת המחקר ג’וניור) ועל -ידי נוירון עידן-NET, הפרעות התפתחותיות JTC 2015, גזע-MCD.
A83-01 | StemGent | 130-106-274 | 500 nM |
B27 Supplement | Gibco | 17504-044 | 1 to 100 |
Basement membrane extract (e.g. Geltrex) | Gibco | A14132-02 | |
Cyclic adenosine monophosphate (cAMP) | Sigma-Aldrich | A9501 | 0.15 µg/mL |
Cell-dissociation reagent (TrypLE Express) | Gibco | 12605028 | |
Counting chamber e.g. Fuchs-Rosenthal | Karl Hecht | 40449001 | |
D-Glucose | Carl Roth | HN06.3 | 0.2 mg/mL |
DMEM-F12 L-Glutamin | Gibco | 11320033 | |
Embedding molds (Tissue-Tek Cryomold) | Sakura Finetek | 4565 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid | Sigma-Aldrich | E6511 | 0.5 mM |
Gelantin | Sigma-Aldrich | G1890 | |
Heparin | Sigma-Aldrich | H3149-25KU | 10 ug/mL |
Inhibitor of WNT response (IWR-1) | Enzo Life Science | BML-WN103-0005 | 10 ug/mL |
Insulin | Sigma-Aldrich | 91077C | 2.5 µg/mL |
IPSC medium for monolayer cultures (Pluripro) | Cell Guidance Systems | MK01 | |
L-alanyl-L-glutamine (GlutaMax) | Gibco | 35050038 | 1% |
Low-adhesion 6 cm plates | Labomedic | 2081646L | |
Low-adhesion 10 cm plates | Labomedic | 2081646O | |
LDN-193189 | Miltenyi Biotec | 130-104-171 | 180 nM |
N2 Supplement | Gibco | 17502-048 | 1 to 200 |
Non-essential amino acids | Gibco | 11140035 | 0.50% |
Paraformaldehyde | Sigma-Aldrich | P6148 | 4.00% |
Phosphate buffered saline (PBS) | Gibco | 14190144 | |
Plastic paraffin film (Parafilm) | BRAND GMBH + CO KG | 701606 | |
ROCK inhibitor Y-27632 | Cell Guidance Systems | SM02-100 | 5 µM or 50 µM |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | |
Tubes 15 mL | Corning Life Sciences | 734-0451 | |
Microscope Slides e.g. Superfrost Plus Microscope Slides | Thermo Scientific | 4951PLUS4 | |
Tissue culture 6 well plate | Falcon | 734-0019 | |
Tissue culture 24 well plate | Falcon | 734-0949 | |
Trypan blue stain | Gibco | 15250-061 | |
Ultra-low-binding 96 well lipidure-coat plate A-U96 | Amsbio | AMS.51011610 | |
Antibodies | |||
Sox2 | R&D Systems | MAB2018 | |
Pax6 | Covance | PRB-278P-100 | |
Otx2 | R&D Systems | ab9566 | |
Emx1 | Sigma | HPA006421 | |
N-cadherin | BD | 610921 | |
ZO-1 | Life Tech | 61-7300 | |
P-Vimentin | Biozol | D076-3 | |
Tpx2 | Novus Biologicals | NB500-179 | |
Acetylated α-tubulin | NEB/CS | 5335 | |
Alexa488 anti ms | Invitrogen | A11001 | |
Alexa488 anti rb | Invitrogen | A11008 | |
Alexa555 anti ms | Invitrogen | A21424 | |
Alexa555 anti rb | Invitrogen | A21429 |