We beschrijven een vereenvoudigde 3D differentiatie protocol voor hPSCs, met behulp van gedefinieerd medium en verminderd van groeifactoren, geschikt voor het genereren van cel aggregaten met vroege neuroepithelial structuren en gunstig zijn voor de cerebellaire-geassocieerde markeringen, evenals een optionele 2D modificatie voor differentiatie van cellen als een enkelgelaagde voor het genereren van functionele neuronen.
Vermindering van de complexiteit en de kosten van differentiatie protocollen is belangrijk voor onderzoekers. Deze belangstelling past met bezorgdheid over de mogelijke onbedoelde effecten dat patronen van extrinsieke factoren in menselijke pluripotente stamcellen (hPSC) modellen van ontwikkeling van de hersenen of pathofysiologie introduceren kunnen, zoals ziekte fenotype maskeren. Hier presenteren we twee cerebellaire differentiatie protocollen voor hPSCs, ontworpen met eenvoudiger opstartmethode, minder patronen factoren, en minder materiële eisen dan eerdere protocollen. Onlangs, ontwikkelden we cultuur procedures, die vrij-zwevende 3-dimensionale (3D) producten consistent zijn met andere hersenen “organoid” protocollen, waaronder morphologies relevant zijn voor de modellering van de ontwikkeling van de hersenen zoals sub/ventriculaire zone- en rhombic genereren lip-achtige structuren. De tweede maakt gebruik van een aanhangend, 2D enkelgelaagde procedure volledige differentiatie, die is geschikt voor het genereren van functionele cerebellaire neuronen, zoals producten positief voor cerebellaire-geassocieerde markeringen zijn, en neuron-achtige calcium instroom vertonen getoond. Samen bieden deze protocollen wetenschappers een keuze van opties die geschikt is voor verschillende onderzoeksdoeleinden, evenals een basismodel voor het testen van andere soorten gestroomlijnde Neurale differentiatie.
In vitro protocollen voor differentiatie van de hPSCs richting cerebellaire lineages aanvankelijk geopereerd aan het beginsel van het nabootsen van in vivo Cerebellaire ontwikkeling1,2,3,4. Als zodanig, is zij verplicht een opeenvolging van factoren leidt op bepaalde tijdstippen te rijden pro-cerebellaire patronen en rijping. De belangrijkste daarvan waren van de WNT, bone morfogenetische eiwitten (BMP’s) en groeifactoren fibroblast (FGFs) met bekende rollen in medio hindbrain ontwikkeling en vorming van de organisator van de isthmic5,6,7. Natuurlijk, elke extra stap en factor betekent een toename van de arbeidsintensieve manipulaties en meer kosten voor de onderzoeker, en dus ontwikkeling eenvoudiger protocollen kan bereiken van gelijkwaardige resultaten is van belang. Deze praktische kwestie sluit mooi aan bij de hypothetische vraag, of cellen deze strakke, externe controle over hun ontwikkeling in vitro vereisen.
Een protocol gepubliceerd in 2015 gericht voor cerebellaire differentiatie, de noodzaak van het gebruik van een uitgebreid aantal groeifactoren met behulp van slechts FGF2, FGF19 en stromale cel-afgeleide factor 1 (SDF1) voor doeleinden8patronen. Deze studie ook verschilde van voorafgaande cerebellaire protocollen, met behulp van een systeem van zwevende 3D cultuur. Naast het produceren van cellen positief voor cerebellaire markeringen, bleken de hersenen “organoids” gegenereerd door hun techniek om relevante morfologie, beschikbaar in traditionele 2D enkelgelaagde culturen, zoals rhombic lip-achtige structuren tentoon te stellen. Hoewel minder complex en duur ten opzichte van groeifactoren, andere functies zoals totstandkoming van uniform embryoid organen (EBs) en cultuur in 96-wells-platen (96WPs), het procedureel ingewikkelder gemaakt tijdens de eerste stappen. Een ander 3D protocol gepubliceerd hetzelfde jaar, succesvolle differentiatie naar neurale lineages met behulp van gemeenschappelijke en goedkope cel cultuur technieken9gemeld. Hoewel deze groep corticale in plaats van cerebellaire differentiatie onderzocht, kan toepassing van hun concept voor cerebellaire differentiatie niet worden gedisconteerd.
Wij onlangs een 3D cerebellaire differentiatie-protocol met behulp van een beperkt aantal patronen factoren gemeld (namelijk FGF2, 4 en 8), evenals een vereenvoudigde setup doordat cellen in 6-Wells-platen (6WPs) in om te minimaliseren van middellange eisen10. Om te helpen bij de productie van de submodule cellen, werd egaliseren agonist (SAG) gebruikt tijdens de rijping van de definitieve stap. SAG is een minder dure chemische alternatief voor sonic hedgehog (SHH), die werden gebruikt in eerder cerebellaire protocollen, vanwege haar rol bij de bevordering van de groei van de submodule cel precursoren (GCP) in vivo1,2, 11,12,13. Differentiatie producten waren consistent met die van andere 3D-protocollen, waaronder de aanwezigheid van cerebellaire-geassocieerde markers in morfologisch relevante structuren8,9. Deze resultaten versterken het eerdere bericht dat mimicry gedetailleerde van het in vivo milieu niet noodzakelijk kan zijn voor complexe 3D in vitro differentiatie protocollen.
Naast het 3D protocol, dit verslag beschrijft een 2D protocol, ontworpen met de dezelfde snelle setup, basismaterialen, en het verminderde aantal van groeifactoren. Het is geschikt voor het produceren van cellen van menselijke embryonale stamcellen (hESCs) of geïnduceerde pluripotente stamcellen (hiPSCs), positief voor markeringen gekoppeld vroeg neurale, cerebellaire, en submodule cel identiteiten. Daarnaast duidt calcium imaging op de aanwezigheid van functionele menselijke neuronen. De mogelijkheid om te kiezen tussen protocollen, voegt een niveau van flexibiliteit voor onderzoekers, voor diegenen die geïnteresseerd zijn in hetzij: (1) genereren specifieke cel typen, de ontwikkeling van de menselijke hersenen van (2) modellering en bijbehorende structuren, (3) analyse in enkelgelaagde geoptimaliseerd instellingen (b.v., patch-clamp opnames), of (4) cel interacties in gemengde neurale culturen. Hun eenvoudige en goedkope aard maakt ze toegankelijk voor onderzoekers die zijn toegevoegd aan het veld hPSC, of nodig basis hPSC procedures waaruit verdere differentiatie om opties te verkennen.
Complexiteit en de kosten zijn relevante factoren voor stamcel onderzoekers wanneer kiezen of ontwikkelen van differentiatie protocollen. Dit is vooral waar als het is een open vraag voor hoeveel externe controle is vereist voor het genereren van de gewenste celtypes, of — vormen het anders — hoe bevoegde hPSCs zijn op het produceren van hun eigen ontwikkelings omgeving, als aan zichzelf overgelaten met voldoende voedingsstoffen. Invoering van extrinsieke factoren in vitro kan heel goed gewenste cel producten produceren, maar ze ook kunnen interfereren met de intrinsieke developmental capaciteiten cellen zou hebben tentoongesteld in vivo. Dergelijke overwegingen zijn belangrijk, met name als het doel gebruik van patiënt-afgeleide iPSCs voor ziekte modelleren is. Extensief gebruik van patronen en/of factoren die de groei kan ziekte fenotypen maskeren. De protocollen die in dit verslag beschreven volgen de trend van eerdere studies te verminderen van complexiteit, kosten en/of het gebruik van patronen van extrinsieke factoren8,9.
Op basis van resultaten gerapporteerd door Muguruma et al., en onze eigen recente studie, blijkt dat het mogelijk is te bereiken van differentiatie naar cerebellaire lot zonder gezamenlijke inspanningen te reproduceren in vivo voorwaarden, zoals eerdere studies hebben gedaan 1 , 2 , 3 , 4 , 8 , 10. het intrigerende deel is dat de twee studies verschillende sets van groeifactoren gebruikt, suggereren dat noch set noodzakelijk waren, hoewel beide FGF2 gebruikt. We liepen aanvullende tests, waar FGFs selectief uitgesloten van het protocol, en toonde aan dat cellen geschikt waren voor het genereren van dezelfde producten zonder extrinsieke FGFs-10. Verschillen tussen onze studies waren gekwalificeerd door het feit dat we verschillende hPSC lijnen en cultuur-methoden gebruikt Neurale differentiatie met RA geïnduceerde en onderdelen opgenomen ter ondersteuning van de overleving van de cel van de submodule en rijping (BDNF, GDNF SAG en KCL)11 –14. Daarnaast is het een minder complexe opstartmethode, ten opzichte van Muguruma et al., werkte. Hun protocol begon door het genereren van uniform EBs in 96WPs, die hen fysisch en chemisch geïsoleerd van elkaar. Het protocol hier had alle PSC’s relatief druk samen in 6WPs tijdens EB vorming, waardoor ze vrij communiceren. Hoe dit kan hebben differentieel beïnvloed de fysische en chemische milieu van EBs en later organoids (met inbegrip van intrinsieke productie van signalering van verbindingen) is onbekend, en kan worden onderzocht. Ook, terwijl wij uitdrukking van tonen genen geassocieerd met — en zo suggestief van-cerebellaire oorsprong, gelegen binnen structuren morfologisch vergelijkbaar zijn met die gemeld door Muguruma et al., we kunnen niet uitsluiten generatie van neuronale-achtige structuren die zijn van niet-cerebellaire identiteit. Toekomstige studies, met behulp van een groot paneel van antistoffen zoals die gerapporteerd door Muguruma et al. (dat wil zeggen, ATOH1, CALB, etc.) wil dergelijke toewijzingen, en de vergelijking tussen producten van beide protocollen, meer overtuigend.
Binnen het 3D-protocol, het is belangrijk om te beginnen met en handhaven van een voldoende aantal cellen in een cultuur om voldoende aantallen eindproducten voor analyse. Gezien de aanzienlijke die-off vroeg in het protocol, we raden aan te beginnen met meer dan 500 EBs per putje tijdens de eerste 3 dagen in cultuur (Figuur 1). Dit moet niet moeilijk te bereiken bepaald kolonie maten voor hPSCs in feeder-vrije cultuur, maar misschien niet zo gemakkelijk voor degenen die nog steeds met behulp van feeder-afhankelijke methoden. Gezien het grote aantal cellen, is het belangrijk om op te letten voor kleurverandering in het medium (met vermelding van pH-veranderingen), en accumulatie van dode cellen. Beide moeten worden gecorrigeerd om te voorkomen dat instorting van de cultuur. Er kan ook worden samendoen van cellen en aggregaten in massieve structuren. Hoewel het nog steeds leiden aggregaten die kunnen worden geanalyseerd tot kan, zal product hoeveelheid sterk worden verminderd, zodat ze breken in kleinere aggregaten met zachte verpulvering nuttig kan zijn. Vermijd echter verontrustende normale aggregaten, die zelf kunnen groeien tot grote maten (Figuur 4). Als aggregaten te schaars geworden, is het raadzaam om te putten combineren zodat aggregaten niet volledig geïsoleerd zijn. Product variabiliteit (in aantal, de grootte en morfologie) is een bekende kwestie in 3D-celkweek, met inbegrip van voor die beginnen met geïsoleerde, uniforme EB vorming stappen, suggereren dat een minder complexe opstarten procedure (zoals het hier beschreven protocol protocollen ) zou praktischer8,15. Terwijl deze heterogeniteit is iets wat onderzoekers nodig in gedachten te houden, met name tijdens de analyse, het gerapporteerde protocol gegenereerd producten consistent zijn met die gevonden in andere 3D protocollen8,9,15. Op basis van grootte en morfologie, vallen zij binnen het bereik van neurale rozet aan cerebrale organoid, zoals beschreven in een recente review door Kelava en het huis Lancaster15, met de meeste montage van de classificatie van sferoïde. Bijzonder opmerkelijk zijn, zijn de aanwezigheid van 3D structuren suggestief van neurale rozetten met lumen, (sub) ventriculaire zones en rhombic-lip als kenmerken (Figuur 5 en Figuur 6) zoals aangegeven door andere groepen8 , 15 , 16 , 17. Aangezien elk experiment ten minste één produceerde statistische met vermeende VZ/SVZs en cerebellaire-geassocieerde markeringen (ZIC1, KIRREL2), die zijn nuttig criteria voor het bepalen van het succes van een 3D differentiatie ons protocol, met RL-achtige functies bieden van extra ondersteuning. Uitbreiding van de lengte van cultuur afgelopen 35 dagen is niet getest, maar kan worden nagestreefd om te bepalen van de maximale omvang van groei, complexiteit en looptijd toegestaan door deze techniek.
Het 2D-protocol gebruikt dezelfde niet-aanhanger EB vorming en neurale inductie proces als het 3D-protocol en zo de reacties hierboven ook toe te passen. Zodra verguld, kan een andere set van overwegingen moet worden beschouwd. De EBs moet snel houden voor cellen te verspreiden naar buiten op het bord. Als er problemen met naleving, toevoeging van RI (indien niet reeds gebruikt), verminderd volume medium of experimentele veranderingen in de concentratie van de PLO/LAM kunnen worden toegepast. Het is belangrijk dat cellen groeien te dichte of sparse (bij voorkeur volwassen tussen 20-80% confluentie) in de putten; dagelijkse controle en tijdige passaging is belangrijk, om te voorkomen dat over-confluentie of zwevende cellen. In tegenstelling tot het 3D protocol mag er geen significante die-off tijdens cultuur, hoewel er mogelijk gebieden van zwakke groei, of een vertraging van de proliferatie tarieven. Passaging is van invloed op de toestand van de rijping van cellen (bijvoorbeeld het verwijderen van cel processen en ontwikkelde netwerken tussen cellen) en moet in gedachten worden gehouden bij het naderen van de punten waar cellen zullen worden verzameld en geanalyseerd op een bepaalde manier. Bijvoorbeeld op calcium is imaging het zeer belangrijk aan passage cellen tussen 2 tot 6 dagen vóór de analyse. Te dicht bij passaging kan analyse betekenen cellen hebben geen tijd gehad om verbinding en/of volwassen, en te ver kan resulteren in cellen overbevolking, imaging bemoeilijken. Hoewel variabiliteit tussen de experimenten kan bestaan, komen resultaten overeen met die vermeld in de aanvankelijke 2D cerebellaire protocollen1,2. ICC kleuring en gen expressie analyse bevestigen de aanwezigheid van cellen positief voor submodule cel marker ZIC1, terwijl het ook het identificeren van markeringen die zijn gekoppeld aan andere neurale en cerebellaire identiteiten (Figuur 7 en Figuur 8). Calcium imaging, waarbij de elektrische stimulatie van cellen geïncubeerd met fluor5 kleurstof, aangegeven functionele Neuronale activiteit (Figuur 9, aanvullende figuur 1en aanvullende figuur 2), hoewel het is niet bevestigd als deze submodule cellen waren. Het is betwistbaar dat doordat cellen meer tijd om te rijpen door de uitbreiding van de lengte van cultuur afgelopen 35 dagen, het bedrag van functionele Neuronale activiteit moet stijgen. Dit potentieel kan in de toekomst worden onderzocht.
Naast de lijnen van het onderzoek hierboven voorgestelde, zou het van belang om te bepalen van verschillen in product identiteiten (kwantiteit en kwaliteit) tussen de 2D- en 3D-protocollen. Het belang van Extrinsieke FGFs werd niet getest in het 2D protocol, en het zou zinvol zijn om te weten of gebrek aan 3D-structuur na beplating, en dus de bijbehorende signaalroutes, zou zorg 2D culturen meer of minder afhankelijk van die vroeg patronen verbindingen. Meer uitgeklede protocollen (bijvoorbeeldgeen RA, BDNF, SAG) zijn even plausibel lijnen voor verder onderzoek. Tot slot, toekomstige studies kunnen profiteren van nieuwe onderzoekstools beter karakteriseren (en beoordelen van de efficiëntie van de generatie van) mens-specifieke cerebellaire neuronale subtypen.
Met de bepaalde kanttekeningen in het achterhoofd, beide gemeld protocollen voor cerebellaire differentiaties, met producten die geschikt zijn voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt. Ze kunnen dienen als praktische uitgangspunten voor onderzoekers uitvoering van de pilotstudies, testen van de levensvatbaarheid van de cellijnen voor dergelijke differentiaties, of als een basismodel voor andere soorten gerichte Neurale differentiatie.
The authors have nothing to disclose.
We zijn dankbaar Gerbren Jacobs en Jurjen Broeke voor hun deskundige technische bijstand, Prisca Leferink om bij te dragen aan de generatie en karakterisering van twee controle iPSC lijnen, en Lisa Gasparotto voor het aantonen van onze procedures.
DMEM/F12+Glutamax | Gibco | 31331-028 | glutamine fortified DMEM/F12 |
Neurobasal medium | Gibco | 21103-049 | neural basic medium |
N2 supplement | Gibco | 17502-048 | |
B27 supplement | Gibco | 17504001 | |
Insulin | Imgen | PT468-B | |
L-glutamine | Gibco | 25030-024 | |
Non-essential Amino Acids (NEAA) | Gibco | 11140-035 | |
beta-mercaptoethanol | Gibco | 21985-023 | |
Poly-L-Ornithine | Sigma | P3655 | |
Poly (2-hydroxyethyl methacrylate) | Sigma | P3932 | aka Poly-Hema |
Laminin | Sigma | L2020 | |
E8 medium and supplement | Gibco | A1517001 | hPSC medium and supplement |
Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
Sodium Chloride | Sigma | S-5886 | |
y-27632 (ROCK inhibitor) | SelleckChem | S1049-10mg | |
DMSO | Sigma | D-2650 | |
Geltrex | Gibco | A1413302 | hPSC-appropriate adherent coating (PAAC) |
0,5M EDTA | Gibco | 15575-020 | |
0.2 um filter | VWR | 28145-77 | |
1.5 mL Eppendorf tube | VWR | 525-0130 | |
DMEM/F12 | Gibco | 21331-020 | |
Ethanol | VWR | 83804360 | |
Parafilm | Sigma | PM996 | wrap for culture plates |
cryotubes | ThermoFisher | 368632 | |
TrypLE | Gibco | 12563-029 | trypsin-based dissociation agent |
Defined Trypsin Inhibitor (DTI) | Gibco | R-007-100 | |
FGF-2 | Peprotech | 100-18B | |
FGF-4 | R&D Systems | 100-31 | |
FGF-8B | Peprotech | 100-25 | |
Retinoic Acid | Sigma | R2625 | |
Brain Derived Neurotrophic Factor | Peprotech | 450-02 | |
Glial Derived Neurotrophic Factor | Peprotech | 450-10 | |
Potassium Chloride | Sigma | P5405 | |
Neurotrophic Factor 3 | Peprotech | 450-03 | |
Smoothened Agonist (SAG) | Cayman | 11914 | CAS 912545-86-9 |
Axiovert 40C microscope | Zeiss | Brightfield imaging microscope | |
Axiocam | Zeiss | Brightfield imaging – image aquisition | |
Eppendorf Centrifuge 5810 | Eppendorf | 521-0996 | centrifuge for cell culture |
PBS (gebufferde natrium oplossing) | Braun Medical | 3623140 | |
5 ml Serological pipets | VWR | 612-4950 | |
10 ml Serological pipets | VWR | 612-4951 | |
6-wells culture plates | VWR | 734-2323 | |
12-wells culture plates | VWR | 734-2324 | |
hESCs | WiCELL | line H01 |