Dieses Protokoll demonstriert die Verwendung von kompartalisierten mikrofluidischen Chips, die in einem zyklischen Olefin-Copolymer in kultivierte Neuronen gegossen werden, die von menschlichen Stammzellen unterschieden werden. Diese Chips sind vormontiert und einfacher zu verwenden als herkömmliche, kompartalisierte Polygeräte (Dimethylsiloxan). Mehrere gängige experimentelle Paradigmen werden hier beschrieben, einschließlich viraler Etikettierung, fluidischer Isolation, Axotomie und Immunfärbung.
Die Verwendung von mikrofluidischen Geräten zur Abschottung kultivierter Neuronen ist zu einer Standardmethode in der Neurowissenschaft geworden. Dieses Protokoll zeigt, wie ein vormontierter Multi-Fach-Chip aus einem zyklischen Olefin-Copolymer (COC) verwendet wird, um Neuronen zu unterteilen, die sich von menschlichen Stammzellen unterscheiden. Der Fußabdruck dieser COC-Chips ist derselbe wie bei einem Standard-Mikroskopschlitten und gleichermaßen kompatibel mit hochauflösender Mikroskopie. Neuronen werden von menschlichen neuronalen Stammzellen (NSCs) zu glutamatergen Neuronen innerhalb des Chips unterschieden und für 5 Wochen aufrechterhalten, so dass genügend Zeit für diese Neuronen, um Synapsen und dendritische Stacheln zu entwickeln. Darüber hinaus zeigen wir mehrere gängige experimentelle Verfahren mit diesen Multi-Compartment-Chips, einschließlich viraler Kennzeichnung, Einrichtung von Mikroumgebungen, Axotomie und Immunzytochemie.
Menschliche Stammzell-differenzierte Neuronen (hSC-Neuronen) werden zunehmend für die biologische Forschung verwendet. Diese Neuronen, die aus menschlichem Quellenmaterial abgeleitet werden können, sind von großem Interesse für die translationale Forschung, einschließlich der Untersuchung traumatischer Hirnverletzungen und neurodegenerativer Erkrankungen wie Alzheimer. Daher sind Instrumente zur Verbesserung und Erleichterung der Untersuchung von hSC-Neuronen gefragt.
Um die einzigartige polarisierte Morphologie von Neuronen zu untersuchen, verwenden viele Forscher multi-kompartalisierte mikrofluidische Geräte1,2,3,4,5,6, 7,8,9,10,11. Diese Geräte ermöglichen Messungen und Manipulationen von langprojektionsneuronen mit einzigartigem subzellulären Zugriff. Multi-kompartalisierte mikrofluidische Geräte bestehen aus zwei parallelen mikrofluidischen Kompartimenten, die durch Mikronuten getrennt sind und das axonale Wachstum steuern. Neuronen oder neuronale Stammzellen (NSCs) werden im somatodendritischen Fach plattiert und haften dann nach Minuten an der Unterseite der Fachoberfläche. Differenzierte Neuronen wachsen und erweitern ihre Axone/Projektionen durch die Mikronutregion in ein angrenzendes und isoliertes Axonfach. In der Vergangenheit wurden diese Geräte ausschließlich mit Poly (Dimethylsiloxan) (PDMS) Replikformhergestellt hergestellt. PDMS-Geräte haben viele Nachteile, die zuvor beschrieben wurden12, einschließlich persistenter Hydrophobie und der Notwendigkeit, sich unmittelbar vor der Verwendung zu einem Glasdeckel zusammenzusetzen. Vormontierte Spritzgusschips überwinden viele dieser Nachteile und werden kommerziell verkauft (siehe Tabelle der Materialien)12. Die Fächer dieser Chips sind permanent hydrophil und der gesamte Chip wird in optisch transparentes zyklisches Olefin-Copolymer (COC) gegossen.
Dieses Protokoll zeigt, wie man diesen COC-Chip verwendet, um menschliche NSCs in erregende Neuronen zu differenzieren und ihre langen neuronalen Projektionen zu trennen und fließend zu isolieren. Für diese Demonstration wurden Neuronen von NIH-zugelassenen H9-Stammzellen unterschieden. Ähnliche Verfahren können verwendet werden, um humaninduzierte pluripotente Stammzellen zu unterscheiden.
Der vormontierte Multi-Kompartier-COC-Chip ist eine einfach zu bedienende, unterteilte Plattform, um menschliche NSCs langfristig zu unterscheiden und in Neuronen zu halten (>4 Wochen). In diesem Protokoll zeigen wir die Differenzierung menschlicher NSCs in glutamaterge Neuronen, retrograde Etikettenneuronen, führen Immunzytochemie durch, visualisieren die dendritische Wirbelsäulenmorphologie und führen Axotomie durch. Diese Chips sind mit hochauflösender Bildgebung kompatibel und es gibt keine Autofluoreszenz mit dem COC12.
COC Multi-Compartment-Chips sind funktional äquivalent zu silikonbasierten kompartalisierten Geräten und haben Vorteile und Nachteile, wie zuvor beschrieben12. Tabelle 1 vergleicht MULTI-Kompartier-COC-Chips und Silikongeräte zur Kultivierung von hSC-Neuronen. Die COC-teilverfeinerten Chips bieten eine bessere hydrophile Oberfläche für die Befestigung und Wartung von Stammzellen über einen langen Kulturzeitraum. PDMS-basierte Geräte müssen montiert und an Glasabdeckungen befestigt werden. Die hydrophobe Natur der PDMS-Geräte bewirkt die Aggregation von Stammzellen5; Dies führt sowohl zu Herausforderungen bei der Bildgebung auf zellulärer Ebene als auch zu einer größeren Anfälligkeit für physische Schäden durch die Bewegung von Zellaggregaten während Medienveränderungen. Der Kunststoffchip überwindet diese Herausforderungen. COC ist gasundurchlässig, im Gegensatz zu PDMS, so dass Lufttaschen, die in den Kanälen eingeschlossen oder gebildet werden, vom Benutzer entfernt werden müssen. Die Vorbeschichtungslösung reduziert die Möglichkeit, dass Luft in den Kanälen gefangen wird. Diese Lösung besteht aus Ethanol und anderen Wirkstoffen. Ein zuvor veröffentlichtes Protokoll zur Kultivierung von murinen Neuronen innerhalb dieser Plastikchips liefert zusätzliche Details über Pipettierzellen und Medien innerhalb der Chips12. NSCs sind zerbrechlicher als murine Neuronen, so muss sanfter behandelt werden. Es ist auch wichtig, die Stammzellen gründlich zu mischen, bevor sie plattieren, indem Sie sie sanft nach oben und unten pipetieren.
Die Verwendung von Neuronen aus in vitro differenzierten menschlichen Stammzellen wird in Medizin und Forschung immer beliebter. Diese Neuronen sind wichtig für die Forschung und klinische Anwendungen für viele ZNS-Erkrankungen, einschließlich neurodegenerative Erkrankungen und traumatische Hirnverletzungen. Diese Neuronen ähneln den menschlichen fetalen Neuronen15. In Zukunft könnten entsprechend gealterte Neuronen aus Stammzellen erzeugt werden, um die altersbedingte neuronale Funktion nachzuahmen und in Verbindung mit diesen abgeschotteten Geräten zu verwenden. Diese Geräte werden die Erforschung von Krankheiten erleichtern, die die Gesundheit und Funktion des Axons beeinträchtigen, wie z. B. Axondefizite in Neuronen von Patienten, bei denen Autismus-Spektrum-Störungen diagnostiziert wurden, und axonale Regeneration nach Verletzung16,17.
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren würdigen die Unterstützung von Xona Microfluidics, LLC, dem National Institute of Mental Health (R42 MH097377) und dem National Institute of Neurological Disorders and Stroke (R41 NS108895, P30 NS045892). Der Inhalt liegt allein in der Verantwortung der Autoren und stellt nicht unbedingt die offizielle Meinung der National Institutes of Health dar.
Alexa Fluor hydrazide 488 | ThermoFisher Scientific | A10436 | |
Alexa Fluor secondary antibodies | ThermoFisher Scientific | 1:1000 | |
anti_beta-tubulin III | Aves | TUJ | 1:1000 |
anti-vGAT antibody | Synaptic Systems | 131 003 | 1:1000 |
anti-vGlut1 antibody | NeuroMab | 75-066 | clone N28/9, 1:100 |
complete neural stem cell media: | |||
REC HU EGF 10 UG BIOSOURCE (TM) |
ThermoFisher Scientific | PHG0314 | 20ng/mL |
REC HU FGF BASIC 10 UG BIOSOURCE (TM) |
ThermoFisher Scientific | PHG0024 | 20ng/mL |
GlutaMAX Supplement (100X) | ThermoFisher Scientific | 35050061 | 2mM |
KnockOut DMEM/F-12 | ThermoFisher Scientific | 12660012 | |
StemPro Neural Supplement | ThermoFisher Scientific | A1050801 | 2% |
Epifluorescence imaging system | EVOS Fluorescence imaging system | AMF4300 | 10x objective |
fluorinated ethylene propylene film | American Durafilm | 50A | 0.5 mil thickness |
Fluoromount G | ThermoFisher Scientific | 00-4958-02 | |
Gibco DPBS without Calcium and Magnesium | ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
GIBCO HUMAN NSC (H9) KIT COMBO KIT |
Gibco | N7800200 | |
Gibco Laminin | ThermoFisher Scientific | 23017015 | |
Glass Pasteur pipettes | Sigma-Aldrich | CLS7095D5X SIGMA | 5.75 in length |
H9-DERIVED HU NEURAL STEM CELL 1E6 CELLS/VIAL; 1 ML |
ThermoFisher Scientific | 510088 | |
hibernate-E Medium | ThermoFisher Scientific | A1247601 | |
Incubator, 5% CO2 37 °C | |||
Laser scanning confocal imaging system | Olympus | FV3000RS | 30x silicone oil objective |
modified rabies virus | Salk Institute for Biological Studies | G-deleted Rabies-eGFP | Material Transfer Agreement required |
Mr. Frosty | ThermoFisher Scientific | 5100-0001 | |
Neural differentiation media | Per 100 mL. | ||
Antibiotic-Antimycotic (100x) | ThermoFisher Scientific | 15240112 | 1mL (100X) |
Ascorbic acid | Sigma Aldrich | A8960 | 200mM |
BDNF | ThermoFisher Scientific | PHC7074 | 40 ng/mL |
Gibco B27 Plus Supplement (50X) | FisherScientific | A3582801 | 2mL (50X) |
Gibco CultureOne Supplement (100X) | FisherScientific | A3320201 | 1mL (100X) |
Gibco Neurobasal Plus Medium | FisherScientific | A3582901 | |
StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | ThermoFisher Scientific | A1110501 | |
Taylor Wharton Liquid N2 dewar | FisherScientific | 20HCB11M | |
triton X-100 | ThermoFisher Scientific | 28314 | |
XC pre-coat | Xona Microfluidics, LLC | XC Pre-Coat | included with XonaChips |
XonaChip | Xona Microfluidics, LLC | XC450 | 450 µm length microgroove barrier |
Humidifier Tray | Xona Microfluidics, LLC | humidifier tray |