In diesem Artikel beschreiben wir ausführlich ein Protokoll zur Erzeugung von Neurosphärenkulturen aus postnatalen mausneuronischen Stammzellen, die aus den wichtigsten neurogenen Nischen der Maus abgeleitet sind. Neurosphären werden verwendet, um neuronale Stammzellen aus Hirngewebe zu identifizieren, was die Schätzung von Vorläuferzellzahlen ermöglicht. Darüber hinaus können diese 3D-Strukturen unter differenziativen Bedingungen plattiert werden, was zu Neuronen, Oligodendrozyten und Astrozyten führt, was die Untersuchung des Zellschicksals ermöglicht.
Der Neurosphären-Assay ist eine äußerst nützliche In-vitro-Technik zur Untersuchung der inhärenten Eigenschaften von neuronalen Stamm-/Vorläuferzellen (NSPCs), einschließlich Proliferation, Selbsterneuerung und Multipotenz. Im postnatalen und erwachsenen Gehirn sind NSPC hauptsächlich in zwei neurogenen Nischen vorhanden: der subventrikulären Zone (SVZ), die die lateralen Ventrikel auskundet, und der subgranularen Zone des Hippocampus dentate gyrus (DG). Die Isolierung der neurogenen Nischen aus dem postnatalen Gehirn ermöglicht es, eine höhere Menge an NSPCs in der Kultur mit einem daraus resultierenden Vorteil höherer Erträge zu erhalten. Der enge Kontakt zwischen den Zellen innerhalb jeder Neurosphäre schafft eine Mikroumgebung, die neurogenen Nischen ähneln kann. Hier beschreiben wir detailliert, wie man SVZ- und DG-abgeleitete Neurosphärenkulturen aus 1-3-Tage-Mäusen (P1-3) sowie Passaging für die Neurosphärenerweiterung erzeugt. Dies ist ein vorteilhafter Ansatz, da der Neurosphärentest eine schnelle Generierung von NSPC-Klonen (6 bis 12 Tage) ermöglicht und zu einer signifikanten Verringerung der Anzahl der Tiernutzung beiträgt. Durch die Beschichtung von Neurosphären unter differenziativen Bedingungen können wir eine Pseudomonoschicht von Zellen erhalten, die aus NSPCs und differenzierten Zellen verschiedener neuronaler Linien (Neuronen, Astrozyten und Oligodendrozyten) besteht, die die Untersuchung der Wirkung intrinössischer oder extrinsischer Faktoren auf NSPC-Proliferation, Differenzierung, Zellüberleben und Neuritogenese ermöglichen.
Der Neurosphären-Assay (NSA) wurde erstmals11992 1,2 beschrieben und ist bis heute ein einzigartiges und leistungsfähiges Werkzeug in der neuronalen Stammzellforschung (NSC). Die Isolierung von NSCs aus den wichtigsten neurogenen Regionen hat schwierige Probleme, da die Anforderungen an die Aufrechterhaltung dieser Zellen unter physiologischen Bedingungen nach wie vor wenig verstanden werden. In der NSA werden Zellen in einem chemisch definierten serumfreien Medium mit Wachstumsfaktoren wie dem epidermalen Wachstumsfaktor (EGF) und dem basischen Fibroblastenwachstumsfaktor (bFGF)1,2,3kultiviert. Neurale Vorläuferzellen (Stamm und Vorläufer) werden mit diesen Mitogenen ausgewählt, da diese Zellen EGF und FGF-responsive in eine Periode der aktiven Proliferation sind, während andere Zellen, nämlich differenzierte Zellen, sterben4. Neurale Vorläuferzellen wachsen als Neurosphären, die dann durchgehen können, um den Pool dieser Zellen weiter zu erweitern5. Wichtig ist, da diese neuronalen Stammvorläuferzellen (NSPCs) multipotent sind, sind sie in der Lage, sich in die drei Hauptzelltypen des zentralen Nervensystems (ZNS) zu differenzieren: Neuronen, Oligodendrozyten und Astrozyten5.
Die NSA bietet eine erneuerbare Quelle für undifferenzierte ZNS-Vorläufer, die verwendet werden können, um mehrere Prozesse zu untersuchen, einschließlich NSC-Proliferation und Selbsterneuerung, und neuronale und gliaale Differenzierung, sowohl im physiologischen als auch im Krankheitskontext. Darüber hinaus können In-vitro-Studien verwendet werden, um den Grad der intrinsischen Spezifikation in neuronalen Vorläufern während der Entwicklung zu bewerten, sowie um das volle Potenzial der Zellen zu untersuchen, indem extrinsische Hinweise entfernt werden, die mit ihrer normalen Umgebung verbunden sind6. Das Neurosphärenmodell ist wertvoll, um vermeintliche Regulatoren zu bewerten, da durch die Aufrechterhaltung der Zellen in einem Medium ohne Serum die Umwelthinweise nur von den umgebenden Zellen6bereitgestellt werden. Darüber hinaus werden NSPC in der NSA leicht in der Kultur erweitert, die Dichte der Zellen pro Fläche ist hoch und die heterogene Zusammensetzung der Neurosphären hat eine gewisse Ähnlichkeit mit in vivo Nischen6. Diese etablierten Vorteile sind der Grund, warum diese Methode von vielen Forschern weit verbreitet ist.
Das folgende Protokoll beschreibt detailliert alle Prozesse von der Isolierung der postnatalen NSPC-Population aus den beiden wichtigsten neurogenen Regionen, der subventrikulären Zone (SVZ) und dem Hippocampus dentate gyrus (DG), über die Ausdehnung dieser Zellen als Neurosphären bis hin zur Differenzierung in Neuronen, Astrozyten und Oligodendrozyten. Schließlich werden auch verschiedene Assays beschrieben, um auf Diesatologie- und Multipotenzeigenschaften von SVZ- und DG-abgeleiteten NSSPCs zuzugreifen.
In-vitro-Systeme von NSPCs ermöglichen ein besseres Verständnis der zellulären und molekularen Mechanismen, die in vivo weiter validiert werden können. Die NSA ist eine sehr leistungsfähige Methode, um physiologische Bedingungen aufgrund ihrer dreidimensionalen Struktur zu imitieren. Darüber hinaus ist dieses Kultursystem auch technisch einfacher zukulturisieren 10, im Vergleich zu anderen In-vitro-Systemen wie dem Monolayer-Kultursystem. Tatsächlich ist es mit der NSA einfach, die exponierten extrinsischen Hinweise während der Zellentwicklung zu kontrollieren, entweder während der Expansion spart oder in der Differenzierungsphase, indem präzise und variable Mengen von Faktoren hinzugefügt werden, die den Medien interessieren, sowie durch die Kultivierung von Neurosphären mit anderen Zelltypen6. Darüber hinaus ist es im Vergleich zu Monolayer-Kulturen in der NSA möglich, eine höhere Zelldichte aus einer kleinen Menge Gewebe oder mit einer kleinen Anzahl von Zellen zu erhalten, so dass parallele Studien durchgeführt werden können, wodurch die Anzahl der Tiere1reduziert wird.
Die NSA ist die häufigste Methode zum Isolieren und Erweitern von NSCs11,12,13, kann verwendet werden, um die Anzahl der Vorläuferzellen in einer gegebenen Gewebeprobe5 und die Vorläuferzellhäufigkeit zwischen verschiedenen Bedingungen zu schätzen. Allerdings sind sowohl Neurosphären als auch Monolayer-Kulturen nicht für Ruhe NSCs14verantwortlich. Darüber hinaus hat die NSA einige Einschränkungen11,12,13 und die resultierende Neurosphärenfrequenz hängt von vielen Faktoren ab, einschließlich der mittleren Komponenten, des Sezierverfahrens, des Dissoziationsprozesses11,12,13und der Neurosphärenaggregation5. Tatsächlich neigen Neurosphären in einer Kultur mit hoher Dichte dazu, sich zu aggregieren. Daher ist bei der Schätzung der Anzahl der Vorläuferzellen in einer Probe Vorsicht geboten. Um die oben genannten Einschränkungen zu überwinden, können isolierte NSPC auch erweitert und in einer Monolayer5,15durchdrungen werden. Wichtig ist, dass die Verwendung der NSA zum Vergleichen der Vorläuferzellhäufigkeit zwischen verschiedenen Bedingungen sehr nützlich und genau ist, da alle diese Einschränkungen implizit und ähnlich unter allen Bedingungen sind, die im selben Experiment durchgeführt werden.
Es gibt kritische Schritte in der Neurosphärenkultur, die Aufmerksamkeit erfordern. Im Gehirn Ernteschritt, vollständige Entfernung der Meningen und gute Isolierung der neurogenen Nischen sind wichtig, um die Reinheit und Ausbeute der NSPCs zu maximieren. Während der Gewebedissoziation, aufgrund der proteolytischen Aktivität von Trypsin, übermäßige Verwendung von Trypsin oder längere Inkubationszeiten kann zu Zelllyse führen. Darüber hinaus ist der Tag der Passage entscheidend, um eine gesunde Population von Neurosphären zu erhalten. Die Passierung von Neurosphären mit einem Durchmesser von mehr als 200 m beeinflusst stark die Lebensfähigkeit, proliferative und differenziative Fähigkeit von NSPCs. Wichtig ist, dass längere Zyklen von Passagen, mehr als 10, die genetische Instabilität erhöhen können6. Darüber hinaus ist eine Beschichtung mit PDL und PLD/Laminin für SVZ- bzw. DG-Zellen unerlässlich, um eine gute Zellmigration aus den Neurosphären zu gewährleisten, ohne den Differenzierungsprozess zu beeinträchtigen. In Bezug auf die Immunzytochemie-Analyse können längere Inkubationszeiten mit PFA die Färbung beeinträchtigen, indem sie die Antigene maskieren und den Hintergrund erhöhen.
Die NSA ist ein leistungsfähiges Werkzeug zur Bereitstellung einer konsistenten und unbegrenzten Quelle von NSPCs für In-vitro-Studien der neuronalen Entwicklung und Differenzierung sowie für therapeutische Zwecke16,17. Tatsächlich kann dieser Assay auf genetische und Verhaltensmodelle angewendet werden, um die molekularen und zellulären Mechanismen, die an der NSPC-Proliferation und -Differenzierung beteiligt sind, weiter zu verstehen18,19. Dieser Assay ist auch nützlich, um verschiedene Medikamente und Verbindungen20,21,22 sowie genetische Manipulationen durchzuführen19,23 nSC Eigenschaften zu modulieren. Neben der Immunzytochemie können Reverse-Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktionen und Western-Blot-Analysen durchgeführt werden, um auf RNA- und Proteinexpression zuzugreifen, während elektrophysiologische Studien und Kalzium-Bildgebung verwendet werden können, um die Funktion der neugeborenen Neuronen21zu bewerten.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde unterstützt von IF/01227/2015 und UID/BIM/50005/2019, projeto financiado pela Fundaéo para a Ciéncia e a Tecnologia (FCT)/ Ministério da Ciéncia, Tecnologia e Ensino Superior (MCTES) através de Fundos do Oréamento de Estado. R.S. (SFRH/BD/128280/2017, F.F.R. (IMM/CT/35-2018), D.M.L. (PD/BD/141784/2018) und R.S.R. (SFRH/BD/129710/2017) erhielten ein Stipendium von FCT. Die Autoren danken den Mitgliedern der Bioimaging-Anlage am Instituto de Medicina Molecular Joo Lobo Antunes für die Mikroskopiehilfe.
0.05% Trypsin-EDTA (1X) | Gibco | 25300-054 | |
0.4% Trypan Blue solution | Sigma-Aldrich | T8154-20ML | |
12mm Glass coverslips | VWR | 631-1577 | |
15mL Centrifuge Tube | Corning | 430791 | |
5-bromo-2'-deoxyuridine | Sigma-Aldrich | B9285-1G | |
50 mL Centrifuge Tube | Corning | 430829 | |
70% Ethanol | Manuel Vieira & Cª (Irmão) Sucrs, Lda | UN1170 | |
Adhesion slides, Menzel Gläser, SuperFrost Plus | VWR | 631-9483 | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-chicken IgG (H+L) | |||
Alexa Fluor 488 donkey anti-rabbit IgG (H+L) | Life Technologies | A21206 | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-rat IgG (H+L) | Life Technologies | A21208 | |
Alexa Fluor 568 donkey anti-mouse IgG (H+L) | Life Technologies | A10037 | |
Alexa Fluor 568 donkey anti-rabbit IgG (H+L) | Life Technologies | A10042 | |
Alexa Fluor 647 goat anti-mouse IgG (H+L) | Life Technologies | A21235 | |
Anti-5-Bromo-2-Deoxyuridine | Dako | M0744 | |
Anti-CD140a (PDGFRα) (rat) | BD Biosciences | 558774 | Dilute at a ratio 1:500. |
Anti-Chondroitin Sulphate Proteoglycan NG2 (rabbit) | Merck Milipore | AB5320 | Dilute at a ratio 1:200. |
Anti-Doublecortin (rabbit) | Abcam | ab18723 | Dilute at a ratio 1:200. |
Anti-Doublecortin (chicken) | Synaptic Systems | 326006 | Dilute at a ratio 1:500. |
Anti-Glial Fibrillary Acidic Protein (rabbit) | Sigma-Aldrich | G9269-.2ML | Dilute at a ratio 1:1000. |
Anti-Myelin Basic Protein (rabbit) | Cell Signalling Technology | 78896S | Dilute at a ratio 1:200. |
Anti-Nestin (mouse) | Merck Milipore | MAB353 | Dilute at a ratio 1:200. |
Anti-Neuronal Nuclei (mouse) | Merck Milipore | MAB377 | Use 6% BSA in PBS 1X. Dilute at a ratio 1:400. |
Anti-SOX2 (rabbit) | Abcam | ab97959 | Dilute at a ratio 1:500. |
Anti-Tubulin β3 (rabbit) | BioLegend | 802001 | Dilute at a ratio 1:200. |
Axiovert 200 wide field microscope | ZEISS | ||
B-27 Supplement (50X), serum free | ThermoFisher | 17504044 | |
Boric Acid | Sigma-Aldrich | B6768-500g | |
Bovine Serum Albumin | NZYTech | MB04602 | |
Cell counting chamber, Neubauer | Hirschmann | 8100104 | |
Cell culture CO2 incubator | ESCO | CCL-170B-8 | |
Corning Costar TC-Treated 24 Multiple Well Plate | Corning | CLS3524-100EA | |
di-Sodium hydrogen phosphate dihydrate | Merck Milipore | 1.06580.1000 | |
DMEM/F-12, GlutaMAX Supplement | ThermoFisher | 31331028 | |
Dumont #5 – Fine Forceps | FST | 11254-20 | |
Dumont #5S Forceps | FST | 11252-00 | |
Dumont #7 Forceps | FST | 11272-30 | |
Epidermal growth factor | ThermoFisher | 53003018 | |
Fibroblast growth factor | ThermoFisher | 13256029 | |
Filter papers | Whatman | 1001-055 | |
Fine Scissors – Sharp | FST | 14060-09 | |
Gillete Platinum 5 blades | Gillette | ||
HBSS, no calcium, no magnesium | ThermoFisher | 14175053 | |
Hoechst 33342 | Invitrogen | 1399 | |
Hydrochloric acid | Merck Milipore | 1.09057.1000 (1L) | |
Labculture Class II Biological Safety Cabinet | ESCO | 2012-65727 | |
Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | |
McILWAIN Tissue Chopper | The Mickle Laboratory Engineering CO. LTD. | MTC/2 | Set to 450 μm |
Micro Spatula – 12 cm | FST | 10091-12 | |
Micro tube 0.5 mL | SARSTEDT | 72.699 | |
Micro tube 1.5 mL | SARSTEDT | 72.690.001 | |
Micro tube 2.0 mL | SARSTEDT | 72.691 | |
NeuroCult Chemical Dissociation Kit (Mouse) | Stem Cell | 5707 | |
Olympus microscope SZ51 | Olympus | SZ51 | |
Paraformaldehyde, powder | VWR | 28794.295 | |
Penicillin-Streptomycin | ThermoFisher | 15140122 | |
Petri dishes 60 mm | Corning | 430166 | |
Phosphate standard solutions, PO43 – in water | BDH ARISTAR | 452232C | |
Poly-D-Lysine 100mg | Sigma-Aldrich | P7886 | |
Poly-L-ornithine solution | Sigma-Aldrich | P4957 | |
Potassium chloride | Sigma-Aldrich | P5405-250g | |
Propidium iodide | Sigma-Aldrich | P4170-25MG | |
Sodium chloride | VWR | 27800.360.5K | |
Sodium Hydroxide | Merck Milipore | 535C549998 | |
Triton X-100 | BDH | 14630 | |
VWR INCU-Line IL10 | VWR | 390-0384 |