Dit protocol biedt een uitgebreide procedure om menselijke iPS-cel-afgeleide motorische zenuw organoïde te fabriceren door spontane assemblage van een robuuste bundel axonen uitgebreid van een sferoïde in een weefselkweekchip.
Een fascicle van axonen is een van de belangrijkste structurele motieven die in het zenuwstelsel worden waargenomen. Verstoring van axon fascicles kan ontwikkelings- en neurodegeneratieve ziekten veroorzaken. Hoewel talrijke studies van axonen zijn uitgevoerd, is ons begrip van vorming en disfunctie van axon fascicles nog steeds beperkt vanwege het gebrek aan robuuste driedimensionale in vitro modellen. Hier beschrijven we een stapsgewijs protocol voor de snelle generatie van een motorische zenuw organoïde (MNO) uit door de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS) in een op microfluïdische basis gebaseerde weefselkweekchip. Ten eerste wordt de fabricage van chips die voor de methode worden gebruikt, beschreven. Uit menselijke iPS-cellen wordt een motorneuron sferoïde (MNS) gevormd. Vervolgens wordt de gedifferentieerde MNS overgezet naar de chip. Daarna groeien axonen spontaan uit de sferoïde en assembleren ze zich tot een fascicle in een microkanaal dat in de chip is uitgerust, wat een MNO-weefsel genereert dat een bundel axonen draagt die uit de sferoïde zijn verlengd. Voor de downstreamanalyse kunnen MNO’s uit de te repareren chip worden gehaald voor morfologische analyses of ontleed voor biochemische analyses, evenals calciumbeeldvorming en multi-elektrode array-opnamen. MBO’s die met dit protocol worden gegenereerd, kunnen het testen en screenen van geneesmiddelen vergemakkelijken en kunnen bijdragen aan het begrijpen van mechanismen die ten grondslag liggen aan de ontwikkeling en ziekten van axon-fascicles.
Spinale motorische neuronen (MN) strekken axonen uit naar skeletspieren om de beweging van het lichaam te regelen. Hun axonale trajecten zijn sterk georganiseerd en gereguleerd in het ontwikkelingsproces. Ondanks vele studies over axon uitbreiding en begeleiding1, worden de mechanismen voor georganiseerde axon bundelvorming nog onderzocht. Axonen van motorneuronen worden vaak beschadigd door neurodegeneratieve ziekten zoals amyotrofische laterale sclerose (ALS)2, maar pathofysiologische mechanismen van de schade aan axon fascicles worden slecht begrepen. Zo is een fysiologisch en pathologisch model vereist om axonbundelvorming en regressie in het veld te recapituleren.
Een menselijk stamcel-afgeleid motorneuron is een veelbelovend platform voor het begrijpen van de ontwikkeling en ziekten zoals ALS3. Door de mens geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPS-cellen) kunnen worden gebruikt om ziekten te modelleren met behulp van van de patiënt afgeleide cellen. Tot op heden zijn verschillende differentiatiemethoden van pluripotente stamcellen in MN gerapporteerd4,5,6. Axonen van neuronen in de tweedimensionale cultuur zijn echter willekeurig georiënteerd en vatten niet samen in vivo micromilieu binnen zich ontwikkelende zenuwen waarin axo-axonale interacties unidirectioneel worden geassembleerd7. Om dit probleem op te lossen, hebben we een techniek ontwikkeld om een driedimensionaal weefsel te genereren dat lijkt op motorische zenuw uit menselijke iPS-cellen8, en het weefsel benoemd als motorische zenuw organoïde (MNO). De MNO bestaat uit cellichamen in een motorneuron sferoïde (MNS) en een axonale fascicle die zich uitstrekt uit de sferoïde. De axonen in de fascicle zijn unidirectioneel georiënteerd, wat lijkt op axonen bij het ontwikkelen van motorische zenuwen. Daarom bieden MNOs op unieke wijze een fysiologisch axonaal micromilieu, wat niet werd gedaan door andere eerder ontwikkelde neuronale kweekmethoden.
In dit protocol beschrijven we methoden voor weefselkweekchips fabricage, snelle motorneuron differentiatie en motorische zenuw organoïde vorming in ontwikkelde chips. Onze weefselkweekchip is heel eenvoudig en bevat alleen een compartiment voor het accepteren van een sferoïde, een microkanaal voor het vormen van een axonbundel en een compartiment voor het huisvesten van axonterminals. Het apparaat bevat geen complexe structuren, waaronder microgrooves of microporefilters die vaak worden gebruikt om axonen en cellichamen te scheiden op maat9,10. Daarom kunnen onze apparaten eenvoudig worden gefabriceerd door de stappen te volgen die in dit protocol worden beschreven als er een fotolithografie-installatie beschikbaar is.
Snelle differentiatie van menselijke iPS-cellen wordt bereikt met een geoptimaliseerde combinatie van inducerende en patroonfactoren (SB431542, LDN-193189, retinoïnezuur (RA) en gladgestreken agonist (SAG)) en versnellingsfactoren (SU5402 en DAPT). Er is gemeld dat de combinatie van SU5402 en DAPT de differentiatie van perifere neuronen en neurale crestcellenversnelt 11. In dit protocol bieden we drie verschillende methoden om MBO’s te genereren, zodat lezers kunnen beslissen over een methode die het meest geschikt is voor hun behoeften. We raden aan om differentiatie van menselijke iPS-cellen uit te voeren na het vormen van een sferoïde (de 3D-methode), omdat het gedifferentieerde MNS rechtstreeks in een weefselkweekchip kan worden overgebracht. Als alternatief kunnen menselijke iPS-cellen worden onderscheiden in motorneuronen in de monolaagse (2D) cultuur en vervolgens worden gemaakt in driedimensionale motorneuronen sferoïden zoals we eerder meldden8. We hebben het protocol bijgewerkt en met de driedimensionale differentiatiemethode die in dit protocol wordt beschreven, kan de overgang van 2D naar 3D worden vermeden en kunnen MBO’s worden verkregen met kortere differentiatietijd, minder stappen en verminderde technische risico’s zonder de dissociatiestap. Commercieel verkrijgbare neuronen kunnen ook worden gebruikt om MNS te genereren om de tijd voor differentiatie te verkorten.
Om een MNO te genereren, kweekten we een MNS in de weefselkweekchip. De axonen verlengen zich van de sferoïde en strekken zich uit tot de microkanaal waarin axonen zich unidirectioneel verzamelen en uitlijnen. Dit vergemakkelijkt axo-axonale interactie en spontane vorming van een strak geassembleerd unidirectioneel bundelweefsel van axonen in de microkanaal, wat uniek wordt bereikt door dit protocol, terwijl spontane bundelvorming of begeleide axonale oriëntatie alleen kan worden bereikt door andere protocollen12,13,14. In een typisch experiment migreren maar weinig cellen van sferoïden naar de microkanaal en blijven de meeste cellen in de buurt van sferoïden. Met deze methode kunnen axonen spontaan worden gescheiden van de sferoïden zonder gebruik te maken van grootteafhankelijke fysieke barrières (bijv. microgrooves of microporefilters) om axonen van cellichamen te scheiden.
De resulterende MNO kan worden onderworpen aan verschillende onderzoeken, waaronder morfologische, biochemische en fysische analyses. Het cellichaam en de uitgebreide axonbundel kunnen fysiek worden geïsoleerd door te snijden en kunnen afzonderlijk worden geanalyseerd voor downstream-experimenten, bijvoorbeeld biochemische tests. Biologische materialen, waaronder RNA en eiwit, kunnen worden geïsoleerd uit slechts een paar axonbundels voor regelmatige biochemische tests, waaronder RT-PCR en western blotting. Hier beschrijven we een protocol voor het genereren van motorische zenuw organoïde uit iPS-cellen, dat een aantrekkelijk fysiologisch en pathologisch model biedt om het mechanisme te bestuderen dat ten grondslag ligt aan de ontwikkeling en ziekte van axon fascicles.
Dit protocol beschrijft de vorming van een motorische zenuw organoïde (MNO) die een axon bundel uitgebreid van een motor neuron sferoïde gegenereerd uit menselijke iPS cellen. De gevormde axonbundel is dik, flexibel en goed georganiseerd in unidirectionele structuren. Door de axonbundel te ontleden, kunnen hoogzuiver axon-eiwit en RNA voldoende worden verkregen voor biochemische analyses. Neuronale activiteit kan worden gemeten in axonbundels en sferoïden met calciumbeeldvorming. Verontreiniging van nucleaire en dendritische eiwitten in het axonale lysaat werd niet gedetecteerd door westerse vlekken, wat aantoont dat onze methode axonen efficiënt scheidde van cellichamen en dendrieten.
Een van de voordelen van dit protocol is de snelle differentiatie en generatie van MNO uitgerust met een axon bundel, waarbij alle processen in 4 weken kunnen worden uitgevoerd met het 3D protocol en 5-6 weken met behulp van het 2D protocol. Dit is kort in vergelijking met andere protocollen die meestal 3-4 weken duren om eenvoudigweg te differentiëren in MN van embryonale stamcellen en iPS-cellen17 en het duurt nog eens 2-4 weken om axonale verlenging te verkrijgen. Het 3D-protocol heeft over het algemeen de voorkeur boven het 2D-protocol vanwege de kortere differentiatietijd, minder stappen en verminderde technische risico’s zonder de dissociatiestap in vergelijking met het 2D-protocol. De op microfluïdische basis gebaseerde weefselkweekchip is zo ontworpen dat de axoonen van MNS zich via het microkanaal naar het andere compartiment kunnen verlengen, wat de vorming van een bundel axoonen vergemakkelijkt door axo-axonale interacties en affiniteit tussen axonen te induceren. Vanwege de eenvoudige experimentele opzet kunnen alle hier beschreven protocollen niet alleen worden uitgevoerd door bio-ingenieurs, die bekend zijn met de manipulatie van een weefselkweekchip, maar ook biologen en neurowetenschappers die niet bekend zijn met microfluïdische en microfabricatietechnieken. Opgemerkt moet worden dat stappen 1 en 2 ook kunnen worden uitgevoerd met behulp van een externe fabricageservice.
Een van de kritieke stappen om het protocol te bereiken is een opeenvolgende verandering van cultuurmedium. Het wordt geadviseerd om het cultuurmedium bij elke stap tijdens de differentiatie volledig te veranderen, zodat factoren in het gebruikte medium de MN-differentiatie niet verstoren. Een ander kritiek punt van dit protocol is om ongedifferentieerde iPS-cellen in goede kwaliteit te houden. De kwaliteit van de initiële iPS-celcultuur heeft een aanzienlijke invloed op de efficiëntie om motorneuronen en MNO te verkrijgen. Een ander punt is dat de diameter van MNS kleiner moet zijn dan de grootte van het gat van de chip (1,5 mm). Grotere sferoïden kunnen de kamer niet binnendringen en kunnen ernstige hypoxische necrose in het middelste deel ervaren. De grootte van MNS’en kan worden geregeld door een eerste zaaigetal van iPS-cellen (in 3D-protocol) of motorneuronen (in 2D-protocol) te wijzigen. De zaaidichtheid van cellen moet worden geoptimaliseerd voor elke iPS-cellijn.
Gecompartimenteerde microfluïdische apparaten met microgrooves en kleine poriefilters zijn veel gebruikt om axonen te scheiden van cellichamen en dendrieten. Deze techniek kan ook axonen scheiden van cellichamen en dendriet, met superieure overvloed aan axonen in gebundelde weefsels. In vergelijking met de andere methoden is een belangrijke beperking van deze methode dat het twee verschillende kweekmedia niet kan scheiden in het huidige ontwerp van de weefselkweekchip, wat het vermogen van co-cultuur van twee verschillende cellen die twee verschillende media vereisen, belemmert. Een andere beperking is dat de PDMS-chip vooraf bepaalde beperking op de grootte van het weefsel heeft geplaatst. Een sferoïde groter dan het gat kan de kamer niet binnendringen en de axonbundel kan niet dikker worden dan de breedte van het microfluïdische kanaal.
Deze methode kan worden toegepast op andere soorten neuronen. Onze groep heeft aangetoond dat het mogelijk is om een hersenkanaal te modelleren met behulp van een aangepaste methode in combinatie met cerebrale organoïde technieken18. Corticale sferoïden werden geïntroduceerd in beide compartimenten en de axonen spontaan verlengd wederkerig naar elke sferoïde, en vervolgens een axon bundel spontaan gevormd. Als gevolg hiervan kunnen twee corticale sferoïden worden verbonden via een axonbundel en kan het weefsel als één stuk worden verkregen. Dit toont aan dat de aanpak zeer veelzijdig is om axon bundelweefsels te vormen, ongeacht neuronale celtypen. In dit protocol werden menselijke iPS-cellen gebruikt, maar andere stamcellen, waaronder menselijke ES-cellen en menselijke neurale stamcellen, kunnen worden gebruikt met wijzigingen in het gepresenteerde protocol. 3D-sferoïden van neuronen kunnen worden gegenereerd door verschillende protocollen19,20. Deze methode om weefsels te maken met een axonbundel kan in de toekomst mogelijk worden gecombineerd met de andere differentiatieprotocollen voor het maken van 3D MN-sferoïde. Bovendien kunnen de dikte en de lengte van de axonbundel worden geregeld door eenvoudigweg de breedte en hoogte van microkanalen van de weefselkweekchip te wijzigen voor toekomstige ontwikkelingen.
Wij geloven dat dit protocol kan worden gebruikt voor drugstests en screening en kan bijdragen aan het begrip van mechanismen die ten grondslag liggen aan de ontwikkeling en ziekten van axon fascicles.
The authors have nothing to disclose.
Deze studie werd ondersteund door de Japan Society for the Promotion of Science (JSPS) Grants-in-Aid for Scientific Research 17H05661 en 18K19903, Core-2-core program en Beyond AI institute.
(Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane | Sigma | 440302 | |
16% Paraformaldehyde (formaldehyde) aqueous solution | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
200µl Wide Bore Pipet Tips | BMBio | BMT-200WRS | |
6-well plates | Violamo | 2-8588-01 | |
Accutase | ICT | AT104 | |
B-27 Supplement (50X) | Gibco | 17504044 | |
Bovine serum albumin | Sigma | A6003 | |
Brain-derived neurotrophic factor (BDNF) | Wako | 020-12913 | |
CO2 incubator | Panasonic | MCO-18AIC | |
Cryostor CS10 | Stem Cell Technologies | 07959 | |
DAPT | Sigma | D5942 | |
DMEM/F12 | Sigma | D8437 | |
Fluo-4 AM | Dojindo Laboratories | CS22 | |
GlutaMAX Supplement | Gibco | 35050-061 | |
Growth factor reduced Matrigel (basement membrane matrix) | Corning | 354230 | |
HB9 Antibody | Santa Cruz | sc-22542 | |
HBSS | Wako | 085-09355 | |
Hoechst 33342 | Sigma | 14533 | |
iCell motor neuron (commercially available human iPS cell-derived motor neurons) | Cellular Dynamics | R1051 | |
Isopropyl alcohol (IPA) | Wako | 166-04836 | |
Knock Out Serum Replacement | Gibco | 10828028 | |
LDN193189 | Sigma | SML0559 | |
MEA probe | Alpha MED Scientific inc | MED-P5004A | |
MEM Non-essential Amino Acid Solution (100x) (NEAA) | Sigma | M7145 | |
Microscope Glass | Matsunami | S9111 | |
mTeSR Plus | Stem Cell Technologies | 05825 | |
N2 supplement | Wako | 141-08941 | |
Neurobasal medium | Gibco | 21103049 | |
Penicillin-streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Photoresist SU-8 2100 | Microchem | #SU-8 2100 | |
Prime surface 96U | Sumitomo Bakelite | MS-9096U | |
ReLeSR (passaging reagent) | Stem Cell Technologies | 05872 | |
Retinoic acid | Wako | 186-01114 | |
SAG | Sigma | SML1314 | |
SB431542 | Wako | 192-16541 | |
Silicon wafer | SUMCO | PW-100-100 | |
Silpot 184 w/c kit | Dow Toray | Silpot 184 w/c kit | |
Smi32 Antibody | Biolegend | 801701 | |
SU5402 | Sigma | SML0443 | |
SU-8 Developer | Microchem | Y020100 | |
Synapsin I Antibody | Millipore | Ab1543 | |
TrypLE Express liquid without phenol red (dissociation solution) | Gibco | 12604-021 | |
Tuj1 Antibody | Biolegend | 801202 | |
Y-27632 | Wako | 030-24021 |