פרוטוקול זה מפרט שיטה מותאמת להפקה, הרחבה והקפאה של תאי אנדותל מיקרו-וסקולריים במוח המתקבלים על ידי הבחנה בין תאי גזע פלוריפוטנטיים הנגרמים על ידי בני אדם, ולחקור תכונות מחסום מוח בדם במודל אקס ויוו.
תאי אנדותל מיקרו-וסקולריים במוח (BMECs) ניתנים להבחנה מתאי גזע פלוריפוטנטיים הנגרמים על ידי בני אדם (iPSCs) כדי לפתח מודלים תאיים אקס ויוו לחקר תפקוד מחסום הדם – מוח (BBB). פרוטוקול זה שהשתנה מספק שלבים מפורטים להפקה, הרחבה והקפאה של בקרי BME מ- IPSCs אנושיים באמצעות תורם ריאגנטים שונים מאלה שדווחו בפרוטוקולים קודמים. iPSCs מטופלים עם חיוני 6 בינוני במשך 4 ימים, ואחריו 2 ימים של מדיום תרבות ללא סרום אנדותל אנושי בתוספת גורם גדילה פיברובלסט בסיסי, חומצה רטינואית, ותוסף B27. ביום 6, תאים הם תת תרבית על מטריצה קולגן / פיברונקטין במשך 2 ימים. אימונוציטוכימיה מבוצעת ביום 8 לניתוח סמן BMEC באמצעות CLDN5, OCLN, TJP1, PECAM1 ו- SLC2A1. סופג מערבי מבוצע כדי לאשר ביטוי סמן BMEC, והיעדר SOX17, סמן אנדודרמלי. פוטנציאל אנגיוגני מודגם עם מבחני נבטים. התנגדות חשמלית טרנס-אנדותל (TEER) נמדדת באמצעות אלקטרודות מקלות אכילה ו voltohmmeter החל מהיום 7. פעילות טרנספורטר Efflux עבור קלטת איגוד ATP subfamily B חבר 1 ו ATP כיסוי קלטת subfamily C חבר 1 נמדד באמצעות קורא מרובה לוחות ביום 8. נגזרת מוצלחת של BMECs מאושרת על ידי נוכחות של סמני תא רלוונטיים, רמות נמוכות של SOX17, פוטנציאל אנגיוגני, פעילות טרנספורטר וערכי TEER ~ 2000 Ω x ס”מ2. BMECs מורחבים עד היום 10 לפני המעבר על לוחות קולגן / פיברונקטין מצופים טריים או cryopreserved. פרוטוקול זה מדגים שניתן להרחיב ולעבור בין בקרי BME הנגזרים מ- iPSC לפחות פעם אחת. עם זאת, ערכי TEER נמוכים יותר ולוקליזציה ירודה יותר של סמני BMEC נצפו לאחר ההקפאה. BMECs יכול להיות מנוצל בניסויים תרבית משותפת עם סוגי תאים אחרים (נוירונים, גליה, pericytes), במודלים תלת מימדיים במוח (איבר שבב הידרוג’ל), עבור כלי דם של אורגנואידים במוח, ועל לימוד תפקוד לקוי BBB בהפרעות נוירופסיכיאטריות.
תפקוד מחסום הדם – מוח
מחסום הדם – מוח (BBB) יוצר גבול המגביל את תנועת החומרים מהדם למוח. ה- BBB מורכב מתאי אנדותל מיקרו-וסקולריים במוח (BMECs) היוצרים מונולאייה המצפים את כלי הדם. BMECs, יחד עם אסטרוציטים, נוירונים, pericytes, microglia, ומטריצה חוץ תאית, יוצרים את היחידה neurovascular. BMECs יש מבנה paracellular מוסדר היטב המאפשר BBB לשמור על התנגדות חשמלית טרנס אנדותל גבוהה (TEER), אשר מגביל דיפוזיה פסיבית ומשמש כאינדיקטור של שלמות מחסום1,2. BMECs יש גם חלבונים המסייעים עם תנועה transcellular כגון אנדוציטוזיס, transcytosis, גלגול, כמו גם פזרנות של לויקוציטים במהלך תגובה חיסונית3. BMECs מסתמכים על מובילי זרם ופלוטות להזנה והסרה של מוצרי פסולת, על מנת לשמור על איזון הומאוסטטי במוח3. לדוגמה, משפחת נשאים מסיסים 2 חבר 1 (SLC2A1) הוא טרנספורטר זרם אחראי על התנועה של גלוקוז על פני BBB4, בעוד מובילי efflux כגון קלטת מחייבת ATP subfamily B חבר 1 (ABCB1) ואת קלטת איגוד ATP subfamily C חבר 1 (ABCC1) אחראים להחזרת מצעים בחזרה לזרם הדם3,5, 6,7. עם המצעים של ABCB1 נמנים מורפיום, וראפמיל4ואנטי-פסיכוטיים כגון אולנזאפין וריספרידון8, ואילו במשגר ABCC1 יש מגוון מצעים, כולל צירופי סולפט, וינקריסטין וגלוקורוניד4.
יישום מודלים BBB בהפרעות פסיכיאטריות
תפקוד לקוי של BBB היה מעורב במספר הפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות, כולל סכיזופרניה והפרעה דוקוטבית 9,10. לאחרונה, מודלים תאיים אקס ויוו שמקורם ב- iPSC מנוצלים כדי לחקור את היסודות התאיים והמולקולריים של הפרעות פסיכיאטריות, אך מודלים אלה אינם לוקחים בחשבון את התפקיד הפוטנציאלי שמילא המוח11,12,13. השערה היא כי ציטוקינים דלקתיים היקפיים במחזור הדם יכולים להשפיע לרעה על BBB14,15,16,17, אבל יש גם ראיות paracellular18,19,20,21,2 2, טרנסצ’לרי23,24,25,26,27,28,29, ומטריצה חוץ תאית20,29,30,31,32 ליקויים התורמים לתפקוד לקוי של BBB. הפרעה של BBB יכול לגרום לתוכן הדם נכנס parenchyma המוח והפעלת אסטרוציטים ו / או microglia לשחרר ציטוקינים proinflammatory, אשר בתורו ליזום תגובה דלקתית33 זה יכול להיות השפעות מזיקות על המוח34. BMECs הם המרכיב העיקרי של BBB ובחינת המבנה והתפקוד של תאים אלה יכול לשפר את ההבנה של תפקוד לקוי BBB בהפרעות נוירולוגיות ופסיכיאטריות.
מודלים חלופיים של BMEC
לפני הפיתוח של פרוטוקולים יעילים להפקת BMECs מ IPSCs1,6,35,36, חוקרים השתמשו BMECs מונצח37 ללמוד פונקציה BBB. עם זאת, רבים מהמודלים הללו לא הצליחו להשיג פנוטיפים רצויים של BBB, טווח פיזיולוגי כזה של ערכי TEER38,39. ניצול iPSCs יש את היתרון של שמירה על הרקע הגנטי של הפרט שממנו נגזרים התאים. מדענים עובדים באופן פעיל על הקמת מודלים ex vivo microenvironment שמקורם ב- iPSC, המאכלסים מחדש את המבנה והתפקוד של המוח האנושי. חוקרים פיתחו שיטות להפקת BMECs הדומים מבחינה מבנית ופיזיולוגית ל- BMECs שנמצאו ב vivo. שיטות להשגת אוכלוסיות מטוהרות של BMECs הנגזרים מ- iPSC דורשות מספר שלבים שונים עם אופטימיזציה של פרוטוקולים בשנים האחרונות1,6,35,36. בדרך כלל, BMECs נגזר iPSC מתורבת חיוני 6 (E6) בינוני במשך 4 ימים, ואחריו 2 ימים בינוני ללא סרום אנדותל אנושי (hESFM) בתוספת גורם גדילה פיברובלסט בסיסי (bFGF), חומצה רטינואית (RA), ותוסף B27. לאחר מכן התאים מתרבתים על קולגן IV (COL4) ומטריצת פיברונקטין (FN) כדי להשיג >90% BMECsהומוגניים 1.
זהותם של BMECs מאושרת על ידי immunofluorescence המציג את הביטוי המשותף של חלבוני BMEC כולל מולקולת הידבקות תאי טסיות דם-אנדותל-1 (PECAM1), SLC2A1 וחלבוני צומת הדוקים כגון חלבון צומת הדוק 1 (TJP1), occludin (OCLN) וקלודין-5 (CLDN5)6. מבחנים נבטים שימשו כדי לאשר את הפוטנציאל האנגיוגני של BMECs שמקורם ב- iPSC. 6 שלמות BBB של BMECs מוערכת על ידי נוכחות של ערכי TEER במבחנה פיזיולוגיים (~ 2000Ω x ס”מ2)37 ופעילות מדידה עבור מובילי קולוקס כגון ABCB1 ו- ABCC11,6,36. ההתקדמות המתודולוגית האחרונה של קבוצת ליפמן הובילה לפרוטוקולי BMEC הנגזרים מ- iPSC עם שונות ניסיונית מופחתת ושחזור משופר1. עם זאת, לא ידוע אם ניתן להרחיבם ולעבור מעבר לשלב התת-פולחן. הפרוטוקול שלנו שונה שואפת לטפל בבעיה זו על ידי העברת BMECs נגזר iPSC מעבר ליום 8 ולהעריך אם הם יכולים להיות מורחבים עוד יותר כדי לשמור על נכסי BBB לאחר cryopreservation. אמנם אין מחקרים תיארו פסיעה של BMECs שמקורם ב- iPSC, אך קיים פרוטוקול עבור cryopreservation BMEC ששומר על תכונות BBB פיזיולוגיות לאחר שעבר מחזור הפשרה בהקפאה40. עם זאת, זה לא ידוע לאחר cryopreservation BMECs ניתן להעביר ולשמור על מאפייני BBB.
BMECs נגזר iPSCs באמצעות פרוטוקול ליפמן נוצלו כדי מודל הפרעה BBB בהפרעות נוירולוגיות כגון מחלת הנטינגטון7. BMECs אלה שמקורם ב- iPSC שימשו גם כדי לחקור את ההשפעות של זיהום חיידקי כגון מנינגיטידיס Neisseria או סטרפטוקוקוס קבוצה B על שיבוש מחסום CSF בדם ו- BBB בהתאמה41,42. כמו כן, באמצעות BMECs שמקורם ב- iPSC מתסמונת מחיקה של 22q חולים עם סכיזופרניה, החוקרים הבחינו בעלייה במולקולת הידבקות בין תאית-1 (ICAM-1), מולקולת הידבקות גדולה ב- BMECs המסייעת בגיוס ופזרנות של לויקוציטים למוח43. יחד, מחקרים אלה מדגימים את התועלת של BMECs נגזר iPSC לחקר שיבוש BBB בהפרעות נוירופסיכיאטריות מורכבות.
שינויים ופתרון בעיות
בפרוטוקול זה, ביצענו כמה שינויים בשימוש במטריצה חוץ-תאית נפוצה ובמדיה של תרבות תאים במהלך פולחן iPSC להפקת BMECs (איור 1). שינויים אלה לא השפיעו על היכולת להפיק BMECS מ- IPSCs אנושי כמתואר בפרוטוקול ליפמן1. קו iPSC מתורם בריא אחר…
The authors have nothing to disclose.
עבודה זו נתמכה על ידי המכון הלאומי לבריאות הנפש Biobehavioral פרסי מחקר למדענים חדשים חדשניים (BRAINS) פרס R01MH113858 (כדי R.K.), המכון הלאומי לבריאות פרס KL2 TR002542 (PL). פרס המכון הלאומי לפיתוח מדענים קליניים של המכון לבריאות הנפש K08MH086846 (ל-R.K.), מענק קרן סידני R בר ג’וניור (לפי.אל) פרס פיתוח המדען הקליני של קרן הצדקה דוריס דיוק (ל-R.K.), קרן ריאן ליכט סאנג דו-קוטבית (ל-R.K.), פיליס & קרן ג’רום לייל רפפורט (ל אר.קיי), מכון תאי הגזע של הרווארד (ל-R.K. ) ועל ידי סטיב ויליס ואליסה פרויד (ל אר.קיי). אנו מודים לד”ר אנני קת’וריה על הקריאה הביקורתית והמשוב על כתב היד.
2′,7′-dichlorodihydrofluorescein diacetate | Sigma Aldrich | D6883-50MG | |
Accutase | Sigma Aldrich | A6964-100mL | |
Alexa Fluor 488 Donkey anti-Mouse IgG | Life Technologies | A-21202 | |
Alexa Fluor 555 Donkey anti-Rabbit IgG | Life Technologies | A-31572 | |
B27 Supplement | Thermo Fisher Scientific | 17504044 | |
CD31 (PECAM-1) (89C2) Mouse mAb | Cell Signaling | 3528S | |
CLDN5 (Claudin-5) | Thermo Fisher Scientific | 35-2500 | |
Collagen IV from human placenta | Sigma Aldrich | C5533-5mg | |
Corning 2 mL Internal Threaded Polypropylene Cryogenic Vial | Corning | 8670 | |
Corning Costar Flat Bottom Cell Culture Plates (6-wells) | Corning | 353046 | |
Corning Falcon Flat Bottom Cell Culture Plates (24-wells) | Corning | 353047 | |
Corning Transwell Multiple Well Plate with Permeable Polyester Membrane Inserts (12-wells) | Corning | 3460 | |
Countess slides | Thermo Fisher Scientific | C10228 | |
DMEM/F12 (without phenol red) | Thermo Fisher Scientific | A1413202 | |
DMSO | Sigma Aldrich | D2438-50mL | |
Donkey serum | Sigma Aldrich | D9663-10ML | |
DPBS (+/+) | Gibco/Thermo Fisher Scientific | 14040-117 | |
Epithelial Volt/Ohm (TEER) Meter (EVOM2) STX2 | World Precision Instruments | N/A | |
Essential 6 Medium (Thermo Fisher) | Thermo Fisher Scientific | A1516401 | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Sigma Aldrich | F2442 | |
Fibronectin | Sigma Aldrich | F2006-2mg | |
Geltrex LDEV-Free Reduced Growth Factor Basement Membrane Matrix | Thermo Fisher Scientific | A1413202 | |
Hanks' Balance Salt Solution with calcium and magnesium | Thermo Fisher Scientific | 24020-117 | |
Hoechst 33342, Trihydrochloride, Trihydrate | Thermo Fisher Scientific | H3570 | |
Human endothelial serum-free medium | Thermo Fisher Scientific | 11111044 | |
InCell Analyzer 6000 | General Electric | N/A | |
Invitrogen Countess Automated Cell Counter | Thermo Fisher Scientific | N/A | |
MK-571 | Sigma Aldrich | M7571-5MG | |
NutriStem | Stemgent | 01-0005 | |
Occludin | Thermo Fisher Scientific | 33-1500 | |
Paraformaldehyde 16% | Electron Microscopy Services | 15710 | |
Perkin Elmer Envision 2103 multi-plate Reader | Perkin Elmer | N/A | |
Recombinant Human VEGF 165 | Peprotech | 100-20 | |
Recombinant Human FGF-basic (154 a.a.) | Peprotech | 100-18B | |
Retinoic acid | Sigma Aldrich | R2625-100MG | |
Rhodamine 123 | Sigma Aldrich | 83702-10MG | |
SLC2A1 (GLUT-1) | ThermoFisher | PA1-21041 | |
SOX17 | Cell Signaling | 81778S | |
TJP-1 (ZO-1) | ThermoFisher | PA5-28869 | |
Triton X-100 | Sigma Aldrich | T8787-50ML | |
Trypan Blue Stain (0.4%) for use with the Countess Automated Cell Counter | Thermo Fisher Scientific | T10282 | |
Valspodar (Sigma) (cyclosporin A) | Sigma Aldrich | SML0572-5MG | |
Versene solution | Thermo Fisher Scientific | 15040066 | |
Y-27632 dihydrochloride (ROCK inhibitor) | Tocris/Thermo Fisher Scientific | 1254 |