Генерация нейронов человека и олигодендроцитов из плюрипотентных стволовых клеток для моделирования нейронно-олигодендроцитарных взаимодействий

Клетки линии олигодендроцитов, включая клетки-предшественники олигодендроцитов (OPCs), миелинирующие олигодендроциты и переходные типы между ними, составляют основную группу клеток головного мозга человека¹, которые активно участвуют во многих критических функциях для правильной работы и поддержания нашей центральной нервной системы на протяжении всего нервного развития и старения ^2,3,4 . В то время как олигодендроциты хорошо известны тем, что производят миелин для облегчения передачи активности нейронов и поддержки здоровья аксонов в белом веществе, OPC в изобилии (~ 5%) в сером веществе, где миелинизация скудна, и выполняют зависящие от активности сигнальные функции для управления поведением обучения и формированием памяти 5,6,7,8 . Как функционируют олигодендроглиальные клетки и дисфункция в патогенезе болезни Альцгеймера (БА) и других возрастных нейродегенеративных состояний, было недостаточно изучено⁹. Недостатки соответствующей модельной системы и недостатки в общих знаниях, позволяющих направлять экспериментальный путь вперед, являются основными причинами этого разрыва.

В свете последних прорывов в получении клеток человеческого мозга из плюрипотентных стволовых клеток, включая эмбриональные стволовые (ES) и индуцированные плюрипотентные стволовые (iPS) клетки, такие клеточные модели в сочетании с современными инструментами редактирования генов стали надежными инструментами для обработки сложной связи клеточных взаимодействий в мозге и способны демонстрировать специфические для человека проявления заболеваний^{10, 11.} Учитывая, что отдельные типы клеток мозга могут проявлять различные и даже противоречивые эффекты перед лицом одних и тех же условий, способствующих АД^12,13, эта методология стволовых клеток однозначно предлагает информацию, специфичную для типа клеток, которая ранее была пропущена с использованием установленных моделей in vivo или in vitro, которые обеспечивают только агрегированные показания из коллекций типов клеток мозга. В последнее десятилетие было разработано большое количество надежных протоколов для генерации нейронов человека из трансдифференцировки ES/iPS-клеток или прямого преобразования из других терминально дифференцированных типов клеток (например, фибробластов)^14,15. В частности, применение ключевых нейрогенных факторов транскрипции (например, нейрогенина 2, Ngn2)¹⁶ к плюрипотентным стволовым клеткам человека может генерировать однородную популяцию хорошо охарактеризованных типов нейрональных клеток для чистых культур без необходимости кокультурирования с глиальными клетками 12,17,18. Для индуцированных человеческих олигодендроцитов существует несколько опубликованных протоколов, которые могут генерировать функциональные клетки, очень похожие на их первичные аналоги, с широким диапазоном эффективности и спроса во времени и ресурсах ^{19,20,21,22,23,24,25,26,27,28} . На сегодняшний день ни один из этих протоколов не был применен для исследования того, как олигодендроглиальные клетки реагируют и влияют на патогенез БА.

Здесь мы описываем наши улучшенные протоколы для одиночных и смешанных культур индуцированных человеком нейронов (iNs) и OPCs / олигодендроцитов (iOPCs / iOL). Протокол iN, описанный здесь, основан на широко используемом подходе^{Ngn2 16} и имеет дополнительную особенность быть свободным от глии. Полученные iNs однородны и очень напоминают кортикальный слой 2/3 возбуждающих нейронов, с характерной пирамидальной морфологией, паттерном экспрессии генов и электрофизиологическими особенностями^17,18 (Рисунок 1). Чтобы преодолеть некоторые из фундаментальных барьеров в направленной дифференцировке плюрипотентных стволовых клеток, мы разработали простой и эффективный метод предварительного лечения низкими дозами диметилсульфоксида (DMSO)^29,30 и сообщили о повышенной склонности человеческих ES/iPS-клеток к трансдифференциации в iOPCs и iOL³¹, основанный на широко адаптированном протоколе Douvaras и Fossati^32. . Мы еще больше упростили протокол и включили надежное соединение, способствующее дифференцировке, клемастин ^7,33,34, для ускорения процесса созревания олигодендроглии. В результате (рисунок 2) iOPC могут быть сгенерированы за 2 недели (~95% положительных для маркера O4) и iOL за четыре недели (экспрессируя зрелые маркеры MBP и PLP1). Интересно, что мы обнаружили, что только iOPCs секретируют значительное количество β амилоида (Aβ), что согласуется с независимыми транскриптомными данными, показывающими обильную экспрессию белка-предшественника амилоида (APP) и обработку протеазы β-секретазы (BACE1) в клетках линии олигодендроцитов^35,36. Кроме того, наша система кокультуры iN-iOPC способствует оболваниванию аксонов MBP-положительными процессами iOL и обеспечивает значительную поддержку образования синапсов (рисунок 3). Таким образом, протоколы, которые мы подробно описали ниже, имеют технические и биологические преимущества по сравнению с ранее каталогизированными методами совместного культивирования нейронов и олигодендроглии и имеют перспективу в лучшем моделировании нейродегенерации при БА.