Generación de neuronas humanas y oligodendrocitos a partir de células madre pluripotentes para modelar las interacciones neuronal-oligodendrocitos

Las células del linaje de oligodendrocitos, incluidas las células precursoras de oligodendrocitos (OPC), los oligodendrocitos mielinizantes y los tipos de transición intermedios, constituyen un grupo importante de células cerebrales humanas¹ que participan activamente en muchas funciones críticas para el correcto funcionamiento y mantenimiento de nuestro sistema nervioso central a lo largo del desarrollo neuronal y el envejecimiento ^2,3,4 . Mientras que los oligodendrocitos son bien conocidos por producir mielina para facilitar la transmisión de la actividad neuronal y apoyar la salud axonal en la sustancia blanca, los OPC son abundantes (~ 5%) en la materia gris donde la mielinización es escasa y realizan funciones de señalización dependientes de la actividad para gobernar el comportamiento de aprendizaje y la formación de la memoria 5,6,7,8 . La forma en que las células oligodendrogliales funcionan y la disfunción en la patogénesis de la enfermedad de Alzheimer (EA) y otras afecciones neurodegenerativas asociadas a la edad han sido poco estudiadas⁹. Las insuficiencias de un sistema modelo apropiado y las deficiencias en el conocimiento general para guiar un camino experimental hacia adelante son las principales razones de esta brecha.

A la luz de los últimos avances en la obtención de células cerebrales humanas a partir de células madre pluripotentes, incluidas las células madre embrionarias (ES) y las células madre pluripotentes inducidas (iPS), tales modelos celulares junto con las herramientas modernas de edición de genes han surgido como herramientas robustas para manejar el intrincado nexo de las interacciones celulares en el cerebro, y son capaces de demostrar manifestaciones de enfermedades específicas del ser humano^{10, 11}. Teniendo en cuenta que los tipos individuales de células cerebrales pueden exhibir efectos distintos e incluso conflictivos frente a las mismas condiciones promotoras de la EA^12,13, esta metodología de células madre ofrece de manera única información específica del tipo de célula que anteriormente se había pasado por alto utilizando modelos establecidos in vivo o in vitro que solo proporcionan lecturas agregadas de colecciones de tipos de células cerebrales. En la última década, se han desarrollado un buen número de protocolos confiables para generar neuronas humanas a partir de la transdiferenciación de células ES/iPS o la conversión directa de otros tipos de células diferenciadas terminalmente (por ejemplo, fibroblastos)^14,15. En particular, la aplicación de factores de transcripción neurogénicos clave (por ejemplo, neurogenina 2, Ngn2)¹⁶ a células madre pluripotentes humanas puede generar una población homogénea de tipos de células neuronales bien caracterizadas para cultivos puros sin necesidad de cocultivo con células gliales^12,17,18. Para los oligodendrocitos humanos inducidos, hay algunos protocolos publicados que pueden generar células funcionales muy parecidas a sus contrapartes primarias, con una amplia gama de eficiencia y demanda en tiempo y recursos 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 . Hasta la fecha, ninguno de estos protocolos se ha aplicado para investigar cómo las células oligodendrogliales responden y afectan la patogénesis de la EA.

Aquí, describimos nuestros protocolos mejorados para cultivos únicos y mixtos de neuronas inducidas humanas (iNs) y OPC / oligodendrocitos (iOPC / iOL). El protocolo iN descrito aquí se basa en el enfoque^{Ngn2 16} ampliamente utilizado, y tiene la característica adicional de estar libre de glía. Los iNs resultantes son homogéneos y se asemejan mucho a las neuronas excitadoras de la capa cortical 2/3, con morfología piramidal característica, patrón de expresión génica y características electrofisiológicas^17,18 (Figura 1). Para superar algunas de las barreras fundamentales en la diferenciación dirigida de células madre pluripotentes, hemos desarrollado un método simple y eficaz de pretratamiento con dosis bajas de dimetilsulfóxido (DMSO)^29,30, y hemos reportado una mayor propensión de las células ES/iPS humanas a transdiferenciarse en iOPCs e iOLs^31, basado en un protocolo ampliamente adaptado por Douvaras y Fossati ³² . Hemos simplificado aún más el protocolo e incorporado un compuesto robusto que promueve la diferenciación, clemastine 7,33,34^, para acelerar el proceso de maduración oligodendroglial. Como resultado (Figura 2), las iOPC se pueden generar en 2 semanas (~95% positivo para el marcador O4) y las iOLs en cuatro semanas (expresando marcadores maduros MBP y PLP1). Curiosamente, encontramos que las iOPC solas secretan una cantidad notable de β amiloide (Aβ), consistente con los datos transcriptómicos independientes que muestran la abundante expresión de la proteína precursora amiloide (APP) y la proteasa de procesamiento β-secretasa (BACE1) en células de linaje oligodendrocitos^35,36. Además, nuestro sistema de cocultivo iN-iOPC promueve el envoltorio de axones mediante procesos iOL positivos para MBP y proporciona un apoyo significativo para la formación de sinapsis (Figura 3). Por lo tanto, los protocolos que hemos detallado a continuación tienen ventajas técnicas y biológicas sobre los métodos de cocultivo neurona-oligodendroglia previamente catalogados, y prometen modelar mejor la neurodegeneración en la EA.