Nous décrivons un protocole pour reprogrammer les fibroblastes peau-dérivés humains en cellules neuronales induites d’ancêtre (iNPCs), et leur différentiation suivante dans les astrocytes induits (iAs). Cette méthode conduit à une génération rapide et reproductible d’iNPCs et d’iAs en grande quantité.
La recherche sur les troubles neurologiques porte principalement sur l’impact des neurones sur les mécanismes de la maladie. La disponibilité limitée de modèles animaux a de graves répercussions sur l’étude des contributions spécifiques aux types de cellules à la maladie. De plus, les modèles animaux ne reflètent généralement pas la variabilité des mutations et des cours de la maladie observés chez les patients humains. Les méthodes de reprogrammation pour la génération de cellules souches pluripotentes induites (CSPi) ont révolutionné la recherche spécifique au patient et créé des outils précieux pour étudier les mécanismes de la maladie. Cependant, la technologie iPSC présente des inconvénients tels que le temps, l’engagement du travail, la sélectivité clonale et la perte de marqueurs épigénétiques. Les modifications récentes de ces méthodes permettent une génération plus directe de lignées cellulaires ou de types de cellules spécifiques, en contournant l’isolement clonal ou un état de cellules souches pluripotentes. Nous avons développé une méthode de conversion directe rapide pour générer des cellules progénitrices neuronales induites (iNPCs) à partir de fibroblastes cutanés en utilisant des vecteurs rétroviraux en combinaison avec des milieux de névralisation. Les iNPCs peuvent être différenciés en neurones (iNs) oligodendrocytes (iOs) et astrocytes (iAs). La production d’iAs facilite le dépistage rapide des médicaments et des mécanismes de la maladie, car la différenciation par rapport aux iNPCs ne prend que 5 jours. De plus, les AI sont faciles à utiliser et sont générées en grand nombre dans des populations pures. Nous avons développé un test de co-culture hautement reproductible utilisant les neurones GFP+ de souris et les IA dérivées par le patient pour évaluer les stratégies thérapeutiques potentielles pour de nombreux troubles neurologiques et neurodégénératifs. Il est important de savoir que les tests iA sont évolutifs au format 384 puits, ce qui facilite l’évaluation de plusieurs petites molécules dans une seule plaque. Cette approche permet l’évaluation thérapeutique simultanée de plusieurs lignées cellulaires patientes présentant un fond génétique diversifié. La production et le stockage faciles des AI et la capacité de cribler plusieurs composés dans un seul essai rendent cette méthodologie adaptable pour la médecine personnalisée.
La compréhension des mécanismes sous-jacents de la maladie est essentielle pour les maladies neurologiques, car elle aide à l’élaboration de stratégies thérapeutiques potentielles. Alors que les modèles animaux ont historiquement été la référence en matière de recherche sur les maladies du système nerveux, la traduction directe des thérapies potentielles dans un cadre clinique montre souvent un succès limité1,2,3. Les raisons de l’absence de traduction sont le manque de variabilité du fond génétique et des mutations chez les souris, l’affichage incomplet des phénotypes de la maladie et la variation de la sensibilité aux médicaments ou du dosage chez les patients humains qui ne sont pas bien illustrés chez les souches de souris consanguines. En outre, pour de nombreux troubles neurologiques rares, aucun ou peu de modèles animaux sont disponibles. L’étude des mécanismes de la maladie directement dans les types de cellules humaines pertinents pourrait faciliter la recherche et améliorer l’application à la clinique. Pour les troubles du SNC, les cellules humaines primaires sont difficiles à récupérer et représentent une source très limitée, car les biopsies sont invasives ou ne peuvent être récupérées qu’après l’autopsie au stade final de la maladie. Au cours des 15 dernières années, le développement de la technologie de reprogrammation cellulaire a rapidement élargi la capacité de modéliser les maladies neurologiques et neurodégénératives humaines in vitro.
Les méthodes traditionnelles de reprogrammation cellulaire impliquent la reprogrammation de fibroblastes ou d’autres types de cellules en cellules souches pluripotentes induites (cspi) capables de se différencier en types cellulaires des trois couches germinales4. Takahashi et Yamanaka ont été les premiers à montrer que la ré-expression de quatre facteurs de transcription de cellules souches est suffisante pour rediriger les cellules somatiques vers devenir des cspi5. Les iPSC peuvent ensuite être différenciés en types de cellules spécifiques. Cependant, l’inconvénient de ce processus est qu’il est laborieux et long de générer et d’isoler des clones de cellules souches stables. Des mutations somatiques ou des aberrances spécifiques de la cellule mère sont également maintenues dans le clone de cellules souches et peuvent avoir un impact sur les résultats de l’étude6. En outre, de plus en plus de preuves suggèrent que le processus de reprogrammation aux cellules souches efface les changements épigénétiques précieux qui pourraient influencer les mécanismes de la maladie cellulaire4,7,8. Ces dernières années, les chercheurs se sont concentrés sur des méthodes de reprogrammation modifiées permettant une génération plus directe de différents types de cellules tout en contournant l’état des cellules souches pluripotentes9,10,11,12 (examiné en 13,14). Les premières percées ont révélé une reprogrammation combinatoire in vitro des fibroblastes en cardiomyocytes15,neurones16 et hépatocytes17 par expression ectopique de multiples facteurs de transcription spécifiques à la lignée ou microARN18. Cela a été suivi par des études reprogrammant directement les cellules pour modéliser les troubles neurologiques19,20. Comme mentionné ci-dessus, de tels protocoles de reprogrammation directe ou de conversion présentent des avantages potentiels par rapport aux protocoles iPSC classiques, notamment la vitesse et l’ablation de l’étape d’isolement clonal. De plus, les preuves suggèrent que ces protocoles permettent de maintenir une plus grande quantité d’informations épigénétiques liées à l’âge du patient et il en va probablement de même pour les marqueurs pertinents pour la maladie7,8.
À ce jour, la plupart des recherches in vitro sur les troubles neurologiques se sont concentrées principalement sur les neurones. Cependant, il est bien connu que d’autres types de cellules tels que les astrocytes, les microglies et les oligodendrocytes jouent un rôle essentiel dans la pathologie de la maladie et la progression des troubles neurodégénératifs tels que la maladie d’Alzheimer (MA), la sclérose latérale amyotrophique (SLA), la maladie de Parkinson (MP), la maladie de Huntington (HD), la sclérose en plaques (MS) et d’autres pathologies neurologiques telles que le syndrome de Rett (RTT), les troubles du sommeil, la dépendance, l’épilepsie, les troubles du stockage lysosomale, la dépression, la migraine et la douleur pathologique21,22,23,24,25,26. Les astrocytes sont le type de cellule le plus abondant dans le système nerveux central (SNC) et jusqu’à récemment, ils ont été largement négligés d’un point de vue pathologique7. Ils sont maintenant connus pour avoir un rôle critique en soutenant presque toutes les fonctions homéostatiques du CNS sain. De plus, il est évident qu’ils ont un impact pathologique important et sont très précieux pour comprendre le mécanisme de la maladie et évaluer les stratégies thérapeutiques19.
Dans la description actuelle, nous détaillons un protocole pour la conversion directe des fibroblastes humains de patients en cellules progénitrices neuronales induites (iNPCs) en utilisant des vecteurs rétroviraux exprimant les facteurs de reprogrammation yamanaka (Klf4, Oct3/4, Sox2 et c-Myc) et l’exposition ultérieure aux milieux de névralisation. Des études antérieures ont utilisé différentes combinaisons de facteurs transcriptionnels pour la reprogrammation directe vers les cellules neurales (examinées en 14), mais les facteurs utilisés dans le protocole décrit sont largement disponibles soit sous forme de plasmides pour la production interne de vecteurs viraux, soit sous forme de kits de reprogrammation virale prêts à l’emploi disponibles dans le commerce. Les iNPCs résultants peuvent être différenciés en neurones induits (iNs)27,oligodendrocytes (iOs)24 et astrocytes (iAS)19 pour étudier leur rôle dans les maladies neurologiques. Notre protocole n’implique pas la génération fastidieuse d’iPSCs que la plupart des protocoles disponibles utilisent pour la dérivation des astrocytes humains28. Environ 98% à 100% des iNPCs directement reprogrammés peuvent se différencier en astrocytes GFAP-positifs29 par rapport à seulement 2% en utilisant la méthode de conversion directe des fibroblastes en astrocytes30. Récemment, une étude transcriptomique comparative utilisant notre méthode de reprogrammation décrite a prouvé que les iNPCs reprogrammés des fibroblastes de distributeur peuvent retenir des dispositifs vieillissants au niveau transcriptional et fonctionnel semblable aux astrocytes post mortem d’âge assorti et aux astrocytes primaires29. Ainsi, ce protocole de conversion est un outil puissant pour étudier des mécanismes de la maladie et évaluer des approches thérapeutiques nouvelles pour des désordres neurodegenerative et neurologiques relatifs à l’âge.
Ici, nous décrivons le protocole utilisé pour générer des iNPCs et une différenciation supplémentaire en iAs, qui sont les plus adaptés pour les tests de criblage moléculaire à plus grande échelle. Les mécanismes de la maladie et les tests de dépistage des drogues avec les AI peuvent être effectués à l’aide de différentes méthodologies telles que des co-cultures avec des neurones ou des analyses métaboliques et biochimiques. L’avantage de ce système est la vitesse et la facilité d’entretien de ces lignées cellulaires par rapport aux cspi. De plus, les iNPCs peuvent être congelés en petites portions pour la différenciation des iAs, ce qui facilite le dépistage des drogues dans des conditions constantes sur de longues périodes de temps. Dans l’ensemble, la comparaison d’un plus grand nombre d’échantillons devient possible de cette façon, ce qui ouvre la porte à l’évaluation du potentiel thérapeutique des composés dans une population de patients plus grande et plus représentative.
En résumé, la conversion directe est une méthode rapide et facile pour générer des cellules progénitrices neuronales induites à partir de fibroblastes cutanés patients. Cette méthode est avantageuse en raison de sa vitesse ainsi que du grand nombre de cellules générées qui sont faciles à entretenir. De plus, de plus en plus de preuves suggèrent que les méthodes de reprogrammation directe éliminent moins de marques épigénétiques par rapport à la technologie classique de reprogrammation iPSC, laissant ainsi l’environnement de la maladie plus intact4,7,8. La différenciation des iNPCs en astrocytes est très simple et hautement reproductible même entre plusieurs laboratoires indépendants19,29,33. Les iNPCs peuvent être congelés en petites portions et décongelés directement à des fins de différenciation, ce qui aide à réduire la variation entre les expériences puisque les nombres de passages peuvent rester similaires. Les astrocytes jouent un rôle crucial dans la progression de la maladie dans de nombreuses maladies neurologiques et sont donc un type de cellule intéressant avec lequel travailler. Les astrocytes peuvent être utilisés pour des études mécanistes, des études métaboliques ou des tests de dépistage de drogues et sont généralement cultivés comme des monocouches. De plus, les astrocytes peuvent être combinés dans des systèmes de co-culture avec des neurones souris ou humains pour évaluer l’impact des astrocytes sur la survie neuronale et la morphologie, qui sont tous deux de bonnes lectures pour les tests de dépistage des drogues34.
Afin d’utiliser avec succès ce protocole, quelques points et limitations potentielles doivent être gardés à l’esprit. Les fibroblastes de la peau humaine, par exemple, varient considérablement dans leur taux de division cellulaire ainsi que dans leur réponse aux vecteurs viraux. Comme ce ne sont pas des lignées cellulaires normalisées, elles sont aussi variables que l’humanité elle-même, chaque lignée est différente. Comme pour de nombreuses méthodes de reprogrammation, il est plus facile de reprogrammer les fibroblastes qui ont un taux de division cellulaire modéré à rapide par rapport aux cellules qui se répliquent à peine. Le taux de réplication peut être impacté par la qualité de la biopsie cutanée et le traitement lui-même, par le nombre de passage des fibroblastes ainsi que par la manipulation. Lorsque vous travaillez avec des fibroblastes cutanés primaires, il est important de ne pas laisser les cellules devenir trop denses pour éviter l’induction de la sénescence. Si les fibroblastes ne poussent pas bien, il est préférable d’essayer un nouveau stock ou un passage inférieur, bien que dans certains cas, la maladie elle-même puisse également jouer un rôle. La division cellulaire peut parfois être améliorée en utilisant 15% ou 20% FBS dans le média des fibroblastes par rapport à la norme 10%.
La qualité des vecteurs viraux de reprogrammation est d’une grande importance pour le succès. Entre nos mains, les vecteurs rétroviraux étaient plus efficaces que les vecteurs lentiviraux ou d’autres virus non intégrateurs; cependant, cela pourrait dépendre de la qualité et de la pureté du vecteur viral. Les kits vectoriels rétroviraux commerciaux spécifient généralement la concentration de vecteur viral et souvent aussi une multiplicité d’infection pour une certaine lignée cellulaire. Il est important de garder à l’esprit que les fibroblastes primaires diffèrent de la lignée cellulaire utilisée par les entreprises pour déterminer l’absorption du vecteur viral. De plus, même lors de la commande du même kit commercial, la variation entre les lots est courante. De plus, l’absorption des vecteurs viraux varie également entre les lignées cellulaires de fibroblastes. Certaines lignées pourraient être plus sensibles et, par conséquent, les cellules transduites pourraient mourir, tandis que d’autres lignées cellulaires pourraient être plus résistantes à l’absorption virale. Ainsi, la détermination de l’efficacité de la transduction pour une lignée cellulaire donnée peut être importante, en particulier si la lignée cellulaire croît lentement ou si les tentatives de conversion précédentes ont échoué. Entre nos mains, la meilleure façon d’évaluer la quantité d’un vecteur rétroviral spécifique nécessaire à la conversion est d’effectuer une coloration immunofluorescente avec plusieurs dilutions du vecteur viral. Le nombre de cellules exprimant le transgène pour chaque vecteur peut alors être compté, dans le but d’une efficacité de transduction de 70% ou plus. D’après notre expérience, des protocoles d’entente similaires peuvent être utilisés pour la plupart des lignées cellulaires, mais le MOI peut être ajusté si nécessaire.
Pendant le processus de conversion, il est essentiel de ne pas diviser les cellules trop tôt. Le temps jusqu’à ce que les cellules soient prêtes à être divisées dépend de multiples facteurs, y compris la lignée cellulaire primaire et ses caractéristiques, la qualité du vecteur viral utilisé et la qualité du média. Il est important de noter que le taux de réussite de la conversion est beaucoup plus élevé lorsque les cellules sont maintenues à haute densité. Même si les cellules commencent à changer de morphologie, il est préférable de laisser les cellules dans le premier puits plus longtemps que de les diviser prématurément. Si la scission se produit trop tôt, la conversion peut s’arrêter dans sa progression et amener les cellules à se différencier à la forme et au comportement de type fibroblaste. En outre, les diluer trop tôt peut entraîner des corps cellulaires plus allongés par rapport aux corps cellulaires petits et compacts des PNJ observés précédemment. Ainsi, les premières scissions devraient toujours être conservatrices; il est préférable de garder les cellules trop denses avec une division 1:1 ou 1:2 par rapport à les diluer trop. On s’attend à une certaine mort cellulaire après la scission initiale. Il convient de noter que les cellules ont toujours l’air pires (plus plates) le premier jour après la division, ce qui est normal. Les meilleurs jugements sur la forme de la cellule doivent être faits 2-3 jours plus tard. Il est important de savoir que la qualité des facteurs de croissance et des composants des médias est également cruciale. Il est important de préparer de petites quantités de milieux contenant des facteurs de croissance afin que les milieux entièrement préparés ne soient utilisés que pendant 5 à 7 jours maximum. Ne conservez pas le support à température ambiante ou à 37 °C pendant de longues périodes. Utilisez rapidement et réfrigérez dès que le changement de support est effectué. De plus, maintenir le volume de média bas à 1 mL au lieu de 2 mL peut aider en particulier pour les lignées cellulaires qui sont plus résistantes à la conversion. Si les cellules consomment le support rapidement, ce qui peut être observé par un changement de couleur du média du rouge au jaune (taux d’acidification), ajustez le volume du média jusqu’à 2 mL. La consommation rapide de médias est un signe positif et souvent observée à des stades ultérieurs de la conversion parallèlement à une prolifération accrue.
Les PNJ sont également très sensibles à la présence d’accutase dans les milieux et il est très important de garder le temps d’incubation de l’accutase court. Nous recommandons une période d’incubation de 2-4 minutes, vérifier les cellules fréquemment au microscope pour voir quand ils se sont détachés. Il est essentiel de centrifuger les cellules après la division pour éliminer le mélange d’enzymes du support. Il est également important de garder le numéro de passage à l’esprit car les lignées cellulaires peuvent changer lors d’une culture prolongée conduisant à une modification des profils d’expression. Il est donc important de congeler de nombreux stocks de cellules aux premiers passages. Les cellules doivent être congelées dans 10% de DMSO et 90% de milieux NPC et stockées à long terme dans de l’azote liquide. En raison du manque de sérum dans ce milieu, il est essentiel d’assurer un gel lent à l’aide de chambres de congélation et une fois congelé pendant la nuit, transférer immédiatement à l’azote liquide. Tandis qu’aucune sélection clonale n’est exécutée dans ce protocole, il est possible que la culture et le passaging prolongés mènent à la sélection naturelle d’une population initiale de cellules avec le taux favorable de croissance et de survie. Par conséquent, il est important de garder à l’esprit le nombre de passages et la manipulation lors de l’exécution d’expériences. Nous préférons utiliser des passages inférieurs pour les expériences, si possible, nous ne dépassons pas les lignées cellulaires pendant plus de 20 fois. Étant donné que les PNJ se développent rapidement, un grand nombre de stocks peuvent être gelés à des passages inférieurs pour des expériences. Les lignées cellulaires présentant des taux de croissance particulièrement élevés sont plus à risque d’acidification des milieux. Ainsi, à mesure que les lignées cellulaires se développent à une vitesse différente, la quantité de milieux peut devoir être ajustée en fonction de la prolifération. Si les cellules sont continuellement laissées dans des milieux hautement acidifiés, cela peut influencer la santé des lignées cellulaires de contrôle et de maladie. Cela provoque même les astrocytes sains à devenir réactif, affectant leur utilisation dans la différenciation et les expériences ultérieures.
Pour la différenciation des astrocytes, il est important de maintenir les cellules à faible densité car une densité élevée empêchera les cellules de se différencier et elles continueront à proliférer à des taux plus élevés. Ainsi, la densité d’ensemencement doit être ajustée pour chaque lignée cellulaire en fonction de leur taux de prolifération. Nous vous recommandons d’essayer différentes densités d’ensemencement et d’effectuer des colorations / RT-PCR avec des marqueurs d’astrocyte pour assurer une différenciation appropriée. La qualité des AI peut être évaluée parallèlement aux contrôles sains à l’aide d’essais de co-culture avec des neurones. À condition que la pathologie de la maladie ne conduise pas à un phénotype réactif, les neurones doivent rester viables en contact avec les AI pendant plusieurs jours. La morphologie des astrocytes peut varier considérablement entre les lignées cellulaires individuelles et peut également être affectée par le phénotype de la maladie. D’ailleurs, dans les maladies où les astrocytes sont fortement impactés, ils pourraient montrer un phénotype réactif avec de grandes, allongées extensions.
The authors have nothing to disclose.
Nous remercions tous les patients et les bénévoles en bonne santé d’avoir fait don d’échantillons critiques aux études de recherche. De plus, nous remercions Rochelle Rodrigo pour l’assistance technique continue d’experts en culture tissulaire et Laura Ferraiuolo pour avoir confirmé indépendamment la technique dans son laboratoire en tant que collaboratrice. Ce travail a reçu un financement des National Institutes of Health Grants R01 NS644912-4 et RC2 NS69476-01 (à A.L.S.) et du Packard Center for ALS Research Grant P2ALS et de la Helping Link Foundation. K.M. a également reçu un financement du Fonds national suisse de la recherche scientifique ainsi que le Young Investigator Development Award de l’Association de la dystrophie musculaire, du Rett Syndrome Research Trust et des fondations Families of SCN2A.
100mm x 2mm Style dish, Cell culture treated, Nonpyrogenic | Corning | 430167 | Tissue culture |
15 ml conical screw cap centrifuge tubes, copolymer polypropylene | USA Scientific | 1475-1611 | Used for lifting and centrifuge cells |
50mL Conical Centrifuge Tubes | USA Scientific | 1500-1811 | Media preparation |
Antibiotic-Antimycotic (100X) | Gibco | 15240062 | Antibiotic with antifungal activity for media preparation |
B-27 Supplement (50X), serum free | Invitrogen | 17504044 | For NPC and base media |
Cryogenic vials 1.2ML | Corning | CLS430658-500EA | For freezing cell stocks |
DMEM, high glucose, GlutaMAX Supplement, pyruvate | Gibco | 10569010 | For fibroblast and Astrocyte media |
DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Gibco | 10565042 | For NPC and base media |
DMSO | Sigma | D2438-50ML | For freezing cell stocks |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (PBS) | Gibco | 14190136 | Referred in protocol as PBS. For fibronectin dilution and cell wash |
EZ Retrovirus iPSC Reprogramming Kit | ALSTEM | RF101 | Retrovirus containing the Yamanaka factors. Virus can also be made in-house. |
Fetal Bovine Serum, certified | Gibco | 16000-036 | Referred in protocol as FBS . For Fibroblast and Astrocyte media |
Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use | Fisher | 14-955-461 | Filter media (50mL) |
Heparin sodium salt from porcine intestinal mucosa | Sigma | H3149-10KU | Referred in protocol as Heparin. Used in conversion media. Powder diluted in ultrapure water. Final stock concentration of 5000X |
Human Plasma Fibronectin Purified Protein | Millipore Sigma | FC010-10MG | Referred in protocol as Fibronectin, used in 1:200 dilution for coating. |
Isopropanol (technical grade) | Fisher Scientific | S25372A | For freezing cell stocks |
Mr. Frosty | Thermo Fisher | 5100-0001 | For freezing cell stocks |
N-2 Supplement (100X) | Gibco | 17502048 | For Astrocyte, NPC and base media |
Recombinant Human EGF | Preprotech | AF-100-15 | Referred in protocol as EGF, used in conversion media. Powder diluted in PBS, final concentration of 1mg/mL, stored in small frozen aliquots |
Recombinant Human FGF-basic | Preprotech | 100-18B | Referred in protocol as FGF, used in NPC and conversion media. Powder diluted in PBS, final concentration of 1mg/mL, stored in small frozen aliquots |
StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | Gibco | A1110501 | Referred in protocol as Accutase. Used for lifting during the conversion process and NPCs. |
Stericup Quick Release-GP Sterile Vacuum Filtration System | Millipore Sigma | S2GPU05RE | Media filtration |
Tissue culture plate, 6 well, Flat bottom with Low evaporation lid | Fisher | 08-772-1B | Tissue culture |
Trypsin-EDTA (0.05%), phenol red | Invitrogen | 25300062 | Lifting of Fibroblasts and Astrocytes |
Whatman Puradisc 25 syringe filters, 0.2 μm, PES sterile | Millipore Sigma | 80-2502 | Filter media (50mL) |