Het hier gepresenteerde protocol maakt de transplantatie van geïnduceerde pluripotente van stamcellen afgeleide menselijke microglia (iPSMG) in de hersenen mogelijk via een transnasale route bij immunocompetente muizen. De methode voor de bereiding en transnasale transplantatie van cellen en de toediening van cytokinemengsel voor het onderhoud van iPSMG wordt getoond.
Microglia zijn de gespecialiseerde populatie van macrofaagachtige cellen van de hersenen. Ze spelen een essentiële rol in zowel fysiologische als pathologische hersenfuncties. Het grootste deel van ons huidige begrip van microglia is gebaseerd op experimenten die in de muis zijn uitgevoerd. Menselijke microglia verschillen van muismicroglia, en daarom vertegenwoordigen de respons en kenmerken van muismicroglia niet altijd die van menselijke microglia. Verder is onderzoek op menselijke microglia vanwege ethische en technische problemen beperkt tot een in vitro kweeksysteem, dat geen in vivo kenmerken van microglia capituleert. Om deze problemen op te lossen, wordt een vereenvoudigde methode ontwikkeld om geïnduceerde pluripotente van stamcellen afgeleide humane microglia (iPSMG) niet-invasief te transplanteren in de immunocompetente muizenhersenen via een transnasale route in combinatie met farmacologische uitputting van endogene microglia met behulp van een koloniestimulerende factor 1-receptor (CSF1R) antagonist. Dit protocol biedt een manier om niet-invasieve cellen in de hersenen van muizen te transplanteren en kan daarom waardevol zijn voor het evalueren van de in vivo rol van menselijke microglia in fysiologische en pathologische hersenfuncties.
Microglia zijn een gespecialiseerde populatie van macrofaagachtige cellen in het centrale zenuwstelsel (CZS) en spelen een essentiële rol bij het beheersen van verschillende hersenfuncties zoals de ontwikkeling van neurale circuits, het moduleren van neurotransmissie en het handhaven van de homeostase van de hersenen 1,2,3. Hoewel murine microglia veel functies delen met die van mensen, vertonen ze soortspecifieke verschillen. De reactie van muismicroglia op verschillende stimuli vertegenwoordigt dus niet altijd die van menselijke microglia 4,5,6. Hoewel veel studies menselijke microglia hebben geanalyseerd, zijn die experimenten beperkt tot in vitro studies. In vitro gekweekte menselijke microglia vertonen morfologische kenmerken en genexpressie die sterk verschillen van die in vivo. In vitro experimenten capituleren dus niet altijd de in vivo kenmerken van menselijke microglia. Daarom is een experimenteel systeem nodig om menselijke microglia in vivo te bestuderen.
Onlangs, om de in vivo kenmerken van menselijke microglia te bestuderen, worden in vitro gegenereerde geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC’s) – of embryonale stamcellen-afgeleide menselijke microglia chirurgisch getransplanteerd in muizenhersenen 7,8,9,10,11,12,13,14. Met behulp van deze benadering zijn verschillende in vivo kenmerken van menselijke microglia gekarakteriseerd. Het wijdverbreide gebruik van deze methode is echter om twee redenen beperkt. De eerste is de vereiste van immuundeficiënte muizen. Dus om de rol van menselijke microglia in verschillende neurodegeneratieve ziekten te bestuderen, moeten ziektemutatiedragende muizen worden gekruist in immuundeficiënte muizen, wat veel tijd en moeite kost. Bovendien kunnen perifere immuuncellen, zoals T-cellen, bij verschillende neurologische aandoeningen microgliale functiesmoduleren 15,16,17. Daarom kunnen experimenten uitgevoerd bij immuundeficiënte muizen geen bonafide kenmerken van menselijke microglia in vivo vertegenwoordigen. Ten tweede vereisen invasieve operaties om microglia te transplanteren extra apparatuur en training. Verder kan hersenletsel tijdens invasieve transplantatie microgliale fenotypen veranderen.
In dit protocol wordt niet-invasieve transnasale transplantatie (Tsn) van iPSMG in immunocompetente wild-type muizen beschreven18. Door de combinatie van farmacologische AAN/UIT van een CSF1R-antagonist PLX5622 die endogene muismicroglia19 en Tsn uitput, kan iPSMG niet-invasief in de muizenhersenen worden getransplanteerd. Verder blijft de getransplanteerde iPSMG met de toepassing van exogene humaan cytokine gedurende 60 dagen levensvatbaar op een regiospecifieke manier zonder immunosuppressiva.
Het protocol hier beschrijft de niet-invasieve transplantatie van iPSMG in het muizenbrein. Het unieke van het huidige protocol is dat door het combineren van farmacologische PLX ON/OFF-methoden en intranasale transplantatie, iPSMG niet-invasief kan worden getransplanteerd in het immunocompetente muizenbrein. Getransplanteerde iPSMG vormde de meerderheid van microglia in de hippocampus en het cerebellum door de lege nis tot 60 dagen te bezetten, maar niet in de cortex.
De kritische punten voor de efficiënte Tsn van iPSMG zijn (i) depletie-efficiëntie van endogene muismicroglia (ii) de toediening van menselijke cytokines om de 12 uur. Microglia behouden hun eigen territorium in de hersenen. Efficiënte uitputting van muismicroglia is nodig om een niche te bieden voor de engraftment van getransplanteerde iPSMG. Wanneer de uitputting van endogene muismicroglia onvoldoende is, wordt kolonisatie van de hippocampus en het cerebellum van de muis door iPSMG niet waargenomen. De levensvatbaarheid van microglia hangt af van CSF1R en TGFBR signalering 19,21,22. hCSF1 verhoogt naar verluidt selectief de levensvatbaarheid van menselijke microglia, en hTGF-β1 is vereist voor de levensvatbaarheid van microglia en dempt ontstekingen bij toediening om de 12 uur 21,23,24. Bij afwezigheid van exogene menselijke cytokines worden iPSMG niet waargenomen in muizenhersenen. Verder moet ervoor worden gezorgd dat iPSMG niet mechanisch wordt geactiveerd door overmatig pipetteren of op enige andere manier voorafgaand aan Tsn, omdat dit de iPSMG-kenmerken en de transplantatie-efficiëntie onherroepelijk verandert. Als de bevredigende Tsn van iPSMG niet wordt gezien, moet de levensvatbaarheid van iPSMG vóór transplantatie en de uitputting van endogene microglia worden bepaald. Als de uitputting van endogene muismicroglia niet meer dan 90% is, kan de PLX5622-voedingstijd worden aangepast om de uitputting te verhogen.
Vergeleken met een conventionele chirurgische transplantatiemethode die invasief is en extra apparatuur en training vereist, maakt Tsn transplantatie op een niet-invasieve, eenvoudige, stabiele en gemakkelijke manier mogelijk. Bovendien maakt deze methode de transplantatie van iPSMG in immunocompetente muizenhersenen mogelijk; immunocompetente ziektemodelmuizen kunnen dus worden gebruikt om de respons van iPSMG te bestuderen.
Het grootste nadeel van de huidige methode is de regionale heterogeniteit in de engraftment van iPSMG. Als de hersengebiedspecifieke iPSMG-transplantatie vereist is, is het huidige protocol niet geschikt omdat de getransplanteerde iPSMG gedurende 60 dagen alleen in de hippocampus en het cerebellum blijft enten, maar niet in de cortex. Verder is de noodzaak om exogene menselijke cytokines intranasaal elke 12 uur toe te dienen ook een beperking van het huidige protocol, omdat het uitgebreide arbeid vereist en duur is.
Kortom, een gedetailleerd protocol voor Tsn van iPSMG in de hersenen van immunocompetente muizen wordt verstrekt. In combinatie met farmacologische AAN/UIT van muismicroglia door PLX5622 maakt dit protocol een succesvolle engraftatie van iPSMG mogelijk. Aangezien getransplanteerde cellen gedurende een langere periode in de hippocampus en het cerebellum kunnen worden waargenomen wanneer exogene cytokines worden toegepast, kan de huidige methode waardevol zijn voor het evalueren van de rol van menselijke microglia in zowel fysiologische als pathologische toestanden in die regio’s.
The authors have nothing to disclose.
Subsidiesponsors: Deze studie werd ondersteund door JSPS KAKENHI 17K14961 (PB), 20K15899 (PB), JP18K06481 (YS), JP20KK0366 (YS), 20H05902 (SK), 20H05060 (SK), 19H04746 (SK), 21H04786 (SK), 21K19309 (SK), AMED-CREST (SK), CREST (SK), de Mitsubishi Science Foundation (SK), de Takeda Science Foundation (SK) en een Frontier Brain Science Grant van de Universiteit van Yamanashi (SK).
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Thermo Fisher Scientific | 10566 | |
AIN 93G | Oriental Yeast Co | ||
Anti-Iba1 antibody | FUJIFILM | 019–19741 | |
Anti-STEM121 antibody | Takara Bioscience | Y40410 | |
Butorphanol tartrate | Kyoritsu Seiyaku | 8019 | |
Confocal microscope | Olympus | FV1200 | |
Fetal bovine serum | GE Healthcare Life Sciences | SH30070.03 | |
Frozen iPSMG | Shionogi & Co., Ltd | Laboratory for Drug Discovery and Disease Research | |
Human colony stimulating factor 1 (hCSF1) | PeproTech | 300-25 | |
Hyaluronidase | Sigma-Aldrich | H-3506 | |
Medetomidine hydrochloride | Meiji Seika | VETLI5 | |
Midazolam | Astellas | 18005A2 | |
Paraformaldehyde | Wako Pure Chemical Industries | 162-16065 | |
Penicillin/streptomycin | Thermo Fisher Scientific | 15140-122 | |
Pipette | Eppendorf | 3120000011 | |
Pipette tip | Eppendorf | 30076028 | |
PLX5622 | Amadis Chemical | A930097 | |
Transforming growth factor-β1 (Tgf-b1) | PeproTech | 100-21 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X-100 | |
VECTA SHIELD Hard Set Mounting Medium | Vector Laboratories | H-1400-10 | antifade mounting medium |