הפרוטוקול המוצג כאן מאפשר השתלה של מיקרוגליה אנושית (iPSMG) שמקורה בתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים במוח דרך מסלול טרנסנסאלי בעכברים מדוכאי חיסון. השיטה להכנת והשתלת טרנסנסאל של תאים וניהול תערובת ציטוקינים לשמירה על iPSMG מוצגת.
מיקרוגליה הם האוכלוסייה המיוחדת של תאים דמויי מקרופאגים במוח. הם ממלאים תפקידים חיוניים הן בתפקודי המוח הפיזיולוגיים והן בתפקודי המוח הפתולוגיים. רוב ההבנה הנוכחית שלנו לגבי מיקרוגליה מבוססת על ניסויים שבוצעו בעכבר. המיקרוגליה האנושית נבדלת מהמיקרוגליה של העכבר, ולכן התגובה והמאפיינים של מיקרוגליה של עכברים לא תמיד מייצגים את זו של המיקרוגליה האנושית. יתר על כן, בשל קשיים אתיים וטכניים, המחקר על מיקרוגליה אנושית מוגבל למערכת תרביות במבחנה , שאינה נכנעת למאפיינים in vivo של מיקרוגליה. כדי להתגבר על בעיות אלה, פותחה שיטה פשוטה להשתלה לא פולשנית של מיקרוגליה אנושית שמקורה בתאי גזע פלוריפוטנטיים (iPSMG) במוח העכברים החיסוניים באמצעות מסלול טרנסנסאלי בשילוב עם דלדול פרמקולוגי של מיקרוגליה אנדוגנית באמצעות אנטגוניסט קולטן גורם 1 (CSF1R) המעורר מושבה. פרוטוקול זה מספק דרך להשתלה לא פולשנית של תאים במוח העכבר ולכן עשוי להיות בעל ערך להערכת תפקידה של המיקרוגליה האנושית בתפקודי המוח הפיזיולוגיים והפתולוגיים.
מיקרוגליה הם אוכלוסייה מיוחדת של תאים דמויי מקרופאגים במערכת העצבים המרכזית (CNS) וממלאים תפקידים חיוניים בשליטה על תפקודי מוח שונים כמו התפתחות מעגלים עצביים, ויסות העברה עצבית ושמירה על הומאוסטזיס במוח 1,2,3. אף על פי שמורין מיקרוגליה חולקים פונקציות רבות עם אלה מבני אדם, הם מראים הבדלים ספציפיים למין. לפיכך, התגובה של מיקרוגליה של עכבר לגירויים שונים לא תמיד מייצגת את זו של המיקרוגליה האנושית 4,5,6. למרות שמחקרים רבים ניתחו מיקרוגליה אנושית, ניסויים אלה מוגבלים למחקרים במבחנה. מיקרוגליה אנושית מתורבתת במבחנה מראה תכונות מורפולוגיות וביטוי גנים שונים מאוד מאלה של in vivo. לפיכך, ניסויים במבחנה לא תמיד יכולים להיכנע למאפיינים in vivo של מיקרוגליה אנושית. לכן, יש צורך במערכת ניסיונית לחקר המיקרוגליה האנושית in vivo.
לאחרונה, כדי לחקור את המאפיינים in vivo של מיקרוגליה אנושית, תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים שנוצרו במבחנה (iPSCs) או מיקרוגליה אנושית שמקורה בתאי גזע עובריים מושתלים בניתוח במוח עכברים 7,8,9,10,11,12,13,14. באמצעות גישה זו, תכונות in vivo שונות של מיקרוגליה אנושית אופיינו. עם זאת, השימוש הנרחב בשיטה זו מוגבל משתי סיבות. הראשונה היא הדרישה של עכברים הסובלים ממחסור במערכת החיסון. לפיכך, כדי לחקור את תפקידה של המיקרוגליה האנושית במחלות נוירודגנרטיביות שונות, יש לחצות עכברים נושאי מוטציות במחלות לעכברים הסובלים ממחסור במערכת החיסון, מה שדורש זמן ומאמץ משמעותיים. יתר על כן, בהפרעות נוירולוגיות שונות, תאי חיסון היקפיים, כמו תאי T, יכולים לווסת תפקודים מיקרוגליאליים 15,16,17. לכן, ניסויים שבוצעו בעכברים הסובלים ממחסור במערכת החיסון עשויים שלא לייצג מאפיינים בתום לב של מיקרוגליה אנושית in vivo. שנית, ניתוחים פולשניים להשתלת מיקרוגליה דורשים ציוד והכשרה נוספים. יתר על כן, פגיעה מוחית במהלך השתלה פולשנית עשויה לשנות פנוטיפים מיקרוגליאליים.
בפרוטוקול זה מתוארת השתלה טרנסנזלית לא פולשנית (Tsn) של iPSMG לעכברים מסוג בר חסרי יכולת חיסונית18. בשילוב פרמקולוגי ON/OFF של אנטגוניסט CSF1R PLX5622 המדלדל את המיקרוגליה19 וה-Tsn של עכברים אנדוגניים, iPSMG יכול להיות מושתל באופן לא פולשני במוח העכבר. יתר על כן, עם היישום של ציטוקינים אנושיים אקסוגניים, ה- iPSMG המושתל נשאר בר קיימא במשך 60 יום באופן ספציפי לאזור ללא כל מדכאי חיסון.
הפרוטוקול כאן מתאר את ההשתלה הלא פולשנית של iPSMG במוח העכבר. הייחודיות של הפרוטוקול הנוכחי היא שעל ידי שילוב שיטות PLX ON/OFF פרמקולוגיות והשתלות תוך-ורידיות, iPSMG יכול להיות מושתל באופן לא פולשני במוח העכבר הדימונו-תחרותי. iPSMG מושתל יצר את רוב המיקרוגליה בהיפוקמפוס ובמוח הקטן על ידי כיבוש הנישה הפנויה עד 60 יום אך לא בקליפת המוח.
הנקודות הקריטיות ל-Tsn היעיל של iPSMG הן (i) יעילות דלדול של מיקרוגליה של עכברים אנדוגניים (ii) מתן ציטוקינים אנושיים כל 12 שעות. מיקרוגליה שומרים על הטריטוריה שלהם במוח. דלדול יעיל של מיקרוגליה של עכבר נדרש כדי לספק נישה עבור השתלה של iPSMG מושתל. כאשר דלדול של מיקרוגליה של עכבר אנדוגני אינו מספיק, התיישבות של היפוקמפוס העכבר ומוח הקטן על ידי iPSMG אינם נצפים. הכדאיות של מיקרוגליה תלויה באיתות CSF1R ו- TGFBR 19,21,22. hCSF1 מדווח כי הוא מגדיל באופן סלקטיבי את הכדאיות של מיקרוגליה אנושית, ו- hTGF-β1 נדרש עבור הכדאיות של מיקרוגליה, כמו גם משכך את הדלקת כאשר הוא ניתן כל 12 שעות 21,23,24. בהיעדר ציטוקינים אנושיים אקסוגניים, iPSMG אינם נצפים במוח העכבר. יתר על כן, יש להקפיד שלא להפעיל באופן מכני את iPSMG על ידי צנרת מוגזמת או בכל אמצעי אחר לפני Tsn, שכן הוא משנה באופן בלתי הפיך את מאפייני iPSMG כמו גם את יעילות ההשתלה. אם Tsn משביע רצון של iPSMG אינו נראה, יש לקבוע את הכדאיות של iPSMG לפני ההשתלה, כמו גם את דלדול המיקרוגליה האנדוגנית. אם דלדול של microglia עכבר אנדוגני אינו יותר מ 90%, זמן ההזנה PLX5622 עשוי להשתנות כדי להגביר את דלדול.
בהשוואה לשיטת השתלה כירורגית קונבנציונלית שהיא פולשנית ודורשת ציוד והכשרה נוספים, Tsn מאפשרת השתלה בצורה לא פולשנית, פשוטה, יציבה וקלה. בנוסף, שיטה זו מאפשרת השתלה של iPSMG במוחות של עכברים מדוכאי חיסון; לפיכך, ניתן להשתמש בעכברי מודל מחלה חיסונית כדי לחקור את התגובה של iPSMG.
החיסרון הגדול ביותר של השיטה הנוכחית הוא ההטרוגניות האזורית בהשרפת iPSMG. אם נדרשת השתלת iPSMG ספציפית לאזור המוח, הפרוטוקול הנוכחי אינו מתאים מכיוון שה-iPSMG המושתל נשאר חרוט במשך 60 יום רק בהיפוקמפוס ובמוח הקטן אך לא בקליפת המוח הקטן, אך לא בקליפת המוח הקטן. יתר על כן, הצורך לנהל ציטוקינים אנושיים אקסוגניים באופן תוך-ורידי כל 12 שעות הוא גם מגבלה של הפרוטוקול הנוכחי מכיוון שהוא דורש עבודה נרחבת ויקר.
לסיכום, פרוטוקול מפורט עבור Tsn של iPSMG לתוך המוחות של עכברים immunocompetent מסופק. בשילוב עם ON/OFF פרמקולוגי של מיקרוגליה של עכבר על ידי PLX5622, פרוטוקול זה מאפשר השתלה מוצלחת של iPSMG. מכיוון שניתן לראות תאים מושתלים בהיפוקמפוס ובמוח הקטן במשך פרק זמן ממושך שבו מיושמים ציטוקינים אקסוגניים, השיטה הנוכחית עשויה להיות בעלת ערך להערכת תפקיד המיקרוגליה האנושית במצבים פיזיולוגיים ופתולוגיים באזורים אלה.
The authors have nothing to disclose.
נותני חסות למענקים: מחקר זה נתמך על ידי 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), קרן המדע של מיצובישי (SK), קרן המדע טקדה (SK) ומענק מדעי המוח של פרונטיר מאוניברסיטת יאמאנאשי (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 |