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Neuroscience

Transplantation de neurones GABAergiques dérivés de cellules souches humaines dans l’hippocampe postnatal précoce de souris pour atténuer les troubles neurodéveloppementaux

Published: November 11, 2022
doi:
10.3791/64272
, , , , ,
1Cellular Neurophysiology and Epilepsy Group, Epilepsy Centre, Department of Clinical Sciences,Lund University Hospital, 2Experimental Epilepsy Group, Epilepsy Centre, Department of Clinical Sciences,Lund University Hospital, 3Molecular Neurophysiology and Epilepsy Group, Epilepsy Center, Department of Clinical Sciences,Lund University Hospital

Summary

La transplantation de neurones GABAergiques dérivés de cellules souches pluripotentes humaines générées par la programmation neuronale pourrait être une approche thérapeutique potentielle pour les troubles neurodéveloppementaux. Ce protocole décrit la génération et la transplantation de précurseurs neuronaux GABAergiques dérivés de cellules souches humaines dans le cerveau de souris néonatales, permettant l’étude à long terme des neurones greffés et l’évaluation de leur potentiel thérapeutique.

Abstract

Un nombre réduit ou un dysfonctionnement des interneurones inhibiteurs est un contributeur commun aux troubles neurodéveloppementaux. Par conséquent, la thérapie cellulaire utilisant des interneurones pour remplacer ou atténuer les effets des circuits neuronaux altérés est une avenue thérapeutique attrayante. À cette fin, il est nécessaire d’approfondir les connaissances sur la façon dont les cellules interneurones GABAergiques dérivées de cellules souches humaines (hdIN) mûrissent, s’intègrent et fonctionnent au fil du temps dans les circuits hôtes. Dans les troubles neurodéveloppementaux, il est particulièrement important de mieux comprendre si ces processus dans les cellules transplantées sont affectés par un cerveau hôte en évolution et en maturation. Le présent protocole décrit une génération rapide et très efficace de hdINs à partir de cellules souches embryonnaires humaines basée sur l’expression transgénique des facteurs de transcription Ascl1 et Dlx2. Ces précurseurs neuronaux sont transplantés unilatéralement, après 7 jours in vitro, dans l’hippocampe de souris néonatales âgées de 2 jours. Les neurones transplantés se dispersent dans l’hippocampe ipsi et controlatéral d’un modèle murin de syndrome de dysplasie corticale et d’épilepsie focale et survivent jusqu’à 9 mois après la transplantation. Cette approche permet d’étudier l’identité cellulaire, l’intégration, la fonctionnalité et le potentiel thérapeutique des interneurones transplantés sur une longue période dans le développement de cerveaux sains et malades.

Introduction

L’établissement, la maturation et le raffinement des réseaux neuronaux se produisent pendant la période périnatale et postnatale précoce et représentent des fenêtres temporelles cruciales pour le développement du cerveau1. D’une exubérance de connectivité après la naissance, le cerveau évolue vers un réglage fin des connexions qui s’étend jusqu’à l’adolescence2. Par conséquent, les altérations des gènes exprimées au cours de ces périodes, ainsi que les facteurs externes ou les insultes, définissent la prédisposition d’un individu à de multiples troubles neurodéveloppementaux. Les altérations de la cognition et de la fonction motrice se manifestent au fil du temps, et les traitements pharmacologiques sont limités, la majorité ciblant les symptômes avec le risque d’effets secondaires graves.

Il a été démontré que le dysfonctionnement de l’inhibition ergique de l’acide gamma-aminobutyrique (GABA) est un contributeur majeur à la cause sous-jacente de divers troubles neurodéveloppementaux3, tels que le syndrome de l’X fragile, le syndrome d’Angelman, l’épilepsie, la schizophrénie et l’autisme. Le GABA est le principal transmetteur inhibiteur du système nerveux central et joue un rôle déterminant dans le maintien de l’équilibre excitateur / inhibiteur (E / I), la synchronisation du déclenchement neuronal et le calcul. Les interneurones GABAergiques sont une population hétérogène de neurones, avec une complexité fonctionnelle croissante dans des régions cérébrales plus complexes4 et avec une évolution 5,6. Compte tenu de la capacité de régénération endogène limitée du cerveau humain et de l’implication du dysfonctionnement interneuronal dans plusieurs troubles neurologiques, la transplantation d’interneurones GABAergiques peut être une avenue thérapeutique prometteuse à explorer. Dans cette optique, les cellules interneurones GABAergiques dérivées de cellules souches humaines (hdIN) semblent être la source la plus translationnelle et la plus viable à cette fin par rapport aux précurseurs neuronaux allogéniques des rongeurs ou à d’autres sources utilisées ailleurs7. Des protocoles pour générer des neurones GABAergiques à partir de diverses sources cellulaires sont disponibles 8,9,10,11,12,13, mais plus de connaissances sont nécessaires sur la façon dont les hdINs mûrissent, s’intègrent et fonctionnent au fil du temps dans un cerveau pathologique en développement. Plusieurs études ont identifié des altérations dans les gènes actifs pendant la structuration corticale, établissant la connectivité neuronale14 et réglant l’équilibre physiologique E/I15. La transplantation néonatale de hdINs dans des modèles murins avec les perturbations génétiques correspondantes nous permet de suivre l’interaction entre l’hôte et le greffon, ce qui est une connaissance nécessaire pour déterminer les stratégies thérapeutiques potentielles.

L’immunomodulation est couramment et avec succès utilisée dans les greffes de xénogreffes pour éviter de déclencher une réponse immunitaire de l’hôte et un rejet16. Cependant, l’administration de médicaments immunosuppresseurs, tels que la cyclosporine A, provoque une toxicité rénale après administration chronique, nécessite beaucoup de main-d’œuvre en raison de la nécessité d’injections intrapéritonéales quotidiennes pour atteindre des concentrations systémiques stables, provoquant un stress animal17, et a des effets hors cible qui peuvent interagir avec la pathologie18. En outre, il a été démontré que la compromission du système immunitaire modifie les phénotypescomportementaux 19, avec des altérations dans les régions neuroanatomiques correspondantes20. Il a été démontré que la transplantation au cours de la première semaine de vie permet une adaptation aux cellules transplantées 21,22, tandis que d’autres ont signalé une survie initiale suivie d’un rejet des greffons au cours du premier mois postnatal 23,24.

Ce protocole décrit les procédures allant de la génération de hdIN à la transplantation cellulaire chez la souris néonatale aboutissant à la survie à long terme du greffon et permettant d’étudier la spécificité neuronale, l’intégration synaptique, la fonction et le potentiel thérapeutique des interneurones humains transplantés au cours du développement physiologique et pathologique.

Protocol

Toutes les procédures expérimentales ont été approuvées par le comité d’éthique de la recherche animale de Malmö/Lund, numéro de permis éthique 12548-19, et menées en accord avec les règlements de l’Agence suédoise de protection des animaux et la directive européenne 2010/63/UE pour l’expérimentation animale. C57BL6/J et les souris knock-out (Cntnap2) knock-out (Cntnap2) associées à la protéine, mâles et femelles, ont été utilisées au jour postnatal (P) 2 pour la présente étude. Des cellules souches embryonnaires humaines (CSEh) ont été utilisées. Les animaux et les cellules souches ont été obtenus de sources commerciales (voir le tableau des matériaux). 1. Génération des précurseurs hdIN REMARQUE: Toutes les étapes de cette section sont effectuées dans une hotte de culture cellulaire. Les CSEh ont été maintenues sous forme de cellules sans alimentation sur des plaques enrobées à l’aide d’un milieu de culture de cellules souches et ont été transmises sous forme de colonies. Effectuer la programmation en aval des hESCs vers les précurseurs hdIN (Figure 1).NOTE: L’approche de programmation prospective est basée sur la procédure décrite dans Gonzalez-Ramos et al.8 et Yang et al.9.Transduire les CSEh avec des vecteurs lentiviraux contenant le système Tet-On dans un milieu de culture de cellules souches fraîches contenant 10 μM d’inhibiteur de ROCK (IR) (voir le tableau des matériaux). Conserver à 37 °C dans l’incubateur. Remplacer le milieu par un milieu de culture de cellules souches fraîches 16 h après la transduction et maintenir les cellules transduites de la même manière que les CSEh non transduits. Lorsqu’ils sont confluents, détacher les CSEh sous forme de cellules individuelles à l’aide d’une solution de détachement de cellules (voir le tableau des matériaux) et les plaquer dans des plaques revêtues de 6 puits à une densité de 3 x 105 cellules/puits dans un milieu de culture de cellules souches contenant 10 μM d’IR le jour in vitro (DIV) −1. À 1 DIV, remplacer le milieu de culture par un milieu N2 contenant 2 g/L de doxycycline (DOX, voir le tableau des matériaux).NOTE: DOX est utilisé pour induire l’expression transgénique de Ascl1 et Dlx29, de 1 DIV à 7 DIV, puis continue in vivo par son ajout à l’eau potable25. À 2 DIV, une période de sélection de la résistance aux antibiotiques commence qui durera jusqu’à 5 DIV. Ajouter la puromycine (puro) et l’hygromycine (hygro) au milieu frais (voir le tableau des matériaux). Changez le support sur 2 DIV, 4 DIV et 5 DIV.NOTE: Optimiser les concentrations de puro et d’hygro avant le protocole de différenciation en utilisant des CSEh transduites et non transduites pour assurer la survie des seules cellules porteuses des cassettes de résistance aux antibiotiques. Dans ce protocole, 0,5 μg/mL de puro et 750 μg/mL d’hygro ont été utilisés. À 5 DIV, la période de sélection des antibiotiques se termine. Passer au milieu N2 complété par 2 g/L de DOX et 4 μM de cytosine β-D-arabinofuranoside (Ara-C, voir le tableau des matières). Figure 1 : Génération de précurseurs hdIN à partir de CSEh par surexpression d’Ascl1 et de Dlx2. A) Schéma du protocole de différenciation utilisé pour la génération de précurseurs hdIN. (B-E) Immunocytochimie des précurseurs hdIN à 7 DIV pour (B) le marqueur neuronal MAP2, (C) le marqueur prolifératif Ki67, (D) la coloration nucléaire générale, et (E) une fusion des marqueurs précédents. Barre d’échelle: 50 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 2. Préparation de la suspension unicellulaire pour la transplantation REMARQUE: Toutes les étapes de cette section sont effectuées dans le capot de culture cellulaire. Sur 7 DIV, les précurseurs hdIN sont dissociés et utilisés pour la transplantation. Effectuez le détachement des cellules en suivant les étapes ci-dessous.Retirez le milieu et rincez soigneusement les cellules avec du DPBS sans calcium ni magnésium. Ajouter 400 μL de la solution de détachement de cellule (voir le tableau des matériaux) à chaque puits de la plaque à 6 puits.NOTE: Assurez-vous de la couverture de toute la surface par la solution. Incuber pendant 2-3 min à 37 °C dans l’incubateur jusqu’à ce que la bordure des cellules commence à briller, indiquant une dégradation enzymatique des protéines de surface cellulaire et un détachement de la surface du puits.REMARQUE: Pour augmenter la survie des cellules, n’attendez pas trop longtemps lorsque toutes les cellules sont complètement détachées et flottantes. Ensuite, ajoutez 600 μL de milieu N2 frais à chaque puits de la plaque à 6 puits pour arrêter l’enzyme, et mécaniquement avec la pipette, aidez à détacher les cellules pour obtenir une suspension unicellulaire. Transférer la suspension cellulaire dans un tube en plastique (15 mL) et centrifuger à 180 x g pendant 4 min à température ambiante (RT). Effectuer la remise en suspension des cellules.Jeter le surnageant à l’aide d’un système de vide (soigneusement, sans déranger le granulé) et remettre le granulé en suspension dans le milieu de transplantation contenant 10 μM d’IR, 1 μg/mL de DNase et 2 μg/μL de DOX. Compter le nombre total de cellules dans la suspension à l’aide d’une chambre de comptage et d’un compteur de cellules manuel et ajuster le volume à une concentration finale de 100 000 cellules/μL. Conserver la suspension cellulaire dans un tube fermé sur de la glace jusqu’à la transplantation pendant un maximum de 4 h.NOTE: La transplantation doit être effectuée le même jour que la préparation de la suspension cellulaire (7 DIV). 3. Transplantation intrahippocampique de cellules REMARQUE : Toutes les étapes de cette section sont effectuées à l’extérieur du capot de culture cellulaire de l’animalerie. La transplantation postnatale précoce de cellules dans le cerveau a été réalisée sur P2, en considérant P0 le jour de la naissance. Préparez-vous à l’expérience de transplantation en suivant les étapes ci-dessous.Autoclaver tout le matériel chirurgical ou, si ce n’est pas possible, stériliser avec une autre méthode approuvée. Montez la seringue injectable dans le support sans aucun capillaire en verre. Rincez l’aiguille avec de l’eau.NOTE: L’aiguille doit être de 33 G. Courber à 90° l’extrémité d’une aiguille à insuline de 30 G. Créez une scène maison de type Play-Doh pour positionner le chiot avec la tête à plat (Figure 2A). Allez chercher la cage des souris avec la mère et les chiots avant de préparer quoi que ce soit pour la chirurgie afin de leur permettre de s’acclimater au nouvel environnement. Préparez un plateau avec de la glace humide et une cage vide avec du papier pour l’isoflurane. Anesthésiez le chiot souris.Trempez un morceau de papier avec de l’isoflurane (voir le tableau des matériaux) et placez-le à l’intérieur de la cage vide. Prenez soigneusement un chiot et placez-le dans la cage avec le papier imbibé d’isoflurane.REMARQUE: Ne laissez jamais moins de trois chiots avec la maman. Ne pas dépasser 20-30 s d’anesthésie à l’isoflurane, sinon le chiot peut mourir. Vérifier l’effet de l’anesthésie par l’arrêt du mouvement. Immédiatement après l’anesthésie, placez le chiot sur un tissu humide à la surface de la glace humide. Gardez l’animal sur la glace pendant 3 minutes jusqu’à ce que les membres supérieurs deviennent blanchâtres (figure 2B, flèche bleue). Cela prend généralement 2-3 min. Utilisez ce temps pour charger la seringue avec la suspension cellulaire. Remettez soigneusement les cellules en suspension avec une pipette avant. Placez le chiot sur le cadre stéréotaxique. Utilisez les barres d’oreille dans la direction opposée (Figure 2A, flèches magenta).REMARQUE: L’arrière des barres d’oreille est moins pointu, et comme les chiots P2 n’ont pas d’oreilles, utilisez le côté plus plat pour éviter de blesser l’animal. De côté, vérifiez si la tête est droite. La tête doit être plate; utilisez la scène de type Play-Doh pour vous ajuster à cela.REMARQUE: Les chiots de cet âge n’ont pas encore ouvert les yeux, donc aucune étape supplémentaire à cet égard ne doit être faite. Les chiots n’ont pas de fourrure à cet âge, donc aucun rasage de la zone n’est nécessaire. Aucun traitement spécifique de la douleur n’est administré car il ne s’agit pas d’une incision ouverte sur la peau et aucune suture n’est impliquée. Gardez le chiot couvert de glace (sur du papier de soie) pendant toute la durée de la chirurgie.REMARQUE: Ne placez pas la glace en contact direct avec la peau du chiot. Effectuez l’injection.Nettoyez la surface de la peau à l’aide d’un tissu mou imbibé d’éthanol. Identifiez lambda et réglez les coordonnées à zéro sur la console d’affichage numérique de l’instrument stéréotaxique (Figure 2C, ligne pointillée jaune). Les sutures sagittales et lambdoïdes sont facilement visibles à l’œil, car elles sont vascularisées, sous forme de lignes rouges.REMARQUE: Si vous rencontrez des difficultés pour visualiser le lambda, placez un petit morceau de glace sur la peau et attendez quelques minutes pour qu’il refroidisse. Ensuite, retirez le morceau de glace, et le blanchiment subtil de la peau vous permettra de visualiser. Déplacez l’aiguille d’injection aux coordonnées souhaitées. Dans le protocole décrit, la région ciblée était l’hippocampe, et les coordonnées étaient les suivantes : antéro-postérieur (AP) +0,85 et médio-latéral (ML) +1,35. Utilisez une aiguille à insuline pliée à 90° pour pénétrer dans le crâne et créer un petit trou. Abaissez l’aiguille d’injection jusqu’à ce qu’elle ait traversé le crâne et mettez à zéro les coordonnées dorso-ventrales (DV). Abaissez l’aiguille jusqu’à ce que les coordonnées DV souhaitées. Dans le protocole décrit, les coordonnées étaient DV −1.1. Injecter selon les intervalles de temps prédéterminés.REMARQUE: Dans le protocole décrit, les timings exacts étaient les suivants: (i) après être descendu jusqu’à la coordonnée DV, attendez 3 min, (ii) injectez 1 μL de volume pendant 5 min, et (iii) après que tout le volume a été injecté, attendez 3 min. Rétractez lentement l’aiguille. Terminez la procédure.NOTE: La chirurgie ne peut pas durer plus de 15 minutes pour assurer la survie du chiot et éviter tout dommage dérivé de l’anesthésie par hypothermie.Réchauffez le chiot avec les mains jusqu’à ce qu’il commence à bouger avant de le rendre à la mère. Administrer du DOX à une concentration de 1 mg/mL dans une solution de saccharose à 0,5 % sous forme d’eau potable pendant au moins 2 jours avant et 3 semaines après la transplantation (PT) pour poursuivre la différenciation cellulaire in vivo. Figure 2 : Transplantation stéréotaxique chez des petits de souris nouveau-nés à P2. (A) Une scène de type Play-Doh pour maintenir le corps du chiot en position et des barres d’oreille inversées (flèches magenta). (B) Patte avant blanche (flèche bleue) indiquant la réduction du flux sanguin dans cette zone, de sorte que le chiot subit une anesthésie par hypothermie. (C) Vue d’ensemble de la configuration avec le chiot déjà recouvert de glace sur le papier de soie mou. (c#) Zoom fermé de la tête du chiot, avec l’aiguille d’injection déjà insérée dans le cerveau (ligne pointillée jaune indiquant les sutures lambda et lambdoïde). Cette figure est adaptée de Gonzalez Ramos et al. 27. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Representative Results

Suivant le protocole présenté ici et illustré à la figure 1A, les précurseurs hdIN n’étaient pas encore prolifératifs à 7 DIV tels que définis par (i) une immunoréactivité négative pour le marqueur du cycle cellulaire Ki67 et (ii) exprimant des marqueurs neuronaux tels que la protéine 2 associée aux microtubules (MAP2) (Figure 1B-E). Cette caractérisation a été réalisée sur des cellules restantes replaquées pendant 24 h après avoir subi toutes les étapes de la procédure. De plus, l’analyse de l’expression génique publiée précédemment indiquait qu’une transition rapide de l’état pluripotent à un phénotype neuronal se produit autour de 4 DIV et 7 DIV8. Globalement, ces résultats ont confirmé la présence de cellules postmitotiques et l’absence de risque de formation de tératomes. Ensuite, la survie des précurseurs hdIN après une transplantation postnatale précoce dans l’hippocampe de souris de type sauvage (WT) a été testée par immunohistochimie contre le marqueur cytoplasmique humain STEM121. Les précurseurs hdIN ont été transplantés dans l’hippocampe dorsal droit de souris immunocompétentes naïves à P2, qui ont ensuite été sacrifiés à P14 et 2 mois PT. Les cellules greffées ont été trouvées sur l’ensemble de l’hippocampe dorsal, ainsi que dispersées à travers le corps calleux et l’hippocampe controlatéral, aux deux points temporels. De plus, aux deux points temporels, les hdINs greffés exprimaient Ascl1, l’un des facteurs de transcription d’induction (Figure supplémentaire 1), et n’étaient pas prolifératifs, comme l’indique l’absence d’expression de Ki67 (Figure supplémentaire 2). Il est important de noter qu’aucune réaction immunitaire ou inflammation locale contre les cellules transplantées n’a été observée à P14 ou à 2 mois PT, comme l’évalue l’absence de microglie réactive identifiée à l’aide d’Iba1, de CD68 et de galectine-3 (Gal3) (Figure 3), l’étendue de l’astrogliose déterminée par la protéine acide fibrillaire gliale (GFAP) et les cytokines inflammatoires telles que l’interleukine-1 (IL-1), et l’absence de lymphocytes T cytotoxiques (CD8) (Figure 4). Figure 3 : hdINs à P14 et 2 mois PT dans l’hippocampe de souris WT nouveau-nées sans déclencher de rejet immunitaire du tissu hôte. Immunofluorescence des marqueurs Iba1, CD68 et Gal3 dans le tissu cérébral de (A-D) la proximité d’une zone centrale ischémique dans un modèle murin d’AVC par électrocoagulation (témoin positif, Ctrl +), (E-H) animaux témoins négatifs (Ctrl-) à 2 mois et (M-P) P14, et (I-L) animaux ayant subi une greffe de cellules à 2 mois et (Q-T) animaux ayant subi une greffe de cellules à 2 mois et (Q-T ) P14. Les flèches blanches indiquent quelques exemples de vaisseaux sanguins visibles à tous les canaux en raison de l’autofluorescence. Abréviations : Ctx = cortex; Hanche = hippocampe; DG = gyrus denté; CA1 = cornu ammonis 1. Barre d’échelle: 50 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure 4 : Les hdINs à 2 mois PT pénètrent dans l’hippocampe de souris WT nouveau-nées sans déclencher de rejet immunitaire du tissu hôte. Immunofluorescence des marqueurs IL1, GFAP et CD8 dans le tissu cérébral de (A-D) la proximité d’une zone centrale ischémique dans un modèle murin d’AVC par électrocoagulation (témoin positif, Ctrl +), (E-H) animaux témoins négatifs (Ctrl-) à 2 mois, et (I-L) animaux ayant subi une greffe de cellules à 2 mois. Abréviations : Ctx = cortex; Hanche = hippocampe; DG = gyrus denté. Barre d’échelle: 50 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. De même, les précurseurs hdIN ont également été transplantés dans l’hippocampe de souris Cntnap2 KO, un modèle pour le trouble du spectre autistique et le syndrome de dysplasie corticale et d’épilepsie focale. Chez les souris Cntnap2 KO, en effet, les hdINs ont survécu jusqu’à 9 mois de PT et ont été localisés au site d’injection, bien qu’ils aient également été dispersés à travers l’hippocampe ipsilatéral et même controlatéral comme observé chez les souris WT (Figure 5). De plus, la plupart des hdINs greffés étaient immunoréactifs pour les marqueurs interneuronaux, comme prévu par les résultats précédents in vitro 8,26 et chez des rongeurs adultes in vivo25. Figure 5 : HdIN greffés dans l’hippocampe de souris Cntnap2 KO à 9 mois PT. (A) Immunochimie contre le marqueur humain cytoplasmique STEM121 chez des souris transplantées de cellules (à gauche) et fictives (à droite). (a1 et a2) Images agrandies de cellules STEM121 positives. (B) Immunofluorescence pour STEM121 (magenta) et les marqueurs interneuronaux parvalbumine (PV) et somatostatine (SST). Les flèches blanches indiquent des cellules doubles positives pour STEM121 et le marqueur interneuronal respectif. (C) Vue orthogonale d’un hdIN greffé immunoréactif pour STEM121 et PV. Barre d’échelle : 200 μm (A et B), 100 μm (a1 et a2), 20 μm (petit grossissement carré en a1 et a2, et C). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. Figure supplémentaire 1 : HdINs greffés à 2 mois PT dans l’hippocampe de souris WT nouveau-nées exprimant Ascl1. Immunofluorescence contre Ascl1 et le marqueur humain cytoplasmique STEM121 au niveau de (A) CA3 et (B) DG chez des souris WT transplantées de cellules. (a) Image agrandie d’une cellule positive STEM121. Les flèches blanches indiquent des cellules doublement positives pour STEM121 et Ascl1. Barre d’échelle: 100 μm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier. Figure supplémentaire 2 : HdINs post-mitotiques greffés à 2 mois PT dans l’hippocampe de souris WT nouveau-nées. Immunofluorescence contre le marqueur prolifératif Ki67 et le marqueur humain cytoplasmique STEM121 chez (A) des souris WT naïves et (B) transplantées de cellules. b) Image agrandie d’une cellule positive STEM121. La flèche jaune indique une cellule positive pour Ki67 et négative pour STEM121. La flèche blanche indique les cellules positives pour STEM121 et négatives pour Ki67. L’astérisque blanc indique un ventricule latéral. Barre d’échelle: 100 μm. Veuillez cliquer ici pour télécharger ce fichier.

Discussion

Le présent protocole décrit une méthodologie robuste, rapide, simple et largement accessible pour générer des précurseurs hdIN in vitro et son utilisation comme thérapie cellulaire interventionnelle précoce dans des modèles précliniques de troubles neurodéveloppementaux.

Même si certains des phénotypes caractéristiques des troubles neurodéveloppementaux apparaissent à l’adolescence ou à l’âge adulte, des altérations physiopathologiques sont déjà présentes au début du développement. Pour cette raison, une intervention précoce serait hautement justifiée pour obtenir des effets bénéfiques en agissant dans les périodes critiques de développement du cerveau avant la symptomatologie ou la manifestation clinique. À l’avenir, le dépistage génétique et le développement de biomarqueurs permettront un traitement prophylactique ou présymptomatique, ce qui changera la donne pour ces patients. Par conséquent, les précurseurs hdIN ont été transplantés tôt après la naissance dans le modèle murin Cntnap2 KO lorsque des changements épileptogènes dans le réseau neuronal pourraient être en cours28 et à un moment où des altérations cellulaires ont été décrites dans ce modèle animal29. Il est important, cependant, de considérer les pièges potentiels de l’extrapolation de l’âge et le calendrier de certains processus dans le cerveau de la souris par rapport au cerveau humain.

En se concentrant sur la procédure elle-même, le protocole de différenciation présenté ici est basé sur l’utilisation de facteurs de transcription, qui permettent une programmation rapide et très efficace des cellules souches par rapport à d’autres protocoles ailleurs basés sur de petites molécules10,30. Un inconvénient potentiel de cette approche pourrait être l’exigence de vecteurs lentiviraux, ce qui comporte un risque de mutagénèse insertionnelle. Deux étapes critiques du protocole sont l’ajout des antibiotiques et de l’agent antimitotique au milieu pour sélectionner les cellules exprimant les facteurs de transcription et éliminer les cellules prolifératives, en évitant le risque de formation de tératomes, respectivement. Bien que seuls les précurseurs hdIN aient été testés dans cette étude, la procédure devrait être réalisable avec d’autres sources cellulaires et protocoles de programmation/différenciation. Néanmoins, d’autres sous-types et/ou modèles neuronaux doivent être validés.

L’âge du précurseur hdIN pour la transplantation, 7 DIV, a été décidé sur la base (i) de l’absence de cellules prolifératives, évaluée par immunoréactivité contre Ki67, (ii) de l’observation précédemment rapportée de diminutions de l’expression de gènes de pluripotence tels que POU5F1 et de l’apparition du marqueur neuronal MAP2 et du marqueur interneuronal GAD1 à ce moment-là8 . Cependant, le travail original décrivant ce protocole effectuait des transplantations à 14 DIV après le retrait de DOX9. Cela soulève des questions quant à savoir si le DOX dans l’eau potable de la mère peut atteindre les cellules greffées dans le cerveau des chiots allaitants via le lait, ou si 7 DIV d’induction de DOX sont suffisants pour établir le destin GABAergique. Bien que Yang et al. aient identifié 14 jours de DOX comme suffisants pour générer des cellules neuronales stables in vitro9, Gonzalez-Ramos et al.8 ont détecté l’expression du gène GAD1 déjà à 7 DIV, indiquant que l’activation en aval de GAD67 par Ascl1 et Dlx2 a déjà eu lieu à ce moment-là. Par conséquent, la structuration a commencé à 7 DIV et pourrait être moins dépendante du traitement DOX. De plus, des preuves chez les rongeurs et les humains indiquent la présence de DOX dans le lait maternel 31,32, et les résultats présentés ici montrent que les hdIN greffés étaient immunoréactifs pour Ascl1 à 2 semaines et 2 mois PT et les marqueurs interneuronaux plus tard à 9 mois PT. Au sein de la population greffée, outre les neurones PV et SST positifs, d’autres marqueurs de sous-populations d’interneurones ont également été trouvés en quantités plus faibles, tels que la calrétinine (CR) et la calbindine (CB).

Un aspect difficile de cette procédure est la coordination des moments de différenciation et de l’âge des chiots. Habituellement, la gestation de la souris prend 21 jours après la mise en place de la cage d’accouplement, bien que cela puisse parfois varier. Ce scénario ne se produit pas lors de transplantations de cellules chez des rongeurs adultes lorsque tout peut être soigneusement planifié et arrangé. Néanmoins, cela peut être facilement atténué en mettant en place deux à trois cages d’accouplement avec un intervalle de 2 jours ou deux à trois lots de différenciation avec un time-lapse de 2 jours les uns des autres.

Bien que les souris utilisées dans cette étude n’étaient ni immunodéficientes ni immunodéprimées, les cellules transplantées ont survécu jusqu’à 9 mois in vivo, et les marqueurs de réaction immunitaire contre les cellules xénogéniques ou l’inflammation locale n’ont pas été observés à P14 ou 2 mois PT. Le rejet immunitaire des cellules xénogéniques greffées est déclenché contre le CMH / peptides, et les médiateurs cellulaires clés du rejet du greffon sont les lymphocytes T et les cellules microgliales33, 34. Par conséquent, l’immunoréactivité aux marqueurs des lymphocytes T, ainsi que la microglie réactive, ont été explorées. Aucun signe de rejet immunitaire des cellules greffées dans le tissu hôte n’a été détecté ni par des niveaux de microglie réactive ni par la présence de lymphocytes T chez des souris WT à P14 ou 2 mois. De plus, aucune inflammation locale n’a été observée sur la base des niveaux évalués d’astrogliose et de cytokines inflammatoires. Ce résultat pourrait dépendre en partie de la tolérance immunitaire néonatale 35,36,37, observée par d’autres identités cellulaires, emplacements et modèles animaux35,38. Englund et al. ont identifié des différences régionales dans le résultat des cellules greffées en termes de migration et de maturation, y compris l’observation des cellules greffées dans la substance blanche adjacente35.

Enfin, une plus grande dispersion des cellules greffées dans l’hippocampe a été observée par rapport à d’autres études transplantant chez des rongeurs adultes, où les hdINs sont restés sous forme de noyaugreffé 25. Cette dispersion différait également des résultats observés précédemment par Yang et al.9, qui pourraient s’expliquer dans ce cas par l’âge des cellules au moment de la transplantation.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Ce projet a été financé par le Conseil suédois de la recherche (numéro de subvention : 2016-02605, M.A.), la Swedish Brain Foundation F02021-0369 (M.A.), la Fondation Crafoord (M.A.) et le programme Horizon 2020 de l’Union européenne (H2020-MSCA-ITN-2016) dans le cadre du projet de réseau de formation innovant Marie Skłodowska-Curie Training4CRM No. 722779 (M.K.). Nous sommes extrêmement reconnaissants de l’aide d’Andrés Miguez, du laboratoire de Josep Maria Canals (Laboratoire de cellules souches et de médecine régénérative, Université de Barcelone), pour l’enseignement de la transplantation de cellules stéréotaxiques chez des souris nouveau-nées P2, et de Mackenzie Howard, chef de groupe à l’Université du Texas à Austin, pour les conseils et les coordonnées préliminaires pour la transplantation cellulaire dans l’hippocampe de souris nouveau-nées P2. Nous remercions Susanne Geres pour son aide dans les soins aux animaux et Ling Cao pour son aide dans le traitement des tissus, ainsi que les étudiants qui ont contribué d’une manière ou d’une autre à l’étude et en particulier Diana Hatamian. Enfin, certains des graphiques utilisés pour illustrer cet article ont été créés avec BioRender.com.

Materials

30 G needle B Braun 4656300
33 G needle for Hamilton syringe Hamilton 7762-06
4-well plates Thermo Scientific 176740
Accutase STEMCELL Technologies 7920 Cell detachment solution use for splitting cells (hESC and hdIN precursors)
Adjustable volume pipettes 10, 20, 200, 1000 µL
Alexa Fluor Plus 488/555/647 Thermo Fisher 1:1000
Anti-CD68 (Rat) Bio-Rad MCA1957 1:200
Anti-CD8 (Rabbit) Abcam 203035 1:200
Anti-Galectin 3 (Goat) R&D systems AF1197 1:500
Anti-GFAP (Guiena Pig) Synaptic systems 173004 1:500
Anti-Iba1 (Rabbit) WAKO 19119741 1:500
Anti-IL1 (Goat) Santa Cruz Biotech SC-106 1:400
Anti-Ki67 Abcam ab16667 1:250
Anti-Ki67 (Rabbit) Novocastra NCL-Ki67p 1:250
Anti-MAP2 (Chicken) Abcam ab5392 1:2000
Anti-Mash1 (Ascl1) Abcam ab74065 1:1000
Anti-Parvalbumin (Rabbit) Swant PV 27 1:5000
Anti-Somatostatin (Rat) Millipore MAB354 1:150
Anti-STEM121 (Mouse) Takara Bio Y40410 1:400
Avidin/Biotin Blocking Kit VECTOR Laboratories SP-2001
B6.129(Cg)-Cntnap2tm1Pele/J Jackson Laboratory 17482 Animal model
Biotinylated Horse anti-Mouse VECTOR Laboratories BA-2001 1:200
Burker Chamber Thermo Fisher Scientific 10628431
C57BL/6J Janvier Labs Animal model
Centrifuge For 15 mL tubes
Confocal microscope Nikon  Confocal A1RHD microscope
Costar 6-well Clear TC-treated  Corning 3516
Cy3 Stretavidin Jackson ImmunoResearch 016-160-084 1:200
Cytosine β-D-arabinofuranoside (AraC) Sigma C1768 4 µM
DAB Substrate Kit, Peroxidase (With Nickel) VECTOR Laboratories SK-4100
Digital Stereotax KOPF Model 940
DMEM/F12 Thermo Fisher Scientific 11320082 Use for the N2 medium
DNase I Solution STEMCELL Technologies 7900 1 µg/mL
Doxycyclin Sigma-Aldrich D9891 2 µg/mL
DPBS -/- Gibco 14190144
Epifluorescence microscope Olympus BX51 Microscope
Ethanol Solveco 70%, 95%, 99.8%
FUW-rTA Addgene 20342 Lentiviral vector
FUW-TetO-Ascl1-T2A-puromycin Addgene 97329 Lentiviral vector
FUW-TetO-Dlx2-IRES-hygromycin Addgene 97330 Lentiviral vector
H1 (WA01) ESC WiCell WA01 Human embryonic stem cell line under a MTA agreement
H2O2 Sigma-Aldrich 18304
Hamilton Syringe Hamilton 7634-01 5 µL
HBSS Gibco 14175095 No calcium, No magnesium – Transplantation medium
Hoechst 33342 Invitrogen H3570 1:1000
Hygromycin B Gibco (Invitrogen) 10687010
Incubator 5% CO2, 37 °C
Isoflurane Baxter Apoteket AB
Manual cell counter VWR 720-1984
Matrigel hESC-Qualified Matrix, LDEV-free Corning 354277 For the coating
Methanol Merck Millipore 1060091000
Microscope Coverslips 24 x 60 mm Thermo Scientific BBAD02400500#A113MNZ#0##
Microscope Slides VWR 631-1551
Microscope Software Olympus CellSens
Mounting media Merck 10981 PVA-Dabco 
Mouse adaptor to stereotax RWD 68030
mTeSR1 STEMCELL Technologies 85850 Kit Basal Medium and 5X Supplement – Stem cell culture medium
N2 supplement Gibco 17502048
NaOH Sigma-Aldrich S8045 1M
Penicillin-Streptomycin Sigma-Aldrich P0781
Pertex HistoLab 811
Pipet Filler
Play-Doh
Puromycin (Dihydrochloride) Gibco A1113803
Round cover glasses thickness No. 1.5H (tol. ± 5 μm) 13 mm Ø Marienfeld MARI0117530 For immunocytochemistry
Serum Thermo Fisher Goat, Donkey, Horse
Sterile pipette tips For volumes 0.1-1000 µL
Sterile serological pipettes 5, 10, 25 mL
Sterile water Braun B Braun 3626873
Sucrose Sigma-Aldrich S8501 For 0.5% Sucrose solution
Triton X-100 Sigma-Aldrich X100
Trypan Blue Solution Gibco 15250061
Tubes Sarstedt 15 ml, Eppendorf 1.5 mL
Tweezer VWR
Ultra pure water MilliQ Water System
Xylene VWR 28973.363
Y-27632 (ROCK inhibitor) STEMCELL Technologies 72304 10 µM
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References

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Gonzalez-Ramos, A., Laurin, K., Berglind, F., Ledri, M., Kokaia, M., Andersson, M. Transplantation of Human Stem Cell-Derived GABAergic Neurons into the Early Postnatal Mouse Hippocampus to Mitigate Neurodevelopmental Disorders. J. Vis. Exp. (189), e64272, doi:10.3791/64272 (2022).
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