Aqui, descrevemos um protocolo para o transplante e rastreamento de células neurais marcadas em organoides cerebrais humanos.
O avanço das abordagens de transplante de células requer sistemas modelo que permitam uma avaliação precisa da potência funcional das células transplantadas. Para o sistema nervoso central, embora o xenotransplante permaneça no estado da arte, tais modelos são tecnicamente desafiadores, limitados em rendimento e caros. Além disso, os sinais ambientais presentes não reagem perfeitamente de forma cruzada com as células humanas. Este artigo apresenta um modelo barato, acessível e compatível com alto rendimento para o transplante e rastreamento de células neurais humanas em organoides cerebrais humanos. Esses organoides podem ser facilmente gerados a partir de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos usando kits comerciais e contêm os principais tipos de células do cérebro.
Primeiramente demonstramos esse protocolo de transplante com a injeção de células progenitoras neurais (NPCs) humanas marcadas com iPSC marcadas com EGFP nesses organoides. Em seguida, discutimos considerações para rastrear o crescimento dessas células no organoide por microscopia de fluorescência de células vivas e demonstramos o rastreamento de NPCs transplantadas marcadas com EGFP em um organoide durante um período de 4 meses. Finalmente, apresentamos um protocolo para seccionamento, coloração por imunofluorescência cíclica e imagem das células transplantadas em seu contexto local. O modelo de transplante organoide aqui apresentado permite o rastreamento em longo prazo (pelo menos 4 meses) de células humanas transplantadas diretamente em um microambiente humano com um protocolo barato e de simples execução. Representa, portanto, um modelo útil tanto para terapias de células neurais (transplantes) como, provavelmente, para modelar tumores do sistema nervoso central (SNC) de forma mais precisa do ponto de vista microambiental.
O cérebro humano é um órgão complexo composto por múltiplos tipos celulares das linhagens neural e glial. Juntos, eles formam uma rede sofisticada que dá origem à cognição. Há um interesse significativo no transplante de células para esse sistema como tratamento para uma ampla variedade de distúrbios neurológicos, incluindo traumatismo cranioencefálico (TCE)1,2, doenças neurodegenerativas3,4,5,6,7 e acidente vascular cerebral8. Uma grande limitação no avanço de tais estratégias, no entanto, é a relativa escassez de modelos pré-clínicos disponíveis para determinar os resultados esperados do transplante. Os modelos mais utilizados atualmente são os métodos de cultivo in vitro para determinação do potencial celular e xenotransplante em camundongos. Embora os métodos de cultura celular possam avaliar a diferenciação e o potencial de auto-renovação9, estes são realizados sob condições ótimas de crescimento que não mimetizam o microambiente que as células encontrariam em um contexto de transplante. Além disso, a forma como as células são cultivadas pode influenciar seu comportamento10.
Cérebros de camundongos contêm todas as células do microambiente e são, portanto, sistemas modelo extremamente poderosos para transplante11. Há, no entanto, diferenças importantes entre o córtex de camundongo e humano12,13, e nem todos os fatores de crescimento reagem de forma cruzada entre as espécies. Modelos de primatas são uma alternativa mais próxima que mimetiza melhor o sistema humano e também têm produzido resultados pré-clínicos importantes14. Mesmo esses parentes mais próximos, no entanto, mantêm diferenças importantes em sua composição celular15. Embora ambos os sistemas-modelo forneçam informações valiosas sobre o comportamento celular durante o transplante e incorporem os elementos cirúrgicos de uma eventual terapia, eles permanecem imperfeitos. Eles também são caros e tecnicamente desafiadores (ou seja, deve-se realizar uma cirurgia cerebral nos animais), limitando assim o rendimento possível. Além disso, há uma infinidade de questões éticas associadas ao transplante de células cerebrais humanas em animais16. As culturas de fatias cerebrais permitem que um cérebro seja cortado e usado para múltiplos tratamentos, removendo assim algumas das limitações dos transplantes de animais; no entanto, estes têm vida útil limitada (semanas), ainda são derivados de animais e (sendo uma fatia fina) não têm volume/integridade de superfície suficiente para mimetizar a injeção de células17. Assim, permanece uma importante lacuna entre modelos estritamente de cultura celular/potencial e transplante in vivo.
Os organoides cerebrais são um modelo in vitro contendo os principais tipos de células neurais presentes no cérebro e podem ser gerados em grande número a partir de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (iPSCs)18,19. Tais organoides fornecem, assim, um contexto celular, que poderia permitir a avaliação da capacidade funcional de uma célula-teste de interesse no cenário do transplante. De fato, um estudo recente demonstrou que as células progenitoras neurais (NPCs) transplantadas em organoides cerebrais humanos sobrevivem, proliferam e se diferenciam de forma semelhante às NPCs transplantadas no cérebro de um camundongo com anemia imunodeficiente combinada (NSG)20. Os organoides cerebrais representam, portanto, um sistema livre de crueldade, de vida longa (>6 meses), econômico que captura os tipos celulares do cérebro humano. Como tal, eles poderiam representar um receptor de transplante ideal para o teste em estágio inicial da capacidade regenerativa das células neurais.
Este trabalho apresenta um protocolo para o transplante e posterior rastreamento de NPCs humanas marcadas em organoides cerebrais humanos (Figura 1). Isso começa com a injeção de NPCs marcados com GFP em organoides cerebrais maduros (2-4 meses de idade)18. As células transplantadas são seguidas por microscopia de fluorescência de células vivas durante um período de 4 meses. Durante esse tempo, mostramos tanto a persistência das células no local da injeção quanto a migração para regiões distais do organoide. Ao final, demonstramos a recuperação, coloração e imagem antigênica de cortes histológicos derivados desses organoides, incluindo um protocolo para a têmpera de corantes existentes à base de AlexaFluor para permitir rondas adicionais de coloração e imagem, com base em trabalhos anteriores21. Esse protocolo poderia, portanto, ser útil na mensuração da capacidade de diferenciação de células em um ambiente de transplante, durabilidade do enxerto, expansão celular in situ e migração celular do local do transplante. Prevemos que isso será útil tanto para aplicações de medicina regenerativa/terapia celular, bem como modelagem tumoral por enxertia de células tumorais em organoides específicos de região relevantes.
Dado o significativo interesse em abordagens terapêuticas celulares para o tratamento de lesões do SNC/doenças neurodegenerativas1,2,3,4,5,6,7,8, modelos de função celular em ambiente de transplante vêm ganhando importância. Este trabalho apresenta um método para o transplante de NPCs humanas marcadas em organoides cerebrais humanos, juntamente com seu rastreamento de células vivas e avaliação de desfecho por histologia e coloração por imunofluorescência. É importante ressaltar que mostramos que as células transplantadas foram capazes de migração, diferenciação e persistência a longo prazo (4 meses) no ambiente organoide. Essa persistência em longo prazo representa um aumento acentuado em relação à mantenabilidade das culturas de fatias cerebrais17. Esse sistema é, portanto, apropriado para examinar muitos dos comportamentos que seriam necessários avaliar em um cenário terapêutico potencial, como sobrevivência, proliferação e diferenciação. De fato, um estudo ortogonal demonstrou recentemente que NPCs transplantados se comportaram de forma semelhante em organoides cerebrais em comparação com NPCs transplantados em cérebros de camundongos NSG20, confirmando assim a utilidade dos organoides como receptor de transplante. Como este é um sistema in vitro, também é simples adicionar citocinas ou drogas de interesse. Isso poderia ser usado para entender melhor os efeitos de ambientes específicos, como inflamação e imunossupressores, nas células transplantadas para imitar ainda mais o que elas podem encontrar em um ambiente terapêutico. O protocolo de imunofluorescência cíclica que demonstramos (baseado em pesquisas anteriores21) amplia ainda mais o poder dessa abordagem, permitindo que uma ampla gama de marcadores específicos de linhagem e, potencialmente, doença-específicos sejam avaliados simultaneamente em um único corte e, assim, permitindo o rastreamento preciso das células transplantadas e seu impacto no tecido. Naturalmente, outros métodos de avaliação de desfechos poderiam ser usados em vez disso, dependendo dos objetivos da análise. Por exemplo, a limpeza tecidual com reconstrução 3D poderia ser usada se a morfologia celular for de interesse primário, ou a dissociação seguida de citometria de fluxo poderia ser usada se a quantificação de tipos celulares específicos for o objetivo final. Esperamos que este método seja facilmente extensível a outros tipos celulares, como os tumores do SNC, potencialmente permitindo seu estudo em um contexto microambientalmente relevante. Da mesma forma, os organoides utilizados como receptores poderiam ser trocados por organoides modelo de doença25,26,27, potencialmente permitindo a modelagem de abordagens de transplante para essas condições.
Como acontece com todos os modelos, o apresentado aqui também tem suas próprias limitações. Por um lado, os organoides derivados da iPSC são imaturos no desenvolvimento19 e, portanto, apresentam diferenças importantes em relação ao cérebro envelhecido, no qual muitas doenças neurodegenerativas se manifestam. Os organoides cerebrais também não são uniformes no desenvolvimento19, impossibilitando a injeção consistente no mesmo nicho fisiológico exato. Além disso, embora contenham os tipos celulares das regiões cerebrais relevantes18,19, eles carecem dos componentes endotelial, microglial e imunológico, que também são importantes no cenário in vivo 14. Isso limita o estudo de como o hospedeiro reagirá ao transplante celular. Atualmente, estão sendo disponibilizadas técnicas para adicionar células vasculares28 e microgliais29, bem como aumentar a consistência organoide e regionalização18, melhorando assim o poder de modelagem do sistema de transplante organoide. Eles exigiriam, no entanto, mais testes e otimização além do que é apresentado aqui. Embora esse protocolo seja de baixo custo e não necessite de equipamentos especializados, ainda há uma série de considerações técnicas importantes – a profundidade de injeção, por exemplo. Isso se deve ao fato de que os organoides não são perfundidos e, portanto, muitas vezes têm um centro necrótico se crescerem muito grandes19 e que a luz não pode penetrar através do núcleo organoide para rastreamento de células vivas. Assim, as células que foram injetadas muito profundamente e colônias que migraram para dentro podem ser perdidas. Embora isso possa ser amenizado pelo uso de fluoróforos de comprimento de onda mais longo com melhor penetrância tecidual30, dependendo do tamanho do organoide e do aparelho de detecção, isso provavelmente permanecerá uma consideração. Finalmente, como os organoides cerebrais estão em um estado de desenvolvimento, o momento do transplante é outra consideração fundamental, pois o ambiente provavelmente será diferente dependendo do estágio de desenvolvimento do organoide no qual ele é injetado. Embora isso possa ser controlado até certo ponto, garantindo uma idade organoide consistente no momento da injeção, é, sem dúvida, um fator que precisa ser considerado.
Esse protocolo é barato, simples, livre de animais e não requer equipamentos especializados, tornando a modelagem de transplantes acessível a uma maior variedade de laboratórios. Com o rápido avanço tanto na terapêutica de células neurais quanto em sistemas de modelos organoides, antecipamos que o protocolo de transplante de organoides aqui apresentado será um modelo útil para uma variedade de doenças e abordagens terapêuticas.
The authors have nothing to disclose.
Os fundos para este trabalho foram fornecidos através dos fundos filantrópicos IRIC da fundação Marcelle e Jean Coutu e do Fonds de recherche du Québec – Santé (FRQS #295647). D.J.H.F.K. tem apoio salarial da FRQS na forma de uma bolsa Chercheurs-boursiers Junior 1 (#283502). M.I.I.R. foi apoiado por um IRIC Doctoral Award do Institut of Research in Immunology and Cancer, um Bourse de passage accélère de la maitrise au doctorat da Universidade de Montreal, e Bourse de Mérite aux cycles supérieurs.
Accutase | StemCell Technologies | 7920 | proteolytic-collagenolytic enzyme mix |
Alexa Fluor 488 anti-GFP Antibody | BioLegend | 338008 | |
Alexa Fluor 488 anti-MAP2 (clone SMI 52) | BioLegend | 801804 | |
Alexa Fluor 594 anti-GFAP Antibody (clone SMI 25) | BioLegend | 837510 | |
Alexa Fluor 594 anti-Nestin (clone 10C2) | BioLegend | 656804 | |
Alexa Fluor 647 anti-Tubulin β 3 (TUBB3) (clone TUJ1) | BioLegend | 801209 | |
Citric Acid Monohydrate | Fisher Chemical | A104-500 | |
Cytation 5 Cell Imaging Multimode Reader | Biotek | – | |
Denaturated Ethyl Alcohol (Anhydrous) | ChapTec | – | |
DMEM F12/Glutamax | Thermo | 10565018 | |
Dymethil Sulfoxide (DMSO), Sterile | BioShop | DMS666.100 | |
FIJI 1.53c | – | – | |
Formalin solution, neutral buffered, 10% | Sigma | HT501128-4L | |
Gen5 | – | – | |
HistoCore Arcadia H | Leica Biosystems | – | |
Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) | Corning | 356231 | Phenol Red-free, LDEV-free |
MX35 microtome blade | Epredia | 3053835 | |
NaOH | Sigma | 655104 | |
PBS (-Ca -Mg) | Sigma | D8537 | |
Puromycin Dihydrochloride | Thermo | A1113803 | |
ROCK inhibitor Y-27632 | Abcam | ab120129 | |
Simport Scientific Stainless-Steel Base Molds | Fisher Scientific | 22-038-209 | |
Simport Scientific UNISETTE Biopsy Processing/Embedding Cassette | Fisher Scientific | 36-101-9255 | |
STEMdiff Forebrain Neuron Differentiation Kit | StemCell Technologies | 8600 | |
STEMdiff Neural Progenitor Medium | StemCell Technologies | 5833 | |
STEMdiff SMADi Neural Induction Kit | StemCell Technologies | 8581 | |
Thermo Scientific Shandon Finesse ME Microtome | Thermo Scientific | – | |
Tissue Prep | Fisher Scientific | T555 | |
Tissue-Tek VIP 6 AI Tissue Processor | Sakura Finetek | – | |
Toluene (histological) | ChapTec | – | |
Trypan blue; 0.4% (wt/vol) | Thermo | 15250061 | |
Tween 20 | BioShop | TWN510.100 |