Burada, erişkin murin subventriküler bölgesinden izole edilen genişletilmiş nöral kök hücrelerde (NSC’ler) gen iletim verimliliğini artırmak için tasarlanmış bir nükleofeksiyon sistemini açıklıyoruz. Bulgular, bu yöntemin NSC’lerde gen bozulmasını önemli ölçüde iyileştirdiğini, geleneksel transfeksiyon protokollerinin etkinliğini aştığını ve hücre sağkalım oranını artırdığını göstermektedir.
Nöral kök hücrelerin (NSC’ler) yetişkin fare beyninin subventriküler bölgesinden (SVZ) izolasyonu ve genişlemesi, mitojenler olarak bazik fibroblast büyüme faktörü (bFGF) ve epidermal büyüme faktörü (EGF) ile desteklenmiş bir ortamda gerçekleştirilebilir ve nörosferler olarak bilinen klonal agregatlar üretebilir. Bu in vitro sistem, NSC potansiyelini incelemek için değerli bir araçtır. Plazmitlerde taşınan siRNA’ların veya genlerin transfeksiyonu, gen ekspresyonunda bozulmaları indüklemek ve NSC biyolojisini incelemek için kullanılabilir. Bununla birlikte, NSC kültürlerine eksojen nükleik asit iletimi, merkezi sinir sistemi (CNS) hücrelerinin transfeksiyonunun düşük verimliliği nedeniyle zordur. Burada, yetişkin murin SVZ’den genişletilmiş NSC’lerde gen iletiminde yüksek verimlilik sağlayan gelişmiş bir nükleofeksiyon sistemi sunuyoruz. Bu nispeten basit yöntemin, yetişkin NSC’lerde gen bozulmasını artırdığını ve sağkalım oranlarının %80’i aşan geleneksel transfeksiyon protokollerini aştığını gösteriyoruz. Ayrıca, bu yöntem aynı zamanda birincil izole NSC’lerde de uygulanabilir ve nörosfer kültürlerinde knockdown veya aşırı ekspresyon yoluyla gen ekspresyonu manipülasyonu yoluyla gen fonksiyonu çalışmalarında çok önemli bir ilerleme sağlar.
Nöral kök hücreler (NSC’ler) beyinde bulunan multipotent kök hücrelerdir. Bu hücreler kendi kendini yenileme ve üç nöral soya farklılaşma yeteneğine sahiptir: astrositler, oligodendrositler ve nöronlar1. Sonuç olarak, NSC’ler, beyinde yeni nöronların üretildiği bir süreç olan memelilerde yetişkin nörogenezinde çok önemli bir rol oynar2. NSC’ler ağırlıklı olarak yetişkin beyninde nörojenik nişler olarak adlandırılan iki bölgede bulunur: lateral ventriküllerin duvarları boyunca subventriküler bölge (SVZ) ve hipokampusun dentat girusu içindeki subgranüler bölge (SGZ) 3,4. Yetişkin faredeki en aktif nörojenik niş olan SVZ’deki NSC’ler (B hücreleri olarak da bilinir), kendi kendini yeniler ve daha sonra nöroblastlara (A hücreleri) farklılaşan transit amplifiye edici progenitörler (TAP’ler veya C hücreleri) üretir. Bu nöroblastlar, rostral göç akımı (RMS) yoluyla koku alma ampullerine (OB) göç eder, burada internöronlara tam farklılaşma geçirirler ve önceden var olan devre 3,4,5,6’ya entegre olurlar.
Bu nişler içindeki NSC’leri düzenleyen moleküler ipuçlarının ve sinyallerin karmaşık etkileşimini anlamak, terapötik uygulamalar için potansiyellerinden yararlanmak için önemlidir. Bu amaçla, bu hücre popülasyonunu incelemek için, NSC’lerin seçici birincil kültüründen,yüzey belirteçleri 7,8,9,10 kullanılarak hücre seçimine kadar çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bu el yazması, SVZ NSC’lerin in vitro olarak her iki mitojeni de içeren serumsuz seçici bir ortam kullanılarak izolasyonunu ve kültürlenmesini detaylandırmaktadır: temel fibroblast büyüme faktörü (bFGF) ve epidermal büyüme faktörü (EGF). Bu besiyeri, hücre proliferasyonunu kolaylaştırır ve nörosferler 9 olarak bilinen in vitro klonal, üç boyutlu, yapışık olmayan agregalar oluşturan yetişkin fare beyinlerinin SVZ’sinden elde edilenNSC’lerin kökünü korur. Nörosfer kültürleri, NSC proliferasyonunu, kendini yenilemeyi, farklılaşmayı ve hayatta kalmayı etkileyen moleküler mekanizmaları ve faktörleri manipüle etmek ve incelemek için kontrollü bir platform görevi görür11. Özellikle, kültürde oluşan birincil nörosferlerin sayısı, SVZ’de in vivo olarak bulunan NSC’lerin sayısının tahmin edilmesine izin vererek, onu farklı koşulların yetişkin NSC havuzu üzerindeki etkilerini incelemek için güçlü bir araç haline getirir12,13. Ayrıca, birincil kültür kurulduktan sonra, NSC’ler proliferasyon koşulları altında simetrik bölünmelerden geçtikten sonra yeni agregalar (ikincil nöroküreler) üretebilir14. Bu nedenle, bu kültürlerin kendini yenileme oranını değerlendirmek için ikincil nörosfer hücrelerinin düşük yoğunluklu tohumlanması (klonal test) kullanılabilir 4,15,16,17.
Nörosferlerin NSC düzenlemesini yöneten mekanizmaları ortaya çıkarma potansiyeline rağmen, bazı araştırmacılar in vitro bulguların geçerliliğini sorguluyor ve hücrelerin büyüdüğü yapay koşulların, nörojenik nişlerin karmaşık in vivo mikro ortamını aslına uygun olarak kopyalayamayabileceğini savunuyor 18,19,20,21,22. Bir başka tartışmalı nokta, nörosferlerde gözlemlenen heterojenlik etrafında dönmektedir. Bununla birlikte, bu değişkenliğin, NSC’lerin in vivo olarak doğal olarak meydana gelen simetrik ve asimetrik bölünmelerini yansıttığına inanılmaktadır 23,24. Ayrıca, son doğrulama, in vivo SVZ nörojenik niş içinde çalışan mekanizmaları tahmin etmek için NSC kültürlerinin kullanımını desteklemiştir ve birkaç çalışma, in vitro kültürlenen NSC’lerin in vivo olarak gözlemlenen transkriptomik profili doğru bir şekilde koruduğunu göstermiştir 11,25.
Bu nedenle, nörosfer kültürleri sadece NSC proliferasyonu ve farklılaşma yeteneklerini keşfetmek için bir yöntem olarak hizmet etmekle kalmaz, aynı zamanda NSC biyolojisini yöneten genlerin etkisini incelemek için bir sistem sunar. NSC’lerde gen fonksiyonunu araştırmak için çok önemli bir teknik, gen ekspresyonu pertürbasyonudur. Plazmitler yoluyla iletilen siRNA’lar veya genler, hücre kültürlerine transfekte edilebilir, bu da hedef genin yıkılmasına veya yukarı regülasyonuna neden olur. Bu çok yönlü yaklaşım, koşullu nakavt fareler kullanarak kültürler oluşturmaya kıyasla zaman ve maliyeti önemli ölçüde azaltır ve nörogenezin genetik temellerini çözmek ve terapötik olasılıkları keşfetmek için umut verici bir yol sunar. NSC’lerde belirli genlerin ekspresyonunu değiştirmek, davranışlarının modülasyonunu sağlayarak çoğalma, farklılaşma ve göç gibi önemli biyolojik süreçleri etkiler. Bununla birlikte, özellikle fare nörosferleri içinde NSC’leri transfekte etme olasılığı, dikkate değer zorluklar ortaya koymaktadır. Nörosferlerin üç boyutlu yapısı, transfeksiyonun verimliliğini tehlikeye atar ve genellikle genetik manipülasyonun kapsamını sınırlayan düşük başarılı eksojen nükleik asit iletimi oranlarıyla sonuçlanır26,27. Ek olarak, transfeksiyon prosedürleri hücre canlılığını ve işlevselliğini zararlı bir şekilde etkileyebilir27. Bu bağlamda, nükleofeksiyon sistemini, hücre hasarını azaltmak, yüksek bir sağkalım oranı elde etmek ve NSC kültürlerini bozmak için kullanılan gen iletim testlerinde daha yüksek etkinlik sağlamak için bir yöntem olarak sunuyoruz.
Bu el yazması, nörosfer kültür sistemini kullanarak genleri bozmak için yetişkin SVZ nörojenik nişinden NSC’leri izole etme, genişletme ve nükleofecting prosedürünü göstermeyi amaçlamaktadır. Bu yöntem, geleneksel transfeksiyon protokollerinin etkinliğini aşarak, hedeflenen hücreler arasında önemli ölçüde daha yüksek hayatta kalma oranları ve gelişmiş gen iletim verimliliği sunar.
NSC popülasyonunu in vivo olarak tanımlamak için kesin belirteçlerin bulunmaması nedeniyle, NSC’lerin analizi öncelikle ex vivo koşullarda nörojenik nişlerden izole edilen hücrelerin davranışlarının gözlemlenmesine dayanmaktadır. Reynolds ve Weiss’ın öncü çalışmaları, genç yetişkin (2 aylık) fare SVZ dokusundan tek tek hücrelerin yapışkan olmayan koşullar altında izolasyonunu ve genişlemesini sağlayan hassas kültür koşulları oluşturarak zemin hazırladı. Bu hücreler genellikle EGF ve bFGF içeren serumsuz bir ortamda çoğaltılır, bu da proliferasyonu teşvik ederken nöronlara ve glialara farklılaşmayı tamamen önleyen koşullardır. Gerçekten de, bu kültür koşulları9 altında, çoğu hücre kültürdeki ilk günlerde ölür, ancak küçük bir alt küme bölünmeye başlar ve öncelikle yüzen nörosferleroluşturur 9. Bu hücre agregatlarının enzimatik ayrışması ve alt kültürü, kültür yayılımını kolaylaştırarak bu kültürlerin kendini yenileme kapasitesini gösterir.
Özellikle, nörosfer kültürleri sadece EGF ilavesiyle genişleme potansiyeli gösterirken, sadece bFGF içeren bir ortamda yetiştirilen NSC’ler uzun süreli hücre proliferasyonu göstermez30. Her iki kanıt da EGF’yi birincil NSC kendini yenileyen mitojen olarak göstermektedir. Bununla birlikte, kültür ortamında hem EGF hem de bFGF’nin varlığı, NSC’lerin31 kendini yenileme kapasitesini geliştirir ve ayrıca astrositlere, nöronlara ve oligodendrositlere 32,33,34,35 farklılaşma potansiyelinin dengelenmesine katkıda bulunur. Ayrıca, besiyerini desteklemek için ticari alternatifler yerine tanımlanmış bir hormon ve faktör karışımının kullanılması, NSC kültürlerinin yüksek kalitesini ve tekrarlanabilirliğini sağlar. Bu koşullar altında, fare NSC kültürleri ölümsüzleşmeye uğramadan kararlı hücre hatları olarak devam edebilir. Bununla birlikte, nörosfer kültürlerinde bir endişe, proliferatif hücre popülasyonlarının genetik dönüşümlere uğrama, hücre döngüsü düzenleyici mekanizmalarını atlama ve ölümsüzleştirilmiş bir fenotipe yol açma potansiyelidir. Bu nedenle, nörosfer kültürleri oldukça genişletilebilir olmasına rağmen, 10 in vitro pasajın ötesindeki kültürler, replikatif yaşlanmaya maruz kalabilecekleri ve anormal kromozomal içeriğe veya düzensiz büyüme dinamiklerine sahip hücrelerin ortaya çıkabileceği için genellikle çalışmalar için atılır. Ayrıca, uzun süreli yerleşik nörosfer kültürlerinin kullanımı sürekli olarak izlenmelidir. Nörosfer kültürleri ayrıca, in vivo’dan daha doğru bir şekilde modüle edilebilen ve izlenebilen daha kesin ve ayarlanabilir bir ortam sağlayarak, kontrollü bir ortamda özelliklerini ve potansiyellerini inceleme fırsatı sunar. İn vitro klonojenik veya popülasyon analizleri yoluyla, bu hücrelerin kendini yenileme ve çoğalma kapasitelerini ölçmek ve bu özellikleri yöneten altta yatan mekanizmaların tanımlanmasını kolaylaştırmak mümkündür.
Bununla birlikte, NSC’lerle in vitro olarak çalışmanın çok sayıda avantajına rağmen, bu kültür protokolünün doğası ve NSC’lerin inceliği bu alanda bir zorluk teşkil etmektedir. Örneğin, tipik bir diseksiyon sırasında üretilen birincil nörokürelerin sayısı, deneycinin becerisine ve hassasiyetine bağlı olarak önemli ölçüde değişebilir. Birincil nörosfer sonuçları, 500 ila 3000 nörosfer arasında değişen 2 aylık farelerin SVZ’sinden elde edilen birincil nörosferlerin sayısındaki bu değişkenliği göstermektedir. Bu değişkenliğe çeşitli faktörler katkıda bulunabilir. İlk olarak, diseksiyonun hassasiyeti, primer küre oluşumunu engelleyen istenmeyen parankimal dokuyu en aza indirir. İkincisi, küçük SVZ doku parçaları üretmek, verimli enzimatik sindirim ve öğütmeye izin verir, böylece hücre kaybını azaltır. Bu, diseksiyon protokolünün yeterli ön uygulamasına ve nörosfer kültürlerinin kurulması sırasında doku işlemenin ince ayarlı bir şekilde geliştirilmesine olan ihtiyacı vurgulamaktadır.
Bu kültürlerin bir başka sınırlaması, nörosferlerin hem NSC’leri hem de progenitör hücreleri içerebilmesi gerçeğinde yatmaktadır, bu da birincil kültürler içinde bu iki popülasyon arasında ayrım yapmayı zorlaştırmaktadır. GFAP, Nestin, Musashi ve SOX2 gibi çeşitli belirteçlerin NSC8 tarafından ifade edildiği bildirilmiş olsa da, bunların hiçbiri yalnızca NSC’lerle ilişkili değildir. Hücre yüzeyi antijen ekspresyonuna dayanan yeni ortaya çıkan FACS teknikleri, NSC’lerin ve soylarının izolasyonunu sağlamıştır. Bu çalışmalar, transit amplifiye edici progenitörlerin geçiş sırasında nöroküre oluşturamadıklarını göstermiştir25,36. Bu nedenle, SVZ hücreleri ve nörosfer başlatan hücreler arasındaki ilişki daha fazla iyileştirme gerektirirken 18,19,20,21,22,23, nörosferlerin uzun bir süre boyunca seri olarak geçirilebilme yeteneği, kültürlerdeki NSC’lerin varlığını yansıtabilir.
Bu nörosfer kültür sistemi, NSC’nin kendini yenileme kapasitesinin sürdürülmesinde sinyal yolaklarının ve gen ekspresyonunun etkisini araştırmak için sağlam bir model olarak hizmet etmiştir in vitro15,29. Bu yönleri araştırmak için bir yaklaşım, belirli genleri aşırı eksprese etmek veya yıkmak için NSC’leri transfekte etmeyi içerir. Bu, viral ve viral olmayan yöntemler dahil olmak üzere çeşitli tekniklerle gerçekleştirilebilir. Viral vektörler genellikle yüksek gen transfer verimliliği elde ederken, yüksek güvenlik gereksinimleri ve zaman alıcı vektör üretimi gibi önemli sınırlamaları vardır26. Tersine, lipofeksiyon ve elektroporasyon gibi klasik transfeksiyon yöntemleri çok düşük transfeksiyon oranlarına ulaşır ve bu da onları transfekte edilmesi zor hücreler için olanaksız hale getirir. Nükleofeksiyon teknolojisi, hücre tipine özgü nükleofeksiyon solüsyonlarını her hücre tipi için benzersiz elektriksel parametrelerle birleştirerek kullanıcı dostu bir yaklaşım sunar37,38. Bu, DNA’nın doğrudan hücre çekirdeğine39 aktarılmasını sağlar ve DNA’nın hücre döngüsünden bağımsız bir şekilde dahil edilmesine izin verir. Sonuç olarak, nükleofeksiyon, fare NSC’leri28,40 gibi transfekte edilmesi zor hücrelerin transfekte edilmesi için uygun bir teknik olarak ortaya çıkmaktadır.
Bu yöntemin bir sınırlaması, her nükleofeksiyon için en az 2 x 106 hücrenin önerilmesi ve gerekli olmasıdır, ancak optimal koşullarda, tek nükleofeksiyon başına daha az sayıda hücre kullanılabilir (yani, 5 × 105 hücre). Yöntemin bir başka dezavantajı, nükleofeksiyon için kullanılan DNA’nın kalitesi ve konsantrasyonunun gen transfer verimliliğini önemli ölçüde etkilemesidir. Endotoksin varlığına bağlı yüksek hücre mortalitesini önlemek için endotoksin içermeyen hazırlanmış DNA’nın kullanılması şiddetle tavsiye edilir. Ek olarak, nükleofeksiyon için 6 μg’dan fazla toplam DNA kullanmak, hem gen transfer verimliliğini hem de hücre canlılığını önemli ölçüde azaltabilir. Son olarak, elektrik darbesi uygulaması, nükleofecte edilmiş hücrelerin hayatta kalması için de kritik öneme sahiptir.
Bu çalışmada, epizomal plazmitler kullanılarak ekspresyonunun aşağı regülasyonunu içeren bir strateji kullanarak Snrpn gen ekspresyonunun manipülasyonunu örnekledik. Bu plazmitler hücrelerin genomuna entegre değildir ve NSC’ler in vitro olarak çoğalmaya devam ettikçe, sokulan DNA daha sonra hücre bölünmesi boyunca seyreltilecek ve böylece genetik manipülasyonun etkisini kaybedecektir. Bu nedenle, bu strateji, kısa bir süre içinde akut bir değişikliğin etkisini incelemek veya in vitro olarak hücrelerin doğum tarihini incelemek için değerlidir. Gen pertürbasyonunun daha uzun süreli bir etkisini değerlendirmek için bazı alternatifler mevcuttur. Örneğin, transpozon tabanlı piggyBAC gibi bütünleştirici bir sistem kullanılabilir. Bu sistem, transpoze edilebilir dizilerle çevrili plazmitte bulunan istenen kodlama dizisinin tanıtılmasından ve hücrelerin, transpozaz41 enzimi için diziyi içeren bir plazmit ile birlikte nükleofect edilmesinden oluşur. Alternatif olarak, transpozonlar veya CRISPR / Cas sistemleri kullanılabilir.
Transfekte edici teknolojilerin daha da geliştirilmesi, farklı genlerin yetişkin nöral kök hücre fizyolojisi üzerindeki rolünü değerlendirmek için yüksek verimli tahlillere doğru önemli bir adım olacaktır. Giderek daha karmaşık saflaştırma ve genişletme yöntemleriyle birlikte, bu çalışmalar yetişkin NSC’lerin in vitro biyolojisinin anlaşılmasını ve yüzen nörosferler ile NSC’ler arasındaki biyolojik farklılıkların in vivo olarak karşılaştırılmasını sağlayacaktır.
The authors have nothing to disclose.
Bu çalışma, Ministerio de Ciencia e Innovación ve Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI) (PID2019-110045GB-I00; PID2022-142734OB-I00 ve EUR2023-143479) SRF’ye. EJV (FPU20/00795) ve DSL (FPU22/03797), İspanyol Formación de Profesorado Universitario burs programı (FPU) tarafından finanse edilmektedir. LLC (PRE2020-094137) ve JDM (PREP2022-000680), İspanyol Formación de Personal Investigador (FPI) burs programı tarafından finanse edilmektedir. CMM (CIACIF/2022/366), Generalitat Valenciana tarafından finanse edilmektedir. MIL (CPI-22-481), Programa INVESTIGO bursu (Yeni Nesil AB) tarafından finanse edilmektedir. Ministerio de Ciencia e Innovación tarafından sağlanan Açık Erişim finansmanı.
0.22 μm pore-filter bottles (250 mL) | VWR | 514-0330P | |
0.22 μm pore-filter bottles (500 mL) | VWR | 514-0332P | |
12-well plate | LabClinics | PLC30012 | |
15 mL tube | Fisher | 10738771 | |
24-well plate | LabClinics | PLC30024 | |
4-(2-hydroxyethyl)-1-piperazineethanesulfonic acid (HEPES) | BioWest | L0180-100 | |
4′,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Sigma | D9542 | |
48-well plate | ThermoFisher | 150687 | |
6-well plate | LabClinics | PLC30006 | |
96-well plate | Labclinics | PLC30096 | |
Accutase solution | Sigma | A6964-100ML | Referred as enzymatic solution |
Amaxa Mouse Neural Stem Cell Nucleofector Kit | Lonza | VPG-1004 | |
Amaxa Nucleofector Iib | Lonza | 10700807 | |
Antibiotic/Antimitotic (A/A) | Sigma | A5955 | |
Apo-t-Transferrine | Sigma | T2252-1G | |
Basic Fibroblast Growth Factor (bFGF) | Sigma | F0291 | |
Blasticidin | Sigma | 203350 | |
Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | B4287-25MG | |
Cell strainer 40 μm | LabClinics | PLC93040 | |
Deoxynucleotide triphosphate (dNTPs) | NZYTech | MB08701 | |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma | D8418 | |
Dulbecco’s Phosphate Saline Buffer (DPBS) | Gibco | 14080-055 | |
Dulbecco's Modified Eagle's Medium (DMEM) F12 1:1 | Gibco | 11320-074 | |
E. coli DH5α Competent Cells | ThermoFisher | EC0112 | |
Earles's Balanced Salt Solution (EBSS) | Gibco | 24010-043 | |
Epidermal Growth Factor – Human recombinant (EGF) | Gibco | 53003-018 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma | E-6511 | |
Fine Forceps | Fine Science Tools | 11274-20 | |
Fine Scissors Sharp | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Glucose | Sigma | G-7021 | |
GoTaq G2 Flexi DNA Polymerase | Promega | M7805 | Kit includes reagents for PCR |
Heparin | Sigma | H-3149 | |
Insuline | Sigma | I6634 | |
LB agar (Lennox) | LabKem | AGLB-00P-500 | |
LB broth (Lennox) | LabKem | LBBR-00P-500 | |
L-Cysteine | Sigma | C-8277 | |
L-Glutamine | Gibco | 25030-024 | |
Neubauer chamber | Blaubrand | BR718620 | |
Nuclease free water | Labbox | WATR-00A-10K | |
NZYMaxiprep Endotoxin Free Kit | NZYTech | MB39901 | |
Papain Lyophilized | Worthington | LS003119 | |
Progesterone | Sigma | P-6149 | |
Putrescine | Sigma | P-7505 | |
Scalpel | Fine Science Tools | 10316-14 | |
shSCRAMBLE | Mission (Sigma) | SHC003 | |
shSNRPN | Mission (Sigma) | TRCN0000109285 | |
Sodium Selenite | Sigma | S-9133 | |
Spatula | Fine Science Tools | 10090-17 | |
Sterile PES Syringe Filters (0.22 μm pore-filter) | Epica | SFPE-22E-050 | |
T12.5 cm2 Flask | Biofil | TCF012025 | |
T25 cm2 Flask | LabClinics | PLC70025 | |
T75 cm2 Flask | LabClinics | PLC70075 | |
Tweezers | Fine Science Tools | 91150-20 |