Ici, nous décrivons un système de nucléofection conçu pour améliorer l’efficacité de l’administration de gènes dans les cellules souches neurales (NSC) élargies isolées de la zone sous-ventriculaire murine adulte. Les résultats démontrent que cette méthode améliore considérablement la perturbation des gènes dans les CSN, surpassant l’efficacité des protocoles de transfection traditionnels et augmentant le taux de survie cellulaire.
L’isolement et l’expansion des cellules souches neurales (NSC) de la zone sous-ventriculaire (SVZ) du cerveau de la souris adulte peuvent être réalisés dans un milieu complété par le facteur de croissance des fibroblastes basiques (bFGF) et le facteur de croissance épidermique (EGF) en tant que mitogènes, produisant des agrégats clonaux connus sous le nom de neurosphères. Ce système in vitro est un outil précieux pour étudier le potentiel des NSC. La transfection de siRNA ou de gènes portés dans les plasmides peut être utilisée pour induire des perturbations de l’expression des gènes et étudier la biologie des NSC. Cependant, l’administration d’acides nucléiques exogènes aux cultures de NSC est difficile en raison de la faible efficacité de la transfection des cellules du système nerveux central (SNC). Ici, nous présentons un système de nucléofection amélioré qui atteint une grande efficacité de l’administration de gènes dans les NSC élargies à partir de SVZ murins adultes. Nous démontrons que cette méthode relativement simple améliore la perturbation génique dans les CSN adultes, surpassant les protocoles de transfection traditionnels avec des taux de survie supérieurs à 80%. De plus, cette méthode peut également être appliquée dans les CSN primaires isolées, fournissant une avancée cruciale dans les études de la fonction génique par manipulation de l’expression génique par knockdown ou surexpression dans les cultures de la neurosphère.
Les cellules souches neurales (NSC) sont des cellules souches multipotentes résidant dans le cerveau. Ces cellules possèdent la capacité de s’auto-renouveler et de se différencier en trois lignées neuronales : les astrocytes, les oligodendrocytes et les neurones1. Par conséquent, les NSC jouent un rôle crucial dans la neurogenèse adulte chez les mammifères, un processus où de nouveaux neurones sont générés dans le cerveau2. Les NSC résident principalement dans deux régions du cerveau adulte appelées niches neurogènes : la zone sous-ventriculaire (SVZ) le long des parois des ventricules latéraux et la zone subgranulaire (SGZ) dans le gyrus denté de l’hippocampe 3,4. Les NSC (également appelées cellules B) dans la SVZ, la niche neurogène la plus active chez la souris adulte, s’auto-renouvellent et produisent des progéniteurs amplificateurs de transit (TAPs ou cellules C) qui se différencient ensuite en neuroblastes (cellules A). Ces neuroblastes migrent par le flux migratoire rostral (RMS) vers les bulbes olfactifs (OB), où ils subissent une différenciation complète en interneurones, s’intégrant dans les circuits préexistants 3,4,5,6.
Il est important de comprendre l’interaction complexe des signaux et des signaux moléculaires qui régulent les CSN au sein de ces niches afin d’exploiter leur potentiel pour des applications thérapeutiques. À cette fin, diverses méthodes ont été développées pour étudier cette population cellulaire, allant de la culture primaire sélective de CSN à la sélection cellulaire à l’aide de marqueurs de surface 7,8,9,10. Le présent manuscrit détaille l’isolement et la culture de CSN SVZ in vitro à l’aide d’un milieu sélectif sans sérum contenant les deux mitogènes : le facteur de croissance des fibroblastes basiques (bFGF) et le facteur de croissance épidermique (EGF). Ce milieu facilite la prolifération cellulaire et maintient la souche des CSN obtenues à partir de la SVZ de cerveaux de souris adultes formant in vitro des agrégats clonaux, tridimensionnels et non adhérents appelés neurosphères9. Les cultures de la neurosphère servent de plate-forme contrôlée pour manipuler et étudier les mécanismes moléculaires et les facteurs affectant la prolifération, l’auto-renouvellement, la différenciation et la survie des NSC11. Notamment, le nombre de neurosphères primaires formées dans la culture permet d’estimer le nombre de NSC présentes dans la SVZ in vivo, ce qui en fait un outil puissant pour étudier les effets de différentes conditions sur le pool de NSC adultes12,13. De plus, une fois la culture primaire établie, les NSC peuvent générer de nouveaux agrégats (neurosphères secondaires) en passant par des divisions symétriques dans des conditions de prolifération14. Ainsi, l’ensemencement à faible densité de cellules neurosphériques secondaires (test clonal) peut être utilisé pour évaluer le taux d’auto-renouvellement de ces cultures 4,15,16,17.
Malgré le potentiel des neurosphères à découvrir les mécanismes régissant la régulation des CSN, certains chercheurs remettent en question la validité des résultats in vitro, affirmant que les conditions artificielles dans lesquelles les cellules se développent pourraient ne pas reproduire fidèlement le microenvironnement in vivo complexe des niches neurogènes 18,19,20,21,22. Un autre point controversé tourne autour de l’hétérogénéité observée dans les neurosphères. Néanmoins, on pense que cette variabilité reflète les divisions symétriques et asymétriques des CSN qui se produisent naturellement in vivo23,24. De plus, une validation récente a soutenu l’utilisation de cultures de NSC pour prédire les mécanismes opérant dans la niche neurogène de la SVZ in vivo, et plusieurs études ont démontré que les NSC cultivées in vitro maintiennent avec précision le profil transcriptomique observé in vivo11,25.
Par conséquent, les cultures de la neurosphère servent non seulement de méthode pour explorer les capacités de prolifération et de différenciation des NSC, mais offrent également un système pour étudier l’influence des gènes régissant la biologie des NSC. Une technique essentielle pour étudier la fonction des gènes dans les CSN est la perturbation de l’expression des gènes. Les siARN ou les gènes délivrés par les plasmides peuvent être transfectés dans des cultures cellulaires, ce qui entraîne l’inactivation ou la régulation positive du gène cible. Cette approche polyvalente réduit considérablement le temps et les coûts par rapport à l’établissement de cultures à l’aide de souris knock-out conditionnelles, ce qui présente une voie prometteuse pour démêler les bases génétiques de la neurogenèse et explorer des perspectives thérapeutiques. La modification de l’expression de gènes spécifiques dans les CSN permet de moduler leur comportement, influençant des processus biologiques cruciaux tels que la prolifération, la différenciation et la migration. Cependant, la perspective de transfecter des CSN, en particulier dans les neurosphères de souris, présente des défis notables. La structure tridimensionnelle des neurosphères compromet l’efficacité de la transfection, ce qui entraîne souvent de faibles taux d’administration réussie d’acides nucléiques exogènes, ce qui limite l’étendue de la manipulation génétique26,27. De plus, les procédures de transfection peuvent nuire à la viabilité et à la fonctionnalité des cellules27. Dans ce contexte, nous présentons le système de nucléofection comme une méthode pour atténuer les dommages cellulaires, atteignant un taux de survie élevé et assurant une plus grande efficacité dans les tests d’administration de gènes utilisés pour perturber les cultures de NSC.
Ce manuscrit vise à illustrer la procédure d’isolement, d’expansion et de nucléofectation des CSN de la niche neurogène SVZ adulte pour perturber les gènes à l’aide du système de culture de la neurosphère. Cette méthode surpasse l’efficacité des protocoles de transfection traditionnels, présentant des taux de survie nettement plus élevés et une efficacité améliorée de l’administration des gènes parmi les cellules ciblées.
En raison de l’absence de marqueurs définitifs pour l’identification de la population de NSC in vivo, l’analyse des NSC a été principalement basée sur l’observation du comportement de cellules isolées de niches neurogènes dans des conditions ex vivo . Les travaux pionniers de Reynolds et Weiss ont jeté les bases en établissant des conditions de culture précises, permettant l’isolement et l’expansion de cellules individuelles à partir de tissus SVZ de souris jeunes adultes (âgés de 2 mois) dans des conditions non adhésives. Ces cellules sont généralement propagées dans un milieu sans sérum contenant de l’EGF et du bFGF, des conditions qui empêchent entièrement la différenciation en neurones et en glie tout en favorisant la prolifération. En effet, dans ces conditions de culture9, la plupart des cellules meurent au cours des premiers jours de culture, mais un petit sous-ensemble commence à se diviser et forme principalement des neurosphères flottantes9. La dissociation enzymatique et la sous-culture de ces agrégats cellulaires facilitent la propagation des cultures, démontrant la capacité d’auto-renouvellement de ces cultures.
Notamment, les cultures de la neurosphère montrent un potentiel d’expansion avec l’ajout d’EGF uniquement, tandis que les NSC cultivées dans un milieu contenant uniquement du bFGF ne montrent pas de prolifération cellulaire à long terme30. Les deux éléments de preuve indiquent que l’EGF est le principal mitogène d’auto-renouvellement du NSC. Néanmoins, la présence à la fois d’EGF et de bFGF dans le milieu de culture améliore la capacité d’auto-renouvellement des NSCs31, et contribue à équilibrer le potentiel de différenciation en astrocytes, neurones et oligodendrocytes 32,33,34,35. De plus, l’utilisation d’un mélange défini d’hormones et de facteurs au lieu d’alternatives commerciales pour compléter le milieu garantit la haute qualité et la reproductibilité des cultures de NSC. Dans ces conditions, les cultures de NSC de souris peuvent persister sous forme de lignées cellulaires stables sans subir d’immortalisation. Néanmoins, une préoccupation dans les cultures de la neurosphère est le potentiel des populations cellulaires prolifératives à subir des transformations génétiques, contournant les mécanismes de régulation du cycle cellulaire et conduisant à un phénotype immortalisé. Par conséquent, bien que les cultures de la neurosphère soient très expansibles, les cultures au-delà de 10 passages in vitro sont généralement écartées pour les études, car elles peuvent subir un vieillissement réplicatif et des cellules avec un contenu chromosomique anormal ou une dynamique de croissance irrégulière peuvent émerger. De plus, l’utilisation de cultures de la neurosphère établies à long terme doit être surveillée en permanence. Les cultures de la neurosphère offrent également la possibilité d’examiner leurs caractéristiques et leur potentiel dans un environnement contrôlé, fournissant un réglage plus précis et ajustable qui peut être modulé et surveillé avec plus de précision qu’in vivo. Grâce à des analyses clonogéniques ou de population in vitro, il est possible de quantifier les capacités d’auto-renouvellement et de prolifération de ces cellules, facilitant ainsi l’identification des mécanismes sous-jacents régissant ces propriétés.
Néanmoins, malgré la longue liste d’avantages de travailler avec des CSN in vitro, la nature de ce protocole de culture et la délicatesse des CSN constituent un défi sur le terrain. Par exemple, le nombre de neurosphères primaires générées lors d’une dissection typique peut varier considérablement en fonction de l’habileté et de la précision de l’expérimentateur. Les résultats de la neurosphère primaire illustrent cette variabilité du nombre de neurosphères primaires obtenues à partir de la SVZ de souris âgées de 2 mois, allant de 500 à 3000 neurosphères. Divers facteurs peuvent contribuer à cette variabilité. Tout d’abord, la précision de la dissection minimise le tissu parenchymateux indésirable, ce qui inhibe la formation de sphères primaires. Deuxièmement, la génération de petits morceaux de tissu SVZ permet une digestion enzymatique et une trituration efficaces, réduisant ainsi la perte de cellules. Cela souligne la nécessité d’une pratique préalable suffisante du protocole de dissection et d’un développement précis du traitement tissulaire lors de l’établissement des cultures de la neurosphère.
Une autre limitation de ces cultures réside dans le fait que les neurosphères peuvent comprendre à la fois des NSC et des cellules progénitrices, ce qui rend difficile la distinction entre ces deux populations au sein des cultures primaires. Bien que divers marqueurs tels que GFAP, Nestin, Musashi et SOX2 aient été signalés comme étant exprimés par les NSCs8, aucun d’entre eux n’a été exclusivement associé aux NSC. Les techniques FACS émergentes basées sur l’expression de l’antigène de surface cellulaire ont permis d’isoler les NSC et leur descendance. Ces études ont démontré que les progéniteurs amplificateurs de transit sont incapables de former des neurosphères lors du passage25,36. Ainsi, bien que la relation entre les cellules SVZ et les cellules initiatrices de la neurosphère nécessite un raffinement supplémentaire 18,19,20,21,22,23, la capacité des neurosphères à être transmises en série sur une période prolongée peut refléter la présence de NSC dans les cultures.
Ce système de culture de la neurosphère a servi de modèle robuste pour étudier l’impact des voies de signalisation et de l’expression des gènes dans le maintien de la capacité d’auto-renouvellement des NSC in vitro15,29. Une approche pour explorer ces aspects consiste à transfecter des NSC pour surexprimer ou renverser des gènes spécifiques. Cela peut être accompli à l’aide de diverses techniques, y compris des méthodes virales et non virales. Bien que les vecteurs viraux atteignent souvent une efficacité élevée en matière de transfert de gènes, ils présentent des limites importantes, telles que des exigences de sécurité élevées et une production de vecteurs chronophage26. À l’inverse, les méthodes de transfection classiques comme la lipofection et l’électroporation atteignent des taux de transfection très faibles, ce qui les rend irréalisables pour les cellules difficiles à transfecter. La technologie de nucléofection offre une approche conviviale en combinant des solutions de nucléofection spécifiques à un type de cellule avec des paramètres électriques uniques pour chaque type de cellule37,38. Cela garantit le transfert de l’ADN directement dans le noyaucellulaire 39, permettant l’incorporation de l’ADN d’une manière indépendante du cycle cellulaire. Par conséquent, la nucléofection apparaît comme une technique viable pour transfecter des cellules difficiles à transfecter telles que les NSC de souris28,40.
L’une des limites de cette méthode est qu’un minimum de 2 x 106 cellules est recommandé et nécessaire pour chaque nucléofection, bien que dans des conditions optimales, un nombre inférieur de cellules puisse être utilisé par nucléofection unique (c’est-à-dire 5 × 105 cellules). Un autre inconvénient de la méthode est que la qualité et la concentration de l’ADN utilisé pour la nucléofection influencent considérablement l’efficacité du transfert de gènes. L’utilisation d’ADN préparé sans endotoxines est fortement recommandée pour prévenir une mortalité cellulaire élevée due à la présence d’endotoxines. De plus, l’utilisation de plus de 6 μg d’ADN total pour la nucléofection peut réduire considérablement l’efficacité du transfert de gènes et la viabilité cellulaire. Enfin, l’administration d’impulsions électriques est également essentielle à la survie des cellules nucléofectées.
Dans ce travail, nous avons illustré la manipulation de l’expression du gène Snrpn en employant une stratégie impliquant la régulation négative de son expression à l’aide de plasmides épisomaux. Ces plasmides ne sont pas intégrés dans le génome des cellules, et comme les NSC continuent de proliférer in vitro, l’ADN introduit sera ensuite dilué le long de la division cellulaire et, ainsi, perdra l’effet de la manipulation génétique. Par conséquent, cette stratégie est précieuse pour étudier l’effet d’une altération aiguë sur une courte période ou pour dater la naissance des cellules in vitro. Il existe des alternatives pour évaluer un effet plus prolongé de la perturbation génétique. Par exemple, un système intégratif tel que le piggyBAC basé sur un transposon pourrait être utilisé. Ce système consiste à introduire la séquence codante souhaitée contenue dans le plasmide flanquée de séquences transposables et à co-nucléifier les cellules avec un plasmide contenant la séquence de l’enzyme transposase41. Alternativement, des transposons ou les systèmes CRISPR/Cas pourraient être utilisés.
La poursuite du développement des technologies de transfection constituera une étape importante vers des tests à haut débit permettant d’évaluer le rôle de différents gènes sur la physiologie des cellules souches neurales adultes. Combinées à des méthodes de purification et d’expansion de plus en plus sophistiquées, ces études permettront de comprendre la biologie in vitro des CSN adultes et de comparer les différences biologiques entre les neurosphères flottantes et les CSN in vivo.
The authors have nothing to disclose.
Ce travail a été soutenu par des subventions du Ministerio de Ciencia e Innovación et de l’Agencia Estatal de Investigación (MCIN/AEI) (PID2019-110045GB-I00 ; PID2022-142734OB-I00 et EUR2023-143479) à SRF. EJV (FPU20/00795) et DSL (FPU22/03797) sont financés par le programme de bourses Spanish Formación de Profesorado Universitario (FPU). LLC (PRE2020-094137) et JDM (PREP2022-000680) sont financés par le programme de bourses Spanish Formación de Personal Investigador (FPI). CMM (CIACIF/2022/366) est financé par la Generalitat Valenciana. MIL (CPI-22-481) est financé par la bourse Programa INVESTIGO (Next Generation EU). Financement Open Access fourni par le Ministerio de Ciencia e Innovación.
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 |