Method Article
פרוטוקול זה מתאר מערכת תרבות דינמית כדי לייצר אגרגטים גודל מבוקר של תאי גזע פלורופוטנטיים אנושיים ולעורר עוד יותר בידול באורגנואידים המוח הקטן תחת תנאים מוגדרים כימית ונטול מאכיל באמצעות bioreactor חד-שימוש.
המוח הקטן ממלא תפקיד קריטי בתחזוקה של איזון וקואורדינציה מוטורית, פגם תפקודי בנוירונים המוח שונים יכול לעורר תפקוד המוח הקטן. רוב הידע הנוכחי על פנוטיפים עצביים הקשורים למחלות מבוסס על רקמות שלאחר המוות, מה שהופך את ההבנה של התקדמות המחלה ופיתוח קשה. מודלים של בעלי חיים וקווי תאים מונצחים שימשו גם כמודלים להפרעות ניווניות. עם זאת, הם אינם לגמרי לסיכום מחלות אנושיות. תאי גזע פלורופוטנטיים המושרה על ידי בני אדם (iPSCs) יש פוטנציאל גדול עבור מידול מחלות ולספק מקור יקר ערך עבור גישות רגנרטיביות. בשנים האחרונות, הדור של אורגנואידים מוחיים מ-iPSCs הנגזרים ממטופל שיפר את הסיכויים למודלים של מחלות ניווניות. עם זאת, פרוטוקולים המייצרים מספר גדול של אורגנואידים ותשואה גבוהה של נוירונים בוגרים במערכות תרבות 3D חסרים. הפרוטוקול שהוצג הוא גישה חדשה לדור רפרודוק ומדרגי של אורגנואידים אנושיים הנגזרים מ-iPSC בתנאים המוגדרים כימית באמצעות ביו-כוערים חד-פעמיות מדרגיים, שבהם אורגנואידים רוכשים זהות מוחית. האורבנואידים שנוצרו מאופיינים בביטוי של סמנים ספציפיים הן ברמת mRNA והן ברמת החלבון. הניתוח של קבוצות ספציפיות של חלבונים מאפשר זיהוי של אוכלוסיות שונות של תאים המוח הקטן, אשר התיור חשוב להערכת מבנה אורגנואיד. cryosectioning אורגנואידים וחיסונים נוספים של פרוסות אורגנואיד משמשים כדי להעריך את הנוכחות של אוכלוסיות ספציפיות של תאים המוח הקטן והארגון המרחבי שלהם.
הופעתם של תאי גזע פלורופוטנטיים אנושיים (PSCs) מייצגת כלי מצוין לרפואה רגנרטיבית ומידול מחלות, כי תאים אלה יכולים להיות מובדילים לתוך רוב תוחוני התא של גוףהאדם 1,,2. מאז הגילוי שלהם, פידול PSC באמצעות גישות מגוונות דווח המודל מחלות שונות, כולל הפרעות ניווניות3,,4,,5,6.
לאחרונה, היו דיווחים על תרבויות 3D נגזר PSCs דומה מבנים מוחיים אנושיים; אלה נקראים אורגנואידים במוח3,,7,,8. הדור של מבנים אלה הן PSCs בריא וסבלני מספק הזדמנות רבת ערך כדי מודל התפתחות אנושית והפרעות נוירו-התפתחותיות. עם זאת, השיטות המשמשות ליצירת מבנים מוחיים מאורגנים היטב אלה קשה להגיש בקשה לייצור בקנה מידה גדול שלהם. כדי לייצר מבנים גדולים מספיק כדי לתמצת מורפוגנזה רקמה ללא נמק בתוך organoids, פרוטוקולים להסתמך על המחויבות העצבית הראשונית בתנאים סטטיים, ואחריו אנקפולציה הידרוג'לים ותרבות עוקבותבמערכות דינמיות 3. עם זאת, גישות כאלה עשויות להגביל את קנה המידה הפוטנציאלי של ייצור אורגנואידים. למרות נעשו מאמצים לכוון את בידול PSC לאזורים מסוימים של מערכת העצבים המרכזית, כולל קליפת המוח, סטריאטל, המוח האמצעי, ונוירונים חוט השדרה9,10,11,12, הדור של אזורי מוח ספציפיים בתנאים דינמיים הוא עדיין אתגר. בפרט, הדור של נוירונים המוח הקטן בוגר במבנים 3D עדיין לא תואר. Muguruma ואח '. חלוץ הדור של תנאי תרבות כי סיכוםמוקדם המוח הקטן פיתוח 13 ולאחרונה דיווח פרוטוקול המאפשר לתאי גזע עובריים אנושיים ליצור מבנה מקוטב המזכיר את המוח הקטן של השלישהראשון 7. עם זאת, התבגרות של נוירונים המוח הקטן במחקרים שדווחו דורש תנתק של אורגנואידים, מיון של נבונות המוח הקטן, וcoculture עם תאי ההזנהבמערכת תרבות מונו-שכבתית 7,14,15,16. לכן, הדור הניתן לשחזור של אורגנואידים המוח הקטן הרצוי עבור מידול מחלות בתנאים מוגדרים הוא עדיין אתגר הקשורים תרבות ושונות מקור מאכיל.
פרוטוקול זה מציג תנאי תרבות אופטימליים להרחבת תלת-מיתד ובידול יעיל של PSCs אנושיים לנוירונים המוחליים באמצעות ביו-סיבה של גלגל אנכי חד-ספרתי (ראה טבלת חומרים למפרטים), הנקראים להלן ביו-כואבי החיים. ביו-גורם מצוידים במדחף אנכי גדול, אשר בשילוב עם תחתית בצורת U, לספק התפלגות גייה הומוגנית יותר בתוך כלי השיט, המאפשר עדין, ערבוב אחיד ומתלי חלקיקים עם מהירויות תסיסהמופחתת 17. עם מערכת זו, ניתן להשיג אגרגטים של תאים הנשלטים על-ידי צורה וגודל, דבר שחשוב להבדיל הומוגני ויעיל יותר. יתר על כן, מספר גדול יותר של אורגנואידים נגזר iPSC ניתן ליצור באופן פחות מייגע.
התכונה העיקרית של organoids, שהם מבנים רב תאיים 3D בדרך כלל נוצר מתאי גזע, הוא ארגון עצמי של סוגי תאים שונים שיוצרים צורות ספציפיות כמו אלה לראות מורפוגנזהאנושית 18,,19,20. לכן, מורפולוגיה אורגנואידית היא קריטריון חשוב שיש להעריך במהלך תהליך ההבחנה. Cryosectioning של אורגנואידים וחיסונים נוספים של פרוסות אורגנואיד עם קבוצה ספציפית של נוגדנים לאפשר הדמיה מרחבית של סמנים מולקולריים לנתח התפשטות תאים, בידול, זהות אוכלוסיית התא, אפופטוזיס. עם פרוטוקול זה, על ידי קריוסות אורגנואידים חיסוניות, מחויבות עצבית יעילה ראשונית נצפתה על ידי היוםה-7 של בידול. במהלך בידול, מספר אוכלוסיות תאים עם זהות המוח הקטן נצפו. לאחר 35 ימים במערכת דינמית זו, neuroepithelium המוח הקטן מארגן לאורך ציר apicobasal, עם שכבה apical של פרוגניטורים משגשגים ונוירונים פוסט מיתוטיים הממוקמים בהתבססות. במהלך תהליך ההתבגרות, מימים 35-90 של בידול, ניתן לראות סוגים שונים של נוירונים המוח הקטן, כולל תאי Purkinje (קלבינדין+), תאי גרגר (PAX6+/ MAP2+), תאי גולגי (Neurogranin+ ),תאי מברשת חד קוטביים (TBR2+), ונוירונים הקרנת גרעין המוח הקטן עמוק (TBR1+). כמו כן, כמות לא משמעותית של מוות תאים נצפתה באורגנואידים המוח הקטן שנוצר לאחר 90 ימים בתרבות.
במערכת זו, אורגנואידים הנגזרים על-ידי IPSC אנושיים מתבגרים לנוירונים המוח שונים ושורדים עד 3 חודשים ללא צורך בתחוך ומזון coculture, מתן מקור של נוירונים המוח הקטן האנושי עבור מידול מחלות.
1. מעבר ותחזוקה של iPSCs אנושיים בתרבות חד שכבתית
2. זריעת IPSCs אנושיים ביו-סיבה
3. בידול והתבגרות של אגרגטים אנושיים הנגזרים על-ידי IPSC באורגנואידים מוחיים
4. הכנת אורגנואידים להקפאה וחיסונים
הפרוטוקול החל על ידי קידום צבירת תאים באמצעות 0.1 L bioreactors (איור 1A). חסון תא יחיד של iPSCs בוצע, עם 250,000 תאים / מ"ל זרעו ב 60 מ"ל של בינוני עם מהירות תסיסה של 27 סל"ד. זה הוגדר כיהי 0. לאחר 24 שעות, התאים יצרו ביעילות אגרגטים בצורת ספרואיד (יום 1, איור 1B),והמורפולוגיה נשמרה היטב עד היום 5, עם עלייה הדרגתית בגודל, המדגימה רמה גבוהה של הומוגניות במורפולוגיה וגודל מצטברים לאורך זמן. (איור1B). ניתוח כמותי של מיקרוסקופיה גילה גם התפלגות נורמלית של גדלים מצטברים לפי יום 1 (איור 1C). גודל הצבירה הוא פרמטר פיזי חשוב המסוגל לבקש מהתאים להבדיל לכיוון יחסיםשונים 29,30. מסיבה זו, בהתבסס על הגודל המצטבר שדווח במחקריםקודמים כדי לגרום למחויבות עצבית יעילה 31,32 ומחויבות המוח21, אגרגטים שנוצרו נשמרו mTeSR1 בינוני ב 25 סל"ד עד שהם הגיעו לקוטר הרצוי לפני תחילת בידול (~ 200 μm). ביום 2, הקוטר הממוצע היה 221.0 ± 54.4 μm (ממוצע ± SD) עבור קו התא F002.1A.13 ו 212.1 ± 42.1 μm עבור קו התא iPSC6.2. ככזה, שני קווי התאים הגיעו לגודל הצבירה האופטימלי בנקודת זמן זו (איור 1C).
הגדרת היום שבו זריעת iPSCs בוצעה כיום 0, ביום 2, לאחר השגת קוטר צבירה רצוי, מחויבות עצבית הושרה על ידי בו זמנית באמצעות SB431542, FGF2, ואינסולין, קידום בידול נוירוקטודרמלי, כמו גם caudalization מתון הדרוש עבור דפוס באמצע הינדס. לאחר מכן, FGF19 ו SDF1 נוספו לתרבות בימים 14 ו 28, בהתאמה, כדי לקדם את הדור של קדמויים המוח שונים. בימים הראשונים של האינדוקציה העצבית, נעשה שימוש במהירות סיבוב של 25 סל"ד, אשר הוגדלה ל-30 סל"ד לאחר 7 ימים כדי למנוע הצטברות וגדילה של אגרגטים גדוליםיותר (איור 2א). במהלך בידול, אורגנואידים הראו אפיתל בולט יותר דומה למבנים דמויי צינור עצבי עם מרחב זוהר(איור 2B). בנוסף, ההערכה של התפלגות קוטר אורגנואיד הדגימה התפלגות גודל הומוגנית במהלך ההתחייבות המוחית הראשונית עד היום 14(איור 2B).
ניתוח Immunofluorescence תומך כי מחויבות עצבית יעילה של אורגנואידים נגזר iPSC כבר מושגת על ידי היום 7 של בידול לאחר הוספת FGF2 ו SB431542. cryosections של אורגנואידים חשפו מבנים רבים המזכירים את כתמי הצינור העצבי עבור PAX6 ו NESTIN, עם רוב התאים בתוך organoids המביעים סמן אב אדם NESTIN בימים 7 ו 14 של ביפרדול (איור 2C). לאחר מכן, FGF19 ו SDF1 קידמו את הדור של שכבות אב חסות המתפשטות ללא הרף (PAX6+) והושגה בידול עצבי יעיל, כפי שהוכח על ידי הביטוי של TUJ1, בטא-טובלין ברמה III ספציפית לנוירון, על ידי ימים 21 ו 35 (איור 2C). בנוסף, בידול מוחי-בלארי יעיל נצפתה גם לאחר 21 ימים ב-0.1 L VW bioreactors, שהוכח על ידי הנוכחות של שתי אוכלוסיות תאים שונות: אבותניטורים של תאי גרגיר (BARLH1+ תאים, איור 3A), וצירי תאPurkinje (OLIG2+ תאים, איור 3B). לאחר 35 ימים בתרבות, אוכלוסיות תאים שונות בתוך האורגנואידים נראו מאורגנות לשכבות נפרדות. מבנים שטוחים-סגלגלים שונים בתוך אורגנואידים נצפו עם BARHL1+ אבותיים המוח הקטן גב כשכבה רציפה בצד השטחי של האורגנואיד (איור 3C, D )וSOX2+ באזור הזוהר של מבנים סגלגלים אלה (איור 3D). בנוסף, TUJ1+ נוירונים שזה עתה נולדו הופיעו לנדוד לכיוון פני השטח, מחדש את היישור רדיאלי על פני השטח החלקהההחוצה של organoid (איור 3E).
לאחר הדור של קב"ה המוח הקטן, התבגרות נוספת קודמה באמצעות BrainPhys בינוני28 בתוספת עם גורמים נוירוטרופיים BDNF ו GDNF. כתם חיסוני של קריוסות אורגנואידים שימש לזיהוי תת-סוגים שונים של נוירונים המוח הקטן. תאי Purkinje, נוירונים GABAergic לבטא את קלבינדין חלבון מחייב סידן (CALB, איור 3F),זוהו באורגניואידים המוח הקטן לאחר פרוטוקול ההתבגרות. בנוסף, סוג עצבי ראשי נוסף, תאי גרגיר, זוהה כתת קבוצה של תאים המדכאים PAX6 ו- MAP2(איור 3G). מעניין, בריכה של PAX6+ האבות לא לבטא MAP2 נשמר עד 80 ימים של בידול. סוגים אחרים של נוירונים המוח הקטן זוהו גם, כולל תאי מברשת חד קוטביים המביעים TBR2(איור 3H), ונוירוניםהקרנת גרעין המוח הקטן עמוק המביעים TBR1(איור 3I). בנוסף הבידול המוחלי יעיל והתבגרות, מערכת תרבות דינמית 3D זו באמצעות PBS 0.1 L פולקסווגן bioreactors אפשר אורגנואידים להישאר קיימא עד 90 ימים, ללא מוות ונמק משמעותיים של תאים (איור 3J).
איור 1: יצירת אגרגטים הנשלטים על-ידי גודל באמצעות תורמים ביולוגיים מדרגיים. (א)תכונות עיצוב של ביו-יאה. (ב)פוטומיקרוגרף ברייטפילד המציג אגרגטים משתי שורות iPSC שונות בימים 1, 2 ו- 5. סרגל קנה מידה = 100 μm. (ג)התפלגות הגודל של אגרגטים צפים מקווי iPSC שונים ב-bioreactors. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 2: יצירת אורגנואידים אנושיים הנגזרים מ-iPSC באמצעות 0.1 L bioreactors. (א)ייצוג סכמטי של הליך התרבות כדי לגרום בידול של iPSCs לאוגניואידים המוחליים. תאים נזרעו בצפיפות של 250,000 תאים / מ"ל ומהירות תסיסה של 27 סל"ד שימש לקידום צבירת תאים. בימים הראשונים של בידול, אגרגטים נשמרו במהירות תסיסה של 25 סל"ד. לאחר מכן, כדי למנוע הצטברות של אגרגטים גדולים יותר, מהירות התסיסה הוגדלה ל-30 סל"ד. (ב)אפיון של צורה וגודל אורגנואידים. פוטומיקרוגרפים ברייטפילד המציגים אורגנואידים שמקורם ב-iPSC במהלך בידול המוח הקטן ב-0.1 L פולקסווגן bioreactors. סרגל קנה מידה = 100 μm. התפלגות קוטרים אורגנואידים מדגימה כי התרבות שמרה על גדלים הומוגניים אורגנואידים לאורך פרוטוקול ההבידול. (ג)אינדוקציה עצבית יעילה באורגניואידים הנגזרים מ-iPSC. אימונו-השפלה עבור NESTIN, PAX6 ו- TUJ1 במהלך בידול המוח הקטן. סרגל קנה מידה = 50 μm. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.
איור 3: בידול והתבגרות מוחית יעילה באורגנואידים אנושיים הנגזרים מ-iPSC. (א-E) מחויבות מוחית יעילה. ניתוח חיסוני עבור סמנים BARHL1, SOX2, OLIG2, NCAD ו- TUJ1 בנקודות זמן שצוינו של פרוטוקול הבידול המוחלי. אנילא יודע מהלעשות. התבגרות יעילה של אורגנואידים מוחיים נגזרים על-ידי IPSC. Immunofluorescence מראה סוגים שונים של נוירונים המוח הקטן, כולל תאי Purkinje (CALB, F), תאי גרגר (PAX6 ו MAP2, G), תאי מברשת חד קוטבית (TBR2), ו עמוק neuroclei המוח הקטן מקרין נוירונים (TBR1). (J)קיימות תא גבוהה לאחר התבגרות המוח הקטן. חי / מת (calcein-AM, ירוק, פרודיד פרופידיום, אדום) הכתמה של אורגנואידים הראה קיום תא גבוה ואין עדות של אזורים נמקים לאחר 80 ימים ביו-כוא. סרגל קנה מידה = 50 μm. לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של נתון זה.
הכנה לתקשורת |
ת.ב. כרך סופי: 500 מ"ל | 1. להפשיר mTeSR1 5× תוספת בטמפרטורת החדר (RT) או ב 4 ° C לילה ולערבב עם בינוני בסיס 2. חנות מלאה mTeSR1 בינוני ב 4 ° C עד 2 שבועות או להכין aliquots 40 מ"ל ולאחסן ב -20 ° C 3. mTeSR1 מלא חם מראש ב RT לפני השימוש |
gfCDM (אמצעי מוגדר כימית ללא גורם גדילה) כרך סופי: 60 מ"ל | F12 של 30 מ"ל האם 30 מ"ל IMDM 600 μL כימית מוגדר תרכיז שומנים (1 % v / v) 2.4 μL מונותיוגליצטרול (450 μM) 30 μL אפו-transferrin (פתרון מלאי ב 30 מ"ג / מ"ל במים, ריכוז סופי: 15 μg / מ"ל) 300 מ"ג BSA מטוהרים (5 מ"ג/מ"ל) 42 μL אינסולין (ריכוז מלאי ב 10 מ"ג / מ"ל, ריכוז סופי: 7 μg / מ"ל) 300 μL P/S (0.5% v/v, 50 U/ml פניצילין/50 μg/ml סטרפטומיצין) | |
נוירובאסל (נוירו-בסל) כרך סופי: 60 מ"ל | 60 מ"ל של מדיום נוירו-בסל 600 μL N2 תוספת 600 μL גלוטמקס I 300 μL P/S (0.5 % v /v). | |
המוח השלם כרך סופי: 60 מ"ל | 60 מ"ל של BrainPhys 1.2 מ"ל תוסף עצבי SM1 NeuroCult Neuronal תוספת 600 μL N2 12 μL BDNF (ריכוז סופי: 20 ng/mL) 12 μL GDNF (ריכוז סופי: 20 ng/מ"ל) 300 μL Dibutyryl-cAMP (ריכוז מלאי: 100 מ"ג/מ"ל במים, ריכוז סופי: 1 מ"מ) 42 חומצה אסקורבית μL (ריכוז מלאי: 50 μg/ מ"ל במים, ריכוז סופי: 200 צפון) | |
פתרונות מלאי של גורמי גדילה ומולקולות קטנות |
גורם גדילה פיברובלסט בסיסי (bFGF / FGF2) ריכוז מלאי: 100 μg/mL | 1. התבססות ב 5 מ'מ טריס, pH 7.6, בריכוז של 10 מ"ג/מ"ל 2. דילול עם 0.1% BSA ב PBS (v /v) לריכוז מניות סופי של 100 μg/mL |
גורם סטרומה נגזר תא 1 (SDF1) ריכוז מלאי: 100 μg/mL | 1. התבססות מחדש במים בריכוז של 10 מ"ג/מ"ל 2. דילול עם 0.1% BSA (v /v) ב PBS לריכוז מניות סופי של 100 μg/ מ"ל. | |
גורם נוירוטרופי נגזר במוח (BDNF) ריכוז מלאי: 100 μg/mL | ||
גורם נוירוטרופי הנגזר מתא גליאלי (GDNF) ריכוז מלאי: 100 μg/mL | ||
גורם גדילה פיברובלסט 19 (FGF19) ריכוז מלאי: 100 μg/mL | 1. התבססות ב 5 מ"מ נתרן פוספט, pH 7.4, בריכוז של 10 מ"ג/מ"ל 2. דילול עם 0.1% BSA ב PBS (v /v) לריכוז מניות סופי של 100 μg/mL | |
מעכבי רוק Y-27632 ריכוז מלאי: 10mM | תקם מחדש בDMSO בריכוז של 10 מ"ר. | |
ת.ב. 431542 ריכוז מלאי: 10mM | ||
אינסולין ריכוז מלאי: 10 מ"ג/מ"ל | 1. לשחזר 10 מ"ג אינסולין ב 300 μL של 10 m NaOH 2. בזהירות להוסיף 1 M NaOH עד הפתרון הופך ברור שקוף 3. למלא עד 1 מ"ל עם מים סטריליים. |
טבלה 1: פתרונות מלאי והכנת מדיה. המפורטים הם כל הרכיבים ונפחים המשמשים להכנת מדיה עבור פרוטוקול תחזוקה ובידול iPSCs, כמו גם פתרונות מלאי של גורמי גדילה ומולקולות קטנות. עבור פתרונות מניות, כל ריכוז המניות והפרוטוקולים להשבתה מפורטים.
ג'לטין/סוכרוז ריכוז סופי: 7.5%/15% עם/ואט | 1. לשקול 15 גרם סוכרוז ו 7.5 גרם של ג'לטין בבקבוק זכוכית שוט סטרילי ולערבב היטב 2. לחמם מראש PBS 1× ב 65 ° C 3. להוסיף PBS 1 × מראש למשקל הסופי של 100 גרם ולערבב היטב 4. מניחים את בקבוק הזכוכית שוט בצלחת חימום ב-65 מעלות צלזיוס ומנערים עד שהז'לטין נמס 5. דגירה ב 37 ° C עד הפתרון מתייצב |
ג'ין (גלצין) ריכוז סופי: 0.1 M | הוסף 0.37 ג'ין ל-50 מ"ל של PBS 1×. |
פתרון טריטון ריכוז סופי: 0.1 % עם רוחב | 1. להכין 10% טריטון X-100 מניות: 5 גרם של Triton X-100 ב 50 מ"ל של PBS 1× 2. להוסיף 0.5 מ"ל של טריטון X-100 מניות 50 מ"ל של PBS 1×. |
TBST (ת"א) 20 מ' Tris-HCl pH 8.0, 150 מ"ר NaCl, 0.05% עם טווין-20 | 20 מ"ל טריס 1 מ' 30 מ"ל NaCl 5 מ' 5 מ"ל Tween-20 (10% מניות: 5 גרם של Tween-20 ב 50 מ"ל מים) מלא ל-1 ל' במים. |
חסימת פתרון | להוסיף 5 מ"ל של סרום חזיר עוברי (FBS, ריכוז סופי: 10 % v /v) כדי 50 מ"ל של TBST. |
פתרון DAPI | להוסיף 15 μL של פתרון מלאי DAPI (1 מ"ג/ מ"ל) ל 10 מ"ל של מים מנוחלים |
מויול (11 | 1. להוסיף 2.4 גרם של Mowiol 6 גרם גליטרול ולנער במשך 1 שעה בצלחת מחממת מראש ב 50 ° C 2. להוסיף 6 מ"ל של מים מזוקקים ולנער במשך 2 שעות 3. להוסיף 12 מ"ל של Tris 200 mM (pH 8.5) ולנער במשך 10 דקות 4. צנטריפוגה ב- 5,000 × גרם למשך 15 דקות 5. אליקוט וחנות ב -20 °C. |
טבלה 2: פתרונות להכנת אורגנואידים להקפאה וחיסונים. המפורטים הם כל הרכיבים ונפחים המשמשים להכנת הפתרונות המשמשים בהכנת אורגנואידים עבור cryosectioning וחיסונים.
נוגדן | מינים מארחים | דילול |
1 אנשים | ארנב | 1/500 |
קלבינדין (קלבינדין) | ארנב | 1/500 |
Map2 (100) | העכבר | 1/1000 |
N-CADHERIN | העכבר | 1/1000 |
נדין (19) | העכבר | 1/400 |
אוליג2 (119) | ארנב | 1/500 |
ת.ד.ו.ו. | ארנב | 1/400 |
ת.ד.ה. | העכבר | 1/200 |
TBR1 (1) | ארנב | 1/200 |
TBR2 (1000) | ארנב | 1/200 |
ת.א. | העכבר | 1/1000 |
טבלה 3: נוגדנים עיקריים. הנוגדנים, המשובטים והדילולים הממוטבים העיקריים המשמשים לחיסונים מפורטים.
הצורך במספרי תאים גדולים, כמו גם תנאי תרבות מוגדרים כדי ליצור סוגי תאים ספציפיים עבור סינון תרופות ויישומי רפואה רגנרטיבית כבר נהיגה בפיתוח של מערכות תרבות מדרגית. בשנים האחרונות דיווחו מספר קבוצות על הדור המדרגי של תובנים עצבייםונוירונים פונקציונליים 32,33,34, המספקים התקדמות משמעותית בפיתוח מודלים חדשים להפרעות ניווניות. עם זאת, היוון של כמה אירועים קריטיים של התפתחות עוברית עדיין חסר, ואת התחזוקה של נוירונים פונקציונליים שנוצר בהשעיה לפרקי זמן ארוכים עדיין לא הושג34. מוצג כאן היא מערכת תרבות 3D דינמי מסוגל ליצור iPSC נגזר אורגנואידים עצביים עם זהות המוח הקטן, ולקדם עוד יותר התבגרות לתוך נוירונים המוח הקטן פונקציונלי תחת תנאים מוגדרים כימית ללא מאכיל בתרבות דינמית.
לפני תחילת בידול המוח הקטן, זה קריטי כדי לשמור על האיכות של iPSCs האנושי. לפיכך, כדי לא להתפשר על הבידול, יש לבצע לא יותר משלושה קטעים של iPSCs מהפשרה ועד חיסונים ביו-יים. שלב חשוב בפרוטוקול ההבידול הוא להעריך את גודל הצבירה. לגודל הצבירה יש תפקיד קריטי בגרימת בידול לכיוון תחוחה ספציפית של תא29. חוץ מזה, יש סף גודל מינימלי שנראה לטובת בידול35. כפי שכבר דווח, קוטר צבירה אופטימלי הנגזר מ-iPSCלקידום מחויבות עצבית יעילה 31,32 ובידול מוחי 21 הוא קוטר של כ-200 μm.
בנוסף, בפרוטוקול דינמי זה, מהירות התסיסה המשמשת בימים הראשונים של התרבות היא קריטית כדי לשלוט בקוטר המצטבר והשראה עצבית. התרבות החלה ב 27 סל"ד, אשר מספיק כדי לקדם צבירת iPSCs ולהימנע היווצרות של אגרגטים גדולים יותר (קוטרים מעל 350 μm יש להימנע). התסיסה המשמשת לקידום צבירת תאים לאחר זריעת תאים בודדים יכולה להיות מוגברת ל-30 סל"ד מבלי להשפיע על הכדאיות של התאים; עם זאת, מהירויות עצבנות גבוהות יותר צפויות לייצר אגרגטים קטנים יותר. בהתאם לקו iPSC, 24 שעות לאחר זריעת תאים באמצעות 27 סל"ד, צפויים שני תרחישים שונים: הצבירות שנוצרו מציגות קוטרים קטנים יותר (<200 μm) או הגיעו לטווח גדלים בין 200-300 μm. אם אגרגטים גדולים מ 350 μm ב 24 שעות לאחר זריעת תאים, בידול לא צריך להתבצע, ואת זריעת התא צריך לחזור, כי היעילות של ההבידול יהיה נמוך מאוד. אם הצבירה קטנה מ- 200 μm, יש להחליף את המדיום שהושקע במדיום תחזוקת iPSC, ואת מהירות התסיסה מופחתת ל- 25 סל"ד. עם התאמה זו, קוטר צבירה צפוי לגדול מהיום הראשון ליום 2, ככל הנראה בשל מיזוג של אגרגטים בודדים המקודמים על ידי הירידה במהירות התסיסה. במקרה של אגרגטים עם גדלים בין 200-300 μm, המדיום בילה צריך להיות מוחלף עם מדיום בידול, אינדוקציה עצבית עם FGF2 צריך להתחיל לאחר 2 ימים בתרבות. בשלב זה, מהירות התסיסה צריך גם להיות מופחת במקצת כדי למנוע מוות מוגזם של תאים, כי תאים רגישים יותר ללחץ גהה בנוכחות של דיום בידול. בנוסף, ניתן לנתח את ההומוגניות של האוכלוסייה באמצעות מקדם הווריאציה (CV), המודד את השונות על-ידי התאמת סטיית תקן עם האמצעים של קוטר מצטבר, על פי המשוואה
שבו δ מייצג את סטיית התקן של הקוטר הצבור μ הוא הקוטר הממוצע. במערכת דינמית זו, קורות החיים הממוצעים שנצפו היו 12.5 ± 3.3% (ממוצע ± SD) עבור קו התא F002.1A.13 ו 19.0 ± 0.37% עבור iPSC6.2 קו התא ביום 2. לכן, במערכת זו, יש לצפות לאוכלוסיית גודל הומוגני עם קורות חיים מתחת ל- 0.2 (< 20% מהווריאציה). לאחר 7 ימים של בידול, הקוטר הצבורי הממוצע נע בין 300-360 μm, ומהירות התסיסה הוגדלה ל 30 סל"ד כדי למנוע אגרגטים להתיישב בתחתית 0.1 L פולקסווגן bioreactor.
ההבידול של אורגנואידים המוח הקטן עד היום 35 וניתוח של גודל מצטבר בתנאים סטטיים דווחו לאחרונה21. המחברים הראו כי אגרגטים תלת-מית-מית-מית-יים נוצרו ומתוחזקים בצלחת (לדוגמה, Aggrewell) עד היום ה-7 של בידול היו הומוגניים בגודלםובצורה 21. עם זאת, לאחר העברת הצבירות לקובץ מצורף אולטרה-נמוך 6 צלחות תרבות באר, הצבירות החלו להשתנות בגודל ומורפולוגיה21. ביום 35 בתנאים סטטיים, חלק מהצרגטים 3D הגיע 1,000 μm עבור קווי תא שונים, אשר הגביל את דיפוזיה של חומרים מזינים וחמצן. לעומת זאת, באמצעות התנאים הדינמיים שלנו, אגרגטים לא הגיעו לקוטר של יותר מ-800 μm ביום ה-35, עם העברת מסה משופרת בשל התסיסה המתמדת של המדיום שקודם על ידי הגלגל האנכי. יתר על כן, הגדלים המצרפיים נשמרו עד סוף תהליך ההתבגרות, מראה קוטר מצטבר של 646.6 ± 104.2 μm ביום 90, התרבות הארוכה ביותר שבוצעה 0.1 L פולקסווגן bioreactors.
אינדוקציה מוחית יעילה הושרה על ידי תוספת רציפה של SB431542, FGF2, FGF19, ו SDF1 במערכת דינמית 3D זה. הפרוטוקול מתחיל עם השילוב של SB431542, שהוא בטא גורם גדילה משתנה (TGF-ß)-חוסם קולטן המעכב בידול mesendodermal, ו FGF2, אשר יש השפעה עיקרית בcaudalization של רקמת נוירו-פיתלאלי25. לכן, התוספת של שתי מולקולות אלה בימים הראשונים של התרבות היא חיונית כדי לקדם את בידול התא לאמצע ההינדי, הטריטוריה שמורימת את רקמת המוח הקטן. לאחר אינדוקציה ראשונית לרקמות המוח האמצעי, יש צורך להוסיף FGF19 לקידום הדור הספונטני של מבנים באמצע המוח האחורי עם קוטביות גב-גחוני, כמו גם את הדור של קדמותהמוח שונים 36,26. SDF1 מקל על הארגון של שכבות נפרדות של דבק המוח, כפי שניתן לראות בשלב ההתפתחותי שבו neurogenesis המוח הקטןמתרחשת 27. עד היום ה-35, מולקולות אלה יכולות לקדם את הארגון של אורגנואידים המוח הקטן שיכול לתוות מחדש את התפתחות המוח הקטן האנושי, אשר מתאים המוח הקטן של השליש הראשון. לאחר הארגון של אבות המוח לתוך שכבות שונות, מדיום עצבי מוגדר שימש כדי לקדם את ההתבגרות שלהם28. מדיה אחרת המשמשת לשמירה על תאים עצביים יכולה גם להיבדק, אבל יעילות נמוכה יותר צפויים. לכן, בפרוטוקול זה, BrainPhys שימש כדי לקדם את ההבידול של תאים המוח ים מחויבים לתוך נוירונים המוח הקטן, כי זה דווח כדי לחקות טוב יותר את הסביבה העצבית בריאה ולתמוך בפעילות נוירופיזיולוגית של נוירוניםשנוצרו 28.
באמצעות תנאים דינמיים אלה, ניתן להשיג דיפוזיה יעילה יותר של חומרים מזינים, חמצן, וגדילה. עם זאת, מגבלות מסוימות משויכות לתסיסה המשמשת בפרוטוקול ההבידול. כמה מתח גייה יכול להיות הציג על ידי תהליך התסיסה, אשר יכול להשפיע על ההישרדות, התפשטות, בידול של תאים. לכן, במהלך שלב ההתבגרות, שבו התאים רגישים יותר, יש לפקח בזהירות על התרבות.
הבידול של אורגנואידים המוח הקטן המזכירים התפתחות המוח הקטן האנושי כבר דווח7. עם זאת, התבגרות נוספת של אורגנואידים המוח צלולים אלה לתוך נוירונים המוח הקטן באמצעות תרביות 3D נשאר אתגר. הדור של נוירונים המוח הקטן פונקציונלי הושג רק על ידי coculturing עם תאי גרגיר ממקורותשונים 4,,7,,15. פרוטוקול זה שידרג בהצלחה את המחויבות המוחית-הקטן של IPSCs אנושיים; בנוסף, זהו הפרוטוקול הראשון עבור בידול של נוירונים מוח שונים במערכת תרבות 3D מבלי לשתף פעולה עם תאי ההזנה. באופן ספציפי, סוגי התאים הבאים יכולים להיות מיוצרים במערכת התרבות הדינמית שלנו: תאי Purkinje (Calbindin+), תאי גרגיר (PAX6+/MAP2+), תאי מברשת חד קוטביים (TBR2+), ונוירונים הקרנת גרעינים המוח הקטן עמוק (TBR1+), אשר נשמרו בהשעיה במשך זמן רב ככל 3 חודשים.
הדור המדרגי של אורגנואידים המוח הקטן מייצג כלי רב ערך לחקר ההתפתחות העוברית של המוח הקטן ואת המסלולים הפתולוגיים המעורבים בניוון של איבר זה. יתר על כן, הקרנה בתפוקה גבוהה עבור מולקולות לשחזר את תפקוד המוח הקטן עשוי להתבצע באמצעות אורגנואידים שהושגו עם מערכת מדרגית זו. בסך הכל, שיטה זו עונה על צורך שלא נענה בפרוטוקול מדרגי לדור אורגנואידים מוחיים באיכות גבוהה שעשויים להיות חשובים עבור מגוון יישומים ביו-רפואיים.
המחברים YH ו-SJ הם עובדים של PBS ביוטכנולוגיה. המחבר BL הוא מנכ"ל ומייסד שותף של PBS ביוטכנולוגיה, Inc. מחברים משתפי פעולה אלה השתתפו בפיתוח התורמים הביולוגיים המשמשים בכתב היד. כך אינו משנה את דבקות המחברים בכל המדיניות של היומן על שיתוף נתונים וחומרים. כל שאר המחברים לא מצהירים על ניגוד עניינים.
עבודה זו נתמכה על ידי Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT), פורטוגל (UIDB/04565/2020 באמצעות Programa Operacional Regional de Lisboa 2020, פרויקט N. 007317, PD/BD/105773/2014 ל-T.P.S ו-PD/BD/128376/2017 ל-D.E.S.N), פרויקטים במימון שיתוף של FEDER (POR Lisboa 2020– Programa Operacional Regional de Lisboa פורטוגל 2020) ו-FCT באמצעות מענק PAC-PRECISE LISBOA-01-0145-FEDER-016394 ו-CEREBEX Generation של אורגנואידים המוח הקטן למענק מחקר אטקסיה LISBOA-01-0145-FEDER-029298. המימון התקבל גם מתכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי, במסגרת הסכם המענק מספר 739572 – מרכז התגליות לרפואה רגנרטיבית ודיוקה H2020-WIDESPREAD-01-2016-2017.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
3MM paper | WHA3030861 | Merck | |
Accutase | A6964 - 500mL | Sigma | cell detachment medium |
Anti-BARHL1 Antibody | HPA004809 | Atlas Antibodies | |
Anti-Calbindin D-28k Antibody | CB28 | Millipore | |
Anti-MAP2 Antibody | M4403 | Sigma | |
Anti-N-Cadherin Antibody | 610921 | BD Transduction | |
Anti-NESTIN Antibody | MAB1259-SP | R&D | |
Anti-OLIG2 Antibody | MABN50 | Millipore | |
Anti-PAX6 Antibody | PRB-278P | Covance | |
Anti-SOX2 Antibody | MAB2018 | R&D | |
Anti-TBR1 Antibody | AB2261 | Millipore | |
Anti-TBR2 Antibody | ab183991 | Abcam | |
Anti-TUJ1 Antibody | 801213 | Biolegend | |
Apo-transferrin | T1147 | Sigma | |
BrainPhys Neuronal Medium N2-A & SM1 Kit | 5793 - 500mL | Stem cell tecnhnologies | |
Chemically defined lipid concentrate | 11905031 | ThermoFisher | |
Coverslips 24x60mm | 631-1575 | VWR | |
Crystallization-purified BSA | 5470 | Sigma | |
DAPI | 10236276001 | Sigma | |
Dibutyryl cAMP | SC- 201567B -500mg | Frilabo | |
DMEM-F12 | 32500-035 | ThermoFisher | |
Fetal bovine serum | A3840001 | ThermoFisher | |
Gelatin from bovine skin | G9391 | Sigma | |
Glass Copling Jar | E94 | ThermoFisher | |
Glutamax I | 10566-016 | ThermoFisher | |
Glycine | MB014001 | NZYtech | |
Ham’s F12 | 21765029 | ThermoFisher | |
Human Episomal iPSC Line | A18945 | ThermoFisher | iPSC6.2 |
IMDM | 12440046 | ThermoFisher | |
Insulin | 91077C | Sigma | |
iPS DF6-9-9T.B | WiCell | ||
Iso-pentane | PHR1661-2ML | Sigma | |
L-Ascorbic acid | A-92902 | Sigma | |
Matrigel | 354230 | Corning | basement membrane matrix |
Monothioglycerol | M6154 | Sigma | |
Mowiol | 475904 | Millipore | mounting medium |
mTeSR1 | 85850 -500ml | Stem cell technologies | |
N2 supplement | 17502048 | ThermoFisher | |
Neurobasal | 12348017 | ThermoFisher | |
Paraformaldehyde | 158127 | Sigma | |
PBS-0.1 Single-Use Vessel | SKU: IA-0.1-D-001 | PBS Biotech | |
PBS-MINI MagDrive Base Unit | SKU: IA-UNI-B-501 | PBS Biotech | |
Recombinant human BDNF | 450-02 | Peprotech | |
Recombinant human bFGF/FGF2 | 100-18B | Peprotech | |
Recombinant human FGF19 | 100-32 | Peprotech | |
Recombinant human GDNF | 450-10 | Peprotech | |
Recombinant human SDF1 | 300-28A | Peprotech | |
ROCK inhibitor Y-27632 | 72302 | Stem cell technologies | |
SB431542 | S4317 | Sigma | |
Sucrose | S7903 | Sigma | |
SuperFrost Microscope slides | 12372098 | ThermoFisher | adhesion microscope slides |
Tissue-Tek O.C.T. Compound | 25608-930 | VWR | |
Tris-HCL 1M | T3038-1L | Sigma | |
Triton X-100 | 9002-93-1 | Sigma | |
Tween-20 | P1379 | Sigma | |
UltraPure 0.5M EDTA, pH 8.0 | 15575020 | ThermoFisher |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved