本研究は、日本科学振興会(JSPS)の科学研究助成金17H05661および18K19903、コア2コアプログラム、およびビヨンドAI研究所によって支援されました。

<ol><li>Raper, J., Mason, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cellular+strategies+of+axonal+pathfinding%5BTitle%5D)+AND+%22Cold+Spring+Harbor+Perspective+Biology%22%5BJournal%5D)">Cellular strategies of axonal pathfinding.</a> Cold Spring Harbor Perspective Biology. 2 (9), 001933(2010).</li>
<li>Ito, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((RIPK1+mediates+axonal+degeneration+by+promoting+inflammation+and+necroptosis+in+ALS%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">RIPK1 mediates axonal degeneration by promoting inflammation and necroptosis in ALS.</a> Science. 353 (6299), 603-608 (2016).</li>
<li>Fujimori, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+sporadic+ALS+in+iPSC-derived+motor+neurons+identifies+a+potential+therapeutic+agent%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Medicine%22%5BJournal%5D)">Modeling sporadic ALS in iPSC-derived motor neurons identifies a potential therapeutic agent.</a> Nature Medicine. 24 (10), 1579-1589 (2018).</li>
<li>Chen, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+ALS+with+iPSCs+Reveals+that+Mutant+SOD1+Misregulates+Neurofilament+Balance+in+Motor+Neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Cell+Stem+Cell%22%5BJournal%5D)">Modeling ALS with iPSCs Reveals that Mutant SOD1 Misregulates Neurofilament Balance in Motor Neurons.</a> Cell Stem Cell. 14 (6), 796-809 (2014).</li>
<li>Osaki, T., Uzel, S. G. M., Kamm, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microphysiological+3D+model+of+amyotrophic+lateral+sclerosis+%28ALS%29+from+human+iPS-derived+muscle+cells+and+optogenetic+motor+neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Advances%22%5BJournal%5D)">Microphysiological 3D model of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) from human iPS-derived muscle cells and optogenetic motor neurons.</a> Science Advances. 4 (10), (2018).</li>
<li>Imamura, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Src%2Fc-Abl+pathway+is+a+potential+therapeutic+target+in+amyotrophic+lateral+sclerosis%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">The Src/c-Abl pathway is a potential therapeutic target in amyotrophic lateral sclerosis.</a> Science Translational Medicine. 9 (391), (2017).</li>
<li>Wang, L., Marquardt, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((What+axons+tell+each+other%3A+axon-axon+signaling+in+nerve+and+circuit+assembly%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Opinion+in+Neurobiology%22%5BJournal%5D)">What axons tell each other: axon-axon signaling in nerve and circuit assembly.</a> Current Opinion in Neurobiology. 23 (6), 974-982 (2013).</li>
<li>Kawada, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Generation+of+a+Motor+Nerve+Organoid+with+Human+Stem+Cell-Derived+Neurons%5BTitle%5D)+AND+%22Stem+Cell+Reports%22%5BJournal%5D)">Generation of a Motor Nerve Organoid with Human Stem Cell-Derived Neurons.</a> Stem Cell Reports. 9 (5), 1441-1449 (2017).</li>
<li>Nagendran, T., Poole, V., Harris, J., Taylor, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Use+of+Pre-Assembled+Plastic+Microfluidic+Chips+for+Compartmentalizing+Primary+Murine+Neurons%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">Use of Pre-Assembled Plastic Microfluidic Chips for Compartmentalizing Primary Murine Neurons.</a> JoVE. (141), e58421(2018).</li>
<li>Paranjape, S. R., Nagendran, T., Poole, V., Harris, J., Taylor, A. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Compartmentalization+of+Human+Stem+Cell-Derived+Neurons+within+Pre-Assembled+Plastic+Microfluidic+Chips%5BTitle%5D)+AND+%22JoVE%22%5BJournal%5D)">Compartmentalization of Human Stem Cell-Derived Neurons within Pre-Assembled Plastic Microfluidic Chips.</a> JoVE. (147), e59250(2019).</li>
<li>Chambers, S. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+small-molecule+inhibition+accelerates+developmental+timing+and+converts+human+pluripotent+stem+cells+into+nociceptors%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Biotechnology%22%5BJournal%5D)">Combined small-molecule inhibition accelerates developmental timing and converts human pluripotent stem cells into nociceptors.</a> Nature Biotechnology. 30 (7), 715-720 (2012).</li>
<li>Rimington, R. P., Fleming, J. W., Capel, A. J., Wheeler, P. C., Lewis, M. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bioengineered+model+of+the+human+motor+unit+with+physiologically+functional+neuromuscular+junctions%5BTitle%5D)+AND+%22bioRxiv%22%5BJournal%5D)">Bioengineered model of the human motor unit with physiologically functional neuromuscular junctions.</a> bioRxiv. , (2020).</li>
<li>Cullen, D. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Bundled+Three-Dimensional+Human+Axon+Tracts+Derived+from+Brain+Organoids%5BTitle%5D)+AND+%22iScience%22%5BJournal%5D)">Bundled Three-Dimensional Human Axon Tracts Derived from Brain Organoids.</a> iScience. 21, 57-67 (2019).</li>
<li>Giandomenico, S. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cerebral+organoids+at+the+air-liquid+interface+generate+diverse+nerve+tracts+with+functional+output%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neurosciences%22%5BJournal%5D)">Cerebral organoids at the air-liquid interface generate diverse nerve tracts with functional output.</a> Nature Neurosciences. 22 (4), 669-679 (2019).</li>
<li>Egawa, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drug+screening+for+ALS+using+patient-specific+induced+pluripotent+stem+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Science+Translational+Medicine%22%5BJournal%5D)">Drug screening for ALS using patient-specific induced pluripotent stem cells.</a> Science Translational Medicine. 4 (145), (2012).</li>
<li>Sances, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+ALS+with+motor+neurons+derived+from+human+induced+pluripotent+stem+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Neurosciences%22%5BJournal%5D)">Modeling ALS with motor neurons derived from human induced pluripotent stem cells.</a> Nature Neurosciences. 19 (4), 542-553 (2016).</li>
<li>Qu, Q., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-efficiency+motor+neuron+differentiation+from+human+pluripotent+stem+cells+and+the+function+of+Islet-1%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">High-efficiency motor neuron differentiation from human pluripotent stem cells and the function of Islet-1.</a> Nature Communications. 5 (1), 3449(2014).</li>
<li>Kirihara, T., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Human+Induced+Pluripotent+Stem+Cell-Derived+Tissue+Model+of+a+Cerebral+Tract+Connecting+Two+Cortical+Regions%5BTitle%5D)+AND+%22iScience%22%5BJournal%5D)">A Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Tissue Model of a Cerebral Tract Connecting Two Cortical Regions.</a> iScience. 14, 301-311 (2019).</li>
<li>Rigamonti, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-Scale+Production+of+Mature+Neurons+from+Human+Pluripotent+Stem+Cells+in+a+Three-Dimensional+Suspension+Culture+System%5BTitle%5D)+AND+%22Stem+Cell+Reports%22%5BJournal%5D)">Large-Scale Production of Mature Neurons from Human Pluripotent Stem Cells in a Three-Dimensional Suspension Culture System.</a> Stem Cell Reports. 6 (6), 993-1008 (2016).</li>
<li>Yan, Y., Song, L., Madinya, J., Ma, T., Li, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Derivation+of+Cortical+Spheroids+from+Human+Induced+Pluripotent+Stem+Cells+in+a+Suspension+Bioreactor%5BTitle%5D)+AND+%22Tissue+Engineering+Part+A%22%5BJournal%5D)">Derivation of Cortical Spheroids from Human Induced Pluripotent Stem Cells in a Suspension Bioreactor.</a> Tissue Engineering Part A. 24 (5-6), 418-431 (2017).</li>
</ol>

この議定書の一部として、川田二郎が設立したジクサック・バイオエンジニアリング社に特許が認可されている。

このプロトコルは、ヒトiPS細胞から生成された運動ニューロンスフェロイドから伸長した軸索束を有する運動神経オルガノイド(MNO)の形成を記述する。形成された軸索束は厚く、適用範囲が広く、単方向構造でよく整理されている。軸索束を解剖することにより、生化学的分析のために高純度軸索タンパク質およびRNAを十分に得ることができる。ニューロン活性は、カルシウムイメージングを用いた軸索束およびスフェロイドで測定することができる。軸索リセート中の核タンパク質と樹状タンパク質の汚染は、ウェスタンブロッティングでは検出されず、我々の方法が効率的に軸索を細胞体と樹状突起から分離することを実証した。
このプロトコルの利点の1つは、3Dプロトコルで4週間、2Dプロトコルを使用して5-6週間ですべてのプロセスを行うことができる軸索バンドルを装備したMNOの急速な差別化と生成です。これは、通常、胚性幹細胞およびiPS細胞17 からMNに分化するのに3〜4週間かかる他のプロトコルと比較して短く、軸索伸長を得るのにさらに2〜4週間かかる。3D プロトコルは、2D プロトコルと比較して、分化時間が短く、手順が少なく、技術上のリスクが低減されるため、一般的に 2D プロトコルよりも好まれます。マイクロ流体ベースの組織培養チップは、MNSの軸索がマイクロチャネルを通じて他のコンパートメントに向かって伸びるように設計されており、アクソン間のアキソ軸索相互作用と親和性を誘発することによって軸索の束の形成を容易にする。単純な実験的なセットアップのために、ここで説明するすべてのプロトコルは、組織培養チップの操作に精通しているバイオエンジニアだけでなく、マイクロ流体および微細加工技術に精通していない生物学者や神経科学者によっても実行することができます。手順 1 および 2 は、外部ファブリケーション サービスを使用して実行することもできます。
プロトコルを実現するための重要な手順の 1 つに、培養メディアの順次変更があります。分化中の各工程で培養培地を完全に変更し、使用済み培地の因子がMN分化を妨げないようにすることが推奨される。このプロトコルのもう一つの重要なポイントは、未分化iPS細胞を良好な品質で維持することです。初期iPS細胞培養の品質は、運動ニューロンおよびMNOを得るための効率に大きく影響する。もう1つのポイントは、MNSの直径がチップの穴のサイズ(1.5mm)よりも小さくなるべきであるということです。より大きな回転楕円体はチャンバーに入ることができず、中央部に重度の低酸素壊死を経験する可能性がある。MNSのサイズは、iPS細胞の初期シード数(3Dプロトコル)または運動ニューロン(2Dプロトコル)を変更することで制御できます。細胞の播種密度は、各iPS細胞株に合わせて最適化する必要があります。
マイクログルーブと小さな細孔フィルターを備えた区画化されたマイクロ流体デバイスは、軸索を細胞体および樹状突起から分離するために広く使用されてきました。この技術はまた、細胞体および樹状突起から軸索を分離することができ、束ねられた組織の軸索の優れた豊富さ。他の方法と比較して、この方法の1つの大きな制限は、2つの異なる培地を必要とする2つの異なる細胞の共培養能力を妨げる組織培養チップの現在の設計において2つの異なる培養培地を分離できないことである。もう一つの制限は、PDMSチップが組織のサイズに所定の制限を置くということである。穴より大きい回転楕円体はチャンバに入ることができず、軸索束はマイクロ流体チャネルの幅よりも厚く成長することができません。
この方法は、他のタイプのニューロンに適用することができます。我々のグループは、大脳オルガノイド技術18と組み合わせた修飾法を用いて大脳管をモデル化する能力を示した。コルチカルスフェロイドは両方のコンパートメントに導入され、軸索は各スフェロイドに向かって往復的に伸び、その後自発的に形成された軸索束である。その結果、2つの皮質スフェロイドを軸索束を介して接続することができ、組織を一片として得ることができる。これは、このアプローチが神経細胞タイプに関係なく軸索束組織を形成する汎用性が高いということを示している。このプロトコルでは、ヒトiPS細胞を用いたが、ヒトES細胞およびヒト神経幹細胞を含む他の幹細胞は、提示されたプロトコルに対する改変とともに使用され得る。ニューロンの3Dスフェロイドは、多様なプロトコル19、20によって生成することができる。軸索束を用いて組織を作るこの方法は、将来的に3D MNスフェロイドを作るための他の分化プロトコルと組み合わせることができる。さらに、軸索バンドルの厚さと長さは、将来の発展のために組織培養チップのマイクロチャネルの幅と高さを単に変更することによって制御することができます。
このプロトコルは、薬物検査やスクリーニングに使用でき、軸索の発達と疾患の根底にあるメカニズムの理解に貢献できると考えています。

脊髄運動ニューロン(MN)は、体の動きを制御するために骨格筋に軸索を拡張します。彼らの軸索軌道は、発達過程において高度に組織化され、規制されている。軸索拡張とガイダンス1に関する多くの研究にもかかわらず、組織化された軸索束形成のためのメカニズムはまだ調査中である。運動ニューロンの軸索は筋萎縮性側索硬化症(ALS)2などの神経変性疾患によって損傷を受けることが多いが、軸膜の損傷の病態生理学的メカニズムは十分に理解されていない。したがって、軸索束の形成と回帰を再現する生理学的および病理学的モデルが現場で必要とされている。
ヒト幹細胞由来運動ニューロンは、ALS 3などの発症や疾患を理解するための有望なプラットフォームである。ヒト誘導多能性幹細胞(iPS細胞)は、患者由来細胞を用いた疾患のモデル化に使用できる。現在までに、多能性幹細胞からMNへの種々の分化方法が4,5,6に報告されている。しかしながら、二次元培養におけるニューロンの軸索はランダムに配向しており、緻密なアキソ軸索相互作用を介して一方向に組み立てられる神経の中で生体内微小環境を再現しない。この問題を克服するために、ヒトiPS細胞8から運動神経に似た三次元組織を生成する技術を開発し、その組織を運動神経オルガノイド(MNO)と名付けました。MNOは、運動ニューロンスフェロイド(MNS)に位置する細胞体と、スフェロイドから伸びた軸索の魅惑から構成されています。ファシクルの軸索は一方向に向き、運動神経の発達における軸索に似ている。したがって、MNは独特に生理学的軸索微小環境を提供し、これは他の以前に開発された神経培養法では行われなかった。
本プロトコルでは、開発されたチップにおける組織培養チップの製造方法、急速運動ニューロン分化、運動神経オルガノイド形成の方法について述べている。当社の組織培養チップは非常にシンプルで、スフェロイドを受け入れるためのコンパートメント、軸索束を形成するためのマイクロチャネル、およびハウジング軸索端子用のコンパートメントのみが含まれています。デバイスには、サイズ9,10で軸索と細胞体を分離するためによく使用されるマイクログルーブやマイクロポアフィルタを含む複雑な構造は含まれていません。したがって、フォトリソグラフィのセットアップが利用可能な場合、このプロトコルで説明されている手順に従うことによって、当社のデバイスを簡単に製造することができます。
ヒトiPS細胞の急速な分化は、誘導およびパターン化因子(SB431542、LDN-193189、レチノイン酸(RA)、および平滑化アゴニスト(SAG))および加速因子(SU5402およびDAPT)の最適化された組み合わせで達成される。SU5402とDAPTの組み合わせにより、末梢ニューロンと神経堤細胞11の分化が加速することが報告されている。このプロトコルでは、MMOを生成する3つの異なる方法を提供し、読者が自分のニーズに最も適した方法を決定できるようにします。分化したMNSは組織培養チップに直接移すことができるため、スフェロイド(3D法)を形成した後にヒトiPS細胞の分化を行うことを推奨します。あるいは、ヒトiPS細胞は、単層(2D)培養において運動ニューロンに分化され、その後、我々が先に報告した8のように三次元運動ニューロン回転楕円体に作り出すことができる。プロトコルを更新し、このプロトコルで説明した三次元分化法により、2Dから3Dへの移行を回避し、MMOは解離ステップなしでより短い分化時間、より少ないステップ、および技術的リスクの低減で得ることができる。市販のニューロンは、分化のための時間を短縮するためにMNSを生成するために使用することもできる。
MNOを生成するために、組織培養チップでMNSを培養した。軸索は回転楕円体から伸び、軸索が集まって一方向に整列するマイクロチャネルに伸びる。これは、このプロトコルによって独自に達成されるマイクロチャネルにおける軸索の緊密に組み立てられた単一方向バンドル組織のアキソ軸索相互作用および自発的な形成を促進するが、自発的な束形成または導かれた軸索方向は、他のプロトコル12、13、14によって単独で達成することができる。典型的な実験では、少数の細胞がスフェロイドからマイクロチャネルに移行し、ほとんどの細胞は近くのスフェロイドにとどまります。この方法により、軸索をサイズ依存の物理的障壁(マイクログルーブやマイクロポアフィルタなど)を使用せずに、軸索を回転楕円体から自発的に分離して、軸索を細胞体から分離することができます。
結果として得られるMNOは形態学的、生化学的および物理的な分析を含むさまざまな検査を受けることができる。細胞体と拡張軸索束は切断によって物理的に単離することができ、下流の実験、例えば生化学的アッセイのために別々に分析することができる。RNAやタンパク質を含む生物学的材料は、RT-PCRおよびウェスタンブロッティングを含む通常の生化学的アッセイのためのほんの数個の軸索束から単離することができる。ここでは、軸索の発達と疾患のメカニズムを研究するための魅力的な生理学的および病理学的モデルを提供するiPS細胞から運動神経オルガノイドを生成するためのプロトコルについて述べる。

<table><tbody><tr><td>(Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane</td><td>Sigma</td><td>440302</td><td></td></tr><tr><td>16% Paraformaldehyde (formaldehyde) aqueous solution</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>15710</td><td></td></tr><tr><td>200&amp;micro;l Wide Bore Pipet Tips</td><td>BMBio</td><td>BMT-200WRS</td><td></td></tr><tr><td>6-well plates</td><td>Violamo</td><td>2-8588-01</td><td></td></tr><tr><td>Accutase</td><td>ICT</td><td>AT104</td><td></td></tr><tr><td>B-27 Supplement (50X)</td><td>Gibco</td><td>17504044</td><td></td></tr><tr><td>Bovine serum albumin</td><td>Sigma</td><td>A6003</td><td></td></tr><tr><td>Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)</td><td>Wako</td><td>020-12913</td><td></td></tr><tr><td>CO2 incubator</td><td>Panasonic</td><td>MCO-18AIC</td><td></td></tr><tr><td>Cryostor CS10</td><td>Stem Cell Technologies</td><td>07959</td><td></td></tr><tr><td>DAPT</td><td>Sigma</td><td>D5942</td><td></td></tr><tr><td>DMEM/F12</td><td>Sigma</td><td>D8437</td><td></td></tr><tr><td>Fluo-4 AM</td><td>Dojindo Laboratories</td><td>CS22</td><td></td></tr><tr><td>GlutaMAX Supplement</td><td>Gibco</td><td>35050-061</td><td></td></tr><tr><td>Growth factor reduced Matrigel (basement membrane matrix)</td><td>Corning</td><td>354230</td><td></td></tr><tr><td>HB9 Antibody</td><td>Santa Cruz</td><td>sc-22542</td><td></td></tr><tr><td>HBSS</td><td>Wako</td><td>085-09355</td><td></td></tr><tr><td>Hoechst 33342</td><td>Sigma</td><td>14533</td><td></td></tr><tr><td>iCell motor neuron (commercially available human iPS cell-derived motor neurons)</td><td>Cellular Dynamics</td><td>R1051</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl alcohol (IPA)</td><td>Wako</td><td>166-04836</td><td></td></tr><tr><td>Knock Out Serum Replacement</td><td>Gibco</td><td>10828028</td><td></td></tr><tr><td>LDN193189</td><td>Sigma</td><td>SML0559</td><td></td></tr><tr><td>MEA probe</td><td>Alpha MED Scientific inc</td><td>MED-P5004A</td><td></td></tr><tr><td>MEM Non-essential Amino Acid Solution (100x) (NEAA)</td><td>Sigma</td><td>M7145</td><td></td></tr><tr><td>Microscope Glass</td><td>Matsunami</td><td>S9111</td><td></td></tr><tr><td>mTeSR Plus</td><td>Stem Cell Technologies</td><td>05825</td><td></td></tr><tr><td>N2 supplement</td><td>Wako</td><td>141-08941</td><td></td></tr><tr><td>Neurobasal medium</td><td>Gibco</td><td>21103049</td><td></td></tr><tr><td>Penicillin-streptomycin</td><td>Gibco</td><td>15140122</td><td></td></tr><tr><td>Photoresist SU-8 2100</td><td>Microchem</td><td>#SU-8 2100</td><td></td></tr><tr><td>Prime surface 96U</td><td>Sumitomo Bakelite</td><td>MS-9096U</td><td></td></tr><tr><td>ReLeSR (passaging reagent)</td><td>Stem Cell Technologies</td><td>05872</td><td></td></tr><tr><td>Retinoic acid</td><td>Wako</td><td>186-01114</td><td></td></tr><tr><td>SAG</td><td>Sigma</td><td>SML1314</td><td></td></tr><tr><td>SB431542</td><td>Wako</td><td>192-16541</td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafer</td><td>SUMCO</td><td>PW-100-100</td><td></td></tr><tr><td>Silpot 184 w/c kit</td><td>Dow Toray</td><td>Silpot 184 w/c kit</td><td></td></tr><tr><td>Smi32 Antibody</td><td>Biolegend</td><td>801701</td><td></td></tr><tr><td>SU5402</td><td>Sigma</td><td>SML0443</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Developer</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Synapsin I Antibody</td><td>Millipore</td><td>Ab1543</td><td></td></tr><tr><td>TrypLE Express liquid without phenol red (dissociation solution)</td><td>Gibco</td><td>12604-021</td><td></td></tr><tr><td>Tuj1 Antibody</td><td>Biolegend</td><td>801202</td><td></td></tr><tr><td>Y-27632</td><td>Wako</td><td>030-24021</td><td></td></tr></tbody></table>

three-dimensional motor nerve organoid generation

軸索の魅力は、神経系で観察される主要な構造モチーフの一つです。軸索のファシクルの破壊は、発達および神経変性疾患を引き起こす可能性があります。軸索の研究は数多く行われてきましたが、軸索の形成と機能不全の理解は、堅牢な3次元インビトロモデルの欠如のために依然として限られています。ここでは、マイクロ流体ベースの組織培養チップにおけるヒト人工多能性幹細胞(iPS)細胞からの運動神経オルガノイド(MNO)の迅速な生成のためのステップバイステッププロトコルについて説明する。まず、この方法に用いるチップの製造について説明する。ヒトiPS細胞から、運動ニューロンスフェロイド(MNS)が形成される。次に、差別化されたMNSがチップに転送されます。その後、軸索は自発的にスフェロイドから成長し、チップに装備されたマイクロチャネル内の魅惑的に組み立てられ、スフェロイドから伸びる軸索の束を運ぶMNO組織を生成する。下流の分析のために、MMOは、形態学的分析のために固定されるか、生化学的分析のために解剖されるチップから取り出すことができるだけでなく、カルシウムイメージングおよび多電極アレイの記録。このプロトコルで生成されたMNは、薬物検査とスクリーニングを容易にし、軸索のファシクルの発症および疾患の根底にあるメカニズムの理解に貢献することができます。

運動ニューロンは、3D分化手順で12〜14日以内に分化した(図4および図5)。重要なことに、細胞の60%以上が分化中に運動ニューロンマーカーHB9を発現した。免疫細胞化学は、MNSの細胞の約80%がSMI32陽性運動ニューロンであることを明らかにした。HB9およびSMI32は、確立された初期段階の運動ニューロンマーカー15、16である。HB9およびSMI32の発現は、運動ニューロンの細胞の同一性を確保するために確認する必要がある重要なパラメータである。MNSを培養チップに導入した後、軸索はチャネルに伸び、軸索束が形成されます。物理ガイドとして機能するマイクロチャネルにより、軸索はMNSから伸び、アキソ軸索相互作用によってバンドルを形成する(図6A)。MNOの生成を確認するために顕微鏡観察によって軸索束の形成を確認することが不可欠である。成功したMNOは、50 μmより広い軸索バンドルを、チャネル内のバンドルから少数の孤立した軸索を負担します。軸索の初期伸びは、スフェロイドの導入後24時間で観察することができる。次の3〜4日以内に、軸索はマイクロチャネルの中心に達し、さらに10日以内にもう一方の端まで到達する(図6A)。その結果、軸索は、2〜3週間で一方向のまっすぐな束を組み立てて形成し、その後神経活動が観察された。
運動神経オルガノイドは、生体解析のために顕微鏡ガラスからPDMSを取り外すことによってチップから収集することができる(図6B)。軸索束および細胞体は、顕微鏡下で外科用ナイフまたはツイーザーを用いて切断することによって解剖および単離することができる(図6B)。RNAやタンパク質を含むこれらの生物学的材料は、RT-PCRおよびウェスタンブロッティングなどの通常の生化学的アッセイに使用することができます。MNの軸索束では、核または樹状のメーカーのタンパク質はウェスタンブロッティングでは検出されない(図6C)。
カルシウムインジケーター(Fluo-4 AM)と組み合わせて、神経細胞活性を組織培養チップに捕捉することができる。MNO内では、回転楕円体および軸索束中の運動ニューロンの自発的な活動が観察された。また、多電極アレイシステムを用いて神経活動を観察した。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig01.jpg"> 図1:PDMS組織培養チップの寸法。 (A)組織培養チップのフォトマスク。(B)組織培養チップ中のマイクロチャネルの寸法。運動ニューロンスフェロイドを保持するためのベースチャンバーの直径は2mmであり、チャンバー上のPDMSの穴は1.5mmである。マイクロチャネルブリッジ2室の幅と高さは、どちらも150 μmです。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61544/61544fig01large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig02.jpg"> 図2:運動ニューロン分化の模式図。 (A)分化ステップには、神経誘導、運動ニューロン系統へのパターニング、および運動ニューロンの成熟が含まれる。(B) iPS細胞から運動ニューロンスフェロイド(MNS)を作成する2つのオプション:3Dプロトコルと、運動ニューロンの解離ステップを持つ2Dプロトコル。運動神経オルガノイド(MNO)は、両方のプロトコルによって得ることができる。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61544/61544fig02large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig03.jpg"> 図3:基体膜マトリックスコーティングと運動ニューロン回転楕円体導入のためのステップバイステッププロトコル。 (A)組織培養チップのチャネルにおける基質膜マトリックスコーティング。(B)チップの穴に MNS を導入します。(C)培地を吸引して培地を吸引して培地を変化する。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61544/61544fig03large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig04.jpg"> 図4:2Dおよび3D運動ニューロン分化。 (A)代表的な3D MNS分化(3Dプロトコル)の時間経過。MNSのサイズは徐々に増加した。スケールバー:500 μm。(B) -D2、D0、D1、D6、D12 (2D プロトコル) での 2D 分化の時間経過。スケールバー:500 μm。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61544/61544fig04large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig05.jpg"> 図5:運動ニューロンの特性 (A)(左) SMI-32抗体とDAPIで染色されたMNSのクライオセクション。(中央)基部膜マトリックスコーティングされた表面上の再めっきされたMNSの位相コントラスト画像。軸索伸びが認められた。(右)シナプシンIおよびTuj1抗体で染色された再めっきMNSの軸索。スケールバー:500μm(左と中央)と50μm(右)。(B)TujおよびHB9抗体で免疫染色された2D運動ニューロンの代表的な画像。スケールバー:200 μm。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61544/61544fig05large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig06.jpg"> 図6:培養チップで発生する運動神経オルガノイド(MNO)の特性評価。 (A)D32上の軸索伸長と厚い軸索束形成の代表的な画像。スケールバー:500 μm。(B) SMI-32及びDAPIによる運動神経オルガノイド(MNO)の免疫染色軸索および細胞体は物理的に切断することによって隔離することができる。スケールバー:1mm(C)ウェスタンブロッティングによって定量された軸索および細胞体からのタンパク質の純度。樹状マーカーであるMAP2は軸索タンパク質では検出されなかったのに対し、軸索マーカーTau1は軸索タンパク質中に富化した。<a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61544/61544fig06large.jpg" target="_blank">この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。</a>

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Three-Dimensional Motor Nerve Organoid Generation

このプロトコルは、組織培養チップ内のスフェロイドから伸びる強い軸索束の自発的な組み立てを通じて、ヒトiPS細胞由来運動神経オルガノイドを作製するための包括的な手順を提供する。

三次元運動神経オルガノイド発生

A fascicle of axons is one of the major structural motifs observed in the nervous system. Disruption of axon fascicles could cause developmental and ...

three-dimensional-motor-nerve-organoid-generation

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Neuroscience

9.2K ビュー.  The University of Tokyo. このプロトコルは、組織培養チップ内のスフェロイドから伸びる強い軸索束の自発的な組み立てを通じて、ヒトiPS細胞由来運動神経オルガノイドを作製するための包括的な手順を提供する。

ビデオ: Three-Dimensional Motor Nerve Organoid Generation

Three-Dimensional Imaging of Organoids to Study Primary Ciliogenesis During ex vivo Organogenesis

Organoids are stem cell-derived three-dimensional structures that reproduce ex vivo the complex architecture and physiology of organs. Thus, organoids represent useful models to study the mechanisms that control stem cell self-renewal and differentiation in mammals, including primary ciliogenesis and ciliary signaling. Primary ciliogenesis is the dynamic process of assembling the primary cilium, a key cell signaling center that controls stem cell self-renewal and/or differentiation in various tissues. Here we present a comprehensive protocol for the immunofluorescence staining of cell lineage and primary cilia markers, in whole-mount mouse mammary organoids, for light sheet microscopy. We describe the microscopy imaging method and an image processing technique for the quantitative analysis of primary cilium assembly and length in organoids. This protocol enables a precise analysis of primary cilia in complex three-dimensional structures at the single cell level. This method is applicable for immunofluorescence staining and imaging of primary cilia and ciliary signaling in mammary organoids derived from normal and genetically modified stem cells, from healthy and pathological tissues, to study the biology of the primary cilium in health and disease.

<meta charset="utf8"></head><body>ex vivo器官形成における一次繊毛形成を研究するためのオルガノイドの三次元イメージング

Stem cell-derived organoids facilitate the analysis of molecular and cellular processes that regulate stem cell self-renewal and differentiation during organogenesis in mammalian tissues. Here we present a protocol for the analysis of the biology of the primary cilium in mouse mammary organoids.

ex vivo器官形成における一次繊毛形成を研究するためのオルガノイドの三次元イメージング

Organoids are stem cell-derived three-dimensional structures that reproduce ex vivo the complex architecture and physiology of organs. Thus, organoids ...

遺伝学

Brain Organoid Generation from Induced Pluripotent Stem Cells in Home-Made Mini Bioreactors

The iPSC-derived brain organoid is a promising technology for in vitro modeling the pathologies of the nervous system and drug screening. This technology has emerged recently. It is still in its infancy and has some limitations unsolved yet. The current protocols do not allow obtaining organoids to be consistent enough for drug discovery and preclinical studies. The maturation of organoids can take up to a year, pushing the researchers to launch multiple differentiation processes simultaneously. It imposes additional costs for the laboratory in terms of space and equipment. In addition, brain organoids often have a necrotic zone in the center, which suffers from nutrient and oxygen deficiency. Hence, most current protocols use a circulating system for culture medium to improve nutrition.
Meanwhile, there are no inexpensive dynamic systems or bioreactors for organoid cultivation. This paper describes a protocol for producing brain organoids in compact and inexpensive home-made mini bioreactors. This protocol allows obtaining high quality organoids in large quantities.

Here we describe a protocol for generating brain organoids from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). To obtain brain organoids in large quantities and of high quality, we use home-made mini bioreactors.

自家製ミニバイオリアクターにおける人工多能性幹細胞からの脳オルガノイド発生

The iPSC-derived brain organoid is a promising technology for in vitro modeling the pathologies of the nervous system and drug screening. This technology ...

発生生物学

Innervation of Human Intestinal Organoids

The complexity of intestinal cytoarchitecture and function poses significant challenges for the creation of the bioengineered small intestine. Techniques for generating human intestinal organoids (HIOs) resembling human small intestine have been previously reported. HIOs contain epithelium and mesenchyme but lack other critical components of functional intestine such as the enteric nervous system (ENS), immune cells, vasculature, and microbiome. Two independent research groups have published distinct methods to innervate HIOs with an ENS. Here we discuss a unique method of incorporating the ENS into an HIO-derived bioengineered small intestine, which utilizes components of these prior reports to optimize progenitor cell identity as well as developmental timing.
Human pluripotent stem cells (hPSCs) are differentiated to independently generate HIOs and enteric neural crest cells (ENCCs) by temporal regulation of differentiation markers over a period of several days per published protocols. Once HIOs reach the mid-hindgut spheroid stage (approximately day 8), day 15-21 ENCC spheroids are dissociated, co-cultured with HIOs, and suspended within clear three-dimensional (3D) basement membrane matrix droplets. HIO + ENCC co-cultures are maintained in vitro for 28-40 days before transplantation into &#62;9-week-old immunodeficient mice for further development and maturation. Transplanted HIOs (tHIOs) with ENS can be harvested 4-20 weeks later. This method integrates elements from two previously published techniques by utilizing ENCCs generated from hPSCs and co-culturing them with HIOs at an early stage of development to maximize exposure to early developmental cues that likely contribute to the formation of a more mature intestinal morphology.

Human intestinal organoids must be innervated to better recapitulate the structure and function of the native human intestine. Here, we present one method for incorporating an enteric nervous system into these constructs.

ヒト腸オルガノイドの神経支配

The complexity of intestinal cytoarchitecture and function poses significant challenges for the creation of the bioengineered small intestine. Techniques ...

Generation of 3D Midbrain Organoids from Human-Induced Pluripotent Stem Cells

The development of midbrain organoids (MOs) from human pluripotent stem cells (hPSCs) represents a significant advancement in understanding brain development, facilitating precise disease modeling, and advancing therapeutic research. This protocol outlines a method for generating midbrain-specific organoids using induced pluripotent stem cells (iPSCs), employing a strategic differentiation approach. Key techniques include dual-SMAD inhibition to suppress SMAD signaling, administration of fibroblast growth factor 8b (FGF-8b), and activation of the Sonic Hedgehog pathway using the agonist purmorphamine, guiding iPSCs towards a midbrain fate.
The organoids produced by this method achieve diameters up to 2 mm and incorporate a diverse array of neuroepithelial cell types, reflecting the midbrain&#39;s inherent cellular diversity. Validation of these organoids as authentic midbrain structures involves the expression of midbrain-specific markers, confirming their identity. A notable outcome of this methodology is the effective differentiation of iPSCs into dopaminergic neurons, which are characteristic of the midbrain.
The significance of this protocol lies in its ability to produce functionally mature, midbrain-specific organoids that closely replicate essential aspects of the midbrain, offering a valuable model for in-depth exploration of midbrain developmental processes and the pathophysiology of related disorders such as Parkinson&#39;s disease. Thus, this protocol serves as a crucial resource for researchers seeking to enhance our understanding of the human brain and develop new treatments for neurodegenerative diseases, making it an indispensable tool in the field of neurological research.

This protocol describes a novel method for creating 3D midbrain organoids from human induced pluripotent stem cells, guiding their formation to mimic native midbrain tissue, thereby aiding in the study of development and disorders.

ヒト人工多能性幹細胞からの3D中脳オルガノイドの作製

The development of midbrain organoids (MOs) from human pluripotent stem cells (hPSCs) represents a significant advancement in understanding brain ...

Scalable Generation of Mature Cerebellar Organoids from Human Pluripotent Stem Cells and Characterization by Immunostaining

The cerebellum plays a critical role in the maintenance of balance and motor coordination, and a functional defect in different cerebellar neurons can trigger cerebellar dysfunction. Most of the current knowledge about disease-related neuronal phenotypes is based on postmortem tissues, which makes understanding of disease progression and development difficult. Animal models and immortalized cell lines have also been used as models for neurodegenerative disorders. However, they do not fully recapitulate human disease. Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) have great potential for disease modeling and provide a valuable source for regenerative approaches. In recent years, the generation of cerebral organoids from patient-derived iPSCs improved the prospects for neurodegenerative disease modeling. However, protocols that produce large numbers of organoids and a high yield of mature neurons in 3D culture systems are lacking. The protocol presented is a new approach for reproducible and scalable generation of human iPSC-derived organoids under chemically-defined conditions using scalable single-use bioreactors, in which organoids acquire cerebellar identity. The generated organoids are characterized by the expression of specific markers at both mRNA and protein level. The analysis of specific groups of proteins allows the detection of different cerebellar cell populations, whose localization is important for the evaluation of organoid structure. Organoid cryosectioning and further immunostaining of organoid slices are used to evaluate the presence of specific cerebellar cell populations and their spatial organization.

This protocol describes a dynamic culture system to produce controlled size aggregates of human pluripotent stem cells and further stimulate differentiation in cerebellar organoids under chemically-defined and feeder-free conditions using a single-use bioreactor.

ヒト多能性幹細胞からの成熟小脳オルガノイドのスケーラブルな生成と免疫染色による特徴付け

The cerebellum plays a critical role in the maintenance of balance and motor coordination, and a functional defect in different cerebellar neurons can ...

生物工学

Generation of Human Motor Units with Functional Neuromuscular Junctions in Microfluidic Devices

Neuromuscular junctions (NMJs) are specialized synapses between the axon of the lower motor neuron and the muscle facilitating the engagement of muscle contraction. In motor neuron disorders, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and spinal muscular atrophy (SMA), NMJs degenerate, resulting in muscle atrophy and progressive paralysis. The underlying mechanism of NMJ degeneration is unknown, largely due to the lack of translatable research models. This study aimed to create a versatile and reproducible in vitro model of a human motor unit with functional NMJs. Therefore, human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived motor neurons and human primary mesoangioblast (MAB)-derived myotubes were co-cultured in commercially available microfluidic devices. The use of fluidically isolated micro-compartments allows for the maintenance of cell-specific microenvironments while permitting cell-to-cell contact through microgrooves. By applying a chemotactic and volumetric gradient, the growth of motor neuron-neurites through the microgrooves promoting myotube interaction and the formation of NMJs were stimulated. These NMJs were identified immunocytochemically through co-localization of motor neuron presynaptic marker synaptophysin (SYP) and postsynaptic acetylcholine receptor (AChR) marker &#945;-bungarotoxin (Btx) on myotubes and characterized morphologically using scanning electron microscopy (SEM). The functionality of the NMJs was confirmed by measuring calcium responses in myotubes upon depolarization of the motor neurons. The motor unit generated using standard microfluidic devices and stem cell technology can aid future research focusing on NMJs in health and disease.

We describe a method to generate human motor units in commercially available microfluidic devices by co-culturing human induced pluripotent stem cell-derived motor neurons with human primary mesoangioblast-derived myotubes resulting in the formation of functionally active neuromuscular junctions.

マイクロ流体デバイスにおける機能性神経筋接合を有するヒト運動ユニットの生成

Neuromuscular junctions (NMJs) are specialized synapses between the axon of the lower motor neuron and the muscle facilitating the engagement of muscle ...

神経科学

Robust and Highly Reproducible Generation of Cortical Brain Organoids for Modelling Brain Neuronal Senescence In Vitro

Brain organoids are three-dimensional models of the developing human brain and provide a compelling, cutting-edge platform for disease modeling and large-scale genomic and drug screening. Due to the self-organizing nature of cells in brain organoids and the growing range of available protocols for their generation, issues with heterogeneity and variability between organoids have been identified. In this protocol paper, we describe a robust and replicable protocol that largely overcomes these issues and generates cortical organoids from neuroectodermal progenitors within 1 month, and that can be maintained for more than 1 year. This highly reproducible protocol can be easily carried out in a standard tissue culture room and results in organoids with a rich diversity of cell types typically found in the developing human cortex. Despite their early developmental make-up, neurons and other human brain cell types will start to exhibit the typical signs of senescence in neuronal cells after prolonged in vitro culture, making them a valuable and useful platform for studying aging-related neuronal processes. This protocol also outlines a method for detecting such senescent cells in cortical brain organoids using senescence-associated beta-galactosidase staining.

Robust and Highly Reproducible Generation of Cortical Brain Organoids for Modelling Brain Neuronal Senescence In Vitro

In this study, we provide a detailed technique for a simple yet robust cortical organoid culture system using standard feeder-free hPSC cultures. This is a rapid, efficient, and reproducible protocol for generating organoids that model aspects of brain senescence in vitro.

インビトロでの脳ニューロン老化のモデリングのための皮質脳オルガノイドの堅牢で再現性の高い生成

Brain organoids are three-dimensional models of the developing human brain and provide a compelling, cutting-edge platform for disease modeling and ...

A High-Throughput Platform for Culture and 3D Imaging of Organoids

The characterization of a large number of three-dimensional (3D) organotypic cultures (organoids) at different resolution scales is currently limited by standard imaging approaches. This protocol describes a way to prepare microfabricated organoid culture chips, which enable multiscale, 3D live imaging on a user-friendly instrument requiring minimal manipulations and capable of up to 300 organoids/h imaging throughput. These culture chips are compatible with both air and immersion objectives (air, water, oil, and silicone) and a wide range of common microscopes (e.g., spinning disk, point scanner confocal, wide field, and brightfield). Moreover, they can be used with light-sheet modalities such as the single-objective, single-plane illumination microscopy (SPIM) technology (soSPIM). 
The protocol described here gives detailed steps for the preparation of the microfabricated culture chips and the culture and staining of organoids. Only a short length of time is required to become familiar with, and consumables and equipment can be easily found in normal biolabs. Here, the 3D imaging capabilities will be demonstrated only with commercial standard microscopes (e.g., spinning disk for 3D reconstruction and wide field microscopy for routine monitoring).

This paper presents a fabrication protocol for a new type of culture substrate with hundreds of microcontainers per mm2, in which organoids can be cultured and observed using high-resolution microscopy. The cell seeding and immunostaining protocols are also detailed.

オルガノイドの培養および3Dイメージングのためのハイスループットプラットフォーム

The characterization of a large number of three-dimensional (3D) organotypic cultures (organoids) at different resolution scales is currently limited by ...

生物学

Generating Neuromuscular Junctions Using a Microfluidic Device

Source: Stoklund Dittlau, K. et al., <a href="https://app-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/v/62959">Generation of Human Motor Units with Functional Neuromuscular Junctions in Microfluidic Devices.</a>&#160;J. Vis. Exp. (2021)
The video demonstrates the formation of neuromuscular junctions using a microfluidic device. Neural precursor cells and muscle progenitor cells are seeded into different wells within the device and left to mature into motor neurons and myotubes, respectively. The creation of a volume and chemical gradient leads to the development of active neuromuscular junctions.

マイクロ流体デバイスを用いた神経筋接合部の生成

All procedures involving sample collection have been performed in accordance with the institute&#39;s IRB guidelines.
All reagents and equipment used in ...

三次元運動神経オルガノイド発生

要約

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ex vivo器官形成における一次繊毛形成を研究するためのオルガノイドの三次元イメージング

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自家製ミニバイオリアクターにおける人工多能性幹細胞からの脳オルガノイド発生

ヒト腸オルガノイドの神経支配

ヒト人工多能性幹細胞からの3D中脳オルガノイドの作製

ヒト多能性幹細胞からの成熟小脳オルガノイドのスケーラブルな生成と免疫染色による特徴付け

マイクロ流体デバイスにおける機能性神経筋接合を有するヒト運動ユニットの生成

インビトロでの脳ニューロン老化のモデリングのための皮質脳オルガノイドの堅牢で再現性の高い生成

オルガノイドの培養および3Dイメージングのためのハイスループットプラットフォーム

マイクロ流体デバイスを用いた神経筋接合部の生成