Method Article
Bu protokol, mitokondriyal hacimdeki değişiklikler, mitokondriyal solunum zinciri (MRC) kompleks alt birimlerinin miktarları ve mitokondriyal DNA (mtDNA) replikasyonu dahil olmak üzere çoklu mitokondriyal fonksiyonel parametrelerin eşzamanlı değerlendirmesi için bir akış sitometresi ve çoklu antikorların kullanılması için benzersiz bir yöntem bildirir.
Mitokondriyal disfonksiyon, birçok nörodejenerasyon tipine ortak bir birincil veya ikincil katkıda bulunur ve mitokondriyal kütle, mitokondriyal solunum zinciri (MRC) kompleksleri ve mitokondriyal DNA (mtDNA) kopya sayısındaki değişiklikler sıklıkla bu süreçlerde yer alır. İnsan kaynaklı pluripotent kök hücrelerden (iPSC'ler) türetilen insan beyni organoidleri, beynin üç boyutlu (3D) sitomimari düzenlemesini özetler ve karmaşık bir insan sisteminde hastalık mekanizmalarını inceleme ve yeni terapötikleri tarama imkanı sunar. Burada, iPSC'den türetilmiş kortikal organoidlerde çoklu mitokondriyal parametreleri ölçmek için benzersiz bir akış sitometrisi tabanlı yaklaşım bildiriyoruz. Bu rapor, iPSC'lerden kortikal beyin organoidleri üretmek, üretilen organoidlerin tek hücreli ayrışması, fiksasyon, boyama ve çoklu mitokondriyal parametreleri değerlendirmek için müteakip akış sitometrik analizi için bir protokolü detaylandırır. MRC kompleksi alt birimi NADH'ye karşı antikorlarla çift boyama: Ubikinon Oksidoredüktaz Alt Birimi B10 (NDUFB10) veya mitokondriyal transkripsiyon faktörü A (TFAM), voltaja bağlı anyon seçici kanal 1 (VDAC 1) ile birlikte mitokondri başına bu proteinlerin miktarının değerlendirilmesine izin verir. TFAM miktarı mtDNA miktarına karşılık geldiğinden, mitokondriyal içerik başına mtDNA kopyalarının sayısının dolaylı bir tahminini sağlar. Tüm bu prosedür 2-3 saat içinde tamamlanabilir. En önemlisi, mitokondriyal kütleye göre hem toplam hem de spesifik seviyeler dahil olmak üzere çoklu mitokondriyal parametrelerin eşzamanlı olarak ölçülmesine izin verir.
Mitokondri, temel hücresel organellerdir ve adenozin trifosfat (ATP) üretiminin ana bölgesidir. Mitokondri, hücreler için enerji sağlamanın yanı sıra, hücre bilgi iletimi, hücre farklılaşması ve apoptoz dahil olmak üzere çoklu hücresel süreçlere katılır ve hücre büyümesini ve hücre döngüsünü düzenleme yeteneğine sahiptir. Parkinson hastalığı (PD)1,2, Alzheimer hastalığı (AD)3 ve amyotrofik lateral skleroz (ALS)4 dahil olmak üzere çeşitli nörodejeneratif hastalıklarda mitokondriyal fonksiyondaki değişiklikler tanımlanmıştır. Mitokondriyal disfonksiyon yaşlanma sürecinde, somatik mtDNA mutasyonlarının birikmesinde ve solunum zinciri fonksiyonunun azalmasında rol oynar5.
Nörodejenerasyonda çeşitli mitokondriyal disfonksiyon türleri ortaya çıkar ve bu tür değişiklikleri ölçme yeteneği, hastalık mekanizmalarını incelerken ve potansiyel tedavileri test ederken son derece yararlıdır. Ayrıca, insan beyin hücrelerinde hastalığı özetleyen uygun in vitro model sistemlerin kurulması, hastalık mekanizmalarının daha iyi anlaşılması ve yeni tedavilerin geliştirilmesi için hayati önem taşımaktadır. Nörodejeneratif hastalıkları olan hastalardan alınan iPSC'ler, mitokondriyal hasarı gösteren çeşitli beyin hücreleri üretmek için kullanılmıştır 6,7,8,9. iPSC'lerden türetilen 3D beyin organoidlerinin geliştirilmesi, hastalık modellemesinde önemli bir adımdır. Bu iPSC'den türetilmiş beyin organoidleri karmaşıklık sağlar ve hastanın kendi genetik geçmişini içerir, böylece hastanın beynindeki patolojiyi daha doğru yansıtan bir hastalık modeli sağlar.
iPSC'den türetilmiş beyin organoidleri10,11,12 kullanılarak mitokondriyal çalışmalar üzerine bazı araştırmalar yapılmış olsa da, iPSC'den türetilmiş beyin organoidlerinde çoklu mitokondriyal fonksiyonel parametreleri belirlemek için uygun ve güvenilir teknikler sınırlı kalmaktadır. Akış sitometrisi, daha önce gösterdiğimiz gibi, tek hücre düzeyinde mitokondriyal parametreleri ölçmek için güçlü bir araç sağlar13. Bu çalışma, mitokondriyal kütle, solunum zinciri kompleksi alt birimleri ve mtDNA kopya sayısı dahil olmak üzere birden fazla mitokondriyal parametreyi aynı anda ölçmek için yeni bir akış sitometrisi tabanlı yaklaşımla birlikte iPSC'lerden kortikal organoidler üretmek için ayrıntılı bir protokol sağlar (Şekil 1). Daha da önemlisi, mitokondriyal kütleyi bir payda olarak kullanarak, bu protokoller mitokondriyal birim başına hem toplam hem de spesifik seviyelerin ölçülmesine izin verir.
1. iPSC'lerin kortikal organoidlere farklılaşması
2. iPSC kültürü için Hazırlık Temel 8 (E8) ortamı
3. iPSC'lerin alt kültürlenmesi
4. Embriyoid cisim (EB) oluşumu ve nöral indüksiyon
5. Kortikal organoidlerin oluşumu
6. Kortikal organoidlerin olgunlaşması ve uzun süreli kültürü
7. İmmünositokimya ve immünofloresan boyama ile hücre karakterizasyonu
8. Kortikal organoidlerin ayrışması
9. Sabit hücrelerde MRC kompleks alt birimlerinin ve TFAM'ın akış sitometrisi ölçümü
10. Akış sitometrisi edinimi ve analizi
Şekil 1, farklılaşma sürecinin ve akış sitometrik analizi için kullanılan stratejilerin diyagramatik bir temsilini sağlar. İnsan iPSC'leri, EB'ler oluşturmak için yapışık olmayan 96 oyuklu plakalarda kültürlendi ve daha sonra tamamen büyümüş kortikal organoidler elde etmek için yapışık olmayan 6 oyuklu plakalara aktarıldı. Organoidlerin hücresel bileşimi, nöronal16 ve glial belirteçler17 ile immün boyamadan sonra konfokal mikroskopi kullanılarak doğrulandı. Organoidler, tek tek hücrelerde çoklu mitokondriyal parametrelerin akış sitometrisine dayalı ölçümünü kolaylaştırmak için tek hücrelere ayrıldı. Bu protokolde, mitokondriyal kütle parametrelerini, MRC kompleks I alt birimi ve TFAM miktarlarını elde etmek ve analiz etmek ve bağıl mtDNA kopya sayısının dolaylı bir ölçümünü yapmak için çoklu boyama stratejileri kullanılır. Bu protokol, organoidleri ayırmak ve akış sitometrik verilerini elde etmek için adımlar sağlar.
Park, I. H. ve ark.18'den önceki bir protokol kullanılarak, kortikal organoidler, ikili SMA ve MAD ile ilişkili protein (SMAD) inhibisyonu ve Kanatsız/Entegre (Wnt) inhibisyonu yoluyla anterior nöroektodermal kaderi indükleyerek iPSC'lerden üretildi. Şekil 2A'da gösterildiği gibi, insan iPSC'leri, bazal membran matris kaplı 6 oyuklu plakalar üzerinde bir iPSC kültür ortamına ekildi (Şekil 2B, a). Hücreler ~% 80 birleşmeye ulaştığında, koloniler tek hücrelere ayrıldı ve daha sonra NIM ile 96 oyuklu plakalara ekildi. EB'ler tohumlamadan 1 gün sonra oluşmuştur (Şekil 2B,b). 10. günde, EB'ler kortikal organoidlerin farklılaşmasına izin vermek için 6 oyuklu plakalara aktarıldı (Şekil 2B, c) ve NIM, BDNF, N2 takviyesi ve A vitamini içermeyen B27 ile desteklenmiş NDM ile değiştirildi. 18 günlük farklılaşmadan sonra, farklılaşmış kortikal organoidler NDM'de daha da olgunlaştı, askorbik asit ile dolduruldu ve B27 A vitamini ile dolduruldu. Bu aşamada, kortikal organoidler doku benzeri morfoloji gösterdi (Şekil 2B, d) ve en az 25 gün boyunca dönen bir döndürücü üzerinde büyümelerine izin verildi ve daha sonra mitokondriyal parametreleri incelemek için kullanıldı. Hücre kimliği, immünofloresan boyama kullanılarak farklılaşma sırasında karakterize edildi. Şekil 2C'de, immün boyama, iPSC'den türetilmiş kortikal organoidlerin spesifik nöral progenitör belirteç SOX219 ve nöral belirteç Tuj120'yi eksprese ettiğini doğruladı.
Kortikal organoidler, 3-4 aya ulaşan önemli süreler boyunca sürdürülebilir. Bununla birlikte, zaman içinde hücre canlılığında düşüş eğilimi olduğunu fark ettik. Bu azalma ağırlıklı olarak yetersiz besin değişiminden kaynaklanmaktadır. Sonuç olarak, sonraki analiz için, 25 ila 40 günlük yaş aralığındaki kortikal organoidler özel olarak seçildi. Bu aşamada, kortikal organoidler tek hücrelere ayrıldı ve daha sonra bir hücre sayacında tripan mavisi kullanılarak hücresel canlılık değerlendirildi. Organoidlerin önceden ısıtılmış Accutase içinde 37 ° C'de 10 dakika boyunca 5 dakikalık aralıklarla hafif öğütme ile inkübe edilmesi, optimum tek hücreli süspansiyon ve hücre canlılığı ile sonuçlanmıştır (Şekil 3A).
Bu farklılaşmış kortikal organoidlerde mitokondriyal fonksiyonu araştırmak için akış sitometrisi yapıldı. Hücreler boyandıktan sonra, Şekil 3B'de tarif edildiği gibi, veri toplama için bir akış sitometresi ve veri analizi için Flowjo Örnekleyici kullanıldı. Geçit stratejileri Şekil 4'te gösterilmiştir. FSC'de canlı hücreler için bir bölge belirlendi. Ölü hücreleri ve hücre kalıntılarını dışlamak için SSC grafiği (Şekil 4A). Hücre çiftleri, bir SSC-A vs yapılarak dışlandı. SSC-H grafiği (Şekil 4B). Voltaj, tek lekeli numuneler kullanılarak sitometre ayarları değiştirilerek her florofor için ayarlandı. Belirli bir hücre tipinin negatif popülasyonu, aynı hücre tipi içindeki pozitif popülasyon ile karşılaştırıldığında, arka plan floresansı yeterince değerlendirilir.
Bu yaklaşım, mtDNA polimeraz, POLG (W748S/W748S) mutasyonunu taşıyan insan iPSC'lerinden üretilen kortikal organoidleri, yaş ve cinsiyet eşleştirilmiş sağlıklı kontrolden üretilen hastalıksız örneklerle karşılaştırdı (Tablo 1). Şekil 5'te gösterildiği gibi, POLG organoidlerinde kontrollere kıyasla azalmış toplam ve spesifik kompleks I NDUFB10 ve TFAM seviyeleri gösterilmiştir. Bununla birlikte, POLG organoidlerinde mitokondriyal kütle açısından herhangi bir değişiklik olmamıştır.
Bu veriler, farklı mitokondriyal parametrelerin akış sitometrik analizinin, iPSC'den türetilmiş beyin organoidlerinde değerli olacak bir ilk adım yaklaşımı sağladığını göstermektedir.
Şekil 1: Kortikal organoidlerin iPSC'lerden ayırt edilmesi için protokolün şematik gösterimi ve akış sitometrisi kullanılarak mitokondriyal ölçümün iş akışı. Bu protokol, iPSC'lerin %80 birleşmeye ulaşana kadar kültürlenmesiyle başlar. Bu hücreler daha sonra ayrışır ve EB'leri oluşturdukları 96 oyuklu plakalara aktarılır. EB'ler 6 oyuklu plakalara aktarılır ve yaklaşık 18 gün boyunca kortikal organoidlere farklılaşır. Organoidler daha sonra en az 25 gün olgunlaştırılır. Daha sonra, organoidler akış sitometrisi için tek hücrelere ayrılır. Hücreler, VDAC 1 ile ölçülen mitokondriyal kütle, MRC kompleks I alt birim NDUFB10 ve TFAM ile ölçülen mtDNA replikasyonu dahil olmak üzere çeşitli mitokondriyal parametreleri vurgulamak için spesifik belirteçlerle boyanır. Kısaltmalar: iPSC'ler: indüklenmiş pluripotent kök hücreler; EB'ler: embriyoid cisimler; MRC: mitokondriyal solunum zinciri; mtDNA: mitokondriyal DNA. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: iPSC'den türetilmiş kortikal organoidlerin farklılaşması ve karakterizasyonu sırasında farklı aşamalardan hücreler için iPSC farklılaşmasının akış şeması ve temsili görüntüler. (A) Bu farklılaşmanın adım adım ilerlemesini özetleyen bir akış şeması. Bu, iPSC'lerin yetiştirilmesiyle başlar ve ardından EB'lere dönüşmeleriyle devam eder. Bu EB'ler daha sonra erken evre kortikal organoidlere ve daha sonra NSC'lere farklılaşır. NSC'ler tamamen oluşmuş kortikal organoidlere olgunlaşır ve farklılaşma sürecini tamamlar. (B) Bu farklı aşamaların her birindeki hücrelerin temsili görüntüleri. Resim (a), tipik olarak pluripotent kök hücrelerin sıkıca paketlenmiş, koloni benzeri bir oluşum özelliği sergileyen iPSC'leri göstermektedir. Resim (b), iPSC'ler farklılaşmaya başladığında oluşan üç boyutlu hücre agregaları olan EB'leri göstermektedir. Resim (c), hücreler doku benzeri yapılar halinde örgütlenmeye başladığında daha karmaşık bir yapıya sahip olan erken evre kortikal organoidleri göstermektedir. Resim (d), nöronlara ve diğer sinir hücrelerine farklılaşabilen öncü hücreler olan NSC'leri vurgulamaktadır. Son olarak, resim (e) olgun kortikal organoidleri göstermektedir. Bu aşamada, organoidler, iyi gelişmiş bir nöral doku yapısını düşündüren oldukça karmaşık, doku benzeri bir morfoloji sergiler. Ölçek çubuğu 1 mm'dir. (C) iPSC'den türetilmiş organoidlerin konfokal mikroskopi görüntüleri. Bu görüntüler SOX2 ve Tuj1'in immün boyamalarını vurgulamaktadır. Kırmızı ile gösterilen SOX2, nöral soy hücreleri üretebilen hücrelerin varlığını gösteren nöral progenitör hücrelerin bir belirtecidir. Yeşil renkle gösterilen Tuj1, nöronlar için bir belirteçtir ve bazı hücrelerin nöronlara başarılı bir şekilde farklılaştığını ima eder. Çekirdekler DAPI ile boyanır. Ölçek çubuğu 100 μm'dir. Kısaltmalar: iPSC'ler: indüklenmiş pluripotent kök hücreler; EB'ler: embriyoid cisimler; NSC'ler: nöral kök hücreler. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Akış sitometrik analizinde kurulan tek hücreli ayrışma ve numune boyama. (A) Kortikal organoidlerin ayrışmasından sonra elde edilen tek hücrelerin temsili görüntüsü. Büyütme 2.5x'tir. Bu prosedür, organoidlerin Accutase içinde 37 ° C'de 10 dakika boyunca inkübe edilmesini içerir, bu da organoidlerin tek tek hücrelere parçalanmasını kolaylaştırır. Akış sitometrisi, doğru analiz için tek hücreli süspansiyonlar gerektirdiğinden bu işlem kritik öneme sahiptir. (B) Akış sitometrisi kullanarak çoklu mitokondriyal parametreleri ölçmek için numune boyama kurulumu. Mitokondriyal özellikleri değerlendirmek için, hücrelerin bu parametreleri vurgulayan spesifik belirteçler veya boyalarla boyanması gerekir. Bunlar, negatif kontrol olarak boyanmamış numuneler, mitokondriyal kütle markörü VDAC 1 olan tek lekeli numuneler, kompleks I alt birim NDUFB10 ve mtDNA kopya sayısını dolaylı olarak ölçmek için kullanılan TFAM ve çoklu boyanmış numuneler olabilir. Kısaltmalar: MRC: mitokondriyal solunum zinciri; mtDNA: mitokondriyal DNA. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Organoid hücrelerin akış sitometrik analizinde kullanılan geçit stratejileri ve veri toplama. (A) FSC-A ile karşılaştırmayı gösteren bir akış sitometrisi grafiği. SSC-A'dır. Bu tür bir çizim, hücre popülasyonlarını boyutlarına (FSC) ve tanecikliklerine veya karmaşıklıklarına (SSC) göre ayırt etmek için akış sitometrisinde yaygın olarak kullanılır. Bu çizimdeki ana kapı, genellikle enkaz veya diğer hücresel olmayan olaylar hariç, çoğu hücreyi içerecek şekilde çizilir. (B) SSC-H vs. SSC-A'dır. Bu strateji, verileri bozabileceğinden, hücre çiftlerini veya kümelerini analizden hariç tutar. Tek hücreler, böyle bir çizimde çapraz bir çizgi boyunca düşerken, hücre çiftleri veya kümeleri, aynı darbe yüksekliği için artan alan nedeniyle bu çizgiden sapar. (C) Canlı hücreler, bir L / D boyasının boyanmasına dayalı olarak kapılanır. Bu boya, canlı ve ölü hücreleri diferansiyel olarak boyayarak, APC-cy7 (L/D boyasının tespit edildiği kanal) ile karşılaştırıldığında ayırt edilmelerine izin verir. FSC-A'dır. (D-F) Bu görüntüler, farklı parametreler için geçit stratejilerini göstermektedir. Bu çizimler FSC-A parametresini kullanır vs. farklı floresan kanalları: (D)'de, VDAC 1, APC kanalında algılanır, (E), MRC Kompleksi I'in bir alt birimi olan NDUFB10'yi algılamak için BV421 kanalını kullanır ve son olarak, (F) FITC kanalında TFAM tespiti için geçitlemeyi gösterir. Kısaltmalar: FSC-A: İleri Saçılma; SSC-A: Yan Saçılma; FITC = Floresein izotiyosiyanat, APC = Allofikosiyanin, PE = Fikoeritrin, BV421 = Parlak menekşe 421, APC-cy7 = Allofikosiyanin-siyanin; MRC: mitokondriyal solunum zinciri; mtDNA: mitokondriyal DNA. L/D: Canlı/Ölü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5. POLG mutasyonu taşıyan bir hastanın iPSC'lerinden türetilen kortikal organoidlerin akış sitometrik analizinden ve sağlıklı kontrolden elde edilen sonuçlar. (A) toplam mitokondriyal kütlenin ölçümünü gösterir. Bu, dış mitokondriyal zardaki konumu nedeniyle mitokondriyal kütle için bir belirteç olarak yaygın olarak kullanılan bir protein olan VDAC 1'e karşı bir antikor ile boyanarak değerlendirilir. VDAC 1'in boyama yoğunluğu, kortikal organoidlerin hücreleri içindeki nispi mitokondri miktarını gösterir. Bu çizim, kontrolden üretilenlere kıyasla POLG'den türetilen organoidlerde benzer bir VDAC 1 seviyesini göstermektedir. (B), NDUFB10 için boyama ile ölçülen toplam Kompleks I seviyelerini sunar. Kompleks I, mitokondriyal solunum zincirinin önemli bir bileşenidir ve seviyesi mitokondriyal fonksiyonu gösterir. Bu çizim, kontrolden üretilenlere kıyasla POLG'den türetilen organoidlerdeki toplam NDUFB10 miktarında kayda değer bir azalmayı göstermektedir. (C) TFAM'ın toplam miktarını gösterir. TFAM, mtDNA'nın bakımı ve transkripsiyonu için çok önemlidir, bu nedenle seviyesi, hücrelerdeki mtDNA'nın durumu hakkında fikir verebilir. Bu çizim, kontrolden üretilenlere kıyasla POLG'den türetilen organoidlerdeki toplam TFAM miktarında kayda değer bir azalmayı göstermektedir. (D,E) Kompleks I'in spesifik seviyelerini gösterir ve TFAM sunulur. Bunlar, toplam NDUFB10 veya toplam TFAM'ın VDAC 1 seviyelerine oranları olarak hesaplanır. Bu oranlar, toplam mitokondriyal içerikteki olası değişiklikleri hesaba katan Kompleks I ve TFAM'ın normalleştirilmiş ölçümlerini sağlar. Bu çizim, kontrolden üretilenlere kıyasla POLG'den türetilen organoidlerdeki belirli NDUFB10 ve TFAM miktarlarında kayda değer bir azalmayı göstermektedir. Veriler, üç bağımsız örnek için SEM'± ortalama değerler olarak sunulmuştur (n = 6). Hasta kaynaklı ve sağlıklı kontrol organoidleri arasında gözlenen farklılıkların istatistiksel anlamlılığı Mann-Whitney U testi kullanılarak değerlendirildi. 0.05'ten küçük bir p değerinin istatistiksel anlamlılığı gösterdiği düşünülmüştür. Kısaltmalar: iPSC'ler: indüklenmiş pluripotent kök hücreler; SEM: ortalamanın standart hatası; NS: Önemli değil. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Satır | Kaynak | Mutasyon | Yaş (yıl) | Cinsiyet |
Kontrol | AG05836 (RRID:CVCL_2B58) | Hayır | 44 | Dişi |
Sabırlı | POLG hastası | C.2243G>C için POLG homozigot; sayfa W748S | 44 | Dişi |
Tablo 1: Bu çalışmada kullanılan iPSC'lerin mutasyonu, yaşı ve cinsiyeti ile ilgili bilgiler.
İnsan iPSC'lerinden kortikal beyin organoidleri üretmek ve bu organoidlerden izole edilen tek hücrelerde mitokondriyal parametrelerin akış sitometrik analizini gerçekleştirmek için bir protokol sunulmuştur. Organoidlerin hücresel bileşimi, nöronal ve glial hücre belirteçleri için immünohistokimyasal boyama ile konfokal mikroskopi ile doğrulandı. Anti-NDUFB10, VDAC 1 ve TFAM ile birlikte boyama akış sitometrisi tabanlı stratejinin, bir hücredeki mitokondri sayısına göre belirli kompleks I ve mtDNA seviyelerinin ölçülmesine izin verdiği gösterilmiştir. Bu protokol, her tür beyin benzeri hücrede mitokondriyi ölçmek için uygundur ve mitokondriyal disfonksiyon hastalıklarını incelemek için kullanılabilir.
Bu protokol, ikili SMAD ve Wnt inhibisyonunun bir kombinasyonunu kullanarak beyin organoidlerinin üretilmesine izin verir. Bu üçlü inhibisyon, ikili SMAD inhibisyonu21 ile karşılaştırıldığında daha düzgün bir kortikal NSC profili oluşturur. Bazı hücre hatları, FBS kullanılmamasına rağmen, NIM'de %10 ısıyla inaktive edilmiş FBS gerektirebilir. Başarılı bir farklılaşmayı sağlamak için, iPSC'ler, EB'ler oluşturmak üzere kaplamadan önce farklılaştırılmamalıdır.
Beyin organoidlerini canlı tek hücrelere izole etmek için kapsamlı bir protokol önemlidir, çünkü akış sitometrisi ve tek hücreli RNA dizilimi gibi prosedürlerden önce kritik bir adımdır. İki farklı reaktif (Accutase ve Organoid Tissue Dissociation Kit) ile deney yaptıktan sonra, organoidlerin Accutase içinde 10 dakika inkübe edilmesinin iyi hücre canlılığı ve tek hücreli bir süspansiyon ile sonuçlandığı bulundu. Onları düzgün bir şekilde ayırmak için gereken süre, organoidlerin boyutuna ve yaşına göre ayarlanabilirken, 20 dakikalık kuluçka süresinin aşılmaması tavsiye edilir. Ayrışması nispeten zor olan numuneler için, kalıntıları ve yetersiz ayrışmış hücreleri çıkarmak için 30-40 nm'lik bir filtre kullanılması önerilir.
Bu protokolün dikkate alınması gereken bazı önemli noktaları vardır. İlk olarak, kortikal organoidlerin kalitesi ve boyutu, başarılı bir akış sitometrisi prosedürü için yeterli canlı tek hücreleri sağlamak için kritik öneme sahiptir. İzole edilmiş hücrelerin iyi hücre canlılığını elde etmek için, 30-40 gün boyunca farklılaşmış organoidlerin kullanılması önerilir; 40 gün sonra organoidlerden ve büyük boyutlu organoidlerden kaçınılmalıdır. Farklılaşma sürecindeki belirli aşamalar için protokoller geliştirdik ve bunları yukarıda açıkladık. Yeterli sayıda hücre elde etmek için, bir dizi akış sitometrisi için 3-4 organoidin birleştirilmesi önerilir. Ek olarak, etkili alternatifler olabilecek birçok başka farklılaşma protokolü ve tanımlanmış ortam 22,23,24 mevcuttur, ancak bu konular mevcut çalışmada deneysel olarak ele alınmamıştır. iPSC hatlarındaki ortam bileşimi ve klonal farklılıklar, başlangıç hücresi popülasyonunun proliferasyonunu ve farklılaşma verimliliğini etkileyebileceğinden, bu stratejinin diğer bakım ortamlarına uyarlanması optimizasyon gerektirebilir.
Akış sitometrisi, diğer geleneksel mikroskop tabanlı tahlillere kıyasla hızlı ve tekrarlanabilir olmanın yanı sıra çok sayıda tek hücreyi analiz edebilme avantajına sahiptir. Akış sitometrisi analizi bir milyondan az hücre gerektirir ve numune analizi sadece birkaç dakika sürer, bu da düzinelerce numunenin 1-2 saat içinde analiz edilebileceği anlamına gelir. Ek olarak, mikroskop tabanlı analizlerde, araştırmacı yanlılığı, özellikle organoidler gibi 3D ve hücresel bileşimde büyük farklılıklar gösteren örneklerde sonuçları bozabilir. Akış sitometrisi analizi sadece mikroskop tabanlı analizlerin engellerini aşmakla kalmaz, aynı zamanda çeşitli göstergeler arasındaki küçük farkları daha doğru bir şekilde analiz edebilir. Strateji, nörodejeneratif hastalık hücreleri ve diğer beyin organoidleri de dahil olmak üzere çeşitli hücre tiplerine de uygulanabilir ve bu nedenle farklı nörodejeneratif hastalıklar için mekanizmaların anlaşılmasına ve potansiyel tedavilerin test edilmesine yardımcı olmalıdır.
Son yıllarda, organoidler çeşitli nörolojik hastalıkları modellemek için başarıyla kullanılmıştır. Yapısal olarak insan beynine benzer olmanın ek avantajı nedeniyle hayvan modellerinden üstündürler25. Bu teknolojinin, yüksek verimli ilaç taramasında ve yeni tedavilerin geliştirilmesinde devrim yaratması beklenmektedir26. Bu protokol, çeşitli mitokondriyal ilişkili hastalıkları ve PD gibi diğer nörodejeneratif hastalıkları modellemek için kullanılabilir ve ilaç taramasının yanı sıra yeni tedavileri test etmek ve çevresel toksinlerin insan beyni üzerindeki etkilerini değerlendirmek için kullanılabilir.
Kortikal organoidler de dahil olmak üzere organoidlerin gelişimi, hem deney partileri içinde hem de arasında önemli değişkenliğe tabidir27. Bu varyasyon, ilk hücre popülasyonu, kültür ortamındaki küçük farklılıklar ve farklılaşma ve olgunlaşma süreçleri sırasında rastgele oluşumlar gibi faktörlerden etkilenir. Sonuç olarak, farklı organoidler, kortikal gelişim ve fonksiyonun çeşitli aşamalarını veya özelliklerini modelleyebilir. Ek olarak, organoidler gelişim ve hastalığı anlamak için değerli modeller olsa da, insan beyninin yapısını veya hücre çeşitliliğini mükemmel bir şekilde yansıtmazlar. Örneğin, kan damarları ve bağışıklık hücreleri gibi temel beyin mikro çevre bileşenlerinden yoksundurlar27. Ayrıca, üretilen nöronların ve glial hücrelerin oranları ve türleri, insan beynindekileri doğru bir şekilde yansıtmayabilir.
Akış sitometrisi, hücre popülasyonlarını fiziksel ve kimyasal özelliklerine göre karakterize etmek ve numaralandırmak için güçlü bir araçtır. Ancak, kısıtlamaları vardır. Böyle bir kısıtlama, organoidlerin analiz için tek tek hücrelere ayrılması gerektiğidir. Bu ayrışma, hücre durumunu değiştirebilir ve mitokondriyal fonksiyonu etkileyebilir, böylece mitokondriyal parametrelerinölçümlerini etkileyebilir 28. Ayrışma süreci ayrıca hücre stresine neden olabilir ve özellikle daha hassas hücre tiplerinde hücre ölümüne yol açabilir. Ayrıca, akış sitometrisi verilerinin yorumlanması büyük ölçüde uygun geçit stratejilerine dayanır. Gürültü ile gerçek olayları doğru bir şekilde ayırt etmek ve kapıları ayarlamak uzman bilgisi gerektirir28. Tutarsız geçitleme, önemli önyargılara yol açabilir ve sonuçları etkileyebilir. Son olarak, akış sitometrisi hücresel alt popülasyonları analiz etmede usta olsa da, organoidler bağlamında çok önemli olabilecek hücreler arasındaki uzamsal bilgileri ve etkileşimleri yakalayamayabilir.
Bu çalışma, akış sitometrisi analizi için hücre süspansiyonlarının hazırlanması ile ilgili önemli bir sınırlama tanımlamıştır. İlk yaklaşımımız, filtrasyon olmaması, filtrasyon ile filtrelenmemiş numunenin daha sonra ayrışması ve doğrudan filtrasyon dahil olmak üzere farklı koşulların karşılaştırılmasını içeriyordu. Bir filtrenin kullanılmamasının akış sitometresi için uygun olmadığı bulundu, çünkü bu ekipman doğru analiz için tek hücreli bir süspansiyon gerektiriyordu. Ayrıca, filtrasyondan sonra numuneler yeniden ayrıştırılmaya çalışılırken %20'lik önemli ölçüde düşük bir hücre canlılığı gözlendi. Bu düşük canlılık seviyesi, güvenilir akış sitometrisi verileri elde etme yeteneğini tehlikeye attı ve bu yaklaşımı uygulanabilir bir yöntem olarak etkili bir şekilde dışladı. Sonuç olarak, 35 veya 40 μm'lik bir filtreden doğrudan filtrasyon yapılmasına karar verildi. Bu sınırlama, akış sitometrisine hazırlık sırasında hücre canlılığının korunmasındaki doğal zorlukların altını çizmektedir. Ayrıca, deneysel bir metodoloji tasarlarken ekipmana özel gereksinimlerin dikkate alınmasının önemini vurgulamaktadır. Bu zorlukların, hücre canlılığını en üst düzeye çıkarmak ve akış sitometrisi veri kalitesini artırmak için hücre hazırlama tekniklerini optimize etmek için gelecekteki çalışmalarda ele alınması önemlidir.
Yazarların ifşa edecek hiçbir şeyi yok.
Norveç Oslo Üniversitesi Temel Tıp Bilimleri Enstitüsü'nden Gareth John Sullivan'a bize AG05836 (RRID:CVCL_2B58) hücre hattını cömertçe sağladığı için en içten şükranlarımızı sunarız. Norveç'teki Bergen Üniversitesi'ndeki Moleküler Görüntüleme Merkezi, Akış Sitometrisi Çekirdek Tesisi'ne teşekkür ederiz. Bu çalışma aşağıdaki fonlarla desteklenmiştir: K.L, kısmen Bergen Üniversitesi Meltzers Høyskolefonds (proje numarası: 103517133) ve Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat (proje numarası: 103816102) tarafından desteklenmiştir. L.A.B, Norveç Araştırma Konseyi (proje numarası: 229652), Rakel og Otto Kr.Bruuns legat ve Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat tarafından desteklenmiştir.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Antibodies using in flow cytometry | |||
anti-DUFB10 Alexa Fluor 405 | NOVUS biologicals | NBP2-72915AF405 | |
anti-VDAC1 Alexa Fluor 647 | Santa cruz technology | sc-390996 | |
anti-TFAM Alexa Fluor 488 | Abcam | ab198308 | |
L/D fixable near-IR dead cell stain kit | Life technologies | L10119 | |
Antibodies using in immunofluorence staining | |||
anti-Tuj1 | Abcam | ab78078 | |
anti-SOX2 | Abcam | ab97959 | |
anti-Alexa Flour 488 | Thermo Fisher Scientific | A28175 | |
anti-Alexa Flour 594 | Thermo Fisher Scientific | A-21442 | |
Commercial cells | |||
AG05836 (RRID:CVCL_2B58) | Provided by Gareth John Sullivan from the Institute of Basic Medical Sciences at the University of Oslo, Norway | ||
Essential 8 Medium (iPSC culture medium) | |||
Essential 8 Basal Medium | Thermo Fisher Scientific | A1516901 | |
Essential 8 Supplement (50x) 2% (v/v) | Thermo Fisher Scientific | A1517101 | |
Store at 4 °C and warm up to RT before use. | |||
Instruments | |||
Heracell 150i CO2 Incubators | Fisher Scientific, USA | ||
Orbital shakers - SSM1, SSL1 | Stuart Equipment, UK | ||
CCD Microscope Camera Leica DFC3000 G | Leica Microsystems, Germany | ||
Water Bath Jb Academy Basic Jba5 JBA5 Grant Instruments | Grant Instruments, USA | ||
Fluid aspiration system BVC control | Vacuubrand, Germany | ||
Leica TCS SP8 STED confocal microscope | Leica Microsystems, Germany | ||
50 mL falcon tube | Sigma-Aldrich | CLS430828 | |
BD LSR Fortessa | BD Biosciences, USA | ||
Flowjo Sampler Analysis | FlowJo LLC, USA | ||
10 mL pipette | Sigma-Aldrich | SIAL1100 | |
1, 10, 100, 1000 mL pipette | Sigma-Aldrich | ||
40 µm Cell stariner | Sigma-Aldrich | CLS431750 | |
ultra-low attachment 96-well plate | S-BIO | MS-9096UZ | |
Countess II automated cell counter | Thermo Fisher Scientific | ||
Neural differentiation medium (NDM+) | |||
DMEM/F12 | Life technologies | 11330032 | |
Neurobasal medium | Life technologies | 2110349 | |
Glutamax supplement 1% (v/v) | Life technologies | 35050 | |
N2 supplement 0.5% (v/v) | Life technologies | 17502-048 | |
B27 supplement 1% (v/v) | Life technologies | 17504-044 | |
β-Mercaptoethanol 50 µM | Sigma-aldrich | M3148 | |
BDNF 20 ng/mL | Peprotech | 450-02 | |
Ascorbic acid 200 µM | Sigma-Aldrich | A92902 | |
Store at 4° C for upto 2 weeks | |||
Neural differentiation medium minus viatmin A (NDM-) | |||
DMEM/F12 | Life technologies | 11330032 | |
Neurobasal medium | Life technologies | 2110349 | |
Glutamax supplement 1% (v/v) | Life technologies | 35050 | |
N2 supplement 0.5% (v/v) | Life technologies | 17502-048 | |
B27 supplement W/O vit. A 1% (v/v) | Life technologies | 12587010 | |
β-Mercaptoethanol 50 µM | Sigma-aldrich | M3148 | |
Store at 4° C for upto 8 days | |||
Neural Induction Medium (NIM) | |||
DMEM/F12 | Life technologies | 11330032 | |
Knockout serum replacement 15% (v/v) | Life technologies | 10828028 | |
Glutamax supplement 1% (v/v) | Life technologies | 35050 | |
β-Mercaptoethanol 100 µM | Sigma-Aldrich | M3148 | |
LDN-193189 100 nM | Stemgent/Reprocell | 04-0074 | |
SB431542 10 µM | Tocris | 1614 | |
XAV939 2 µM | Sigma-Aldrich | X3004 | |
Store at 4° C for upto 10 days | |||
Neutralisation medium | |||
IMDM | Life technologies | 21980032 | |
FBS 10% | Sigma-Aldrich | 12103C | |
Other reagents | |||
DPBS (Ca2+/Mg2+ free) | Thermo Fisher Scientific | 14190250 | |
Bovine Serum Albumin | Europa Bioproducts | EQBAH62-1000 | |
Accutase | Life technologies | A11105-01 | |
Geltrex | Life technologies | A1413302 | |
EDTA | Life technologies | 15575038 | |
Advanced DMEM / F12 | Life technologies | 12634010 | |
Neural tissue dissociation kit | Miltenyi biotec | 130-092-628 | |
Y-27632 dihydrochloride Rock Inhibitor | Biotechne Tocris | 1254 | |
Fluoromount-G™ Mounting Medium | SouthernBiotech | 0100-20 | |
PFA | Thermo Fisher Scientific | 28908 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır