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Method Article
这里描述的方案强调了分化诱导多能干细胞衍生的脑样内皮细胞、用于感染的 脑膜炎奈瑟菌 的制备以及用于其他分子分析的样本收集的主要步骤。
脑膜炎球菌性脑膜炎是一种危及生命的感染,当脑膜炎 奈瑟菌(脑膜炎球菌 ,Nm)可以通过穿透高度特化的脑内皮细胞 (BEC) 进入中枢神经系统 (CNS) 时发生。由于 Nm 是一种人类特异性病原体,由于缺乏强大的 体内 模型系统,因此对 Nm 和 BEC 之间的宿主-病原体相互作用的研究具有挑战性,并需要一种模拟天然 BEC 的基于人类的模型。与外周内皮细胞相比,BEC 具有更紧密的屏障特性,其特征是复杂的紧密连接和升高的跨内皮电阻 (TEER)。然而,许多 体外 模型,如原发性BEC和永生化BECs,在从天然神经微环境中移除后,要么缺乏或迅速失去其屏障特性。人类干细胞技术的最新进展已经开发出从诱导多能干细胞 (iPSC) 中提取类脑内皮细胞的方法,与其他体 外 人类模型相比,该方法具有更好的表型 BEC。使用 iPSC 衍生的 BEC (iPSC-BEC) 对 Nm-BEC 相互作用进行建模具有使用具有 BEC 屏障特性的人类细胞的好处,可用于检查屏障破坏、先天免疫激活和细菌相互作用。在这里,我们演示了除了细菌制备、感染和样本采集分析外,还如何从 iPSC 中衍生 iPSC-BEC。
血脑屏障 (BBB) 和脑膜血脑脊液屏障 (mBCSFB) 是将循环与中枢神经系统 (CNS) 分开的极其紧密的细胞屏障,主要由高度特化的脑内皮细胞 (BEC) 组成1,2。BECs通过调节大脑内外的营养物质和废物来维持适当的大脑稳态,同时排除许多毒素、药物和病原体1,2。当血源性细菌能够与BECs相互作用并穿透BECs形成的屏障并引起炎症时,就会发生细菌性脑膜炎。脑膜炎奈瑟菌(Nm,脑膜炎球菌)是一种革兰氏阴性细菌,定植于10-40%健康个体的鼻咽部,但在某些情况下可引起严重的全身性疾病3。在受影响的个体中,Nm 可以进入血流,在那里它可以引起暴发性紫癜,并穿透 BEC 进入中枢神经系统,从而引起脑膜炎3。Nm 是全球细菌性脑膜炎的主要原因,尽管接种了疫苗,但仍是脑膜炎的主要原因 4.现代医疗干预,如抗生素治疗,使这些疾病得以生存,但那些患有脑膜炎的人往往会留下永久性的神经损伤5,6。
先前的研究已经确定了有助于 Nm-BEC 相互作用的细菌因子和宿主信号转导 7,8,9,10,11。已鉴定的粘附蛋白和侵入蛋白,如混浊蛋白Opc和IV型菌毛,以及受体如CD147,已经在体外对各种BEC模型进行了研究,但这些模型缺乏许多定义的BBB特性7,9,11,12。对 Nm-BEC 相互作用的完全理解仍然难以捉摸,部分原因是无法利用体内模型、不完全的疫苗接种保护以及体外缺乏强大的人类 BEC 模型。
由于 BEC 的独特特性,在体外模拟 hBEC 一直具有挑战性。与外周内皮细胞相比,BEC 具有许多增强其屏障特性的表型,例如由于复杂的紧密连接而导致的高跨内皮电阻 (TEER)12。一旦从大脑微环境中移除,BECs就会迅速失去其屏障特性,从而限制了仅形成弱屏障的原代或永生化体外模型的有用性12,13。Nm 感染的人类特异性、缺乏稳健的体内模型以及体外模拟人类 BEC 的挑战相结合,需要更好的模型来理解 Nm 和 BEC 之间复杂的宿主-病原体相互作用。最近,使用模型人诱导多能干细胞 (iPSC) 技术,BEC 样细胞来源于 iPSC,可在体内更好地模拟 BEC 12、13、14、15。iPSC-BECs是人类来源的,易于扩展,并且与原代或永生化对应物相比具有预期的BEC表型12,13,14,15。此外,我们和其他人已经证明 iPSC-BEC 可用于模拟中枢神经系统的各种疾病,例如宿主-病原体相互作用、亨廷顿舞蹈症和导致 Allan-Hurndon-Dudley 综合征的 MCT8 缺乏症 16,17,18,19,20,21.在这里,我们展示了如何从可再生的 iPSC 来源获得 iPSC-BEC,以及用 Nm 感染 iPSC-BEC 导致先天免疫反应的激活。我们认为,该模型可用于研究宿主-病原体相互作用,这在其他体外模型中无法概括,并且在检查与人类特定病原体(如Nm)的相互作用时特别有用。
注:所有培养基/试剂制备、干细胞维护和分化步骤均改编自 Stebbins 等人 22。
1.制备iPSC培养和BEC分化所需的材料。
2. 维持IMR90-4细胞培养
注:这里我们以IMR90-4细胞系为例,但其他诱导多能干细胞系如CC3、CD10、CD12、DF19-9-11T、83iCTR、00iCTR和CS03iCTRn2已成功用于分化为BECs13,14,15,16,17,23,27,28。
3. 脑内皮细胞与人iPSC的分化
4. 跨内皮电阻 (TEER) 作为屏障密封性的量度
注:通常在分化第 9 天和第 10 天在膜插入物上读取 TEER,以确认成功产生形成屏障的 iPSC-BEC(图 1A)。
5. 免疫荧光 (IF) 染色以验证 BEC 表型
注:为了验证完全分化和纯化细胞的质量,如前所述,在分化过程的第10天对iPSC-BEC单层的脑内皮细胞特征标志物进行染色(图1B - G)13,14,15,16,17,19,22。
6. 细菌的制备和iPSC-BECs的感染
7. 通过定量PCR激活先天免疫
注:使用优选的RNA分离、cDNA合成和qPCR方案,收集样品并对选定的细胞因子进行qPCR。
这里描述的方案改编自Stebbins等人,并强调了将iPSC分化为具有BBB特性的脑样内皮细胞的过程,以及如何利用该模型进行使用具有Nm19,22的iPSC-BEC的感染研究。当分化得当时,iPSC-BEC表现出通过TEER测量的紧密屏障特性,通常大于2000 Ω·cm 2,并表达内皮标志物,如VE-钙粘蛋白和CD31(PECAM)(图1A\u2012C)。此外,它们...
BECs和BBB的建模遇到了挑战,因为在体外,原发性和永生化的人BEC往往缺乏强大的屏障表型。人类干细胞技术的出现允许产生 iPSC 衍生的 BEC 样细胞,这些细胞保留了预期的标志性 BBB 表型,例如内皮标志物、紧密连接表达、屏障特性、对其他 CNS 细胞类型的反应和功能性外排转运蛋白 12、13、14、15、22、24
作者没有什么可透露的。
L.M.E. 得到了 DFG 研究培训计划的支持,该计划GRK2157题为"用于研究人类病原体微生物感染的 3D 组织模型",授予 A. S-U.B.J.K. 得到了亚历山大·冯·洪堡基金会的博士后奖学金的支持。此外,我们感谢 Lena Wolter 在培养物中生成 iPSC-BEC 方面的技术援助。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Accutase (1x) | Sigma | A6964 | Enzymatic cell dissociation reagent |
Acetic acid | Sigma | A6283 | |
All-trans retinoic acid (RA) | Sigma | R2625 | |
Anti-CD31 (PECAM-1) | Thermo Scientific (Labvision) | RB-10333 | |
Anti-Claudin-5 | Invitrogen | 4C3C2 | |
Anti-Glut-1 | Thermo Scientific (Labvision) | SPM498 (MA5-11315) | |
Anti-Occludin | Invitrogen | 33-1500 | |
Anti-VE-cadherin | Santa Cruz | sc-52751 | |
Anti-ZO-1 | Invitrogen | 33-9100 | |
Bacto Proteose Peptone | BD | 211684 | |
b-Mercaptoethanol | Merck (Sigma-Aldrich) | 805740 | |
Cell culture plates and flasks | Sarstedt | ||
Centrifuge (Heraeus Megafuge 1.0R) | Thermo Scientific | ||
Class II biosafety cabinet | Nuaire | NU-437-400E | |
CO2 Incubator (DHD Autoflow CO2 Air-Jacketed Incubator) | Nuaire | ||
Collagen IV | Sigma | C5533 | |
Columbia ager + 5 % sheep blood | Biomerieux | 43049 | |
Costar Transwell polyester filters (12- or 24-well) | Corning | 3460, 3470 | |
D(+)-Glucose | Merck (Sigma-Aldrich) | G8270 | |
DAPI | Invitrogen | D1306 | |
DMEM/F12 | Gibco | 31330-038 | |
DMSO | ROTH | A994.1 | |
Dulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS) | Gibco | 21600-069 | |
Epithelial Volt-Ohm Meter (Millicell ERS-2) with STX electrode | Merck (Millipore) | MERS00002 | |
Fe(NO3)3 | ROTH | 5632.1 | |
Fibronectin | Sigma | F1141 | |
Fluoresence microscope (Eclipse Ti) | Nikon | ||
Hemacytometer (Neubauer) | A. Hartenstein | ZK06 | |
Human basic fibroblast growth factor (bFGF) | PeproTech | 100-18B | |
Human Endothelial Serum Free Medium (hESFM) | Gibco | 11111-044 | |
Inverted microscope (Wilovert) | Hund (Will Wetzlar) | ||
iPS(IMR90)-4 cells | WiCell | ||
Kellogg's supplement | To prepare 110 ml of Kellogg's supplement, prepare 100 ml of 4 g/ml glucose, 0.1 g/ml glutamine, and 0.2 mg/ml thiamine pyrophosphate and 10 ml of 5 mg/ml Fe(NO3)3 and combine the solutions. Filter sterilize and store aliquoted at -20 °C. | ||
Knockout serum replacement (KOSR) | Gibco | 10828-028 | |
L-glutamine (GlutaMAX) | Invitrogen | 35050-038 | |
LunaScript RT SuperMix Kit | NEB | E3010L | cDNA synthesis kit |
Matrigel Matrix | Corning | 354230 | |
Methanol | ROTH | 4627.5 | |
MgCl2 | ROTH | KK36.1 | |
Micropipettes (Research Plus) | Eppendorf | ||
NaHCO3 | ROTH | 6329 | |
Nonessential amino acids (NEAA) | Gibco | 11140-035 | |
NucleoSpin RNA isolation kit | Machery-Nagel | 740955 | RNA isolation kit |
Pipette boy (Accu-Jet Pro) | Brand | ||
Platelet poor plasma-derived serum, bovine (PDS) | Fisher | 50-443-029 | |
PowerUp SYBR Green Master Mix | Applied Biosystems | A25742 | qPCR master mix |
qPCR film (MicroAmp Optical Adhesive Film) | Applied Biosystems | 4211971 | |
qPCR plates (MicroAmp Fast 96-well) | Applied Biosystems | 4346907 | |
ROCK inhibitor, Y27632 dihydrochloride | Tocris | 1254 | |
RT-PCR thermo cycler (StepOnePlus) | Applied Biosystems | 4376600 | |
Serological pipettes | Sarstedt | ||
StemFlex basal medium + 50x StemFlex supplement | Gibco | A3349401 | Stem-cell maintenance medium |
Swinging Bucket Rotor (Heraeus #2704) | Thermo Scientific | ||
Thiamine pyrophosphate | Sigma | C8754-5G | |
Trypan Blue Solution, 0.4% | Gibco | 15250061 | |
Versene | Gibco | 15040-033 | Non-enzymatic cell dissociation reagent (EDTA) |
An erratum was issued for: Neisseria meningitidis Infection of Induced Pluripotent Stem-Cell Derived Brain Endothelial Cells Larvae. The Authors section was updated from:
Leo M. Endres1
Alexandra Schubert-Unkmeir1
Brandon J. Kim1,2
1Institute for Hygiene and Microbiology, University of Würzburg
2Department of Biological Sciences, University of Alabama
to:
Leo M. Endres1
Sarah F. Hathcock2
Alexandra Schubert-Unkmeir1
Brandon J. Kim1,2
1Institute for Hygiene and Microbiology, University of Würzburg
2Department of Biological Sciences, University of Alabama
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