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Method Article
Wir stellen ein Protokoll zur Generierung eines menschlichen Gehirnorganoids mit residenten Mikroglia vor, indem von induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) abgeleitete hämatopoetische Vorläuferzellen (HPCs) in die Organoidentwicklung integriert werden.
Dreidimensionale (3D) Hirnorganoidkulturen, die aus induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSC) gewonnen werden, stellen ein wichtiges alternatives In-vitro-Werkzeug für die Untersuchung der Entwicklung des menschlichen Gehirns und der Pathogenese neurologischer Erkrankungen dar. Der fehlende Einbau von Mikroglia in die Organoide des menschlichen Gehirns ist jedoch immer noch eine große Hürde für 3D-Modelle der Neuroinflammation. Zu den aktuellen Ansätzen gehört entweder der Einbau vollständig differenzierter Mikroglia in reife Hirnorganoide oder die Induktion der Mikrogliadifferenzierung ab dem frühen Stadium von iPSC-abgeleiteten Embryoidkörpern (EBs). Der erste Ansatz übersieht das Stadium, in dem die Mikroglia-Differenzierung mit der angrenzenden neuronalen Umgebung interagiert, und der spätere Ansatz ist technisch herausfordernd, was zu Inkonsistenzen zwischen den endgültigen Organoiden in Bezug auf die Quantität und Qualität der Mikroglia führt. Um Gehirnorganoide mit Mikroglia zu modellieren, um die frühen Wechselwirkungen zwischen der Entwicklung von Mikroglia und Neuronen zu untersuchen, wurden hochreine hämatopoetische Vorläuferzellen (HPC), die von menschlichen iPSCs unterschieden wurden, in iPSC-abgeleitete EBs eingebaut, um Gehirnorganoide herzustellen. Mittels Immunfärbung und Einzelzell-RNA-Sequenzierung (sc-RNA-seq) konnten wir bestätigen, dass HPCs in die 3D-Organoide eingebaut wurden, die sich schließlich zu Gehirnorganoiden mit Mikroglia und Neuronen entwickelten. Im Vergleich zu Hirnorganoiden ohne HPCs führt dieser Ansatz zu einem signifikanten Einbau von Mikroglia in die Gehirnorganoide. Dieses neuartige 3D-Organoidmodell, das sowohl aus mikroglialen als auch aus neuronalen Entwicklungseigenschaften besteht, kann zur Untersuchung der frühen Wechselwirkungen zwischen der Entwicklung des angeborenen Immuns und des Nervensystems und möglicherweise als Modell für Neuroinflammation und neuroinfektiöse Erkrankungen verwendet werden.
Mikroglia sind stationäre Immunzellen im Gehirn, die sowohl bei der Gehirnentwicklung als auch bei der Homöostase eine entscheidende Rolle spielen 1,2. Die Aktivierung von Mikroglia führt zur Produktion von proinflammatorischen Faktoren, erhöhter Phagozytose und reaktivem oxidativem Stress, wodurch die eindringenden Krankheitserreger und geschwächten Zellen entfernt werden. Andererseits kann eine Überaktivierung oder eine verlängerte Aktivierung von Mikroglia als Mechanismus der Pathogenese bei vielen neurologischen Erkrankungen, einschließlich der Parkinson-Krankheit, eine Neurodegeneration verursachen 3,4. Es ist wichtig, dass Mikroglia in die relevanten Modelle zur Untersuchung menschlicher neurologischer Erkrankungen einbezogen werden. In den letzten Jahren wurden humane Stammzellen verwendet, um 3D-Organoide als In-vitro-Modelle als Alternative zu Tiermodellen und Studien am Menschen zu entwickeln5. Im Idealfall bestehen menschliche Organoide aus mehreren Zelltypen und Gewebestrukturen, die den entsprechenden menschlichen Organen ähneln und die menschliche Physiologie und Pathogenese besser repräsentieren als Tiermodelle, jedoch ohne die ethischen Bedenken, die bei Studien an menschlichen Individuen direkt auftreten. Sie könnten die Zukunft der Modellierung menschlicher Krankheiten für die Erforschung der Pathogenese und Arzneimittelentwicklung sowie für die Anleitung individualisierter Therapien darstellen6. So haben sich beispielsweise 3D-Organoide des menschlichen Gehirns, die aus humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs) gewonnen wurden, im Bereich der neurowissenschaftlichen Forschung durchgesetzt, indem neuronale Infektionskrankheiten wie ZIKA, SARS-CoV-27 und neurodegenerative Erkrankungen wie Amyotrophe Lateralsklerose (ALS) und Alzheimer modelliertwurden 8,9. Herkömmliche neuronale 3D-Organoide, die eine duale SMAD-Hemmung zur Induktion der neuronalen Differenzierung10 verwenden, produzieren jedoch Gehirnorganoide ohne Mikroglia, da sie von Vorläufern abstammen, die aus dem Blut rekrutiert wurden, anstatt von der Neuroektoderm-Linie, von der Neuronen abstammen 11,12. Ohne das Vorhandensein von Mikroglia sind die Organoide ungeeignet, um ZNS-Infektionen, Entzündungen und die damit verbundene Neurodegeneration zu modellieren.
Um diese kritische Frage anzugehen, wurden Versuche unternommen, differenzierte Mikroglia in die Gehirnorganoideeinzubauen 13 oder die Mikrogliadifferenzierung innerhalb von Organoiden von Anfang an zu induzieren, wobei alternative Ansätze anstelle der dualen SMAD-Hemmungverwendet wurden 13. Durch den Einbau differenzierter Mikroglia in die Gehirnorganoide werden jedoch die frühen Wechselwirkungen zwischen neuronaler und mikroglialer Entwicklung übersehen. Dies könnte für die Entwicklung des ZNS oder die Pathogenese neuroinfektiöser Erkrankungen wichtig sein, die auf die Entwicklung des Gehirns von Säuglingen abzielen, wie z. B. bei einer ZIKA-Virusinfektion14. Auf der anderen Seite ist die Differenzierung der angeborenen Mikroglia innerhalb von iPSC-abgeleiteten Hirnorganoiden ohne intermittierende Stadien mit einem verlängerten Prozess verbunden und weist eine höhere Variabilität innerhalb der Endprodukteauf 15. In diesem berichteten Protokoll haben wir die von iPSCs abgeleiteten hämatopoetischen Vorläuferzellen (HPCs) in die iPSCs eingebaut, um Embryoidkörper (EBs) herzustellen, die weiter zu 3D-Organoiden differenziert wurden, die sowohl Neuronen als auch Mikroglia umfassen.
Unser Protokoll bietet einen einfachen Ansatz, der zur Untersuchung des menschlichen Zentralnervensystems mit frühen Neuron-Mikroglia-Interaktionen und der Pathogenese von neuronalen Infektionsstörungen und Neuroinflammation mit Mikrogliaaktivierung angewendet werden kann.
Die Originalblutproben von gesunden erwachsenen Spendern wurden in der Transfusionsmedizin Blutbank des NIH entnommen und in Übereinstimmung mit dem NIH Institutional Review Board unterschriebene Einverständniserklärungen eingeholt.
1. Herstellung von hämatopoetischen Vorläuferzellen (HPCs) aus humanen iPSCs
HINWEIS: Zur Erstellung der repräsentativen Ergebnisse wurden die humanen iPS-Zellen 510 und 507 verwendet. Die Methoden zur Erzeugung und Pflege der iPSCs sind in einer früheren Veröffentlichung16 zu finden.
2. Entwicklung von Embryoidkörpern aus gemischten iPSCs und HPCs
3. 3D Induktion, Proliferation und Reifung neuronaler Organoide
4. Clearance und Immunfärbung von neuronalen 3D-Organoiden
Unser Protokoll folgt einem Schema, um HPCs von iPSCs zu unterscheiden und dann die HPCs mit iPSCs zu mischen, um EBs herzustellen, gefolgt von neuronaler Induktion, Differenzierung und Reifung (Abbildung 1). Eine hohe Qualität der HPC-Differenzierung ist entscheidend für den Erfolg der EB-Bildung und der späteren Organoid-Differenzierung. Eine serielle Verdünnungskulturtechnik wird verwendet, um die entsprechende Anzahl ...
Hier wird ein detailliertes Protokoll zur Herstellung von 3D-Neuronalen Organoiden vorgestellt, die angeborene Mikroglia aus EBs enthalten, die aus gemischten iPSCs und iPSC-differenzierten HPCs stammen. Es handelt sich um einen relativ kurzen und einfachen Ansatz, bei dem nur Zellkulturtechniken und -geräte verwendet werden, die in den meisten Labors allgemein verfügbar sind.
Der wichtigste Faktor für den Erfolg dieses Protokolls ist die Qualität der HPC-...
Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Studie wird durch interne Forschungsgelder des NINDS unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
12 well cell culture plates | Corning | #3512 | |
24 well cell culture plate | SARSTEDT | #83.3922 | |
Accutase | Thermo | A1110501 | |
Aggrewell 400 plate | Stemcell technologies | #34411 | Referred to as microwell culture plate |
Alexa Fluor 488 goat anti-mouse antibody | Life techniologies | A11001 | 1:400 dilution |
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit antibody | Life techniologies | A11012 | 1:400 dilution |
Allegra X-30R Centrifuge with rotor S6069 | Beckman Couler | ||
Anti- Adherence Rinsing solution | Stem Cell Technologies | #07010 | |
anti-CD34 antibody | Stem Cell Technologies | #60013 | 1:100 dilution |
anti-Human CD43 antibody | Stem Cell Technologies | #60085 | 1:100 dilution |
anti-IBA1 rabbbit antibody | Fujifilm | 019-19741 | 2.5 µg/mL |
anti-TREM2 rat pAb | RD Systems | mab17291 | 2.5 µg/mL |
Antibiotic-antimycotic | Gibco | 15240-062 | 1x |
B27 supplement | Life technologies | 17504-044 | 1x |
bFGF | Peprotech | 100-18B | 20 ng/mL |
CD200 | Novoprotein | C311 | 100 ng/mL |
CryoTube vials | Thermo | #368632 | |
CX3CL1 | Peprotech | 300-31 | 100 ng/mL |
DAPI | Sigma | D9542 | 1 µg/mL |
DMEM/F12 | Life technologies | 12400-024 | 1x |
DMSO | Sigma | D2650 | |
DPBS | Gibco | #4190136 | 1x |
E8 Flex medium kit | Thermo | A2858501 | |
EDTA | Mediatech | 46-034-Cl | 0.5 mM |
EGF | Peprotech | AF-100-15 | 20 ng/mL |
EVOS FL Auto Microscope | Thermo | Fluorescence microscope | |
FastStart Universal SYBR Green PCR master mix | Roche | #4913850001 | |
Glutamax | Gibco | #35050079 | |
Goat serum | Sigma | G9023 | 4% |
IL-34 | Peprotech | 200-34 | 100 ng/mL |
ImageXpress Micro Confocal | Molecular Devices | ||
Knockout DMEM/F12 | Gibco | #10829018 | |
M-CSF | Peprotech | 300-25 | 25 ng/mL |
Matrigel | Corning | #354277 | Basement membrane matrix (BMM) |
Mouse anti-βIII-tubulin antibody | Promega | G712A | 1:1000 dilution |
Mr. Frosty container | Thermo | 5100-0001 | |
N2 supplement | Life technologies | 17502-048 | 1x |
Paraformadehyde | Sigma | P6148 | 4% |
PSC Neural Induction Medium | Gibco | A1647801 | |
Rock inhibitor Y27632 | Stemcell technologies | #72304 | 1 mM stock |
RT LTS 1000 ul pipette tips | RAININ | #30389218 | for transferring organoids |
STEMdiff Cerebral Organoid Kit | Stem Cell Technologies | #08570 | |
STEMdiff Hematopoietic Kit | StemCell Technologies | #5310 | Referred to as hematopoietic Kit |
StemPro Neural Supplement | Gibco | A1050801 | Referred to as neural supplement |
TGF-β1 | Peprotech | 100-21 | 50 ng/mL |
Total RNA Purification Plus Kit | Norgen | #48400 | |
TritonX-100 | Sigma | T9284 | 0.10% |
Visikol Histo-Starter Kit | Visikol | HSK-1 | Contains organoid clearing solution HISTO-M, washing buffer |
Zeiss LSM 510-META Confocal Microscope | Zeiss |
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