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Method Article
Aquí, describimos un protocolo para diseñar células madre químicamente reprogramadas para lograr una modulación neuronal precisa mediante la diferenciación de estas células en células precursoras dopaminérgicas, trasplantándolas a modelos de ratón de la enfermedad de Parkinson y evaluando los resultados conductuales y electrofisiológicos para confirmar la integración exitosa y la efectividad funcional de las células trasplantadas.
La integración de receptores de diseño activados exclusivamente por fármacos de diseño (DREADD) con terapias basadas en células madre presenta una estrategia avanzada para la modulación neuronal precisa. Aquí, utilizamos células madre humanas reprogramadas diseñadas con CRISPR que expresan receptores DREADD excitatorios (hM3Dq) o inhibidores (hM4Di) para evaluar la integración funcional y la modulación de los precursores dopaminérgicos trasplantados en un modelo murino de enfermedad de Parkinson (EP). Los pasos clave incluyeron la generación de líneas de células madre que expresan DREADD sin fusión, la diferenciación en precursores dopaminérgicos del mesencéfalo y el trasplante de estas células al cuerpo estriado de ratones lesionados por 6-hidroxidopamina (6-OHDA). Realizamos evaluaciones conductuales y registros electrofisiológicos para analizar los efectos de las células trasplantadas. Las pruebas de comportamiento, como la prueba del cilindro, demostraron una modulación significativa de la función motora después de la administración de clozapina-N-óxido (CNO). Específicamente, la activación de hM4Di redujo el movimiento contralateral de las extremidades anteriores, mientras que la activación de hM3Dq se asoció con un mejor comportamiento motor. Los registros electrofisiológicos revelaron distintas respuestas sinápticas. La activación de hM4Di aumentó los intervalos entre eventos y disminuyó las amplitudes máximas de las corrientes postsinápticas excitatorias espontáneas (sEPSC), mientras que la activación de hM3Dq disminuyó los intervalos entre eventos y aumentó las amplitudes máximas, lo que refleja una mayor señalización excitatoria. En resumen, la integración de evaluaciones conductuales y electrofisiológicas valida la incorporación funcional precisa de células madre reprogramadas químicamente en los circuitos neuronales del huésped.
Los receptores de diseño activados exclusivamente por fármacos de diseño (DREADD) son receptores acoplados a proteínas G modificados genéticamente que pueden seractivados selectivamente por ligandos sintéticos que de otro modo serían inertes. El enfoque quimiogenético se ha convertido en una herramienta esencial en neurociencia al permitir a los investigadores investigar la conectividad de los circuitos neuronales con alta precisión y mejorar nuestra comprensión de las funciones celulares tanto in vivo como in vitro a través de la activación selectiva o inhibición de regiones cerebrales específicas o tipos de células 2,3.
La terapia basada en células madre presenta una estrategia prometedora para el tratamiento de enfermedades neurodegenerativas. La eficacia de las células de injerto depende de la integración adecuada, la supervivencia y la contribución funcional a los tejidos del huésped. La actividad celular descontrolada puede tener consecuencias negativas, incluyendo la tumorigénesis4; lo que requiere un control preciso de estas células después del trasplante. El aprovechamiento de la tecnología DREADD en células madre humanas reprogramadas y neuronas derivadas proporciona un medio para controlar con precisión la actividad neuronal a través de la administración del fármaco de diseño CNO 2,5. En el contexto de la enfermedad de Parkinson (EP), que se caracteriza por la pérdida de neuronas dopaminérgicas, la manipulación de la actividad de las neuronas dopaminérgicas derivadas de células madre es crucial para investigar sus entradas sinápticas y patrones de proyección en modelos de roedores 6,7,8,9,10. La incorporación de receptores excitatorios hM3Dq e inhibidores hM4Di en estos modelos permite una modulación precisa de la actividad neuronal11,12.
La combinación de evaluaciones del comportamiento animal y registros electrofisiológicos permite una evaluación exhaustiva de los efectos de la modulación quimiogenética en las células trasplantadas in vivo13. Las evaluaciones conductuales, incluida la rotación inducida por apomorfina, la prueba del cilindro y la prueba del rotarod, evalúan la coordinación motora y proporcionan información sobre los cambios en la función motora asociados con los modelos experimentales de EP14. Las técnicas electrofisiológicas, como los registros de patch-clamp, permiten el seguimiento en tiempo real de las respuestas sinápticas y los potenciales de acción, proporcionando una visión completa de cómo las células trasplantadas se integran en las redes neuronales existentes15. Al combinar las evaluaciones conductuales con las evaluaciones electrofisiológicas, podemos investigar cómo la modulación quimiogenética afecta la integración y funcionalidad de estas células dentro de los circuitos neuronales del huésped16. Los hallazgos preliminares sugieren que la administración de CNO modula eficazmente la actividad neuronal en las células trasplantadas, lo que resulta en mejores resultados funcionales en modelos animales.
En este protocolo, las células madre humanas reprogramadas se diseñaron para expresar receptores hM3Dq o hM4Di mediante el uso de la tecnología de repeticiones palindrómicas cortas agrupadas regularmente interespaciadas (CRISPR). Después de diferenciar células madre reprogramadas modificadas en células precursoras dopaminérgicas del mesencéfalo, estas células se trasplantaron a modelos de ratón de EP para evaluar su integración y regulación funcional dentro de los circuitos neuronales del huésped mediante evaluaciones de comportamiento y registros electrofisiológicos.
Todos los experimentos con animales se realizaron de acuerdo con las pautas establecidas por la Asociación de Beijing para la Ciencia de los Animales de Laboratorio y los Institutos Nacionales de Salud para el Cuidado y Uso de Animales de Laboratorio. Las células mononucleares de sangre periférica humana (PBMC) se obtuvieron de un donante sano con el consentimiento informado por escrito, como se describe en un estudio previo17.
1. Construcción de líneas celulares basadas en células madre DREADD no fusionadas
2. Trasplante de células precursoras derivadas de células madre DREADD en ratones modelo de EP
3. Perfil electrofisiológico in vivo de células moduladas quimiogenéticamente
La Figura 1 muestra los pasos clave de este enfoque metodológico para células madre humanas reprogramadas modificadas que expresan receptores DREADD excitatorios (hM3Dq) o inhibidores (hM4Di) para evaluar la integración funcional y la modulación de los precursores dopaminérgicos derivados en un modelo de ratón de la enfermedad de Parkinson (EP). La Figura 2 describe la estrategia de knock-in de genes mediada por CRISPR/Cas...
Este protocolo utilizó la tecnología CRISPR para diseñar células madre humanas reprogramadas para expresar receptores excitatorios hM3Dq e inhibidores hM4Di. La modulación de la actividad neuronal por CNO se evaluó mediante trasplante celular en modelos murinos de enfermedad de Parkinson, acompañado de evaluaciones conductuales y registros electrofisiológicos.
El primer paso crítico en la generación de construcciones DREADD expresadas de manera estab...
Los autores no tienen conflictos de intereses que revelar.
Este trabajo contó con el apoyo de la Fundación de Ciencias Naturales de Pekín (7242068), la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (82171250), el Fondo de la Comisión Municipal de Salud de Pekín (PXM2020_026283_000005) y el Proyecto de Desarrollo Tecnológico de los Institutos de Investigación Médica afiliados a Pekín (11000023T000002036310).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 x Rapid Taq Master Mix | Vazyme | P222-01 | used for genotyping analysis |
2×Seamless Cloning Mix | Biomed Gene Tech. | CL117-01 | used for plasmid construction |
6-OHDA | Sigma-Aldrich | H4381 | used for establishing PD mice model |
AAVS1-Pur-CAG-EGFP | Addgene | 80945 | used as control |
AAVS1-Pur-CAG-hM4Di-mCherry | Addgene | 80947 | original plasmid for construction of hM4Di-T2A-ZsGreen |
AAVS1-Pur-CAG-hM3Dq-mCherry | Addgene | 80948 | original plasmid for construction of hM3Dq-T2A-ZsGreen |
AAVS1-CAG-hM4Di-T2A-ZsGreen | N/A | N/A | Constructed donor plasmid based on #80947 |
AAVS1-CAG-hM3Dq-T2A-ZsGreen | N/A | N/A | Constructed donor plasmid based on #80948 |
Accutase | Invitrogen | A11105-01 | Used for digesting cells |
AMAXA Nucleofector | Lonza | AAD-1001S | |
Apomorphine | Sigma-Aldrich | A4393 | |
Artificial cerebrospinal fluid (ACSF) | N/A | N/A | 125 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 2 mM CaCl2, 1.25 mM NaH2PO4, 1 mM MgSO4, 25 mM glucose, and 26 mM NaHCO3 |
Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | 1043003 | |
B-27 Supplement | Gibco | 17504044 | |
BDNF | Peprotech | 450-02 | |
cAMP | Sigma-Aldrich | D0627 | |
CHIR99021 | Yeasen | 53003ES10 | |
Clozapine-N-oxide | Enzo | BML-NS105 | |
DAPT | Sigma-Aldrich | D5942 | |
Desipramine | Sigma-Aldrich | D3900 | |
D-glucose | Sigma-Aldrich | G5767 | |
DMEM/F12 | Gibco | 11330-032 | |
DMEM/F12 | Gibco | 11320-033 | |
DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
FGF8 | Peprotech | 100-25 | |
GDNF | Peprotech | 450-10 | |
GlutaMax | Gibco | 35050-061 | |
Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS) | Gibco | 14175095 | |
Human leukemia inhibitory factor (hrLIF) | Millipore | LIF1010 | |
Iced intracellular fluid | N/A | N/A | 130 mM K-gluconate, 16 mM KCl, 0.2 mM EGTA, 2 mM MgCl2, 10 mM HEPES, 4 mM Na2-ATP, 0.4 mM Na3-GTP, 0.3% of neurobiotin |
KnockOut Serum Replacement | Gibco | 10828028 | |
Laminin | Roche | 11243217001 | |
Micropipette Puller | Sutter Instrument Company | P-1000 | |
N-2 Supplement | Thermo Fisher | 17502048 | |
Neurobasal-A Medium | Gibco | 10888-022 | |
Non-essential amino acids (NEAA) | Gibco | 11140-050 | |
PBS | Gibco | 10010023 | |
pCLAMP 11 software suite | Molecular Devices | N/A | Patch-clamp electrophysiology data acquisition and analysis software |
Phase 1 differentiation medium | N/A | N/A | 96% DMEM/F12 (Gibco, 11320-033), 1% B-27 Supplement, 1% N-2 Supplement, 1% NEAA, 1% GlutaMax, 1 µM SAG1, and 100 ng/mL FGF8 |
Phase 2 differentiation medium | N/A | N/A | 96% DMEM/F12 (Gibco, 11320-033), 1% B-27 Supplement, 1% N-2 Supplement, 1% NEAA, and 1% GlutaMax, 10 ng/mL BDNF, 10 ng/mL GDNF, 1 ng/mL TGF-βIII, 10 µM DAPT, 0.2 mM ascorbic acid, and 0.5 mM cAMP. |
Poly-D-lysine hydrobromide (PDL) | Sigma-Aldrich | P7886 | |
Primers for genotyping | N/A | N/A | Insertion Foward: TCTTCACTCGCTGGGTTCCCTT; Insertion Reverse: CCTGTGGGAGGAAGAGAAGAGGT; Homozygosity Foward:CGTCTCCCTGGCTTTAGCCA; Homozygosity Reverse: GATCCTCTCTGGCTCCATCG |
pX458 | Addgene | 152199 | |
SAG1 | Enzo | ALX-270-426-M01 | |
SB431542 | Yeasen | 53004ES50 | |
sucrose-based artificial cerebrospinal fluid (s-ACSF) | 234 mM sucrose, 2.5 mM KCl, 26 mM NaHCO3, 1.25 mM NaH2PO4, 11 mM Dglucose, 0.5 mM CaCl2, and 10 mM MgSO4 | ||
Stem cell culture media | N/A | N/A | 48% DMEM/F12 (Gibco, 11330-032) and 48% Neurobasal, with the addition of 1% B27, 1% N2, 1% NEAA, 1% GlutaMax, 10 ng/mL hrLIF, 2 µM SB431542, and 3 µM CHIR99021 |
TGF-βIII | Peprotech | 100-36E | |
Transplantation buffer | N/A | N/A | HBSS buffer with 5 g/L D-glucose, 100 ng/mL BDNF, 100 ng/mL GDNF, and 0.2 mM ascorbic Acid |
Vibratome | Leica | VT1000 S | |
Whole-cell patch-clamp | Molecular Devices | MultiClamp700B |
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