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Method Article
Ce protocole décrit une méthodologie permettant de différencier les microglies des iPSC humaines et de les maintenir en co-culture avec des neurones corticaux dérivés d’iPSC afin d’étudier les fondements mécanistes des interactions neuro-immunitaires à l’aide de neurones humains et de microglies.
La capacité de générer des cellules microgliales à partir de cellules souches pluripotentes induites humaines (CSPi) fournit de nouveaux outils et de nouvelles voies pour étudier le rôle de la microglie dans la santé et la maladie. De plus, la microglie dérivée d’iPSC peut être maintenue en co-culture avec des neurones corticaux dérivés d’iPSC, ce qui permet d’étudier les interactions microglie-neurone dont on suppose qu’elles sont dérégulées dans un certain nombre de troubles neuropsychiatriques. Les iPSC humaines ont été différenciées pour générer des microglies à l’aide d’une version adaptée d’un protocole développé par le groupe Fossati, et les microglies dérivées d’iPSC ont été validées par analyse de marqueurs et PCR en temps réel. Les microglies humaines générées à l’aide de ce protocole étaient positives pour les marqueurs CD11C, IBA1, P2RY12 et TMEM119, et exprimaient les gènes apparentés aux microglies AIF1, CX3CR1, ITGAM, ITGAX, P2RY12 et TMEM119. Des neurones corticaux humains dérivés d’iPSC qui avaient été différenciés pendant 30 jours ont été plaqués avec une microglie et maintenus en co-culture jusqu’au 60e jour, lorsque des expériences ont été entreprises. La densité des épines dendritiques dans les neurones corticaux en co-culture avec la microglie a été quantifiée dans des conditions de référence et en présence de cytokines pro-inflammatoires. Afin d’examiner comment les microglies modulent la fonction neuronale, des expériences d’imagerie calcique des neurones corticaux ont été entreprises à l’aide de l’indicateur calcique Fluo-4 AM. L’activité calcique en direct des neurones corticaux a été obtenue à l’aide d’un microscope confocal, et l’intensité de la fluorescence a été quantifiée à l’aide d’ImageJ. Ce rapport décrit comment la co-culture de microglies et de neurones corticaux dérivés d’iPSC humains fournit de nouvelles approches pour interroger les effets de la microglie sur les neurones corticaux.
Dans le cerveau humain, les microglies sont les cellules immunitaires innées primaires1. Le développement du cerveau est régulé par la microglie par deux voies : la libération de facteurs diffusibles et la phagocytose1. Les facteurs diffusibles dérivés de la microglie aident à soutenir la myélinisation, la neurogenèse, la formation synaptique, la maturation, la mort cellulaire et la survie cellulaire1. Les microglies phagocytent également divers éléments dans les synapses cérébrales, les axones et les cellules vivantes et mortes 2,3,4,5,6,7,8. Les récepteurs de la microglie reconnaissent des marqueurs tels que la calréticuline, l’ATP et l’acide sialique et régulent la phagocytose cellulaire 9,10. Dans l’hippocampe, la microglie maintient l’homéostasie de la neurogenèse grâce à son rôle phagocytaire11.
Il a été démontré que la phagocytose synaptique dans le noyau géniculé dorsolatéral (dLGN) du cerveau des rongeurs est régulée par la microglie1. Chez les rongeurs, il a été démontré qu’il y a deux périodes au cours du développement où une phagocytose synaptique microgliale intense est observée. La première période se produit lors de la formation initiale des synapses et la seconde période se produit lorsque les connexions sont affinées et élaguées12. D’autres facteurs impliqués dans l’élagage synaptique sont les protéines inflammatoires et le complexe majeur d’histocompatibilité de classe I (CMH1, H2-Kb et Db)13,14. Il a été suggéré que C1q (composant du complément 1q) sur la microglie colocalise avec le CMH1, ce qui déclenche l’élagage synaptique15. De plus, des études sur des souris montrent que l’interleukine-33 (IL-33) sécrétée par les astrocytes régule l’homéostasie des synapses dans le thalamus et la moelle épinière grâce à ses effets sur la microglie, bien que cela n’ait pas encore été étudié chez l’homme. La microglie sécrète une variété de cytokines qui aident à maintenir la santé neuronale, telles que le facteur de nécrose tumorale α (TNFα), l’IL-1β, l’IL-6, l’IL-10 et l’interféron-γ (IFN-γ) et ces cytokines peuvent moduler la formation de l’épine dendritique et des synapses 16,17,18. Il existe des lacunes importantes dans nos connaissances sur les interactions neurones-microglies au cours du développement du cerveau humain. La plupart de nos connaissances proviennent d’études à partir de modèles de rongeurs, alors qu’il y a un manque d’informations sur les aspects temporels et mécanistes de l’élagage synaptique dans le cortex humain. La microglie soutient la survie neuronale dans le néo-cortex, et d’autres types de cellules y contribuent également1. Il n’est pas clair comment les microglies contribuent à cette préservation et quelle est l’interaction entre la microglie et les autres types de cellules. Les microglies libèrent plusieurs cytokines qui affectent le développement neuronal et synaptique, mais la base mécaniste de leurs effets de ces cytokines dans les neurones est largement inconnue19,20. Afin de développer une compréhension plus complète de la fonction de la microglie dans le cerveau humain, il est essentiel d’explorer ses interactions avec différents types de cellules présentes dans le cerveau humain. Ce rapport décrit une méthode de co-culture de neurones humains dérivés d’iPSC et de microglies générées à partir du même individu. L’établissement de cette méthodologie permettra d’effectuer des investigations bien définies pour interroger la nature des interactions microglie-neuronales et de développer des modèles cellulaires in vitro robustes pour étudier le dysfonctionnement neuro-immunitaire dans le contexte de différents troubles neurodéveloppementaux et neuropsychiatriques.
Le rôle de la microglie dans la schizophrénie
L’élagage synaptique est un processus neurodéveloppemental majeur qui se déroule dans le cerveau de l’adolescent21,22. De multiples sources de données suggèrent que l’élagage synaptique pendant cette période critique est anormal dans la schizophrénie (SCZ)23,24,25,26. La SCZ est un trouble psychiatrique chronique et débilitant caractérisé par des hallucinations, des délires, des processus de pensée désordonnés et des déficits cognitifs23,24. Les microglies, les macrophages résidents dans le cerveau, jouent un rôle central dans l’élagage synaptique25,26. Des études post-mortem et de tomographie par émission de positrons (TEP) montrent des preuves d’une activité microgliale dysfonctionnelle dans les SCZ25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32. Les cerveaux SCZ post-mortem montrent des différences bien reproduites mais subtiles dans le cerveau - les neurones pyramidaux de la couche corticale III montrent une diminution de la densité des épines dendritiques et moins de synapses 33,34,35. L’élagage synaptique est un processus par lequel les connexions synaptiques excitatrices superflues sont éliminées par la microglie pendant l’adolescence, lorsque les patients atteints de SCZ ont généralement leur première crise psychotique22,36. Des études post-mortem montrent une association entre la SCZ et l’activation microgliale, avec une densité accrue de microglie dans le cerveau des SCZ, ainsi qu’une expression accrue des gènes pro-inflammatoires27. De plus, des études TEP de cerveaux humains utilisant des radioligands pour l’activation microgliale montrent une augmentation des niveaux de microglie activée dans le cortex 25,26,27,28. Des études récentes d’association pangénomique (GWAS) montrent que l’association génétique la plus forte pour la SCZ réside dans le locus du complexe majeur d’histocompatibilité (CMH), et cette association résulte des allèles des gènes du composant du complément 4 (C4) qui sont impliqués dans la médiation de l’élagage synaptique postnatal chez les rongeurs37. Cette association a fourni un soutien supplémentaire à l’hypothèse selon laquelle l’élagage aberrant par la microglie peut entraîner la diminution de la densité des épines dendritiques observée dans les cerveaux post-mortem SCZ. Jusqu’à présent, les études sur l’implication microgliale dans l’élagage synaptique dans la SCZ se sont limitées à des études indirectes avec imagerie TEP ou à des inférences tirées d’investigations de cerveaux post-mortem.
Génération de microglie humaine en laboratoire
Les microglies primaires de souris en culture ont été fréquemment utilisées dans l’étude de la microglie, bien qu’il existe plusieurs indications que la microglie de rongeur peut ne pas être représentative de l’anatomie microgliale humaine et de l’expression des gènes (Tableau 1)38. Plusieurs études ont également différencié la microglie directement des monocytes sanguins par transdifférenciation 39,40,41,42. Les cellules microgliales dérivées de monocytes sanguins présentent des différences majeures par rapport à la microglie humaine dans le profil d’expression des gènes et des protéines, les réponses pro-inflammatoires, et elles semblent être plus semblables à celles des macrophages dans leur biologie43. Les progrès méthodologiques récents permettent maintenant de générer des microglies à partir d’iPSC humaines, ce qui offre des possibilités d’étudier des microglies vivantes qui ressemblent plus précisément à la biologie des microglies trouvées dans le cerveau humain (tableau 2). Il a été démontré que ces cellules microgliales dérivées d’iPSC récapitulent le phénotype, les profils d’expression génique et les propriétés fonctionnelles de la microglie humaine primaire 44,45,46,47,48. Cet article propose une méthode de co-culture de neurones humains dérivés d’iPSC et de microglies générées à partir du même individu afin de développer des modèles in vitro personnalisés d’interactions neurones-microglies. Pour ce modèle de co-culture in vitro, un protocole de différenciation microgliale du groupe Fossati a été adapté (Tableau 3) et combiné avec une version adaptée d’un protocole de génération neuronale corticale du groupe Livesey (Tableau 4)49,50.
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Les iPSC humaines utilisées dans cette étude ont été reprogrammées à partir de fibroblastes obtenus grâce au consentement éclairé de sujets témoins sains, avec l’approbation du comité d’examen institutionnel (IRB). La reprogrammation et la caractérisation des iPSC utilisées dans cette étude (ML15, ML27, ML40, ML56, ML141, ML 250, ML292) ont été décrites dans une étude antérieure51.
1. Maintenance des iPSC
2. Différenciation de la microglie
REMARQUE : La figure 1A illustre un schéma décrivant le protocole de différenciation de la microglie. Le support a été chauffé à température ambiante avant utilisation.
3. Différenciation des neurones corticaux
REMARQUE : Un schéma décrivant le protocole de différenciation des neurones corticaux est illustré à la figure 1G.
4. Co-cultures microglie/neurone
5. Traitement à l’interféron γ
6. Immunocytochimie
7. Analyse de la colonne vertébrale
8. Imagerie calcique
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Validation du protocole
Les microglies dérivées d’iPSC ont été générées à partir de sept lignées d’iPSC sur trois cycles de différenciation différents. Les lignées témoins ML27, ML56, ML292 et ML364 et les lignées ML40, ML141 et ML250 de schizophrénie ont été utilisées. La caractérisation de ces lignées iPSC a été décrite précédemment51. Ces microglies dérivées d’iPSC ont été validées à l’aide de l’ICC e...
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Le développement de méthodes de différenciation le long de différentes trajectoires pour les cellules souches pluripotentes a ouvert de nombreuses voies pour l’étude de la fonction cérébrale et des processus pathologiques 53,54,55. Les études initiales s’étaient concentrées sur le développement de types de cellules neuronales spécifiques supposés être importants dans des troubl...
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Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce travail a été soutenu par un prix de recherche biocomportementale de l’Institut national de la santé mentale pour les nouveaux scientifiques innovants (BRAINS) R01MH113858 (à R.K.), un prix de développement des scientifiques cliniques de l’Institut national de la santé mentale K08MH086846 (à R.K.), le prix de développement des scientifiques cliniques de la Doris Duke Charitable Foundation (à R.K.), la Fondation bipolaire Ryan Licht Sang (à R.K.), la Fondation de la famille Jeanne Marie Lee-Osterhaus et le NARSAD Young Investigator Award de la Brain & Behavior Research Foundation (à A.K.), de la Fondation Phyllis & Jerome Lyle Rappaport (à R.K.), du Harvard Stem Cell Institute (à R.K.) et par Steve Willis et Elissa Freud (à R.K.). Nous tenons à remercier le Dr Bruce M. Cohen et la Dre Donna McPhie de la Harvard Medical School et de l’Hôpital McLean de nous avoir fourni les fibroblastes utilisés dans l’étude.
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
B-27 supplement | Gibco | 17504044 | |
b-FGF | Peprotech | 100-18B | |
BMP-4 | Peprotech | 120-05ET | |
Brainphys | StemCell Technologies | 5790 | |
CD11C antibody | Biolegend | 337207 | Dilution 1:200 |
Costar Flat Bottom Cell Culture Plates | Corning | 07-200-83 | |
Ctip2 antibody | Abcam | ab18465 | |
CUTL1 monoclonal antibody | Abnova | H00001523-M01 | |
DMEM/F-12, no phenol red | Gibco | 21041025 | |
dorsomorphin | Sigma-Aldrich | P5499 | |
DPBS, no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D6421 | |
EasYFlask Cell Culture Flasks | Nunc | 156499 | |
Fisherbrand Cell Lifters | Fisher Scientific | 08-100-240 | |
Flt3-Ligand | Peprotech | 300-19 | |
Fluo4-AM | Life Technologies | F-14201 | |
Geltrex LDEV Free RGF BME 1 ML | ThermoFisher Scientific | A1413201 | |
Glutamax | ThermoFisher Scientific | 35050061 | |
GM-CSF | Peprotech | 300-03 | |
Goat Anti Chicken- IgG H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150169 | Dilution 1:1000 |
Goat Anti mouse- IgG H&L (Alexa Fluor 568) | Invitrogen | A-11004 | Dilution 1:1000 |
Goat Anti Rat- IgG H&L (Alexa Fluor 405) | Abcam | ab175670 | Dilution 1:1000 |
Goat Anti-Guinea pig IgG H&L (Alexa Fluor 405) | Abcam | ab175678 | Dilution 1:1000 |
Goat Serum | Sigma-Aldrich | G9023 | |
HBSS | Invitrogen | 14170120 | |
IBA1 antibody | Abcam | ab5076 | Dilution 1:500 |
IL-34 | Peprotech | 200-34 | |
INF-y | Peprotech | 300-02 | |
KiCqStart SYBR Green Primers | Sigma-Aldrich | KSPQ12012 | |
Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | |
LDN193189 | Sigma-Aldrich | SML0599 | |
Live Cell Imaging Solution | Invitrogen | A14291DJ | |
MAP2 antibody | Synaptic Systems | 188 004 | |
M-CSF | Peprotech | 300-25 | |
N-2 supplement | Gibco | 17502001 | |
Neurobasal medium | Life Technologies | 21103049 | |
NutriStem hPSC XF Medium | Biological Industries | 01-0005 | |
P2RY12 antibody | Biolegend | 848002 | |
Paraformaldehyde 16% | Fisher Scientific | 50-980-488 | |
Penicillin-streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Poly-L-Orthinine | Sigma-Aldrich | P3655 | |
SATB2 antibody | Abcam | ab51502 | |
SB431542 | Sigma-Aldrich | S4317 | |
SCF | Stemcell Technologies | 78062 | |
SensoPlate 24-Well Glass-Bottom Plate | Greiner-Bio | 662892 | |
StemPro-34 SFM (1X) | Gibco | 10639011 | |
TMEM119 antibody | Abcam | ab185333 | Dilution 1:1000 |
TPO | Peprotech | 300-18 | |
Triton-X | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
VEGF | Peprotech | 100-20 | |
Versene | ThermoFisher Scientific | 15040066 | |
Y-27632 dihydrochloride (ROCK inhibitor) | Tocris | 1254 |
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