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Method Article
Ce protocole fait état d’une méthode unique d’utilisation d’un cytomètre en continu et de plusieurs anticorps pour l’évaluation simultanée de plusieurs paramètres fonctionnels mitochondriaux, y compris les modifications du volume mitochondrial, les quantités de sous-unités complexes de la chaîne respiratoire mitochondriale (MRC) et la réplication de l’ADN mitochondrial (ADNmt).
Le dysfonctionnement mitochondrial est un contributeur primaire ou secondaire commun à de nombreux types de neurodégénérescence, et des modifications de la masse mitochondriale, des complexes de la chaîne respiratoire mitochondriale (MRC) et du nombre de copies de l’ADN mitochondrial (ADNmt) figurent souvent dans ces processus. Les organoïdes du cerveau humain dérivés de cellules souches pluripotentes induites humaines (iPSC) récapitulent l’arrangement cytoarchitectural tridimensionnel (3D) du cerveau et offrent la possibilité d’étudier les mécanismes de la maladie et de cribler de nouvelles thérapies dans un système humain complexe. Ici, nous rapportons une approche unique basée sur la cytométrie en flux pour mesurer plusieurs paramètres mitochondriaux dans les organoïdes corticaux dérivés d’iPSC. Ce rapport détaille un protocole pour générer des organoïdes cérébraux corticaux à partir d’iPSC, la dissociation unicellulaire des organoïdes générés, la fixation, la coloration et l’analyse cytométrique en flux ultérieure pour évaluer plusieurs paramètres mitochondriaux. La double coloration avec des anticorps contre la sous-unité du complexe MRC NADH : la sous-unité B10 (NDUFB10) de l’ubiquinone oxydoréductase ou le facteur de transcription mitochondrial A (TFAM) associée au canal sélectif des anions 1 dépendant de la tension (VDAC 1) permet d’évaluer la quantité de ces protéines par mitochondrie. Étant donné que la quantité de TFAM correspond à la quantité d’ADNmt, elle fournit une estimation indirecte du nombre de copies d’ADNmt par contenu mitochondrial. L’ensemble de cette procédure peut être complété en l’espace de 2 à 3 heures. De manière cruciale, il permet la quantification simultanée de plusieurs paramètres mitochondriaux, y compris les niveaux totaux et spécifiques relatifs à la masse mitochondriale.
Les mitochondries sont des organites cellulaires essentiels et le principal site de production de l’adénosine triphosphate (ATP). En plus de fournir de l’énergie aux cellules, les mitochondries participent également à de multiples processus cellulaires, notamment la transmission de l’information cellulaire, la différenciation cellulaire et l’apoptose, et ont la capacité de réguler la croissance cellulaire et le cycle cellulaire. Des modifications de la fonction mitochondriale ont été identifiées dans diverses maladies neurodégénératives, notamment la maladie de Parkinson (MP)1,2, la maladie d’Alzheimer (MA)3 et la sclérose latérale amyotrophique (SLA)4. Le dysfonctionnement mitochondrial joue un rôle dans le processus de vieillissement, accumulant des mutations somatiques de l’ADNmt et déclinant la fonction de la chaîne respiratoire5.
Différents types de dysfonctionnement mitochondrial se produisent dans la neurodégénérescence, et la capacité de mesurer ces changements est extrêmement utile lors de l’étude des mécanismes de la maladie et de l’essai de traitements potentiels. En outre, la mise en place de systèmes modèles in vitro appropriés qui récapitulent les maladies dans les cellules cérébrales humaines est essentielle pour mieux comprendre les mécanismes de la maladie et développer de nouvelles thérapies. Les iPSC de patients atteints de maladies neurodégénératives ont été utilisées pour générer diverses cellules cérébrales qui manifestent des lésions mitochondriales 6,7,8,9. Le développement d’organoïdes cérébraux 3D dérivés d’iPSC est une étape majeure dans la modélisation des maladies. Ces organoïdes cérébraux dérivés d’iPSC offrent de la complexité et contiennent le propre patrimoine génétique du patient, fournissant ainsi un modèle de maladie qui reflète plus précisément la pathologie du cerveau du patient.
Bien que certaines recherches aient été menées sur des études mitochondriales utilisant des organoïdes cérébraux dérivés d’iPSC 10,11,12, les techniques pratiques et fiables pour déterminer plusieurs paramètres fonctionnels mitochondriaux dans les organoïdes cérébraux dérivés d’iPSC restent limitées. La cytométrie en flux fournit un outil puissant pour mesurer les paramètres mitochondriaux au niveau de la cellule unique, comme nous l’avons démontré précédemment13. Cette étude fournit un protocole détaillé pour générer des organoïdes corticaux à partir d’iPSC, combiné à une nouvelle approche basée sur la cytométrie en flux pour mesurer simultanément plusieurs paramètres mitochondriaux, y compris la masse mitochondriale, les sous-unités complexes de la chaîne respiratoire et le nombre de copies d’ADNmt (Figure 1). Il est important de noter qu’en utilisant la masse mitochondriale comme dénominateur, ces protocoles permettent de mesurer à la fois les niveaux totaux et spécifiques par unité mitochondriale.
1. Différenciation des iPSC en organoïdes corticaux
2. Préparation du milieu Essential 8 (E8) pour la culture d’iPSC
3. Sous-culture des CSPi
4. Formation du corps embryoïde (EB) et induction neuronale
5. Génération d’organoïdes corticaux
6. Maturation et culture à long terme d’organoïdes corticaux
7. Caractérisation cellulaire par immunocytochimie et coloration par immunofluorescence
8. Dissociation des organoïdes corticaux
9. Mesure par cytométrie en flux des sous-unités du complexe MRC et du TFAM dans les cellules fixes
10. Acquisition et analyse de la cytométrie en flux
La figure 1 fournit une représentation schématique du processus de différenciation et des stratégies utilisées pour l’analyse cytométrique en flux. Des iPSC humaines ont été cultivées dans des plaques non adhérentes à 96 puits pour former des EB, puis transférées sur des plaques non adhérentes à 6 puits pour obtenir des organoïdes corticaux complètement développés. La composition cellulaire des organoïdes a été validée par microscopi...
Un protocole est présenté pour générer des organoïdes cérébraux corticaux à partir d’iPSC humaines et pour effectuer l’analyse cytométrique en flux des paramètres mitochondriaux dans des cellules uniques isolées de ces organoïdes. La composition cellulaire des organoïdes a été vérifiée par microscopie confocale avec coloration immunohistochimique pour les marqueurs des cellules neuronales et gliales. Il a été démontré que la stratégie de co-coloration basée sur...
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous exprimons notre sincère gratitude à Gareth John Sullivan de l’Institut des sciences médicales fondamentales de l’Université d’Oslo, en Norvège, pour nous avoir généreusement fourni la lignée cellulaire AG05836 (RRID :CVCL_2B58). Nous remercions chaleureusement le Centre d’imagerie moléculaire, Plateforme de cytométrie en flux de l’Université de Bergen en Norvège. Ce travail a été soutenu par les financements suivants : K.L a été partiellement soutenu par l’Université de Bergen Meltzers Høyskolefonds (numéro de projet : 103517133) et Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat (numéro de projet : 103816102). L.A.B a été soutenu par le Conseil norvégien de la recherche (numéro de projet : 229652), Rakel og Otto Kr.Bruuns legat et Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat.
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 |
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