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Method Article
Ce protocole décrit une nouvelle méthode de création d’organoïdes 3D du mésencéphale à partir de cellules souches pluripotentes induites humaines, guidant leur formation pour imiter le tissu natif du mésencéphale, contribuant ainsi à l’étude du développement et des troubles.
Le développement d’organoïdes du mésencéphale (MO) à partir de cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) représente une avancée significative dans la compréhension du développement du cerveau, facilitant la modélisation précise des maladies et faisant progresser la recherche thérapeutique. Ce protocole décrit une méthode de génération d’organoïdes spécifiques au mésencéphale à l’aide de cellules souches pluripotentes induites (iPSC), en utilisant une approche de différenciation stratégique. Les techniques clés comprennent l’inhibition de la double SMAD pour supprimer la signalisation SMAD, l’administration du facteur de croissance des fibroblastes 8b (FGF-8b) et l’activation de la voie Sonic Hedgehog à l’aide de l’agoniste purmorphamine, guidant les iPSC vers le destin du mésencéphale.
Les organoïdes produits par cette méthode atteignent des diamètres allant jusqu’à 2 mm et intègrent un large éventail de types de cellules neuroépithéliales, reflétant la diversité cellulaire inhérente au mésencéphale. La validation de ces organoïdes en tant que structures authentiques du mésencéphale implique l’expression de marqueurs spécifiques au mésencéphale, confirmant leur identité. Un résultat notable de cette méthodologie est la différenciation efficace des iPSC en neurones dopaminergiques, qui sont caractéristiques du mésencéphale.
L’importance de ce protocole réside dans sa capacité à produire des organoïdes fonctionnellement matures, spécifiques au mésencéphale, qui reproduisent fidèlement les aspects essentiels du mésencéphale, offrant un modèle précieux pour l’exploration approfondie des processus de développement du mésencéphale et de la physiopathologie de troubles connexes tels que la maladie de Parkinson. Ainsi, ce protocole constitue une ressource cruciale pour les chercheurs qui cherchent à améliorer notre compréhension du cerveau humain et à développer de nouveaux traitements pour les maladies neurodégénératives, ce qui en fait un outil indispensable dans le domaine de la recherche neurologique.
Le cerveau humain, avec son architecture complexe et sa composition cellulaire et moléculaire complexe, présente des défis considérables dans la recherche en neurosciences, en particulier dans le contexte de la modélisation des maladies et du développement de la thérapie cellulaire1. Ces défis sont encore compliqués par la disponibilité limitée de modèles in vitro sophistiqués qui représentent vraiment la complexité du cerveau humain. Cependant, les progrès récents de la technologie des cellules souches pluripotentes induites humaines (iPSC), permettant une différenciation contrôlée en sous-types neuronaux spécifiques, ont ouvert des voies prometteuses pour l’exploration du développement du cerveau humain, de la pathogenèse des maladies et des stratégies thérapeutiques basées sur les cellules.
Traditionnellement, les cultures neuronales bidimensionnelles (2D) dérivées d’iPSC ont été la pierre angulaire des études in vitro visant à imiter la physiologie et la pathologie neuronales humaines. Ces cultures monocouches ont contribué à améliorer notre compréhension des maladies neurologiques et à la découverte d’agents neuroprotecteurs 2,3,4,5,6,7. Malgré leur utilité, ces systèmes 2D ne parviennent pas à émuler la véritable diversité cellulaire et la structure tridimensionnelle (3D) du cerveau humain.
L’avènement de la technologie des organoïdes cérébraux représente un bond significatif dans la modélisation in vitro, fournissant un outil qui imite étroitement la biologie complexe du cerveau humain dans un cadre physiologiquement pertinent8. Les premières techniques de développement d’organoïdes cérébraux ont capitalisé sur les propriétés régulatrices inhérentes des iPSC pour former spontanément des dérivés de l’ectoderme, imitant ainsi les premiers stades du développement cérébral 5,9,10,11,12. Compte tenu des réseaux complexes formés par les neurones avec d’autres cellules neuronales et non neuronales, la modélisation 3D devient essentielle pour étudier avec précision les maladies neurodégénératives. Les cultures 3D fournissent un environnement in vivo plus représentatif, facilitant la différenciation neuronale accélérée et la formation de réseaux 12,13,14, et favorisent une expression plus large des gènes neuronaux par rapport aux cultures 2D15. Les neurones développés dans des contextes 3D atteignent des morphologies et des attributs physiologiques plus proches de leurs homologues in vivo 16.
Les progrès récents dans les modèles de cerveau 3D ont été essentiels pour capturer plus efficacement la complexité spatiale et fonctionnelle du cerveau humain. Au cours de la dernière décennie, l’avancement de divers protocoles pour générer à la fois des organoïdes du cerveau entier et des modèles cérébraux spécifiques à une région 11,17,18,19,20,21,22 s’est avéré inestimable dans la modélisation de troubles neurologiques tels que la microcéphalie 11, la maladie d’Alzheimer 14,23 et la maladie de Parkinson24. L’objectif de ce protocole est de développer et d’affiner une méthode de création de MO humains 3D dérivés d’iPSC humaines. Ce protocole vise spécifiquement à générer des organoïdes enrichis de neurones dopaminergiques et organisés spatialement de manière à imiter étroitement la structure naturelle et la fonctionnalité du mésencéphale humain. L’objectif principal de ces organoïdes est de servir de modèles in vitro avancés pour l’étude de la maladie de Parkinson, fournissant un système plus précis et physiologiquement pertinent pour explorer les processus neurodéveloppementaux et les pathologies associées à cette maladie. En exploitant des iPSC dérivées de patients pour générer ces organoïdes spécifiques du mésencéphale, le protocole cherche à améliorer la compréhension des mécanismes de la maladie de Parkinson, à faciliter la découverte de cibles thérapeutiques potentielles et à améliorer le développement de thérapies cellulaires. Grâce à cette approche innovante, le protocole vise à surmonter les limites des cultures neuronales 2D traditionnelles et à contribuer de manière significative au domaine de la recherche sur les maladies neurodégénératives en offrant un outil puissant pour la modélisation in vitro des maladies et l’exploration de nouvelles stratégies de traitement.
Au cours des 10 dernières années, diverses équipes de recherche ont mis au point des organoïdes du mésencéphale (MO)8,21,25,26,27,28, en utilisant des méthodologies qui présentent plusieurs similitudes clés. Dans le but d’approfondir la compréhension de la maladie de Parkinson, nous avons développé un protocole pour créer des MO humains en 3D dérivés d’iPSC humaines. Ces organoïdes, enrichis de neurones dopaminergiques disposés dans l’espace, présentent un modèle idéal pour l’étude de la maladie de Parkinson. Le développement et le perfectionnement de protocoles d’organoïdes spécifiques au mésencéphale ont donné naissance à des modèles in vitro avancés qui ont contribué de manière significative à notre compréhension des processus neurodéveloppementaux et des maladies neurodégénératives. Ces modèles, en particulier lorsqu’ils sont appliqués aux MO dérivées de patients, ont démontré leur efficacité en tant qu’outils puissants pour la modélisation des maladies in vitro, offrant de nouvelles perspectives et méthodologies dans le domaine de la culture cellulaire 3D avancée.
Les iPSC générées à partir de fibroblastes humains normaux Detroit 551 et de cellules souches embryonnaires humaines (ESC) hESC line 360 comme décrit précédemment4. Les CSPi ont été obtenues avec l’approbation du Comité de Norvège occidentale pour la recherche éthique en santé REK nr. 2012/919. Toutes les cellules ont fait l’objet d’une surveillance régulière à l’aide de la trousse de détection de mycoplasmes MycoAlert. La table des matériaux contient des informations sur tous les matériaux, réactifs et équipements utilisés dans ce protocole. Le tableau 1 décrit les supports et autres supports utilisés.
1. Décongélation des CSPi
2. Ensemencement des iPSC
3. Induction neuronale
4. Structuration du mésencéphale
5. Intégration du matrigel et terminaison et maturation du MO
6. Coloration par immunofluorescence
Dans cette étude, nous introduisons un protocole pionnier pour la dérivation des MO à partir des iPSC. Au cœur de notre méthodologie se trouve l’utilisation innovante de l’inhibition dual-SMAD, combinée en synergie avec le FGF-8b et l’agoniste de la voie Sonic Hedgehog (SHH), la purmorphamine (PM). Cette approche est illustrée à la figure 1. Le processus de différenciation commence par l’orientation des iPSC vers la lignée des neuroectoderm...
Dans cette étude, nous avons développé une méthodologie pour différencier les MO des iPSC. Notre protocole utilise une stratégie d’inhibition à double SMAD renforcée par des facteurs morphogéniques, notamment le FGF-8b et l’agoniste SHH PM. Cette approche simule étroitement les indices de développement cruciaux pour l’ontogenèse du mésencéphale. La voie de différenciation que nous avons instituée favorise la formation de structures neuroépithéliales rappelant les ...
Les auteurs n’ont aucun conflit d’intérêts à divulguer.
La figure 1 est créée à l’aide de BioRender.com. Nous remercions l’Université de Bergen Meltzers Høyskolefonds (numéro de projet : 103517133), Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson et Gerdt Meyer Nyquists legat (numéro de projet : 103816102) pour leur financement.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CCD Microscope Camera Leica DFC3000 G | Leica Microsystems, Germany | ||
Chemically Defined Lipid Concentrate | Thermo Fisher Scientific | 11905031 | CDM ingredient |
Collagenase IV | Thermo Fisher Scientific | 17104019 | Reagent for gentle dissociation of human iPSCs |
Corning non-treated culture dishes | Sigma-Aldrich | CLS430589 | Suspension culture |
DMEM/F-12, GlutaMAX supplement | Thermo Fisher Scientific | 10565018 | Astrocyte differentiation basal Medium |
DPBS | Thermo Fisher Scientific | 14190250 | Used for a variety of cell culture wash |
EDTA | Thermo Fisher Scientific | 15575020 | Reagent for gentle dissociation of human iPSCs |
Essential 8 Basal Medium | Thermo Fisher Scientific | A1516901 | Basal medium for iPSC culture |
Essential 8 Supplement (50x) | Thermo Fisher Scientific | A1517101 | Supplement for iPSC culture |
FCCP | Abcam | ab120081 | Eliminates mitochondrial membrane potential and TMRE staining |
FGF-basic | PeproTech | 100-18B | Astrocyte differentiation medium ingredient |
Fluid aspiration system BVC control | Vacuubrand, Germany | ||
Formaldehyde (PFA) 16% | Thermo Fisher Scientific | 28908 | Cell fixation |
GDNF | Peprotech | 450-10 | DA neurons medium ingredient |
Geltrex (Basement membrane matrix) | Thermo Fisher Scientific | A1413302 | Used for attachment and maintenance of human iPSCs |
GlutaMAX Supplement | Thermo Fisher Scientific | 35050061 | Supplement for NSC culture |
Heracell 150i CO2 Incubators | Fisher Scientific, USA | ||
IMDM | Thermo Fisher Scientific | 21980032 | Basal medium for CDM |
InSolution AMPK Inhibitor | Sigma-Aldrich | 171261 | Neural induction medium ingredient |
Insulin | Roche | 1376497 | CDM ingredient |
iPSCs derived from Detroit 551 fibroblats | ATCC | CCL-110 | |
Leica TCS SP8 STED confocal microscope | Leica Microsystems, Germany | ||
Matrigel | Life Science | 354230 | Matrigel embedding |
Monothioglycerol | Sigma-Aldrich | M6145 | CDM ingredient |
Normal goat serum | Thermo Fisher Scientific | PCN5000 | Used for blocking buffer |
Orbital shakers - SSM1 | Stuart Equipment, UK | ||
Organoid Embedding Sheet | STEMCELL Technologies | 8579 | Matrigel embedding |
Organoid Embedding Sheet | STEMCELL Technologies | 8579 | |
PBS 1x | Thermo Fisher Scientific | 18912014 | Used for a variety of washes |
Poly-D-lysine hydrobromide | Sigma-Aldrich | P7405 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
Poly-L-ornithine solution | Sigma-Aldrich | P4957 | Promotes attachment and growth of neural cells in vitro |
ProLong Gold Antifade Mountant | Thermo Fisher Scientific | P36930 | Mounting the coverslip for confocal image |
Purmorphamine | STEMCELL Technologies | 72204 | Promotes DA neuron differentiation |
Recombinant Human/Mouse FGF-8b Protein | R&D Systems | 423-F8-025/CF | Promotes DA neuron differentiation |
SB 431542 | Tocris Bioscience | TB1614-GMP | Neural Induction Medium ingredient |
TRITON X-100 | VWR International | 9002-93-1 | Used for cells permeabilization in immunostaining assays |
SSM1 compact orbital shaker | Norrscope | 51901-10 SSM1 Shaker, orbital, mini 230V | Rotator for organoid culturing. |
Water Bath Jb Academy Basic Jba5 JBA5 Grant Instruments | Grant Instruments, USA | ||
Antibodies used for immunostaining | |||
Primary antibody | |||
anti-DAT | Abcam | ab128848, RRID:AB_2665470 | Rabbit; 1:100 |
anti-FOXA2 | ProteinTech | 22474-1-AP, RRID:AB_2879110 | Rabbit; 1:100 |
anti-FOXG1 | Abcam | ab196868, RRID:AB_2892604 | Rabbit; 1:200 |
anti-LMX1 | Abcam | ab139726, RRID:AB_2827684 | Rabbit; 1:100 |
anti-MAP2 | Abcam | ab5392 ,RRID:AB_2138153 | Chicken; 1:500 |
anti-OTX2 | ProteinTech | 13497-1-AP, RRID:AB_2157176 | Rabbit; 1:100 |
anti-TH | Abcam | ab75875, RRID:AB_1310786 | Rabbit; 1:100 |
Secondary antibody | Dilution (μL) | ||
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A-11012 | 1:400 |
Alexa Fluor 488 goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A- 11008 | 1:400 |
Alexa Fluor 488 goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A- 11008 | 1:400 |
Alexa Fluor 488 goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A- 11008 | 1:400 |
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A-11012 | 1:400 |
Alexa Fluor 594 goat anti-rabbit IgG | Thermo Fisher Scientific | A-11012 | 1:400 |
Alexa Fluor 647 goat anti-chicken IgG | Thermo Fisher Scientific | A-21469 | 1:400 |
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