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Method Article
Nous présentons un protocole de différenciation in vitro tridimensionnel (3D) générant des neurosphères de taille reproductible pour produire des cellules de crête neurale crânienne à partir de cellules souches embryonnaires de souris. Nous montrons que cette méthodologie réduit la variabilité par rapport aux protocoles précédents et comment elle peut être utilisée pour le dosage multiplexé afin d’étudier le développement des cellules de la crête neurale crânienne.
Avec leur remarquable capacité à générer à la fois des dérivés ectodermiques et mésenchymateux, les cellules de la crête neurale crânienne (CNCC) ont suscité beaucoup d’intérêt dans l’étude des mécanismes régulant les décisions de destin cellulaire et la plasticité. Originaire du neuroépithélium dorsal, cette population cellulaire est transitoire et relativement rare dans l’embryon en développement, ce qui rend les tests fonctionnels, les criblages génomiques et les tests biochimiques difficiles à réaliser in vivo. Pour pallier ces limitations, plusieurs méthodes ont été développées pour modéliser le développement du CNCC in vitro. Les méthodes de culture basées sur la neurosphère (NS) fournissent un microenvironnement complexe qui récapitule le neuroépithélium antérieur en développement en 3D. Ces systèmes permettent la croissance de nombreux NS dans la même plaque pour générer une grande quantité de CNCC, mais les NS produits présentent une grande variabilité de forme, de taille et de nombre de CNCC formés, ce qui rend les tests quantitatifs difficiles à réaliser. Ce protocole décrit une méthode reproductible pour générer des cellules souches embryonnaires de souris (mESC) dans un format à 96 puits. Les NS générés dans des plaques de 96 puits produisent des cellules de crête neurale crânienne (CNCC), qui peuvent être cultivées davantage. En contrôlant le nombre de cellules de départ, cette approche réduit la variabilité de la taille et de la forme entre les NS et augmente la reproductibilité entre les expériences. Enfin, ce système de culture est adaptable à plusieurs applications et offre un degré de flexibilité plus élevé, ce qui le rend hautement personnalisable et adapté au multiplexage de conditions expérimentales.
Les cellules de la crête neurale crânienne (CNCC) sont une population de cellules souches qui se développe dans la partie la plus antérieure de l’embryon en développement, à la frontière entre la plaque neurale et l’ectodermede surface 1. Les CNCC subissent ensuite une transition épithéliale à mésenchymateuse (EMT), se délaminent du neuroépithélium et migrent dorso-ventralement vers divers endroits de l’embryon où ils se différencient en une grande variété de types cellulaires2. L’étude de cette population cellulaire est d’un grand intérêt car elle possède une plasticité remarquable3 et la capacité unique de se différencier en dérivés ectodermiques et mésenchymateux, tels que les os cranio-faciaux et les cartilages4. Bien que les CNCC soient relativement accessibles dans l’embryon, il s’agit d’une population transitoire avec un faible nombre de cellules, ce qui rend les études mécanistes systémiques difficiles à mener in vivo. Des lignées cellulaires CNCC ont été isolées et caractérisées au cours des dernières années pour surmonter ces limitations. En particulier, la lignée cellulaire O9-1 CNCC est un excellent outil pour étudier le développement de la crête neurale migratoire et post-migratoire 5,6 ; Cependant, cette lignée cellulaire ne permet pas d’étudier les événements précoces précédant la migration conduisant à l’induction et à la spécification de la crête neurale. À cet égard, il y a eu des développements significatifs dans le développement de protocoles de différenciation in vitro pour différencier le CNCC dans une boîte via l’utilisation de structures 3D ressemblant au neuroépithélium en développement appelées neurosphères (NS)7,8- obtenues après différenciation des colonies de cellules souches embryonnaires (ESC). Ces protocoles 3D produisent de manière robuste un grand nombre de CNCC, permettant la réalisation d’études mécanistes biochimiques et génomiques 9,10. Les NS sont cultivés sur des plaques à faible fixation dans un milieu supplémenté en N2B27, avec le facteur de croissance des fibroblastes (FGF) et le facteur de croissance épidermique (EGF)10,11 pour stimuler la prolifération cellulaire. Ces protocoles sont réalisés dans des boîtes de Pétri, en cultivant de nombreux NS dans la même plaque. Au sein du NS en croissance, les cellules s’agrègent et continuent de se diviser, atteignant un diamètre de 100 à 200 μm à maturité. À maturité (vers le 5e jour), les NS se fixent au substrat et se différencient en CNCC ressemblant à leurs homologues in vivo 9,12. Ces CNCC subissent ensuite une EMT et se délaminent sur la surface de la plaque. Des différences morphologiques peuvent être observées en fonction de la taille des NS, car les sphères plus grandes apparaîtront plus foncées dans le noyau en raison d’une plus faible disponibilité des nutriments et de l’oxygène, conduisant les cellules à subir l’apoptose13. Bien que ce type de procédure génère un grand nombre de CNCC au point final de différenciation, il présente plusieurs limites, rendant l’étude des différentes dynamiques moléculaires se produisant au cours du processus de différenciation presque impossible. Tout d’abord, l’utilisation de colonies ESC - dont la taille varie - rend difficile le contrôle du nombre de cellules de départ pour chaque expérience. Cela se traduit par la génération de NS de différentes formes et diamètres qui se développent différemment en activant des voies de signalisation spécifiques, conduisant à une différenciation cellulaire altérée et, par conséquent, ne formant pas un échantillon uniforme à un point temporel donné. Deuxièmement, la culture de plusieurs NS dans la même plaque les amène souvent à fusionner14 et à libérer potentiellement des molécules de signalisation qui influencent le microenvironnement de leurs voisins et, par conséquent, leur développement. Dans l’ensemble, ces procédures génèrent une grande variabilité entre les échantillons et les expériences.
Ici, nous présentons une stratégie pour surmonter ces difficultés qui génèrent une seule NS - capable de produire de la CNCC - en agrégeant des ESC de souris (mESC) dans des plaques à 96 puits à fond en U non traitées par TC. Partir de mESC permet d’étudier le processus de spécification et les premières étapes du développement du CNCC par rapport au démarrage de lignées cellulaires de crête neurale déjà établies. Ce protocole commence par la désagrégation des colonies de CSEm pour obtenir une suspension cellulaire unique, suivie de l’ensemencement d’un nombre spécifique de CSEm dans chaque puits d’une plaque de 96 puits à fond en U non traitée par TC. On laisse les cellules s’agréger pendant deux jours, puis on les déplace vers une plaque à fond plat à 96 puits non traitée par TC, dans laquelle NS pourra se fixer au fond de la plaque. En contrôlant le nombre de cellules de départ et le microenvironnement de chaque NS pendant le processus de différenciation, ce protocole réduit la variabilité de l’échantillon, ce qui augmente la reproductibilité expérimentale. Nous pensons qu’il s’agira d’une plate-forme pratique pour concevoir des expériences multiplexées, telles que tester l’effet de différentes conditions de culture ou effectuer des criblages de perturbation génétique.
1. Génération d’une suspension unicellulaire à partir de colonies d’ESC de souris
REMARQUE : Ce protocole est adapté à l’utilisation de CSEm CK35 (une lignée de CSEm compétente pour la transmission de lignées germinales, pour avoir ensuite la possibilité de développer des modèles in vivo 15) cultivés sur des mangeoires inactivées dans une plaque à 6 puits traitée TC recouverte de gélatine. Un puits d’une plaque à 6 puits traitée par TC devrait produire environ 1,5 × 106 mESC, ce qui est suffisant pour le reste du protocole. Cela peut être étendu si nécessaire. Ajustez les étapes initiales en fonction de la souche ESC choisie et de la méthode de culture d’entretien, ainsi que du milieu de culture approprié. Ce protocole doit être réalisé dans des conditions stériles. Voir le tableau des matériaux pour plus de détails sur tous les matériaux, réactifs et équipements utilisés dans ce protocole.
2. Transfert dans une plaque à fond plat de 96 puits pour la différenciation CNCC
3. Passage et maintenance CNCC
REMARQUE : Le passage CNCC peut être effectué dès qu’il y a une quantité suffisante de cellules visibles autour de NS. Cela peut être dès le jour 7, car les points de temps antérieurs ne fournissent pas une quantité suffisante de CNCC.
4. Fixation et montage NS pour l’immunofluorescence
5. Fixation et montage CNCC pour l’immunofluorescence
Conformément au protocole, les colonies de CSEm ont été dissociées et 3000 cellules ont été ensemencées dans des plaques à 96 puits à fond en U non traitées par TC. Le jour 2, les SN agrégés ont été transférés dans des plaques à fond plat à 96 puits non traitées par TC pour leur permettre de se fixer. Une visualisation simplifiée du protocole d’agrégation NS est fournie à la figure 1A. Les NS ont été cultivés jusqu’au jour 9, pui...
Les modèles de différenciation 3D in vitro permettent d’analyser des interactions cellulaires complexes qui pourraient être difficiles - ou ne pourraient pas - être observées en culture cellulaire 2D. Plusieurs modèles ont été développés pour étudier le développement du CNCC in vitro. Ceux-ci sont généralement directement dérivés de colonies ESC 7,21 ou d’explants de tissus2...
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Nous remercions le Dr Rémi Xavier Coux pour ses conseils sur la conception d’amorces et son expertise en culture cellulaire. Ces travaux ont été soutenus par le Conseil européen de la recherche (ERC Starting Grant 101039995 - REGENECREST) et la Fondation pour la Recherche Médicale (Amorçage - AJE202205015403).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 μm syringe filters | ClearLine | 146560 | |
15 mL High-Clarity Polypropylene Conical Tube | Falcon | 352096 | |
200 µL ClearLine Plus Low Binding Filter Tips | Dutscher | 713263 | |
40 µm filters | Falcon | 352340 | |
5 mL Serological pipette | Starstedt | 86.1253.001 | |
50 mL High-Clarity Polypropylene Conical Tube | Falcon | 352070 | |
Accutase | Merck-Sigma | A6964 | |
Alexa Fluor 488 donkey anti rabbit IgG (H+L) | Thermofisher Scientific | A21206 | |
Alexa Fluor 594 donkey anti mouse IgG (H+L) | Thermofisher Scientific | A21203 | |
Alexa Fluor 647 donkey anti goat IgG (H+L) | Thermofisher Scientific | A31571 | |
Antibiotic-antimycotic solution | Merck-Sigma | A5955 | |
B27 PLUS supplement | Thermofisher Scientific | 17504044 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Merck-Sigma | A9418 | |
Chloroform | Carlo Erba | 438601 | |
Collagenase Type IV | Thermofisher Scientific, Gibco | 17104019 | |
Costar 6 well clear TC-treated multiple well plates | Corning | 3516 | |
Cover glasses, round | VWR | 630-2113 | |
DMEM KnockOut | Thermofisher Scientific | 10829018 | |
DMEM/F12+Glutamax | Thermofisher Scientific | 10565018 | |
DMEM high glucose | Merck-Sigma | D0822 | |
DNA LoBind Tubes, 2 mL | Eppendorf | 30108078 | |
DNase/RNase-Free Distilled Water | Thermofisher Scientific | 10977-035 | |
Dulbecco’s Phosphate Buffered Saline (PBS) | Thermofisher Scientific | 14190144 | |
Eppendorf Safe-Lock Tubes, 0.5 mL | Eppendorf | 30121023 | |
Eppendorf Safe-Lock Tubes, 2 mL | Eppendorf | 30120094 | |
ESGRO mLIF Medium Supplement | Merck-Sigma | ESG1107 | |
Ethanol 70% | Carlo Erba | 528170 | |
Fetal Bovine Serum | Merck-Sigma | F7524 | |
Fibronectin | Merck-Sigma | F085-2MG | |
Fluoromount-G | Invitrogen | 00-4958-02 | |
Gelatin solution | Merck-Sigma | ES-006-B | |
GlutaMAX | Thermofisher Scientific | 35050061 | |
Human EGF | Peprotech | AF-100-15-500UG | |
Human FGF-basic | Peprotech | 100-18B | |
Human SOX9 Antibody | R&Dsystems | AF3075 | |
Insulin from bovine pancreas | Merck-Sigma | I6634 | |
iScript cDNA Synthesis Kit | Biorad | 1708891 | |
Mouse Anti-Human AP-2 alpha Monoclonal Antibody, Unconjugated | DSHB | 3B5 | |
Mouse Anti-Human PAX7 Monoclonal Antibody, Unconjugated | DSHB | PAX7 | |
N2 supplement | Thermofisher Scientific | 17502048 | |
Neurobasal Medium | Thermofisher Scientific | 21103049 | |
Non-Tissue culture treated plate, 96 well, Flat bottom | Falcon | 351172 | |
Non-Tissue culture treated plate, 96 well, U-bottom | Falcon | 351177 | |
Paraformaldehyde 16% solution, em grade | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Propan-2-ol | Carlo Erba | 415154 | |
Purified anti-Tubulin β 3 (TUJ1) Antibody | Biolegend | MMS-435P | |
RapiClear 1.47 | Sunjin Lab | RC147001 | |
RapiClear 1.52 | Sunjin Lab | RC152001 | |
Scotch Double Sided 12.7 mm × 22.8 m | Clear fibreless double sided tape | ||
SensiFAST SYBR No-ROX Kit | Meridian Bioscience | BIO-98020 | |
Sterile Disposable Surgical Scalpels | Swann-Morton | 05XX | |
Superfrost Plus Adhesion Microscope Slides | Epredia | J1800AMNZ | |
Triton X-100 | Thermofisher Scientific | A16046.AP | |
TRIzol Reagent | FisherScientific | 15596026 | |
Trypsine-EDTA (0.05%) | Thermofisher Scientific | 25300054 | |
Tween-20 | Fisher Scientific | 10113103 | |
TWIST1 Rabbit mAb (IF Formulated) | Cell signaling technology | E7E2G | |
β-mercaptoethanol | Thermofisher Scientific | 31350010 |
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