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Method Article
Questo protocollo riporta un metodo unico di utilizzo di un citometro a flusso e di più anticorpi per la valutazione simultanea di più parametri funzionali mitocondriali, tra cui le variazioni del volume mitocondriale, la quantità delle subunità del complesso della catena respiratoria mitocondriale (MRC) e la replicazione del DNA mitocondriale (mtDNA).
La disfunzione mitocondriale è un fattore primario o secondario comune a molti tipi di neurodegenerazione e le variazioni della massa mitocondriale, dei complessi della catena respiratoria mitocondriale (MRC) e del numero di copie del DNA mitocondriale (mtDNA) sono spesso presenti in questi processi. Gli organoidi cerebrali umani derivati da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC) umane ricapitolano la disposizione citoarchitettonica tridimensionale (3D) del cervello e offrono la possibilità di studiare i meccanismi della malattia e di esaminare nuove terapie in un sistema umano complesso. Qui, riportiamo un approccio unico basato sulla citometria a flusso per misurare più parametri mitocondriali in organoidi corticali derivati da iPSC. Questo rapporto descrive in dettaglio un protocollo per la generazione di organoidi cerebrali corticali da iPSC, la dissociazione a singola cellula degli organoidi generati, la fissazione, la colorazione e la successiva analisi citofluorimetrica per valutare più parametri mitocondriali. La doppia colorazione con anticorpi contro la subunità del complesso MRC NADH: subunità B10 dell'ubichinone ossidoreduttasi (NDUFB10) o fattore di trascrizione mitocondriale A (TFAM) insieme al canale 1 anio-selettivo voltaggio-dipendente (VDAC 1) consente di valutare la quantità di queste proteine per mitocondrio. Poiché la quantità di TFAM corrisponde alla quantità di mtDNA, fornisce una stima indiretta del numero di copie di mtDNA per contenuto mitocondriale. L'intera procedura può essere completata nell'arco di 2-3 ore. Fondamentalmente, consente la quantificazione simultanea di più parametri mitocondriali, inclusi i livelli totali e specifici relativi alla massa mitocondriale.
I mitocondri sono organelli cellulari essenziali e il sito principale della produzione di adenosina trifosfato (ATP). Oltre a fornire energia alle cellule, i mitocondri partecipano anche a molteplici processi cellulari, tra cui la trasmissione di informazioni cellulari, la differenziazione cellulare e l'apoptosi, e hanno la capacità di regolare la crescita cellulare e il ciclo cellulare. Cambiamenti nella funzione mitocondriale sono stati identificati in varie malattie neurodegenerative, tra cui il morbo di Parkinson (PD)1,2, il morbo di Alzheimer (AD)3 e la sclerosi laterale amiotrofica (SLA)4. La disfunzione mitocondriale svolge un ruolo nel processo di invecchiamento, accumulando mutazioni somatiche del mtDNA e declinando la funzione della catena respiratoria5.
Nella neurodegenerazione si verificano vari tipi di disfunzione mitocondriale e la capacità di misurare tali cambiamenti è estremamente utile quando si studiano i meccanismi della malattia e si testano potenziali trattamenti. Inoltre, la creazione di adeguati sistemi modello in vitro che ricapitolano la malattia nelle cellule cerebrali umane è fondamentale per comprendere meglio i meccanismi della malattia e sviluppare nuove terapie. Le iPSC di pazienti con malattie neurodegenerative sono state utilizzate per generare diverse cellule cerebrali che manifestano danni mitocondriali 6,7,8,9. Lo sviluppo di organoidi cerebrali 3D derivati da iPSC è un passo importante nella modellazione delle malattie. Questi organoidi cerebrali derivati da iPSC forniscono complessità e contengono il background genetico del paziente, fornendo così un modello di malattia che riflette più accuratamente la patologia nel cervello del paziente.
Sebbene siano state condotte alcune ricerche su studi mitocondriali utilizzando organoidi cerebrali derivati da iPSC 10,11,12, le tecniche convenienti e affidabili per determinare più parametri funzionali mitocondriali in organoidi cerebrali derivati da iPSC rimangono limitate. La citometria a flusso fornisce un potente strumento per misurare i parametri mitocondriali a livello di singola cellula, come abbiamo dimostrato in precedenza13. Questo studio fornisce un protocollo dettagliato per la generazione di organoidi corticali da iPSC, combinato con un nuovo approccio basato sulla citometria a flusso per misurare simultaneamente più parametri mitocondriali, tra cui la massa mitocondriale, le subunità del complesso della catena respiratoria e il numero di copie del mtDNA (Figura 1). È importante sottolineare che, utilizzando la massa mitocondriale come denominatore, questi protocolli consentono di misurare sia i livelli totali che quelli specifici per unità mitocondriale.
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1. Differenziazione delle iPSC in organoidi corticali
2. Terreno di preparazione Essential 8 (E8) per coltura iPSC
3. Subcoltura di iPSC
4. Formazione del corpo embrioide (EB) e induzione neurale
5. Generazione di organoidi corticali
6. Maturazione e coltura a lungo termine di organoidi corticali
7. Caratterizzazione cellulare mediante immunocitochimica e colorazione in immunofluorescenza
8. Dissociazione di organoidi corticali
9. Misura in citometria a flusso di subunità del complesso MRC e TFAM in cellule fissate
10. Acquisizione e analisi della citometria a flusso
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La Figura 1 fornisce una rappresentazione schematica del processo di differenziamento e delle strategie utilizzate per l'analisi citofluorimetrica. Le iPSC umane sono state coltivate in piastre a 96 pozzetti non aderenti per formare EB e poi trasferite in piastre a 6 pozzetti non aderenti per ottenere organoidi corticali completamente cresciuti. La composizione cellulare degli organoidi è stata convalidata utilizzando la microscopia confocale dopo immunocol...
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Viene presentato un protocollo per la generazione di organoidi cerebrali corticali da iPSC umane e per l'esecuzione dell'analisi citofluorimetrica dei parametri mitocondriali in singole cellule isolate da questi organoidi. La composizione cellulare degli organoidi è stata verificata mediante microscopia confocale con colorazione immunoistochimica per marcatori cellulari neuronali e gliali. È stato dimostrato che la strategia di co-colorazione basata sulla citometria a flusso con anti-N...
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Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Estendiamo la nostra sincera gratitudine a Gareth John Sullivan dell'Istituto di Scienze Mediche di Base dell'Università di Oslo, in Norvegia, per averci generosamente fornito la linea cellulare AG05836 (RRID:CVCL_2B58). Ringraziamo gentilmente il Molecular Imaging Centre, Flow Cytometry Core Facility presso l'Università di Bergen in Norvegia. Questo lavoro è stato sostenuto dai seguenti finanziamenti: K.L è stato in parte sostenuto dall'Università di Bergen Meltzers Høyskolefonds (numero di progetto: 103517133) e Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat (numero di progetto: 103816102). L.A.B è stato sostenuto dal Norwegian Research Council (numero di progetto: 229652), Rakel og Otto Kr.Bruuns legat e Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat.
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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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