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Questo protocollo descrive un nuovo metodo per la creazione di organoidi 3D del mesencefalo da cellule staminali pluripotenti indotte umane, guidando la loro formazione per imitare il tessuto mesencefalico nativo, aiutando così nello studio dello sviluppo e dei disturbi.
Lo sviluppo di organoidi mesencefalici (MO) a partire da cellule staminali pluripotenti umane (hPSC) rappresenta un progresso significativo nella comprensione dello sviluppo cerebrale, facilitando la modellazione precisa della malattia e facendo progredire la ricerca terapeutica. Questo protocollo delinea un metodo per generare organoidi specifici per il mesencefalo utilizzando cellule staminali pluripotenti indotte (iPSC), impiegando un approccio strategico di differenziazione. Le tecniche chiave includono l'inibizione dual-SMAD per sopprimere la segnalazione SMAD, la somministrazione del fattore di crescita dei fibroblasti 8b (FGF-8b) e l'attivazione della via Sonic Hedgehog utilizzando l'agonista purmorfemina, guidando le iPSC verso un destino mesencefalico.
Gli organoidi prodotti con questo metodo raggiungono diametri fino a 2 mm e incorporano una vasta gamma di tipi di cellule neuroepiteliali, che riflettono la diversità cellulare intrinseca del mesencefalo. La convalida di questi organoidi come autentiche strutture mesencefaliche comporta l'espressione di marcatori specifici del mesencefalo, confermando la loro identità. Un risultato notevole di questa metodologia è l'efficace differenziazione delle iPSC in neuroni dopaminergici, che sono caratteristici del mesencefalo.
L'importanza di questo protocollo risiede nella sua capacità di produrre organoidi specifici per il mesencefalo funzionalmente maturi che replicano da vicino gli aspetti essenziali del mesencefalo, offrendo un modello prezioso per l'esplorazione approfondita dei processi di sviluppo del mesencefalo e della fisiopatologia di disturbi correlati come il morbo di Parkinson. Pertanto, questo protocollo funge da risorsa cruciale per i ricercatori che cercano di migliorare la nostra comprensione del cervello umano e sviluppare nuovi trattamenti per le malattie neurodegenerative, rendendolo uno strumento indispensabile nel campo della ricerca neurologica.
Il cervello umano, con la sua intricata architettura e la complessa composizione cellulare e molecolare, presenta sfide formidabili nella ricerca neuroscientifica, in particolare nel contesto della modellazione delle malattie e dello sviluppo della terapia cellulare1. Queste sfide sono ulteriormente complicate dalla limitata disponibilità di sofisticati modelli in vitro che rappresentano veramente la complessità del cervello umano. Tuttavia, i recenti progressi nella tecnologia delle cellule staminali pluripotenti indotte umane (iPSC), che consentono la differenziazione controllata in specifici sottotipi neuronali, hanno aperto strade promettenti per esplorare lo sviluppo del cervello umano, la patogenesi delle malattie e le strategie terapeutiche basate sulle cellule.
Tradizionalmente, le colture neuronali bidimensionali (2D) derivate da iPSC sono state la pietra angolare degli studi in vitro volti a imitare la fisiologia e la patologia neuronale umana. Queste colture monostrato sono state determinanti per migliorare la nostra comprensione delle malattie neurologiche e per la scoperta di agenti neuroprotettivi 2,3,4,5,6,7. Nonostante la loro utilità, questi sistemi 2D non riescono a emulare la vera diversità cellulare e la struttura tridimensionale (3D) del cervello umano.
L'avvento della tecnologia degli organoidi cerebrali rappresenta un salto significativo nella modellazione in vitro, fornendo uno strumento che imita da vicino l'intricata biologia del cervello umano all'interno di un quadro fisiologicamente rilevante8. Le prime tecniche nello sviluppo degli organoidi cerebrali hanno sfruttato le proprietà regolatorie intrinseche delle iPSC per formare spontaneamente derivati dell'ectoderma, imitando così le prime fasi dello sviluppo cerebrale 5,9,10,11,12. Date le complesse reti formate dai neuroni con altre cellule neuronali e non, la modellazione 3D diventa essenziale per studiare accuratamente le malattie neurodegenerative. Le colture 3D forniscono un ambiente in vivo più rappresentativo, facilitando la differenziazione neuronale accelerata e la formazione di reti 12,13,14 e promuovendo un'espressione più ampia dei geni neuronali rispetto alle colture 2D15. I neuroni sviluppati in contesti 3D raggiungono morfologie e attributi fisiologici che ricordano maggiormente le loro controparti in vivo 16.
I recenti progressi nei modelli cerebrali 3D sono stati fondamentali per catturare in modo più efficace la complessità spaziale e funzionale del cervello umano. Nell'ultimo decennio, l'avanzamento di diversi protocolli per la generazione sia di organoidi cerebrali interi che di modelli cerebrali specifici per regione 11,17,18,19,20,21,22, si è dimostrato prezioso nella modellazione di disturbi neurologici come la microcefalia11, il morbo di Alzheimer14,23 e il morbo di Parkinson24. L'obiettivo di questo protocollo è quello di sviluppare e perfezionare un metodo per la creazione di MO umani 3D derivati da iPSC umane. Questo protocollo è specificamente finalizzato alla generazione di organoidi arricchiti con neuroni dopaminergici e organizzati spazialmente in modo da imitare da vicino la struttura naturale e la funzionalità del mesencefalo umano. Lo scopo principale di questi organoidi è quello di fungere da modelli avanzati in vitro per lo studio della malattia di Parkinson, fornendo un sistema più accurato e fisiologicamente rilevante per esplorare i processi di sviluppo neurologico e le patologie associate a questa condizione. Sfruttando le iPSC derivate da pazienti per generare questi organoidi specifici del mesencefalo, il protocollo cerca di migliorare la comprensione dei meccanismi della malattia di Parkinson, facilitare la scoperta di potenziali bersagli terapeutici e migliorare lo sviluppo di terapie cellulari. Attraverso questo approccio innovativo, il protocollo mira a superare i limiti delle tradizionali colture neuronali 2D e a contribuire in modo significativo al campo della ricerca sulle malattie neurodegenerative, offrendo un potente strumento per la modellazione in vitro delle malattie e l'esplorazione di nuove strategie di trattamento.
Negli ultimi 10 anni, vari gruppi di ricerca hanno sviluppato organoidi mesencefalici (MO)8,21,25,26,27,28, utilizzando metodologie che mostrano diverse somiglianze chiave. Nella nostra ricerca per approfondire la comprensione della malattia di Parkinson, abbiamo sviluppato un protocollo per la creazione di MO umani 3D derivati da iPSC umane. Questi organoidi, arricchiti con neuroni dopaminergici disposti spazialmente, rappresentano un modello ideale per lo studio della malattia di Parkinson. Il nostro sviluppo e perfezionamento di protocolli di organoidi specifici per il mesencefalo ha prodotto modelli in vitro avanzati che hanno contribuito in modo significativo alla nostra comprensione dei processi di sviluppo neurologico e delle malattie neurodegenerative. Questi modelli, in particolare se applicati a MO derivati da pazienti, hanno dimostrato la loro efficacia come potenti strumenti per la modellazione in vitro delle malattie, offrendo nuove prospettive e metodologie nel campo della coltura cellulare 3D avanzata.
Le iPSC generate dai fibroblasti umani normali Detroit 551 e dalle cellule staminali embrionali umane (ESC) hESC linea 360 come precedentemente descritto4. Le iPSC sono state ottenute con l'approvazione del Comitato per la ricerca etica sulla salute della Norvegia occidentale REK nr. 2012/919. Tutte le cellule sono state regolarmente monitorate per la contaminazione da micoplasma utilizzando il kit di rilevamento del micoplasma MycoAlert. La Tabella dei materiali contiene informazioni su tutti i materiali, i reagenti e le attrezzature utilizzate in questo protocollo. La tabella 1 descrive i supporti e gli altri supporti utilizzati.
1. Scongelamento delle iPSC
2. Inseminazione di iPSC
3. Induzione neurale
4. Pattern del mesencefalo
5. Inclusione del Matrigel e terminazione e maturazione del MO
6. Colorazione in immunofluorescenza
In questo studio, introduciamo un protocollo pionieristico per la derivazione di MO da iPSC. Al centro della nostra metodologia c'è l'uso innovativo dell'inibizione dual-SMAD, combinata sinergicamente con FGF-8b e l'agonista della via del sonic hedgehog (SHH) purmorfemina (PM). Questo approccio è illustrato nella Figura 1. Il processo di differenziazione inizia guidando le iPSC verso la linea del neuroectoderma, formando colonie di rosetta neuroepiteliale ...
In questa indagine, abbiamo sviluppato una metodologia per la differenziazione dei MO dalle iPSC. Il nostro protocollo impiega una strategia di inibizione dual-SMAD potenziata con fattori morfogenici, tra cui FGF-8b e l'agonista SHH PM. Questo approccio simula da vicino i segnali di sviluppo cruciali per l'ontogenesi del mesencefalo. Il percorso di differenziazione che abbiamo istituito stimola la formazione di strutture neuroepiteliali che ricordano le rosette neurali osservate durante ...
Gli autori non hanno conflitti di interesse da rivelare.
La Figura 1 viene creata utilizzando BioRender.com. Ringraziamo l'Università di Bergen Meltzers Høyskolefonds (numero di progetto: 103517133), Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson e Gerdt Meyer Nyquists legat (numero di progetto: 103816102) per il finanziamento.
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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