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Method Article
Presentiamo un protocollo di differenziazione in vitro tridimensionale (3D) che genera neurosfere di dimensioni riproducibili per produrre cellule della cresta neurale cranica da cellule staminali embrionali di topo. Dimostriamo che questa metodologia riduce la variabilità rispetto ai protocolli precedenti e come può essere utilizzata per saggi multiplexati per studiare lo sviluppo delle cellule della cresta neurale cranica.
Con la loro notevole capacità di generare derivati sia ectodermici che mesenchimali, le cellule della cresta neurale cranica (CNCC) hanno suscitato molto interesse nello studio dei meccanismi che regolano le decisioni sul destino cellulare e la plasticità. Originata nel neuroepitelio dorsale, questa popolazione cellulare è transitoria e relativamente rara nell'embrione in via di sviluppo, rendendo difficili da eseguire test funzionali, screening genomici e saggi biochimici in vivo. Per superare queste limitazioni, sono stati sviluppati diversi metodi per modellare lo sviluppo CNCC in vitro. I metodi di coltura basati sulla neurosfera (NS) forniscono un microambiente complesso che ricapitola il neuroepitelio anteriore in via di sviluppo in 3D. Questi sistemi consentono la crescita di molte NS nella stessa piastra per generare una grande quantità di CNCC, ma le NS prodotte presentano un'elevata variabilità in termini di forma, dimensione e numero di CNCC formate, rendendo difficili da eseguire saggi quantitativi. Questo protocollo delinea un metodo riproducibile per generare NS da cellule staminali embrionali di topo (mESC) in un formato a 96 pozzetti. Le NS generate in piastre a 96 pozzetti producono cellule della cresta neurale cranica (CNCC), che possono essere ulteriormente coltivate. Controllando il numero di cellule iniziali, questo approccio riduce la variabilità delle dimensioni e della forma tra le NS e aumenta la riproducibilità tra gli esperimenti. Infine, questo sistema di coltura è adattabile a diverse applicazioni e offre un grado di flessibilità più elevato, rendendolo altamente personalizzabile e adatto al multiplexing di condizioni sperimentali.
Le cellule della cresta neurale cranica (CNCC) sono una popolazione di cellule staminali che nasce nella parte più anteriore dell'embrione in via di sviluppo, al confine tra la placca neurale e l'ectodermadi superficie 1. Le CNCC subiscono quindi una transizione da epitelio a mesenchimale (EMT), si delaminano dal neuroepitelio e migrano dorsoventralmente verso varie posizioni nell'embrione dove si differenziano in un'ampia varietà di tipi di cellule2. Lo studio di questa popolazione cellulare è di grande interesse in quanto possiede una notevole plasticità3 e la capacità unica di differenziarsi sia in derivati ectodermici che mesenchimali, come le ossa craniofacciali e le cartilagini4. Sebbene le CNCC siano relativamente accessibili nell'embrione, si tratta di una popolazione transitoria con un basso numero di cellule, il che rende difficile condurre studi meccanicistici sistemici in vivo. Le linee cellulari CNCC sono state isolate e caratterizzate negli ultimi anni per superare queste limitazioni. In particolare, la linea cellulare O9-1 CNCC è un ottimo strumento per studiare lo sviluppo della cresta neurale migratoria e post-migratoria 5,6; Tuttavia, questa linea cellulare non consente lo studio degli eventi precoci prima della migrazione che portano all'induzione e alla specificazione della cresta neurale. A questo proposito, ci sono stati sviluppi significativi nello sviluppo di protocolli di differenziazione in vitro per differenziare la CNCC in un piatto attraverso l'uso di strutture 3D simili al neuroepitelio in via di sviluppo chiamate neurosfere (NS)7,8- ottenute dopo la differenziazione di colonie di cellule staminali embrionali (ESC). Questi protocolli 3D producono in modo robusto un numero elevato di CNCC, consentendo la conduzione di studi meccanicistici biochimici e genomici 9,10. Le NS sono coltivate su piastre a basso attacco in terreno integrato con N2B27, insieme al fattore di crescita dei fibroblasti (FGF) e al fattore di crescita epidermico (EGF)10,11 per stimolare la proliferazione cellulare. Questi protocolli vengono eseguiti in piastre di Petri, coltivando numerosi NS nella stessa piastra. All'interno del NS in crescita, le cellule si aggregano e continuano a dividersi, raggiungendo un diametro di 100-200 μm alla maturità. Alla maturità (circa il giorno 5), le NS si attaccano al substrato e si differenziano in CNCC simile alle loro controparti in vivo 9,12. Questi CNCC vengono quindi sottoposti a EMT e delaminati sulla superficie della piastra. Le differenze morfologiche possono essere osservate a seconda delle dimensioni del NS, poiché le sfere più grandi appariranno più scure nel nucleo a causa della minore disponibilità di nutrienti e ossigeno, portando le cellule a subire l'apoptosi13. Sebbene questo tipo di procedura generi un gran numero di CNCC al punto finale di differenziamento, presenta diverse limitazioni, rendendo quasi impossibile lo studio delle varie dinamiche molecolari che avvengono durante il processo di differenziamento. In primo luogo, l'uso di colonie di cellule staminali embrionali, che variano in dimensioni, rende difficile controllare il numero di cellule iniziali per ogni esperimento. Ciò si traduce nella generazione di NS di varie forme e diametri che si sviluppano in modo diverso attivando specifiche vie di segnalazione, portando a un'alterata differenziazione cellulare e, quindi, non formando un campione uniforme in un dato momento temporale. In secondo luogo, la coltura di più NS nella stessa piastra spesso porta a fondere insieme14 e potenzialmente a rilasciare molecole di segnalazione che influenzano il microambiente dei loro vicini e, quindi, il loro sviluppo. Nel complesso, queste procedure generano molta variabilità tra campioni ed esperimenti.
Qui, presentiamo una strategia per superare queste difficoltà che genera un singolo NS - in grado di produrre CNCC - aggregando ESC di topo (mESC) in piastre a 96 pozzetti con fondo a U non trattate con TC. L'avvio della mESC consente di studiare il processo di specificazione e le prime fasi dello sviluppo della CNCC rispetto all'avvio da linee cellulari della cresta neurale già stabilite. Questo protocollo inizia con la disaggregazione delle colonie di mESC per ottenere una sospensione a singola cellula, seguita dalla semina di un numero specifico di mESC in ciascun pozzetto di una piastra a 96 pozzetti con fondo a U non trattata con TC. Le celle vengono lasciate aggregare per due giorni e successivamente spostate in una piastra a 96 pozzetti a fondo piatto non trattata con TC, in cui NS sarà in grado di attaccarsi al fondo della piastra. Controllando il numero di cellule iniziali e il microambiente di ciascuna NS durante il processo di differenziazione, questo protocollo riduce la variabilità del campione, aumentando la riproducibilità sperimentale. Riteniamo che questa sarà una piattaforma conveniente per la progettazione di esperimenti multiplexati, come testare l'effetto di diverse condizioni di coltura o eseguire screening di perturbazione genica.
1. Generazione di una sospensione unicellulare da colonie di ESC di topo
NOTA: Questo protocollo è adattato all'uso di CK35 mESC (una linea mESC competente per la trasmissione della linea germinale, per avere poi la possibilità di sviluppare modelli in vivo 15) coltivata su alimentatori inattivati in una piastra a 6 pozzetti trattata con TC rivestita di gelatina. Un pozzetto di una piastra a 6 pozzetti trattata con TC dovrebbe produrre circa 1,5 × 106 mESC, che è sufficiente per il resto del protocollo. Se necessario, è possibile aumentarlo. Regolare le fasi iniziali in base al ceppo ESC scelto e al metodo di coltura di mantenimento, nonché al terreno di coltura appropriato. Questo protocollo deve essere eseguito in condizioni sterili. Consultare la Tabella dei materiali per i dettagli relativi a tutti i materiali, i reagenti e le attrezzature utilizzate in questo protocollo.
2. Trasferimento in una piastra a fondo piatto a 96 pozzetti per la differenziazione CNCC
3. Passaggio e manutenzione CNCC
NOTA: Il passaggio CNCC può essere eseguito non appena è visibile una quantità sufficiente di celle intorno a NS. Questo può avvenire già dal giorno 7, poiché i punti temporali precedenti non forniscono una quantità sufficiente di CNCC.
4. Fissazione e montaggio delle NS per l'immunofluorescenza
5. Fissazione e montaggio CNCC per l'immunofluorescenza
Seguendo il protocollo, le colonie di mESC sono state dissociate e 3000 cellule sono state seminate in piastre a 96 pozzetti con fondo a U non trattate con TC. Il giorno 2, le NS aggregate sono state trasferite in piastre a fondo piatto a 96 pozzetti non trattate con TC per consentirne l'adesione. Una visualizzazione semplificata del protocollo di aggregazione NS è fornita nella Figura 1A. Le NS sono state coltivate fino al giorno 9 e poi processate per la ...
I modelli di differenziazione 3D in vitro consentono di analizzare interazioni cellulari complesse che potrebbero essere difficili - o non potrebbero - essere osservate in colture cellulari 2D. Diversi modelli sono stati sviluppati per studiare lo sviluppo della CNCC in vitro. Questi sono generalmente derivati direttamente dalle colonie di ESC 7,21 o dagli espianti di tessuto22,23
Gli autori dichiarano di non avere conflitti di interesse.
Ringraziamo il Dr. Remi Xavier Coux per i consigli sulla progettazione dei primer e l'esperienza nella coltura cellulare. Questo lavoro è stato sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca (ERC Starting Grant 101039995 - REGENECREST) e dalla 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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