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Method Article
이 프로토콜은 인간 뉴런과 미세아교세포를 사용하여 신경면역 상호작용의 기계론적 토대를 연구하기 위해 미세아교세포를 인간 iPSC와 구별하고 iPSC 유래 피질 뉴런과 공동 배양에서 유지하는 방법론을 설명합니다.
인간 유도 만능 줄기 세포(iPSC)에서 미세아교세포를 생성하는 능력은 건강과 질병에서 미세아교세포의 역할을 조사하기 위한 새로운 도구와 방법을 제공합니다. 또한, iPSC 유래 미세아교세포는 iPSC 유래 피질 뉴런과 공동 배양에서 유지될 수 있으며, 이를 통해 여러 신경 정신 질환에서 조절 장애가 있는 것으로 추정되는 미세아교세포-뉴런 상호 작용에 대한 조사를 수행할 수 있습니다. Fossati 그룹이 개발한 프로토콜의 개조 버전을 사용하여 human iPSC를 분화하여 microglia를 생성하고, iPSC 유래 microglia는 marker 분석 및 real-time PCR을 통해 검증했습니다. 이 프로토콜을 사용하여 생성된 인간 미세아교세포는 CD11C, IBA1, P2RY12 및 TMEM119 마커에 대해 양성이었으며 미세아교세포 관련 유전자 AIF1, CX3CR1, ITGAM, ITGAX, P2RY12 및 TMEM119를 발현했습니다. 30일 동안 분화된 인간 iPSC 유래 피질 뉴런을 미세아교세포로 도금하고 실험이 수행된 60일까지 공동 배양으로 유지되었습니다. 미세아교세포와 공동 배양에서 피질 뉴런의 수지상 가시 밀도는 기준선 조건 하에서 그리고 전염증성 사이토카인(pro-inflammatory cytokine)의 존재 하에서 정량화되었습니다. 미세아교세포가 뉴런 기능을 조절하는 방법을 조사하기 위해 칼슘 지시자 Fluo-4 AM을 사용하여 피질 뉴런의 칼슘 이미징 실험을 수행했습니다. 대뇌피질 뉴런의 살아있는 칼슘 활성은 컨포칼 현미경을 사용하여 얻었고, 형광 강도는 ImageJ를 사용하여 정량화했습니다. 이 보고서는 인간 iPSC 유래 미세아교세포와 피질 뉴런을 공동 배양하는 것이 어떻게 피질 뉴런에 대한 미세아교세포의 영향을 조사하는 새로운 접근 방식을 제공하는지 설명합니다.
인간의 뇌에서 미세아교세포는 1차 선천면역세포입니다1. 뇌 발달은 두 가지 경로를 통해 미세아교세포에 의해 조절됩니다: 확산성 인자의 방출과 식세포작용1. 미세아교세포에서 유래한 확산성 인자는 수초화, 신경 발생, 시냅스 형성, 성숙, 세포 사멸 및 세포 생존을 지원하는 데 도움이 됩니다1. Microglia는 또한 뇌 시냅스, 축삭 및 살아있는 세포와 죽은 세포 모두에서 다양한 요소를 식세포화합니다 2,3,4,5,6,7,8. 미세아교세포(microglia)의 수용체(receptor)는 칼레티큘린(calreticulin), ATP, 시알산(sialic acid)과 같은 태그를 인식하고 세포 식균작용(phagocytosis)을 조절합니다 9,10. 해마에서 미세아교세포는 식세포 역할을 통해 신경발생의 항상성을 유지한다11.
설치류 뇌의 배외측 생식핵(dLGN)에서 시냅스 식세포작용(synaptic phagocytosis)은 미세아교세포(microglia)1에 의해 조절되는 것으로 나타났습니다. 설치류의 경우, 발달 기간 동안 강렬한 미세아교세포 시냅스 식세포작용(microglial synaptic phagocytosis)이 관찰되는 두 시기가 있는 것으로 나타났습니다. 첫 번째 기간은 초기 시냅스 형성 중에 발생하고 두 번째 기간은 연결이 미세 조정되고 정리될 때 발생합니다12. 시냅스 가지치기에 관여하는 다른 요인으로는 염증성 단백질과 Class I 주요 조직적합성 복합체(MHC1, H2-Kb 및 Db)가 있습니다13,14. 미세아교세포의 C1q(보체 성분 1q)는 MHC1과 공동 국소화되어 시냅스 가지치기15를 유발하는 것으로 제안되었습니다. 또한, 생쥐 연구에 따르면 성상세포에 의해 분비되는 인터루킨-33(IL-33)은 미세아교세포에 미치는 영향을 통해 시상과 척수의 시냅스 항상성을 조절하지만, 인간을 대상으로 한 연구는 아직 이루어지지 않았다13. 미세아교세포는 종양괴사인자α(TNFα), IL-1β, IL-6, IL-10 및 인터페론-γ(IFN-γ)과 같은 신경 건강을 유지하는 데 도움이 되는 다양한 사이토카인을 분비하며, 이러한 사이토카인은 수지상 척추와 시냅스 형성을 조절할 수 있습니다 16,17,18. 인간의 뇌 발달 중 뉴런-미세아교세포의 상호 작용에 대한 우리의 지식에는 상당한 격차가 있습니다. 우리 지식의 대부분은 설치류 모델의 연구에서 비롯된 반면, 인간 피질에서 시냅스 가지치기의 시간적, 기계론적 측면에 대한 정보는 부족합니다. 미세아교세포(Microglia)는 신피질(neo-cortex)에서 뉴런의 생존을 지원하며, 다른 세포 유형도 기여합니다1. 미세아교세포가 이러한 보존에 어떻게 기여하는지, 그리고 미세아교세포와 다른 세포 유형 사이의 상호 작용이 무엇인지는 명확하지 않습니다. 미세아교세포는 뉴런 및 시냅스 발달에 영향을 미치는 여러 사이토카인을 방출하지만, 뉴런에서 이러한 사이토카인의 효과에 대한 기계론적 근거는 대체로 알려져 있지 않습니다19,20. 인간 뇌에서 미세아교세포의 기능에 대한 보다 완전한 이해를 개발하기 위해서는 인간 뇌에서 발견되는 다양한 세포 유형과의 상호 작용을 탐구하는 것이 중요합니다. 이 보고서는 동일한 개체에서 생성된 인간 iPSC 유래 뉴런과 미세아교세포를 공동 배양하는 방법을 설명합니다. 이 방법론을 확립하면 미세아교세포-신경 세포 상호 작용의 특성을 조사하고 다양한 신경 발달 및 신경 정신 장애의 맥락에서 신경 면역 기능 장애를 연구하기 위한 강력한 체외 세포 모델을 개발하기 위한 잘 정의된 조사를 수행할 수 있습니다.
정신분열증에서 미세아교세포의 역할
시냅스 가지치기는 청소년의 뇌에서 일어나는 주요 신경 발달 과정입니다21,22. 여러 가지 증거에 따르면 이 결정적인 시기의 시냅스 가지치기는 정신분열증(SCZ)에서 비정상적이다 23,24,25,26. SCZ는 환각, 망상, 무질서한 사고 과정 및 인지 결핍을 특징으로 하는 만성적이고 쇠약해지는 정신 질환입니다23,24. 뇌에 상주하는 대식세포인 미세아교세포(Microglia)는 시냅스 가지치기(synaptic pruning)에서 중심적인 역할을 합니다25,26. 사후 및 양전자 방출 단층 촬영(PET) 연구는 SCZ 25,26,27,28,29,30,31,32에서 기능 장애의 미세아교세포 활성에 대한 증거를 보여줍니다. 사후 SCZ 뇌는 뇌에서 잘 복제되었지만 미묘한 차이를 보이며, 피질층 III의 피라미드 뉴런은 수지상 척추 밀도가 감소하고 시냅스가 감소합니다 33,34,35. 시냅스 가지치기(synaptic pruning)는 SCZ 환자가 일반적으로 첫 번째 정신병적 단절을 겪는 청소년기에 미세아교세포에 의해 불필요한 흥분성 시냅스 연결이 제거되는 과정입니다22,36. 사후 분석에 따르면 SCZ와 미세아교세포 활성화 사이의 연관성이 있으며, SCZ 뇌에서 미세아교세포의 밀도가 증가하고 전염증 유전자의 발현이 증가한다27. 또한, 미세아교세포 활성화를 위해 방사선 리간드를 사용하는 인간 뇌에 대한 PET 연구는 피질에서 활성화된 미세아교세포의 수치가 증가했음을 보여줍니다 25,26,27,28. 최근의 게놈 전체 연관 연구(GWAS)에 따르면 SCZ에 대한 가장 강력한 유전적 연관성은 주요 조직적합성 복합체(MHC) 유전자 자리에 있으며, 이러한 연관성은 설치류의 출생 후 시냅스 가지치기를 매개하는 데 관여하는 보체 구성 요소 4(C4) 유전자의 대립유전자에서 비롯됩니다37. 이 연관성은 미세아교세포에 의한 비정상적인 가지치기가 SCZ 사후 뇌에서 볼 수 있는 수지상 척추 밀도 감소를 초래할 수 있다는 가설에 대한 추가 지원을 제공했습니다. SCZ의 시냅스 가지치기에 대한 미세아교세포 관여에 대한 조사는 지금까지 PET 이미징을 통한 간접 연구 또는 사후 뇌 조사에서 추론한 것으로 제한되었습니다.
실험실에서 인간 미세아교세포 생성
배양된 1차 마우스 미세아교세포는 미세아교세포를 연구하는 데 자주 사용되었지만, 설치류 미세아교세포가 인간 미세아교세포의 해부학적 구조와 유전자 발현을 대표하지 않을 수 있다는 몇 가지 징후가 있습니다(표 1)38. 여러 연구에서는 또한 transdifferentiation 39,40,41,42를 통해 혈액 단핵구에서 직접 미세아교세포를 구별했습니다. 혈액 단핵구 유래 미세아교세포(microglia-like cell)는 유전자 및 단백질 발현 프로필에서 인간 미세아교세포와 주요 차이점을 보이며, 생물학적으로 대식세포와 더 유사한 것으로 보인다43. 최근의 방법론적 발전으로 이제 인간 iPSC에서 미세아교세포를 생성할 수 있게 되었으며, 이는 인간의 뇌에서 발견되는 미세아교세포의 생물학과 더 정확하게 유사한 살아있는 미세아교세포를 연구할 수 있는 기회를 제공합니다(표 2). 이러한 iPSC 유래 미세아교세포는 일차 인간 미세아교세포의 표현형, 유전자 발현 프로필 및 기능적 특성을 요약하는 것으로 나타났습니다 44,45,46,47,48. 이 논문은 뉴런-미세아교세포 상호 작용의 개인화된 체외 모델을 개발하기 위해 동일한 개체에서 생성된 인간 iPSC 유래 뉴런과 미세아교세포를 공동 배양하는 방법을 제공합니다. 이 체외 공동 배양 모델을 위해 Fossati 그룹의 미세아교세포 분화 프로토콜이 조정되고(표 3) Livesey 그룹(표 4)의 대뇌피질 신경 세포 생성 프로토콜의 적응된 버전과 결합되었습니다(표 4)49,50.
이 연구에 사용된 인간 iPSC는 IRB(Institutional Review Board)의 승인을 받아 건강한 대조군 피험자의 사전 동의를 통해 얻은 섬유아세포에서 재프로그래밍되었습니다. 본 연구에서 사용된 iPSC(ML15, ML27, ML40, ML56, ML141, ML 250, ML292)의 재프로그래밍(reprogramming) 및 특성화는 선행 연구에서 설명되었다51.
1. iPSC의 유지 관리
2. 미세아교세포 분화
참고: 미세아교세포 분화 프로토콜을 개략적으로 설명하는 개략도는 그림 1A에 나와 있습니다. 미디어를 사용하기 전에 실온으로 데웠습니다.
3. 피질 뉴런 분화
참고: 피질 뉴런 분화 프로토콜을 개략적으로 설명하는 개략도가 그림 1G에 나와 있습니다.
4. 미세아교세포/뉴런 공동 배양
5. 인터페론γ 치료
6. 면역세포화학(Immunocytochemistry)
7. 척추 분석
8. 칼슘 이미징
프로토콜 검증
iPSC 유래 미세아교세포는 3차례의 분화 과정을 통해 7개의 iPSC 라인에서 생성되었습니다. 대조군 iPSC 계열 ML27, ML56, ML292 및 ML364와 정신분열증 iPSC 계열 ML40, ML141 및 ML250을 활용했습니다. 이러한 iPSC 라인의 특성화는 이전에 설명되었습니다51. 이러한 iPSC 유래 미세아교세포는 ICC 및 qPCR을 사용하여 검증되었습니다. 적응된 프?...
만능 줄기세포에 대한 다양한 궤적을 따른 분화 방법의 개발은 뇌 기능 및 질병 과정을 조사하기 위한 많은 길을 열었습니다 53,54,55. 초기 연구는 특정 뇌 질환에 중요하다고 가정된 특정 신경 세포 유형의 발달에 초점을 맞췄다56,57. 최근에는 뇌 오가노이드...
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이 연구는 미국 국립정신건강연구소(National Institute of Mental Health) Biobehavioral Research Awards for Innovative New Scientists(BRAINS) R01MH113858상(R.K.), 국립정신건강연구소(National Institute of Mental Health) 임상과학자개발상(K08MH086846, R.K.), 도리스 듀크 자선재단(Doris Duke Charitable Foundation Clinical Scientist Development Award), 라이언 리히트 상 양극성 재단(Ryan Licht Sang Bipolar Foundation, R.K.), Jeanne Marie Lee-Osterhaus Family Foundation 및 Brain & Behavior Research Foundation (A.K.), Phyllis & Jerome Lyle Rappaport Foundation (R.K.), Harvard Stem Cell Institute (R.K.), Steve Willis와 Elissa Freud (R.K.)가 수여하는 NARSAD Young Investigator Award. 연구에 사용된 섬유아세포를 제공해 주신 하버드 의과대학과 맥린 병원의 브루스 M. 코헨 박사와 도나 맥피 박사에게 감사의 말씀을 전합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Accutase | Sigma-Aldrich | A6964 | |
B-27 supplement | Gibco | 17504044 | |
b-FGF | Peprotech | 100-18B | |
BMP-4 | Peprotech | 120-05ET | |
Brainphys | StemCell Technologies | 5790 | |
CD11C antibody | Biolegend | 337207 | Dilution 1:200 |
Costar Flat Bottom Cell Culture Plates | Corning | 07-200-83 | |
Ctip2 antibody | Abcam | ab18465 | |
CUTL1 monoclonal antibody | Abnova | H00001523-M01 | |
DMEM/F-12, no phenol red | Gibco | 21041025 | |
dorsomorphin | Sigma-Aldrich | P5499 | |
DPBS, no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium (DMEM) | Sigma-Aldrich | D6421 | |
EasYFlask Cell Culture Flasks | Nunc | 156499 | |
Fisherbrand Cell Lifters | Fisher Scientific | 08-100-240 | |
Flt3-Ligand | Peprotech | 300-19 | |
Fluo4-AM | Life Technologies | F-14201 | |
Geltrex LDEV Free RGF BME 1 ML | ThermoFisher Scientific | A1413201 | |
Glutamax | ThermoFisher Scientific | 35050061 | |
GM-CSF | Peprotech | 300-03 | |
Goat Anti Chicken- IgG H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150169 | Dilution 1:1000 |
Goat Anti mouse- IgG H&L (Alexa Fluor 568) | Invitrogen | A-11004 | Dilution 1:1000 |
Goat Anti Rat- IgG H&L (Alexa Fluor 405) | Abcam | ab175670 | Dilution 1:1000 |
Goat Anti-Guinea pig IgG H&L (Alexa Fluor 405) | Abcam | ab175678 | Dilution 1:1000 |
Goat Serum | Sigma-Aldrich | G9023 | |
HBSS | Invitrogen | 14170120 | |
IBA1 antibody | Abcam | ab5076 | Dilution 1:500 |
IL-34 | Peprotech | 200-34 | |
INF-y | Peprotech | 300-02 | |
KiCqStart SYBR Green Primers | Sigma-Aldrich | KSPQ12012 | |
Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | |
LDN193189 | Sigma-Aldrich | SML0599 | |
Live Cell Imaging Solution | Invitrogen | A14291DJ | |
MAP2 antibody | Synaptic Systems | 188 004 | |
M-CSF | Peprotech | 300-25 | |
N-2 supplement | Gibco | 17502001 | |
Neurobasal medium | Life Technologies | 21103049 | |
NutriStem hPSC XF Medium | Biological Industries | 01-0005 | |
P2RY12 antibody | Biolegend | 848002 | |
Paraformaldehyde 16% | Fisher Scientific | 50-980-488 | |
Penicillin-streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Poly-L-Orthinine | Sigma-Aldrich | P3655 | |
SATB2 antibody | Abcam | ab51502 | |
SB431542 | Sigma-Aldrich | S4317 | |
SCF | Stemcell Technologies | 78062 | |
SensoPlate 24-Well Glass-Bottom Plate | Greiner-Bio | 662892 | |
StemPro-34 SFM (1X) | Gibco | 10639011 | |
TMEM119 antibody | Abcam | ab185333 | Dilution 1:1000 |
TPO | Peprotech | 300-18 | |
Triton-X | Sigma-Aldrich | 9002-93-1 | |
VEGF | Peprotech | 100-20 | |
Versene | ThermoFisher Scientific | 15040066 | |
Y-27632 dihydrochloride (ROCK inhibitor) | Tocris | 1254 |
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