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Method Article
이 프로토콜은 미토콘드리아 부피의 변화, 미토콘드리아 호흡 사슬(MRC) 복합 소단위의 양 및 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 복제를 포함한 여러 미토콘드리아 기능 매개변수를 동시에 평가하기 위해 스트리밍 세포분석기와 여러 항체를 사용하는 고유한 방법을 보고합니다.
미토콘드리아 기능 장애는 많은 유형의 신경 퇴행에 대한 일반적인 1차 또는 2차 원인이며, 미토콘드리아 질량, 미토콘드리아 호흡 사슬(MRC) 복합체 및 미토콘드리아 DNA(mtDNA) 복제 수의 변화가 이러한 과정에서 자주 나타납니다. 인간 유도 만능 줄기세포(iPSC)에서 유래한 인간 뇌 오가노이드는 뇌의 3차원(3D) 세포구조학적 배열을 재현하고 복잡한 인간 시스템에서 질병 메커니즘을 연구하고 새로운 치료법을 스크리닝할 수 있는 가능성을 제공합니다. 여기에서는 iPSC 유래 피질 오가노이드에서 여러 미토콘드리아 매개변수를 측정하기 위한 고유한 유세포 분석 기반 접근 방식을 보고합니다. 이 보고서는 iPSC에서 피질 뇌 오가노이드를 생성하는 프로토콜, 생성된 오가노이드의 단일 세포 해리, 고정, 염색 및 후속 유세포 분석을 통해 여러 미토콘드리아 매개변수를 평가하기 위한 프로토콜에 대해 자세히 설명합니다. MRC 복합체 소단위 NADH에 대한 항체를 사용한 이중 염색: 유비퀴논 산화환원효소 소단위 B10(NDUFB10) 또는 미토콘드리아 전사 인자 A(TFAM)와 전압 의존성 음이온 선택적 채널 1(VDAC 1)을 함께 사용하면 미토콘드리아당 이러한 단백질의 양을 평가할 수 있습니다. TFAM의 양은 mtDNA의 양에 해당하기 때문에 미토콘드리아 함량당 mtDNA 복제 수를 간접적으로 추정할 수 있습니다. 이 전체 절차는 2-3시간 이내에 완료할 수 있습니다. 결정적으로, 이는 미토콘드리아 질량에 대한 총 및 특정 수준을 모두 포함하는 여러 미토콘드리아 매개변수의 동시 정량화를 허용합니다.
미토콘드리아는 필수 세포 소기관이며 아데노신 삼인산(ATP) 생산의 주요 부위입니다. 미토콘드리아는 세포에 에너지를 제공하는 것 외에도 세포 정보 전달, 세포 분화, 세포사멸을 포함한 여러 세포 과정에 참여하며 세포 성장과 세포 주기를 조절하는 능력을 가지고 있습니다. 파킨슨병(PD)1,2, 알츠하이머병(AD)3, 근위축성 측삭 경화증(ALS)4을 포함한 다양한 신경퇴행성 질환에서 미토콘드리아 기능의 변화가 확인되었습니다. 미토콘드리아 기능 장애는 노화 과정에서 체세포 mtDNA 돌연변이를 축적하고 호흡 사슬 기능을 저하시키는 역할을 한다5.
신경 퇴행에서는 다양한 유형의 미토콘드리아 기능 장애가 발생하며, 이러한 변화를 측정하는 능력은 질병 메커니즘을 연구하고 잠재적인 치료법을 테스트할 때 매우 유용합니다. 또한 인간 뇌 세포의 질병을 재현하는 적절한 체외 모델 시스템을 구축하는 것은 질병 메커니즘을 더 잘 이해하고 새로운 치료법을 개발하는 데 필수적입니다. 신경퇴행성 질환 환자의 iPSC는 미토콘드리아 손상을 나타내는 다양한 뇌 세포를 생성하는 데 사용되었습니다 6,7,8,9. iPSC에서 유래한 3D 뇌 오가노이드의 개발은 질병 모델링의 중요한 단계입니다. 이러한 iPSC 유래 뇌 오가노이드는 복잡성을 제공하고 환자 자신의 유전적 배경을 포함하므로 환자 뇌의 병리학을 보다 정확하게 반영하는 질병 모델을 제공합니다.
iPSC 유래 뇌 오가노이드10,11,12를 사용한 미토콘드리아 연구에 대한 일부 연구가 수행되었지만, iPSC 유래 뇌 오가노이드에서 다중 미토콘드리아 기능 매개변수를 결정하기 위한 편리하고 신뢰할 수 있는 기술은 여전히 제한적입니다. 유세포 분석은 이전에 입증한 바와 같이 단일 세포 수준에서 미토콘드리아 매개변수를 측정할 수 있는 강력한 도구를 제공합니다13. 이 연구는 미토콘드리아 질량, 호흡 사슬 복합 소단위 및 mtDNA 복제 수를 포함한 여러 미토콘드리아 매개변수를 동시에 측정하기 위한 새로운 유세포 분석 기반 접근 방식과 결합하여 iPSC에서 피질 오가노이드를 생성하기 위한 자세한 프로토콜을 제공합니다(그림 1). 중요한 것은 미토콘드리아 질량을 분모로 사용함으로써 이러한 프로토콜을 통해 미토콘드리아 단위당 총 수준과 특정 수준을 모두 측정할 수 있다는 것입니다.
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1. iPSC를 피질 오가노이드로 분화
2. iPSC 배양을 위한 Preparation Essential 8 (E8) 배지
3. iPSC의 외배양(Subculturing)
4. 배아체(EB) 형성 및 신경 유도
5. 피질 오가노이드의 생성
6. 피질 organoids의 성숙 그리고 장기 문화
7. immunocytochemistry와 immunofluorescence staining에 의하여 세포 특성화
8. 피질 오가노이드의 해리
9. 고정 세포에서 MRC complex subunit 및 TFAM의 유세포 분석 측정
10. 유세포 분석 수집 및 분석
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그림 1은 차별화 프로세스와 유세포 분석에 사용되는 전략을 다이어그램으로 표시한 것입니다. 인간 iPSC를 비접착성 96웰 플레이트에서 배양하여 EB를 형성한 다음 비접착성 6웰 플레이트로 옮겨 완전히 성장한 피질 오가노이드를 얻었습니다. 오가노이드의 세포 조성은 neuronal16 및 glial markers17로 면역염색한 후 컨?...
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인간 iPSC에서 피질 뇌 오가노이드를 생성하고 이러한 오가노이드에서 분리된 단일 세포에서 미토콘드리아 매개변수의 유세포 분석을 수행하기 위한 프로토콜이 제시됩니다. 오가노이드의 세포 구성은 신경 세포 및 신경교세포 마커에 대한 면역조직화학적 염색을 사용한 컨포칼 현미경으로 검증되었습니다. anti-NDUFB10, VDAC 1 및 TFAM과 함께 염색하는 유세포 분석 기반 전략...
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노르웨이 오슬로 대학교 기초의학연구소(Institute of Basic Medical Sciences)의 가레스 존 설리번(Gareth John Sullivan)에게 AG05836(RRID:CVCL_2B58) 세포주를 아낌없이 제공해 주신 데 대해 진심으로 감사드립니다. 노르웨이 베르겐 대학교(University of Bergen)의 유세포 분석 핵심 시설(Flow Cytometry Core Facility)의 분자 이미징 센터(Molecular Imaging Centre)에 감사드립니다. K.L은 베르겐 멜처 대학(University of Bergen Meltzers Høyskolefonds, 프로젝트 번호: 103517133)과 게르다 마이어 나이퀴스트 굴드브란드슨(Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquiists) 레가트(프로젝트 번호: 103816102)의 일부 지원을 받았다. L.A.B는 노르웨이 연구 위원회(프로젝트 번호: 229652), Rakel og Otto Kr.Bruuns legat 및 Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat의 지원을 받았습니다.
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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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