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Method Article
이 프로토콜은 인간 유도 만능 줄기 세포에서 3D 중뇌 오가노이드를 생성하는 새로운 방법을 설명하고, 천연 중뇌 조직을 모방하도록 형성을 안내하여 발달 및 장애 연구를 지원합니다.
인간 만능 줄기세포(hPSC)에서 중뇌 오가노이드(MO)의 개발은 뇌 발달에 대한 이해, 정확한 질병 모델링 촉진 및 치료 연구 발전에 있어 상당한 진전을 나타냅니다. 이 프로토콜은 전략적 차별화 접근 방식을 사용하여 유도 만능 줄기 세포(iPSC)를 사용하여 중뇌 특이적 오가노이드를 생성하는 방법을 설명합니다. 주요 기술로는 SMAD 신호 전달을 억제하기 위한 이중 SMAD 억제, 섬유아세포 성장 인자 8b(FGF-8b) 투여, 작용제 푸르모르파민을 사용한 음파 고슴도치 경로 활성화가 있으며, 이는 iPSC를 중뇌의 운명으로 안내합니다.
이 방법으로 생성된 오가노이드는 최대 2mm의 직경을 달성하고 중뇌의 고유한 세포 다양성을 반영하는 다양한 신경 상피 세포 유형을 통합합니다. 이러한 오가노이드가 진정한 중뇌 구조임을 검증하려면 중뇌 특이적 마커의 발현을 통해 그 정체성을 확인하는 것이 포함됩니다. 이 방법론의 주목할 만한 결과는 iPSC가 중뇌의 특징인 도파민 뉴런으로 효과적으로 분화되었다는 것입니다.
이 프로토콜의 중요성은 중뇌의 필수 측면을 밀접하게 복제하는 기능적으로 성숙한 중뇌 특이적 오가노이드를 생성하는 능력에 있으며, 중뇌 발달 과정과 파킨슨병과 같은 관련 질환의 병태생리학에 대한 심층적인 탐구를 위한 귀중한 모델을 제공합니다. 따라서 이 프로토콜은 인간 뇌에 대한 이해를 높이고 신경퇴행성 질환에 대한 새로운 치료법을 개발하려는 연구자에게 중요한 리소스 역할을 하여 신경학 연구 분야에서 없어서는 안될 도구가 되었습니다.
인간의 뇌는 복잡한 구조와 복잡한 세포 및 분자 구성을 가지고 있기 때문에 신경과학 연구, 특히 질병 모델링 및 세포 치료제 개발의 맥락에서 만만치 않은 도전 과제를 제시합니다1. 이러한 과제는 인간 두뇌의 복잡성을 진정으로 나타내는 정교한 체외 모델의 가용성이 제한되어 있기 때문에 더욱 복잡합니다. 그러나 최근 인간 유도 만능 줄기세포(iPSC) 기술의 발전으로 특정 신경 세포 아형에 대한 제어된 분화가 가능해짐에 따라 인간 뇌 발달, 질병 발병 기전 및 세포 기반 치료 전략을 탐구할 수 있는 유망한 길이 열렸습니다.
전통적으로 iPSC에서 파생된 2차원(2D) 신경 세포 배양은 인간 신경 생리학 및 병리학을 모방하는 것을 목표로 하는 체외 연구의 초석이 되어 왔습니다. 이러한 단층 배양은 신경 질환에 대한 이해를 높이고 신경 보호제인 2,3,4,5,6,7을 발견하는 데 중요한 역할을 했습니다. 이러한 2D 시스템은 유용성에도 불구하고 인간 두뇌의 진정한 세포 다양성과 3차원(3D) 구조를 모방하는 데는 부족합니다.
뇌 오가노이드 기술의 출현은 체외 모델링의 중요한 도약을 의미하며, 생리학적으로 관련된 프레임워크 내에서 인간 뇌의 복잡한 생물학을 밀접하게 모방하는 도구를 제공합니다8. 뇌 오가노이드 발달의 초기 기술은 iPSC의 고유한 조절 특성을 활용하여 자발적으로 외배엽 유도체를 형성함으로써 뇌 발달의 초기 단계를 모방했습니다 5,9,10,11,12. 뉴런이 다른 뉴런 및 비뉴런 세포와 함께 형성한 복잡한 네트워크를 감안할 때 3D 모델링은 신경퇴행성 질환을 정확하게 연구하는 데 필수적입니다. 3D 배양은 보다 대표적인 생체 내 환경을 제공하여 뉴런 분화 및 네트워크 형성을 가속화하고12,13,14 2D 배양에 비해 뉴런 유전자의 광범위한 발현을 촉진합니다 15. 3D 맥락에서 발달된 뉴런은 생체 내 뉴런을 더 연상시키는 형태와 생리학적 속성을 얻습니다16.
최근 3D 뇌 모델의 발전은 인간 두뇌의 공간적, 기능적 복잡성을 보다 효과적으로 포착하는 데 중추적인 역할을 했습니다. 지난 10년 동안 전뇌 오가노이드와 지역 특이적 뇌 모델 11,17,18,19,20,21,22을 모두 생성하기 위한 다양한 프로토콜의 발전은 소두증11, 알츠하이머병 14,23 및 파킨슨병24과 같은 신경 장애를 모델링하는 데 매우 중요하다는 것이 입증되었습니다. 이 프로토콜의 목표는 인간 iPSC에서 파생된 3D 인간 MO를 생성하는 방법을 개발하고 개선하는 것입니다. 이 프로토콜은 특히 도파민 뉴런이 풍부하고 인간 중뇌의 자연스러운 구조와 기능을 밀접하게 모방하는 방식으로 공간적으로 조직된 오가노이드를 생성하는 것을 목표로 합니다. 이러한 오가노이드의 주요 목적은 파킨슨병을 연구하기 위한 고급 체외 모델 역할을 하여 이 질환과 관련된 신경 발달 과정 및 병리학을 탐구하기 위한 보다 정확하고 생리학적으로 관련된 시스템을 제공하는 것입니다. 이 프로토콜은 환자 유래 iPSC를 활용하여 이러한 중뇌 특이적 오가노이드를 생성함으로써 파킨슨병 메커니즘에 대한 이해를 높이고, 잠재적인 치료 표적의 발견을 촉진하며, 세포 기반 치료법의 개발을 개선하고자 합니다. 이 혁신적인 접근 방식을 통해 이 프로토콜은 체외 질환 모델링 및 새로운 치료 전략 탐색을 위한 강력한 도구를 제공함으로써 기존 2D 신경 세포 배양의 한계를 극복하고 신경 퇴행성 질환 연구 분야에 크게 기여하는 것을 목표로 합니다.
지난 10년 동안 다양한 연구팀이 몇 가지 주요 유사성을 보여주는 방법론을 활용하여 중뇌 오가노이드(MO)8,21,25,26,27,28을 개발했습니다. 파킨슨병에 대한 이해를 심화하기 위한 노력의 일환으로 당사는 인간 iPSC에서 파생된 3D 인간 MO를 생성하기 위한 프로토콜을 개발했습니다. 공간적으로 배열된 도파민 뉴런이 풍부한 이러한 오가노이드는 파킨슨병을 연구하기 위한 이상적인 모델을 제시합니다. 중뇌 특이적 오가노이드 프로토콜의 개발 및 개선은 신경 발달 과정과 신경 퇴행성 질환에 대한 이해에 크게 기여한 고급 체외 모델을 산출했습니다. 이러한 모델은 특히 환자 유래 MO에 적용될 때 체외 질환 모델링을 위한 강력한 도구로서의 효능을 입증하여 고급 3D 세포 배양 분야에서 새로운 관점과 방법론을 제공합니다.
앞서설명한 바와 같이 인간 정상 섬유아세포 디트로이트 551 및 인간 배아 줄기세포(ESC) hESC 라인 360에서 생성된 iPSC 4. iPSC는 서노르웨이 윤리적 건강 연구 위원회(Western Norway Committee for Ethical Health Research REK nr)의 승인을 받아 획득되었습니다. 2012/919. 모든 세포는 MycoAlert Mycoplasma Detection Kit를 사용하여 Mycoplasma 오염에 대해 정기적으로 모니터링되었습니다. Table of Materials 에는 이 프로토콜에 사용되는 모든 재료, 시약 및 장비에 대한 정보가 포함되어 있습니다. 표 1 은 사용된 매체 및 기타 재고를 설명합니다.
1. iPSC의 해동
2. iPSC 파종
3. 신경 유도
4. 중뇌의 패터닝
5. Matrigel 임베딩 및 MO 종결 및 성숙
6. 면역형광 염색
이 연구에서는 iPSC에서 MO를 유도하기 위한 선구적인 프로토콜을 소개합니다. 우리 방법론의 핵심은 FGF-8b 및 음파 고슴도치(SHH) 경로 작용제 푸르모르파민(PM)과 시너지 효과를 발휘하여 결합된 이중 SMAD 억제의 혁신적인 사용입니다. 이 방법은 그림 1에 나와 있습니다. 분화 과정은 iPSC를 neuroectoderm 계통으로 조종하여 신경 상피 또는 신경 장미 군체?...
이 연구에서는 MO와 iPSC를 구별하기 위한 방법론을 개발했습니다. 당사의 프로토콜은 FGF-8b 및 SHH 작용제 PM을 포함한 형태 유발 인자로 강화된 이중 SMAD 억제 전략을 사용합니다. 이 접근법은 중뇌 존재발생에 중요한 발달 단서를 면밀히 시뮬레이션합니다. 우리가 도입한 분화 경로는 자연적인 뇌 발달 과정에서 관찰되는 신경 로제트를 연상시키는 신경 상피 구조의 형성?...
저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
그림 1 은 BioRender.com 를 사용하여 만든 것입니다. 자금을 지원해 주신 University of Bergen Meltzers Høyskolefonds(프로젝트 번호: 103517133), Gerda Meyer Nyquist Guldbrandson, Gerdt Meyer Nyquists legat(프로젝트 번호: 103816102)에게 감사드립니다.
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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