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Este protocolo demonstra o uso de microplaquetas microfluídicos compartimentadas, injeção moldada em um copolímero cíclico do olefinas aos neurônios cultivados diferenciados das pilhas de haste humanas. Estes chips são pré-montados e mais fáceis de usar do que os tradicionais dispositivos de poli (dimetilsiloxano) compartimentalizados. Vários paradigmas experimentais comuns são descritos aqui, incluindo a rotulagem viral, o isolamento fluídico, a axotomia e a imunocoloração.
O uso de dispositivos microfluílicos para compartimentalizar os neurônios cultivados tornou-se um método padrão na neurociência. Este protocolo mostra como usar uma microplaqueta pre-assembled do multi-compartimento feita em um copolímero cíclico do olefinas (COC) para compartimentar os neurônios diferenciados das pilhas de haste humanas. A pegada destas microplaquetas de COC é a mesma que uma corrediça padrão do microscópio e é ingualmente compatível com a microscopia de alta resolução. Os neurônios são diferenciados de células-tronco neurais humanas (NSCs) em neurônios glutamatérgicos dentro do chip e mantidas por 5 semanas, permitindo tempo suficiente para que esses neurônios desenvolvam sinapses e espinhas dendríticas. Além disso, demonstramos vários procedimentos experimentais comuns usando esses chips multicompartimento, incluindo a rotulagem viral, estabelecendo microambientes, axotomia e imunocioquímica.
Os neurônios diferenciados da pilha de haste humana (hSC-neurônios) são usados cada vez mais para a pesquisa biológica. Esses neurônios, que podem ser derivados de material de origem humana, são de grande interesse para a pesquisa translacional, incluindo o estudo de lesões cerebrais traumáticas e distúrbios neurodegenerativos, como a doença de Alzheimer. Assim, ferramentas para melhorar e facilitar o estudo de hSC-neurônios estão na demanda.
Para estudar a morfologia polarizada única dos neurônios, muitos pesquisadores usam dispositivos microfluílicos multicompartimentalizados1,2,3,4,5,6, 7,8,9,10,11. Esses dispositivos permitem medições e manipulações de neurônios de projeção longa com acesso subcelular exclusivo. Os dispositivos microfluílicos multicompartimentalizados consistem em dois compartimentos microfluílicos paralelos separados por microranhuras, que orientam o crescimento axonal. Neurônios ou células-tronco neurais (NSCs) são chapeados no compartimento somatodendrítico e, em seguida, aderir à parte inferior da superfície do compartimento após minutos. Os neurônios diferenciados crescem e estendem seus axônios/projeções através da região do microsulco em um compartimento axonal adjacente e isolado. No passado, estes dispositivos foram feitos exclusivamente usando poli (dimetilsiloxano) (PDMS) de moldagem por réplica. Os dispositivos de PDMS têm muitos inconvenientes descritos previamente12, incluindo o hidrofobicidade persistente e a necessidade de montar a um lamela de vidro imediatamente antes do uso. As microplaquetas moldadas injeção pre-montadas superam muitas destas desvantagens e são vendidas comercialmente (veja a tabela dos materiais)12. Os compartimentos destas microplaquetas são feitos permanentemente hidrófilo e a microplaqueta inteira é injeção moldada no copolímero cíclico opticamente transparente do olefinas (COC).
Este protocolo demonstra como usar esta microplaqueta de COC para diferenciar NSCS humanos em neurônios excitatórios, e para separar e isolar cria suas projeções neuronal longas. Para essa demonstração, os neurônios foram diferenciados das células-tronco de H9 aprovadas pela NIH. Os procedimentos similares podem ser usados para diferenciar as pilhas de haste pluripotentes induzidas humanas.
Nota: a Figura 1a, B mostra um esquema do chip COC pré-montado, incluindo os locais dos principais canais ou compartimentos, poços e microranhuras. O chip compartimentalizado pode estabelecer microambientes fluídico distintos dentro de um compartimento como demonstram o isolamento da coloração corante alimentar (Figura 1C). O protocolo para a preparação do chip multicompartimento pré-montado é dado em Nago et al., seção 112.
1. revestimento de multi-compartimento de chips para hSC-neurônios
Nota: a Figura 2a mostra uma visão geral dos procedimentos de revestimento.
2. semeando NSCs na microplaqueta do multicompartimento
Nota: Este protocolo utilizado comercialmente comprado NSCs, ao contrário de nossa publicação anterior, que começou com células de hastes embrionárias humanas5. Neste protocolo as pilhas de haste neural são chapeadas diretamente nos chips plásticos onde se diferenciam em neurônios. As células podem ser autorizadas a proliferar como NSCs (sem diferenciação) para até 2 passagens e armazenadas em frascos em líquido N2 para uso posterior. Este protocolo utiliza frascos NSC armazenados no líquido N2 após a passagem 1 ou 2. A Figura 2b mostra uma visão geral dos procedimentos de revestimento.
3. rotulagem fluorescente viral de hSC-neurônios dentro do chip
Nota: o vírus múltiplo pode ser usado para etiquetar neurônios dentro do chip. As instruções abaixo descrevem o uso do vírus G-Deleted raiva-mCherry ou – eGFP. Materiais potencialmente infecciosos devem ser manipulados de acordo com as regras e regulamentos aplicáveis, podendo requerer treinamento adicional e aprovação institucional.
4. isolamento fluídico, axotomia, e imunocoloração dentro do chip
Após uma semana (7-10 dias) no chip com meios de diferenciação, as NSCs diferenciam-se em neurônios e projeções neuronais entram no compartimento axonal (Figura 3). Dentro do chip, os neurônios se unem e distribuem uniformemente dentro do compartimento somático. Em comparação, os neurônios em dispositivos PDMS Clump/agregado tão cedo quanto 5 dias após a adição de meios de diferenciação, levando à saúde celular comprometida como pode ser visto na Figura 3B (dia 13 imagem ampliada). Os neurônios nas microplaquetas olham saudáveis com axônios empacotados. Os neurônios saudáveis podem ser mantidos dentro dos chips por 4-5 semanas.
Para visualizar a maturação do neurônio e o desenvolvimento da coluna dendrítica, o vírus da raiva modificado foi entregue ao compartimento axonal no dia 29 para os neurônios de rótulo retrógrado, incluindo espinhos dendríticos, com proteína fluorescente de mCherry. Quatro dias após a infecção do vírus da raiva, os neurônios que estendem axônios no compartimento axonal expressaram mCherry. Os neurônios no dia de diferenciação 33 mostraram formação de espinhas dendríticas (Figura 4). Visualização de espinhos dendríticos demonstra que os neurônios derivados do NSC diferenciados dentro dos chips formam sinapses maduros.
A microplaqueta do multi-compartimento é igualmente compatível com o Immunocytochemistry para visualizar a localização celular da proteína. Após 26 dias de manutenção dos neurônios em meios de diferenciação, os neurônios foram rotulados para o marcador sináptico excitatória, vGlut1 (Figura 5). Estes resultados mostram que os neurônios virally etiquetados colocalizam com vGlut1 (Figura 5E) e marcador específico do neurônio, β-TUBULIN III (Figura 5F-H).
A capacidade de criar microambientes distintos isolados aos axônios também foi demonstrada usando Alexa fluor 488 hidrazida, um corante fluorescente de baixo peso molecular (Figura 6).
Os estudos de ferimento de AXON são executados geralmente dentro dos dispositivos compartimentada. Um experimento de prova de princípio foi realizado para ferir seletivamente os axônios de neurônios diferenciados com o chip COC pré-montado (Figura 7). Os resultados foram equivalentes aos dispositivos de silicone compartimentalizados6,13,14.
Figura 1: o COC pré-montado, chip microfluídico multicompartimento. (A) um desenho da microplaqueta que identifica os poços superiores e mais baixos. O tamanho da microplaqueta é 75 milímetros x 25 milímetros, o tamanho de corrediças padrão do microscópio. (B) um zoom na região que mostra os canais e ranhuras separando os canais. Detalhes adicionais são fornecidos em Nago et al.12. (C) esta fotografia ilustra a criação de microambientes isolados dentro de cada compartimento com corante alimentar. Este número inteiro foi reproduzido de 12. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: revestimento compartimentalizado plástico da microplaqueta e linha do tempo do chapeamento de pilha de NSC. (A) as microplaquetas plásticas do multicompartimento foram revestidas com uma solução do pre-revestimento, e então poli-L-ornithine e laminina antes de pre-condicionamento com meios de NSC. (B) as NSCS foram banhadas com 7 x 104 células no compartimento somático do chip. As células foram cultivadas em mídia NSC por 24 h e, em seguida, a mídia foi substituída por meios de diferenciação neural. Os neurônios diferenciados foram observados por 7-10 dias após a diferenciação. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: comparação do crescimento do hSC-Neuron em chips e dispositivos PDMS. (A) uma imagem de contraste de fase de HSC-neurônios cultivadas aos 13 dias após a diferenciação no chip multicompartimento de plástico. (B) um ampliada na região de HSC-neurônios cultivados dentro da caixa branca em (a) e uma região equivalente dentro de um dispositivo PDMS (direito). hSC-neurônios dentro dos chips anexar bem. Clusters de Neurons agregados formam em dispositivos baseados em PDMS. Representante de 2 experimentos independentes. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: neurônios derivados do NSC humano mostram morfologia da coluna dendrítica. Retrógrado rotulado neurônio mcherry no dia de diferenciação 33 cresceu dentro do chip. A região ampliada delineada em vermelho, destaca a presença de espinhos dendríticos, que fornecem evidências que apoiam o desenvolvimento de sinapses glutamatérgicas maduras. As setas vermelhas apontam para espinhas dendríticas. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: neurônios derivados do NSC humano cultivados dentro de fichas exibem sinapses excitatórias. A imunocoloração foi realizada no dia 26 de diferenciação. A imagem latente do Neuron foi executada no compartimento somático. A) vGlut1 (verde) e (B) DAPI (azul) Immunolabeling. (C) neurônios rotulados com mcherry (vermelho) retrógrado rotulado usando um vírus da raiva modificado. (D) uma micrografia fluorescente mesclada de (A-C). (E) espinhos dendríticos e Puncta vGlut1 positivo colocalizados com dendritos mcherry-positivos, mostrados em uma região ampliada de (D). Micrografias da imunofluorescência de (F) marcador específico do neurônio, β-tubulin III (magenta), e (G) vGlut1 (verde). (H) sobreposição de β-TUBULINA III e vGlut1. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 6: os neurônios virally Transvitimados de mCherry estendem projeções em um microambiente localizado no axônio estabelecido dentro do chip COC pré-montado. (A) o neurônio etiquetado mcherry estende axônios através dos ranhuras da microplaqueta e em um compartimento isolado do AXON. A isolação do compartimento do AXON é visualizada usando o hydrazide de Alexa fluor 488. A imagem latente dos neurônios ocorreu na diferenciação dia 26 e 3 dias após a infecção com o vírus de raiva modificado. (B) a imagem de fluorescência em (a) é mesclada com uma imagem DIC. Anote a localização das microranhuras. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 7: Axotomia realizada no chip multicompartimento COC. (A) mcherry rotulados neurônios no dia de diferenciação 33 foram imaged antes da axotomia. Tabela de look-up de cor ' Fire '. (B) imediatamente após a axotomia, mostrando que os axônios estão completamente cortados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Microplaquetas plásticas do multi-compartimento | Dispositivos multicompartimentos PDMS |
isolar axônios | isolar axônios |
estabelecer microambientes | estabelecer microambientes |
neurônios axotomize | neurônios axotomize |
opticamente transparente | opticamente transparente |
compatível com imagem de alta resolução | compatível com imagem de alta resolução |
compatível com microscopia de fluorescência | compatível com microscopia de fluorescência |
totalmente montados | montagem à carcaça exigida |
axônios saudáveis > 21 dias | axônios saudáveis > 14 dias |
hidrofílico cultivando superfície | Hidrofóbico |
gás impermeável | gás permeável |
microranhuras arredondadas e canais | microranhuras retas |
Não compatível com ablação a laser | Pode ser usado para a ablação do laser quando as câmaras de PDMS são montadas em corrediças compatíveis da ablação do laser especial. |
dispositivo não pode ser alterado para remover | a parte superior é removível para manchar dentro dos ranhuras |
Não é compatível com óleos minerais de imersão à base de óleo (óleos à base de silicone são finos) | compatível com óleos minerais de imersão à base de óleo |
impermeáveis a pequenas moléculas e solventes orgânicos | absorção de pequenas moléculas & solventes orgânicos |
Sem problemas de vazamento com o chip | revestimento com poli-L-ornitina e laminina fazer os dispositivos de vazamento |
os neurônios diferenciados permanecem distribuídos uniformente (> 4 semanas) nas densidades testadas da pilha | os neurônios diferenciados começam a agregar após 3-4 dias na cultura nas densidades testadas da pilha |
Tabela 1: comparision de chips COC multicompartimento e dispositivos de silicone para a cultura de neurônios
O chip de COC multicompartimento pré-montado é uma plataforma compartimentada fácil de usar para diferenciar e manter as NSCs humanas em neurônios para longo prazo (> 4 semanas). Neste protocolo, nós Demonstramos a diferenciação de NSCS humanos em neurônios glutamatérgico, os neurônios retrógrado da etiqueta, executam Immunocytochemistry, visualizam a morfologia dendríticas da espinha e executam a axotomia. Estes chips são compatíveis com imagens de alta resolução e não há autofluorescência com o COC12.
As microplaquetas do multi-compartimento de COC são funcionalmente equivalentes aos dispositivos compartimentalizados silicone-baseados, e têm benefícios e desvantagens como descrito previamente12. A tabela 1 compara chips COC multicompartimento e dispositivos de silicone para a cultura de neurônios HSC. Os chips compartimentalizados COC proporcionam uma superfície hidrofílica melhor para fixação e manutenção de células-tronco durante um longo período de cultura. Os dispositivos baseados em PDMS precisam ser montados e anexados a coberturas de vidro. A natureza hidrofóbica dos dispositivos PDMS provoca a agregação de células-tronco5; Isto conduz a ambos os desafios na imagem latente a nível celular e a uma maior susceptibilidade aos danos físicos devido ao movimento de agregados da pilha durante mudanças dos meios. O chip de plástico supera esses desafios. COC é impermeável a gás, ao contrário do PDMS, então os bolsos de ar presos ou formados dentro dos canais devem ser removidos pelo usuário. A solução de pré-revestimento reduz a possibilidade de o ar ficar preso nos canais. Esta solução consiste em etanol e outros agentes. Um protocolo previamente publicado para a cultura de neurônios murinos dentro desses chips de plástico fornece detalhes adicionais sobre as células de pipetagem e mídia dentro dos chips12. Os NSCs são mais frágeis que os neurônios murinos, portanto, devem ser manuseados com mais suavidade. É igualmente crítico misturar completamente as pilhas de haste antes de galvanizar delicadamente pipetando os acima e para baixo.
O uso de neurônios derivados de células-tronco humanas diferenciadas in vitro está se tornando cada vez mais popular na medicina e na pesquisa. Estes neurônios são importantes para a pesquisa e aplicações clínicas para muitos distúrbios do SNC, incluindo doenças neurodegenerativas e lesões cerebrais traumáticas. Estes neurônios assemelham-se intimamente aos neurônios fetais humanos15. No futuro, os neurônios apropriadamente envelhecidos podiam ser gerados das pilhas de haste para imitar a função neuronal age-related e usado conjuntamente com estes dispositivos compartimentalizados. Esses dispositivos facilitarão a pesquisa em doenças que afetam a saúde do axônio e funcionam como déficits de axônio em neurônios de pacientes diagnosticados com transtornos do espectro do autismo e regeneração axonal após lesão16,17.
S.P. e T.N. não declaram interesses financeiros concorrentes. VP é um funcionário da Xona Microfluidics, LLC. A JH é membro da Xona Microfluidics, LLC. A.M.T. é um inventor da câmara microfluídico/chip (US 7419822 B2, EPO 2719756 B1) e é um membro da Xona Microfluidics, LLC.
Os autores reconhecem o apoio da Xona Microfluidics, LLC, do Instituto Nacional de saúde mental (R42 MH097377), e do Instituto Nacional de distúrbios neurológicos e AVC (R41 NS108895, p30 NS045892). O conteúdo é unicamente da responsabilidade dos autores e não representa necessariamente os pontos de vista oficiais dos institutos nacionais de saúde.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Alexa Fluor hydrazide 488 | ThermoFisher Scientific | A10436 | |
Alexa Fluor secondary antibodies | ThermoFisher Scientific | 1:1000 | |
anti_beta-tubulin III | Aves | TUJ | 1:1000 |
anti-vGAT antibody | Synaptic Systems | 131 003 | 1:1000 |
anti-vGlut1 antibody | NeuroMab | 75-066 | clone N28/9, 1:100 |
complete neural stem cell media: | |||
REC HU EGF 10 UG BIOSOURCE (TM) | ThermoFisher Scientific | PHG0314 | 20ng/mL |
REC HU FGF BASIC 10 UG BIOSOURCE (TM) | ThermoFisher Scientific | PHG0024 | 20ng/mL |
GlutaMAX Supplement (100X) | ThermoFisher Scientific | 35050061 | 2mM |
KnockOut DMEM/F-12 | ThermoFisher Scientific | 12660012 | |
StemPro Neural Supplement | ThermoFisher Scientific | A1050801 | 2% |
Epifluorescence imaging system | EVOS Fluorescence imaging system | AMF4300 | 10x objective |
fluorinated ethylene propylene film | American Durafilm | 50A | 0.5 mil thickness |
Fluoromount G | ThermoFisher Scientific | 00-4958-02 | |
Gibco DPBS without Calcium and Magnesium | ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
GIBCO HUMAN NSC (H9) KIT COMBO KIT | Gibco | N7800200 | |
Gibco Laminin | ThermoFisher Scientific | 23017015 | |
Glass Pasteur pipettes | Sigma-Aldrich | CLS7095D5X SIGMA | 5.75 in length |
H9-DERIVED HU NEURAL STEM CELL 1E6 CELLS/VIAL; 1 ML | ThermoFisher Scientific | 510088 | |
hibernate-E Medium | ThermoFisher Scientific | A1247601 | |
Incubator, 5% CO2 37 °C | |||
Laser scanning confocal imaging system | Olympus | FV3000RS | 30x silicone oil objective |
modified rabies virus | Salk Institute for Biological Studies | G-deleted Rabies-eGFP | Material Transfer Agreement required |
Mr. Frosty | ThermoFisher Scientific | 5100-0001 | |
Neural differentiation media | Per 100 mL. | ||
Antibiotic-Antimycotic (100x) | ThermoFisher Scientific | 15240112 | 1mL (100X) |
Ascorbic acid | Sigma Aldrich | A8960 | 200mM |
BDNF | ThermoFisher Scientific | PHC7074 | 40 ng/mL |
Gibco B27 Plus Supplement (50X) | FisherScientific | A3582801 | 2mL (50X) |
Gibco CultureOne Supplement (100X) | FisherScientific | A3320201 | 1mL (100X) |
Gibco Neurobasal Plus Medium | FisherScientific | A3582901 | |
StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | ThermoFisher Scientific | A1110501 | |
Taylor Wharton Liquid N2 dewar | FisherScientific | 20HCB11M | |
triton X-100 | ThermoFisher Scientific | 28314 | |
XC pre-coat | Xona Microfluidics, LLC | XC Pre-Coat | included with XonaChips |
XonaChip | Xona Microfluidics, LLC | XC450 | 450 µm length microgroove barrier |
Humidifier Tray | Xona Microfluidics, LLC | humidifier tray |
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