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Method Article
Este protocolo descreve uma metodologia para diferenciar microglia de iPSCs humanas e mantê-las em co-cultura com neurônios corticais derivados de iPSC, a fim de estudar os fundamentos mecanicistas das interações neuroimunes usando neurônios humanos e microglia.
A capacidade de gerar microglia a partir de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (iPSCs) fornece novas ferramentas e caminhos para investigar o papel da microglia na saúde e na doença. Além disso, a microglia derivada de iPSC pode ser mantida em co-cultura com neurônios corticais derivados de iPSC, o que permite investigações de interações microglia-neurônio que se supõe serem desreguladas em vários distúrbios neuropsiquiátricos. As iPSCs humanas foram diferenciadas para gerar microglia usando uma versão adaptada de um protocolo desenvolvido pelo grupo de Fossati, e as microglia derivadas de iPSC foram validadas com análise de marcadores e PCR em tempo real. A microglia humana gerada usando este protocolo foi positiva para os marcadores CD11C, IBA1, P2RY12 e TMEM119, e expressou os genes relacionados à microglia AIF1, CX3CR1, ITGAM, ITGAX, P2RY12 e TMEM119. Neurônios corticais humanos derivados de iPSC que foram diferenciados por 30 dias foram plaqueados com microglia e mantidos em co-cultura até o dia 60, quando os experimentos foram realizados. A densidade de espinhas dendríticas em neurônios corticais em co-cultura com microglia foi quantificada em condições basais e na presença de citocinas pró-inflamatórias. A fim de examinar como a microglia modula a função neuronal, experimentos de imagem de cálcio dos neurônios corticais foram realizados usando o indicador de cálcio Fluo-4 AM. A atividade de cálcio vivo dos neurônios corticais foi obtida usando um microscópio confocal e a intensidade de fluorescência foi quantificada usando ImageJ. Este relatório descreve como a co-cultura de microglia derivada de iPSC humana e neurônios corticais fornece novas abordagens para interrogar os efeitos da microglia nos neurônios corticais.
No cérebro humano, a microglia é a principal célula imune inata1. O desenvolvimento cerebral é regulado pela microglia por duas vias: liberação de fatores difusíveis e fagocitose1. Fatores difusíveis derivados da microglia ajudam a apoiar a mielinização, neurogênese, formação sináptica, maturação, morte celular e sobrevivência celular1. A microglia também fagocita vários elementos nas sinapses cerebrais, axônios e em células vivas e mortas 2,3,4,5,6,7,8. Os receptores na microglia reconhecem marcadores como calreticulina, ATP e ácido siálico e regulam a fagocitose celular 9,10. No hipocampo, a microglia mantém a homeostase da neurogênese por meio de seu papel fagocítico11.
A fagocitose sináptica no núcleo geniculado dorsolateral (dLGN) do cérebro do roedor demonstrou ser regulada pela microglia1. Em roedores, foi demonstrado que existem dois períodos durante o desenvolvimento em que é observada intensa fagocitose sináptica microglial. O primeiro período ocorre durante a formação inicial da sinapse e o segundo período ocorre quando as conexões estão sendo ajustadas e podadas12. Outros fatores envolvidos na poda sináptica são proteínas inflamatórias e o complexo principal de histocompatibilidade de Classe I (MHC1, H2-Kb e Db)13,14. Foi sugerido que C1q (componente do complemento 1q) na microglia colocaliza com MHC1, o que desencadeia a poda sináptica15. Além disso, estudos em camundongos mostram que a interleucina-33 (IL-33) secretada pelos astrócitos regula a homeostase das sinapses no tálamo e na medula espinhal por meio de seus efeitos na microglia, embora isso ainda não tenha sido investigadoem humanos. A microglia secreta uma variedade de citocinas que ajudam a manter a saúde neuronal, como o fator de necrose tumoral α (TNFα), IL-1β, IL-6, IL-10 e interferon-γ (IFN-γ) e essas citocinas podem modular a espinha dendrítica e a formação de sinapses 16,17,18. Existem lacunas significativas em nosso conhecimento das interações neurônio-microglia durante o desenvolvimento do cérebro humano. A maior parte do nosso conhecimento vem de estudos de modelos de roedores, enquanto há uma escassez de informações sobre os aspectos temporais e mecanicistas da poda sináptica no córtex humano. A microglia suporta a sobrevivência neuronal no neocórtex, e outros tipos de células também contribuem1. Não está claro como a microglia contribui para essa preservação e qual é a interação entre a microglia e os outros tipos de células. A microglia libera várias citocinas que afetam o desenvolvimento neuronal e sináptico, mas a base mecanicista de seus efeitos dessas citocinas nos neurônios é amplamente desconhecida19,20. Para desenvolver uma compreensão mais completa da função da microglia no cérebro humano, é fundamental explorar suas interações com diferentes tipos de células encontradas no cérebro humano. Este relatório descreve um método para co-cultura de neurônios e microglia derivados de iPSC humanos gerados a partir do mesmo indivíduo. O estabelecimento dessa metodologia permitirá investigações bem definidas para interrogar a natureza das interações microglia-neuronais e desenvolver modelos celulares in vitro robustos para estudar a disfunção neuroimune no contexto de diferentes distúrbios do neurodesenvolvimento e neuropsiquiátricos.
O papel da microglia na esquizofrenia
A poda sináptica é um importante processo de neurodesenvolvimento que ocorre no cérebro do adolescente21,22. Várias linhas de evidência sugerem que a poda sináptica durante esse período crítico é anormal na esquizofrenia (SCZ) 23 , 24 , 25 , 26 . A SCZ é um transtorno psiquiátrico crônico e debilitante caracterizado por alucinações, delírios, processos de pensamento desordenados e déficits cognitivos23,24. A microglia, os macrófagos residentes no cérebro, desempenham um papel central na poda sináptica25,26. Estudos post-mortem e de tomografia por emissão de pósitrons (PET) mostram evidências de atividade microglial disfuncional na SCZ 25,26,27,28,29,30,31,32. Os cérebros SCZ post-mortem mostram diferenças bem replicadas, mas sutis, no cérebro - os neurônios piramidais na camada cortical III mostram diminuição da densidade da coluna dendrítica e menos sinapses 33,34,35. A poda sináptica é um processo pelo qual conexões sinápticas excitatórias supérfluas são eliminadas pela microglia durante a adolescência, quando os pacientes com SCZ geralmente têm seu primeiro surto psicótico22,36. Estudos post-mortem mostram uma associação entre SCZ e ativação microglial, com aumento da densidade de microglia em cérebros SCZ, bem como aumento da expressão de genes pró-inflamatórios27. Além disso, estudos de PET de cérebros humanos usando radioligantes para ativação microglial mostram níveis aumentados de microglia ativada no córtex 25,26,27,28. Estudos recentes de associação genômica ampla (GWAS) mostram que a associação genética mais forte para SCZ reside no locus do complexo principal de histocompatibilidade (MHC), e essa associação resulta de alelos dos genes do componente do complemento 4 (C4) que estão envolvidos na mediação da poda sináptica pós-natal em roedores37. Essa associação forneceu suporte adicional para a hipótese de que a poda aberrante por microglia pode resultar na diminuição da densidade da coluna dendrítica observada em cérebros post-mortem da SCZ. As investigações do envolvimento microglial na poda sináptica na SCZ até agora foram limitadas a estudos indiretos com imagens PET ou inferências de investigações de cérebros post-mortem.
Gerando microglia humana em laboratório
A micróglia primária de camundongo cultivada tem sido freqüentemente usada no estudo da micróglia, embora haja várias indicações de que a micróglia de roedores pode não ser representativa da anatomia microglial humana e da expressão gênica (Tabela 1) 38 . Vários estudos também diferenciaram a microglia diretamente dos monócitos sanguíneos por meio da transdiferenciação 39,40,41,42. As células semelhantes à micróglia derivadas de monócitos sanguíneos exibem grandes diferenças da micróglia humana nas respostas pró-inflamatórias do perfil de expressão gênica e proteica, e parecem ser mais semelhantes a macrófagos em sua biologia43. Avanços metodológicos recentes agora permitem a geração de micróglias a partir de iPSCs humanas, que oferecem oportunidades para estudar micróglias vivas que se assemelham com mais precisão à biologia da micróglia encontrada no cérebro humano (Tabela 2). Essas células microgliais derivadas de iPSC demonstraram recapitular o fenótipo, os perfis de expressão gênica e as propriedades funcionais da microglia humana primária 44,45,46,47,48. Este artigo fornece um método para co-cultura de neurônios derivados de iPSC humanos e microglia gerados a partir do mesmo indivíduo, a fim de desenvolver modelos in vitro personalizados de interações neurônio-microglia. Para este modelo de co-cultura in vitro, um protocolo de diferenciação microglial do grupo Fossati foi adaptado (Tabela 3) e combinado com uma versão adaptada de um protocolo de geração neuronal cortical do grupo Livesey (Tabela 4)49,50.
As iPSCs humanas usadas neste estudo foram reprogramadas a partir de fibroblastos que foram obtidos por meio do consentimento informado de indivíduos de controle saudáveis, com aprovação do conselho de revisão institucional (IRB). A reprogramação e caracterização das iPSCs utilizadas neste estudo (ML15, ML27, ML40, ML56, ML141, ML 250, ML292) foram descritas em um estudo anterior51.
1. Manutenção de iPSCs
2. Diferenciação da microglia
NOTA: Um esquema descrevendo o protocolo de diferenciação da microglia é representado na Figura 1A. Os meios foram aquecidos à temperatura ambiente antes do uso.
3. Diferenciação de neurônios corticais
NOTA: Um esquema descrevendo o protocolo de diferenciação de neurônios corticais é representado na Figura 1G.
4. Co-culturas de microglia / neurônio
5. Tratamento com interferon-γ
6. Imunocitoquímica
7. Análise da coluna vertebral
8. Imagem de cálcio
Validação de protocolo
A microglia derivada de iPSC foi gerada a partir de sete linhas de iPSC em três rodadas diferentes de diferenciação. Foram utilizadas as linhas de controle iPSC ML27, ML56, ML292 e ML364 e as linhas de esquizofrenia iPSC ML40, ML141 e ML250. A caracterização dessas linhagens de iPSC foi descrita anteriormente51. Essas microglias derivadas de iPSC foram validadas usando ICC e qPCR. A microglia gerada a partir do pro...
O desenvolvimento de métodos de diferenciação ao longo de diferentes trajetórias para células-tronco pluripotentes abriu muitos caminhos para a investigação da função cerebral e processos de doenças 53,54,55. Os estudos iniciais se concentraram no desenvolvimento de tipos específicos de células neuronais que se acredita serem importantes em distúrbios cerebrais específicos
Os autores não têm nada a divulgar.
Este trabalho foi apoiado por um Prêmio de Pesquisa Biocomportamental do Instituto Nacional de Saúde Mental para Novos Cientistas Inovadores (BRAINS) R01MH113858 (para RK), Prêmio de Desenvolvimento de Cientistas Clínicos do Instituto Nacional de Saúde Mental K08MH086846 (para RK), o Prêmio de Desenvolvimento de Cientistas Clínicos da Doris Duke Charitable Foundation (para RK), a Fundação Bipolar Ryan Licht Sang (para RK), a Fundação da Família Jeanne Marie Lee-Osterhaus e o Prêmio Jovem Investigador NARSAD da Fundação de Pesquisa do Cérebro e Comportamento (para A.K.), a Fundação Phyllis & Jerome Lyle Rappaport (para R.K.), o Instituto de Células-Tronco de Harvard (para R.K.) e por Steve Willis e Elissa Freud (para R.K.). Gostaríamos de agradecer ao Dr. Bruce M. Cohen e à Dra. Donna McPhie, da Harvard Medical School e do McLean Hospital, por nos fornecerem os fibroblastos usados no estudo.
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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