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Method Article
O presente protocolo explica a geração de uma monocamada 2D de células cerebelares a partir de células-tronco pluripotentes induzidas para investigar os estágios iniciais do desenvolvimento cerebelar.
O desenvolvimento preciso e oportuno do cerebelo é crucial não só para a coordenação motora precisa e equilíbrio, mas também para a cognição. Além disso, a interrupção no desenvolvimento cerebelar tem sido implicada em muitos distúrbios do neurodesenvolvimento, incluindo autismo, transtorno de déficit de atenção e hiperatividade (TDAH) e esquizofrenia. Investigações do desenvolvimento cerebelar em humanos anteriormente só foram possíveis através de estudos post-mortem ou neuroimagem, mas esses métodos não são suficientes para entender as mudanças moleculares e celulares que ocorrem in vivo durante o desenvolvimento inicial, que é quando muitos distúrbios do neurodesenvolvimento se originam. O surgimento de técnicas para gerar células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (iPSCs) a partir de células somáticas e a capacidade de rediferenciar ainda mais as iPSCs em neurônios abriram o caminho para a modelagem in vitro do desenvolvimento cerebral inicial. O presente estudo fornece passos simplificados para a geração de células cerebelares para aplicações que requerem uma estrutura monocamada 2-dimensional (2D). As células cerebelares que representam os estágios iniciais de desenvolvimento são derivadas de iPSCs humanas através das seguintes etapas: primeiro, os corpos embrionários são feitos em cultura tridimensional (3D), depois são tratados com FGF2 e insulina para promover a especificação do destino cerebelar e, finalmente, são terminalmente diferenciados como uma monocamada em substratos revestidos de poli-l-ornitina (PLO) / laminina. Aos 35 dias de diferenciação, as culturas de células cerebelares derivadas de iPSC expressam marcadores cerebelares, incluindo ATOH1, PTF1α, PAX6 e KIRREL2, sugerindo que esse protocolo gera precursores neuronais cerebelares glutamatérgicos e GABAérgicos, bem como progenitores de células de Purkinje. Além disso, as células diferenciadas apresentam morfologia neuronal distinta e são positivas para marcadores de imunofluorescência de identidade neuronal, como o TUBB3. Essas células expressam moléculas de orientação axonal, incluindo semaforina-4C, plexina-B2 e neuropilina-1, e poderiam servir de modelo para investigar os mecanismos moleculares de crescimento de neuritos e conectividade sináptica. Este método gera neurônios cerebelares humanos úteis para aplicações a jusante, incluindo expressão gênica, estudos fisiológicos e morfológicos que exigem formatos de monocamada 2D.
Compreender o desenvolvimento cerebelar humano e as janelas de tempo críticas desse processo é importante não apenas para decodificar as possíveis causas dos distúrbios do neurodesenvolvimento, mas também para identificar novos alvos para a intervenção terapêutica. Modelar o desenvolvimento cerebelar humano in vitro tem sido um desafio, mas ao longo do tempo, muitos protocolos diferenciando células-tronco embrionárias humanas (hESCs) ou iPSCs com destinos de linhagem cerebelar surgiram 1,2,3,4,5,6,7,8 . Além disso, é importante desenvolver protocolos que gerem resultados reprodutíveis, sejam relativamente simples (para reduzir o erro) e não sejam pesados em custos monetários.
Os primeiros protocolos de diferenciação cerebelar foram gerados a partir de culturas 2D de corpos embrionários banhados (EBs), induzindo o destino cerebelar com vários fatores de crescimento semelhantes ao desenvolvimento in vivo, incluindo WNT, BMPs e FGFs 1,9. Protocolos publicados mais recentemente induziram diferenciação principalmente em cultura organoide 3D com FGF2 e insulina, seguidos por FGF19 e SDF1 para estruturas rômbicas semelhantes a lábios3,4, ou usaram uma combinação de FGF2, FGF4 e FGF85. Ambos os métodos de indução de organoides cerebelares resultaram em organoides cerebelares 3D semelhantes, pois ambos os protocolos relataram expressão de marcadores cerebelares semelhantes em pontos de tempo idênticos. Holmes e Heine estenderam seu protocolo 3D5 para mostrar que as células cerebelares 2D podem ser geradas a partir de hESCs e iPSCs, que começam como agregados 3D. Além disso, Silva et al.7 demonstraram que células que representam neurônios cerebelares maduros em 2D podem ser geradas com uma abordagem semelhante a Holmes e Heine, usando um ponto de tempo diferente para mudar de 3D para 2D e estendendo o tempo de crescimento e maturação.
O protocolo atual induz o destino cerebelar em iPSCs livres de alimentadores, gerando corpos embrionários (EBs) flutuantes livres usando insulina e FGF2 e, em seguida, chapeando os EBs em pratos revestidos de OLP / laminina no dia 14 para crescimento e diferenciação 2D. No dia 35, as células com identidade cerebelar são obtidas. A capacidade de recapitular os estágios iniciais do desenvolvimento cerebelar, especialmente em um ambiente 2D, permite que os pesquisadores respondam a perguntas específicas que exijam experimentos com uma estrutura monocamada. Este protocolo também é passível de modificações adicionais, como superfícies micropadronizadas, ensaios de crescimento axonal e classificação celular para enriquecer as populações celulares desejadas.
A pesquisa em seres humanos foi aprovada sob o número de aprovação do Conselho de Revisão Institucional da Universidade de Iowa 201805995 e o número de aprovação do Comitê de Células-Tronco Pluripotentes Humanas da Universidade de Iowa 2017-02. As biópsias de pele foram obtidas dos sujeitos após a obtenção do termo de consentimento livre e esclarecido. Os fibroblastos foram cultivados em DMEM com soro fetal bovino a 15% (FBS) e solução de aminoácidos não essenciais a 1% de MEM a 37 °C e 5% de CO2. Os fibroblastos foram reprogramados usando um kit de reprogramação episómica seguindo o protocolo do fabricante (ver Tabela de Materiais) usando um nucleofector para eletroporação. Todos os procedimentos foram realizados em um gabinete de segurança biológica Classe II Tipo A2 ("capuz" para abreviar). Todos os meios de cultura celular eram livres de antibióticos; portanto, cada componente que entrava no capô era limpo com etanol a 70%. Todos os meios e componentes da cultura celular foram filtrados ou abertos estéreis no exaustor para manter sua esterilidade.
1. Preparação experimental
2. Cultura iPSC sem alimentador
3. Diferenciação cerebelar
NOTA: Antes de iniciar a diferenciação, as iPSCs são passadas para seis placas de 35 mm e estão prontas para a diferenciação quando estão em 70% de confluência. Cada placa de 35 mm será transferida para um poço da placa de 6 poços.
4. Preparação da amostra para isolamento de ARN
5. Preparação de células para coloração imunofluorescente
NOTA: Para uma placa de 24 poços, um EB por poço é suficiente.
Visão geral da diferenciação cerebelar 3D para 2D
As células cerebelares são geradas a partir de iPSCs. A Figura 1A mostra o fluxo de trabalho geral e a adição dos principais componentes para diferenciação. No dia 0, os EBs são feitos levantando suavemente as colônias de iPSC (Figura 1B) usando uma pipeta de vidro puxada em MDL contendo SB431542 e Y-27632 e colocados em placas de fixação ultrabaixa. FGF2 é adicionado no dia 2. N...
A capacidade de modelar o desenvolvimento cerebelar humano in vitro é importante para a modelagem de doenças, bem como para promover a compreensão do desenvolvimento normal do cérebro. Protocolos menos complicados e econômicos criam mais oportunidades para a geração de dados replicáveis e ampla implementação em vários laboratórios científicos. Um protocolo de diferenciação cerebelar é descrito aqui usando um método modificado de geração de EBs que não requer enzimas ou agentes de dissociaçã...
Os autores não têm conflitos de interesse a declarar.
Agradecemos a Jenny Gringer Richards por seu trabalho minucioso na validação de nossos sujeitos de controle, a partir do qual geramos as iPSCs de controle. Este trabalho foi apoiado pelo NIH T32 MH019113 (para D.A.M. e K.A.K.), o Nellie Ball Trust (para T.H.W. e A.J.W.), NIH R01 MH111578 (para V.A.M. e J.A.W.), NIH KL2 TR002536 (para A.J.W.), e o Roy J. Carver Charitable Trust (para V.A.M., J.A.W. e A.J.W.). As figuras foram criadas com BioRender.com.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
10 mL Serological pipette | Fisher Scientific | 13-678-26D | |
1-thio-glycerol | Sigma | M6145 | |
2 mL Serological pipette | Fisher Scientific | 13-678-26B | |
250 mL Filter Unit, 0.2 µm aPES, 50 mm Dia | Fisher Scientific | FB12566502 | |
35 mm Easy Grip Tissue Cluture Dish | Falcon | 353001 | |
4D Nucleofector core unit | Lonza | 276885 | Nucleofector |
5 mL Serological pipette | Fisher Scientific | 13-678-25D | |
60 mm Easy Grip Tissue Culture Dish | Falcon | 353004 | |
6-well ultra-low attachment plates | Corning | 3471 | |
9" Disposable Pasteur Pipets | Fisher Scientific | 13-678-20D | |
Apo-transferrin | Sigma | T1147 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma | A9418 | |
Cell culture grade water | Cytiva | SH30529.02 | |
Chemically defined lipid concentrate | Gibco | 11905031 | |
Chroman 1 | Cayman | 34681 | |
Class II, Type A2, Biological safety Cabinet | NuAire, Inc. | NU-540-600 | Hood, UV light |
Costar 24-well plate, TC treated | Corning | 3526 | |
Costar 6-well plate, TC treated | Corning | 3516 | |
DAPI solution | Thermo Scientific | 62248 | |
DMEM | Gibco | 11965092 | |
DMEM/F12 | Gibco | 11320033 | |
DMSO (Dimethly sulfoxide) | Sigma | D2438 | |
DPBS+/+ | Gibco | 14040133 | |
Emricasan | Cayman | 22204 | |
Epi5 episomal iPSC reprogramming kit | Life Technologies | A15960 | |
Essential 8-Flex | Gibco | A2858501 | PSC medium with heat-stable FGF2 |
EVOS XL Core Imaging system | Life Technologies | AMEX1000 | |
Fetal bovine serum - Premium Select | Atlanta Biologicals | S11150 | |
FGF2 | Peprotech | 100-18B | |
GlutaMAX supplement | Gibco | 35050061 | L-alanine-L-glutamine supplement |
Ham's F12 Nutrient Mix | Gibco | 11765054 | |
HERAcell VIOS 160i CO2 incubator | Thermo Scientific | 50144906 | |
Human Anti-EN2, mouse | Santa Cruz Biotechnology | sc-293311 | |
Human anti-Ki67/MKI67, rabbit | R&D Systems | MAB7617 | |
Human anti-PTF1a, rabbit | Novus Biologicals | NBP2-98726 | |
Human anti-TUBB3, mouse | Biolegend | 801213 | |
IMDM | Gibco | 12440053 | |
Insulin | Gibco | 12585 | |
Laminin Mouse Protein | Gibco | 23017015 | |
Matrigel Matrix | Corning | 354234 | Basement membrane matrix |
MEM-NEAA | Gibco | 11140050 | |
Mini Centrifuge | Labnet International | C1310 | Benchtop mini centrifuge |
Monarch RNA Cleanup Kit (50 µg) | New England BioLabs | T2040 | Silica spin columns |
Monarch Total RNA Miniprep Kit | New England BioLabs | T2010 | Silica spin columns |
N-2 supplement | Gibco | 17502-048 | |
Neurobasal medium | Gibco | 21103049 | |
PBS, pH 7.4 | Gibco | 10010023 | |
PFA 16% | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Polyamine supplement | Sigma | P8483 | |
Poly-L-Ornithine (PLO) | Sigma | 3655 | |
Potassium chloride | Sigma | 746436 | |
SB431542 | Sigma | 54317 | |
See through self-sealable pouches | Steriking | SS-T2 (90x250) | Autoclave pouches |
Sodium citrate dihydrate | Fisher Scientific | S279-500 | |
Syringe filters, sterile, PES 0.22 µm, 30 mm Dia | Research Products International | 256131 | |
Trans-ISRIB | Cayman | 16258 | |
TRIzol Reagent | Invitrogen | 15596018 | Phenol and guanidine isothiocyanate |
TrypLE Express Enzyme (1x) | Gibco | 12604039 | Cell dissociation reagent |
Vapor pressure osmometer | Wescor, Inc. | Model 5520 | Osmometer |
Y-27632 | Biogems | 1293823 |
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