Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.
Method Article
В данной статье мы описываем протокол инженерии химически перепрограммированных стволовых клеток для достижения точной модуляции нейронов путем дифференцировки этих клеток в дофаминергические клетки-предшественники, их трансплантации мышиным моделям болезни Паркинсона и оценки поведенческих и электрофизиологических результатов для подтверждения успешной интеграции и функциональной эффективности трансплантированных клеток.
Интеграция дизайнерских рецепторов, активируемых исключительно дизайнерскими препаратами (DREADD), с терапией на основе стволовых клеток представляет собой передовую стратегию для точной модуляции нейронов. В данной работе мы использовали CRISPR-инженерные перепрограммированные стволовые клетки человека, экспрессирующие возбуждающие (hM3Dq) или тормозные (hM4Di) рецепторы DREADD для оценки функциональной интеграции и модуляции трансплантированных дофаминергических предшественников в мышиной модели болезни Паркинсона (БП). Ключевые этапы включали создание линий стволовых клеток, экспрессирующих DREADD, дифференцировку их в дофаминергические предшественники среднего мозга и трансплантацию этих клеток в стриатум мышей, пораженных 6-гидроксидофамином (6-OHDA). Мы провели поведенческие оценки и электрофизиологические записи для анализа эффектов трансплантированных клеток. Поведенческие тесты, такие как цилиндрический тест, продемонстрировали значительную модуляцию моторной функции после введения клозапина-N-оксида (CNO). В частности, активация hM4Di снижала контралатеральную подвижность передних конечностей, в то время как активация hM3Dq была связана с улучшением двигательного поведения. Электрофизиологические записи выявили отчетливые синаптические реакции. Активация hM4Di увеличивала интервалы между событиями и уменьшала пиковые амплитуды спонтанных возбуждающих постсинаптических токов (sEPSC), в то время как активация hM3Dq уменьшала интервалы между событиями и увеличивала пиковые амплитуды, отражая усиление возбуждающей сигнализации. Таким образом, интеграция поведенческих и электрофизиологических оценок подтверждает точное функциональное включение сконструированных химически перепрограммированных стволовых клеток в нейронные цепи хозяина.
Дизайнерские рецепторы, активируемые исключительно дизайнерскими препаратами (DREADD), представляют собой сконструированные рецепторы, сопряженные с G-белком, которые могут избирательно активироваться инертнымисинтетическими лигандами. Хемогенетический подход стал важным инструментом в нейробиологии, позволив исследователям исследовать нейронные цепи с высокой точностью и улучшив наше понимание клеточных функций как in vivo, так и in vitro посредством селективной активации или ингибирования определенных областей мозга или типов клеток.
Терапия на основе стволовых клеток представляет собой многообещающую стратегию лечения нейродегенеративных заболеваний. Эффективность клеток трансплантата зависит от правильной интеграции, выживаемости и функционального вклада в ткани хозяина. Неконтролируемая клеточная активность может привести к негативным последствиям, в том числе к онкогенезу4; Это обуславливает необходимость точного контроля над этими клетками после трансплантации. Использование технологии DREADD в перепрограммированных стволовых клетках человека и производных нейронах дает возможность точно контролировать активность нейронов с помощью введения дизайнерского препарата CNO 2,5. В контексте болезни Паркинсона (БП), которая характеризуется потерей дофаминергических нейронов, манипулирование активностью дофаминергических нейронов, полученных из стволовых клеток, имеет решающее значение для исследования их синаптических входов и проекционных паттернов в моделях грызунов 6,7,8,9,10. Включение возбуждающих рецепторов hM3Dq и тормозных hM4Di в эти модели позволяет точно модулировать активность нейронов11,12.
Комбинация поведенческих оценок животных и электрофизиологических записей позволяет всесторонне оценить эффекты хемогенетической модуляции на трансплантированные клетки in vivo13. Поведенческие оценки, включая вращение, вызванное апоморфином, цилиндрический тест и тест ротарода, оценивают моторную координацию и дают представление об изменениях в двигательной функции, связанных с экспериментальными моделями PD14. Электрофизиологические методы, такие как запись с помощью патч-клэмпа, позволяют в режиме реального времени отслеживать синаптические реакции и потенциалы действия, обеспечивая всестороннее представление о том, как трансплантированные клетки интегрируются в существующие нейронные сети15. Комбинируя поведенческие оценки с электрофизиологическими оценками, мы можем исследовать, как хемогенетическая модуляция влияет на интеграцию и функциональность этих клеток внейронных цепях хозяина. Предварительные результаты свидетельствуют о том, что введение CNO эффективно модулирует активность нейронов в трансплантированных клетках, что приводит к улучшению функциональных результатов на животных моделях.
В этом протоколе перепрограммированные стволовые клетки человека были сконструированы для экспрессии рецепторов hM3Dq или hM4Di с использованием технологии кластеризованных регулярно чередующихся коротких палиндромных повторов (CRISPR). После дифференцировки модифицированных перепрограммированных стволовых клеток в дофаминергические клетки-предшественники среднего мозга эти клетки были трансплантированы мышиным моделям БП для оценки их интеграции и функциональной регуляции в нейронных цепях хозяина с использованием поведенческих оценок и электрофизиологических записей.
Все эксперименты на животных проводились в соответствии с руководящими принципами, установленными Пекинской ассоциацией науки о лабораторных животных и Национальными институтами здравоохранения по уходу и использованию лабораторных животных. Мононуклеарные клетки периферической крови человека (PBMC) были получены от здорового донора с письменного информированного согласия, как описано впредыдущем исследовании.
1. Построение не-слитых клеточных линий на основе DREADD
2. Трансплантированные клетки-предшественники стволовых клеток DREADD мышам с моделью БП
3. Электрофизиологическое профилирование хемогенетически модулированных клеток in vivo
На рисунке 1 показаны ключевые этапы этого методологического подхода к модифицированным перепрограммированным стволовым клеткам человека, экспрессирующим возбуждающие (hM3Dq) или ингибирующие (hM4Di) рецепторы DREADD для оценки функциональной интеграции и ...
В этом протоколе использовалась технология CRISPR для создания перепрограммированных стволовых клеток человека для экспрессии возбуждающих рецепторов hM3Dq и ингибирующих hM4Di. Модуляцию нейрональной активности с помощью CNO оценивали путем трансплантации клеток мышиным...
У авторов нет конфликта интересов, который можно было бы раскрыть.
Эта работа была поддержана Пекинским фондом естественных наук (7242068), Национальным фондом естественных наук Китая (82171250), Фондом Пекинской муниципальной комиссии по здравоохранению (PXM2020_026283_000005) и Проектом по развитию технологий Пекинских медицинских научно-исследовательских институтов (11000023T000002036310).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2 x Rapid Taq Master Mix | Vazyme | P222-01 | used for genotyping analysis |
2×Seamless Cloning Mix | Biomed Gene Tech. | CL117-01 | used for plasmid construction |
6-OHDA | Sigma-Aldrich | H4381 | used for establishing PD mice model |
AAVS1-Pur-CAG-EGFP | Addgene | 80945 | used as control |
AAVS1-Pur-CAG-hM4Di-mCherry | Addgene | 80947 | original plasmid for construction of hM4Di-T2A-ZsGreen |
AAVS1-Pur-CAG-hM3Dq-mCherry | Addgene | 80948 | original plasmid for construction of hM3Dq-T2A-ZsGreen |
AAVS1-CAG-hM4Di-T2A-ZsGreen | N/A | N/A | Constructed donor plasmid based on #80947 |
AAVS1-CAG-hM3Dq-T2A-ZsGreen | N/A | N/A | Constructed donor plasmid based on #80948 |
Accutase | Invitrogen | A11105-01 | Used for digesting cells |
AMAXA Nucleofector | Lonza | AAD-1001S | |
Apomorphine | Sigma-Aldrich | A4393 | |
Artificial cerebrospinal fluid (ACSF) | N/A | N/A | 125 mM NaCl, 2.5 mM KCl, 2 mM CaCl2, 1.25 mM NaH2PO4, 1 mM MgSO4, 25 mM glucose, and 26 mM NaHCO3 |
Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | 1043003 | |
B-27 Supplement | Gibco | 17504044 | |
BDNF | Peprotech | 450-02 | |
cAMP | Sigma-Aldrich | D0627 | |
CHIR99021 | Yeasen | 53003ES10 | |
Clozapine-N-oxide | Enzo | BML-NS105 | |
DAPT | Sigma-Aldrich | D5942 | |
Desipramine | Sigma-Aldrich | D3900 | |
D-glucose | Sigma-Aldrich | G5767 | |
DMEM/F12 | Gibco | 11330-032 | |
DMEM/F12 | Gibco | 11320-033 | |
DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
FGF8 | Peprotech | 100-25 | |
GDNF | Peprotech | 450-10 | |
GlutaMax | Gibco | 35050-061 | |
Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS) | Gibco | 14175095 | |
Human leukemia inhibitory factor (hrLIF) | Millipore | LIF1010 | |
Iced intracellular fluid | N/A | N/A | 130 mM K-gluconate, 16 mM KCl, 0.2 mM EGTA, 2 mM MgCl2, 10 mM HEPES, 4 mM Na2-ATP, 0.4 mM Na3-GTP, 0.3% of neurobiotin |
KnockOut Serum Replacement | Gibco | 10828028 | |
Laminin | Roche | 11243217001 | |
Micropipette Puller | Sutter Instrument Company | P-1000 | |
N-2 Supplement | Thermo Fisher | 17502048 | |
Neurobasal-A Medium | Gibco | 10888-022 | |
Non-essential amino acids (NEAA) | Gibco | 11140-050 | |
PBS | Gibco | 10010023 | |
pCLAMP 11 software suite | Molecular Devices | N/A | Patch-clamp electrophysiology data acquisition and analysis software |
Phase 1 differentiation medium | N/A | N/A | 96% DMEM/F12 (Gibco, 11320-033), 1% B-27 Supplement, 1% N-2 Supplement, 1% NEAA, 1% GlutaMax, 1 µM SAG1, and 100 ng/mL FGF8 |
Phase 2 differentiation medium | N/A | N/A | 96% DMEM/F12 (Gibco, 11320-033), 1% B-27 Supplement, 1% N-2 Supplement, 1% NEAA, and 1% GlutaMax, 10 ng/mL BDNF, 10 ng/mL GDNF, 1 ng/mL TGF-βIII, 10 µM DAPT, 0.2 mM ascorbic acid, and 0.5 mM cAMP. |
Poly-D-lysine hydrobromide (PDL) | Sigma-Aldrich | P7886 | |
Primers for genotyping | N/A | N/A | Insertion Foward: TCTTCACTCGCTGGGTTCCCTT; Insertion Reverse: CCTGTGGGAGGAAGAGAAGAGGT; Homozygosity Foward:CGTCTCCCTGGCTTTAGCCA; Homozygosity Reverse: GATCCTCTCTGGCTCCATCG |
pX458 | Addgene | 152199 | |
SAG1 | Enzo | ALX-270-426-M01 | |
SB431542 | Yeasen | 53004ES50 | |
sucrose-based artificial cerebrospinal fluid (s-ACSF) | 234 mM sucrose, 2.5 mM KCl, 26 mM NaHCO3, 1.25 mM NaH2PO4, 11 mM Dglucose, 0.5 mM CaCl2, and 10 mM MgSO4 | ||
Stem cell culture media | N/A | N/A | 48% DMEM/F12 (Gibco, 11330-032) and 48% Neurobasal, with the addition of 1% B27, 1% N2, 1% NEAA, 1% GlutaMax, 10 ng/mL hrLIF, 2 µM SB431542, and 3 µM CHIR99021 |
TGF-βIII | Peprotech | 100-36E | |
Transplantation buffer | N/A | N/A | HBSS buffer with 5 g/L D-glucose, 100 ng/mL BDNF, 100 ng/mL GDNF, and 0.2 mM ascorbic Acid |
Vibratome | Leica | VT1000 S | |
Whole-cell patch-clamp | Molecular Devices | MultiClamp700B |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены