Name: establishment of an electrophysiological platform for modeling als with regionally-specific human pluripotent stem cell-derived astrocytes and neurons
Uploaded: 2021-08-26T14:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Establishment of an Electrophysiological Platform for Modeling ALS with Regionally-Specific Human Pluripotent Stem Cell-Derived Astrocytes and Neurons at JoVE

Dieses Manuskript wurde durch Folgendes unterstützt: 2019 MSCRFF 5119 (AT). K08NS102526 NIH/NINDS (CWH), 2020 Doris Duke Charitable Foundation Clinical Scientist Career Development Award (CWH). 1R01NS117604-01NIH/NINDS (NJM), DOD ALSRP W81XWH2010161 (NJM), 2019 MSCRFD 5122 (NJM). Wir danken Dr. Raha Dastgheyb und Dr. Norman Haughey für die Bereitstellung der MEA-Plattform und der Datenanalysesoftware, die wir zur Validierung der beschriebenen elektrophysiologischen Plattform verwendet haben. Wir bedanken uns bei Khalil Rust für die Unterstützung bei der Protokollvorführung und beim Filmen.

1. Vorbereitung von Zellkulturmedien
<ol><li>Die einzelnen Zellkulturmedien werden unter Verwendung der in Tabelle 1 genannten Zusammensetzungen hergestellt.</li>
	<li>Mischen und sterilisieren Sie die Medien in 500 ml filtrierten Flaschen und lagern Sie sie bis zu 2 Wochen lichtgeschützt bei 4 °C.</li>
</ol>2. Aufrechterhaltung und Weitergabe nicht-konfluenter humaninduzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC)
<ol><li>Die Basalmembranmatrix (in Aliquots bei -80 °C gelagert...

<ol>
	<li>Ferraiuolo, L., Maragakis, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mini-review:+Induced+pluripotent+stem+cells+and+the+search+for+new+cell-specific+ALS+therapeutic+targets.">Mini-review: Induced pluripotent stem cells and the search for new cell-specific ALS therapeutic targets.</a> Neuroscience Letters. 755, 135911 (2021).</li><li>Taga, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Role+of+human-induced+pluripotent+stem+cell-derived+spinal+cord+astrocytes+in+the+functional+maturation+of+motor+neurons+in+a+multi-electrode+array+system.">Role of human-induced pluripotent stem cell-derived spinal cord astrocytes in the functional maturation of motor neurons in a multi-electrode array system.</a> Stem Cells Translational Medicine. 8 (12), 1272-1285 (2019).</li><li>Klapper, S. D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Astrocyte+lineage+cells+are+essential+for+functional+neuronal+differentiation+and+synapse+maturation+in+human+iPSC-derived+neural+networks.">Astrocyte lineage cells are essential for functional neuronal differentiation and synapse maturation in human iPSC-derived neural networks.</a> Glia. 67 (10), 1893-1909 (2019).</li><li>Zhao, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mutant+C9orf72+human+iPSC-derived+astrocytes+cause+non-cell+autonomous+motor+neuron+pathophysiology.">Mutant C9orf72 human iPSC-derived astrocytes cause non-cell autonomous motor neuron pathophysiology.</a> Glia. 68 (5), 1046-1064 (2020).</li><li>Almad, A. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Connexin+43+in+astrocytes+contributes+to+motor+neuron+toxicity+in+amyotrophic+lateral+sclerosis.">Connexin 43 in astrocytes contributes to motor neuron toxicity in amyotrophic lateral sclerosis.</a> Glia. 64 (7), 1154-1169 (2016).</li><li>Wainger, B. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intrinsic+membrane+hyperexcitability+of+amyotrophic+lateral+sclerosis+patient-derived+motor+neurons.">Intrinsic membrane hyperexcitability of amyotrophic lateral sclerosis patient-derived motor neurons.</a> Cell Reports. 7 (1), 1-11 (2014).</li><li>Tyzack, G., Lakatos, A., Patani, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+stem+cell-derived+astrocytes:+Specification+and+relevance+for+neurological+disorders.">Human stem cell-derived astrocytes: Specification and relevance for neurological disorders.</a> Current Stem Cell Reports. 2, 236-247 (2016).</li><li>Imaizumi, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlling+the+regional+identity+of+hPSC-derived+neurons+to+uncover+neuronal+subtype+specificity+of+neurological+disease+phenotypes.">Controlling the regional identity of hPSC-derived neurons to uncover neuronal subtype specificity of neurological disease phenotypes.</a> Stem Cell Reports. 5 (6), 1010-1022 (2015).</li><li>Odawara, A., Matsuda, N., Ishibashi, Y., Yokoi, R., Suzuki, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Toxicological+evaluation+of+convulsant+and+anticonvulsant+drugs+in+human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+cortical+neuronal+networks+using+an+MEA+system.">Toxicological evaluation of convulsant and anticonvulsant drugs in human induced pluripotent stem cell-derived cortical neuronal networks using an MEA system.</a> Scientific Reports. 8 (1), 10416 (2018).</li><li>Haidet-Phillips, A. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gene+profiling+of+human+induced+pluripotent+stem+cell-derived+astrocyte+progenitors+following+spinal+cord+engraftment.">Gene profiling of human induced pluripotent stem cell-derived astrocyte progenitors following spinal cord engraftment.</a> Stem Cells Translational Medicine. 3 (5), 575-585 (2014).</li><li>Roybon, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+stem+cell-derived+spinal+cord+astrocytes+with+defined+mature+or+reactive+phenotypes.">Human stem cell-derived spinal cord astrocytes with defined mature or reactive phenotypes.</a> Cell Reports. 4 (5), 1035-1048 (2013).</li><li>Shimojo, D., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=simple+motor+neuron+differentiation+from+human+pluripotent+stem+cells.">simple motor neuron differentiation from human pluripotent stem cells.</a> Molecular Brain. 8 (1), 79 (2015).</li><li>Chandrasekaran, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+2D+and+3D+neural+induction+methods+for+the+generation+of+neural+progenitor+cells+from+human+induced+pluripotent+stem+cells.">Comparison of 2D and 3D neural induction methods for the generation of neural progenitor cells from human induced pluripotent stem cells.</a> Stem Cell Reports. 25, 139-151 (2017).</li><li>Krencik, R., Weick, J. P., Liu, Y., Zhang, Z. J., Zhang, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specification+of+transplantable+astroglial+subtypes+from+human+pluripotent+stem+cells.">Specification of transplantable astroglial subtypes from human pluripotent stem cells.</a> Nature Biotechnology. 29 (6), 528-534 (2011).</li><li>Li, X. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Coordination+of+sonic+hedgehog+and+Wnt+signaling+determines+ventral+and+dorsal+telencephalic+neuron+types+from+human+embryonic+stem+cells.">Coordination of sonic hedgehog and Wnt signaling determines ventral and dorsal telencephalic neuron types from human embryonic stem cells.</a> Development. 136 (23), 4055-4063 (2009).</li><li>Liu, H., Zhang, S. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Specification+of+neuronal+and+glial+subtypes+from+human+pluripotent+stem+cells.">Specification of neuronal and glial subtypes from human pluripotent stem cells.</a> Cellular and Molecular Life Sciences. 68 (24), 3995-4008 (2011).</li><li>Borghese, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhibition+of+notch+signaling+in+human+embryonic+stem+cell-derived+neural+stem+cells+delays+G1/S+phase+transition+and+accelerates+neuronal+differentiation+in+vitro+and+in+vivo.">Inhibition of notch signaling in human embryonic stem cell-derived neural stem cells delays G1/S phase transition and accelerates neuronal differentiation in vitro and in vivo.</a> Stem Cells. 28 (5), 955-964 (2010).</li><li>Shi, Y., Kirwan, P., Smith, J., Robinson, H. P., Livesey, F. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Human+cerebral+cortex+development+from+pluripotent+stem+cells+to+functional+excitatory+synapses.">Human cerebral cortex development from pluripotent stem cells to functional excitatory synapses.</a> Nature Neuroscience. 15 (3), 477-486 (2012).</li></ol>

Bisher haben hiPSC- und MEA-basierte Methoden zur elektrophysiologischen Aufzeichnung von Astrozyten-Neuronen-Kokulturen im Bereich der ALS6 nur begrenzte Anwendung gefunden und sind im Gegensatz zu ihrer weiter verbreiteten Verwendung für die In-vitro-Modellierung von Epilepsie9 noch nicht vollständig auf humanen Plattformen anwendbar. Diese Plattform hat jedoch das Potenzial, pathophysiologisch relevante Fragen in der ALS-Forschung zu beantworten, wie z.B. die ...

Aus humanen pluripotenten Stammzellen gewonnene Astrozyten (hiPSC-A) und Neuronen (hiPSC-N) sind leistungsfähige Werkzeuge für die Modellierung der Pathophysiologie der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) in vitro und bieten ein translationales Paradigma für Strategien zur Arzneimittelforschung1. Forscher haben gezeigt, dass die Co-Kultur von hiPSC-A mit hiPSC-N die morphologische, molekulare, elektrophysiologische und pharmakologische Reifung beider Zelltypen verbessert und komplexe neuronale Netzwerke und Astrozyten-Neuronen-Interaktionen erzeugt, die ihren In-vivo-Gegenstücken ähneln 2,3. Ähnliche Co-Kultur-Experimente können Kennzeichen der ALS-Pathobiologie wie Astrozyten-vermittelte Neurotoxizität 4,5 und neuronale Hypererregbarkeit6 rekapitulieren. Darüber hinaus können humane induzierte pluripotente Stammzellen (hiPSC) mit Fortschritten bei den Differenzierungsprotokollen in regionalspezifische neuronale Subtypen differenziert werden, einschließlich kortikaler und Rückenmarks-hiPSC-A und hiPSC-N 7,8. Diese Strategien bieten das Potenzial für die Modellierung der kortikalen und spinalen Motoneuron-Pathologie bei ALS sowie des astrozytären Einflusses auf beide. Dies setzt jedoch voraus, dass es einen reproduzierbaren funktionellen Assay gibt, um diese Effekte zu bestimmen.
Kürzlich wurde gezeigt, dass die Multi-Elektroden-Array-Aufzeichnung (MEA) besonders geeignet für die elektrophysiologische Charakterisierung von Neuron-Astrozyten-Cokulturenist 2. Im Gegensatz zu elektrophysiologischen Einzelzellanalysen zeichnen diese hochdichten Elektrodenarrays passiv extrazelluläre Feldpotentiale von großen Neuronenpopulationen auf, ohne die Kulturbedingungen zu stören und die Integrität der Zellmembranen zu erhalten. Diese Plattformen sind besonders nützlich, um die Zell- und Netzwerkaktivität von Kulturen im Laufe der Zeit und als Reaktion auf pharmakologische Manipulationen aufzuzeichnen. Schließlich, wenn das Vorhandensein von Astrozyten eine Kulturvariable ist, können MEA-Aufzeichnungen funktionelle Einblicke in bidirektionale Interaktionen zwischen Astrozyten und Neuronen liefern 2,9.
Hier wird ein optimiertes Protokoll für die Differenzierung von hiPSC in Rückenmark-hiPSC-A und hiPSC-Motoneuronen (MN) vorgestellt, das zuvor validiert wurde2. Das hiPSC-A-Differenzierungsprotokoll des Rückenmarks führt durchweg zu Astrozytenkulturen, die in bis zu 80%, 50% bzw. 90% der Zellen positiv für S100-Calcium-bindendes Protein B (S100β), Gliafibrillen-saures Protein (GFAP) und Homöobox B4 (HOXB4) sind, was auf eine reifende Glia- und Rückenmarksspezifikation hinweist 2,10 . Das hiPSC-MN-Differenzierungsprotokoll erzeugt Neuronen, die zu >90% positiv für Cholin-Acetyltransferase (ChAT) sind, was auf eine reife alpha-motorische Neuronenidentitäthindeutet 2. Darüber hinaus beschreibt das Protokoll Techniken zur Erzeugung von hiPSC-A/MN-Cokulturen, von denen zuvor gezeigt wurde, dass sie im Vergleich zu neuronalen Kulturen ohne Astrozyten oder mit Nagetier-Astrozytenzu Neuronen mit erhöhter morphologischer Komplexität führen. Während diese Beschreibungen spezifisch für das Rückenmark hiPSC-A und hiPSC-N sind, besteht ein einzigartiger Vorteil darin, dass die anfängliche unabhängige Kultur von Astrozyten und Neuronen, gefolgt von Schritten zur Kokultur zu späteren Zeitpunkten, übersetzt werden kann, um die Auswirkungen von Neuron-Astrozyten-Interaktionen aus anderen spezifischen Regionen sowie krankheitsspezifischen Zellen zu untersuchen 7,8 . Schließlich beschreibt das Protokoll, wie diese Kulturen auf MEA-Platten gezüchtet werden können, so dass die funktionelle Aktivität als Faktor der Kokulturzusammensetzung im Laufe der Zeit untersucht werden kann, mit der Fähigkeit, die zelluläre Zusammensetzung sowie die Kulturbedingungen zu manipulieren.
Das Ziel dieser Protokolle ist es, einen funktionellen Assay zur Verfügung zu stellen, um Astrozyten-Neuronen-Interaktionen zu untersuchen, krankheitsspezifische Veränderungen zu untersuchen und Medikamente mit therapeutischem Potenzial im Bereich ALS zu testen. Für die anspruchsvollsten Schritte dieses Protokolls werden Videoanweisungen bereitgestellt.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>10 cm sterile culture plates</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>353003</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>25 cm2 sterile culture flasks</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>353136</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Mercaptoethanol (&#946;-ME)</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>21985023</td>
			<td>Working concentration 110 &#181;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>500 mL 0.2 &#181;m CA Filter System</td>
			<td>Corning</td>
			<td>430769</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>5 mL pipette</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>357543</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>6 well sterile culture plates</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>3046</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Amphotericine B</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15290018</td>
			<td>Working concentration 2.0 &#956;g/mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anionic detergent with protease enzyme - Terg-A-Zyme</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>Z273287</td>
			<td>Working concentration 1% m/v</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ascorbic acid (ASAC)</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>A4403</td>
			<td>Dissolve 100 mg into 250 mL of dH2O to get 0.4mg/ml stock. Sterile filter through a 0.22 &#181;m filter, aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute at 1:1000 for use. (working concentration 0.4 &#181;g/mL).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axion CytoView MEA 24 plates (M384-tMEA-24W)</td>
			<td>Axion</td>
			<td>OPT-24</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Axion Edge MEA platform</td>
			<td>Axion</td>
			<td>Maestro Edge</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Basement Membrane matrix - Matrigel</td>
			<td>Corning</td>
			<td>354277</td>
			<td>Details in the protocol</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benchtop microscope (sterile under cell culture hood)</td>
			<td>Zeiss</td>
			<td>415510-1100-000</td>
			<td>Primo Vert</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bicuculline</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>14340</td>
			<td>Working concentration10 &#956;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ciliary neurotrophic factor (CNTF)</td>
			<td>Peprotech</td>
			<td>450-13</td>
			<td>Dissolve 100 &#181;g in 1mL of sterile PBS, and then add 9 mL of sterile 0.1% BSA-PBS to 10 &#181;g/mL. Aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute at 1: 1000 for use. (working concentration 10 ng/mL).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CO2 tanks and regulator for Axion Edge</td>
			<td>AirGas/Harris</td>
			<td>9296NC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Compound E</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab142164</td>
			<td>Dissolve 250 &#181;g in 2.0387 mL of DMSO to get a 250 &#181;M stock. Aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute 1:2000 for use. (working concentration 125 nM).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cyanquixaline&#160; (CNQX)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>C239</td>
			<td>Working concentration 50 &#956;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Dihydrokainic acid (DHK)</td>
			<td>Tocris</td>
			<td>111</td>
			<td>Working concentration 50 &#956;M and 300 &#956;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM/F12</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>113300</td>
			<td>Working concentration 1x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Essential 8 Medium + Essential 8 Supplement</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>A1517001</td>
			<td>Combine 10 mL of Essential 8 (10x)&#160; supplement with 500 mL of Essential 8 Growth Medium (1x)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum (FBS)</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>16140071</td>
			<td>Working concentration 1x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glial cell line-derived neurotrophic (GDNF)</td>
			<td>Peprotech</td>
			<td>450-10</td>
			<td>Dissolve 100 &#181;g in 1mL of PBS to 100 &#181;g/mL, and then add 9 mL of sterile 0.1% BSA-PBS to 10 &#181;g/mL. Aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute at 1: 1000 for use. (working concentration 10 ng/mL).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hemocytometer</td>
			<td>Election Microscopy Sciences</td>
			<td>63510-20</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heparin</td>
			<td>Millipore-sigma</td>
			<td>H3149-100KU</td>
			<td>Dissolve 200 mg in 100 mL of PBS to get 2 mg/mL stock solution. Aliquot the stock in 15 mL and 500 &#181;L tubes. Dilute 1:1000 for use. (working concentration 2 &#181;g/mL).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Humidity controlled Cell culture incubator</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>370</td>
			<td>set to 37 &#186;C, 5 % CO2</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insulin-like growth factor 1 (IGF-1)</td>
			<td>R&#38;D systems</td>
			<td>291-G1-200</td>
			<td>Dissolve 200 &#181;g in 2 mL of PBS to 100 &#181;g/mL, then add 18 mL of 0.1%BSA-PBS to make 10 &#181;g/mL stock and store at -80 &#186;C. Aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute 10 &#181;g/mL stock at 1: 1000 for use. (working concentration 10 ng/mL).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Kainc acid</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab144490</td>
			<td>Working concentration 5 &#956;M</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Knockout Serum Replacement (KSR)</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>10828</td>
			<td>Working concentration 1x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laminin</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>23017-015</td>
			<td>Stock solution 1 mg/mL, working concentration 10 &#181;g/mL (coating), 1 &#181;g/mL (cell media)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>LDN193189</td>
			<td>Stemgent</td>
			<td>04-0074</td>
			<td>Dissolve 2 mg of LDN into 500 &#181;L of Chloroform to get 10 mM stock. Aliquot this and freeze at -80 &#186;C. For using, dilute the stock 1 to 10 into DMSO [to 1 mM] first, then dilute 1:5000 of 1 mM into the desired media to get 0.2 &#181;M working solution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>L-Glutamine</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>25030</td>
			<td>Working concentration 100x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MEA glass plates</td>
			<td>MultiChannel Systems</td>
			<td>60MEA200/30iR-Ti-gr</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multichannel Pipet P200</td>
			<td>Gilson</td>
			<td>PJ22224</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neurobasal</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>21103049</td>
			<td>Working concentration 1x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Non-Essential Amino Acids (NEAA)</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>11140050</td>
			<td>Working concentration 100x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pencillin/Streptomycin</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>15140122</td>
			<td>Working concentration 100x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyornithine (PLO)</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P3655</td>
			<td>Dissolve 100 mg in 1 mL of ddW to get 100 mg/mL stock solution. Aliquot the stock in 100 &#181;L tubes. (working concentration 100 &#181;g/mL)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium chloride (KCl)</td>
			<td>NA</td>
			<td>NA</td>
			<td>Working concentration100 mM</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Purmorphamine (PMN)</td>
			<td>Millipore-Sigma</td>
			<td>540223</td>
			<td>Dissolve 5 mg in 9.6 mL of DMSO to get 1 mM solution. Aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute 1:1000 for use. (working concentration 1 &#181;M).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Recombinant human-brain-derived neurotrophic factor (BDNF)</td>
			<td>Peprotech</td>
			<td>450-02</td>
			<td>Centrifuge briefly before reconstitution. Dissolve 100 &#181;g in 1 mL of PBS to 100 &#181;g/mL, and then add 9 mL of sterile 0.1% BSA-PBS to 10 &#181;g/mL. Aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute at 1: 1000 for use. (working concentration 10 ng/mL).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Retinoic acid (RA)</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>R2625</td>
			<td>Dissolve 100 mg into 3.3 mL of DMSO to get 100 mM stock solution. Aliquot the stock 100 &#181;L/tube and freeze at -80 &#186;C. Take 200 &#181;L of 100 mM stock and dilute 10x (add 1.8 mL of DMSO) to make 10 mM stock. Aliquot 50 &#181;L/tube&#160;and store at -80 &#186;C. Dilute at 1:10000 for use. (working concentration 2 &#181;M).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ROCK-I nhibitor</td>
			<td>Peprotech</td>
			<td>1293823</td>
			<td>Dissolve 5 mg in 1480 &#181;L of dH2O to get 10 mM stock, aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute at 1: 500 for use. (working concentration 20 &#181;M).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SB431542</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>S4317</td>
			<td>Dissolve 5mg into 1.3 mL of DMSO to get 10 mM stock solution. Aliquot and freeze at -80 &#186;C. Dilute at 1:1000 for use. (working con 10 &#181;M)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile cell culture hoods</td>
			<td>Baker Company</td>
			<td>SG-600</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Supplement B - B27 Supplement</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>21985023</td>
			<td>Working concentration 50x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Supplement N - N2 Supplement</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>17502048</td>
			<td>Working concentration 100x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Table top cell culture centrifuge</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>75004261</td>
			<td>Sorvall Legend X1R</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermoplastic&#160;film - Parafilm</td>
			<td>PARAFILM</td>
			<td>P7793</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue dissociation protease - Dispase</td>
			<td>StemCell Technologies</td>
			<td>7923</td>
			<td>Working concentration 1x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin Inhibitor</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>T6522-1G</td>
			<td>Dissolve 1g in 100mL ddH2O to get 10 mg/mL stock. Aliquot and store at 4 &#186;C. Dilute 1:10 of trypsin volume for use. (working concentration 1 mg/mL).</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Trypsin-EDTA (0.05%)</td>
			<td>Thermofisher</td>
			<td>2530054</td>
			<td>Working concentration 1x</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Waterbath</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>2332</td>
			<td>Isotemp</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

establishment of an electrophysiological platform for modeling als with regionally-specific human pluripotent stem cell-derived astrocytes and neurons

Aus humanen pluripotenten Stammzellen gewonnene Astrozyten (hiPSC-A) und Neuronen (hiPSC-N) bieten ein leistungsfähiges Werkzeug für die Modellierung der Pathophysiologie der Amyotrophen Lateralsklerose (ALS) in vitro. Multi-Elektroden-Array-Aufzeichnungen (MEA) sind ein Mittel, um elektrische Feldpotentiale von großen Populationen von Neuronen aufzuzeichnen und die Netzwerkaktivität im Laufe der Zeit zu analysieren. Es wurde bereits gezeigt, dass das Vorhandensein von hiPSC-A, das unter Verwendung von Techniken zur Förderung eines Rückenmarks-Astrozyten-Phänotyps differenziert wird, die Reifung und elektrophysiologische Aktivität von regional spezifischen spinalspezifischen hiPSC-Motoneuronen (MN) des Rückenmarks im Vergleich zu denen verbessert, die ohne hiPSC-A oder in Gegenwart von Nagetier-Astrozyten kultiviert wurden. Hier wird ein Verfahren beschrieben, um das Rückenmark hiPSC-A mit hiPSC-MN zu kokulturieren und die elektrophysiologische Aktivität mittels MEA-Aufzeichnungen aufzuzeichnen. Während die hier beschriebenen Differenzierungsprotokolle spezifisch für Astrozyten und Neuronen sind, die regional spezifisch für das Rückenmark sind, kann die Co-Cultureing-Plattform auf Astrozyten und Neuronen angewendet werden, die mit Techniken differenziert werden, die für andere Schicksale spezifisch sind, einschließlich kortikaler hiPSC-A und hiPSC-N. Diese Protokolle zielen darauf ab, einen elektrophysiologischen Assay bereitzustellen, um über Glia-Neuronen-Interaktionen zu informieren und eine Plattform für die Erprobung von Medikamenten mit therapeutischem Potenzial bei ALS zu bieten.

Das Protokoll zur Musterung des Rückenmarks für die Erzeugung von hiPSC-MN und hiPSC-A des Rückenmarks ist in Abbildung 1 dargestellt. In diesem Protokoll werden hiPS-Zellen beibehalten und als nicht-konfluente Kolonien durchgelassen (Abbildung 2A). Die Neurogenese wird (neuronale Induktion) durch duale SMAD-Hemmung durch die Zugabe von LDN193189 und SB431542 initiiert, wodurch das knochenmorphogenetische Protein (BMP) bzw. der transformierende Wachstumsfakto...

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Establishment of an Electrophysiological Platform for Modeling ALS with Regionally-Specific Human Pluripotent Stem Cell-Derived Astrocytes and Neurons

Wir beschreiben eine Methode zur Differenzierung von vom Menschen induzierten pluripotenten Astrozyten und Neuronen des Rückenmarks und deren Kokultur für die elektrophysiologische Aufzeichnung.

Etablierung einer elektrophysiologischen Plattform zur Modellierung von ALS mit regionalspezifischen humanen pluripotenten Stammzell-abgeleiteten Astrozyten und Neuronen

Human pluripotent stem cell-derived astrocytes (hiPSC-A) and neurons (hiPSC-N) provide a powerful tool for modeling Amyotrophic Lateral Sclerosis (ALS) ...

Die Technik, die wir heute vorstellen, ermöglicht die Analyse der Aktivität von Rückenmarksneuronen als Ergebnis des intrinsischen neuronalen Faktors und des Einflusses der umgebenden Astrozyten. Diese Technik erzeugt zuverlässig sowohl menschliche Neuronen als auch menschliche Astrozyten, die rückenmarksspezifisch sind und ein funktionelles Leistungsmaß verwenden, das für die Reproduzierbarkeit skaliert werden kann. Die Technik, die wir vorstellen, ermöglicht es, Rückenmarksneuronen spezifische Krankheiten wie amyotrophe Lateralsklerose zu untersuchen, indem Neuronen von Patienten mit sporadischen oder genetischen Erkrankungen verwendet werden.Untersuchen Sie zunächst die menschlichen iPSC-Platten auf ausreichend dichte Kolonien, so dass das Zentrum der Kolonien verstreute weiße Flächen aufweist. Um dann mit dem Verpacken der Zellen zu beginnen, zeichnen Sie mit einem Marker Gitterlinien auf die untere Außenfläche der Platten, um eine genaue Abdeckung der gesamten Platte zu ermöglichen. Verwenden Sie ein Phasenkontrastmikroskop mit 10-facher Vergrößerung in einer Kulturhaube, um differenzierte Kolonien durch manuelles Abkratzen mit einer 200-Mikroliter-Pipettenspitze zu entfernen.Als nächstes spülen Sie die Platten zweimal mit PBS. Und dann fügen Sie fünf Milliliter Gewebedissoziationsprotease hinzu, die bei 37 Grad Celsius vorgewärmt sind. Inkubieren Sie die Zellen bei 37 Grad Celsius für vier bis sieben Minuten, bis sich die Ränder der Kolonien aufrunden, bevor Sie die Kolonien von der Platte heben.Die Dissoziationsprotease vorsichtig absaugen und die Platte zweimal vorsichtig mit PBS abspülen, ohne die Kolonien zu entfernen. Fünf Milliliter vorgewärmtes humanes iPSC-Medium in die Kulturplatte geben. Dann zerkratzen Sie die gesamte Platte mit einer Spitze einer Fünf-Milliliter-Pipette mit einer Hin- und Herbewegung von oben nach unten und heben Sie die Kolonien an, während Sie sie in kleinere Zellaggregate zerlegen.Zur Differenzierung von humanen iPS-Zellen in neuronale Vorläuferzellen. Sobald menschliches iPSC eine Monoschicht bildet und zu 90% konfluent wird, beginnen Sie mit der Differenzierung, wie im Manuskript beschrieben. Am 12. Tag, nach der Trypsinbehandlung, wenn die Zellen nicht in Suspension sind, löst man die Zellen mechanisch ab, indem man neuronales Induktionsmedium aus einer 1000-Mikroliter-Pipettenspitze mit einer kreisförmigen Bewegung auf die Zellen ausstößt, um die gesamte Oberfläche zu bedecken.Wenn die neuronalen Vorläuferzellkulturen eingefroren wurden, tauen Sie sie auf. Nach dem Austausch des Mediums und der PBS-Spülung, wie im Manuskript beschrieben, wird das Medium mit einem Differenzierungsmedium für Motoneuronen gewechselt, das 0,02 mikromolare Cytosinarabinosid enthält, und dann die Zellen 48 Stunden lang bei 37 Grad Celsius und 5% Kohlendioxid inkubiert, wenn gliale Vorläuferzellen als einzelne proliferierende flache Zellen unter postmitotischen Motoneuron-Vorläuferzellen auftauchen. aggregiert in Zellclustern. Später wurde ein Medienaustausch durchgeführt, wie im Manuskript angegeben.Beginnen Sie am Tag der Beschichtung oder davor mit der Beschichtung der 24-Well-MEA-Platten, indem Sie PLO zuerst in Wasser oder PBS verdünnen. Fügen Sie dann 15 bis 20 Mikroliter PLO zu jeder Vertiefung hinzu und bilden Sie einen Tropfen in der Mitte der Vertiefung, der den Elektrodenbereich abdeckt, um sicherzustellen, dass die Elektroden nicht mit der Pipettenspitze beschädigt werden. Geben Sie Wasser in die Kammern um die Brunnen herum und sorgen Sie für ausreichende Luftfeuchtigkeit.Und PLO bei 37 Grad Celsius für ein bis zwei Stunden inkubieren. Saugen Sie dann mit einer Mikropipettenspitze aus Kunststoff so viel PLO wie möglich ab, ohne die Elektroden zu berühren. Als nächstes waschen Sie den Brunnen dreimal mit 250 Mikroliter Wasser.Entfernen Sie mit einer Pipettenspitze so viel Wasser wie möglich und lassen Sie die Oberfläche mit entferntem Deckel trocknen. Als nächstes fügen Sie 15 bis 20 Mikroliter verdünntes Laminin hinzu, um jedes Elektrodenarray abzudecken. Nachdem Sie Wasser in die Feuchtigkeitsfächer gegeben und den Deckel ausgetauscht haben, inkubieren Sie bei 37 Grad Celsius für mindestens zwei Stunden bis über Nacht.Am Tag der Beschichtung, nachdem Sie die Motoneuronen und Astrozytenkulturen einmal mit PBS gespült haben, fügen Sie 0,05% Trypsin hinzu und inkubieren Sie bei 37 Grad Celsius für etwa fünf Minuten, um die Zellen zu heben. Sammeln Sie Zellen in einem konischen 15-Milliliter-Röhrchen, das Trypsin-Inhibitor enthält. Und waschen Sie Platten mit Medium oder Basis, um sicherzustellen, dass alle Zellen gesammelt werden.Pelletieren Sie die Zellen durch Zentrierung. Anschließend werden Motoneuronen und Astrozyten mit einer 1000-Mikroliter-Pipette mit einem Co-Kulturmedium, das 20 Mikromolare ROCK-Inhibitoren enthält, resuspendiert, um einen Milliliter einer Einzelzellsuspension zu erzeugen. Zählen Sie mit einem Hämozytometer die Motoneuronen und Astrozyten.Und während des Zählens, behielt man die Zellsuspensionen und legte sie in ein Styroporgestell bei vier Grad Celsius. Zentrifugieren Sie einen Milliliter beider Zellsuspensionen bei 300-fachem G für fünf Minuten. Berechnen Sie das gewünschte Volumen und resuspendieren Sie die Pellets.Kombinieren Sie das erforderliche Volumen an Neuronen- und Astrozytensuspensionen in gleichen Verhältnissen und mischen Sie vorsichtig durch zweimaliges Pipettieren, um gründlich zu kombinieren. Entfernen Sie dann Laminin aus jeder Vertiefung der Platte und übertragen Sie 10 Mikroliter der endgültigen kombinierten Zellsuspension in jede Vertiefung, wodurch ein kleiner Tropfen entsteht, der das Elektrodenarray bedeckt. Inkubieren Sie die Platten mit einem ungestörten Zelltröpfchen bei 37 Grad Celsius für 20 bis 30 Minuten, um erste Anhaftungen auf den Platten zu bilden.Dann pipettieren Sie 250 Mikroliter warmes Co-Culture-Medium, das ROCK-Inhibitor enthält, auf die Wand jedes Wells und pipettieren Sie das gleiche Volumen an die gegenüberliegende Wand jedes Wells und inkubieren Sie die Platte bei 37 Grad Celsius für 24 bis 36 Stunden. Untersuchen Sie am nächsten Tag die Platten auf Trümmer oder tote Zellen. Tauschen Sie das Medium bei Bedarf gegen ein frisches Co-Kulturmedium aus, das einen ROCK-Inhibitor enthält.Andernfalls führen Sie ab dem zweiten Tag der Kokultur zweimal pro Woche einen Austausch des halben Mediums mit einem Co-Kulturmedium ohne ROCK-Inhibitor durch. Um die Aufzeichnung durchzuführen, beginnen Sie so schnell wie möglich nach dem ersten Tag der Co-Kultur, indem Sie die Temperatur auf 37 Grad Celsius und Kohlendioxid auf 5% einstellen. Zeichnen Sie die Basisaktivität jeden zweiten Tag oder wöchentlich über ein bis 15 Minuten auf, abhängig vom Versuchsdesign.Um die vorübergehenden elektrophysiologischen Wirkungen von Verbindungen zu untersuchen, die entweder auf Neuronen oder Astrozyten abzielen, entfernen Sie den Plattendeckel, halten Sie den Maschinendeckel jedoch geschlossen und zeichnen Sie die Basisaktivität für mindestens eine Minute auf. Öffnen Sie den Maschinendeckel manuell, ohne die elektrophysiologische Aufzeichnung zu unterbrechen, und tauschen Sie 25 Mikroliter Medium mit dem entsprechenden Medikamentenvehikel aus. Schließen Sie dann den Deckel manuell und zeichnen Sie bei Bedarf für weitere Minuten auf.Testen Sie in ähnlicher Weise die Droge von Interesse. In diesem Protokoll wurden hiPS-Zellen beibehalten und als nicht-konfluente Kolonien durchquert. Die Neurogenese wurde durch duale SMAD-Hemmung durch Inaktivierung von BMP- und TGF-beta-Signalwegen initiiert.Die resultierenden neuroepithelialen Stammzellen teilten sich und erzeugten ein mehrschichtiges Epithel. Die frühe Exposition gegenüber neuronalen Wachstumsfaktoren und einem gliogenen ciliären neurotrophen Faktor erzeugte eine gemischte Population von Vorläuferzellen. Neuronen entstanden spontan aus dieser gemischten Population.Der gliogene Schalter induzierte die Astrozytendifferenzierung durch Aktivierung des JAK-STAT-Signalwegs. Die Rückenmarksidentität von mit Notch-Inhibitoren behandelten und differenzierten Motoneuronenzellen wurde durch hohe Cholin-Acetyltransferase-Expressionsniveaus unterstützt. Am 90. Tag nach der In-vitro-Kultur zeigten die menschlichen iPSC-Astrozyten einen reifenden Phänotyp, der durch S100-beta- und GFAP-Expression angezeigt wurde, während ihre regionale Rückenmarksidentität durch die Expression von Falken zuvor unterstützt wurde.Co-kultivierte Zellen ordneten sich spontan neu an, wobei Astrozyten eine Fütterungsschicht an der Unterseite und Neuronen bildeten, die Netzwerke an der Spitze miteinander verbanden. Neuronen aggregierten in großen Zellclustern, wenn sie allein kultiviert wurden, während die Co-Kultur von menschlichen iPSC-Motoneuronen mit menschlichen iPSC-Astrozyten zu gleichmäßig verteilten Monoschichten führte. Humane iPSC-Astrozyten verstärkten die elektrophysiologische Reifung menschlicher iPSC-Motoneuronen, was sich in höheren Spiking- und Bursting-Aktivitäten in den Kokulturen zeigte.Unserer Erfahrung nach sind die Stammzellkultur und die frühe NPC-Differenzierung am schwierigsten und anfälligsten für technische Fehler. In diesem Stadium dürfen die Techniken nicht mit Konsistenz und Genauigkeit mit wenig Spielraum für die Fehlersuche durchgeführt werden. Die hier beschriebenen Kokulturtechniken können auch in anderen zelltypspezifischen Modellen verwendet werden.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Efficient Derivation of Human Neuronal Progenitors and Neurons from Pluripotent Human Embryonic Stem Cells with Small Molecule Induction

Effiziente Ableitung von humanen neuronalen Vorläuferzellen und Neuronen aus pluripotenten humanen embryonalen Stammzellen mit Small Molecule Induction

There is a large unfulfilled need for a clinically-suitable human neuronal cell source for repair or regeneration of the damaged central nervous system ...

Forschung

Neurowissenschaften

The Specification of Telencephalic Glutamatergic Neurons from Human Pluripotent Stem Cells

Die Spezifikation der telencephalen glutamatergen Neuronen von menschlichen pluripotenten Stammzellen

Here, a stepwise procedure for efficiently generating telencephalic glutamatergic neurons from human pluripotent stem cells (PSCs) has been described. The ...

Directed Dopaminergic Neuron Differentiation from Human Pluripotent Stem Cells

Regie dopaminergen Neuron Differenzierung von humanen pluripotenten Stammzellen

Dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra pars compacta  (also known as A9 DA neurons) are the specific cell type that is lost in ...

Modelling Zika Virus Infection of the Developing Human Brain In Vitro Using Stem Cell Derived Cerebral Organoids

Modelling Zika Virus Infection of the Developing Human Brain In Vitro Using Stem Cell Derived Cerebral Organoids

Modellierung der Zika-Virus-Infektion des entwickelnden menschlichen Gehirns In Vitro mit Stammzellen abgeleitet zerebrale Organellen

The recent emergence of Zika virus (ZIKV) in susceptible populations has led to an abrupt increase in microcephaly and other neurodevelopmental conditions ...

Method for High Speed Stretch Injury of Human Induced Pluripotent Stem Cell-derived Neurons in a 96-well Format

Methode für High-Speed Strecke Verletzungen der menschlichen induzierten pluripotenten Stammzellen abgeleitet Neuronen in einem 96-Well-Format

Traumatic brain injury (TBI) is a major clinical challenge with high morbidity and mortality. Despite decades of pre-clinical research, no proven ...

Compartmentalization of Human Stem Cell-Derived Neurons within Pre-Assembled Plastic Microfluidic Chips

Unterteilung menschlicher Stammzellen-abgeleiteter Neuronen in vormontierte Mikrofluidchips aus Kunststoff

Use of microfluidic devices to compartmentalize cultured neurons has become a standard method in neuroscience. This protocol shows how to use a ...

Post-differentiation Replating of Human Pluripotent Stem Cell-derived Neurons for High-content Screening of Neuritogenesis and Synapse Maturation

Post-Differenzierung Replating von Human Pluripotent Stem Cell abgeleiteten Neuronen für High-Content Screening von Neuritogenese und Synapse Reifung

Neurons differentiated in two-dimensional culture from human pluripotent stem-cell-derived neural progenitor cells (NPCs) represent a powerful model ...

Conversion of Human Induced Pluripotent Stem Cells (iPSCs) into Functional Spinal and Cranial Motor Neurons Using PiggyBac Vectors

Conversion of Human Induced Pluripotent Stem Cells iPSCs into Functional Spinal and Cranial Motor Neurons Using PiggyBac Vectors

Umwandlung von vom Menschen induktiven Pluripotent-Stammzellen (iPSCs) in funktionale Wirbelsäulen-und Krankheitsanleitungsneuronen mit PiggyBac-Vektoren

We describe here a method to obtain functional spinal and cranial motor neurons from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). Direct conversion into ...

Migration, Chemo-Attraction, and Co-Culture Assays for Human Stem Cell-Derived Endothelial Cells and GABAergic Neurons

Migration, Chemo-Attraktion und Co-Culture-Assays für menschliche Stammzell-abgeleitete Endothelzellen und GABAerge Neuronen

Role of brain vasculature in nervous system development and etiology of brain disorders is increasingly gaining attention. Our recent studies have ...

Analyzing Mitochondrial Transport and Morphology in Human Induced Pluripotent Stem Cell-Derived Neurons in Hereditary Spastic Paraplegia

Analyse von mitochondrialem Transport und Morphologie bei humaninduzierten Pluripotenten Stammzell-abgeleiteten Neuronen bei erblicher spastischer Paraplegie

Neurons have intense demands for high energy in order to support their functions. Impaired mitochondrial transport along axons has been observed in human ...