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

כתב יד זה נתמך על-ידי הגורמים הבאים: MSCRFF 5119 (AT) 2019. K08NS102526 NIH/NINDS (CWH), 2020 פרס פיתוח הקריירה של Doris Duke Charitable Foundation Clinical Scientist Career Development Award (CWH). 1R01NS117604-01NIH/NINDS (NJM), DOD ALSRP W81XWH2010161 (NJM), 2019 MSCRFD 5122 (NJM). אנו מודים לד"ר ראהא דסטגייב ולד"ר נורמן הוהי על אספקת פלטפורמת MEA ותוכנת ניתוח הנתונים בה השתמשנו כדי לאמת את הפלטפורמה האלקטרופיזיולוגית המתוארת. ברצוננו להודות לחליל רוסט על עזרתם בהדגמת פרוטוקול ובצילומים.

1. הכנת מדיה לתרבית תאים
<ol><li>הכן את המדיה הבודדת של תרבית תאים באמצעות ההרכבים המוזכרים בטבלה 1.</li>
	<li>יש לערבב ולסנן סטרילית את המדיה בבקבוקים מסוננים במינון 500 מ"ל, ולאחסן מוגן מפני אור בטמפרטורה של 4°C למשך עד שבועיים.</li>
</ol>2. שמירה והעברה של תאי גזע פלוריפוטנטיים המוש...

<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>

עד כה, שיטות מבוססות hiPSC ו-MEA לרישומים אלקטרופיזיולוגיים של תרביות משותפות של אסטרוציטים-נוירונים מצאו יישום מוגבל בתחום ALS6 ועדיין לא בפלטפורמות אנושיות לחלוטין, בניגוד לשימוש הנפוץ יותר שלהן למידול חוץ גופי של אפילפסיה9. עם זאת, לפלטפורמה זו יש פוטנציאל לענ?...

אסטרוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים (hiPSC-A) ונוירונים (hiPSC-N) הם כלים רבי עוצמה למידול פתופיזיולוגיה של טרשת אמיוטרופית צידית (ALS) במבחנה ומספקים פרדיגמה תרגומית לאסטרטגיות גילוי תרופות1. חוקרים הוכיחו כי התרבית המשותפת של hiPSC-A עם hiPSC-N משפרת את ההבשלה המורפולוגית, המולקולרית, האלקטרופיזיולוגית והפרמקולוגית של שני סוגי התאים, ויוצרת רשתות עצביות מורכבות ואינטראקציות אסטרוציטים-נוירונים הדומות לעמיתיהם in vivo 2,3. ניסויים דומים בתרבית משותפת יכולים לשחזר סימני היכר של פתולוגיה של ALS כגון רעילות עצבית בתיווך אסטרוציטים 4,5 ורגישות יתר עצבית6. בנוסף, עם התקדמות בפרוטוקולי התמיינות, ניתן להתמיין לתאי גזע פלוריפוטנטיים המושרים על ידי בני אדם (hiPSC) לתת-סוגים עצביים ספציפיים לאזור, כולל hiPSC-A בקליפת המוח ובחוט השדרה ו-hiPSC-N 7,8. אסטרטגיות אלה מספקות את הפוטנציאל למידול פתולוגיה של נוירונים מוטוריים בקליפת המוח ובעמוד השדרה ב- ALS, כמו גם את ההשפעה האסטרוציטית על שניהם. עם זאת, זה דורש כי יש בדיקה פונקציונלית לשחזור כדי לקבוע השפעות אלה.
לאחרונה הוכח כי רישום מערך רב-אלקטרודות (MEA) מתאים במיוחד לאפיון אלקטרופיזיולוגי של תרביות משותפות נוירון-אסטרוציטים2. בניגוד לניתוחים אלקטרופיזיולוגיים חד-תאיים, מערכי אלקטרודות בצפיפות גבוהה אלה רושמים באופן פסיבי פוטנציאלים של שדות חוץ-תאיים מאוכלוסיות גדולות של תאי עצב מבלי להפריע לתנאי התרבית ולשמור על שלמות קרום התא. פלטפורמות אלה שימושיות במיוחד לתיעוד הפעילות הסלולרית והרשתית של תרביות לאורך זמן ובתגובה למניפולציה פרמקולוגית. לבסוף, כאשר נוכחות אסטרוציטים היא משתנה תרבית, רישומי MEA יכולים לספק תובנות תפקודיות לגבי אינטראקציות דו-כיווניות בין אסטרוציטיםלנוירונים 2,9.
מוצג כאן פרוטוקול אופטימלי להבחנה של hiPSC לחוט השדרה hiPSC-A ונוירונים מוטוריים hiPSC (MN) שאומת בעבר2. פרוטוקול התמיינות hiPSC-A של חוט השדרה מביא באופן עקבי לתרביות אסטרוציטים, שהן חיוביות עבור חלבון קושר סידן S100 B (S100β), חלבון חומצי גליה פיברילרי (GFAP) והומיאובוקס B4 (HOXB4) בעד 80%, 50% ו-90% מהתאים, בהתאמה, מה שמצביע על מפרט גליה וחוט שדרה מבשיל 2,10 . פרוטוקול התמיינות hiPSC-MN מייצר נוירונים חיוביים >90% עבור אצטילטרנספראז כולין (ChAT), המרמז על זהות נוירון אלפא-מוטורי בוגר2. בנוסף, הפרוטוקול מתאר טכניקות ליצירת תרביות משותפות של hiPSC-A/MN שהוכחו בעבר כגורמות לנוירונים בעלי מורכבות מורפולוגית משופרת על ידי ניתוח שול ומיקרוסקופ אימונופלואורסצנטי בהשוואה לתרביות עצביות ללא אסטרוציטים או עם אסטרוציטים מכרסמים2. בעוד תיאורים אלה ספציפיים לחוט השדרה hiPSC-A ו- hiPSC-N, יתרון ייחודי הוא שניתן לתרגם את התרבית העצמאית הראשונית של אסטרוציטים ונוירונים ואחריה צעדים לתרבות משותפת בנקודות זמן מאוחרות יותר כדי לחקור את ההשפעות של אינטראקציות נוירון-אסטרוציטים מאזורים ספציפיים אחרים, כמו גם תאים ספציפיים למחלה 7,8 . לבסוף, הפרוטוקול מתאר כיצד לגדל תרביות אלה על לוחות MEA כך שניתן יהיה לחקור את הפעילות הפונקציונלית כגורם של הרכב תרבית משותפת לאורך זמן עם היכולת להשפיע על הרכב התא כמו גם על תנאי התרבית.
מטרת פרוטוקולים אלה היא לספק בדיקה פונקציונלית לחקר אינטראקציות אסטרוציטים-נוירונים, לבחון שינויים ספציפיים למחלה ולבחון תרופות בעלות פוטנציאל טיפולי בתחום ה-ALS. הוראות וידאו מסופקות עבור השלבים המאתגרים ביותר של פרוטוקול זה.

<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

אסטרוציטים שמקורם בתאי גזע פלוריפוטנטיים אנושיים (hiPSC-A) ונוירונים (hiPSC-N) מספקים כלי רב עוצמה למידול פתופיזיולוגיה של טרשת אמיוטרופית צידית (ALS) במבחנה. רישומי מערך מרובה אלקטרודות (MEA) הם אמצעי להקליט פוטנציאלים של שדות חשמליים מאוכלוסיות גדולות של תאי עצב ולנתח את פעילות הרשת לאורך זמן. בעבר הוכח כי נוכחותם של hiPSC-A המובחנים באמצעות טכניקות לקידום פנוטיפ אסטרוציטים של חוט השדרה שיפרה את ההבשלה ואת הפעילות האלקטרופיזיולוגית של נוירונים מוטוריים hiPSC-motor (MN) ספציפיים לחוט השדרה בהשוואה לאלה שגודלו בתרבית ללא hiPSC-A או בנוכחות אסטרוציטים מכרסמים. מתוארת כאן שיטה לתרבית משותפת של חוט השדרה hiPSC-A עם hiPSC-MN ולהקליט פעילות אלקטרופיזיולוגית באמצעות רישומי MEA. בעוד שפרוטוקולי ההתמיינות המתוארים כאן הם ייחודיים לאסטרוציטים ונוירונים ספציפיים לאזור חוט השדרה, פלטפורמת הרבייה המשותפת יכולה להיות מיושמת על אסטרוציטים ונוירונים המובחנים בטכניקות ספציפיות לגורלות אחרים, כולל hiPSC-A קליפת המוח ו- hiPSC-N. פרוטוקולים אלה נועדו לספק בדיקה אלקטרופיזיולוגית כדי ליידע על אינטראקציות גליה-נוירון ולספק פלטפורמה לבדיקת תרופות עם פוטנציאל טיפולי ב- ALS.

פרוטוקול דפוס חוט השדרה ליצירת hiPSC-MN וחוט השדרה hiPSC-A מתואר באיור 1. בפרוטוקול הזה, hiPSCs מתוחזקים ומועברים כמושבות לא מתמזגות (איור 2A). נוירוגנזה מתחילה (אינדוקציה עצבית) באמצעות עיכוב SMAD כפול על ידי תוספת של LDN193189 ו- SB431542, השבתת החלבון המורפוגנטי של העצם (BMP) ומסל...

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

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

אנו מתארים שיטה להבדיל בין אסטרוציטים ונוירונים שמקורם בחוט השדרה לבין אסטרוציטים ותאי עצב שמקורם בחוט השדרה, ואת התרבות המשותפת שלהם לצורך רישום אלקטרופיזיולוגי.

הקמת פלטפורמה אלקטרופיזיולוגית למידול ALS עם אסטרוציטים ונוירונים פלוריפוטנטיים פלוריפוטנטיים אנושיים ספציפיים לאזור

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

הטכניקה שאנו מציגים כיום מאפשרת ניתוח של פעילות נוירוני חוט השדרה כתוצאה מגורם עצבי פנימי והשפעת אסטרוציטים מסביב. טכניקה זו מייצרת באופן אמין הן נוירונים אנושיים והן אסטרוציטים אנושיים ספציפיים לחוט השדרה ומשתמשת במדד פלט פונקציונלי שניתן לשנות את קנה המידה שלו לצורך שחזור. הטכניקה שאנו מציגים מאפשרת לחקור נוירונים בעמוד השדרה מחלות ספציפיות כגון טרשת אמיוטרופית צידית, באמצעות נוירונים מחולים עם מחלה ספורדית או גנטית.ראשית, בחנו את לוחות iPSC האנושיים עבור מושבות צפופות מספיק, כך שבמרכז המושבות יוצגו אזורים לבנים מפוזרים. לאחר מכן כדי להתחיל לארוז את התאים, ציירו קווי רשת על המשטח החיצוני התחתון של הלוחות עם סמן כדי להקל על כיסוי מדויק של הצלחת כולה. השתמש במיקרוסקופ ניגודיות פאזה של הגדלה פי 10 בתרבית כדי לנתק מושבות מובחנות על ידי גירוד ידני עם קצה פיפטה של 200 מיקרוליטר.לאחר מכן, שטפו את הצלחות פעמיים עם PBS. ואז להוסיף חמישה מיליליטר של פרוטאז דיסוציאציה רקמות מחומם מראש ב 37 מעלות צלזיוס. דוגרים על התאים בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס במשך ארבע עד שבע דקות עד ששולי המושבות מתחילים להתעגל כלפי מעלה, לפני הרמת מושבות מהצלחת.שאפו בזהירות את פרוטאז הדיסוציאציה ושטפו בעדינות את הצלחת פעמיים עם PBS מבלי לעקור את המושבות. הוסיפו חמישה מיליליטר של מדיום iPSC אנושי שחומם מראש לצלחת התרבית. לאחר מכן מגרדים את הצלחת כולה עם קצה של פיפטה של חמישה מיליליטר באמצעות תנועה קדימה ואחורה מלמעלה למטה ומרימים את המושבות תוך פירוקן לצברי תאים קטנים יותר.להתמיינות של iPSC אנושי לתאי אב עצביים. ברגע שתאי גזע פלוריפוטנטיים מובנים אנושיים יוצרים שכבה אחידה והופכים ל-90% מתמזגים, התחילו בהבחנה כמתואר בכתב היד. ביום ה -12, לאחר הטיפול בטריפסין, אם התאים אינם בהשעיה, ניתקו תאים באופן מכני על ידי פליטת מדיום אינדוקציה עצבי מקצה פיפטה של 1000 מיקרוליטר אל התאים בתנועה מעגלית כדי לכסות את כל פני השטח.אם תרביות תאי האב העצביים הוקפאו, הפשירו אותן. לאחר החלפת מדיום ושטיפת PBS כמתואר בכתב היד, יש לשנות את התווך עם מדיום התמיינות נוירון מוטורי המכיל 0.02 מיקרומולרי ציטוזין ארבינוזיד ואז לדגור על התאים במשך 48 שעות ב 37 מעלות צלזיוס ו -5% פחמן דו חמצני כאשר אבות גליה מחויבים מופיעים כתאים שטוחים בודדים המתרבים תחת אבות נוירון מוטורי פוסט מיטוטי, מצטבר באשכולות תאים. מאוחר יותר, ביצע חילופי בינוניים כפי שמצוין בכתב היד.ביום הציפוי או לפניו, התחל לצפות את 24 לוחות MEA באר על ידי דילול ראשון אש"ף במים או PBS. לאחר מכן להוסיף 15 עד 20 מיקרוליטר של אש"ף לכל באר וליצור טיפה על מרכז הבאר, מכסה את אזור האלקטרודה להבטיח לא לפגוע אלקטרודות עם קצה פיפטה. הוסיפו מים לתאים המקיפים בארות, ובטיחו לחות מספקת.ולדגור על אש"ף בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס למשך שעה עד שעתיים. לאחר מכן באמצעות קצה מיקרו פיפטה פלסטיק, לשאוף אש"ף ככל האפשר מבלי לגעת באלקטרודות. לאחר מכן, לשטוף את הבאר עם 250 מיקרוליטר מים שלוש פעמים.בעזרת קצה פיפטה, מוציאים כמה שיותר מים ונותנים למשטח להתייבש כשהמכסה מוסר. לאחר מכן, להוסיף 15 עד 20 מיקרוליטר של למינין מדולל כדי לכסות כל מערך אלקטרודות. לאחר הוספת מים לתאי הלחות והחלפת המכסה, יש לדגור בחום של 37 מעלות צלזיוס למשך שעתיים לפחות עד הלילה.ביום הציפוי, לאחר שטיפת הנוירונים המוטוריים ותרביות האסטרוציטים פעם אחת עם PBS, מוסיפים 0.05% טריפסין ודגרים בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס למשך כחמש דקות כדי להרים תאים. לאסוף תאים לתוך צינור חרוטי 15 מיליליטר המכיל מעכב טריפסין. ולשטוף צלחות עם בינוני או בסיס כדי להבטיח כי כל התאים נאספים.פלטו את התאים על ידי צנטריפיקציה. ולאחר מכן באמצעות פיפטה של 1000 מיקרוליטר, להשהות מחדש נוירונים מוטוריים ואסטרוציטים עם מדיום תרבית משותפת המכיל 20 מיקרומולר של מעכב ROCK כדי ליצור מיליליטר אחד של תרחיף תא בודד. באמצעות המוציטומטר, לספור את נוירונים מוטוריים אסטרוציטים.ובזמן הספירה, שמרו על מתלי התאים והניחו אותם במתלה קלקר בארבע מעלות צלזיוס. צנטריפוגה מיליליטר אחד של שני מתלי התא ב 300 פעמים G במשך חמש דקות. חשב את עוצמת הקול הרצויה והשהה מחדש את הכדורים.ערבבו את הנפח הנדרש של מתלי נוירונים ואסטרוציטים ביחסים שווים, וערבבו בעדינות על ידי פיפטינג פעמיים כדי לשלב היטב. לאחר מכן להסיר laminin מכל באר של הצלחת ולהעביר 10 מיקרוליטר של השעיית התא המשולב הסופי לכל באר, יצירת טיפה קטנה המכסה את מערך האלקטרודות. דגרו על הצלחות עם טיפת תא ללא הפרעה בטמפרטורה של 37 מעלות צלזיוס למשך 20 עד 30 דקות כדי ליצור חיבורים ראשוניים על הצלחות.לאחר מכן פיפטה 250 מיקרוליטר של מדיה חמה לתרבית משותפת המכילה מעכב ROCK למטה על הקיר של כל באר ופיפטה באותו נפח על הקיר הנגדי של כל באר ולדגור על הצלחת ב 37 מעלות צלזיוס במשך 24 עד 36 שעות. למחרת, בדקו את הלוחות לאיתור פסולת או תאים מתים. ואם נדרש, החליפו את המדיום במדיום תרבית משותפת רענן המכיל מעכב רוק.אחרת, בצעו החלפות חצי בינוניות פעמיים בשבוע באמצעות מדיום תרבות משותפת ללא מעכב ROCK החל מהיום השני של התרבות המשותפת. כדי לבצע הקלטה, התחל בהקדם האפשרי לאחר היום הראשון של התרבית המשותפת על ידי הגדרת הטמפרטורה ל -37 מעלות צלזיוס ופחמן דו חמצני על 5%, לאחר מכן העבר את הצלחות למכונת ההקלטה ושיווי משקל לפחות חמש דקות לפני ההקלטה. הקלט פעילות בסיסית כל יומיים או שבועיים במשך דקה עד 15 דקות, בהתאם לתכנון הניסוי.כדי לחקור את ההשפעות האלקטרופיזיולוגיות החולפות של תרכובות המכוונות לנוירונים או לאסטרוציטים, הסירו את מכסה הצלחת אך השאירו את מכסה המכונה סגור ותיעדו את הפעילות הבסיסית למשך דקה אחת לפחות. פתח ידנית את מכסה המכונה מבלי לעצור את ההקלטה האלקטרופיזיולוגית והחלף 25 מיקרוליטר של מדיום עם רכב התרופה המתאים. לאחר מכן סגור את המכסה באופן ידני והקלט למשך דקות נוספות במידת הצורך.באופן דומה, לבדוק את התרופה של עניין. בפרוטוקול זה, hiPSCs נשמרו ועברו כמושבות לא מתמזגות. נוירוגנזה החלה באמצעות עיכוב SMAD כפול על ידי השבתת מסלולי BMP ו- TGF-beta.תאי הגזע הנוירו-אפיתליאליים שנוצרו התחלקו ויצרו אפיתל רב-שכבתי. החשיפה המוקדמת לגורמי גדילה עצביים ולגורם נוירוטרופי ריסני גליוגני יצרה אוכלוסייה מעורבת של תאי אב. תאי עצב הופיעו באופן ספונטני מאוכלוסייה מעורבת זו.המתג הגליוגני גרם להתמיינות אסטרוציטים באמצעות הפעלת מסלול JAK-STAT. זהות חוט השדרה של תאי נוירון מוטוריים שטופלו והתמינו במעכבי חריץ נתמכה על ידי רמות ביטוי גבוהות של כולין אצטילטרנספראז. ביום ה-90 לאחר תרבית המבחנה, אסטרוציטים iPSC אנושיים הציגו פנוטיפ מתבגר כפי שצוין על ידי ביטוי S100 beta ו-GFAP בעוד הזהות האזורית של חוט השדרה שלהם נתמכה על ידי ביטוי של נצים בעבר.תאים בתרבית משותפת מסודרים מחדש באופן ספונטני עם אסטרוציטים היוצרים שכבת הזנה בתחתית ותאי עצב המחברים רשתות בחלק העליון. תאי עצב הצטברו בצברי תאים גדולים כאשר גודלו בתרבית בלבד, בעוד שהתרבית המשותפת של נוירונים מוטוריים מסוג iPSC אנושי עם אסטרוציטים של iPSC אנושיים הביאה לתפוצה אחידה של חד-שכבות. אסטרוציטים iPSC אנושיים שיפרו את ההבשלה האלקטרופיזיולוגית של תאי עצב מוטוריים iPSC אנושיים, כפי שמוצג על ידי דרגות גבוהות יותר של פעילות דוקרנים והתפוצצות בתרביות המשותפות.מניסיוננו, תרבית תאי גזע והתמיינות NPC מוקדמת הן הקשות והרגישות ביותר לטעויות טכניות. בשלב זה, אין לבצע את הטכניקות בעקביות ובדיוק עם מרווח קטן לפתרון בעיות. טכניקות התרבית המשותפת המתוארות כאן יכולות לשמש גם במודלים ספציפיים אחרים לסוג התא.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

גזירת יעיל של אבות עצב נוירונים האדם מן האדם תאים pluripotent גזע עובריים עם אינדוקציה מולקולה קטנה

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

The Specification of Telencephalic Glutamatergic Neurons from Human Pluripotent Stem Cells

המפרט של נוירונים glutamatergic Telencephalic מתאי גזע pluripotent אדם

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

בימוי דופאמין Neuron בידול מתאי גזע pluripotent האדם

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

דגמי Zika בנגיף של ה בפיתוח המוח האנושי במבחנה באמצעות תאי גזע נגזר Organoids מוחי

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

שיטת עבור מהירות גבוהה מתיחה פציעתו של האדם המושרה נוירונים נגזר תאי גזע Pluripotent בתבנית 96-ובכן

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

מידור של תאי גזע האדם הנגזרים בתוך שבבי מיקרופלואידיג פלסטיק מורכבים מראש

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

לאחר בידול מחדש של תא גזע האדם Pluriפוטנטי-הנוירונים הנגזרים עבור הקרנת תוכן גבוה של Neuritogenesis והתבגרות סינפסה

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

המרה של האדם המושרה Pluripotent תאי גזע (iPSCs) לתוך השדרה פונקציונלי והגולגולת נוירונים מוטוריים באמצעות שימוש בווקטורים הגולגולתית

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

הגירה, כימותרפיה-אטרקציה, ושיתוף התרבות Assays בשביל הגזע האנושי תאים הנגזרת האנדותל והנוירונים

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

ניתוח הובלה מיטוכונדריאלי ומורפולוגיה בתאי גזע בעלי השפעה של האדם המושרה בנוירונים

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