Name: generation of human brain organoids for mitochondrial disease modeling
Uploaded: 2021-06-21T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Generation of Human Brain Organoids for Mitochondrial Disease Modeling at JoVE.com

Agradecemos a Miriam Bünning por su apoyo técnico. Agradecemos el apoyo de deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (PR1527/5-1 a A.P.), Spark y berlinesa Institute of Health (BIH) (BIH Validation Funds to A.P.), la United Mitochondrial Disease Foundation (UMDF) (Leigh Syndrome International Consortium Grant to A.P.), University Hospital Duesseldorf (Forschungskommission UKD to A.P.), y el Ministerio Federal Alemán de Educación e Investigación (BMBF) (e: Bio joven investigador concede AZ 031L0211 a A.P.). El trabajo en el laboratorio de C.R.R. fue apoyado por el DFG (FOR 2795 "Sinapsis bajo estrés", Ro 2327/13-1).

NOTA: El uso de iPSC humanas puede requerir una aprobación ética. Las iPSC utilizadas en este estudio se derivaron de individuos de control sanos después de la aprobación ética local (# 2019-681). Todos los procedimientos de cultivo celular deben realizarse bajo una campana de cultivo celular estéril, desinfectando cuidadosamente todos los reactivos y consumibles antes de transferirlos debajo del capó. Las iPSC humanas utilizadas para la diferenciación deben tener un número de paso inferior a 50 para evitar posi...

<ol>
	<li>Koopman, W. J., Willems, P. H., Smeitink, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Monogenic+mitochondrial+disorders.">Monogenic mitochondrial disorders.</a> New England Journal of Medicine. 366 (12), 1132-1141 (2012).</li><li>Gorman, G. S., 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=Mitochondrial+diseases.">Mitochondrial diseases.</a> Nature Review Disease Primers. 2, 16080 (2016).</li><li>Vafai, S. B., Mootha, V. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitochondrial+disorders+as+windows+into+an+ancient+organelle.">Mitochondrial disorders as windows into an ancient organelle.</a> Nature. 491 (7424), 374-383 (2012).</li><li>Carelli, V., Chan, D. C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitochondrial+DNA:+impacting+central+and+peripheral+nervous+systems.">Mitochondrial DNA: impacting central and peripheral nervous systems.</a> Neuron. 84 (6), 1126-1142 (2014).</li><li>Russell, O. M., Gorman, G. S., Lightowlers, R. N., Turnbull, D. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mitochondrial+diseases:+hope+for+the+future.">Mitochondrial diseases: hope for the future.</a> Cell. 181 (1), 168-188 (2020).</li><li>Weissig, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Drug+development+for+the+therapy+of+mitochondrial+diseases.">Drug development for the therapy of mitochondrial diseases.</a> Trends in Molecular Medicine. 26 (1), 40-57 (2020).</li><li>Tyynismaa, H., Suomalainen, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mouse+models+of+mitochondrial+DNA+defects+and+their+relevance+for+human+disease.">Mouse models of mitochondrial DNA defects and their relevance for human disease.</a> EMBO Reports. 10 (2), 137-143 (2009).</li><li>Ma, H., 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=Metabolic+rescue+in+pluripotent+cells+from+patients+with+mtDNA+disease.">Metabolic rescue in pluripotent cells from patients with mtDNA disease.</a> Nature. 524 (7564), 234-238 (2015).</li><li>Galera-Monge, T., 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=Mitochondrial+dysfunction+and+calcium+dysregulation+in+Leigh+syndrome+induced+pluripotent+stem+cell+derived+neurons.">Mitochondrial dysfunction and calcium dysregulation in Leigh syndrome induced pluripotent stem cell derived neurons.</a> International Journal of Molecular Science. 21 (9), 3191 (2020).</li><li>Zheng, X., 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=Alleviation+of+neuronal+energy+deficiency+by+mTOR+inhibition+as+a+treatment+for+mitochondria-related+neurodegeneration.">Alleviation of neuronal energy deficiency by mTOR inhibition as a treatment for mitochondria-related neurodegeneration.</a> Elife. 5, 13378 (2016).</li><li>Lorenz, 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=Human+iPSC-derived+neural+progenitors+are+an+effective+drug+discovery+model+for+neurological+mtDNA+disorders.">Human iPSC-derived neural progenitors are an effective drug discovery model for neurological mtDNA disorders.</a> Cell Stem Cell. 20 (5), 659-674 (2017).</li><li>Inak, G., 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=Concise+review:+induced+pluripotent+stem+cell-based+drug+discovery+for+mitochondrial+disease.">Concise review: induced pluripotent stem cell-based drug discovery for mitochondrial disease.</a> Stem Cells. 35 (7), 1655-1662 (2017).</li><li>Chiaradia, I., Lancaster, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Brain+organoids+for+the+study+of+human+neurobiology+at+the+interface+of+in+vitro+and+in+vivo.">Brain organoids for the study of human neurobiology at the interface of in vitro and in vivo.</a> Nature Neuroscience. 23 (12), 1496-1508 (2020).</li><li>Lancaster, M. A., Knoblich, J. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Generation+of+cerebral+organoids+from+human+pluripotent+stem+cells.">Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells.</a> Nature Protocol. 9 (10), 2329-2340 (2014).</li><li>Liput, 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=Tools+and+approaches+for+analyzing+the+role+of+mitochondria+in+health,+development+and+disease+using+human+cerebral+organoids.">Tools and approaches for analyzing the role of mitochondria in health, development and disease using human cerebral organoids.</a> Developmental Neurobiology. , (2021).</li><li>Winanto, K. Z. J., Soh, B. S., Fan, Y., Ng, S. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Organoid+cultures+of+MELAS+neural+cells+reveal+hyperactive+Notch+signaling+that+impacts+neurodevelopment.">Organoid cultures of MELAS neural cells reveal hyperactive Notch signaling that impacts neurodevelopment.</a> Cell Death and Disease. 11 (3), 182 (2020).</li><li>Romero-Morales, A. I., 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+iPSC-derived+cerebral+organoids+model+features+of+Leigh+Syndrome+and+reveal+abnormal+corticogenesis.">Human iPSC-derived cerebral organoids model features of Leigh Syndrome and reveal abnormal corticogenesis.</a> bioRxiv. , (2020).</li><li>Inak, G., 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=Defective+metabolic+programming+impairs+early+neuronal+morphogenesis+in+neural+cultures+and+an+organoid+model+of+Leigh+syndrome.">Defective metabolic programming impairs early neuronal morphogenesis in neural cultures and an organoid model of Leigh syndrome.</a> Nature Communications. 12 (1), 1929 (2021).</li><li>Falk, M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neurodevelopmental+manifestations+of+mitochondrial+disease.">Neurodevelopmental manifestations of mitochondrial disease.</a> Journal of Developmental &amp; Behavioral Pediatrics. 31 (7), 610-621 (2010).</li><li>Velasco, S., 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=Individual+brain+organoids+reproducibly+form+cell+diversity+of+the+human+cerebral+cortex.">Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex.</a> Nature. 570 (7762), 523-527 (2019).</li><li>Pfiffer, V., Prigione, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+the+bioenergetic+profile+of+human+pluripotent+stem+cells.">Assessing the bioenergetic profile of human pluripotent stem cells.</a> Methods in Molecular Biology. 1264, 279-288 (2015).</li><li>Ludikhuize, M. C., Meerlo, M., Burgering, B. M. T., Colman, R. M. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Protocol+to+profile+the+bioenergetics+of+organoids+using+Seahorse.">Protocol to profile the bioenergetics of organoids using Seahorse.</a> STAR Protocols. 2 (1), 100386 (2021).</li><li>Menacho, C., Prigione, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Tackling+mitochondrial+diversity+in+brain+function:+from+animal+models+to+human+brain+organoids.">Tackling mitochondrial diversity in brain function: from animal models to human brain organoids.</a> International Journal of Biochemestry &amp; Cell Biology. 123, 105760 (2020).</li><li>Del Dosso, A., Urenda, J. P., Nguyen, T., Quadrato, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Upgrading+the+physiological+relevance+of+human+brain+organoids.">Upgrading the physiological relevance of human brain organoids.</a> Neuron. 107 (6), 1014-1028 (2020).</li></ol>

Este artículo describe la generación reproducible de organoides cerebrales derivados de iPSC humanos y su uso para el modelado de enfermedades mitocondriales. El protocolo aquí descrito se modifica en base a un trabajo publicado previamente20. Una ventaja importante del protocolo actual es que no requiere la incrustación manual de cada organoide en una matriz de andamios. De hecho, la solución matricial simplemente se disuelve en el medio de cultivo celular. Además, no hay necesidad de emple...

Las enfermedades mitocondriales representan la mayor clase de errores congénitos del metabolismo1. Son causadas por mutaciones genéticas que interrumpen diferentes procesos mitocondriales, incluyendo la fosforilación oxidativa (OXPHOS)2, el ensamblaje de la cadena respiratoria, la dinámica mitocondrial y la transcripción o replicación del ADN mitocondrial3. Los tejidos con requerimientos energéticos se ven particularmente afectados por la disfunción mitocondrial4. En consecuencia, los pacientes con enfermedades mitocondriales suelen desarrollar manifestaciones neurológicas de inicio temprano.
Actualmente no existen tratamientos disponibles para los niños afectados con enfermedades mitocondriales5. Un obstáculo importante para el desarrollo farmacológico de enfermedades mitocondriales es la falta de modelos efectivos que recapitulen el curso de la enfermedad humana6. Varios de los modelos animales actualmente estudiados no presentan los defectos neurológicos presentes en los pacientes7. Por lo tanto, los mecanismos subyacentes a la patología neuronal de las enfermedades mitocondriales aún no se comprenden completamente.
Estudios recientes generaron iPSCs de pacientes afectados por enfermedades mitocondriales y utilizaron estas células para obtener células neuronales específicas del paciente. Por ejemplo, se ha encontrado que los defectos genéticos asociados a la enfermedad mitocondrial, el síndrome de Leigh, causan aberraciones en la bioenergética celular8,9, la síntesis de proteínas10 y la homeostasis del calcio9,11. Estos informes proporcionaron importantes pistas mecanicistas sobre el deterioro neuronal que ocurre en las enfermedades mitocondriales, allanando el camino para el descubrimiento de fármacos para estas enfermedades incurables12.
Las culturas bidimensionales (2D), sin embargo, no permiten la investigación de la complejidad arquitectónica y la organización regional de los órganos 3D13. Con este fin, el uso de organoides cerebrales 3D derivados de iPSCs específicas del paciente14 puede permitir a los investigadores obtener información adicional importante y, por lo tanto, ayudar a diseccionar cómo las enfermedades mitocondriales afectan el desarrollo y la función del sistema nervioso15. Los estudios que emplean organoides cerebrales derivados de iPSC para investigar enfermedades mitocondriales están comenzando a descubrir los componentes del neurodesarrollo de las enfermedades mitocondriales. 
Los organoides de la médula espinal portadores de mutaciones asociadas con la enfermedad mitocondrial, la encefalopatía mitocondrial, la acidosis láctica y el síndrome de episodios similares a accidentes cerebrovasculares (MELAS), mostraron neurogénesis defectuosa y diferenciación retardada de la neurona motora16. Los organoides corticales derivados de pacientes con enfermedad mitocondrial, síndrome de Leigh, mostraron reducción de tamaño, defectos en la generación de brotes epiteliales neurales y pérdida de la arquitectura cortical17. Los organoides cerebrales de pacientes con síndrome de Leigh demostraron que los defectos de la enfermedad se inician a nivel de las células progenitoras neurales, que no pueden comprometerse con el metabolismo mitocondrial, causando ramificación neuronal aberrante y morfogénesis18. Por lo tanto, los progenitores neurales pueden representar un objetivo terapéutico celular para las enfermedades mitocondriales, y las estrategias que promueven su función mitocondrial pueden apoyar el desarrollo funcional del sistema nervioso.
El uso de organoides cerebrales podría ayudar a descubrir los componentes del neurodesarrollo de las enfermedades mitocondriales. Las enfermedades mitocondriales se consideran principalmente como neurodegeneración de inicio temprano5. Sin embargo, los defectos del neurodesarrollo también están presentes en pacientes afectados por enfermedades mitocondriales, incluyendo retraso en el desarrollo y deterioro cognitivo19. Los organoides cerebrales específicos del paciente pueden ayudar a abordar estos aspectos y dilucidar cómo las enfermedades mitocondriales pueden afectar el desarrollo del cerebro humano. La disfunción mitocondrial también podría desempeñar un papel patogénico en otras enfermedades neurológicas más comunes, como la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson y la enfermedad de Huntington4. Por lo tanto, dilucidar el impacto de los defectos mitocondriales en el neurodesarrollo utilizando organoides cerebrales también podría ser fundamental para el estudio de esas enfermedades. Este artículo describe un protocolo detallado para generar organoides cerebrales reproducibles que se pueden utilizar para realizar modelos de enfermedades mitocondriales.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>2-mercaptoethanol</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>31350-010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Affinity Designer</td>
			<td>Serif (Europe) Ltd</td>
			<td></td>
			<td>Layout software; Vector graphics editor</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 488 donkey anti-guinea pig</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>SAB4600033-250UL</td>
			<td>1:300</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Fluor 488 donkey anti-mouse</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>A-31571</td>
			<td>1:300</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antimycin A</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>1397-94-0</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-&#946;-Tubulin III (TUJ-1)</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>T8578</td>
			<td>1:2000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Argon Laser</td>
			<td>Melles Griot</td>
			<td></td>
			<td>Any other Laser, e.g., diode lasers emitting 488 is fine, too</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ascorbic acid</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>A92902</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>B-27 with Vitamin A</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>17504044</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bacto Agar</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td></td>
			<td>3% in PBS, store solution at -20 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>BDNF</td>
			<td>Miltenyi Biotec</td>
			<td>130-093-0811</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>cAMP</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>D0627</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cell Star cell culture 6 well plate</td>
			<td>Greiner-Bio-One</td>
			<td>657160</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chemically Defined Lipid Concentrate</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11905031</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Confocal laser scanning microscope C1</td>
			<td>Nikon Microscope Solutions</td>
			<td></td>
			<td>Modular confocal microscope system</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement membrane matrix, Phenol Red-free, LDEV-free</td>
			<td>Corning</td>
			<td>356231</td>
			<td>Matrix component</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CyQUANT Cell Proliferation Assay Kit</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>C7026</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMEM/F12</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>31330038</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DMSO</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>D2660-100ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Donkey anti-goat Cy3</td>
			<td>Merck Millipore</td>
			<td>AP180C</td>
			<td>1:300</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Donkey anti-mouse Cy3</td>
			<td>Merck Millipore</td>
			<td>AP192C</td>
			<td>1:300</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Donkey anti-rabbit Cy3</td>
			<td>Merck Millipore</td>
			<td>AP182C</td>
			<td>1:300</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DPBS</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>14190250</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>DS-Q1Mc camera</td>
			<td>Nikon Microscope Solutions</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eclipse 90i upright widefield microscope</td>
			<td>Nikon Microscope Solutions</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eclipse E 600FN upright microscope</td>
			<td>Nikon Microscope Solutions</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Eclipse Ts2 Inverted Microscope</td>
			<td>Nikon Microsope Solutions</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EZ-C1 Silver Version 3.91</td>
			<td>Nikon Microscope Solutions</td>
			<td></td>
			<td>Imaging software for confocal microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>FCCP</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>370-86-5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fetal Bovine Serum</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>10270-106</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>GDNF</td>
			<td>Miltenyi Biotec</td>
			<td>130-096-291</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glasgow MEM</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11710-035</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glass Pasteur pipette</td>
			<td>Brand</td>
			<td>747715</td>
			<td>Inverted</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glutamax</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>35050-061</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Helium-Neon Laser</td>
			<td>Melles Griot</td>
			<td></td>
			<td>Every other Laser, e.g., diode lasers emitting 594 is fine, too</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Heparin</td>
			<td>Merck</td>
			<td>H3149-25KU</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>HERACell 240i CO2 Incubator</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>51026331</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hoechst 33342</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>H3570</td>
			<td>1:2500</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image J 1.53c</td>
			<td>Wayne Rasband National Institute of Health</td>
			<td></td>
			<td>Image processing Software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Injekt Solo 10 mL/ Luer</td>
			<td>Braun</td>
			<td>4606108V</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Knockout Serum Replacement</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>10828010</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser (407 nm)</td>
			<td>Coherent</td>
			<td></td>
			<td>Any other Laser, e.g., diode lasers emitting 407 is fine, too</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Map2</td>
			<td>Synaptic Systems</td>
			<td>No. 188004</td>
			<td>1:1000</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Maxisafe 2030i</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MEM NEAA</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11140-050</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>mTeSR Plus</td>
			<td>Stemcell Technology</td>
			<td>85850</td>
			<td>iPSC medium</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Multifuge X3R Centrifuge</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td>10325804</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>MycoAlert Mycoplasma Detection Kit</td>
			<td>Lonza</td>
			<td># LT07-218</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N2 Supplement</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>17502-048</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Needle for single usage (23G x 1&#8221; TW)</td>
			<td>Neoject</td>
			<td>10016</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>NIS-Elements Aadvanced Research 3.2</td>
			<td>Nikon</td>
			<td></td>
			<td>Imaging software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oligomycin A</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>75351</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Orbital Shaker Heidolph Unimax 1010</td>
			<td>Heidolph</td>
			<td>543-12310-00</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PAP Pen</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>Z377821-1EA</td>
			<td>To draw hydrophobic barrier on slides.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Papain Dissociation System kit</td>
			<td>Worthington</td>
			<td>LK003150</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Paraformaldehyde</td>
			<td>Merck</td>
			<td>818715</td>
			<td>4% in PBS, store solution at -20 &#176;C</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pasteur pipette 7mL</td>
			<td>VWR</td>
			<td>612-1681</td>
			<td>Graduated up to 3 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Penicillin-Streptomycin</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>15140-122</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plan Apo VC 20x / 0.75 air DIC N2&#160; &#8734;/0.17 WD 1.0</td>
			<td>Nikon Microscope Solutions</td>
			<td></td>
			<td>Dry Microscope Objective</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plan Apo VC 60x / 1.40 oil DIC N2 &#8734;/0.17 WD 0.13</td>
			<td>Nikon Microscope Solutions</td>
			<td></td>
			<td>Oil Immersion Microscope Objective</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene Petri dish (100 mm)</td>
			<td>Greiner Bio-One</td>
			<td>664161</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polystyrene round-bottom tube with cell-strainer cap (5 mL)</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>352235</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Potassium chloride</td>
			<td>Roth</td>
			<td>6781.1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ProLong Glass Antifade Moutant</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>P36980</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Qualitative filter paper</td>
			<td>VWR</td>
			<td>516-0813</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rock Inhibitior</td>
			<td>Merck</td>
			<td>SCM075</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Rotenone</td>
			<td>Sigma</td>
			<td>83-794</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>S100&#946;</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>Ab11178</td>
			<td>1:600</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SB-431542</td>
			<td>Cayman Chemical Company</td>
			<td>13031</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scalpel blades</td>
			<td>Heinz Herenz Hamburq</td>
			<td>1110918</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SMI312</td>
			<td>Biolegend</td>
			<td>837904</td>
			<td>1:500</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium bicarbonate</td>
			<td>Merck/Sigma</td>
			<td>31437-1kg-M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium chloride</td>
			<td>Roth</td>
			<td>3957</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium dihydrogen phosphate</td>
			<td>Applichem</td>
			<td>131965</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium Pyruvate</td>
			<td>Gibco</td>
			<td>11360070</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SOX2</td>
			<td>Santa Cruz Biotechnology</td>
			<td>Sc-17320</td>
			<td>1:100</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent</td>
			<td>Gibco/StemPro</td>
			<td>A1110501</td>
			<td>Reagent A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Super Glue Gel</td>
			<td>UHU</td>
			<td>63261</td>
			<td>adhesive gel</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SuperFrost Plus</td>
			<td>VWR</td>
			<td>631-0108</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe for single usage (1 mL)</td>
			<td>BD Plastipak</td>
			<td>300015</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TB2 Thermoblock</td>
			<td>Biometra</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TC Plate 24 Well</td>
			<td>Sarstedt</td>
			<td>83.3922</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TC Plate 6 Well</td>
			<td>Sarstedt</td>
			<td>83.392</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TGFbeta3</td>
			<td>Miltenyi Biotec</td>
			<td>130-094-007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tissue Culture Hood</td>
			<td>ThermoFisher</td>
			<td>51032711</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TOM20</td>
			<td>Santa Cruz Biotechnology</td>
			<td>SC-11415</td>
			<td>1:200</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Triton-X</td>
			<td>Merck</td>
			<td>X100-5ML</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>UltraPure 0.5M EDTA</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>15575020</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibratome Microm HM 650 V</td>
			<td>Thermo Scientific</td>
			<td></td>
			<td>Production terminated, any other adjustable microtome is fine, too.</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vibratome Wilkinson Classic Razor Blade</td>
			<td>Wilkinson Sword</td>
			<td>70517470</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Whatman Benchkote</td>
			<td>Merck/Sigma</td>
			<td>28418852</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wnt Antagonist I</td>
			<td>EMD Millipore Corp</td>
			<td>3378738</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XF 96 extracellular flux analyser</td>
			<td>Seahorse Bioscience</td>
			<td>100737-101</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XF Assay DMEM Medium</td>
			<td>Seahorse Bioscience</td>
			<td>103680-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XF Calibrant Solution</td>
			<td>Seahorse Bioscience</td>
			<td>100840-000</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>XFe96 FluxPak (96-well microplate)</td>
			<td>Seahorse Bioscience</td>
			<td>102416-100</td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

generation of human brain organoids for mitochondrial disease modeling

Las enfermedades mitocondriales representan la clase más grande de errores congénitos del metabolismo y actualmente son incurables. Estas enfermedades causan defectos del neurodesarrollo cuyos mecanismos subyacentes aún no se han dilucidado. Un obstáculo importante es la falta de modelos efectivos que recapitulen el deterioro neuronal de inicio temprano observado en los pacientes. Los avances en la tecnología de células madre pluripotentes inducidas (iPSC) permiten la generación de organoides cerebrales tridimensionales (3D) que se pueden utilizar para investigar el impacto de las enfermedades en el desarrollo y la organización del sistema nervioso. Los investigadores, incluidos estos autores, han introducido recientemente organoides cerebrales humanos para modelar trastornos mitocondriales. Este artículo informa un protocolo detallado para la generación robusta de organoides cerebrales derivados de iPSC humanos y su uso en perfiles bioenergéticos mitocondriales y análisis de imágenes. Estos experimentos permitirán el uso de organoides cerebrales para investigar disfunciones metabólicas y de desarrollo y pueden proporcionar información crucial para diseccionar la patología neuronal de las enfermedades mitocondriales.

El protocolo descrito aquí facilita la generación robusta de organoides redondos (Figura 1A). Los organoides generados contienen neuronas maduras que se pueden visualizar utilizando marcadores de proteínas específicos para axones (SMI312) y dendritas (proteína 2 asociada a microtúbulos (MAP2)) (Figura 1B).. Los organoides maduros contienen no solo células neuronales (MAP2-positivas) sino también células...

Watch this Scientific Journal Video about Generation of Human Brain Organoids for Mitochondrial Disease Modeling at JoVE.com

Generation of Human Brain Organoids for Mitochondrial Disease Modeling

Describimos un protocolo detallado para la generación de organoides cerebrales derivados de células madre pluripotentes inducidas por humanos y su uso en el modelado de enfermedades mitocondriales.

Generación de organoides cerebrales humanos para el modelado de enfermedades mitocondriales

Mitochondrial diseases represent the largest class of inborn errors of metabolism and are currently incurable. These diseases cause neurodevelopmental ...

Este protocolo tiene como objetivo utilizar organoides cerebrales para estudiar enfermedades mitocondriales. Fue desarrollado para generar organoides cerebrales reproducibles en la evaluación de sus propiedades mitocondriales. Este método no requiere biorreactores costosos y procedimientos de incrustación que consumen mucho tiempo.Por lo tanto, es fácil de implementar y escalar. Este protocolo permite generar organoides cerebrales reproducibles y probar sus propiedades mitocondriales. Esto puede conducir a la identificación de objetivos de intervención para enfermedades mitocondriales intratables.Para comenzar, cultive iPSC humanas en condiciones libres de alimentación en medio iPSC en placas recubiertas de seis pocillos y manténgalas en una incubadora de cultivo de tejidos humidificados a 37 grados Celsius y 5% de dióxido de carbono. Pase las iPSC al 80% de confluencia utilizando un medio de desprendimiento libre de enzimas en proporciones que van de uno por cuatro a uno por 12. Para aumentar la supervivencia celular, agregue 10 micromolares de proteína quinasa asociada a rho o inhibidor de ROCK después de cada división.Disociar el 80% de iPSCs en el día cero. Preparar el medio de diferenciación cortical uno o CDM1 y precalentarlo a temperatura ambiente antes de añadirlo a las células. Lave los pozos que contienen las iPSC con PBS para eliminar las células muertas y los escombros.Agregue 500 microlitros de reactivo A precalentado a cada pozo e incube durante cinco minutos a 37 grados centígrados. Verifique bajo el microscopio para asegurar el desprendimiento celular. Añadir un mililitro de medio iPSC para diluir el reactivo A y neutralizar su actividad.Use una pipeta de 1.000 microlitros para disociar las células mediante tuberías hacia arriba y hacia abajo y transfiera la suspensión celular a un tubo centrífugo de 15 mililitros. Centrifugue suavemente las iPSC a 125 veces G durante cinco minutos a temperatura ambiente, luego aspire cuidadosamente el sobrenadante para evitar perturbar la bolita celular. Resuspend el pellet con un mililitro de CDM1 para obtener una suspensión de una sola célula y contar el número de células.Preparar el medio de siembra con 9.000 iPSCs por cada 100 microlitros en CDM1 suplementado con 20 inhibidores micromolares de ROCK, tres inhibidores micromolares de catenina WNT o IWR-1, y cinco micromolares SB-431542. Agregue 100 microlitros de medio de siembra por pozo a una placa inferior en V de 96 pocillos. Mantenga la placa en una incubadora de cultivo de tejidos humidificados a 37 grados centígrados y 5% de dióxido de carbono.Para generar neuroesferas, desde el primer día, observe que se están formando agregados celulares redondos con bordes lisos definidos. Observe las celdas muertas alrededor de los agregados. Continúe cultivando en la incubadora a 37 grados centígrados y 5% de dióxido de carbono.En el tercer día, agite la placa golpeando los lados tres veces para separar las células muertas, luego agregue 100 microlitros de CDM1 complementados con 20 inhibidores micromolares de ROCK, tres micromolares IWR-1 y cinco micromolares SB-431542 a cada pozo. Mantenga la placa en la incubadora a 37 grados centígrados y 5% de dióxido de carbono. En el sexto día, retire cuidadosamente 80 microlitros del medio sobrenadante de cada pozo.Evite tocar el fondo del pozo. Agregue 100 microlitros de CDM1 suplementados con tres micromolares IWR-1 y cinco micromolares SB-431542 a cada pozo e incube la placa. Repita el paso anterior después de cada tres días hasta el día 18.El día 18, para transferir neuroesferas, prepare CDM2 y agregue 10 mililitros a una placa de cultivo celular de unión ultra baja de 100 milímetros. Use una pipeta de 200 microlitros con la punta cortada para transferir las neuroesferas redondas de la placa de 96 pocillos a la placa de cultivo celular de fijación ultra baja de 100 milímetros. Retire cinco mililitros de medio de la placa que contiene las neuroesferas y agregue cinco mililitros de CDM2 fresco.Coloque la placa en un agitador orbital a 70 rotaciones por minuto dentro de una incubadora de cultivo de tejido humidificado a 37 grados Celsius y 5% de dióxido de carbono. Cada tres días, aspire cuidadosamente el medio sobrenadante y reemplácelo con CDM2 fresco. Deje una pequeña cantidad del medio para evitar que las neuroesferas se sequen.El día 35, prepare CDM3. Aspirar el medio de la placa y añadir 10 mililitros de CDM3 frío. Después de cambiar el medio, coloque la placa de nuevo en un agitador orbital a 70 rotaciones por minuto dentro de una incubadora de cultivo de tejido humidificado a 37 grados Celsius y 5% de dióxido de carbono.Cambie el medio cada tres a cinco días dependiendo de la tasa de crecimiento según lo indique el color del medio. El día 70, prepare CDM4. Utilice el medio CDM4 hasta que se alcance la edad deseada de los organoides.Durante este período, mantenga la placa en un agitador orbital a 70 rotaciones por minuto dentro de una incubadora de cultivo de tejido humidificado a 37 grados Celsius y 5% de dióxido de carbono. Cambie el medio cada tres a cinco días dependiendo de la tasa de crecimiento. Prepare la solución 4% PFA y colóquela debajo de una campana de seguridad.Recoja los organoides cerebrales y transfiéralos suavemente con una pipeta Pasteur de plástico de tres mililitros con punta roma a una placa de seis pocillos llena de PFA. Mantenga los organoides en la solución de PFA durante una hora a temperatura ambiente. Retire cuidadosamente el PFA con una pipeta Pasteur de plástico de tres mililitros y lave los organoides fijos tres veces con PBS.Guarde los organoides fijos a cuatro grados Celsius en PBS hasta su uso posterior. Los organoides generados utilizando este protocolo contienen neuronas maduras que se pueden visualizar utilizando marcadores de proteínas específicos para axones y dendritas. Los organoides maduros contienen no solo células neuronales, sino también células gliales.Utilizando el análisis de organoides cerebrales en rodajas, es posible monitorear los axones positivos SMI 312 y las dendritas positivas MAP2 o las células gliales beta S100. Además, las imágenes confocales ayudan a investigar la distribución detallada y la organización de los progenitores neuronales positivos SOX2 con respecto a las neuronas positivas de tubulina beta-3. Los organoides cerebrales se tiñeron para marcadores específicos de mitocondrias, como la translocasa de la membrana externa o TOM20.El perfil bioenergético de los organoides cerebrales se realizó midiendo tanto el metabolismo mitocondrial utilizando la tasa de consumo de oxígeno, u OCR, como el metabolismo glicolítico utilizando la tasa de acidificación extracelular, o ECAR. La oligomicina causa una caída en el perfil de OCR y, por lo tanto, identifica el OCR necesario para la producción de ATP. Tras el tratamiento con oligomicina, también puede haber un aumento compensatorio en ECAR que sugiere que las células pueden regular al alza la glucólisis para prevenir el estrés metabólico.Al transferir las neuroesferas de la placa de 96 pocillos a una placa de cultivo o durante el procedimiento de fijación, es crucial manejar los organoides suavemente para evitar dañarlos. Después de la generación de organoides cerebrales, la matriz de electrodos múltiples o las imágenes de calcio serían métodos ideales para probar la funcionalidad de los organoides.

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Preparation of Oligomeric &beta;-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Preparation of Oligomeric ÃƒÅ½Ã‚Â²-amyloid1-42 and Induction of Synaptic Plasticity Impairment on Hippocampal Slices

Preparación de oligómeros β-amiloide 1-42 Y la inducción del deterioro de plasticidad sináptica en rodajas de hipocampo

Impairment of synaptic connections is likely to underlie the subtle amnesic changes occurring at the early stages of Alzheimer s Disease (AD). ...

Investigación

Neurociencias

Mitochondrial Ca2+ Retention Capacity Assay and Ca2+-triggered Mitochondrial Swelling Assay

Mitochondrial Ca2+ Retention Capacity Assay and Ca2+-triggered Mitochondrial Swelling Assay

Mitocondrial de Ca2 + retención capacidad análisis y Ca2 +-activa hinchazón mitocondrial ensayo

The production of ATP by oxidative phosphorylation is the primary function of mitochondria. Mitochondria in higher eukaryotes also participate 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

Modelado de la infección del Virus Zika del desarrollo cerebro humano In Vitro usando células madre derivado Cerebral organitas

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

Simple Generation of a High Yield Culture of Induced Neurons from Human Adult Skin Fibroblasts

Sencilla generación de una cultura de alto rendimiento de las neuronas inducidas de fibroblastos de piel humana adulta

Induced neurons (iNs), the product of somatic cells directly converted to neurons, are a way to obtain patient-derived neurons from tissue that is easily ...

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

In Vivo Single-Molecule Tracking at the Drosophila Presynaptic Motor Nerve Terminal

En Vivo Una sola molécula de seguimiento en la Terminal presináptica del nervio Motor del Drosophila

An increasing number of super-resolution microscopy techniques are helping to uncover the mechanisms that govern the nanoscale cellular world. ...

Production, Purification, and Quality Control for Adeno-associated Virus-based Vectors

Producción, purificación y Control de calidad de vectores de base de Virus Adeno-asociado

Gene delivery tools based on adeno-associated viruses (AAVs) are a popular choice for the delivery of transgenes to the central nervous system (CNS), ...

Three-Dimensional Shape Modeling and Analysis of Brain Structures

Modelado de formas tridimensionales y análisis de estructuras cerebrales

Statistical shape analysis of brain structures has been used to investigate the association between their structural changes and pathological processes. ...

Generation of Human Neurons and Oligodendrocytes from Pluripotent Stem Cells for Modeling Neuron-Oligodendrocyte Interactions

Generación de neuronas humanas y oligodendrocitos a partir de células madre pluripotentes para modelar las interacciones neuronal-oligodendrocitos

In Alzheimer&#8217;s disease (AD) and other neurodegenerative disorders, oligodendroglial failure is a common early pathological feature, but how it ...

Generation of Human Motor Units with Functional Neuromuscular Junctions in Microfluidic Devices

Generación de Unidades Motoras Humanas con Uniones Neuromusculares Funcionales en Dispositivos Microfluídicos

Neuromuscular junctions (NMJs) are specialized synapses between the axon of the lower motor neuron and the muscle facilitating the engagement of muscle ...

Flow Cytometric Analysis of Multiple Mitochondrial Parameters in Human Induced Pluripotent Stem Cells and Their Neural and Glial Derivatives

Análisis citométrico de flujo de múltiples parámetros mitocondriales en células madre pluripotentes inducidas por humanos y sus derivados neuronales y gliales

Mitochondria are important in the pathophysiology of many neurodegenerative diseases. Changes in mitochondrial volume, mitochondrial membrane potential ...