ヒト多能性幹細胞からドーパミン作動性ニューロンの分化を監督
Summary
We, based on knowledge from developmental biology and published research, developed an optimized protocol to efficiently generate A9 midbrain dopaminergic neurons from both human embryonic stem cells and human induced pluripotent stem cells, which would be useful for disease modeling and cell replacement therapy for Parkinson’s disease.
Abstract
Dopaminergic (DA) neurons in the substantia nigra pars compacta (also known as A9 DA neurons) are the specific cell type that is lost in Parkinson’s disease (PD). There is great interest in deriving A9 DA neurons from human pluripotent stem cells (hPSCs) for regenerative cell replacement therapy for PD. During neural development, A9 DA neurons originate from the floor plate (FP) precursors located at the ventral midline of the central nervous system. Here, we optimized the culture conditions for the stepwise differentiation of hPSCs to A9 DA neurons, which mimics embryonic DA neuron development. In our protocol, we first describe the efficient generation of FP precursor cells from hPSCs using a small molecule method, and then convert the FP cells to A9 DA neurons, which could be maintained in vitro for several months. This efficient, repeatable and controllable protocol works well in human embryonic stem cells (hESCs) and human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) from normal persons and PD patients, in which one could derive A9 DA neurons to perform in vitro disease modeling and drug screening and in vivo cell transplantation therapy for PD.
Introduction
ドーパミン作動性（DA）ニューロンは、中脳、視床下部、網膜、および嗅球を含むいくつかの脳領域、で見つけることができます。前脳における線条体に投影し、錐体外路運動系を形成することにより、黒質緻密部（SNpc）制御挙動および運動A9 DAニューロン。 A9 DAニューロンの変性は、第二の最も一般的なヒト神経変性疾患、現在不治であるパーキンソン病（PD）、につながる。細胞置換療法、PD 1の治療のための最も有望な戦略の一つであり、したがって、ヒト胚性幹細胞（hESC）との両方を含む、ヒト多能性幹細胞（hPSCs）からA9 DAニューロンを導出することに大きな関心があった最近のヒト人工多能性幹細胞（hiPSCs）。
多くの研究は、さまざまな方法を使用してhPSCsからA9 DAニューロンを導出しようとしている。すべての神経を介してDAニューロンを生成した最も初期の報告ロゼット前駆段階。外部成長の2-4週間、L.ステューダー要因や同僚に成功神経ロゼットを生成するためにヒトES細胞を誘導した3つの他のグループの有無にかかわらずMS5 2またはPA6 3-5間質細胞との共培養することにより。そして、彼らは機械的切開またはさらなる分化のために酵素消化することにより、これらのロゼットを豊かに。他のレポートでは、研究者は、培養、分化6-9フローティング （EB）胚様体を介して神経ロゼットを生成しました。その後、研究者は、彼らは細胞外マトリックス上でのhESCとhiPSCsメッキ単層ベースの微分法10,11を設置し、in vivoでの胚のDAニューロンの発生を模倣DAニューロンへhPSCsの分化を誘導する培養中の異なる成長因子を追加しました。すべてのこれらの研究は、DAニューロンのいくつかの特徴を有する発現細胞チロシンヒドロキシラーゼ（TH）が得られたが、全体の分化プロセスは、時間と労力がかかり、一般的には非効率的な、そしてより重要なことは、これらのニューロンのエンジンA9アイデンティティはLmx1aの異所性発現12と1を除いてほとんどの研究で実証されていませんでした。近年、新たなフロアプレート（FP）は、プロトコルベースのその後DAニューロン電位を有するFP前駆体が第一の分化の初期段階の間にソニックヘッジホッグおよびカノニカルWntシグナル伝達経路の活性化によって生成された、13-16を開発したこれらのFP細胞をさらにDAニューロンに指定されました。このプロトコルは、より効率的であるが、いくつかの問題が依然として存在する。例えば、全分化プロセスが（少なくとも35日）時間がかかり、15依存性フィーダー細胞であるか、またはEB を16依存性またはA9同一性は14を示していなかったである。
ここでは、in vivoでの胚のDAニューロンの発生やその他の研究者の発表された結果からの知識に基づいて、私たちはEFFのための培養条件を最適化したヒトES細胞とhiPSCs両方からDAニューロンのicient世代。まず、小分子CHIR99021および低分子SAGとプルモルファミンとシグナリングソニックヘッジホッグとカノニカルWntシグナルの活性化により、FP前駆細胞を生成した。これらのFP細胞はFOXA2、Lmx1aの、コリン、OTX2およびネスチンを発現する。次に、 などが BDNF、GDNF、を含む成長因子とDAニューロンにこれらのFPセルを指定しました。カルビンジン17に対して負間、彼らがGIRK2に対して陽性であるように生成されたDAニューロンは、A9細胞型である。このプロトコルは、独立した高効率で再現性のフィーダー細胞またはEBです。このプロトコルを使用すると、人は、またはインビトロ PDのモデル化またはPDのための潜在的治療薬をテストするためのPD患者のhiPSCsからヒトES細胞や細胞移植研究のための正常人のhiPSCsから約4週間でDAニューロンを導出することができる。
Protocol
Representative Results
Discussion
（ヒトES細胞とhiPSCsの両方を含む）ヒト多能性幹細胞は、大部分を生成するためにインビトロで分化することができないすべての場合、以前の研究19で実証されているDAニューロンを含む私たちの身体の細胞型。ここでは、胚性ドーパミン作動性ニューロンの発生20からの知識や他の研究室14,15から公開されたプロトコルに基づいて、私たちはヒトES細胞とhiPSCsか…
Divulgaciones
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
The authors thank members of the Renee Reijo Pera laboratory for help during development of this protocol and during preparation of this manuscript. This work is supported by California Institute for Regenerative Medicine (CIRM) shared laboratory (CL-00518).
Materials
| Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| DMEM | Life Technologies | 10569-010 | |
| FBS | Life Technologies | 26140 | |
| penicillin/ampicillin | Life Technologies | 15140-122 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 10565-018 | |
| KSR | Life Technologies | 10828-028 | |
| Non-essential amino acid | Life Technologies | 11140-050 | |
| b-mercaptoethanol | Millipore | ES-007-E | |
| bFGF | R&D Systems | 233-FB-025 | |
| mTesR1 | STEMCELL Technologies | 5850 | |
| Collagenase IV | Life Technologies | 17104-019 | |
| Gelatin | Sigma-Aldrich | G9391 | |
| N2 supplement | Life Technologies | 17502-048 | |
| B27 supplement | Life Technologies | 17504-044 | |
| Neurobasal | Life Technologies | 21103-049 | |
| Glutamax | Life Technologies | 35050-061 | |
| PBS | Life Technologies | 10010-023 | |
| Growth factor reduced matrigel | BD Biosciences | 354230 | |
| Accutase | MP Biomedicals | 1000449 | |
| Thiazovivin | Santa Cruz Biotechnology | sc-361380 | |
| SB431542 | Tocris Bioscience | 1614 | |
| LDN-193189 | Stemgent | 04-0074 | |
| SAG | EMD Millipore | 566660-1MG | |
| Purmorphamine | Santa Cruz Biotechnology | sc-202785 | |
| FGF8b | R&D Systems | 423-F8-025 | |
| CHIR99021 | Cellagen Technology | C2447-2s | |
| BDNF | R&D Systems | 248-BD-025 | |
| GDNF | R&D Systems | 212-GD-010 | |
| TGF-beta3 | R&D Systems | 243-B3-002 | |
| Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A4034 | |
| cAMP | Sigma-Aldrich | D0627 | |
| Mouse anti human NESTIN antibody | Santa Cruz Biotechnology | sc-23927 | 1/1000 dilution |
| Rabbit anti human OTX2 antibody | Millipore | AB9566 | 1/2000 dilutiion |
| Goat anti human FOXA2 antibody | R&D Systems | AF2400 | 1/200 dilution |
| rabbit anti human LMX1a antibody | Millipore | AB10533 | 1/1000 dilution |
| Rabbit anti human TH antibody | Pel Freez | P40101 | 1/500 dilution |
| Chicken anti human TH antibody | Millipore | AB9702 | 1/500 dilution |
| Mouse anti human TUJ1 antibody | Covance | MMS-435P | 1/2000 dilution |
| Rabbit anti human GIRK2 antibody | Abcam | ab30738 | 1/300 dilution |
| Rabbit anti human Calbindin antibody | Abcam | ab25085 | 1/400 dilution |
| Centrifuge | Eppendorf | 5804 |
Referencias
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