Desenvolvimento de corpos de embrióide livres de soro derivado de HiPSC para a interrogação de culturas de células estaminais 3-D usando ensaios relevantes para o fisiologismo
Summary
Aqui, relatamos um protocolo para desenvolver um sistema tridimensional (3-D) a partir de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (hiPSCs) chamado corpo embrionóide sem soro (SFEB). Este modelo 3-D pode ser usado como uma cultura de fatia organotípica para modelar o desenvolvimento cortical humano e para a interrogação fisiológica do desenvolvimento de circuitos neurais.
Abstract
Embora uma série de modelos de doenças in vitro tenham sido desenvolvidos usando o HiPSCs, uma limitação é que esses sistemas bidimensionais (2-D) podem não representar a complexidade subjacente citocárdica e funcional dos indivíduos afetados portadores de variantes de doença suspeitas. Os modelos 2-D convencionais permanecem representações incompletas de estruturas semelhantes a in vivo e não capturam adequadamente a complexidade do cérebro. Assim, há uma necessidade emergente de mais modelos baseados em HiPSC 3-D, que podem melhor recapitular as interações e funções celulares observadas em um sistema in vivo .
Aqui, relatamos um protocolo para desenvolver um sistema 3-D a partir de hiPSCs indiferenciados com base no corpo embrionóide sem soro (SFEB). Este modelo 3-D espelha aspectos de um neocórtex ventralizado em desenvolvimento e permite estudos sobre funções integrantes de células neurais vivas e tecido intacto, como migração, conectividade, comunicação e tapeteUração. Especificamente, demonstramos que os SFEBs que usam nosso protocolo podem ser interrogados usando ensaios baseados em células fisiologicamente relevantes e de alto conteúdo, tais como imagens de cálcio e gravações de matrizes múltiplas (MEA) sem criosecção. No caso das gravações MEA, demonstramos que os SFEBs aumentam tanto a atividade do ponto como a atividade de explosão no nível da rede durante o cultivo a longo prazo. Este protocolo SFEB fornece um sistema robusto e escalável para o estudo do desenvolvimento da formação da rede em um modelo 3-D que captura aspectos do desenvolvimento cortical inicial.
Introduction
Já relatamos um sistema modelo 3-D, gerado a partir de células-tronco pluripotentes induzidas por humanos (hiPSCs), que recapitulam alguns aspectos do desenvolvimento inicial da rede cortical 1 . Este modelo 3-D, um corpo embrionário isento de soro (SFEB), melhora os modelos 2 , 3 de agregação simples anteriores de agregação. Um corpo crescente de trabalho revela que estruturas tridimensionais, como nossas SFEBs, aspectos aproximados do desenvolvimento neural comumente observados in vivo e em um ponto de tempo anterior ao observado nos modelos hipsc 2-dimensional (2-D) / monocamada 4 , 5 . Os estudos iniciais têm sido focados na complexidade auto-organizada dos corpos 3-D sem demonstrar sua complexidade fisiológica 2 .
O protocolo descrito aqui foi usado em hiPSCs indiferenciados derivados de fibroblastos e Células mononucleares de sangue periférico (PBMCs). Essas células são mantidas em alimentadores embrionários de ratos irradiados com γ (MEFs). Estas colônias HiPSC são limpas manualmente de células diferenciadas espontaneamente, colhidas enzimaticamente e ressuspensas em meio contendo inibidor de Rho-quinases Y-27632 (ROCKi). HiPSCs indiferenciados são submetidos à dissociação e centrifugação antes de serem transferidos para placas de 96 poços de baixa aderência em V. Após o chapeamento, a indução neural é iniciada usando a inibição dupla de SMAD (SB431542 e LDN193189, juntamente com dickkopf 1 (DKK-1)) para direcionar uma linhagem do farol neurônio anterior-frontal do prosencéfalo 6 . Após 14 dias, os SFEBs são transferidos para inserções de cultura de células em uma placa de 6 poços. Uma vez transferidos, os SFEB redondos começam a se espalhar e fino, mantendo conexões de rede locais, como é freqüentemente observado em preparações de cultura de fatia organotípicas do hipocampo usando inserções similares de cultura celular 1 ,Ss = "xref"> 7.
O uso de uma plataforma 3-D baseada em SFEB neste formato é passível de produção eficiente de redes corticais que podem ser interrogadas usando ensaios fisiológicos baseados em células, tais como imagens de cálcio ou ensaios eletrofisiológicos, como gravações de células únicas ou matrizes de vários eletrodos (MEA ) 1 . Embora os sistemas 3-D tenham marcadores do desenvolvimento cortical precoce, outros estudos mostraram que esses corpos 3-D podem exigir tempos de incubação mais longos para permitir o ritmo inerentemente mais lento do desenvolvimento de tecido humano 8 . Este protocolo SFEB gera com sucesso 3-D SFEBs de hiPSCs indiferenciados que captura aspectos do desenvolvimento inicial do córtex.
O potencial de SFEBs para modelar aberrações de rede em distúrbios neurológicos é uma força desse sistema. Os hiPSCs derivados do tecido do paciente podem ser cultivados em células do sistema nervoso que estão sujeitas a bundaSão relacionados à biologia celular, bem como a expressão de genes concomitantes. IPSCs humanos estão a ser usada para determinar o perfil genético de grandes grupos de indivíduos com diferentes distúrbios neurológicos com etiologias complexas, tais como a desordem do espectro do autismo (ASD), esquizofrenia 9, síndrome de Rett 10, e doença de Alzheimer 11, 12. Até recentemente, os modelos iPSC eram tipicamente preparações monocamadas que, embora proficientes na avaliação de interações moleculares, eram inadequadas na decifração das interações celulares complexas vistas in vivo . Os modelos de animais têm sido o substituto padrão para recriar a plataforma do órgão inteiro. Esses modelos animais estão atormentados pela má tradução de achados e têm capacidade limitada para replicar perfis genéticos humanos identificados por grandes estudos de triagem genética. Assim, o desenvolvimento de sistemas 3-D de iPSCs adiciona uma camada necessária de complexidade em humanosModelagem da doença 13 , 14 . O próximo passo para as plataformas 3D HiPSC é acomodar os requisitos de grande escala de rastreio de alto rendimento usando ensaios baseados em células 15 .
Protocol
Representative Results
Discussion
O protocolo descrito aqui fornece as condições para diferenciar uma fonte hiPSC em uma estrutura 3-D que recapitula um estágio inicial de desenvolvimento do córtex frontal. Este procedimento produz estruturas que podem ser interrogadas para eletrofisiologia, ao mesmo tempo que são passíveis de microscopia. A morfologia final do SFEB se assemelha à das culturas de fatia de cérebro organotípica e permite uma imagem confocal detalhada de alta qualidade. Este protocolo pode gerar com sucesso SFEBs de ambos os hiPSC…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Elizabeth Benevides pela revisão do artigo. Agradecemos aos Drs. John Hussman e Gene Blatt para suas discussões e comentários úteis.
Materials
| SFEB Neuronal Differentiation Cell culture Media. Reagents. Components | |||
| STEMdiff Neural Induction Medium (hiPSC Media) | STEMCELL Technologies | 0-5835 | 250ml |
| PluriQ ES-DMEM Medium (MEF Media) | GlobalStem | GSM-2001 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DM1 Media Components | |||
| D-MEM/F-12 (1X), Glutamax liquid, 1:1 | Invitrogen | 10565018 | 385ml |
| Knockout Serum Replacement | Invitrogen | 10828028 | 20% 100ml |
| Pen/Strep | Invitrogen | 15140122 | 5ml |
| Glutamax 200mM | Invitrogen | 35050061 | 5ml |
| MEM Non-Essential Amino Acids Solution 10 mM (100X), liquid | Invitrogen | 11140050 | 5ml |
| 2-Mercaptoethanol (1,000X), liquid | Invitrogen | 21985023 | 900ul |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DM2 Media Components | |||
| D-MEM/F-12 (1X), Glutamax liquid, 1:1 | Invitrogen | 10565018 | 500ml |
| Glutamax 200mM | Invitrogen | 35050061 | 5ml |
| Pen/Strep | Invitrogen | 15140122 | 5ml |
| N-2 Supplement (100X), liquid | Invitrogen | 17502048 | 10ml |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| DM3 Media Components | |||
| NEUROBASAL Medium (1X), liquid | Invitrogen | 21103049 | 500ml |
| B-27 Supplement Minus Vitamin A (50X), liquid | Invitrogen | 12587010 | 10ml |
| Glutamax 200mM | Invitrogen | 35050061 | 5ml |
| Pen/Strep | Invitrogen | 15140122 | 5ml |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small Molecules | |||
| Thiazovivin | Stemgent | 04-0017 | 2uM |
| SB431542 | Stemgent | 04-0010-10 | 1:1000 (10uM) |
| Dorsomorphin | Stemgent | 04-0024 | 1uM |
| LDN-193189 | Stemgent | 04-0074-10 | 250nM |
| Y27632 (ROCKi) | Stemgent | 04-0012-10 | 10uM |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Recombinant Protiens | |||
| DKK-1 | Peprotech | 120-30 | 200ng/ml |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Components/Materials | |||
| Cell Culture inserts 0.4uM, 30mm Diameter | Millicell | PICM0RG50 | |
| Mouse Embryonic Fibroblasts | GlobalStem | GSC-6301G | |
| 96 well V bottom w/Lids | Evergreen | 222-8031-01V | |
| StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | ThermoFisher | A1110501 | |
| TritonX-100 | ThermoFisher | 85111 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | ThermoFisher | 10010023 | 500 mL |
| Normal Donkey Serum | Jackson Labs | 017-000-121 | |
| Leibovitz's L-15 Medium | ThermoFisher | 11415114 | 500 mL |
| DRAQ5 (Nuclear Marker) | ThermoFisher | 65-0880-96 | |
| MEA Plates | Axion Biosystems | M768-GL1-30Pt200 | |
| 6 well flat bottom | Falcon | 353046 | |
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Antibody | |||
| Nestin | Millipore | MAB5326 | |
| Brn-2 | Protein tech | 14596-1-AP | |
| VGLUT1 | Synaptic Systems | 135 303 | |
| Pax6 | abcam | ab5790 | |
| Calretinin | abcam | ab702 | |
| Calbindin | abcam | ab11426 | |
| CoupTFII | R&D Systems | PPH714700 | |
| Nkx 2.1 | abcam | ab12650 | |
| Tuj1 | abcam | ab41489 | |
| Reelin | Millipore | MAB5364 | |
| Tbr1 | Millipore | MAB2261 | |
| NFH | Dako | M0762 |
References
- Nestor, M. W., et al. Differentiation of serum-free embryoid bodies from human induced pluripotent stem cells into networks. Stem Cell Res. 10 (3), 454-463 (2013).
- Eiraku, M., et al. Self-organized formation of polarized cortical tissues from ESCs and its active manipulation by extrinsic signals. Cell Stem Cell. 3 (5), 519-532 (2008).
- Sasai, Y. Next-generation regenerative medicine: organogenesis from stem cells in 3D culture. Cell Stem Cell. 12 (5), 520-530 (2013).
- Song, S., Abbott, L. F. Cortical development and remapping through spike timing-dependent plasticity. Neuron. 3 (2), 339-350 (2001).
- Pre, D., et al. A time course analysis of the electrophysiological properties of neurons differentiated from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). PLoS One. 9 (7), e103418 (2014).
- Sproul, A. A., et al. Characterization and molecular profiling of PSEN1 familial Alzheimer’s disease iPSC-derived neural progenitors. PLoS One. 9 (1), e84547 (2014).
- Stoppini, L., Buchs, P. A., Muller, D. A simple method for organotypic cultures of nervous tissue. J Neurosci Methods. 37 (2), 173-182 (1991).
- Nicholas, C. R., et al. Functional maturation of hPSC-derived forebrain interneurons requires an extended timeline and mimics human neural development. Cell Stem Cell. 12 (5), 573-586 (2013).
- Cukier, H. N., et al. Exome sequencing of extended families with autism reveals genes shared across neurodevelopmental and neuropsychiatric disorders. Mol Autism. 5 (1), (2014).
- Marchetto, M. C., et al. A model for neural development and treatment of Rett syndrome using human induced pluripotent stem cells. Cell. 143 (4), 527-539 (2010).
- Choi, S. H., Tanzi, R. E. iPSCs to the rescue in Alzheimer’s research. Cell Stem Cell. 10 (3), 235-236 (2012).
- Yagi, T., et al. Modeling familial Alzheimer’s disease with induced pluripotent stem cells. Hum Mol Genet. 20 (23), 4530-4539 (2011).
- Mariani, J., et al. Modeling human cortical development in vitro using induced pluripotent stem cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (31), 12770-12775 (2012).
- Quadrato, G., Brown, J., Arlotta, P. The promises and challenges of human brain organoids as models of neuropsychiatric disease. Nat Med. 22 (11), 1220-1228 (2016).
- Nestor, M. W., et al. Human Inducible Pluripotent Stem Cells and Autism Spectrum Disorder: Emerging Technologies. Autism Res. 9 (5), 513-535 (2016).
- Nestor, M. W., et al. Characterization of a subpopulation of developing cortical interneurons from human iPSCs within serum-free embryoid bodies. Am J Physiol Cell Physiol. 308 (3), C209-C219 (2015).
- Nestor, M. W., Hoffman, D. A. Differential cycling rates of Kv4.2 channels in proximal and distal dendrites of hippocampal CA1 pyramidal neurons. Hippocampus. 22 (5), 969-980 (2012).
- Nestor, M. W., Mok, L. P., Tulapurkar, M. E., Thompson, S. M. Plasticity of neuron-glial interactions mediated by astrocytic EphARs. J Neurosci. 27 (47), 12817-12828 (2007).
- Woodard, C. M., Campos, B. A., Kuo, S. H., Nirenberg, M. J., Nestor, M. W., Zimmer, M., Mosharov, E. V., Sulzer, D., Zhou, H., Paull, D., Clark, L., Schadt, E. E., Sardi, S. P., Rubin, L., Eggan, K., Brock, M., Lipnick, S., Rao, M., Chang, S., Li, A., Noggle, S. A. iPSC-Derived Dopamine Neurons Reveal Differences Between Monozygotic Twins Discordant for Parkinson’s Disease. Cell Rep. 9 (4), 1173-1182 (2014).
- Huang, S. M., et al. Tankyrase inhibition stabilizes axin and antagonizes Wnt signalling. Nature. 461 (7264), 614-620 (2009).
- Chambers, S. M., et al. Highly efficient neural conversion of human ES and iPS cells by dual inhibition of SMAD signaling. Nat Biotechnol. 27 (3), 275-280 (2009).
- Kriks, S., et al. Dopamine neurons derived from human ES cells efficiently engraft in animal models of Parkinson’s disease. Nature. 480 (7378), 547-551 (2011).
- Maroof, A. M., et al. Directed differentiation and functional maturation of cortical interneurons from human embryonic stem cells. Cell Stem Cell. 12 (5), 559-572 (2013).
- Pasca, A. M., et al. Functional cortical neurons and astrocytes from human pluripotent stem cells in 3D culture. Nat Methods. 12 (7), 671-678 (2015).
- Yan, X., et al. iPS cells reprogrammed from human mesenchymal-like stem/progenitor cells of dental tissue origin. Stem Cells Dev. 19 (4), 469-480 (2010).
- Wang, J., et al. Generation of clinical-grade human induced pluripotent stem cells in Xeno-free conditions. Stem Cell Res Ther. 6, 223 (2015).
- Kwon, J., et al. Neuronal Differentiation of a Human Induced Pluripotent Stem Cell Line (FS-1) Derived from Newborn Foreskin Fibroblasts. Int J Stem Cells. 5 (2), 140-145 (2012).
- Li, X. J., et al. Coordination of sonic hedgehog and Wnt signaling determines ventral and dorsal telencephalic neuron types from human embryonic stem cells. Development. 136 (23), 4055-4063 (2009).
- Sheridan, S. D., Surampudi, V., Rao, R. R. Analysis of embryoid bodies derived from human induced pluripotent stem cells as a means to assess pluripotency. Stem Cells Int. , 738910 (2012).
- Smith, Q., Stukalin, E., Kusuma, S., Gerecht, S., Sun, S. X. Stochasticity and Spatial Interaction Govern Stem Cell Differentiation Dynamics. Sci Rep. 5, 12617 (2015).
