Faciliter la culture organoïde cérébrale grâce à l’éclairage latéral à lumière douce
Summary
Les organoïdes cérébraux offrent des possibilités sans précédent d’étudier le développement des organes et la pathologie des maladies humaines. Bien qu’un grand succès ait été obtenu avec les systèmes de culture organoïdes cérébrales, il existe encore des difficultés opérationnelles dans l’application de cette technologie. Le présent protocole décrit une procédure organoïde cérébrale qui facilite le changement de milieu et le transfert organoïde.
Abstract
À l’heure actuelle, la technologie de culture organoïde cérébrale est encore compliquée à utiliser et difficile à appliquer à grande échelle. Il est nécessaire de trouver une solution simple et pratique. Par conséquent, un protocole organoïde cérébral plus réalisable est proposé dans la présente étude. Pour résoudre les inconvénients inévitables du changement moyen et du transfert organoïde à un stade précoce, la recherche actuelle optimise la technologie d’exploitation en appliquant le principe d’ingénierie. Une lampe à lumière douce a été adoptée pour éclairer latéralement les échantillons de corps embryoïde (EB), permettant aux EB d’être vus à l’œil nu grâce à l’effet de réflexion diffuse amélioré. En utilisant le principe de l’écoulement secondaire généré par la rotation, les organoïdes se rassemblent vers le centre du puits, ce qui facilite le fonctionnement du changement de milieu ou du transfert organoïde. Par rapport à la cellule dispersée, le corps embryoïde s’installe plus rapidement dans la pipette. En utilisant ce phénomène, la plupart des cellules libres et des fragments de cellules mortes peuvent être éliminés efficacement de manière simple, empêchant les EB d’être endommagés par la centrifugation. Cette étude facilite le fonctionnement de la culture organoïde cérébrale et aide à promouvoir l’application d’organoïdes cérébraux.
Introduction
Par rapport aux systèmes de culture bidimensionnelle (2D), les systèmes de culture tridimensionnelle (3D) présentent plusieurs avantages, notamment une véritable réplication et une reproduction efficace des structures complexes de certains organes1. Par conséquent, les organoïdes cérébraux sont l’une des méthodes auxiliaires importantes pour les domaines de recherche du développement du cerveau humain et de la maladie2, du dépistage des médicaments et de la thérapie cellulaire.
La culture d’organoïdes cérébraux par la méthode de suspension rotative est propice à leur développement et à leur maturation3. Bien que les systèmes de culture organoïdes cérébrales aient connu un grand succès, ils sont toujours confrontés à des défis critiques qui limitent leur application. Par exemple, la culture manuelle implique des étapes de manipulation compliquées et introduit des obstacles à la réalisation d’applications à grande échelle. De plus, à chaque stade de développement de la culture d’organoïdes cérébraux, des changements dans différents milieux et cytokines sont nécessaires4. Cependant, au stade précoce, les organoïdes ou EB ont des tailles minuscules (environ 200 μm à 300 μm) et sont presque visuellement inaccessibles sans appareil approprié. Inévitablement, une certaine quantité d’échantillons organoïdes précieux est évacuée lorsque le milieu est changé. De nombreuses techniques ont été explorées pour surmonter cela dans d’autres types de cultures organoïdes, et certains exemples incluent l’immersion de puces organoïdes entières dans un milieu de culture pendant 3 jours sans intervention5; ajouter un milieu frais à travers la couche de couverture après l’absorption de l’ancien milieu à l’aide de papier absorbant5; ou l’application de pipelines microfluidiques complexes pour l’échange de fluides 6,7,8. Un autre obstacle rencontré au début de la culture organoïde est la difficulté d’obtenir des observations directes à l’œil nu, ce qui peut provoquer de mauvaises opérations entraînant des dommages et des pertes organoïdes pendant les étapes de transfert organoïdes. Par conséquent, il est nécessaire d’établir un protocole plus réalisable qui facilite le changement de milieu et le transfert d’organoïdes pour générer des organoïdes.
Un fonctionnement optimisé correspondant basé sur des principes d’ingénierie est proposé pour surmonter ces problèmes, ce qui facilite considérablement et commodément de nombreuses procédures organoïdes. Dans la nature, lorsque le soleil brille dans une maison à travers un espace de fenêtre, l’œil nu peut voir la poussière danser dans le faisceau lumineux. En raison de la réflexion diffuse de la lumière du soleil sur la poussière, une partie de la lumière est réfractée dans le globe oculaire pour produire une image visuelle. Inspirée par le principe de ce phénomène 9,10, cette étude a réalisé une lampe à lumière douce et a éclairé les EB latéralement. Il a été constaté que les EB pouvaient être visuellement clairs sans affecter la portée de visualisation. Un écoulement secondaire pointant vers le centre est généré dans le liquide en faisant tourner la plaque de culture en raison des courants de Foucault11. Les EB dispersés à l’origine s’accumulent au centre de la plaque. Sur cette base, et le phénomène selon lequel la vitesse de sédimentation des organoïdes est plus rapide que celle des cellules, une méthode d’utilisation facile de changement de milieu et de transfert d’organoïdes sans centrifugation est proposée. Les organoïdes dans le milieu de culture peuvent être efficacement séparés des cellules libres et des fragments de cellules mortes grâce à cette opération de transfert.
Ici, un protocole facile à utiliser est proposé pour générer des organoïdes cérébraux à partir de cellules souches pluripotentes humaines. La technologie d’exploitation a été optimisée en appliquant le principe d’ingénierie, rendant les opérations en culture 3D aussi simples et réalisables que celles en culture 2D. La méthode d’échange de liquide améliorée et l’opération de transfert organoïde sont également utiles pour d’autres types de culture organoïde et la conception de machines de culture automatiques.
Protocol
Representative Results
Discussion
Les organoïdes cérébraux ouvrent de nouvelles voies pour la recherche médicale. De nombreuses applications utiles de cette technologie commencent seulement à être explorées28. Cette recherche a révélé que les résultats du séquençage du transcriptome des organoïdes cérébraux génétiquement malades et des organoïdes cérébraux normaux peuvent refléter les différences entre la maladie et la santé. Par exemple, les résultats de l’analyse des données ARN-seq (<strong class="xf…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Cette étude a été soutenue par la Fondation des sciences naturelles de la province du Guangdong (subvention n ° 2020A0505100062), le projet de sujets clés de la science et de la technologie de la ville de Guangzhou (subvention n ° 201904020025), la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (subventions n ° 31872800, 32070582, 82101937) et le projet de subvention de recherche postdoctorale de la ville de Guangzhou (à Bangzhu Chen).
Materials
| 0.2 μm Filter | NEST Biotechnology, China | 331001 | |
| 1000 μL wide-bore pipette tip | Thermo Fisher Scientific, USA | 9405163 | |
| 200 μL wide-bore pipette tip | Thermo Fisher Scientific, USA | 9405020 | |
| 2-Mercaptoethanol | Merck, Germany | 8057400005 | |
| 4% Paraformaldehyde | Servicebio, China | G1101 | |
| 6-well low adhesion plate | NEST Biotechnology, China | 703011 | It is used for EBs suspension cultures |
| Aaccute cell detachment solution | STEMCELL Technologies, Canada | 07920 | It is used to digest iPSC into single cells. |
| AggreWell800 24-well | STEMCELL Technologies, Canada | 34811 | Microporous culture plate for EBs preparation. |
| Anti-Adherence Rinsing Solution | STEMCELL Technologies, Canada | 07010 | Rinsing solution for cultureware to prevent cell adhesion |
| B27-vit. A supplement | Thermo Fisher Scientific, USA | 12587010 | |
| bFGF | Peprotech, USA | GMP100-18B | |
| BSA | Beyotime Biotechnology, China | ST025 | |
| Centrifuge | Eppendorf, Germany | 5810 R | It can be used for centrifugation of various types of centrifuge tubes, reagent bottles and working plates. |
| Cover glass | Shitai Laboratory Equipment, China | 10212020C | |
| DAPI | Beyotime Biotechnology, China | C1002 | Used for nuclear staining. After DAPI was combined with double stranded DNA, the maximum excitation wavelength was 364nm and the maximum emission wavelength was 454nm. |
| DMEM-F12 | Thermo Fisher Scientific, USA | 11330032 | |
| ES-quality FBS | Thermo Fisher Scientific, USA | 10270106 | |
| Ficoll Paque | General Electric Company, USA | 17-5442-02 | Isolate the peripheral blood mononuclear cells according to Ficoll-Paque method. |
| Gelatin | Sangon Bioteach, China | A609764 | |
| Glutamax supplement | Thermo Fisher Scientific, USA | 35050061 | |
| Glutamax supplement | Thermo Fisher Scientific, USA | 17504044 | |
| Goat anti-Chicken IgY secondary antibody | Abcam, UK | ab150171 | Goat anti-Chicken IgG. Conjugation: Alexa Fluor 647. Ex: 652 nm, Em: 668 nm. Use at 1:500 dilution. |
| Goat anti-Mouse IgG secondary antibody | Abcam, UK | ab150120 | Goat anti-Mouse IgG. Conjugation: Alexa Fluor 594. Ex: 590 nm, Em: 617 nm. Use at 1:500 dilution. |
| Goat anti-Rabbit IgG secondary antibody | Abcam, UK | ab150077 | Goat Anti-Rabbit IgG. Conjugation: Alexa Fluor 488. Ex: 495 nm, Em: 519 nm. Use at 1:500 dilution. |
| Heparin | Merck, Germany | H3149 | |
| Horizontal shaker | Servicebio, China | DS-H200 | Relative centrifugal force (RCF) of 0.11808 x g is more appropriate, according to the manufacturer INFORS HT (Switzerland). |
| Insulin | Merck, Germany | I9278-5ML | |
| KOSR | Thermo Fisher Scientific, USA | 10828028 | |
| Matrigel | Corning, USA | 354277 | Matrigel will solidify in the environment higher than 4 °C, so it should be sub packed at low temperature. |
| MEM-NEAA | Thermo Fisher Scientific, USA | 11140050 | |
| mTeSR1 | STEMCELL Technologies, Canada | 85850 | iPSC culture medium |
| N2 supplement | Thermo Fisher Scientific, USA | 17502048 | |
| Neurobasal | Thermo Fisher Scientific, USA | 21103049 | |
| OCT4 primary antibody | Abcam, UK | ab19857 | Host: Rabbit. Dissolve with 500 μL PBS. Use at 1:200 dilution. |
| Pathological frozen slicer | Leica, Germany | Leica CM1860 | |
| PAX6 primary antibody | Abcam, UK | ab78545 | Host: Mouse. Use at 1:100 dilution. |
| PBS | STEMCELL Technologies, Canada | 37350 | |
| Penicillin-Streptomycin | Thermo Fisher Scientific, USA | 15140122 | |
| PSC dissociation solution | Beijing Saibei Biotechnology, China | CA3001500 | Enzyme free dissociation solution can be used for iPSC digestion and passage. |
| Sendai Reprogramming Kit | Thermo Fisher Scientific, USA | A16518 | Establish iPSC according to the protocol of Sendai Reprogramming Kit. |
| Slide Glass | Shitai Laboratory Equipment, China | 188105W | |
| Soft light lamp | NUT | NUT | A simple self made device, refer to supplementary figure 2 for preparation. |
| STEMdiff Cerebral Organoid Kit | STEMCELL Technologies, Canada | 8570 | Contain: 1. EB Formation Medium; 2. Induction Medium; 3. Expansion Medium; 4. Maturation Medium. |
| STEMdiff Cerebral Organoid Maturation Kit | STEMCELL Technologies, Canada | 8571 | Maturation Medium |
| Sucrose | Sangon Bioteach, China | A502792 | |
| Triton X-100 | Merck, Germany | X100 | |
| TUJ1 primary antibody | Abcam, UK | ab41489 | Host: Chicken. Use at 1:1000 dilution. |
| Vaseline | Sangon Bioteach, China | A510146 | |
| Y-27632 | STEMCELL Technologies, Canada | 72302 | Prepare a 5 mM stock solution in PBS, resuspend 1 mg in 624 µL of PBS. |
| Weblink | |||
| Raw sequencing data | Genome Sequence Archive (Genomics, Proteomics & Bioinformatics 2021) in National Genomics Data Center (Nucleic Acids Res 2022), China National Center for Bioinformation / Beijing Institute of Genomics, Chinese Academy of Sciences | GSA-Human: HRA002430 | https://ngdc.cncb.ac.cn/gsa-human/ |
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