영장류 대뇌 오가노이드의 전기천공법은 영장류(병리)생리학적 신피질 발달에 가까운 모델 시스템에서 다양한 전구체 유형과 뉴런에 일시적인 유전자 변형을 도입하는 정확하고 효율적인 접근 방식을 제공합니다. 이를 통해 신경 발달 및 진화 과정을 연구 할 수 있으며 질병 모델링에도 적용 할 수 있습니다.
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영장류 대뇌 오가노이드의 전기천공법은 영장류(병리)생리학적 신피질 발달에 가까운 모델 시스템에서 다양한 전구체 유형과 뉴런에 일시적인 유전자 변형을 도입하는 정확하고 효율적인 접근 방식을 제공합니다. 이를 통해 신경 발달 및 진화 과정을 연구 할 수 있으며 질병 모델링에도 적용 할 수 있습니다.
대뇌 피질은 가장 바깥쪽 뇌 구조이며 감각 입력 및 운동 출력 처리를 담당합니다. 그것은 포유류, 특히 영장류에서 고차원인지 능력의 자리로 간주됩니다. 영장류의 뇌에서 유전자 기능을 연구하는 것은 기술적, 윤리적 이유로 인해 어려운 일이지만, 뇌 오가노이드 기술의 확립은 전통적인 영장류 모델(예: 붉은털 원숭이 및 일반 마모셋)뿐만 아니라 이전에는 실험적으로 접근할 수 없었던 영장류 종(예: 유인원)에서 윤리적으로 정당하고 기술적으로 덜 까다로운 시스템. 또한, 인간의 뇌 오가노이드는 신경 발달 및 신경 장애에 대한 고급 조사를 가능하게 합니다.
뇌 오가노이드는 뇌 발달의 많은 과정을 요약하기 때문에 진화적 맥락에서 다양한 종의 뇌 발달의 기초가 되는 유전적 결정 요인의 차이점을 식별하고 기능적으로 비교할 수 있는 강력한 도구이기도 합니다. 오가노이드 사용의 가장 큰 장점은 유전자 기능을 테스트할 수 있는 유전자 변형을 도입할 수 있다는 것입니다. 그러나 이러한 수정의 도입은 힘들고 비용이 많이 듭니다. 이 논문은 뇌 오가노이드의 하위 유형인 영장류 대뇌 오가노이드의 심실과 같은 구조 내에서 세포 집단을 유전적으로 변형하는 빠르고 비용 효율적인 접근 방식을 설명합니다. 이 방법은 인간, 침팬지, 붉은털원숭이 및 일반 마모셋 유래 유도만능줄기세포(iPSC)에서 대뇌 오가노이드의 안정적인 생성을 위한 수정된 프로토콜을 미세주입 및 전기천공 접근법과 결합합니다. 이것은 질병 모델링에도 적용할 수 있는 신경 발달 및 진화 과정 연구를 위한 효과적인 도구를 제공합니다.
대뇌 피질의 (병리) 생리적 발달과 진화를 조사하는 것은 적절한 모델 시스템의 부족으로 인해 방해받는 엄청난 작업입니다. 이전에는 이러한 연구가 2차원 세포 배양 모델(예: 1차 신경 전구체 또는 신경 세포 배양)과 진화적으로 멀리 떨어진 동물 모델(예: 설치류)에 국한되었습니다1,2. 이러한 모델은 특정 질문을 해결하는 데 유용하지만 건강 및 질병 상태에서 발달 중인 인간 신피질의 복잡성, 세포 유형 구성, 세포 구조 및 유전자 발현 패턴을 모델링하는 데는 제한적입니다. 이러한 제한은 예를 들어 소두증의 특정 사례에 대해 설명된 바와 같이 인간 질병의 마우스 모델을 인간 상황에 대한 열악한 번역 가능성으로 이끕니다(예: Zhang et al.3). 최근에, 인간 신피질 발달의 진화학적, 기능적, 형태학적으로 더 가까운 모델인 형질전환 비인간 영장류가 세포 배양 및 설치류 기반 모델의 많은 한계를 극복함에따라 4,5,6,7,8
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1. 영장류 iPSC의 배양
참고: 견고성으로 인해 여기에 제시된 방법은 모든 영장류 iPSC 라인에 적용할 수 있습니다. 이 글에서는 인간(iLonza2.2)29, 침팬지(Sandra A)30, 붉은털원숭이(iRh33.1)29 및 일반적인 마모셋(cj_160419_5)31 iPSC 계통의 대뇌 오가노이드 생산에 대해 설명합니다. 배양 조건은 표 1에 요약되어 있다. 이 프로토콜에 사용된 모든 재료, 시약 및 장비와 관련된 자세한 내용은 재료 표를 참조하십시오.
2. 영장류 iPSC에서 대뇌 오가노이드 생성
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여기에 설명된 프로토콜은 종 간에 필요한 타이밍 변경을 최소화하면서 인간, 침팬지, 붉은털 원숭이 및 일반적인 마모셋 iPSC 계통에서 대뇌 오가노이드를 효율적으로 생성할 수 있도록 합니다(그림 1A). 이러한 오가노이드는 심실과 같은 구조의 접근성과 관심 있는 세포 집단의 풍부도에 따라 20dps에서 50dps 범위에서 전기천공될 수 있습니다. 그러나 전기천공에 앞서 대뇌 오가노이드가 전기천공을 하기에 충분한 품질인지 여부를 결정하는 것이 중요합니다.
전기천공에 이상적인 대뇌 오가노이드는 말초에 뚜렷한 밝은 심실과 같은 구조를 나타내야 하며, 퇴행의 징후가 없어야 하며(예: 세포 분리, 세포사멸 코어 확대) 일반적으로 조밀한 건강한 형태(예: 과도한 성장 없음)를 나타내야 합니다(그림 1B, "Go"). 더 많은 수의 세포를 표적으로 삼기 위해 크고 잘 조직된 심실과 같은.......
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여기에 설명된 절차는 표적 전기천공 접근법을 사용하여 다양한 영장류 종에서 대뇌 오가노이드를 생성하기 위한 통합 프로토콜을 나타냅니다. 이것은 영장류(인간 포함)(병리)생리학적 신피질 발달을 모방하는 모델 시스템에서 GOI의 이소성 발현을 허용합니다. 영장류 대뇌 오가노이드 생성을 위한 이 통합 프로토콜은 제시된 4가지 영장류 종 모두에 대해 동일한 재료(예: 배지) 및 프로토콜 단계를 사용합니다. 이러한 종 간의 발달 차이는 중요한 프로토콜 단계(즉, 신경 유도 및 기저막 매트릭스에 임베딩, 위 참조)의 타이밍을 변경하여 해결됩니다. 이것은 이들 종 간의 생체 내 신경 발달 타이밍 차이를 대략적으로 반영할 수 있으며 추가 연구를 위한 흥미로운 주제를 구성합니다.
이 접근법은 대뇌 오가노이드에 대한 이전 논문에서 설명한 전기천공 실험을 기반으로 한다10. 그러나, 랭커스터와 동료들에 의해 지적된 바와 같이, 이러한 실험은.......
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저자는 이해 상충이 없다고 선언합니다.
지면의 제약으로 인해 논문을 인용하지 못한 모든 연구자들에게 사과드립니다. 페트리 접시 전극 챔버 건설에 대해 DPZ의 기술 서비스 담당자인 Ulrich Bleyer와 MPI-CBG 워크숍의 Hartmut Wolf에게 감사드립니다. 인간(iLonza2.2), 붉은털 원숭이(iRh33.1) 및 마모셋(cj_160419_5) iPSC를 제공한 Stoyan Petkov 및 Rüdiger Behr; 동결절개 및 면역형광 염색을 위한 Sabrina Heide; 그리고 원고를 비판적으로 읽은 Neringa Liutikaite와 César Mateo Bastidas Betancourt. W.B.H. 실험실에서의 작업은 ERA-NET NEURON (MicroKin) 보조금으로 지원되었습니다. M.H.의 실험실에서의 작업은 ERC 시작 보조금 (101039421)의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 20 & 마이크로; L 마이크로로더 | Eppendorf | 5242956003 | |
| 2-Mercaptoethanol | Merck | 8.05740.0005 | |
| 35 mm 세포 배양 접시 | Sarstedt | 83.3900 | |
| 60 mm 세포 배양 접시 | CytoOne | CC7682-3359 | |
| Activin A | Sigma-Aldrich | SRP3003 | |
| AOC1 | Selleckchem | S7217 | |
| Axio Observer.Z1 도립 형광 현미경 | Zeiss | 유사한 형광 현미경으로 대체 | |
| 가능 AZD0530 | Selleckchem | S1006 | |
| B-27 비타민 A 보충제(레티노산, RA)(50개) | Gibco | 17504-044 | |
| 비타민 A 없는 B-27 보충제(50개) | Gibco | 12587-010 | |
| BTX ECM 830 구형파 전기천공법 시스템 | BTX | 45-2052 | |
| CGP77675 | Sigma-Aldrich | SML0314 | |
| 침팬지 유도 만능 줄기 세포주 Sandra 도 | 이: 10.7554/elife.18683 | ||
| 일반적인 마모셋 유도 만능 줄기 세포주 cj_160419_5 | doi: 10.3390/cells9112422 | ||
| Dulbecco's Modified Eagle Medium/Nutrient Mixture F-12 (DMEM/F12) | Gibco | 11320-033 | |
| Dulbecco's phosphate-buffered saline (DPBS) | Gibco | 14190-094 | pH 7.0− 7.3; 사용 전 실온으로 따뜻하게 하세요 |
| Fast Green | Sigma-Aldrich | F7252-5G | |
| Forskolin | Selleckchem | 2449 | |
| GlutaMAX Supplement (100x) | Gibco | 35050-061 | glutamine substitute supplement |
| Heparin (1 mg/mL stock) | Sigma-Aldrich | H3149 | |
| Human induced pluripotent stem cell cell line iLonza2.2 | doi: 10.3390/cells9061349 | ||
| Human Neurotrophin-3 (NT-3) | PeproTech | 450-03 | |
| Insulin | Sigma-Aldrich | 19278 | |
| IWR1 | Sigma-Aldrich | I0161 | |
| Leica MS5 실체현미경(MDG 17 투과광 베이스) | Leica | 10473849 | 유사한 실체현미경으로 교체 가능 |
| Matrigel | Corning | 354277/354234 | 기저막 매트릭스; 대안적으로, Geltrex (ThermoFisher Scientific, A1413302)를 사용할 수 있습니다 |
| MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | Sigma-Aldrich | M7145 | |
| N-2 Supplement (100x) | Gibco | 17502-048 | |
| Neurobasal medium | Gibco | 21103-049 | |
| Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793 | |
| 파라포름알데히드 | Merck | 818715 | 암 발생성으로 인한 인과 관계 페 |
| 니실린/스트렙토마이신(10,000 U/mL) | PanBiotech | P06-07100 | |
| 페트리 접시 전극 챔버 | 자체 생산(보충 파일 1 참조) | 또한 상업적으로 사용 가능한 | |
| Pre-Pulled Glass Pipettes | WPI | TIP10LT | 긴 테이퍼가 있는 붕규산 유리 피펫, 10 µ m 팁 직경 |
| Pro-Survival Compound | MerckMillipore | 529659 | |
| 재조합 인간/쥐/쥐뇌 유래 신경 영양 인자(BDNF) | PeproTech | AF-450-02 | |
| 붉은털 원숭이 유도 만능 줄기 세포주 iRh33.1 | doi: 10.3390/cells9061349 | ||
| StemMACS iPS-Brew XF | Miltenyi Biotech | 130-104-368 | |
| StemPro Accutase 세포 해리 시약 | Gibco | A1110501 | 단백질 분해 및 콜라겐 분해 효소 혼합물 |
| TrypLE | Gibco | 12604-013 | 재조합 트립신 대체물; 사용 전 실온으로 데우 |
| 기 초저 부착 96웰 플레이트 | Costar | 7007 | |
| Y27632 | Stemcell Technologies | 72305 |
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