Neuraal netvlies genereren uit menselijke pluripotente stamcellen
Summary
Het huidige protocol beschrijft een geoptimaliseerd 3D neuraal retina-inductiesysteem dat de hechting en fusie van retinale organoïden vermindert met een hoge herhaalbaarheid en efficiëntie.
Abstract
Retinopathie is wereldwijd een van de belangrijkste oorzaken van blindheid. Het onderzoeken van de pathogenese is essentieel voor de vroege diagnose en tijdige behandeling van retinopathie. Helaas belemmeren ethische barrières het verzamelen van bewijs van mensen. Onlangs hebben talrijke onderzoeken aangetoond dat menselijke pluripotente stamcellen (PSC’s) kunnen worden gedifferentieerd in retinale organoïden (RO’s) met behulp van verschillende inductieprotocollen, die een enorm potentieel hebben in retinopathie voor ziektemodellering, screening van geneesmiddelen en op stamcellen gebaseerde therapieën. Deze studie beschrijft een geoptimaliseerd inductieprotocol om neuraal netvlies (NR) te genereren dat de kans op vesiculatie en fusie aanzienlijk vermindert, waardoor het slagingspercentage van de productie tot dag 60 toeneemt. Op basis van het vermogen van PSC’s om zichzelf te reorganiseren na dissociatie, in combinatie met bepaalde complementaire factoren, kan deze nieuwe methode specifiek NR-differentiatie stimuleren. Bovendien is de aanpak ongecompliceerd, kosteneffectief, vertoont het een opmerkelijke herhaalbaarheid en efficiëntie, biedt het bemoedigende vooruitzichten voor gepersonaliseerde modellen van netvliesaandoeningen en levert het een overvloedig celreservoir voor toepassingen zoals celtherapie, medicijnscreening en gentherapietesten.
Introduction
Het oog dient als de primaire bron van informatie onder de menselijke zintuigen, waarbij het netvlies het belangrijkste visuele sensorische weefsel is in de ogen vanzoogdieren1. Retinopathie is een van de belangrijkste wereldwijde oorzaken van oogziekten, wat leidt totblindheid. Wereldwijd lijden ongeveer 2,85 miljoen mensen aan verschillende gradaties van slechtziendheid als gevolg van retinopathie3. Daarom is het onderzoeken van de pathogenese cruciaal voor een vroege diagnose en tijdige behandeling. De meeste onderzoeken naar retinopathie bij de mens hebben zich voornamelijk gericht op diermodellen 4,5,6. Het menselijk netvlies is echter een complex, meerlagig weefsel dat bestaat uit verschillende celtypen. Traditionele tweedimensionale (2D) celkweek- en diermodelsystemen slagen er doorgaans niet in om de normale spatiotemporele ontwikkeling en het geneesmiddelmetabolisme van het oorspronkelijke menselijke netvlies getrouw te recapituleren 7,8.
Onlangs zijn 3D-kweektechnieken geëvolueerd om weefselachtige organen te genereren uit pluripotente stamcellen (PSC’s)9,10. Retinale organoïden (RO’s) gegenereerd uit menselijke PSC’s in een 3D-suspensiekweeksysteem bevatten niet alleen zeven retinale celtypen, maar vertonen ook een duidelijke gelaagde structuur die lijkt op het menselijke netvlies in vivo 11,12,13. Menselijke PSC-afgeleide RO’s hebben aan populariteit gewonnen en zijn wijdverbreid beschikbaar en zijn momenteel de beste in vitro modellen voor het bestuderen van de ontwikkeling en ziekte van het menselijk netvlies14,15. In de afgelopen decennia hebben talloze onderzoekers aangetoond dat menselijke PSC’s, waaronder embryonale stamcellen (ESC’s) en geïnduceerde pluripotente stamcellen (iPSC’s), kunnen differentiëren in RO’s met behulp van verschillende inductieprotocollen. Deze vooruitgang heeft een enorm potentieel in retinopathie voor ziektemodellering, screening van geneesmiddelen en op stamcellen gebaseerde therapieën 16,17,18.
Het genereren van neuraal netvlies (NR) uit menselijke pluripotente stamcellen (PSC’s) is echter een complex, omslachtig en tijdrovend proces. Bovendien kunnen batch-to-batch variaties in weefselorganoïden leiden tot een lagere reproduceerbaarheid van de resultaten19,20. Talrijke intrinsieke en extrinsieke factoren kunnen de opbrengst van retinale organoïden (RO’s) beïnvloeden, zoals het aantal of de soort startcellen en het gebruik van transcriptiefactorenen verbindingen met kleine moleculen. Sinds de eerste menselijke RO werd gegenereerd door het Sasai-laboratorium11, zijn er in de loop der jaren meerdere wijzigingen voorgesteld om het gemak en de effectiviteit van het inductieproces te verbeteren 13,21,24,25. Helaas is er tot op heden geen gouden standaardprotocol opgesteld voor het genereren van RO’s in alle laboratoria. Er is inderdaad een zekere mate van discrepantie in RO’s als gevolg van verschillende inductiemethoden, evenals een grote variatie in de expressie van retinale markers en de robuustheid van hun structuur22,26. Deze problemen kunnen het verzamelen van monsters en de interpretatie van onderzoeksresultaten ernstig bemoeilijken. Daarom is een meer geconsolideerd en robuust differentiatieprotocol nodig om de efficiëntie te maximaliseren met minimale heterogeniteit van RO-generatie.
Deze studie beschrijft een geoptimaliseerd inductieprotocol op basis van een combinatie van Kuwahara et al.12 en Döpper et al.27 met gedetailleerde instructies. De nieuwe methode vermindert de kans op vesiculatie en fusie van organoïden aanzienlijk, waardoor het slagingspercentage van het genereren van NR toeneemt. Deze ontwikkeling is veelbelovend voor ziektemodellering, medicijnscreening en celtherapietoepassingen voor netvliesaandoeningen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Menselijke RO’s kunnen de ontwikkeling van het foetale netvlies ruimtelijk en temporeel recapituleren, en vroege RO’s vertonen een hoge mate van gelijkenis met het foetale netvlies in gelijkwaardige ontwikkelingsstadia15. In termen van weefselmorfologie en moleculaire expressie weerspiegelt menselijke RO nauw de werkelijke groeistatus van het netvliesweefsel, wat enorme en ongekende mogelijkheden biedt op het gebied van ziektemodellering, geneesmiddelenscreening en regeneratieve geneeskunde. Momen…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Geen.
Materials
| 0.01 M TPBS | Servicebio | G0002 | Washing slices |
| 4% Paraformaldehyde | Servicebio | G1101-500ML | Fix retinal organoids |
| 5 mL Pasteur pipette | NEST Biotechnology | 318516 | Pipette retinal organoids |
| 96 V-bottomed conical wells | Sumitomo Bakelit | MS-9096VZ | |
| Adhesion Microscope Slides | CITOTEST | 188105 | Fix slices |
| AggreWell medium | STEMCELL Technologies | 5893 | Medium |
| Anhydrous ethanol | SINOPHARM | 10009218 | Dehydrate |
| Anti-CHX10 | Santa Cruz | sc-365519 | Primary antibody |
| Antifade Solution | ZSGB-BIO | ZLI-9556 | |
| Anti-KI67 | Abcam | ab16667 | Primary antibody |
| Anti-NESTIN | Sigma | N5413 | Primary antibody |
| Anti-Neuronal Class III β-Tubulin(TUJ1) | Beyotime | AT809 | Primary antibody |
| Anti-PAX6 | Abcam | ab195045 | Primary antibody |
| Cell dissociation solution(CDS) | STEMCELL Technologies | 7922 | Cell dissociation |
| CHIR99021 | Selleckchem | S2924 | GSK-3α/β inhibitor |
| Cholesterol Lipid Concentrate | Gibco | 12531018 | 250× |
| Citrate Antigen Retrieval Solution | Servicebio | G1202-250ML | 20×, pH 6.0 |
| CS10 | STEMCELL Technologies | 1001061 | Cell Freezing Medium |
| DAPI | Roche | 10236276001 | Nuclear counterstain |
| Dimethyl sulfoxide(DMSO) | Sigma | D2650 | |
| DMEM/F12 | Gibco | 11330032 | Medium |
| DMEM/F12-GlutaMAX | Gibco | 10565018 | Medium |
| Donkey anti-Mouse Alexa Fluor Plus 488 | Invitrogen | A32766 | Secondary Antibody |
| Donkey anti-Rabbit Alexa Fluor 568 | Invitrogen | A10042 | Secondary Antibody |
| Ethylene Diamine Tetraacetic Acid (EDTA) | Biosharp | BL518A | 0.5 M, pH 8.0, cell dissociation |
| Extracellular matrix (ECM) | Corning | 354277 | Coating plates |
| F12-Glutamax | Gibco | 31765035 | Medium |
| Fetal Bovine Serum | Gibco | A5669701 | |
| Flow-like tissue cell quantitative analyzer | TissueGnostics | TissueFAXS Plus | Scan sections |
| IMDM-GlutaMAX | Gibco | 31980030 | Medium |
| IWR1-endo | Selleckchem | S7086 | Wnt-inhibitor |
| KnockOut Serum Replacement | Gibco | 10828028 | |
| LDN-193189 2HCl | Selleckchem | S7507 | BMP-inhibitor |
| Low-adhesion 24-well Plates | Corning | 3473 | |
| Low-adhesion 6-well Plates | Corning | 3471 | |
| Maintenance medium (MM) | STEMCELL Technologies | 85850 | Medium |
| N2 supplement | Gibco | 17502048 | |
| Normal Donkey Serum | Solarbio | SL050 | Blocking buffer |
| Paraplast | Leica | 39601006 | Tissue embedding |
| PBS pH 7.4 basic (1x) | Gibco | C10010500BT | Without Ca+,Mg+ |
| Reconbinant human bone morphogenetic protein-4(rhBMP4) | R&D | 314-BP | Key protein factor |
| Retinoic acid | Sigma | R2625 | Powder, keep out of light |
| SB431542 | Selleckchem | S1067 | ALK5-inhibitor |
| SU5402 | Selleckchem | S7667 | Tyrosine kinase inhibitor |
| Super PAP Pen | ZSGB-BIO | ZLI-9305 | |
| Taurine | Sigma | T0625-10G | |
| Thioglycerol | Sigma | M1753 | |
| Triton X-100 | Sigma | X100 | Permeabilization |
| WA09 embryonic stem cell line | WiCell Research Institute | Cell line | |
| Xylene | SINOPHARM | 10023418 | Dewaxing |
| Y-27632 2HCL | Selleckchem | S1049 | ROCK-inhibitor |
References
- Hoon, M., Okawa, H., Della Santina, ., Wong, L., O, R. Functional architecture of the retina: development and disease. Prog Retin Eye Res. 42, 44-84 (2014).
- Steinmetz, J. D., et al. Causes of blindness and vision impairment in 2020 and trends over 30 years, and prevalence of avoidable blindness in relation to VISION 2020: the Right to Sight: an analysis for the Global Burden of Disease Study. Lancet Glob Health. 9 (2), e144-e160 (2021).
- Pascolini, D., Mariotti, S. P. Global estimates of visual impairment: 2010. Br J Ophthalmol. 96 (5), 614-618 (2012).
- Singh, H. P., et al. Developmental stage-specific proliferation and retinoblastoma genesis in RB-deficient human but not mouse cone precursors. Proc Natl Acad Sci U S A. 115 (40), e9391-e9400 (2018).
- Slijkerman, R. W., et al. The pros and cons of vertebrate animal models for functional and therapeutic research on inherited retinal dystrophies. Prog Retin Eye Res. 48, 137-159 (2015).
- Peng, Y. R., et al. Molecular classification and comparative taxonomics of foveal and peripheral cells in primate retina. Cell. 176 (5), 1222-1237 (2019).
- Ribeiro, J., et al. Restoration of visual function in advanced disease after transplantation of purified human pluripotent stem cell-derived cone photoreceptors. Cell Rep. 35 (3), 109022 (2021).
- Mehat, M. S., et al. Transplantation of human embryonic stem cell-derived retinal pigment epithelial cells in macular degeneration. Ophthalmology. 125 (11), 1765-1775 (2018).
- Manafi, N., et al. Organoids and organ chips in ophthalmology. Ocul Surf. 19, 1-15 (2021).
- Rossi, G., Manfrin, A., Lutolf, M. P. Progress and potential in organoid research. Nat Rev Genet. 19 (11), 671-687 (2018).
- Nakano, T., et al. Self-formation of optic cups and storable stratified neural retina from human ESCs. Cell Stem Cell. 10 (6), 771-785 (2012).
- Kuwahara, A., et al. Generation`of a ciliary margin-like stem cell niche from self-organizing human retinal tissue. Nat Commun. 6, 6286 (2015).
- Zhong, X., et al. Generation of three-dimensional retinal tissue with functional photoreceptors from human iPSCs. Nat Commun. 5, 4047 (2014).
- Clevers, H. Modeling development and disease with organoids. Cell. 165 (7), 1586-1597 (2016).
- O’Hara-Wright, M., Gonzalez-Cordero, A. Retinal organoids: a window into human retinal development. Development. 147 (24), (2020).
- Li, H., et al. Protective effects of resveratrol on the ethanol-induced disruption of retinogenesis in pluripotent stem cell-derived organoids. FEBS Open Bio. 13 (5), 845-866 (2023).
- Zou, T., et al. Organoid-derived C-Kit(+)/SSEA4(-) human retinal progenitor cells promote a protective retinal microenvironment during transplantation in rodents. Nat Commun. 10 (1), 1205 (2019).
- Mandai, M. Pluripotent stem cell-derived Retinal organoid/cells for retinal regeneration therapies: A review. Regen Ther. 22, 59-67 (2023).
- Suarez-Martinez, E., Suazo-Sanchez, I., Celis-Romero, M., Carnero, A. 3D and organoid culture in research: physiology, hereditary genetic diseases and cancer. Cell Biosci. 12 (1), 39 (2022).
- Bose, R., Banerjee, S., Dunbar, G. L. Modeling neurological disorders in 3D organoids using human-derived pluripotent stem cells. Front Cell Dev Biol. 9, 640212 (2021).
- Capowski, E. E., et al. Reproducibility and staging of 3D human Retinal organoids across multiple pluripotent stem cell lines. Development. 146 (1), 171686 (2019).
- Sanjurjo-Soriano, C., et al. RA delays initial photoreceptor differentiation and results in a highly structured mature Retinal organoid. Stem Cell Res Ther. 13 (1), 478 (2022).
- Li, X., Zhang, L., Tang, F., Wei, X. Retinal organoids: cultivation, differentiation, and transplantation. Front Cell Neurosci. 15, 638439 (2021).
- Zerti, D., et al. Developing a simple method to enhance the generation of cone and rod photoreceptors in pluripotent stem cell-derived Retinal organoids. Stem Cells. 38 (1), 45-51 (2020).
- Kim, S., et al. transcriptome profiling, and functional validation of cone-rich human Retinal organoids. Proc Natl Acad Sci U S A. 116 (22), 10824-10833 (2019).
- Yamasaki, S., et al. Addition of Chk1 inhibitor and BMP4 cooperatively promotes retinal tissue formation in self-organizing human pluripotent stem cell differentiation culture. Regen Ther. 19, 24-34 (2022).
- Döpper, H., et al. Differentiation protocol for 3D Retinal organoids, immunostaining and signal quantitation. Curr Protoc Stem Cell Biol. 55 (1), e120 (2020).
- Norrie, J. L., et al. Retinoblastoma from human stem cell-derived Retinal organoids. Nat Commun. 12 (1), 4535 (2021).
