Generación de neuroesferas a partir de neuronas de hipocampo primario mixto y cortical esinas aisladas del e14-E16 Sprague Dawley Rat Embryo
Summary
Aquí se presenta un protocolo para la generación espontánea de neuroesferas enriquecidas en células progenitoras neuronales a partir de neuronas chapadas de alta densidad. Durante el mismo experimento, cuando las neuronas se platean a una densidad más baja, el protocolo también resulta en cultivos prolongados de neuronas de rata primaria.
Abstract
El cultivo de neuronas primarias es una técnica esencial en el campo de la neurociencia. Para obtener una visión mecanicista más profunda en el cerebro, es esencial tener un modelo in vitro robusto que pueda ser explotado para varios estudios de neurobiología. Aunque los cultivos de neuronas primarias (es decir, cultivos hipocampales a largo plazo) han proporcionado a los científicos modelos, todavía no representa la complejidad de la red cerebral por completo. A raíz de estas limitaciones, un nuevo modelo ha surgido utilizando las neuroesferas, que tiene un parecido más cercano al tejido cerebral. El presente protocolo describe el revestimiento de altas y bajas densidades de neuronas corticales e hipocampales mixtas aisladas del embrión de ratas embrionarias del día 14-16 de Sprague Dawley. Esto permite la generación de neuroesferas y cultivo de neuronas primarias a largo plazo como dos plataformas independientes para llevar a cabo más estudios. Este proceso es extremadamente simple y rentable, ya que minimiza varios pasos y reactivos que anteriormente se consideraban esenciales para el cultivo de neuronas. Este es un protocolo robusto con requisitos mínimos que se pueden realizar con resultados alcanzables y más utilizado para una diversidad de estudios relacionados con la neurociencia.
Introduction
El cerebro es un circuito intrincado de células neuronales y no neuronales. Durante años, los científicos han estado tratando de obtener información sobre esta compleja maquinaria. Para ello, los neurocientíficos recurrieron inicialmente a varias líneas celulares transformadas basadas en los nervios para las investigaciones. Sin embargo, la incapacidad de estas líneas celulares clonales para formar fuertes conexiones sinápticasy axones o dendritas adecuadas han desplazado el interés científico a los cultivos de neuronas primarias 1,2. El aspecto más emocionante de la cultura de neuronas primarias es que crea una oportunidad para observar y manipular las neuronas vivas3. Además, es menos complejo en comparación con el tejido neural, lo que lo convierte en un candidato ideal para estudiar la función y el transporte de varias proteínas neuronales. Recientemente, varios desarrollos en los campos de la microscopía, la genómica y la proteómica han generado nuevas oportunidades para que los neurocientíficos exploten las culturas de las neuronas4.
Las culturas primarias han permitido a los neurocientíficos explorar los mecanismos moleculares detrás del desarrollo neuronal, analizar varias vías de señalización neuronal y desarrollar una comprensión más coherente de la sinapsis. Aunque una serie de métodos han reportado cultivos de neuronas primarias (principalmente del origen del hipocampo5,6,7), un protocolo unificado con un medio definido químicamente que permite el cultivo a largo plazo de las neuronas es todavía es necesario. Sin embargo, las neuronas plateadas a una baja densidad se observan con mayor frecuencia, que no sobreviven a largo plazo, probablemente debido a la falta de soporte trófico8 que es proporcionado por las neuronas adyacentes y células gliales. Algunos métodos incluso han sugerido la co-cultura de las neuronas primarias con célulasgliales, donde las células gliales se utilizan como una capa de alimentación 9. Sin embargo, las células gliales plantean muchos problemas debido a su crecimiento excesivo, que a veces anulan el crecimiento neuronal10. Por lo tanto, teniendo en cuenta los problemas anteriores, se requiere un protocolo de cultivo neural primario más simple y rentable, que puede ser utilizado por neurobiólogos y neuroquímicos para investigaciones.
Un cultivo de neurona primaria es esencialmente una forma de cultivo 2D y no representa la plasticidad, integridad espacial o heterogeneidad del cerebro. Esto ha dado lugar a la necesidad de un modelo 3D más creíble llamado neuroesferas11,12. Las neuroesferas presentan una plataforma novedosa para los neurocientíficos, con un parecido más cercano al cerebro real, in vivo13. Las neuroesferas son grupos 3D no adherentes de células que son ricas en células madre neurales (NSC), células progenitoras neuronales (NPC), neuronas y astrocitos. Son una excelente fuente para el aislamiento de células madre neurales y células progenitoras neuronales, que se pueden utilizar para estudiar la diferenciación en varios linajes neuronales y no neuronales. Una vez más, la variabilidad dentro de los cultivos de la neuroesfera producidos utilizando los protocolos reportados anteriormente presenta una barrera a la formulación de un protocolo unificado de cultivo de la neuroesfera14.
Este manuscrito presenta un protocolo en el que es posible generar plataformas 2D y 3D alternando densidades de chapado celular a partir de un cultivo cortical e hipocampal mixto. Se observa que en un plazo de 7 días, las neuroesferas flotantes se obtienen de neuronas chapadas de alta densidad aisladas del embrión de rata Sprague Dawley E14-E16, que tras un cultivo posterior, forman puentes e interconexiones a través de extensiones radiales de tipo glial. Del mismo modo, en las neuronas chapadas de baja densidad, se obtiene un cultivo de neuronas primarias que se pueden mantener hasta 30 días cambiando el medio de mantenimiento dos veces por semana.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo describe que cómo al alterar las densidades de revestimiento celular de las neuronas primarias, se obtienen dos plataformas neuronales variables. Aunque se trata de un método sencillo, cada paso debe realizarse meticulosamente para lograr los resultados deseados. Otros métodos anteriores han reportado cultivos de neuronas primarias a largo plazo o cultivos de neuroesfera. La mayoría de los protocolos de cultivo de neuronas primarias han implicado el cultivo de neuronas hipocampales durante 3-5 semanas,…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a las instalaciones para animales del CSIR-IICB. G. D. agradece a ICMR, J. K. y V. G. agradecen a DST Inspire, y a D. M. gracias dbT, India por sus becas. S. G. reconoce amablemente a SERB (EMR/2015/002230) India por proporcionar apoyo financiero.
Materials
| Anti-GFAP | Abcam | AB7260 | |
| Anti- Nestin | Abcam | AB92391 | |
| Anti-O4 | Millipore | MAB345 | |
| Anti-Tau | Abcam | AB76128 | |
| Anti-Tuj1 | Millipore | MAB1637 | |
| B27 Serum Free Supplement | Gibco | 17504-044 | |
| Cell Counter | Life technologies | Countess II FL | |
| CO2 Incubator | Eppendorf | Galaxy 170 R | |
| D-glucose | SDFCL | 38450-K05 | |
| Ethanol | Merck Millipore | 100983 | |
| Fluorescence Microscope | Olympus | IX83 Model | |
| Formaldehyde | Sigma Aldrich | 47608 | |
| GlutaMax-I Supplement | Gibco | 35050-061 | |
| GtXMs IgG Fluor | Millipore | AP1814 | |
| GtXMs IgG (H+L) | Millipore | AP124C | |
| HEPES | SRL | 16826 | |
| Hoechst 33258 | Calbiochem | 382061 | |
| Horse Serum | HiMedia | RM10674 | |
| Hydrochloric Acid | Rankem | H0100 | |
| Laminar Hood | BioBase | BBS-V1800 | |
| MEM Eagle’s with Earle’s BSS | Sigma Aldrich | M-2279 | |
| Microscope | Dewinter | Victory Model | |
| Neurobasal Medium | Gibco | 21103-049 | |
| Plasticware (24 well plate, cell strainers, and low adherence plates) | BD Falcon | 353047, 352350 and 3471 | |
| 90 mm Petridishes | Himedia | PW001 | |
| Penicillin/Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
| Poly-D-Lysine | Millipore | A.003.E | |
| Potassium Chloride | Fisher Scientific | BP366-500 | |
| Potassium Phosphate Monobasic | Merck | MI6M562401 | |
| Sodium Chloride | Qualigem | 15918 | |
| Sodium Phosphate Dibasic | Merck | MI6M562328 | |
| Stereomicrosope | Dewinter | Zoomstar Model | |
| Triton-X 100 | SRL | 2020130 | |
| Trypan Blue Solution | Gibco | 15250-061 | |
| 0.25 % Trypsin-EDTA | Gibco | 25200-072 |
Referências
- Lorsch, J. R., Collins, F. S., Lippincott-Schwartz, J. Fixing problems with cell lines. Science. 346 (6216), 1452-1453 (2014).
- Masters, J. R. W. Cell line misidentification: the beginning of the end. Nature Reviews Cancer. 10 (6), 441-448 (2010).
- Banker, G. . Culturing Nerve Cells, 2nd edition. , 339-370 (1998).
- Geschwind, D. H., Konopka, G. Neuroscience in the era of functional genomics and systems biology. Nature. 461 (7266), 908-915 (2009).
- Kaech, S., Banker, G. Culturing hippocampal neurons. Nature Protocol. 1, 2406-2415 (2006).
- Lu, Z. M., Piechowicz, M., Qiu, S. F. A Simplified Method for Ultra-Low Density, Long-Term Primary Hippocampal Neuron Culture. Journal of Visual Experiments. 109, e53797 (2016).
- Kaneko, A., Sankai, Y. Long-Term Culture of Rat Hippocampal Neurons at Low Density in Serum-Free Medium: Combination of the Sandwich Culture Technique with the Three-Dimensional Nanofibrous Hydrogel PuraMatrix. PLoS ONE. 9 (7), e102703 (2014).
- Banker, G. A. Trophic interactions between astroglial cells and hippocampal neurons in culture. Science. 209 (4458), 809-810 (1980).
- Dotti, C. G., Sullivan, C. A., Banker, G. A. The establishment of polarity by hippocampal neurons in culture. Journal of Neuroscience. 8 (4), 1454-1468 (1988).
- Piret, G., Perez, M. T., Prinz, C. N. Support of Neuronal Growth Over Glial Growth and Guidance of Optic Nerve Axons by Vertical Nanowire Arrays. ACS Applied Materials & Interfaces. 7 (34), 18944-18948 (2015).
- Campos, L. S. Neurospheres: Insights biology into neural stem cell biology. Journal of Neuroscience Research. 78 (6), 761-769 (2004).
- Ahmed, S. The Culture of Neural Stem Cells. Journal of Cellular Biochemistry. 106, 1-6 (2009).
- Reynolds, B. A., Weiss, S. Generation of neurons and astrocytes from isolated cells of the adult mammalian central nervous system. Science. 255, 1707-1710 (1992).
- Jensen, J. B., Parmar, M. Strengths and limitations of the neurosphere culture system. Molecular Neurobiology. 34 (3), 153-161 (2006).
- Strober, W. Trypan blue exclusion test of cell viability. Current Protocols in Immunology. 111, A3.B.1-A3.B.3 (2015).
- Pradhan, K., et al. Neuro-Regenerative Choline-Functionalized Injectable Graphene Oxide Hydrogel Repairs Focal Brain Injury. ACS Chemical Neuroscience. 10 (3), 1535-1543 (2019).
- Ray, B., Bailey, J. A., Sarkar, S., Lahiri, D. K. Molecular and immunocytochemical characterization of primary neuronal cultures from adult rat brain: Differential expression of neuronal and glial protein markers. Journal of Neuroscience Methods. 184 (2), 294-302 (2009).
- Robinson, A. P., Rodgers, J. M., Goings, G. E., Miller, S. D. Characterization of Oligodendroglial Populations in Mouse Demyelinating Disease Using Flow Cytometry: Clues for MS Pathogenesis. PLoS ONE. 9 (9), (2014).
- Osterberg, N., Roussa, E. Characterization of primary neurospheres generated from mouse ventral rostral hindbrain. Cell and Tissue Research. 336 (1), 11-20 (2009).
- Bernal, A., Arranz, L. Nestin-expressing progenitor cells: function, identity and therapeutic implications. Cellular and Molecular Life Sciences. 75 (12), 2177-2195 (2018).
- Qu, Q. H., et al. High-efficiency motor neuron differentiation from human pluripotent stem cells and the function of Islet-1. Nature Communications. 5, 3449 (2014).
- Bradke, F., Dotti, C. G. Differentiated neurons retain the capacity to generate axons from dendrites. Current Biology. 10 (22), 1467-1470 (2000).
- Theocharatos, S., et al. Regulation of Progenitor Cell Proliferation and Neuronal Differentiation in Enteric Nervous System Neurospheres. PLoS ONE. 8 (1), (2013).
- Binder, E., et al. Enteric Neurospheres Are Not Specific to Neural Crest Cultures: Implications for Neural Stem Cell Therapies. PLoS ONE. 10 (3), e0119467 (2015).
- Cordey, M., Limacher, M., Kobel, S., Taylor, V., Lutolf, M. P. Enhancing the Reliability and Throughput of Neurosphere Culture on Hydrogel Microwell Arrays. Stem Cells. 26 (10), 2586-2594 (2008).
- Ladiwala, U., Basu, H., Mathur, D. Assembling Neurospheres: Dynamics of Neural Progenitor/Stem Cell Aggregation Probed Using an Optical Trap. PLoS ONE. 7 (6), (2012).
