Geração de neurônios humanos e oligodendrócitos a partir de células-tronco pluripotentes para modelagem de interações neurônio-oligodendrócitos
Summary
As interações neurônio-glial na neurodegeneração não são bem compreendidas devido a ferramentas e métodos inadequados. Aqui, descrevemos protocolos otimizados para obter neurônios induzidos, células precursoras de oligodendrócitos e oligodendrócitos de células-tronco pluripotentes humanas e fornecemos exemplos dos valores desses métodos na compreensão das contribuições específicas do tipo celular na doença de Alzheimer.
Abstract
Na doença de Alzheimer (DA) e outros distúrbios neurodegenerativos, a falha oligodendroglial é uma característica patológica precoce comum, mas como ela contribui para o desenvolvimento e progressão da doença, particularmente na massa cinzenta do cérebro, permanece amplamente desconhecida. A disfunção das células da linhagem de oligodendrócitos é marcada por deficiências na mielinização e auto-renovação prejudicada das células precursoras de oligodendrócitos (OPCs). Esses dois defeitos são causados, pelo menos em parte, pela interrupção das interações entre neurônios e oligodendrócitos ao longo do acúmulo de patologia. Os OPCs dão origem a oligodendrócitos mielinizantes durante o desenvolvimento do SNC. No córtex cerebral maduro, as OPCs são as principais células proliferativas (compreendendo ~ 5% do total de células cerebrais) e controlam a formação de nova mielina de maneira dependente da atividade neural. Tais comunicações neurônio-oligodendrócitos são significativamente pouco estudadas, especialmente no contexto de condições neurodegenerativas, como a DA, devido à falta de ferramentas apropriadas. Nos últimos anos, nosso grupo e outros fizeram progressos significativos para melhorar os protocolos atualmente disponíveis para gerar neurônios funcionais e oligodendrócitos individualmente a partir de células-tronco pluripotentes humanas. Neste manuscrito, descrevemos nossos procedimentos otimizados, incluindo o estabelecimento de um sistema de co-cultura para modelar as conexões neurônio-oligodendrócitos. Nossos resultados ilustrativos sugerem uma contribuição inesperada dos OPCs/oligodendrócitos para a amiloidose cerebral e a integridade das sinapses e destacam a utilidade dessa metodologia para a pesquisa da DA. Essa abordagem reducionista é uma ferramenta poderosa para dissecar as interações heterocelulares específicas da complexidade inerente dentro do cérebro. Espera-se que os protocolos que descrevemos aqui facilitem futuros estudos sobre defeitos oligodendrogliais na patogênese da neurodegeneração.
Introduction
As células da linhagem de oligodendrócitos – incluindo células precursoras de oligodendrócitos (OPCs), oligodendrócitos mielinizantes e tipos de transição entre eles – constituem um grupo importante de células cerebrais humanas1 que participam ativamente de muitas funções críticas para o bom funcionamento e manutenção do nosso sistema nervoso central ao longo do desenvolvimento neural e envelhecimento 2,3,4 . Enquanto os oligodendrócitos são bem conhecidos por produzir mielina para facilitar a transmissão da atividade neuronal e apoiar a saúde axonal na substância branca, as OPCs são abundantes (~5%) na massa cinzenta, onde a mielinização é escassa e desempenham funções de sinalização dependentes da atividade para governar o comportamento de aprendizagem e a formação da memória 5,6,7,8 . Como as células oligodendrogliais funcionam e a disfunção na patogênese da doença de Alzheimer (DA) e outras condições neurodegenerativas associadas à idade têm sido pouco estudadas9. As inadequações de um sistema modelo adequado e as deficiências nos conhecimentos gerais para orientar um caminho experimental a seguir são as principais razões para essa lacuna.
À luz dos mais recentes avanços na derivação de células cerebrais humanas a partir de células-tronco pluripotentes, incluindo células-tronco embrionárias (ES) e células-tronco pluripotentes induzidas (iPS), tais modelos celulares em conjunto com ferramentas modernas de edição de genes surgiram como ferramentas robustas para lidar com o intrincado nexo de interações celulares no cérebro e são capazes de demonstrar manifestações de doenças específicas de humanos10, 11. Considerando que os tipos individuais de células cerebrais podem exibir efeitos distintos e até conflitantes diante das mesmas condições promotoras de DA12,13, essa metodologia de células-tronco oferece exclusivamente informações específicas do tipo de célula que anteriormente foram perdidas usando modelos estabelecidos in vivo ou in vitro que fornecem apenas leituras agregadas de coleções de tipos de células cerebrais. Na última década, um bom número de protocolos confiáveis tem sido desenvolvido para gerar neurônios humanos a partir da transdiferenciação de células ES/iPS ou conversão direta de outros tipos celulares terminalmente diferenciados (por exemplo, fibroblastos)14,15. Em particular, a aplicação de fatores-chave de transcrição neurogênica (por exemplo, neurogenina 2, Ngn2)16 a células-tronco pluripotentes humanas pode gerar uma população homogênea de tipos de células neuronais bem caracterizadas para culturas puras sem a necessidade de cocultura com células gliais12,17,18. Para oligodendrócitos humanos induzidos, existem alguns protocolos publicados que podem gerar células funcionais altamente semelhantes às suas contrapartes primárias, com uma ampla gama de eficiência e demanda em tempo e recursos 19,20,21,22,23,24,25,26,27,28 . Até o momento, nenhum desses protocolos foi aplicado para investigar como as células oligodendrogliais respondem e afetam a patogênese da DA.
Aqui, descrevemos nossos protocolos aprimorados para culturas únicas e mistas de neurônios induzidos por humanos (iNs) e OPCs/oligodendrócitos (iOPCs/iOLs). O protocolo iN descrito aqui é baseado na abordagem Ngn2 amplamente utilizada16 e tem a característica adicional de ser livre de glia. Os iNs resultantes são homogêneos e se assemelham muito aos neurônios excitatórios da camada cortical 2/3, com morfologia piramidal, padrão de expressão gênica e características eletrofisiológicascaracterísticas 17,18 (Figura 1). Para superar algumas das barreiras fundamentais na diferenciação dirigida de células-tronco pluripotentes, desenvolvemos um método simples e eficaz de pré-tratamento com baixa dose de dimetilsulfóxido (DMSO)29,30 e relatamos uma maior propensão das células ES/iPS humanas a se transdiferenciarem em iOPCs e iOLs31, com base em um protocolo amplamente adaptado de Douvaras e Fossati 32 . Simplificamos ainda mais o protocolo e incorporamos um composto promotor de diferenciação robusto, a clemastina 7,33,34, para acelerar o processo de maturação oligodendroglial. Como resultado (Figura 2), os iOPCs podem ser gerados em 2 semanas (~95% positivos para o marcador O4) e os iOLs em quatro semanas (expressando marcadores maduros MBP e PLP1). Curiosamente, descobrimos que as iOPCs sozinhas secretam uma quantidade notável de β amiloide (Aβ), consistente com os dados transcriptômicos independentes que mostram a expressão abundante da proteína precursora amiloide (APP) e da protease de processamento β-secretase (BACE1) em células de linhagem de oligodendrócitos35,36. Além disso, nosso sistema de cocultura iN-iOPC promove o revestimento de axônios por processos iOL positivos para MBP e fornece suporte significativo para a formação de sinapses (Figura 3). Assim, os protocolos que detalhamos abaixo têm vantagens técnicas e biológicas sobre os métodos de co-cultura neurônio-oligodendroglia previamente catalogados e são promissores na melhor modelagem da neurodegeneração na DA.
Protocol
Representative Results
Discussion
Além do suporte físico e metabólico para estabilizar as estruturas das sinapses e facilitar a condução do sinal salino por mielinização, as células da linhagem de oligodendrócitos podem moldar o padrão de atividade neuronal por meio de conversas cruzadas rápidas e dinâmicas com neurônios 5,6,7. Enquanto na patologia da DA as respostas oligodendrogliais foram inicialmente consideradas meramente secundárias à inflam…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabalho foi apoiado pelas subvenções dos Institutos Nacionais de Saúde (R00 AG054616 para Y.A.H. e T32 GM136566 para K.C.), Stanford University School of Medicine e uma Siebel Fellowship (concedida a S.C.). Y.A.H. é professor translacional da GFL do Centro de Neurociência Translacional do Brown Institute for Translational Sciences.
Materials
| Accutase | STEMCELL Technologies | 7920 | |
| B27 supplement | ThermoFisher | 17504044 | |
| bFGF | ThermoFisher | PHG 0266 | |
| cAMP | MilliporeSigma | A9501 | |
| Clemastine | MilliporeSigma | SML0445 | |
| DMEM/F12 medium | STEMCELL Technologies | 36254 | |
| DMSO | ThermoFisher | D12345 | |
| Doxycycline | MilliporeSigma | D3072 | |
| Fetal Bovine Serum | ScienCell | 10 | |
| H1 human ES cells | WiCell | WA01 | |
| Matrigel | Corning | 354234 | |
| mTeSR plus | STEMCELL Technologies | 5825 | |
| N2 supplement | ThermoFisher | 17502001 | |
| Neurobasal A medium | ThermoFisher | 10888-022 | |
| Non Essential Amino Acids | ThermoFisher | 11140-050 | |
| PDGF-AA | R&D Systems | 221-AA-010 | |
| PEI | VWR | 71002-812 | |
| pMDLg/pRRE | Addgene | 12251 | |
| Polybrene | MilliporeSigma | TR-1003-G | |
| pRSV-REV | Addgene | 12253 | |
| Puromycin | ThermoFisher | A1113803 | |
| ROCK Inhibitor Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72302 | |
| SAG | Tocris | 4366 | |
| STEMdiff Neural Progenitor Freezing Media | STEMCELL Technologies | 5838 | |
| STEMdiff SMADi Neural Induction Kit | STEMCELL Technologies | 8581 | |
| T3 triiodothyronine | MilliporeSigma | T6397 | |
| Tempo-iOlogo: Human iPSC-derived OPCs | Tempo BioScience | SKU102 | |
| TetO-Ng2-Puro | Addgene | 52047 | |
| VSV-G | Addgene | 12259 |
References
- Pelvig, D. P., Pakkenberg, H., Stark, A. K., Pakkenberg, B. Neocortical glial cell numbers in human brains. Neurobiology of Aging. 29 (11), 1754-1762 (2008).
- Barres, B. A. The mystery and magic of glia: a perspective on their roles in health and disease. Neuron. 60 (3), 430-440 (2008).
- De Strooper, B., Karran, E. The cellular phase of Alzheimer’s disease. Cell. 164 (4), 603-615 (2016).
- Monje, M. Myelin plasticity and nervous system function. Annual Review of Neuroscience. 41, 61-76 (2018).
- Hughes, E. G., Orthmann-Murphy, J. L., Langseth, A. J., Bergles, D. E. Myelin remodeling through experience-dependent oligodendrogenesis in the adult somatosensory cortex. Nature Neuroscience. 21 (5), 696-706 (2018).
- Gibson, E. M., et al. Neuronal activity promotes oligodendrogenesis and adaptive myelination in the mammalian brain. Science. 344 (6183), 1252304 (2014).
- Pan, S., Mayoral, S. R., Choi, H. S., Chan, J. R., Kheirbek, M. A. Preservation of a remote fear memory requires new myelin formation. Nature Neuroscience. 23 (4), 487-499 (2020).
- Thornton, M. A., Hughes, E. G. Neuron-oligodendroglia interactions: Activity-dependent regulation of cellular signaling. Neuroscience Letters. 727, 134916 (2020).
- Ettle, B., Schlachetzki, J. C. M., Winkler, J. Oligodendroglia and myelin in neurodegenerative diseases: more than just bystanders. Molecular Neurobiology. 53 (5), 3046-3062 (2016).
- Essayan-Perez, S., Zhou, B., Nabet, A. M., Wernig, M., Huang, Y. A. Modeling Alzheimer’s disease with human iPS cells: advancements, lessons, and applications. Neurobiology of Disease. 130, 104503 (2019).
- Li, L., et al. GFAP mutations in astrocytes impair oligodendrocyte progenitor proliferation and myelination in an hiPSC model of Alexander disease. Cell Stem Cell. 23 (2), 239-251 (2018).
- Lin, Y. T., et al. APOE4 causes widespread molecular and cellular alterations associated with Alzheimer’s disease phenotypes in human iPSC-derived brain cell types. Neuron. 98 (6), 1294 (2018).
- TCW, J., et al. Cholesterol and matrisome pathways dysregulated in human APOE ε4 glia. bioRxiv. , (2019).
- Ang, C. E., Wernig, M. Induced neuronal reprogramming. Journal of Comparitive Neurology. 522 (12), 2877-2886 (2014).
- Penney, J., Ralvenius, W. T., Tsai, L. H. Modeling Alzheimer’s disease with iPSC-derived brain cells. Molecular Psychiatry. 25 (1), 148-167 (2020).
- Zhang, Y., et al. Rapid single-step induction of functional neurons from human pluripotent stem cells. Neuron. 78 (5), 785-798 (2013).
- Huang, Y. A., Zhou, B., Nabet, A. M., Wernig, M., Sudhof, T. C. Differential signaling mediated by ApoE2, ApoE3, and ApoE4 in human neurons parallels Alzheimer’s Disease risk. Journal of Neuroscience. 39 (37), 7408-7427 (2019).
- Huang, Y. A., Zhou, B., Wernig, M., Sudhof, T. C. ApoE2, ApoE3, and ApoE4 Differentially Stimulate APP Transcription and Abeta Secretion. Cell. 168 (3), 427-441 (2017).
- Yang, N., et al. Generation of oligodendroglial cells by direct lineage conversion. Nature Biotechnology. 31 (5), 434-439 (2013).
- Douvaras, P., et al. Efficient generation of myelinating oligodendrocytes from primary progressive multiple sclerosis patients by induced pluripotent stem cells. Stem Cell Reports. 3 (2), 250-259 (2014).
- Lee, E. H., Park, C. H. Comparison of reprogramming methods for generation of induced-oligodendrocyte precursor cells. Biomolecules & Therapeutics (Seoul). 25 (4), 362-366 (2017).
- Ehrlich, M., et al. Rapid and efficient generation of oligodendrocytes from human induced pluripotent stem cells using transcription factors. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 114 (11), 2243-2252 (2017).
- Rodrigues, G. M. C., et al. Defined and scalable differentiation of human oligodendrocyte precursors from pluripotent stem cells in a 3D culture system. Stem Cell Reports. 8 (6), 1770-1783 (2017).
- Hu, B. Y., Du, Z. W., Li, X. J., Ayala, M., Zhang, S. C. Human oligodendrocytes from embryonic stem cells: conserved SHH signaling networks and divergent FGF effects. Development. 136 (9), 1443-1452 (2009).
- Izrael, M., et al. Human oligodendrocytes derived from embryonic stem cells: Effect of noggin on phenotypic differentiation in vitro and on myelination in vivo. Molecular and Cellular Neuroscience. 34 (3), 310-323 (2007).
- Yamashita, T., et al. Differentiation of oligodendrocyte progenitor cells from dissociated monolayer and feeder-free cultured pluripotent stem cells. PLoS One. 12 (2), 0171947 (2017).
- Wang, S., et al. Human iPSC-derived oligodendrocyte progenitor cells can myelinate and rescue a mouse model of congenital hypomyelination. Cell Stem Cell. 12 (2), 252-264 (2013).
- Chanoumidou, K., Mozafari, S., Baron-Van Evercooren, A., Kuhlmann, T. Stem cell derived oligodendrocytes to study myelin diseases. Glia. 68 (4), 705-720 (2020).
- Chetty, S., et al. A simple tool to improve pluripotent stem cell differentiation. Nature Methods. 10 (6), 553-556 (2013).
- Li, J., et al. A transient DMSO treatment increases the differentiation potential of human pluripotent stem cells through the Rb family. PLoS One. 13 (12), 0208110 (2018).
- Sambo, D., Li, J., Brickler, T., Chetty, S. Transient treatment of human pluripotent stem cells with DMSO to promote differentiation. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (149), (2019).
- Douvaras, P., Fossati, V. Generation and isolation of oligodendrocyte progenitor cells from human pluripotent stem cells. Nature Protocols. 10 (8), 1143-1154 (2015).
- Mei, F., et al. Micropillar arrays as a high-throughput screening platform for therapeutics in multiple sclerosis. Nature Medicine. 20 (8), 954-960 (2014).
- Madhavan, M., et al. Induction of myelinating oligodendrocytes in human cortical spheroids. Nature Methods. 15 (9), 700-706 (2018).
- Zhang, Y., et al. Purification and characterization of progenitor and mature human astrocytes reveals transcriptional and functional differences with mouse. Neuron. 89 (1), 37-53 (2016).
- Grubman, A., et al. A single-cell atlas of entorhinal cortex from individuals with Alzheimer’s disease reveals cell-type-specific gene expression regulation. Nature Neuroscience. 22 (12), 2087-2097 (2019).
- Goldman, S. A., Kuypers, N. J. How to make an oligodendrocyte. Development. 142 (23), 3983-3995 (2015).
- Behrendt, G., et al. Dynamic changes in myelin aberrations and oligodendrocyte generation in chronic amyloidosis in mice and men. Glia. 61 (2), 273-286 (2013).
- Patzke, C., et al. Neuromodulator signaling bidirectionally controls vesicle numbers in human synapses. Cell. 179 (2), 498-513 (2019).
- Piao, J., et al. Human embryonic stem cell-derived oligodendrocyte progenitors remyelinate the brain and rescue behavioral deficits following radiation. Cell Stem Cell. 16 (2), 198-210 (2015).
- Keirstead, H. S., et al. Human embryonic stem cell-derived oligodendrocyte progenitor cell transplants remyelinate and restore locomotion after spinal cord injury. Journal of Neuroscience. 25 (19), 4694-4705 (2005).
- Kim, D. S., et al. Rapid generation of OPC-like cells from human pluripotent stem cells for treating spinal cord injury. Experimental & Molecular Medicine. 49 (7), 361 (2017).
