Mitokondriyal Hastalık Modellemesi için İnsan Beyni Organoidlerinin Üretimi
Summary
İnsan kaynaklı pluripotent kök hücre türevi beyin organoidlerinin üretimi ve mitokondriyal hastalıkların modelinde kullanımları için ayrıntılı bir protokol açıklıyoruz.
Abstract
Mitokondriyal hastalıklar metabolizmanın en büyük doğuştan gelen hata sınıfını temsil eder ve şu anda tedavi edilemez. Bu hastalıklar, alttaki mekanizmaları aydınlatılmaya devam eden nörogelişimsel kusurlara neden olur. Önemli bir engel, hastalarda görülen erken başlangıçlı nöronal bozukluğu yeniden özetleyen etkili modellerin eksikliğidir. İndüklenmiş pluripotent kök hücre (iPSC) teknolojisindeki gelişmeler, hastalıkların sinir sisteminin gelişimi ve organizasyonu üzerindeki etkisini araştırmak için kullanılabilecek üç boyutlu (3D) beyin organoidlerinin üretilmesini sağlar. Bu yazarlar da dahil olmak üzere araştırmacılar, son zamanlarda mitokondriyal bozuklukları modellemek için insan beyin organoidlerini tanıttılar. Bu makale, insan iPSC türevi beyin organoidlerinin sağlam üretimi ve mitokondriyal biyoenergetik profilleme ve görüntüleme analizlerinde kullanımları için ayrıntılı bir protokol bildirmektedir. Bu deneyler, metabolik ve gelişimsel işlev bozukluklarını araştırmak için beyin organoidlerinin kullanılmasına izin verecek ve mitokondriyal hastalıkların nöronal patolojisini inceleyecek önemli bilgiler sağlayabilir.
Introduction
Mitokondriyal hastalıklar metabolizmanın en büyük doğuştan gelen hata sınıfını temsil eder1. Oksidatif fosforilasyon (OXPHOS)2, solunum zinciri montajı, mitokondriyal dinamikler ve mitokondriyal DNA transkripsiyonu veya replikasyonu3 dahil olmak üzere farklı mitokondriyal süreçleri bozan genetik mutasyonlardan kaynaklanırlar3. Enerji gereksinimi olan dokular özellikle mitokondriyal disfonksiyondan etkilenir4. Buna göre, mitokondriyal hastalıkları olan hastalarda tipik olarak erken başlangıçlı nörolojik belirtiler gelişir.
Şu anda mitokondriyal hastalıklardan etkilenen çocuklar için herhangi bir tedavi bulunmamaktadır5. Mitokondriyal hastalıkların ilaç gelişimi için önemli bir engel, insan hastalığı seyrini yeniden özetleyen etkili modellerin eksikliğidir6. Şu anda çalışılan hayvan modellerinin birçoğu hastalarda mevcut nörolojik kusurları göstermez7. Bu nedenle, mitokondriyal hastalıkların nöronal patolojisinin altında kalan mekanizmalar hala tam olarak anlaşılamamıştır.
Son çalışmalar mitokondriyal hastalıklardan etkilenen hastalardan iPSC’ler üretti ve bu hücreleri hastaya özgü nöronal hücreler elde etmek için kullandı. Örneğin, mitokondriyal hastalık olan Leigh sendromu ile ilişkili genetik kusurların hücresel biyoenergetiklerde 8,9, protein sentezinde10 ve kalsiyum homeostaz9,11’de sapmalara neden olduğu bulunmuştur. Bu raporlar, mitokondriyal hastalıklarda meydana gelen nöronal bozukluk hakkında önemli mekanistik ipuçları sunarak, bu tedavi edilemez hastalıklar için ilaç keşfinin önünü açtı12.
Bununla birlikte, iki boyutlu (2D) kültürler, 3D organların mimari karmaşıklığının ve bölgesel organizasyonunun araştırılmasını sağlamaz13. Bu amaçla, hastaya özgü iPSC’lerden türetilen 3D beyin organoidlerinin kullanımı14 , araştırmacıların ek önemli bilgiler edinmelerine ve böylece mitokondriyal hastalıkların sinir sisteminin gelişimini ve işlevini nasıl etkilediğinin incelenebilmesine yardımcı olabilir15. Mitokondriyal hastalıkları araştırmak için iPSC türevi beyin organoidleri kullanan çalışmalar, mitokondriyal hastalıkların nörogelişimsel bileşenlerini ortaya çıkarmaya başlıyor.
Mitokondriyal hastalık, mitokondriyal ensefalopati, laktik asidoz ve inme benzeri atak sendromu (MELAS) ile ilişkili mutasyonlar taşıyan omurilik organoidleri, kusurlu nörogenez ve gecikmiş motor nöron farklılaşması gösterdi16. Mitokondriyal hastalığı olan Leigh sendromu olan hastalardan elde edilen kortikal organoidler, küçültülmüş boyut, nöral epitel tomurcuk neslinde kusurlar ve kortikal mimari kaybı gösterdi17. Leigh sendromu hastalarından beyin organoidleri, hastalık kusurlarının mitokondriyal metabolizmaya bağlanamayan nöral progenitör hücreler düzeyinde başlatıldığını, anormal nöronal dallanma ve morfogenez18’e neden olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, nöral progenitörler mitokondriyal hastalıklar için hücresel bir terapötik hedefi temsil edebilir ve mitokondriyal fonksiyonlarını teşvik eden stratejiler sinir sisteminin fonksiyonel gelişimini destekleyebilir.
Beyin organoidlerinin kullanımı mitokondriyal hastalıkların nörogelişimsel bileşenlerini ortaya çıkarmaya yardımcı olabilir. Mitokondriyal hastalıklar esas olarak erken başlangıçlı nörodejenerasyon olarak kabul edilir5. Bununla birlikte, gelişimsel gecikme ve bilişsel bozukluk da dahil olmak üzere mitokondriyal hastalıklardan etkilenen hastalarda nörogelişimsel kusurlar da mevcuttur19. Hastaya özgü beyin organoidleri bu yönleri ele almaya yardımcı olabilir ve mitokondriyal hastalıkların insan beyin gelişimini nasıl etkileyebileceğini aydınlatabilir. Mitokondriyal disfonksiyon, Alzheimer hastalığı, Parkinson hastalığı ve Huntington hastalığı4 gibi diğer daha yaygın nörolojik hastalıklarda da patogenetik bir rol oynayabilir. Bu nedenle, mitokondriyal kusurların beyin organoidlerini kullanarak nörogelişimdeki etkisinin aydınlatılması da bu hastalıkların incelenmesinde etkili olabilir. Bu makalede, mitokondriyal hastalıkların hastalık modellemesi için kullanılabilecek tekrarlanabilir beyin organoidleri üretmek için ayrıntılı bir protokol açıklanmaktadır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu makale, insan iPSC türevi beyin organoidlerinin tekrarlanabilir neslini ve mitokondriyal hastalık modellemesi için kullanımlarını açıklamaktadır. Burada açıklanan protokol, önceden yayımlanmış bir çalışma20 temel alınarak değiştirilir. Mevcut protokolün en büyük avantajlarından biri, her organoidin bir iskele matrisine manuel olarak gömülmesini gerektirmemesidir. Aslında, matris çözeltisi hücre kültürü ortamına basitçe çözülür. Ayrıca, organoidler standa…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Teknik destek için Miriam Bünning’e teşekkür ederiz. Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (PR1527/5-1 to A.P.), Spark ve Berlin Sağlık Enstitüsü (BH) (BH Doğrulama Fonları A.P.), Birleşik Mit’ten destek kabul ediyoruzOchondrial Disease Foundation (UMDF) (Leigh Syndrome International Consortium Grant to A.P.), University Hospital Duesseldorf (Forschungskommission UKD to A.P.) ve Almanya Federal Eğitim ve Araştırma Bakanlığı (BMBF) (e: Bio genç araştırmacı A.P.’ye AZ 031L0211 verir). C.R.R. laboratuvarındaki çalışmalar DFG tarafından desteklendi (FOR 2795 “Synapses under stress”, Ro 2327/13-1).
Materials
| 2-mercaptoethanol | Gibco | 31350-010 | |
| Affinity Designer | Serif (Europe) Ltd | Layout software; Vector graphics editor | |
| Alexa Fluor 488 donkey anti-guinea pig | Sigma Aldrich | SAB4600033-250UL | 1:300 |
| Alexa Fluor 488 donkey anti-mouse | Thermo Fisher Scientific | A-31571 | 1:300 |
| Antimycin A | Sigma Aldrich | 1397-94-0 | |
| Anti-β-Tubulin III (TUJ-1) | Sigma Aldrich | T8578 | 1:2000 |
| Argon Laser | Melles Griot | Any other Laser, e.g., diode lasers emitting 488 is fine, too | |
| Ascorbic acid | Sigma | A92902 | |
| B-27 with Vitamin A | Gibco | 17504044 | |
| Bacto Agar | Becton Dickinson | 3% in PBS, store solution at -20 °C | |
| BDNF | Miltenyi Biotec | 130-093-0811 | |
| cAMP | Sigma | D0627 | |
| Cell Star cell culture 6 well plate | Greiner-Bio-One | 657160 | |
| Chemically Defined Lipid Concentrate | Gibco | 11905031 | |
| Confocal laser scanning microscope C1 | Nikon Microscope Solutions | Modular confocal microscope system | |
| Corning Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement membrane matrix, Phenol Red-free, LDEV-free | Corning | 356231 | Matrix component |
| CyQUANT Cell Proliferation Assay Kit | Thermo Fisher | C7026 | |
| DMEM/F12 | ThermoFisher | 31330038 | |
| DMSO | Sigma | D2660-100ML | |
| Donkey anti-goat Cy3 | Merck Millipore | AP180C | 1:300 |
| Donkey anti-mouse Cy3 | Merck Millipore | AP192C | 1:300 |
| Donkey anti-rabbit Cy3 | Merck Millipore | AP182C | 1:300 |
| DPBS | Gibco | 14190250 | |
| DS-Q1Mc camera | Nikon Microscope Solutions | ||
| Eclipse 90i upright widefield microscope | Nikon Microscope Solutions | ||
| Eclipse E 600FN upright microscope | Nikon Microscope Solutions | ||
| Eclipse Ts2 Inverted Microscope | Nikon Microsope Solutions | ||
| EZ-C1 Silver Version 3.91 | Nikon Microscope Solutions | Imaging software for confocal microscope | |
| FCCP | Sigma Aldrich | 370-86-5 | |
| Fetal Bovine Serum | Gibco | 10270-106 | |
| GDNF | Miltenyi Biotec | 130-096-291 | |
| Glasgow MEM | Gibco | 11710-035 | |
| Glass Pasteur pipette | Brand | 747715 | Inverted |
| Glutamax | Gibco | 35050-061 | |
| Helium-Neon Laser | Melles Griot | Every other Laser, e.g., diode lasers emitting 594 is fine, too | |
| Heparin | Merck | H3149-25KU | |
| HERACell 240i CO2 Incubator | Thermo Scientific | 51026331 | |
| Hoechst 33342 | Invitrogen | H3570 | 1:2500 |
| Image J 1.53c | Wayne Rasband National Institute of Health | Image processing Software | |
| Injekt Solo 10 mL/ Luer | Braun | 4606108V | |
| Knockout Serum Replacement | Gibco | 10828010 | |
| Laser (407 nm) | Coherent | Any other Laser, e.g., diode lasers emitting 407 is fine, too | |
| Map2 | Synaptic Systems | No. 188004 | 1:1000 |
| Maxisafe 2030i | |||
| MEM NEAA | Gibco | 11140-050 | |
| mTeSR Plus | Stemcell Technology | 85850 | iPSC medium |
| Multifuge X3R Centrifuge | Thermo Scientific | 10325804 | |
| MycoAlert Mycoplasma Detection Kit | Lonza | # LT07-218 | |
| N2 Supplement | Gibco | 17502-048 | |
| Needle for single usage (23G x 1” TW) | Neoject | 10016 | |
| NIS-Elements Aadvanced Research 3.2 | Nikon | Imaging software | |
| Oligomycin A | Sigma Aldrich | 75351 | |
| Orbital Shaker Heidolph Unimax 1010 | Heidolph | 543-12310-00 | |
| PAP Pen | Sigma | Z377821-1EA | To draw hydrophobic barrier on slides. |
| Papain Dissociation System kit | Worthington | LK003150 | |
| Paraformaldehyde | Merck | 818715 | 4% in PBS, store solution at -20 °C |
| Pasteur pipette 7mL | VWR | 612-1681 | Graduated up to 3 mL |
| Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140-122 | |
| Plan Apo VC 20x / 0.75 air DIC N2 ∞/0.17 WD 1.0 | Nikon Microscope Solutions | Dry Microscope Objective | |
| Plan Apo VC 60x / 1.40 oil DIC N2 ∞/0.17 WD 0.13 | Nikon Microscope Solutions | Oil Immersion Microscope Objective | |
| Polystyrene Petri dish (100 mm) | Greiner Bio-One | 664161 | |
| Polystyrene round-bottom tube with cell-strainer cap (5 mL) | Falcon | 352235 | |
| Potassium chloride | Roth | 6781.1 | |
| ProLong Glass Antifade Moutant | Invitrogen | P36980 | |
| Qualitative filter paper | VWR | 516-0813 | |
| Rock Inhibitior | Merck | SCM075 | |
| Rotenone | Sigma | 83-794 | |
| S100β | Abcam | Ab11178 | 1:600 |
| SB-431542 | Cayman Chemical Company | 13031 | |
| Scalpel blades | Heinz Herenz Hamburq | 1110918 | |
| SMI312 | Biolegend | 837904 | 1:500 |
| Sodium bicarbonate | Merck/Sigma | 31437-1kg-M | |
| Sodium chloride | Roth | 3957 | |
| Sodium dihydrogen phosphate | Applichem | 131965 | |
| Sodium Pyruvate | Gibco | 11360070 | |
| SOX2 | Santa Cruz Biotechnology | Sc-17320 | 1:100 |
| StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | Gibco/StemPro | A1110501 | Reagent A |
| Super Glue Gel | UHU | 63261 | adhesive gel |
| SuperFrost Plus | VWR | 631-0108 | |
| Syringe for single usage (1 mL) | BD Plastipak | 300015 | |
| TB2 Thermoblock | Biometra | ||
| TC Plate 24 Well | Sarstedt | 83.3922 | |
| TC Plate 6 Well | Sarstedt | 83.392 | |
| TGFbeta3 | Miltenyi Biotec | 130-094-007 | |
| Tissue Culture Hood | ThermoFisher | 51032711 | |
| TOM20 | Santa Cruz Biotechnology | SC-11415 | 1:200 |
| Triton-X | Merck | X100-5ML | |
| UltraPure 0.5M EDTA | Invitrogen | 15575020 | |
| Vibratome Microm HM 650 V | Thermo Scientific | Production terminated, any other adjustable microtome is fine, too. | |
| Vibratome Wilkinson Classic Razor Blade | Wilkinson Sword | 70517470 | |
| Whatman Benchkote | Merck/Sigma | 28418852 | |
| Wnt Antagonist I | EMD Millipore Corp | 3378738 | |
| XF 96 extracellular flux analyser | Seahorse Bioscience | 100737-101 | |
| XF Assay DMEM Medium | Seahorse Bioscience | 103680-100 | |
| XF Calibrant Solution | Seahorse Bioscience | 100840-000 | |
| XFe96 FluxPak (96-well microplate) | Seahorse Bioscience | 102416-100 |
References
- Koopman, W. J., Willems, P. H., Smeitink, J. A. Monogenic mitochondrial disorders. New England Journal of Medicine. 366 (12), 1132-1141 (2012).
- Gorman, G. S., et al. Mitochondrial diseases. Nature Review Disease Primers. 2, 16080 (2016).
- Vafai, S. B., Mootha, V. K. Mitochondrial disorders as windows into an ancient organelle. Nature. 491 (7424), 374-383 (2012).
- Carelli, V., Chan, D. C. Mitochondrial DNA: impacting central and peripheral nervous systems. Neuron. 84 (6), 1126-1142 (2014).
- Russell, O. M., Gorman, G. S., Lightowlers, R. N., Turnbull, D. M. Mitochondrial diseases: hope for the future. Cell. 181 (1), 168-188 (2020).
- Weissig, V. Drug development for the therapy of mitochondrial diseases. Trends in Molecular Medicine. 26 (1), 40-57 (2020).
- Tyynismaa, H., Suomalainen, A. Mouse models of mitochondrial DNA defects and their relevance for human disease. EMBO Reports. 10 (2), 137-143 (2009).
- Ma, H., et al. Metabolic rescue in pluripotent cells from patients with mtDNA disease. Nature. 524 (7564), 234-238 (2015).
- Galera-Monge, T., et al. Mitochondrial dysfunction and calcium dysregulation in Leigh syndrome induced pluripotent stem cell derived neurons. International Journal of Molecular Science. 21 (9), 3191 (2020).
- Zheng, X., et al. Alleviation of neuronal energy deficiency by mTOR inhibition as a treatment for mitochondria-related neurodegeneration. Elife. 5, 13378 (2016).
- Lorenz, C., et al. Human iPSC-derived neural progenitors are an effective drug discovery model for neurological mtDNA disorders. Cell Stem Cell. 20 (5), 659-674 (2017).
- Inak, G., et al. Concise review: induced pluripotent stem cell-based drug discovery for mitochondrial disease. Stem Cells. 35 (7), 1655-1662 (2017).
- Chiaradia, I., Lancaster, M. A. Brain organoids for the study of human neurobiology at the interface of in vitro and in vivo. Nature Neuroscience. 23 (12), 1496-1508 (2020).
- Lancaster, M. A., Knoblich, J. A. Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nature Protocol. 9 (10), 2329-2340 (2014).
- Liput, M., et al. Tools and approaches for analyzing the role of mitochondria in health, development and disease using human cerebral organoids. Developmental Neurobiology. , (2021).
- Winanto, K. Z. J., Soh, B. S., Fan, Y., Ng, S. Y. Organoid cultures of MELAS neural cells reveal hyperactive Notch signaling that impacts neurodevelopment. Cell Death and Disease. 11 (3), 182 (2020).
- Romero-Morales, A. I., et al. Human iPSC-derived cerebral organoids model features of Leigh Syndrome and reveal abnormal corticogenesis. bioRxiv. , (2020).
- Inak, G., et al. Defective metabolic programming impairs early neuronal morphogenesis in neural cultures and an organoid model of Leigh syndrome. Nature Communications. 12 (1), 1929 (2021).
- Falk, M. J. Neurodevelopmental manifestations of mitochondrial disease. Journal of Developmental & Behavioral Pediatrics. 31 (7), 610-621 (2010).
- Velasco, S., et al. Individual brain organoids reproducibly form cell diversity of the human cerebral cortex. Nature. 570 (7762), 523-527 (2019).
- Pfiffer, V., Prigione, A. Assessing the bioenergetic profile of human pluripotent stem cells. Methods in Molecular Biology. 1264, 279-288 (2015).
- Ludikhuize, M. C., Meerlo, M., Burgering, B. M. T., Colman, R. M. J. Protocol to profile the bioenergetics of organoids using Seahorse. STAR Protocols. 2 (1), 100386 (2021).
- Menacho, C., Prigione, A. Tackling mitochondrial diversity in brain function: from animal models to human brain organoids. International Journal of Biochemestry & Cell Biology. 123, 105760 (2020).
- Del Dosso, A., Urenda, J. P., Nguyen, T., Quadrato, G. Upgrading the physiological relevance of human brain organoids. Neuron. 107 (6), 1014-1028 (2020).
