Différenciation des lignées du système nerveux entérique à partir de cellules souches pluripotentes humaines
Summary
La dérivation de lignées du système nerveux entérique (ENS) à partir de cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) fournit une source évolutive de cellules pour étudier le développement et la maladie de l’ENS, et à utiliser en médecine régénérative. Ici, un protocole in vitro détaillé pour dériver des neurones entériques à partir de hPSC en utilisant des conditions de culture chimiquement définies est présenté.
Abstract
Le système nerveux entérique humain, ENS, est un vaste réseau de types de cellules gliales et neuronales avec une diversité remarquable de neurotransmetteurs. Le SNE contrôle la motilité intestinale, la sécrétion d’enzymes et l’absorption des nutriments et interagit avec le système immunitaire et le microbiome intestinal. Par conséquent, les défauts développementaux et acquis du SNE sont responsables de nombreuses maladies humaines et peuvent contribuer aux symptômes de la maladie de Parkinson. Les limites des systèmes de modèles animaux et l’accès aux tissus primaires posent des défis expérimentaux importants dans les études du SNE humain. Ici, un protocole détaillé est présenté pour une dérivation in vitro efficace des lignées ENS à partir de cellules souches pluripotentes humaines, hPSC, en utilisant des conditions de culture définies. Notre protocole commence par une différenciation dirigée des hPSC en cellules de la crête neurale entérique en 15 jours et produit divers sous-types de neurones entériques fonctionnels en 30 jours. Cette plate-forme fournit une ressource évolutive pour les études de développement, la modélisation de maladies, la découverte de médicaments et les applications régénératives.
Introduction
Le système nerveux entérique (SNE) est le composant le plus important du système nerveux périphérique. Le SNE contient plus de 400 millions de neurones qui sont situés dans le tractus gastro-intestinal et contrôlent presque toutes les fonctions de l’intestin1. La compréhension moléculaire du développement et de la fonction du SNE et de ses défauts dans les neuropathies entériques nécessite l’accès à une source fiable et authentique de neurones entériques. L’accès aux tissus primaires humains est limité, et les modèles animaux ne parviennent pas à récapituler les phénotypes clés de la maladie dans de nombreuses neuropathies entériques. La technologie des cellules souches pluripotentes humaines (hPSC) s’est avérée extrêmement bénéfique en fournissant une source illimitée de types de cellules souhaités, en particulier celles qui sont difficiles à isoler à partir de sources primaires 2,3,4,5,6,7. Ici, nous fournissons les détails d’une méthode in vitro robuste et par étapes pour obtenir des cultures ENS à partir de hPSC. Ces cultures évolutives dérivées de hPSC ouvrent la voie aux études de développement, à la modélisation des maladies et au criblage de médicaments à haut débit et peuvent fournir des cellules transplantables pour la médecine régénérative.
Les lignées de neurones entériques sont dérivées de cellules de crête neurale (NC) suivant le chemin de développement du SNE au cours de l’embryogenèse. Chez les embryons, les cellules NC émergent le long des marges de la plaque neurale pliée. Ils prolifèrent, migrent et donnent naissance à de nombreux types de cellules différents, notamment les neurones sensoriels, les cellules de Schwann, les mélanocytes, le squelette craniofacial et les neurones entériques et glia 8,9,10. La décision du destin cellulaire dépend de la région distincte le long de l’axe antéro-postérieur d’où émergent les cellules NC, c’est-à-dire NC crânienne, NC vagale, NC tronc et NC sacrée. Le SNE se développe à partir de cellules NC vagales et sacrées, les premières dominant la population des neurones entériques en raison de la migration extensive le long de l’intestin et colonisant l’intestin11.
La dérivation des cellules NC à partir des CSP implique généralement une combinaison d’inhibition double de SMAD et d’activation de la voie WNT12,13. Jusqu’à récemment, tous les protocoles d’induction de la NC impliquaient des additifs sériques et d’autres produits animaux dans les conditions de culture. Les milieux chimiquement indéfinis réduisent non seulement la reproductibilité de l’induction CN, mais remettent également en question les études de développement mécanistes. Pour surmonter ces défis, Barber et coll.14 ont mis au point un protocole d’induction de la NC en utilisant des conditions de culture chimiquement définies et s’est donc avéré avantageux par rapport aux autres méthodes qui reposent sur des facteurs de remplacement sérique (p. ex., KSR)13,14. Ceci a été obtenu par des remplacements de milieux basaux et l’optimisation d’un protocole présenté à l’origine par Fattahi et al pour dériver des cellules NC entériques à partir de hPSC. Ce système amélioré est à la base du protocole de différenciation hPSC qui est présenté ici. Elle commence par l’induction de cellules entériques de la crête neurale (ENC) sur une période de 15 jours par une modulation précise de la signalisation BMP, FGF, WNT et TGFβ en plus de l’acide rétinoïque (RA). Nous dérivons ensuite les lignées ENS en traitant des cellules avec du facteur neurotrophique dérivé de la lignée cellulaire gliale (GDNF). Toutes les compositions de milieux sont définies chimiquement et produisent des cultures neuronales entériques robustes en 30 à 40 jours.
En plus du système de culture cellulaire monocouche décrit ici, d’autres approches d’induction NC ont été développées qui utilisent des corps embryoïdes flottants15,16. Il a été démontré que les cellules migratrices de ces cultures expriment des marqueurs NC avec un sous-ensemble représentant le NC vagal. Des co-cultures avec du tissu intestinal primaire ont été utilisées pour enrichir les précurseurs entériques des NC dans ces cultures. La composition des milieux dans ces études contient une combinaison de différents facteurs tels que le facteur de croissance nerveuse, NT3 et le facteur neurotrophique dérivé du cerveau. À ce stade, il n’est pas tout à fait clair comment ces facteurs pourraient affecter les identités d’engagement des précurseurs des neurones entériques. Pour une comparaison efficace de l’induction entérique des NC dans la monocouche et les cultures basées sur le corps embryoïde, davantage de données sont nécessaires. Étant donné les différentes dispositions de culture dans ces stratégies, l’utilisation de chaque méthode doit être envisagée et optimisée en fonction de l’application spécifique à l’esprit.
Le protocole présenté ici est reproductible et a été testé avec succès par nous et d’autres en utilisant différentes lignées hPSC (induites et embryonnaires) 8,14,16.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le protocole de différenciation décrit ici fournit une méthode in vitro robuste pour obtenir des neurones entériques à partir de hPSC dans un délai de 30 à 40 jours (Figure 1E) et des cellules gliales entériques exprimant la protéine acide fibrillaire gliale, GFAP et SOX10 dans des cultures plus anciennes (> jour 55)13,14,19,22. Ces neurones et ce…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Le travail a été soutenu par des subventions du programme UCSF pour la recherche biomédicale révolutionnaire et de la Fondation Sandler, la subvention March of Dimes n° 1-FY18-394 et 1DP2NS116769-01, le NIH Director’s New Innovator Award (DP2NS116769) à F.F. et l’Institut national du diabète et des maladies digestives et rénales (R01DK121169) à F.F., H.M. est soutenu par la bourse postdoctorale de la Fondation Larry L. Hillblom, bourse T32-DK007418 des NIH et bourse postdoctorale indépendante du programme UCSF pour la recherche biomédicale révolutionnaire.
Materials
| Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A5960 | |
| B27 supplement (serum free, minus vitamin A) | Gibco | 12587-010 | |
| Basement membrane matrix, Geltrex | Gibco | A14133-2 | |
| BMP4 | R&D systems | 314-BP | |
| Cell culture centrifuge | Eppendorf, model no. 5810R | 02262501 | |
| Cell detachment solution, Accutase | Stemcell Technologies | 07920 | |
| CHIR99021 | Tocris | 4423 | |
| Conical tubes | USA scientific | 1475-0511, 1500-1211 | |
| Differentiation base medium, Essential 6 | Life Technologies | A1516401 | |
| DMEM/F-12 no glutamine | Life Technologies | 21331020 | |
| EDTA | Corning | MT-46034CI | |
| Feeder-free hPSC maintenance medium, Essential 8 Flex Medium Kit | Life Technologies | A2858501 | |
| FGF2 | R&D systems | 233-FB/CF | |
| Fibronectin | Corning | 356008 | |
| GDNF | Peprotech | 450-10 | |
| Hemocytometer | Hausser Scientific | 1475 | |
| Human pluripotent stem cells, H9 ESC | WiCell | RRID: CVCL_1240 | |
| Incubator with controlled humidity, temperature and CO2 | Thermo Fisher Scientific | Herralcell 150i | |
| Inverted microscope | Thermo Fisher Scientific | EVOS FL | |
| Laminar flow hood | Thermo Fisher Scientific | 1300 series class II, type A2 | |
| Laminin | Cultrex | 3400-010 | |
| L-glutamine supplement, Glutagro | Corning | 25-015-CI | |
| MEM NEAAs | Corning | 25-025-CI | |
| Multiwell plates, Falcon | BD | 353934, 353075 | |
| N-2 Supplement | CTS | A1370701 | |
| Neurobasal Medium | Life Technologies | 21103049 | |
| PBS (Ca and Mg free) | Life Technologies | 10010023 | |
| Pipette filler | Eppendorf | Z768715-1EA | |
| Pipette tips | USA scientific | 1111-2830 | |
| Pipettes | Fisherbrand | 13-678-11E, 13-678-11F | |
| PO | Sigma-Aldrich | P3655 | |
| polymer coverslip bottom imaging plates, ibidi | ibidi | 81156 | |
| RA | Sigma-Aldrich | R2625 | |
| SB431542 | R&D systems | 1614 | |
| Trypan blue stain, 0.4% | Thermo Fisher Scientific | 15250-061 | |
| Ultra-low attachment plates | Fisher Scientific | 07-200-601 | |
| Y-27632 dihydrochloride | R&D systems | 1254 |
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