在本实验方案中,我们旨在描述一种可重复的方法,用于将解离的人多能干细胞来源的神经元与星形胶质细胞共同组合形成三维球状共培养体系,在悬浮条件下维持这些细胞球的生长,并随后通过免疫分析和多电极阵列记录来检测细胞球中突触环路的活性。
方法文章
在本实验方案中,我们旨在描述一种可重复的方法,用于将解离的人多能干细胞来源的神经元与星形胶质细胞共同组合形成三维球状共培养体系,在悬浮条件下维持这些细胞球的生长,并随后通过免疫分析和多电极阵列记录来检测细胞球中突触环路的活性。
目前,研究各种细胞类型和信号如何参与突触环路功能的主要障碍之一,是缺乏可用于研究人脑的合适模型。为解决这一问题,一种新兴技术是采用三维(3D)神经细胞培养系统,即所谓的“类器官”或“球状体”,以长期维持包括细胞外黏附分子在内的细胞间相互作用。然而,这些培养体系耗时较长,且难以实现系统性制备。本文详细介绍了一种利用人多能干细胞快速且稳定地生成神经元与星形胶质细胞三维共培养体系的方法。首先,将预先分化好的星形胶质细胞和神经前体细胞进行解离并计数。随后,将细胞以特定比例混合,并加入Rho激酶抑制剂,接种于成球培养皿中,以形成大小可重复的细胞球。经过数周悬浮培养后,共培养物(“星状体”,asteroids)可被切片用于免疫染色,或接种至多电极阵列上,以检测突触密度和突触强度。总体而言,本方案预期可获得表达成熟细胞类型特异性标志物、形成功能性突触并表现出自发性突触网络簇状放电活性的三维神经球。该体系相较于单层培养模型,更适用于药物筛选以及疾病机制的研究。
星形胶质细胞是中枢神经系统(CNS)中数量极为丰富的胶质细胞类型,其功能远不止提供结构支持。通过分泌可溶性突触生成因子和细胞外基质(ECM)成分,星形胶质细胞在发育过程中促进成熟突触的形成与聚集1。它们还通过细胞外信号传导在维持突触健康和可塑性方面发挥关键作用2,3,4,5,并通过调节细胞外钾离子和谷氨酸水平,以及分泌能量底物和ATP,参与内环境稳态的长期稳定6,7,8。此外,星形胶质细胞可通过影响突触外电流参与神经传递9,并可通过影响其他细胞类型(如促进髓鞘形成10)间接调控神经活动。重要的是,由于星形胶质细胞的异常或功能障碍可导致多种神经发育综合征及成年期神经病理改变,因此为了更真实地模拟内源性脑环境,有必要在构建的神经网络中将星形胶质细胞与神经元共同纳入。星形胶质细胞的一个重要特征是其能够与神经元突触形成动态相互作用1,11,12。在缺乏胶质细胞的情况下,神经元形成的突触数量有限,且这些突触通常缺乏功能上的成熟性13。
人类星形胶质细胞表现出形态学、转录组学和功能上的特征——例如体积增大、分支更为复杂,以及具有物种特异性的基因——这些特征在啮齿类动物中并未重现12,14,15因此,利用人多能干细胞(hPSC)衍生的神经细胞开展研究已被广泛接受为研究中枢神经系统相关疾病的一种手段。 体外 在开发新疗法、损伤模型和培养范式的同时16,17此外,人多能干细胞(hPSCs)使得无需使用原代组织即可研究人类突触的形成与功能18,19.
目前对各类细胞类型和信号如何影响突触环路功能的理解存在障碍,其主要原因在于缺乏与人类大脑相关联的模型。迫切需要一个合适的平台,以高保真度和可重复性重现大脑的突触网络。近年来,人们开始关注三维(3D)培养系统(通常称为“类器官”、“球状体”或“迷你大脑”)20的构建,用于在细胞和宏观层面模拟复杂的三维结构。三维培养系统能够保留细胞外基质(ECM)以及细胞间的相互作用,而这些在传统的二维共培养模式中通常缺失或受限21,22。目前已有多种技术可用于培养三维神经球状体23,24,25;然而,许多方法需要漫长的培养周期(数月到数年),以实现自发发育和分层结构的维持,且实验者对最终结果的控制能力非常有限。
本文介绍了一种系统性方法,通过将人多能干细胞(hPSCs)来源的多种细胞类型(预先分化的神经元和星形胶质细胞)组装成球形共培养体系(“asteroids”)26,从而在三维环境中快速且稳定地构建神经相互作用,重现人类特有的形态复杂性。该高密度神经体系可生成均匀分布的神经亚型,随时间推移逐渐获得成熟特性,并可用于高通量筛选或检测。我们首次证明,在此类三维共培养体系中,人源星形胶质细胞可诱导突触网络簇状放电活动。此外,本实验方案易于调整,可用于生成不同大小的细胞球,适用于具有不同中枢神经系统区域特征的细胞,并可根据需要研究多种其他细胞类型之间的相互作用。
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1. 细胞培养与试剂配制
注意:本节中的实验方案按照其在分化方案(第 2 节)中出现的顺序编写。有关材料及目录编号,请参见材料表。
2. 由人诱导性多能干细胞(hPSCs)生成神经亚型
注意:所有细胞培养物均应在含 5% CO2 的 37 °C 培养箱中进行培养。这些培养物维持在室温氧浓度下,但也可使用较低的氧浓度。
3. 三维球体共培养物的制备与维持
4. 使用多电极阵列(MEAs)测量活体突触生理学
5. 使用免疫细胞化学法测量突触密度
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若操作得当,本方案将生成由人多能干细胞(hPSCs)分化而来的功能明确的星形胶质细胞28,33,34与神经元35共培养体系(图1A-1C),具体步骤如前文所述26,并在本文2.1–2.2步骤中详细描述。该分步操作结合微孔板的使用,预期可获得大小和形状均一的三维神经球(步骤3.3;图1D),细胞分布均匀,且无明显细胞死亡迹象。不同起始细胞密度(保持目标细胞类型比例)将产生不同尺寸的神经球。若不使用微孔板,细胞将聚集成显著更大且不均一的团块,其直径(> 2 mm)将超过扩散极限(图2A
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在本实验方案中,我们描述了一种系统性方法,用于生成神经共培养的三维球体。这些球体由星形胶质细胞和神经元组成,二者均独立来源于人多能干细胞(hPSCs)。尽管本方案的重点不在于此,但从hPSCs中获得高纯度星形胶质细胞群体28是其中关键且技术上具有挑战性的步骤,若缺乏前期经验,操作难度较大。在构建这些突触微环路的过程中,第一步必须严格把握时间并注重操作细节。使用hPSC来源的星形胶质细胞的一个局限性在于其分化周期较长;然而,通过预先大量制备细胞并冻存以备后续实验时解冻使用(见步骤2.1.5),可避免每次均从初始的hPSC阶段重新开始。尽管由转基因hPSCs生成的诱导神经元(iNeurons)本身具有突触形成能力,并能表现出自发性突触后电活动,但这些特性在胶质细胞存在时显著增强12,35——包括本方案中详述的hAstros。因此需注意,细胞类型、数量以及发育阶段或成熟度的选择是本方案中的关键因素,任何调整均可能导致电活动特征或突触可视化结果的差异。然而,本方案也允许研究者根据自...
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢加州大学旧金山分校(UCSF)的 Erik Ullian 博士在这些实验方案设计方面提供的学术指导,感谢美国国立卫生研究院(NIH)的 Michael Ward 博士在诱导神经元分化技术方面的建议,以及 Saba Barlas 在初步图像分析方面的工作。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6 孔板 | Fisher Scientific | 08-772-1B | |
| 15 mL 圆锥形离心管 | Olympus Plastics | 28-101 | |
| Accutase | Sigma | A6964-100ML | 细胞解离溶液 |
| AggreWell 板 | Stemcell Technologies | 34850 | |
| 防粘附冲洗液 | Stemcell Technologies | 7010 | 防止细胞粘附至微孔板 |
| Anti/anti | Thermofisher | 15240062 | |
| B27 | Thermofisher | 17504044 | 培养基添加剂 |
| BrainPhys 神经元培养基 | Stemcell Technologies | 5790 | 神经生理学基础培养基替代品 |
| 圆形玻璃盖玻片 | Neuvitro | GG-12-oz | |
| Cryostor CS10 | Stemcell Technologies | 7930 | 含 10% DMSO 的冷冻保存培养基 |
| DMEM/F12 | Thermofisher | 10565-042 | 含 GlutaMAX 添加剂 |
| DMH-1 | Stemcell Technologies | 73634 | 危险:吞咽有毒。工作浓度:2 μM |
| 驴血清 | Lampire Biological Laboratories | 7332100 | 工作浓度:一抗封闭缓冲液中为 5%,二抗封闭缓冲液中为 1% |
| 盐酸多西环素(Dox) | Sigma | D3072-1ml | 危险:对孕妇有毒。工作浓度:2 μg/mL |
| 表皮生长因子(EGF) | Peprotech | AF-100-15 | 工作浓度:10 ng/mL |
| 成纤维细胞生长因子-2(FGF) | Peprotech | 100-18B | 工作浓度:10 ng/mL |
| Fluoromount-G 封片液 | Southern Biotech | 0100-01 | |
| 载玻片 | Fisherbrand | 22-037-246 | |
| 山羊血清 | Lampire Biological Laboratories | 7332500 | 工作浓度:一抗封闭缓冲液中为 5%,二抗封闭缓冲液中为 1% |
| 血细胞计数板或自动细胞计数仪 | Life Technologies | AMQAX1000 | |
| 肝素 | Sigma | H3149-50KU | 工作浓度:2 mg/mL |
| 磁力板 | DLAB | 8030170200 | |
| Matrigel 基质膜 | Corning | 354230 | ECM 包被溶液。工作浓度:80 μg/mL。需在冰上配制,并确保移液器、离心管和培养基预先冷却。 |
| MEA 2100 系统 | Multichannel Systems | MEA2100 | |
| 封片液 | |||
| N2 | Thermofisher | 17502048 | 培养基添加剂 |
| OCT | Tissue-Tek | 4583 | 冷冻切片组织包埋液 |
| 疏水笔(Aqua Hold) | Scientific Device Laboratory | 9804-02 | |
| 多聚甲醛(PFA) | Acros Organics | 169650025 | 危险:吸入有毒。工作浓度:4% PBS 溶液 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Stemcell Technologies | CA008-300 | |
| 多聚-L-鸟氨酸(PLO) | Sigma | P3655-100MG | 工作浓度:0.5 mg/mL |
| 矩形玻璃盖玻片 | Fisherfinest Premium Superslip | 12-545-88 | |
| ReLeSR | Stemcell Technologies | 5872 | 细胞解离与传代试剂 |
| Rho 激酶抑制剂 Y27632-(Y) | Tocris | 1254 | 工作浓度:10 uM |
| SB431542 | Stemcell Technologies | 72234 | 工作浓度:2 μM |
| 旋转培养瓶 | Fisher Scientific | 4500-125 | |
| 蔗糖 | Fisher Chemical | S5-3 | 工作浓度:20% 或 30% PBS 溶液 |
| T25 培养瓶 | Olympus Plastics | 25-207 | 带透气盖 |
| T75 培养瓶 | Olympus Plastics | 25-209 | 带透气盖 |
| Terg-A-zyme | Sigma | Z273287-1EA | 洗涤剂。工作浓度:1% |
| TeSR-E8 基础培养基 | Stemcell Technologies | 5940 | 人多能干细胞(hPSC)培养基 |
| TeSR-E8 添加剂 | Stemcell Technologies | 5940 | 人多能干细胞培养基添加剂 |
| TritonX-100 | Sigma | X100-500ML | 用于细胞通透的洗涤剂。工作浓度:封闭缓冲液中为 0.25% |
| 台盼蓝 | Invitrogen | T10282 | |
| 抗体 | |||
| AlexaFluor 488 | Thermofisher | A-11029 | 二抗 |
| AlexaFluor 594 | Thermofisher | A-11037 | 二抗 |
| Ezrin | Thermofisher | MA5-13862 | 一抗;星形胶质细胞突触周围标记 |
| GFAP | Chemicon | MAB360 | 一抗;星形胶质细胞 |
| GFP | Aves | GFP-1020 | 一抗;星形胶质细胞 |
| Glt1 | Jeffrey Rothstein 博士惠赠 | n/a | 一抗;星形胶质细胞 |
| Homer | Synaptic Systems | 160 011 | 一抗;神经元,突触后 |
| MAP2 | Synaptic Systems | 188 004 | 一抗;神经元 |
| PSD95 | Abcam | ab2723 | 一抗;神经元,突触后 |
| S100 | Abcam | ab868 | 一抗;星形胶质细胞 |
| Synapsin 1 | Synaptic Systems | 106 103 | 一抗;神经元,突触前 |
| TuJ1/β3-微管蛋白(TUBB3) | Covance | MMS-435P | 一抗;神经元 |
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