我们描述了一种详细的人诱导性多能干细胞来源的脑类器官的生成方案,及其在模拟线粒体疾病中的应用。
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我们描述了一种详细的人诱导性多能干细胞来源的脑类器官的生成方案,及其在模拟线粒体疾病中的应用。
线粒体疾病是先天性代谢障碍中最大的一类,目前尚无治愈手段。这类疾病可导致神经发育缺陷,但其潜在机制仍有待阐明。一个主要障碍是缺乏能够重现患者早期神经功能损伤的有效模型。诱导性多能干细胞(iPSCs)技术的进步使得能够生成三维(3D)脑类器官,可用于研究疾病对神经系统发育和结构组织的影响。包括本文作者在内的研究人员近期已引入人类脑类器官来模拟线粒体疾病。本文报道了一种高效生成人源iPSC衍生脑类器官的详细实验方案,并介绍了其在线粒体生物能量学分析及成像研究中的应用。这些实验将有助于利用脑类器官研究代谢和发育功能障碍,并可能为解析线粒体疾病的神经病理机制提供关键信息。
线粒体疾病是先天性代谢缺陷中最大的一类1。其病因是基因突变导致多种线粒体功能障碍,包括氧化磷酸化(OXPHOS)2、呼吸链组装、线粒体动力学以及线粒体DNA的转录或复制异常3。能量需求较高的组织尤其容易受到线粒体功能障碍的影响4。因此,线粒体疾病患者通常会出现早发性神经系统症状。
目前尚无针对线粒体疾病患儿的可用治疗方法5。线粒体疾病药物研发的主要障碍之一在于缺乏能够有效模拟人类疾病进程的模型6。目前研究的多种动物模型均未表现出患者中存在的神经学缺陷7。因此,线粒体疾病神经病理学背后的机制仍未被完全阐明。
近期研究从线粒体疾病患者中生成了诱导多能干细胞(iPSCs),并利用这些细胞获得了患者特异性的神经元细胞。例如,与线粒体疾病Leigh综合征相关的基因缺陷已被发现会导致细胞生物能量学8,9、蛋白质合成10以及钙稳态9,11出现异常。这些研究报告为线粒体疾病中发生的神经元功能障碍提供了重要的机制性线索,也为这些目前无法治愈的疾病的新药研发开辟了道路12。
然而,二维(2D)培养无法用于研究三维(3D)器官的结构复杂性和区域组织特性13。为此,利用患者特异性诱导多能干细胞(iPSCs)衍生的三维脑类器官14,可能使研究人员获得额外的重要信息,从而有助于解析线粒体疾病如何影响神经系统的发育与功能15。目前,已有研究采用iPSC来源的脑类器官来探究线粒体疾病,逐步揭示其神经发育层面的病理机制。
携带与线粒体脑肌病、乳酸酸中毒及卒中样发作综合征(MELAS)相关突变的脊髓类器官表现出神经发生缺陷以及运动神经元分化延迟16。源自患有线粒体疾病——Leigh综合征患者的大脑皮层类器官显示体积减小、神经上皮芽生成缺陷以及皮层结构的丧失17。来自Leigh综合征患者的脑类器官研究表明,该疾病的缺陷起始于神经前体细胞水平,这些细胞无法有效启动线粒体代谢,从而导致异常的神经元分支和形态发生18。因此,神经前体细胞可能代表了线粒体疾病的一个潜在细胞治疗靶点,促进其线粒体功能的策略可能有助于神经系统功能的正常发育。
脑类器官的使用可能有助于揭示线粒体疾病的神经发育组分。线粒体疾病主要被视为早发性神经退行性疾病5。然而,患有线粒体疾病的患者也存在神经发育缺陷,包括发育迟缓和认知障碍19。患者特异性的脑类器官可能有助于研究这些方面,并阐明线粒体疾病如何影响人类大脑发育。线粒体功能障碍还可能在其他更常见的神经系统疾病中发挥致病作用,例如阿尔茨海默病、帕金森病和亨廷顿病4。因此,利用脑类器官阐明线粒体缺陷对神经发育的影响,也可能对这些疾病的研究具有重要意义。本文描述了一种生成可重复性脑类器官的详细方案,可用于线粒体疾病的疾病建模研究。
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注意:使用人类诱导多能干细胞(iPSCs)可能需要获得伦理审批。本研究中使用的iPSCs系在获得当地伦理批准(#2019-681)后,从健康对照个体中分离获得。所有细胞培养操作均须在无菌细胞培养超净台内进行,并在转移至超净台前仔细对所有试剂和耗材进行消毒。用于分化的iPSCs传代次数应低于50代,以避免长期培养可能导致的基因组异常。在类器官生成前,应验证细胞的多能性状态,例如通过检测多能性相关标志物NANOG或OCT4的表达水平。应每周进行支原体检测,以确保细胞培养物无支原体污染。
1. 脑类器官的生成
2. 脑类器官的免疫染色
3. 脑类器官的生物能量谱分析
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本方案可高效生成球形类器官(图1A)。所生成的类器官包含成熟的神经元,可通过特异性标记轴突(SMI312)和树突(微管相关蛋白2(MAP2))的蛋白标志物进行观察(图1B)。成熟的类器官不仅含有神经元细胞(MAP2阳性),还含有胶质细胞(例如,星形胶质细胞标志物S100钙结合蛋白B(S100ß)阳性)(图1B)。
通过使用共聚焦显微镜分析切片后的脑类器官,可以识别并监测不同类型细胞及细胞结构的详细分布与组织方式。这有助于深入了解线粒体疾病可能如何影响神经系统发育。例如,可监测神经元轴突(SMI312阳性)和树突(MAP2阳性)(图2A),或神经元细胞(MAP2阳性)与胶质细胞(S...
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本文描述了人诱导多能干细胞(iPSC)来源的脑类器官的可重复生成方法及其在线粒体疾病建模中的应用。此处所述方案基于先前发表的研究20进行了改进。本方案的一个主要优势在于无需将每个类器官手动包埋至支架基质中。实际上,基质溶液只需直接溶解于细胞培养基中即可。此外,无需使用昂贵的生物反应器,类器官可在置于培养箱内轨道摇床中的标准组织培养6孔板中进行培养。该方法还支持同时培养多个含有来自不同个体细胞系的类器官的培养板,从而提高实验通量,并允许监测不同类器官在生长特征上可能出现的差异。我们使用来自健康对照者及线粒体疾病患者的多种iPSC对该方案进行了测试,结果具有一致性。
在构建线粒体疾病模型时,必须使用不同的标记物来观察线粒体网络的形态和组织结构。该方法可用于研究源自线粒体疾病患者的脑类器官中,线粒体的数量、形态或分布是否可能发生改变。脑类器官中神经前体细胞的存在及其组织结构对于模拟线粒体疾病可能具有关键意义。我们最近发现,导致线粒体疾病——Leigh综合征的突变会破坏患者来源的脑类器官中神经前体细胞的细胞结构及其分布
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作者声明不存在任何竞争性财务或非财务利益。
感谢 Miriam Bünning 提供的技术支持。本研究得到了德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft, DFG)(项目号 PR1527/5-1,授予 A.P.)、Spark 基金会与柏林健康研究所(Berlin Institute of Health, BIH)(BIH 验证基金,授予 A.P.)、联合线粒体病基金会(United Mitochondrial Disease Foundation, UMDF)(Leigh 综合征国际联盟基金,授予 A.P.)、杜塞尔多夫大学医院(University Hospital Duesseldorf,UKD 研究委员会基金,授予 A.P.)以及德国联邦教育与研究部(Bundesministerium für Bildung und Forschung, BMBF)(e:Bio 青年研究员基金,编号 AZ 031L0211,授予 A.P.)的支持。C.R.R. 实验室的工作还获得了德国研究基金会(DFG)(项目 FOR 2795 "Synapses under stress",项目号 Ro 2327/13-1)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2-巯基乙醇 | Gibco | 31350-010 | |
| Affinity Designer | Serif (Europe) Ltd | 排版软件;矢量图形编辑器 | |
| Alexa Fluor 488 驴抗豚鼠抗体 | Sigma Aldrich | SAB4600033-250UL | 1:300 |
| Alexa Fluor 488 驴抗小鼠抗体 | Thermo Fisher Scientific | A-31571 | 1:300 |
| 抗霉素A | Sigma Aldrich | 1397-94-0 | |
| 抗-β-微管蛋白III (TUJ-1) | Sigma Aldrich | T8578 | 1:2000 |
| 氩离子激光器 | Melles Griot | 其他任何激光器,例如发射488 nm的二极管激光器也可使用 | |
| 抗坏血酸 | Sigma | A92902 | |
| 含维生素A的B-27添加剂 | Gibco | 17504044 | |
| Bacto 琼脂 | Becton Dickinson | 3% PBS溶液,储存于-20 °C | |
| BDNF | Miltenyi Biotec | 130-093-0811 | |
| cAMP | Sigma | D0627 | |
| Cell Star 细胞培养6孔板 | Greiner-Bio-One | 657160 | |
| 化学成分明确的脂质浓缩液 | Gibco | 11905031 | |
| 共聚焦激光扫描显微镜C1 | Nikon Microscope Solutions | 模块化共聚焦显微镜系统 | |
| Corning Matrigel 生长因子减少型(GFR)基底膜基质,无酚红,无LDEV | Corning | 356231 | 基质组分 |
| CyQUANT 细胞增殖检测试剂盒 | Thermo Fisher | C7026 | |
| DMEM/F12 | ThermoFisher | 31330038 | |
| DMSO | Sigma | D2660-100ML | |
| 驴抗山羊Cy3抗体 | Merck Millipore | AP180C | 1:300 |
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| 驴抗兔Cy3抗体 | Merck Millipore | AP182C | 1:300 |
| DPBS | Gibco | 14190250 | |
| DS-Q1Mc相机 | Nikon Microscope Solutions | ||
| Eclipse 90i 直立宽场显微镜 | Nikon Microscope Solutions | ||
| Eclipse E 600FN 直立显微镜 | Nikon Microscope Solutions | ||
| Eclipse Ts2 倒置显微镜 | Nikon Microsope Solutions | ||
| EZ-C1 Silver Version 3.91 | Nikon Microscope Solutions | 共聚焦显微镜成像软件 | |
| FCCP | Sigma Aldrich | 370-86-5 | |
| 胎牛血清 | Gibco | 10270-106 | |
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| 格拉斯哥MEM | Gibco | 11710-035 | |
| 玻璃巴斯德吸管 | Brand | 747715 | 倒置使用 |
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| 氦氖激光器 | Melles Griot | 其他任何激光器,例如发射594 nm的二极管激光器也可使用 | |
| 肝素 | Merck | H3149-25KU | |
| HERACell 240i CO2 培养箱 | Thermo Scientific | 51026331 | |
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| Image J 1.53c | Wayne Rasband 国立卫生研究院 | 图像处理软件 | |
| Injekt Solo 10 mL/鲁尔接头 | Braun | 4606108V | |
| Knockout 血清替代物 | Gibco | 10828010 | |
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| Maxisafe 2030i | |||
| MEM NEAA | Gibco | 11140-050 | |
| mTeSR Plus | Stemcell Technology | 85850 | iPSC培养基 |
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| MycoAlert 支原体检测试剂盒 | Lonza | # LT07-218 | |
| N2添加剂 | Gibco | 17502-048 | |
| 一次性使用针头(23G x 1” TW) | Neoject | 10016 | |
| NIS-Elements Aadvanced Research 3.2 | Nikon | 成像软件 | |
| 寡霉素A | Sigma Aldrich | 75351 | |
| Heidolph Unimax 1010 轨道摇床 | Heidolph | 543-12310-00 | |
| PAP笔 | Sigma | Z377821-1EA | 用于在载玻片上绘制疏水屏障 |
| 木瓜蛋白酶解离系统试剂盒 | Worthington | LK003150 | |
| 多聚甲醛 | Merck | 818715 | 4% PBS溶液,储存于-20 °C |
| 巴斯德吸管 7mL | VWR | 612-1681 | 刻度至3 mL |
| 青霉素-链霉素 | Gibco | 15140-122 | |
| Plan Apo VC 20x / 0.75 空气 DIC N2 ∞/0.17 WD 1.0 | Nikon Microscope Solutions | 干式显微镜物镜 | |
| Plan Apo VC 60x / 1.40 油镜 DIC N2 ∞/0.17 WD 0.13 | Nikon Microscope Solutions | 油浸显微镜物镜 | |
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| 带细胞筛盖的聚苯乙烯圆底管(5 mL) | Falcon | 352235 | |
| 氯化钾 | Roth | 6781.1 | |
| ProLong Glass 抗荧光淬灭封片剂 | Invitrogen | P36980 | |
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| SOX2 | Santa Cruz Biotechnology | Sc-17320 | 1:100 |
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| 振动切片机 Microm HM 650 V | Thermo Scientific | 已停产,其他任何可调式切片机亦可使用 | |
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| XF 校准液 | Seahorse Bioscience | 100840-000 | |
| XFe96 FluxPak(96孔微孔板) | Seahorse Bioscience | 102416-100 |
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