In dieser Arbeit stellen wir eine Methode zur reproduzierbaren Generierung von ventralen Mittelhirn-gemusterten Astrozyten aus hiPSCs und Protokolle für deren Charakterisierung vor, um den Phänotyp und die Funktion zu beurteilen.
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In dieser Arbeit stellen wir eine Methode zur reproduzierbaren Generierung von ventralen Mittelhirn-gemusterten Astrozyten aus hiPSCs und Protokolle für deren Charakterisierung vor, um den Phänotyp und die Funktion zu beurteilen.
Bei der Parkinson-Krankheit verursachen eine fortschreitende Dysfunktion und Degeneration von Dopamin-Neuronen im ventralen Mittelhirn lebensverändernde Symptome. Neuronale Degeneration hat bei Parkinson verschiedene Ursachen, darunter nicht-zellautonome Mechanismen, die durch Astrozyten vermittelt werden. Im gesamten ZNS sind Astrozyten für das Überleben und die Funktion der Neuronen unerlässlich, da sie die metabolische Homöostase in der neuronalen Umgebung aufrechterhalten. Astrozyten interagieren mit den Immunzellen des ZNS, den Mikroglia, um die Neuroinflammation zu modulieren, die seit den frühesten Stadien der Parkinson-Krankheit beobachtet wird und einen direkten Einfluss auf das Fortschreiten ihrer Pathologie hat. Bei Krankheiten mit einem chronischen neuroinflammatorischen Element, einschließlich Parkinson, erhalten Astrozyten einen neurotoxischen Phänotyp und verstärken so die Neurodegeneration. Folglich sind Astrozyten ein potenzielles therapeutisches Ziel, um die Krankheit zu verlangsamen oder zu stoppen, aber dies erfordert ein tieferes Verständnis ihrer Eigenschaften und Rollen bei Parkinson. Genaue Modelle von humanen ventralen Mittelhirn-Astrozyten für In-vitro-Studien sind daher dringend erforderlich.
Wir haben ein Protokoll entwickelt, um hochreine Kulturen von ventralen Mittelhirn-spezifischen Astrozyten (vmAstros) aus hiPSCs zu erzeugen, die für die Parkinson-Forschung verwendet werden können. vmAstros können routinemäßig aus mehreren hiPSC-Linien hergestellt werden und exprimieren spezifische astrozytäre und ventrale Mittelhirnmarker. Dieses Protokoll ist skalierbar und eignet sich daher für Hochdurchsatzanwendungen, einschließlich des Wirkstoffscreenings. Entscheidend ist, dass die hiPSC-abgeleiteten vmAstros immunmodulatorische Eigenschaften aufweisen, die für ihre in vivo-Gegenstücke typisch sind und mechanistische Untersuchungen der neuroinflammatorischen Signalübertragung bei Parkinson ermöglichen.
Die Parkinson-Krankheit betrifft 2 % bis 3 % der Menschen über 65 Jahre und ist damit die häufigste neurodegenerative Bewegungsstörung1. Sie wird durch eine Degeneration der ventralen Dopamin-Neuronen des Mittelhirns innerhalb der Substantia nigra verursacht, was zu schwächenden motorischen Symptomen sowie zu häufigen kognitiven und psychiatrischen Problemen führt2. Die Parkinson-Pathologie ist durch Aggregate des Proteins α-Synuclein gekennzeichnet, die für Neuronen toxisch sind und zu deren Funktionsstörung und Tod führen 1,2,3. Da die dopaminergen Neuronen die degenerierende Population bei Parkinson sind, standen sie historisch gesehen im Fokus der Forschung. Es ist jedoch offensichtlich, dass ein anderer Zelltyp im Gehirn, die Astrozyten, ebenfalls Anomalien bei Parkinson aufweisen und von denen angenommen wird, dass sie in Modellen von Parkinson zur Degeneration beitragen 4,5,6,7.
Astrozyten sind eine heterogene Zellpopulation, die sich je nach Bedarf sowohl physisch als auch funktionell verändern kann. Sie unterstützen die neuronale Funktion und Gesundheit über eine Vielzahl von Mechanismen, einschließlich der Modulation der neuronalen Signalgebung, der Gestaltung der synaptischen Architektur und der trophischen Unterstützung neuronaler Populationen durch die Sekretion spezifischer Faktoren 6,8,9,10. Astrozyten spielen jedoch auch eine wesentliche immunmodulatorische Rolle, die für die Entwicklung und Ausbreitung von Neuroinflammation wesentlich ist10,11. Neuroinflammation wird im Gehirn von Parkinson-Patienten beobachtet und es wurde kürzlich gezeigt, dass sie das Auftreten von Parkinson-Symptomen verhindert 12,13,14,15 und damit in den Mittelpunkt der Parkinson-Forschung rückt.
Auf zellulärer Ebene wird gesagt, dass Astrozyten als Reaktion auf Verletzungen, Infektionen oder Krankheiten reaktiv werden, um die Neuroprotektion zu erleichtern 9,6,10,16. Die Reaktivität beschreibt eine Verschiebung des Astrozyten-Phänotyps, die durch Veränderungen der Genexpression, des Sekretoms, der Morphologie und der Mechanismen der Beseitigung von Zelltrümmern und toxischen Nebenprodukten gekennzeichnetist 9,10,11,17. Diese reaktive Verschiebung erfolgt als Reaktion auf induktive Signale von Mikroglia, den Immunzellen des ZNS und den Ersthelfern bei Verletzungen und Krankheiten9. Sowohl Astrozyten als auch Mikroglia reagieren auf Entzündungssignale, indem sie ihre eigene Funktion moderieren und können Entzündungssignale weiterleiten und so die Neuroinflammation direkt beeinflussen 9,10. Die chronische Natur der Parkinson-Krankheit führt jedoch zu einem Übergang, bei dem reaktive Astrozyten für Neuronen toxisch werden und selbst Degeneration und Krankheitspathologie fördern 6,9,10,18,19. Bezeichnenderweise wurde kürzlich gezeigt, dass die Blockierung der Transformation von Astrozyten in den reaktiven neurotoxischen Phänotyp das Fortschreiten von Parkinson in Tiermodellen verhindert11. Die Astrozytenreaktivität im Paradigma der Neuroinflammation ist daher zu einem Hauptschwerpunkt der Parkinson-Forschung geworden und bezieht sich in ähnlicher Weise auf ein breites Spektrum von Erkrankungen des ZNS. Zusammengenommen ergeben diese Ergebnisse ein Bild einer signifikanten astrozytären Beteiligung an der Ätiologie von Parkinson und unterstreichen die Notwendigkeit genauer Forschungsmodelle, die den Phänotyp der menschlichen Astrozytenpopulationen, die an Parkinson beteiligt sind, rekapitulieren.
Im embryonalen Gehirn treten zuerst Neuronen auf, wobei die astrogliale Linie, nämlich die Astrozyten und Oligodendrozyten, später in der Entwicklung auftreten6. In-vivo- und In-vitro-Studien haben eine Reihe von Signalwegen aufgezeigt, die die Potenz von neuralen Vorläuferzellen von neuronalen zu astroglialen Derivaten zu steuern scheinen. Insbesondere die JAK/STAT-, EGF- und BMP-Signalgebung spielen eine Rolle bei der Proliferation, Differenzierung und Reifung von Astroglia20,21. Diese Signalwege standen im Mittelpunkt von In-vitro-Protokollen zur Erzeugung von Astrozyten aus pluripotenten Zellen, einschließlich hiPSC 6,22,23. Es gibt viele erfolgreiche Beispiele für die Erzeugung von Astrozyten aus hiPSCs 6,24,25. Es ist jedoch offensichtlich, dass In-vivo-Astrozyten im ZNS spezifische regionale Identitäten besitzen, die sich direkt auf ihre Funktion beziehen, in Übereinstimmung mit den spezifischen Anforderungen dieser Astrozyten in Bezug auf ihre spezialisierten neuronalen Nachbarn 17,24,25,26. Zum Beispiel wurde speziell in Bezug auf das ventrale Mittelhirn gezeigt, dass Astrozyten in dieser Region spezifische Sätze von Proteinen exprimieren, einschließlich Rezeptoren für Dopamin, die die Kommunikation mit der lokalen Population von Dopamin-Neuronen im Mittelhirn ermöglichen26. Darüber hinaus weisen ventrale Mittelhirn-Astrozyten einzigartige Signaleigenschaftenauf 26. Um die Rolle der ventralen Mittelhirn-Astrozyten bei Parkinson zu untersuchen, benötigen wir daher ein In-vitro-Modell, das ihre einzigartigen Eigenschaften widerspiegelt.
Um dieses Problem zu lösen, haben wir ein Protokoll zur Generierung von ventralen Mittelhirn-Astrozyten (vmAstros) aus hiPSCs entwickelt. Die resultierenden vmAstros weisen Merkmale ihrer in vivo ventralen Gegenstücke im Mittelhirn auf, wie z. B. die Expression spezifischer Proteine sowie immunmodulatorische Funktionen. Die vorgestellten Ergebnisse stammen aus der Differenzierung der NAS2 und AST23 hiPSC-Linien, die von Dr. Tilo Kunath27 abgeleitet und uns geschenkt wurden. NAS2 wurde von einem gesunden Kontrollsubjekt erzeugt, während AST23 von einem Parkinson-Patienten stammt, der eine Triplikation im Locus trägt, der für α-Synuclein (SNCA) kodiert. Diese hiPS-Linien wurden bereits in einer Reihe von veröffentlichten Forschungsarbeiten charakterisiert und verwendet, unter anderem für die Erzeugung verschiedener neuronaler Zelltypen 27,28,29,30,31.
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1. Auftauen, Wartung und Kryokonservierung der humanen hiPS-Linie
2. vmAstro-Differenzierungsprotokoll
HINWEIS: Eine schematische Zusammenfassung des vmAstros-Differenzierungsprotokolls ist in Abbildung 1A dargestellt. Eine detaillierte Liste der für das Protokoll und deren Erstellung erforderlichen Reagenzien ist in Tabelle 1 enthalten.
3. Kryokonservierung von vmNPCs, vmAPCs und vmAstros
HINWEIS: Kryokonserve vmNPCs/vmAPCs/vmAstros bei voller Konfluenz.
4. Charakterisierung des vmAstro-Phänotyps
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Differenzierungsmethodik und -verlauf
Im Folgenden werden sowohl die Methoden zur Erzeugung von vmAstros als auch die Protokolle, die für ihre anschließende phänotypische Charakterisierung verwendet werden, im Detail vorgestellt. Die Methode zur Erzeugung von vmAstros besteht aus mehreren unterschiedlichen Differenzierungsstufen, die mikroskopisch überwacht werden können und unterschiedliche morphologische Merkmale identifizieren (Abbildung 1A-F
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Diese Methode zur Erzeugung von vmAstros aus hiPSCs ist hocheffizient, da sie Reinkulturen von vmAstros erzeugt und für die Erzeugung von vmAstros aus verschiedenen hiPSC-Linien reproduzierbar ist. Dieses Protokoll wurde um die Rekapitulation der Entwicklungsereignisse herum entwickelt, die im Embryo erforderlich sind, um das sich entwickelnde Mittelhirn korrekt zu strukturieren und Astrozyten zu erzeugen, und umfasst drei definierte Phasen: 1) die Induktion des neuralen ventralen Mittel...
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Die Autoren haben nichts offenzulegen.
Diese Arbeit wurde durch ein Parkinson's UK Project Grant (G-1402) und ein Stipendium finanziert. Die Autoren danken der Wolfson Bioimaging Facility für ihre Unterstützung und Hilfe bei dieser Arbeit.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Reagenzien | |||
| 0,2M Tris-Cl (pH 8,5) | n/a | n/a | Hergestellt aus Tris-Base und plus HCl |
| 0,5M EDTA, PH 8 | ThermoFisher | 15575-020 | 1:1000 in D-PBS bis 0,5 mM final |
| 1,4-Diazabicylo[2.2.2]octan (DABCO) | Sigma | D27802- | 25 mg/mL in Mowiol-Eindecklösung |
| 13 mm Deckgläser | VWR | 631-0149 | |
| 2-Mercaptoethanol (50 mM) | ThermoFisher | 31350010 | |
| Accutase | ThermoFisher | 13151014 | |
| Advanced DMEM/F12 | ThermoFisher | 12634010 | Hat 1x NEAA, aber wir fügen die Endkonzentration von 2x (0,2 mM) |
| Ascorbinsäure | Sigma | A5960 hinzu | 200 mM Schaft, 1:1000 bis 200 & Mikro; M final |
| B27 Supplement | ThermoFisher | 17504-044 | 50x Lager |
| BSA | Sigma | 5470 | |
| Zellgefriermedien | Sigma | C2874 | Cryostor CS10 |
| Zellgefriergefäß | Nalgene | 5100-0001 | |
| CHIR99021 | Axon Medchem | 1386 | 0,8 mM Lagerbestand, 1:1000 Verdünnung auf 0,8 &Mikro; M final |
| Kryofläschchen | Sigma | CLS430487 | |
| DAPI | Sigma | D9542 | 1 mg/ml, 1:10.000 bis 100 ng/ml final (in PBS) |
| DMEM/F12 + Glutamax | ThermoFisher | 10565018 | |
| Dulbeccos-PBS (D-PBS ohne Mg oder Ca) | ThermoFisher | 14190144 | pH 7,2 |
| E8 Flex Medium Kit | ThermoFisher | A2858501 | |
| Formaldehyd (36%ige Lösung) | Sigma | 47608 | |
| Geltrex | ThermoFisher | A1413302 | 1:100 oder 1:400 in eiskaltem DMEM/F12 |
| Glutamax | ThermoFisher | 35050038 | 2 mM Material (1:200 in N2B27, 1:100 in ASTRO Medien bis 20 &Mikro; M endg.) |
| Glycerol | Sigma | G5516 | |
| Human-BDNF | Peprotech | 450-02 | 20 & Mikro; g/mL Lagerbestand, 1:1000 bis 20 ng/mL final |
| Human BMP4 | Peprotech | 120-05 | 20 µ g/mL Vorrat, 1:1000 bis 20 ng/mL endgültig |
| Humaner EGF | Peprotech | AF-100-15 | 20 µ g/mL Lagerbestand, 1:1000 bis 20 ng/mL final |
| Human GDNF | Peprotech | 450-10 | 20 µ g/ml Vorrat, 1:1000 bis 20 ng/ml endgültige |
| Humaninsulinlösung | Sigma | I9278 | 10 mg/ml-Bestand, 1:2000 bis 5 & Mikro; g/mL final |
| Humanes LIF | Peprotech | 300-05 | 20 µ g/mL Vorrat, 1:1000 bis 20 ng/mL endgültiges |
| IL-6 ELISA-Kit | Biotechne | DY206 | |
| Isopropanol | Sigma | nbsp; I9516-4L | Zum Befüllen Mr Frosty Kryolagergefäß |
| LDN193189 | Sigma | SML0559 | 100 µ M Schaft, 1:10.000 Verdünnung auf 10 nM final |
| Mowiol 40-88 | Sigma | 324590 | |
| N2 Supplement | ThermoFisher | 17502048 | 100x Ware |
| NEAA | ThermoFisher | 11140035 | 10 mM Schaft, 1:100 bis 0,1 mM final |
| Neurobasale Medien | ThermoFisher | 21103049 | |
| Normales Ziegenserum | Vector Labs | S-1000-20 | |
| Revitacell | ThermoFisher | A2644501 | 100x Stammmaterial, 1:100 bis 1x |
| final SB431542 | Tocris | 1614 | 10 mM Material, 1:1000 Verdünnung auf 10 & Mikro; M final |
| SHH-C24ii | Biotechne | 1845-SH-025 | 200 µ g/mL Lagerbestand, 1:1000 bis 200 ng/mL final |
| Tris-HCl | Sigma | PHG0002 | |
| Triton-X | Sigma | X100 | |
| Tween-20 | Sigma | P7949 | |
| Vitronectin | ThermoFisher | A14700 | 1:50 in D-PBS |
| Antikörper für die Immunzytochemie | <>Company | >Katalognummer< | strong>Wirtsspezies |
| Antikörper gegen S100b | Sigma | SAB4200671 | Maus; 1:200 |
| Antikörper gegen FOXA2 | SCBT | NB600501 | Maus; 1:50 |
| Antikörper gegen LMX1A | ProSci | 7087 | Kaninchen; 1:300 |
| Antikörper gegen LMX1A | Millipore | AB10533 | Kaninchen; 1:2000 |
| Antikörper gegen LMX1B | Proteintech | 18278-1-AP | Kaninchen; 1:300 |
| Antikörper gegen GLAST | Proteintech | 20785-1-AP | Kaninchen; 1:300 |
| Antikörper gegen GFAP | Dako | Z0334 | Kaninchen; 1:400 |
| Antikörper gegen CD49f | Proteintech | 27189-1-AP | Kaninchen; 1:100 |
| Antikörper gegen MSI1 | Abcam | ab52865 | Kaninchen; 1:400 |
| Alexa Fluor 488 Ziege Anti-Kaninchen | ThermoFisher | A32731 | Ziege; 1:500 |
| Alexa Fluor 488 Ziege Anti-Maus | ThermoFisher | A32723 | Ziege; 1:500 |
| Alexa Fluor 568 Ziege Anti-Kaninchen | ThermoFisher | A11036 | Ziege; 1:500 |
| Alexa Fluor 488 Ziege Anti-Maus | ThermoFisher | A11031 | Ziege; 1:500 |
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