Hier haben wir ein robustes Protokoll beschrieben, das es Forschern ermöglicht, homogene hPSC-abgeleitete kortikale Gehirnorganoide zu erzeugen, die die in vivo menschliche kortikale Gehirnregion innerhalb von 1-3 Monaten nach der Kultur nachahmen. hPSC-Kolonien werden zunächst in Differenzierungsmedien kultiviert, um neuroektodermale Kolonien zu erzeugen, die dann zur Bildung neuronaler Sphäroide verwendet werden können. Diese Sphäroide werden anschließend in eine Basalmembranmatrix eingebettet und über einen längeren Zeitraum aufrechterhalten, um Organoide zu erzeugen, die zur Modellierung des neuronalen Alterns verwendet werden können (siehe Abbildung 1 für einen Überblick über das Protokoll). Es ist erwähnenswert, dass die Kultivierung dieser Organoide in ultra-unbeschichteten 24-Well-Platten zellulären Stress verursacht und seneszenzassoziierte Phänotypen über 13 Wochen In-vitro-Kultur fördert. Von diesem Protokoll abgeleitete Organoide können auch in gerührten Bioreaktoren für ein optimales Wachstum und eine optimale Differenzierung von neuralen Zellen der kortikalen Platte oder an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche aufrechterhalten werden.
Zu Beginn werden hPSC-Kolonien 1 Tag lang vor der neuroektodermalen Differenzierung kultiviert. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass diese hPSC-Kolonien nur zu 20% -30% Konfluenz kultiviert werden und von höchstmöglicher Qualität sind: eine enge flache Monoschicht ohne differenzierte Zellen, die die Kolonien kontaminieren (Abbildung 2A, B). Die Pluripotenz der hPSC-Kolonien sollte durch die Expression von Markern wie NANOG bestätigt werden (Abbildung 2C). Die validierten hPSC-Kolonien werden dann den neuroektodermalen N2-Differenzierungsmedien mit SB-431542 und LDN-193189 ausgesetzt. Nach 3 Tagen der Erhaltung in diesem Medium sollten sich die hPSC-Kolonien in neuroektodermale Kolonien differenziert haben und nicht mehr die gleiche enge flache Monoschichtmorphologie der hPSCs aufweisen (Abbildung 2B), sondern sie werden zu längeren säulenförmigen Zellen (Abbildung 2B). Diese Zellen werden auch negativ für Pluripotenzmarker wie NANOG sein (Abbildung 2C).
In diesem Stadium werden die neuroektodermalen Kolonien enzymatisch mit Dispase abgelöst, und jede gesunde und erfolgreich abgelöste Kolonie darf sich selbst organisieren und ein junges neuronales Sphäroid bilden (Abbildung 2D, Ergänzendes Video 1). Nur gesunde, saubere neuroektodermale Kolonien lösen sich in dem für die Dispase-Aktivität angegebenen Zeitrahmen; Alle anderen Kolonien sollten ignoriert werden, da sie zu einer schlechteren Qualität des Sphäroides führen. Bei täglicher Exposition gegenüber FGF2 in den N2-Medien vermehren sich die neuralen Stammzellen (SOX2+) in diesen Sphäroiden (Abbildung 2D, Tag 1) und bilden eine signifikante Anzahl neuronaler Rosetten (Abbildung 2D, Tag 4). Diese Rosetten exprimieren die Tight Junction und den Epithelmarker ZO1 in Zellen, die sich im Zentrum der Rosetten und entlang des äußeren Randes des Sphärooids befinden, und demonstrieren die apikal-basale Polarität des Sphäroids (Abbildung 2D, Tag 4). Das Verfahren zur 3D-Bildgebung von Sphäroiden im Großraum wurde vordem 13. Die tägliche Inspektion der Sphäroide sollte die Bildung eines engen, dunklen äußeren Randes und einer hellen Peripherie der Sphäroide, der neuroepithelialen Schicht, aufklären. Diese Schicht sollte nach 3-4 Tagen mit einem ungefähren Durchmesser von 500 μm ausreichend gebildet sein, wobei die Sphäroide in die Grundmatrix eingebettet werden können. Ist diese Schicht nicht vorhanden oder nur schwach ausgebildet, sind die Sphäroide nicht ausreichend entwickelt, um voranzukommen. Es wird empfohlen, einen weiteren Tag zu warten, um eine Veränderung zu beobachten, aber wenn dies nicht beobachtet wird, ignorieren Sie diese Sphäroide.
Ein repräsentatives Hellfeldbild der Sphäroide nach 3 Tagen Kultur ist in Abbildung 2D zu sehen. Sphäroide mit einer engen neuroepithelialen Schicht, die nicht mit anderen benachbarten Sphäroiden verschmolzen sind, halbtransparentes Gewebe haben und eine neuronale Rosettenbildung aufweisen, werden so gewählt, dass sie in die Kellermatrix eingebettet werden. Einmal eingebettet, wird sich das Sphäroid schnell vermehren und anfangen zu knospen: Knoten von kompaktem Gewebe werden erscheinen, die sich vom Hauptkörper des Sphäroides nach außen ausdehnen. Dies zeigt sich zwischen 1-3 Wochen in der Kellermatrix und kann über mehrere Zelllinien beobachtet werden (Abbildung 3A). Die quantitative Analyse der eingebetteten Sphäroide bestätigt das Vorhandensein von Epithelzellen in bis zu 100% der Sphäroide über drei verschiedene Zelllinien hinweg, was die von diesem Protokoll erwartete Homogenität und Reproduzierbarkeit bestätigt (Abbildung 3B). Die Quantifizierung des Durchmessers von Organoiden während der In-vitro-Differenzierung bestätigt die Reproduzierbarkeit über verschiedene hPSC-Linien hinweg (Abbildung 3C). Wenn keine Knospen auftreten, entwickeln sich die Sphäroide nicht angemessen und sollten verworfen werden. Sobald die Sphäroide in eine Matrix eingebettet wurden, schreitet ihre Entwicklung voran, und die Sphäroide werden nun als Organoide bezeichnet. Die Immunfluoreszenzfärbung bestätigt auch das Vorhandensein von neuralen Vorläuferzellen (PAX6) sowie kortikalen Schichtmarkern, die mit CTIP2 und SATB2 in den Organoiden mit klarer Schichtung angefärbt sind (Abbildung 3D, E). Diese Schichtung ist über verschiedene Zeitpunkte der Organoiderhaltung hinweg beobachtbar (Abbildung 3D,E). Die Methode der Immunhistochemie von Geweben wurde vor14 beschrieben.
Eine mögliche Anwendung dieser Organoide besteht darin, zu untersuchen, wie sich neuronale Alterungsprozesse auf das Gehirn auswirken. Um dies zu untersuchen, werden erfolgreich erzeugte Organoide aus mehreren verschiedenen Zeitpunkten für die Schnittung und Färbung für molekulare Standard-Biomarker der Seneszenz wie Seneszenz-assoziierte Beta-Galactosidase und p21 geerntet. Abbildung 4A zeigt ein repräsentatives Bild der seneszenzassoziierten Beta-Galactosidase-Färbung von Organoiden 4 und 13 Wochen nach der Einbettung in die Basalmembranmatrix. Zwischen den Wochen 4 und 13 gibt es einen deutlichen Anstieg der Präsenz von Seneszenz-assoziierter Beta-Galactosidase, was darauf hindeutet, dass zelluläre Seneszenz, ein anerkannter Treiber der organismischen Alterung, in dieser Zeit in der Kultur aufgetreten ist. Die Immunfluoreszenzfärbung von Organoiden in Woche 13 bestätigte das Vorhandensein eines anderen Seneszenzmarkers, p21, der mit dem reifen kortikalen neuronalen Marker (CTIP2) ko-markiert wurde und in Abbildung 4B zu sehen ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Vorhandensein von p21 ein Marker für den Stillstand des Zellzyklus ist und an sich kein definitiver Marker der Seneszenz ist, und der Nachweis anderer Seneszenzmarker wie p16 und SASP (Seneszenz-assoziierter sekretorischer Phänotyp) wird empfohlen, um Zellen definitiv als seneszent zu identifizieren.

Abbildung 1: Schematische Darstellung zur Erzeugung reproduzierbarer kortikaler Hirnorganoide. Schematischer Ablauf des experimentellen Verfahrens zur Erzeugung kortikaler Hirnorganoide aus hPS-Zellen, die im feederfreien Medium gehalten werden. Der Workflow bietet einen Überblick über sechs Schritte, die erforderlich sind, um die 2D-hPSCs in 3D-gemusterte kortikale Plattenmenschliche Gewebe in Organoiden zu unterscheiden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2: Erzeugung neuronaler Sphäroide aus neuroektodermalen Kolonien-hPS-Kolonien . (A) Repräsentative Bilder von menschlichem PSK, die optimale (weiße Zecke) und differenzierte Kolonien (weißes Kreuz) aufweisen. Skalenbalken: 200 μm, 4-fache Vergrößerung. (B) Repräsentatives Bild der neuroektodermalen Kolonie, abgeleitet von hPS-Zellen nach 3 Tagen dualer SMAD-Inhibitor-Behandlungen. Skalenbalken: 200 μm, 4-fache Vergrößerung. (C) Menschliche PSC-Kolonien wurden in neuroektodermale Kolonien unterschieden. Die Bilder zeigen die Färbung von PSC- (an Tag 1) und neuroektodermalen (an Tag 3) Kolonien mit SOX2 (Rot), NANOG (Grün), alle Kerne wurden mit Hoechst 33342 (blau) konterkariert. Skalenbalken: 40 μm, 100-fache Vergrößerung. (D) Bilder, die die Entwicklungsstadien von kortikalen Hirnsphäroiden im Laufe der Zeit in Kultur in vitro unter Hellfeld zeigen, und Wholemount-Immunen, die an Tag 1 mit SOX2 (rot) und doppelt immunisiert mit SOX2 (rot) und ZO1 (grün) an Tag 4 gefärbt sind. Die Skalierungsleiste des Hellfeldbildes beträgt 500 μm, 4-fache Vergrößerung, Skalierungsbalken der unteren Bilder sind 40 μm, 20-fache Vergrößerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 3: Charakterisierung kortikaler Gehirnorganoide, abgeleitet von verschiedenen hPSC-Linien. (A) Repräsentative Bilder von kortikalen Gehirnorganoiden, abgeleitet von G22-, WTC- und EU79-iPSC-Linien für Menschen, die über 3 Wochen in vitro kultiviert wurden. Der Maßstabsbalken aller Bilder beträgt 500 μm, 2-fache Vergrößerung. (B) Prozentsätze der erfolgreichen Erzeugung kortikaler Gehirnorganoide nach 3 Wochen In-vitro-Differenzierung in verschiedenen hPSC-Linien (G22, WTC und EU79). N = 3. Die Daten werden als mittlere ± Standardabweichung dargestellt. (C) Balkendiagramme, die das Wachstum kortikaler Gehirnorganoide (basierend auf dem durchschnittlichen Durchmesser) in den Wochen 1 und 3 der In-vitro-Differenzierung in verschiedenen Linien humaner pluripotenter Stammzelllinien (G22, WTC und EU79) zeigen. N = 3. Die Daten werden als mittlere ± Standardabweichung dargestellt. (D) Repräsentative Bilder von Abschnitten von 6 Wochen und 9 Wochen alten kortikalen Gehirnorganoiden, die von G22-hPS-Zellen abgeleitet sind, immungefärbt für die Ventrikelzone PAX6 (rot) und die kortikale Platte CTIP2 (grün). Alle Abschnitte wurden mit Hoechst 33342 (blau) gegengebeizt. Maßstabsleiste = 140 μm, 20-fache Vergrößerung. W ist Woche. (E) Repräsentative Bilder von Abschnitten von 10 Wochen und 13 Wochen alten kortikalen Gehirnorganoiden, die von WTC-hPS-Zellen abgeleitet sind, immungefärbt für kortikale Schicht IV SATB2 (grün). Alle Abschnitte wurden mit Hoechst 33342 (blau) gegengebeizt. 10 Wochen Bildmaßstabsleiste = 50 μm, 40-fache Vergrößerung. 13 Wochen Bild Maßstabsleiste = 150 μm, 40-fache Vergrößerung. W ist Woche. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4: Charakterisierung der Seneszenz in kortikalen Gehirnorganoiden aus hPSCs. (A) Repräsentative Bilder von Abschnitten menschlicher kortikaler Gehirnorganoide, abgeleitet von WTC-hPSCs, die 4 und 13 Wochen lang in vitro kultiviert und mit SA-β-gal gefärbt wurden. Maßstabsleiste = 500 μm, Maßstabsleiste von vergrößerten Bildern = 250 μm, 4-fache Vergrößerung. Das gepunktete Feld zeigt ein vergrößertes Bild an. (B) Repräsentative Bilder von Schnitten von 13 Wochen alten kortikalen Gehirnorganoiden, die aus humanen EU79-hPS-Zellen gewonnen wurden, immunfärbt für kortikale Neuronen CTIP2 (grün) und p21 (rot). Alle Abschnitte wurden mit Hoechst 33342 (blau) gegengebeizt. Maßstabsleiste = 25 μm, Maßstabsleiste für gezoomte Bilder = 10 μm, 40-fache Vergrößerung. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
| Medienkomponenten | Konzentration |
| DMEM Nährstoffmischung F12 10x 500 ml (DMEM/F-12) | |
| N2 Ergänzung 5 ml (100x) | Supplmentiert zu 1% |
| B 27 Zuschlag 10 ml | Ergänzt um 2% |
| MEM-Lösung für nicht-essentielle Aminosäuren (100x) | Ergänzt um 1% |
| Penicillin-Streptomycin (10.000 U/ml) | Ergänzt um 1% |
| 2-Mercaptoethanol 50 ml (1000x) | Ergänzt um 0,1% |
Tabelle 1: N2 Mittel. In der Tabelle sind die Reagenzien aufgeführt, die zur Herstellung des N2-Mediums erforderlich sind.
| Medienkomponenten | Konzentration |
| DMEM Nährstoffmischung F12 10x 500 ml (DMEM/F-12) | DM-Medien werden im Verhältnis 1:1 von DMEM/F12 und neurobasalen Medien hergestellt |
| Neurobasales Medium |
| N2 Ergänzung 5 ml (100x) | Supplmented bei 0,5% |
| B 27 Zuschlag 10 ml | Ergänzt um 1% |
| MEM-Lösung für nicht-essentielle Aminosäuren (100x) | Ergänzt um 1% |
| GlutaMAX Ergänzung 100x | Ergänzt um 1% |
| Penicillin-Streptomycin (10.000 U/ml) | Ergänzt um 1% |
| Insulinlösung Humanes Rekombinantes | 12,5 μL für 50 mL Medien |
| 2-Mercaptoethanol 50 ml (1000x) | 17,5 μL für 50 mL Medien |
Tabelle 2: Differenzierungsmedium (DM). In der Tabelle sind die Reagenzien aufgeführt, die zur Herstellung des Differenzierungsmediums erforderlich sind.
Ergänzendes Video 1. Live-Bildgebung der induzierten hNEct 2D-Blatt-/Koloniekonvertierung in 3D unter der Behandlung von bFGF. Induzierte Kolonien von hNEct wurden vorsichtig von der Schale mit Dispase wie oben beschrieben gelöst und auf eine 6-Well-Kulturplatte mit niedriger Befestigung übertragen. 2D-hNEct-Kolonien wurden innerhalb von 12 h in 3D-hNEct-Sphäroide umgewandelt. Serienbilder wurden alle 5 Minuten aufgenommen. Maßstabsleiste = 100 μm. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video herunterzuladen.