Las interacciones neurona-glial en la neurodegeneración no se comprenden bien debido a herramientas y métodos inadecuados. Aquí, describimos protocolos optimizados para obtener neuronas inducidas, células precursoras de oligodendrocitos y oligodendrocitos a partir de células madre pluripotentes humanas y proporcionamos ejemplos de los valores de estos métodos para comprender las contribuciones específicas del tipo de célula en la enfermedad de Alzheimer.
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Artículo de método
Generación de neuronas humanas y oligodendrocitos a partir de células madre pluripotentes para modelar las interacciones neuronal-oligodendrocitos
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Resumen
Resumen
En la enfermedad de Alzheimer (EA) y otros trastornos neurodegenerativos, la insuficiencia oligodendroglial es una característica patológica temprana común, pero la forma en que contribuye al desarrollo y progresión de la enfermedad, particularmente en la materia gris del cerebro, sigue siendo en gran parte desconocida. La disfunción de las células del linaje de oligodendrocitos se caracteriza por deficiencias en la mielinización y alteración de la auto-renovación de las células precursoras de oligodendrocitos (OPC). Estos dos defectos son causados, al menos en parte, por la interrupción de las interacciones entre la neurona y los oligodendrocitos a lo largo de la acumulación de patología. Las OPC dan lugar a oligodendrocitos mielinizantes durante el desarrollo del SNC. En la corteza cerebral madura, las OPC son las principales células proliferativas (que comprenden ~ 5% del total de células cerebrales) y controlan la formación de nueva mielina de una manera dependiente de la actividad neuronal. Tales comunicaciones neuronómicas a oligodendrocitos están significativamente poco estudiadas, especialmente en el contexto de afecciones neurodegenerativas como la EA, debido a la falta de herramientas adecuadas. En los últimos años, nuestro grupo y otros han hecho progresos significativos para mejorar los protocolos actualmente disponibles para generar neuronas funcionales y oligodendrocitos individualmente a partir de células madre pluripotentes humanas. En este manuscrito, describimos nuestros procedimientos optimizados, incluido el establecimiento de un sistema de cocultivo para modelar las conexiones neurona-oligodendrocitos. Nuestros resultados ilustrativos sugieren una contribución inesperada de OPC / oligodendrocitos a la amiloidosis cerebral y la integridad de la sinapsis y destacan la utilidad de esta metodología para la investigación de la EA. Este enfoque reduccionista es una herramienta poderosa para diseccionar las interacciones heterocelulares específicas de la complejidad inherente dentro del cerebro. Se espera que los protocolos que describimos aquí faciliten futuros estudios sobre defectos oligodendrogliales en la patogénesis de la neurodegeneración.
Introducción
Las células del linaje de oligodendrocitos, incluidas las células precursoras de oligodendrocitos (OPC), los oligodendrocitos mielinizantes y los tipos de transición intermedios, constituyen un grupo importante de células cerebrales humanas1 que participan activamente en muchas funciones críticas para el correcto funcionamiento y mantenimiento de nuestro sistema nervioso central a lo largo del desarrollo neuronal y el envejecimiento 2,3,4 . Mientras que los oligodendrocitos son bien conocidos por producir mielina para facilitar la transmisión de la act....
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Protocolo
1. Inducción de neuronas humanas a partir de células madre pluripotentes humanas
- Preparación de lentivirus (~ 5 días, protocolo detallado como se describió anteriormente16)
- Placa ~1 millón de células HEK293T cada matraz T75, para tenerlas ~40% confluentes al realizar la transfección. Transfectarlos con plásmidos que expresan Ngn2 inducible por tetraciclina y gen resistente a la puromicina (PuroR; bajo el mismo control del promotor TetO), rtTA y los tres plásmidos auxiliares pRSV-REV, pMDLg/pRRE y VSV-G (12 μg de ADN vectorial lentiviral y 6 μg de cada uno de los ADN plásmidos auxiliares). Preparar al menos tres frascos por prep....
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Resultados
Generación directa de neuronas humanas inducidas a partir de células madre pluripotentes humanas
Es muy importante que las células madre pluripotentes humanas iniciales exhiban un alto grado de pluripotencia para la generación exitosa de iNs o iOPCs/iOLs. Por lo tanto, las células deben teñirse para marcadores específicos, como Oct4 y SOX2, antes de iniciar cualquiera de los protocolos de inducción descritos en el presente manuscrito (Figura 1A). Se utilizaron células H1 .......
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Discusión
Además del apoyo físico y metabólico para estabilizar las estructuras sinapsis y facilitar la conducción de señales saltatorias por mielinización, las células del linaje de oligodendrocitos pueden dar forma al patrón de actividad neuronal a través de conversaciones cruzadas rápidas y dinámicas con las neuronas 5,6,7. Mientras que en la patología de la EA las respuestas oligodendrogliales se consideraron inicialmente como meramen.......
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Divulgaciones
Los autores no tienen nada que revelar.
Agradecimientos
Este trabajo fue apoyado por las subvenciones de los Institutos Nacionales de Salud (R00 AG054616 a Y.A.H. y T32 GM136566 a K.C.), la Escuela de Medicina de la Universidad de Stanford y una beca Siebel (otorgada a SC). Y.A.H. es profesor traslacional de GFL del Centro de Neurociencia Traslacional del Instituto Brown de Ciencias Traslacionales.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Accutase | STEMCELL Technologies | 7920 | |
| B27 suplemento | ThermoFisher | 17504044 | |
| bFGF | ThermoFisher | PHG 0266 | |
| cAMP | MilliporeSigma | A9501 | |
| Clemastine | MilliporeSigma | SML0445 | |
| DMEM/F12 medio | STEMCELL Technologies | 36254 | |
| DMSO | ThermoFisher | D12345 | |
| Doxiciclina | MilliporeSigma | D3072 | |
| Suero fetal bovino | ScienCell | 10 | |
| H1 células madre embrionarias humanas | WiCell | WA01 | |
| Matrigel | Corning | 354234 | |
| mTeSR plus | STEMCELL Technologies | 5825 | |
| Suplemento de N2 | ThermoFisher 17502001 | ||
| Neurobasal A medio | ThermoFisher | 10888-022 | |
| Aminoácidos no esenciales | ThermoFisher | 11140-050 | |
| PDGF-AA | R& D Systems | 221-AA-010 | |
| PEI | VWR | 71002-812 | |
| pMDLg/pRRE | Addgene | 12251 | |
| Polybrene | MilliporeSigma | TR-1003-G | |
| pRSV-REV | Addgene | 12253 | |
| Puromicina | ThermoFisher | A1113803 | |
| Inhibidor de ROCK Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72302 | |
| SAG | Tocris | 4366 | |
| STEMdiff Progenitor Neural Progenitor Medios de congelación | STEMCELL Technologies | 5838 | |
| STEMdiff SMADi Kit de inducción neuronal | STEMCELL Technologies | 8581 | |
| T3 triyodotironina | MilliporeSigma | T6397 | |
| Tempo-iOlogo: OPC humanas derivadas de iPSC | Tempo BioScience | SKU102 | |
| TetO-NG2-Puro | Addgene | 52047 | |
| VSV-G | Addgene | 12259 |
Referencias
- Pelvig, D. P., Pakkenberg, H., Stark, A. K., Pakkenberg, B. Neocortical glial cell numbers in human brains. Neurobiology of Aging. 29 (11), 1754-1762 (2008).
- Barres, B. A. The mystery and magic of glia: a perspective on their roles in health and disease. Neuron. 6....
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Reimpresiones y permisos
Erratum
Formal Correction: Erratum: Generation of Human Neurons and Oligodendrocytes from Pluripotent Stem Cells for Modeling Neuron-Oligodendrocyte Interactions
Posted by JoVE Editors on 12/29/2020. Citeable Link.
An erratum was issued for: Generation of Human Neurons and Oligodendrocytes from Pluripotent Stem Cells for Modeling Neuron-Oligodendrocyte Interactions. The Representative Results section has been updated.
Figure 3 was updated from:
Figure 3: Co-culture of iNs and iOPCs. (A) Representative bright field image of co-cultured iNs and iOPCs at Day 7, showing a proper density for further maturation. (B) Representative immunofluorescence image of iNs and iOPCs co-cultured for 28 days. Axonal marker neurofilament NF is shown in green and oligodendrocytic marker MBP in red. Right, a segment of iN axon ensheathed by iOL process (MBP+). (C) Synapse formation assayed in 4-week-old co-cultures. Cells were stained for Synapsin 1 (Syn1, green) and MAP2 (red), and synaptic puncta were quantified by confocal analysis of density along the dendritic segments as described17,18. (D) In our co-cultures of iNs and iOPCs (7 days of co-culturing), the expression of astrocyte markers, ALDHL1 and GFAP, is minimal (top), and the expression of microglia markers, TMEM119, TREM2, and CD33, is not detected (N.D.) by qPCR. The contamination from these two glial cell types is thus excluded. Please click here to view a larger version of this figure.
to:
Figure 3: Co-culture of iNs and iOPCs. (A) Representative bright field image of co-cultured iNs and iOPCs at Day 7, showing a proper density for further maturation. (B) Representative immunofluorescence image of iNs and iOPCs co-cultured for 28 days. Axonal marker neurofilament NF is shown in green and oligodendrocytic marker MBP in red. Right, a segment of iN axon ensheathed by iOL process (MBP+). (C) Synapse formation assayed in 4-week-old co-cultures. Cells were stained for Synapsin 1 (Syn1, green) and MAP2 (red), and synaptic puncta were quantified by confocal analysis of density along the dendritic segments as described17,18. (D) In our co-cultures of iNs and iOPCs (7 days of co-culturing), the expression of astrocyte markers, ALDHL1 and GFAP, is minimal (top), and the expression of microglia markers, TMEM119, TREM2, and CD33, is not detected (N.D.) by qPCR. The contamination from these two glial cell types is thus excluded. (E) Coculturing iOPC with iN leads to the formation of neuron-OPC synapses. The fluorescence-tagged post-synaptic marker PSD95-mCherry is expressed only in OPCs, and display a diffuse pattern in single cultures (left) but aggregate to form puncta in cocultures (right, indicated by arrows; Tuj1, neuronal marker). (F) The expression of well-characterized oligodendroglial genes that can sense and respond to neuronal activities in the pure cultures of iOPCs at Day 14. Please click here to view a larger version of this figure.
The fourth paragraph was updated from:
Co-culturing of iNs and iOPCs
This protocol is optimized specifically for co-culturing iNs and iOPCs and allow our real-time monitoring of the inter-cellular communications between these two cell types along the course of neural development. The ideal plating densities for both cell types need to be decided with a series of cell number titration to achieve proper differentiation (Figure 3A). After 4 weeks in co-cultures, the iOPCs are expected to be adequately differentiated into OLs that are positive for specific markers such as MBP and extend processes to ensheath axons (Figure 3B). The co-culture system can robustly boost up the number of synapses, indicating that the iOPCs provide a neuronal support through physical contacts or release of trophic factors (Figure 3C). We can maintain the co-cultures in acceptable health condition for up to 6 weeks and observe that the synapse number and other neuronal attributes plateau around the fifth week. Of note, astrocytes and microglia are not present in our preparations and their absence can be documented by checking the expression of specific markers (Figure 3D).
to:
Co-culturing of iNs and iOPCs
This protocol is optimized specifically for co-culturing iNs and iOPCs and allow our real-time monitoring of the inter-cellular communications between these two cell types along the course of neural development. The ideal plating densities for both cell types need to be decided with a series of cell number titration to achieve proper differentiation (Figure 3A). After 4 weeks in co-cultures, the iOPCs are expected to be adequately differentiated into OLs that are positive for specific markers such as MBP and extend processes to ensheath axons (Figure 3B). The co-culture system can robustly boost up the number of synapses, indicating that the iOPCs provide a neuronal support through physical contacts or release of trophic factors (Figure 3C). We can maintain the co-cultures in acceptable health condition for up to 6 weeks and observe that the synapse number and other neuronal attributes plateau around the fifth week. Of note, astrocytes and microglia are not present in our preparations and their absence can be documented by checking the expression of specific markers (Figure 3D). The iOPCs express a good number of well-characterized genes that can potentially respond to and mediate the activity-dependent signals from neighboring neurons, in a paracrine (e.g. neurotrophins and metabolites) and/or a synaptic manner (Figure 3E and 3F).
