Describimos un método para diferenciar astrocitos y neuronas derivados pluripotentes inducidos por humanos de la médula espinal y su cocultivo para el registro electrofisiológico.
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Describimos un método para diferenciar astrocitos y neuronas derivados pluripotentes inducidos por humanos de la médula espinal y su cocultivo para el registro electrofisiológico.
Los astrocitos y neuronas derivados de células madre pluripotentes humanas (hiPSC-A) y las neuronas (hiPSC-N) proporcionan una herramienta poderosa para modelar la fisiopatología de la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) in vitro. Las grabaciones de matriz de electrodos múltiples (MEA) son un medio para registrar potenciales de campo eléctrico de grandes poblaciones de neuronas y analizar la actividad de la red a lo largo del tiempo. Se demostró previamente que la presencia de hiPSC-A que se diferencian utilizando técnicas para promover un fenotipo de astrocito de la médula espinal mejoró la maduración y la actividad electrofisiológica de las neuronas motoras (MN) hiPSC de la médula espinal específicas regionalmente en comparación con las cultivadas sin hiPSC-A o en presencia de astrocitos de roedores. Aquí se describe un método para cocultivar hiPSC-A de la médula espinal con hiPSC-MN y registrar la actividad electrofisiológica utilizando grabaciones MEA. Si bien los protocolos de diferenciación descritos aquí son particulares para los astrocitos y las neuronas que son regionalmente específicos de la médula espinal, la plataforma de cocultivo se puede aplicar a astrocitos y neuronas diferenciadas con técnicas específicas para otros destinos, incluidos hiPSC-A cortical e hiPSC-N. Estos protocolos tienen como objetivo proporcionar un ensayo electrofisiológico para informar sobre las interacciones glia-neurona y proporcionar una plataforma para probar medicamentos con potencial terapéutico en la ELA.
Los astrocitos y neuronas derivados de células madre pluripotentes humanas (hiPSC-A) y las neuronas (hiPSC-N) son herramientas poderosas para modelar la fisiopatología de la esclerosis lateral amiotrófica (ELA) in vitro y proporcionan un paradigma traslacional para las estrategias de descubrimiento de fármacos1. Los investigadores han demostrado que el cocultivo de hiPSC-A con hiPSC-N mejora la maduración morfológica, molecular, electrofisiológica y farmacológica de ambos tipos celulares, generando redes neuronales complejas e interacciones astrocito-neurona que se asemejan a sus contrapartes in vivo 2,3. Experimentos similares de cocultivo pueden recapitular las características distintivas de la patobiología de la ELA, como la neurotoxicidad mediada por astrocitos 4,5 y la hiperexcitabilidad neuronal6. Además, con los avances en los protocolos de diferenciación, las células madre pluripotentes inducidas por humanos (hiPSC) se pueden diferenciar en subtipos neuronales específicos de la región, incluidos hiPSC-A cortical y de médula espinal e hiPSC-N 7,8. Estas estrategias proporcionan el potencial para modelar la patología de las neuronas motoras corticales y espinales en la ELA, así como la influencia astrocítica en ambas. Sin embargo, esto requiere que haya un ensayo funcional reproducible para determinar estos efectos.
Recientemente se demostró que el registro de matriz de electrodos múltiples (MEA) es particularmente adecuado para la caracterización electrofisiológica de cocultivos neuronales-astrocitos2. A diferencia de los análisis electrofisiológicos unicelulares, estas matrices de electrodos de alta densidad registran pasivamente los potenciales de campo extracelular de grandes poblaciones de neuronas sin interrumpir las condiciones de cultivo y preservar la integridad de las membranas celulares. Estas plataformas son particularmente útiles para registrar la actividad celular y de red de los cultivos a lo largo del tiempo y en respuesta a la manipulación farmacológica. Finalmente, cuando la presencia de astrocitos es una variable de cultivo, los registros de MEA pueden proporcionar información funcional sobre las interacciones bidireccionales astrocito-neurona 2,9.
Aquí se presenta un protocolo optimizado para la diferenciación de hiPSC en hiPSC-A de la médula espinal y hiPSC-neuronas motoras (MN) que ha sido previamente validado2. El protocolo de diferenciación hiPSC-A de la médula espinal da como resultado consistentemente cultivos de astrocitos, que son positivos para la proteína B de unión al calcio S100 (S100β), la proteína ácida fibrilar glial (GFAP) y Homeobox B4 (HOXB4) en hasta el 80%, 50% y 90% de las células, respectivamente, lo que indica una especificación glial y de la médula espinal madura 2,10 . El protocolo de diferenciación hiPSC-MN genera neuronas que son >90% positivas para la colina acetiltransferasa (ChAT), lo que sugiere una identidad madura de neurona alfa-motora2. Además, el protocolo describe técnicas para la generación de cocultivos hiPSC-A/MN previamente demostrados para dar lugar a neuronas con mayor complejidad morfológica por análisis de Scholl y microscopía inmunofluorescente en comparación con cultivos neuronales sin astrocitos o con astrocitos de roedores2. Si bien estas descripciones son específicas de la médula espinal hiPSC-A y hiPSC-N, una ventaja única es que el cultivo independiente inicial de astrocitos y neuronas seguido de pasos para el cocultivo en puntos de tiempo posteriores se puede traducir para estudiar los efectos de las interacciones neurona-astrocito de otras regiones específicas, así como de células específicas de la enfermedad 7,8 . Finalmente, el protocolo describe cómo cultivar estos cultivos en placas MEA para que la actividad funcional como factor de composición de cocultivo pueda estudiarse a lo largo del tiempo con la capacidad de manipular la composición celular y las condiciones de cultivo.
El objetivo de estos protocolos es proporcionar un ensayo funcional para investigar las interacciones astrocito-neurona, examinar los cambios específicos de la enfermedad y probar medicamentos con potencial terapéutico en el campo de la ELA. Se proporcionan instrucciones en video para los pasos más desafiantes de este protocolo.
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1. Preparación de medios de cultivo celular
2. Mantenimiento y paso de células madre pluripotentes inducidas humanas no confluentes (hiPSC)
3. Congelación de hiPSC
4. Descongelación de hiPSC
5. Diferenciación de hiPSC en células progenitoras neurales (NPC) de la médula espinal
6. Descongelación de las culturas de los NPC
7. Diferenciar NPC de la médula espinal en neuronas motoras
8. Diferenciar NPC en astrocitos de la médula espinal
9. Co-cultivo de MN y astrocitos de la médula espinal en placas de matriz de electrodos múltiples
10. Grabación de matriz de electrodos múltiples
11. Ensayos farmacológicos en matriz de electrodos múltiples
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El protocolo de patrones de la médula espinal para la generación de hiPSC-MN y hiPSC-A de la médula espinal se describe en la Figura 1. En este protocolo, las hiPSC se mantienen y pasan como colonias no confluentes (Figura 2A). La neurogénesis se inicia (inducción neural) a través de la inhibición dual de SMAD mediante la adición de LDN193189 y SB431542, inactivando las vías de la proteína morfogenética ósea (BMP) y del factor de crecimiento transformante beta (...
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Hasta la fecha, los métodos basados en hiPSC y MEA para registros electrofisiológicos de cocultivos astrocito-neurona han encontrado una aplicación limitada en el campo de ALS6 y aún no en plataformas completamente humanas, en contraste con su uso más generalizado para el modelado in vitro de la epilepsia9. Esta plataforma, sin embargo, tiene el potencial de abordar cuestiones fisiopatológicamente relevantes en la investigación de la ELA, como los mecanismos de hip...
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Los autores no tienen nada que revelar.
Este manuscrito fue respaldado por lo siguiente: 2019 MSCRFF 5119 (AT). K08NS102526 NIH/NINDS (CWH), 2020 Doris Duke Charitable Foundation Clinical Scientist Career Development Award (CWH). 1R01NS117604-01NIH/NINDS (NJM), DOD ALSRP W81XWH2010161 (NJM), 2019 MSCRFD 5122 (NJM). Agradecemos al Dr. Raha Dastgheyb y al Dr. Norman Haughey por proporcionar la plataforma MEA y el software de análisis de datos que hemos utilizado para validar la plataforma electrofisiológica descrita. Nos gustaría agradecer a Khalil Rust por su ayuda con la demostración del protocolo y la filmación.
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| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Placas de cultivo estériles de 10 cm | Falcon | 353003 | |
| matraces de cultivo estériles de 25 cm2 | Falcon | 353136 | |
| 2-Mercaptoetanol (β-ME) | Thermofisher | 21985023 | Concentración de trabajo 110 µ M |
| 500 mL 0,2 y micro; m CA Filter System | Corning | 430769 | |
| pipeta de 5 mL | Falcon | 357543 | |
| 6 placas de cultivo estériles de pocillos | Falcon | 3046 | |
| Anfotericina B | Gibco | 15290018 | Concentración de trabajo 2.0 μ g/mL |
| Detergente aniónico con enzima proteasa - Terg-A-Zyme | Sigma-Aldrich | Z273287 | Concentración de trabajo 1% m/v |
| Ácido ascórbico (ASAC) | Sigma | A4403 | Disuelva 100 mg en 250 mL de dH2O para obtener un caldo de 0,4 mg/ml. Filtro estéril a través de un 0.22 µ m filtrar, alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir a 1:1000 para su uso. (concentración de trabajo 0,4 y micro; g/mL). |
| Axion CytoView MEA 24 placas (M384-tMEA-24W) | Axion | OPT-24 | |
| Plataforma Axion Edge MEA | Matriz | Maestro Edge | |
| - Matrigel | Corning | 354277 | Detalles en el protocolo |
| Microscopio de sobremesa (estéril bajo campana de cultivo celular) | Zeiss | 415510-1100-000 | Primo Vert |
| Bicuculline | Sigma Aldrich | 14340 | Concentración de trabajo10 μ M |
| Factor neurotrófico ciliar (CNTF) | Peprotech | 450-13 | Dissolve 100 µ g en 1 mL de PBS estéril, y luego agregue 9 mL de BSA-PBS estéril al 0,1% a 10 & micro; g/mL. Alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir a 1: 1000 para su uso. (concentración de trabajo 10 ng/mL). |
| Tanques de CO2 y regulador para Axion Edge | AirGas/Harris | 9296NC | |
| Compound E | Abcam | ab142164 | Dissolve 250 µ g en 2.0387 mL de DMSO para obtener un 250 µ M stock. Alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir 1:2000 para su uso. (concentración de trabajo 125 nM). |
| Cyanquixaline (CNQX) | Sigma Aldrich | C239 | Concentración de trabajo 50 μ M |
| Ácido dihidrocaínico (DHK) | Tocris | 111 | Concentración de trabajo 50 μ M y 300 μ M |
| DMEM/F12 | Thermofisher | 113300 | Concentración de trabajo 1x |
| Essential 8 Medium + Essential 8 Supplement | Thermofisher | A1517001 | Combine 10 mL de Essential 8 (10x) suplemento con 500 mL de Essential 8 Growth Medium (1x) |
| Suero Fetal Bovino (FBS) | Thermofisher | 16140071 | Concentración de trabajo 1x |
| Neurotrófico derivado de líneas celulares gliales (GDNF) | Peprotech | 450-10 | Disolver 100 µ g en 1 mL de PBS a 100 µ g/mL, y luego agregue 9 mL de BSA-PBS estéril al 0,1% a 10 µ g/mL. Alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir a 1: 1000 para su uso. (concentración de trabajo 10 ng/mL). |
| Hemocitómetro | Election Microscopy Sciences | 63510-20 | |
| Heparina | Millipore-sigma | H3149-100KU | Disuelva 200 mg en 100 mL de PBS para obtener 2 mg/mL de solución madre. Alícuota el stock en 15 mL y 500 µ Tubos L. Diluir 1:1000 para su uso. (concentración de trabajo 2 y micro; g/mL). |
| Incubadora de cultivos celulares con control de humedad | ThermoFisher | 370 | set to 37 º C, 5 % CO2 |
| Factor de crecimiento similar a la insulina 1 (IGF-1) | R& Sistemas D | 291-G1-200 | Disolver 200 µ g en 2 mL de PBS a 100 µ g/mL, luego agregue 18 mL de 0.1%BSA-PBS para hacer 10 µ g/mL de almacenamiento y almacenamiento a -80 ºC. Alícuota y congelación a -80 ºC. Diluir 10 µ g/mL de stock a 1:1000 para su uso. (concentración de trabajo 10 ng/mL). |
| Ácido Kainc | Abcam | ab144490 | Concentración de trabajo 5 μ M |
| Knockout Serum Replacement (KSR) | Thermofisher | 10828 | Concentración de trabajo 1x |
| Laminin | Thermofisher | 23017-015 | Solución madre 1 mg/mL, concentración de trabajo 10 µ g/mL (recubrimiento), 1 y micro; g/mL (medios celulares) |
| LDN193189 | Stemgent | 04-0074 | Disolver 2 mg de LDN en 500 µ L de cloroformo para obtener 10 mM de stock. Alícuota esto y se congela a -80 ºC. Para su uso, diluya el material de 1 a 10 en DMSO [a 1 mM] primero, luego diluya 1:5000 de 1 mM en el medio deseado para obtener 0.2 µ Solución |
| de trabajo M L-glutamina | Thermofisher | 25030 | Concentración de trabajo 100x |
| Placas de vidrio MEA | Sistemas multicanal | 60MEA200/30iR-Ti-gr | |
| Pipeta multicanal P200 | Gilson | PJ22224 | |
| Neurobasal | Thermofisher | 21103049 | Concentración de trabajo 1x |
| Aminoácidos no esenciales (NEAA) | Thermofisher | 11140050 | Concentración de trabajo 100x |
| Pencillin/Estreptomicina | Thermofisher 15140122 | Concentración de trabajo 100x | |
| Poliornitina (PLO) | Sigma-Aldrich | P3655 | Disuelva 100 mg en 1 mL de ddW para obtener 100 mg/mL de solución madre. Alícuota la acción en 100 µ Tubos L. (concentración de trabajo 100 µ g/mL) |
| Cloruro de potasio (KCl) | NA | NA Concentración | trabajo100 mM |
| Purmorfamina (PMN) | Millipore-Sigma | 540223 | Disuelva 5 mg en 9,6 mL de DMSO para obtener una solución de 1 mM. Alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir 1:1000 para su uso. (concentración de trabajo 1 y micro; M). |
| Factor neurotrófico recombinante derivado del cerebro humano (BDNF) | Peprotech | 450-02 | Centrífuga brevemente antes de la reconstitución. Disolver 100 µ g en 1 mL de PBS a 100 &; g/mL, y luego agregue 9 mL de BSA-PBS estéril al 0,1% a 10 µ g/mL. Alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir a 1: 1000 para su uso. (concentración de trabajo 10 ng/mL). |
| Ácido retinoico (RA) | Sigma | R2625 | Disuelva 100 mg en 3,3 mL de DMSO para obtener 100 mM de solución madre. Alícuota la culata 100 µ L/tubo y congelar a -80 ºC. Toma 200 µ L de 100 mM de caldo y diluir 10x (añadir 1,8 mL de DMSO) para hacer 10 mM de caldo. Alícuota 50 y micro; L/tubo y almacenar a -80 ºC. Diluir a 1:10000 para su uso. (concentración de trabajo 2 y micro; M). |
| ROCK-I nhibitor | Peprotech 1293823 | Disolver 5 mg en 1480 µ L de dH2O para obtener 10 mM de caldo, alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir a 1:500 para su uso. (concentración de trabajo 20 y micro; M). | |
| SB431542 | Sigma | S4317 | Disuelva 5 mg en 1,3 ml de DMSO para obtener 10 mM de solución madre. Alícuota y congelar a -80 ºC. Diluir a 1:1000 para su uso. (Trabajando con 10 y Micro; M) |
| Campanas de cultivo celular estériles Baker | Company | SG-600 | |
| Suplemento B - B27 Suplemento | Thermofisher | 21985023 | Concentración de trabajo 50x |
| Suplemento N - N2 Suplemento | Thermofisher | 17502048 | Concentración de trabajo 100x |
| Centrífuga de cultivo celular de sobremesa | ThermoFisher | 75004261 | Sorvall Legend X1R |
| Termoplástico película - Parafilm | PARAFILM | P7793 | |
| Proteasa de disociación tisular - Dispasa | StemCell Technologies | 7923 | Concentración de trabajo 1x |
| Inhibidor de tripsina | Sigma | T6522-1G | Disuelva 1 g en 100 ml ddH2O para obtener un stock de 10 mg/mL. Alícuota y almacenar a 4 ºC. Diluir 1:10 del volumen de tripsina para su uso. (concentración de trabajo 1 mg/mL). |
| Tripsina-EDTA (0,05%) | Thermofisher | 2530054 | Concentración de trabajo 1x |
| Baño de agua | ThermoFisher | 2332 | Isotemp |
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