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Les neurones dérivés des cellules souches pluripotentes humaines (hiPSC) sont de plus en plus pertinents dans les domaines de la recherche fondamentale, du développement de médicaments et de la médecine régénérative. Les workflows et les procédures pour optimiser leur culture et leur entretien, et améliorer l'efficacité de la différenciation en sous-types neuronaux spécifiques, évoluent rapidement1,2. Afin d'améliorer l'utilité et la rentabilité des neurones dérivés des cellules souches humaines en tant que systèmes modèles propices à des analyses à haute teneur en matière de découverte de médicaments et de validation de cibles, il est utile de réduire le temps de culture requis pour générer des neurones, tout en conservant la robustesse maximale, la reproductibilité, et la pertinence de phénotype. Bien que les cultures organoïdes tridimensionnelles soient à l'origine de percées dans la recherche sur le neurodéveloppement3, les cultures monocouches bidimensionnelles sont particulièrement compatibles avec les applications automatisées basées sur l'imagerie en raison de leur épaisseur minimale des tissus.
Cependant, l'adaptation des méthodes de dépistage basées sur l'imagerie aux modèles de maladies neurologiques et neurodéveloppementales humaines fait face à un défi majeur. Le délai prolongé sur lequel le système nerveux humain mûrit in vivo nécessite un temps prolongé dans la culture pour accueillir les programmes naturels d'expression génique et atteindre la maturation neuronale.
Une conséquence pratique du long programme de différenciation neuronale est que le maintien des cultures de monocouches dérivées de hiPSC doit être soutenu pendant de nombreuses semaines pour atteindre la maturité synapse adéquate. Pendant ce temps, les progéniteurs neuronaux qui restent indifférenciés continuent de se diviser. Ceux-ci peuvent rapidement dépasser la culture et usurper la teneur en nutriments nécessaires pour maintenir des neurones postmitotiques viables. La division vigoureuse des cellules progénitrices neurales (PNJ) peut également rivaliser avec les neurones pour le substrat de croissance. Cela peut rendre ces cultures sujettes à des problèmes de mauvaise adhérence, une condition impropre aux essais basés sur l'imagerie. En outre, beaucoup d'investigateurs constatent que plus le volume de culture est petit, plus la difficulté à maintenir des populations saines de neurones différenciés assez longtemps pour observer les derniers stades de la différenciation neuronale est grande. En d'autres termes, les essais de maturation des synapses à l'aide d'approches de dépistage à haute teneur (HCS) peuvent être très difficiles pour les neurones d'origine humaine.
Pour contourner certains de ces problèmes, une procédure de re-suspension et de replaquage des neurones dérivés de hiPSC précédemment différenciés a été utilisée. Tout d'abord, il permet l'étude de la croissance neurite (ou, plus exactement, la régénération neurite) dans une population de neurones pleinement engagés. Deuxièmement, le replaquage de neurones précédemment différenciés d'un format de grand volume (comme des plaques de 10 cm ou plus), jusqu'à de petits formats de volume (comme les plaques de microtiter 96 ou 384 puits compatibles Avec le HCS) permet une réduction significative du temps total de culture dans l'état du petit volume. Ceci facilite l'étude de l'assemblage et de la maturation de synapse au cours des semaines suivantes in vitro.
Cependant, le replaquage des neurones matures qui ont déjà établi de longues neurites et un réseau de connectivité complexe présente plusieurs défis, dont l'un est le taux parfois élevé et variable de la mort cellulaire. Ici, nous décrivons une procédure de replating qui a comme conséquence la survie et la reproductibilité excellentes de cellules. Généralement, les neurones sont exposés à des enzymes protéolytiques pendant de courtes périodes d'incubation (généralement de 3 à 10 minutes) afin de détacher les cellules du substrat avant la trituration. Ce bref temps de protéolyse est habituellement utilisé pour resuspendre et transmettre de nombreux types de cellules de division, y compris les cellules non neuronales et les progéniteurs indifférenciés4,5,6. Cependant, pour les neurones différenciés portant de longues néurites interconnectées, il est essentiel non seulement de détacher les cellules du substrat, mais aussi de perturber le réseau dendritique et axonal afin d'isoler les cellules individuelles tout en minimisant les dommages. En effet, un maillage épais de neurones tend généralement à se détacher du substrat comme une seule feuille, plutôt que comme des cellules individuelles. Si l'on ne fait pas attention à desserrer l'épais réseau de neurites, les neurones deviennent non seulement irrémédiablement endommagés pendant la trituration, mais beaucoup d'entre eux ne parviennent pas à passer à travers le filtre utilisé pour enlever les amas, ce qui entraîne un faible rendement cellulaire. Ci-dessous nous décrivons une modification simple à une procédure d'incubation de protéase largement utilisée pour contrer ces difficultés.
Dans le protocole décrit ci-dessous, les neurones sont incubés pendant 40-45 min avec une protéase douce, comme l'enzyme protéolytique (par exemple, Accutase). Pendant les 5-10 premières min après l'ajout de l'enzyme, le réseau neuronal se soulève du substrat comme une feuille. L'incubation avec la protéase se poursuit pendant 30-40 minutes supplémentaires avant de procéder à une trituration douce et au filtrage. Ce temps d'incubation supplémentaire permet de s'assurer que la digestion du matériau détend le réseau intercellulaire, assurant ainsi que la trituration ultérieure produit une suspension des cellules individuelles. Cette procédure maximise l'uniformité de la distribution cellulaire lors du replaquage tout en minimisant la mort cellulaire. Nous avons appliqué avec succès cette méthode de replaquage aux cultures neuronales hiPSC-dérivées générées par divers protocoles de différenciation7,8 et de diverses lignes de hiPSCs. La procédure est nominalement appropriée pour une utilisation avec la plupart ou toutes les lignes de neurones dérivés de cellules souches. Nous avons observé qu'un temps d'incubation prolongé du protéase n'est pas absolument essentiel pour replaquer les cultures à partir de plaques de petit format (p. ex., 35 mm de diamètre); cependant, comme nous le montrons ici, il offre un avantage significatif lors du replatage des plaques de grand diamètre (par exemple, 10 cm de diamètre ou plus), probablement parce que les neurites dans ces plaques peuvent prolonger les processus très longs et former un tableau densément interconnecté.
Ici, nous démontrons cette méthode et illustrent brièvement son application dans les essais pour la néuritogénèse précoce et pour la maturation de synapse, qui implique le regroupement des protéines pré- et postsynaptic le long des dendrites et des axones, suivis par leurs plus tard colocalisation sur les sites synaptiques. Les exemples mettent en évidence les avantages que ce protocole offre dans la préservation de la viabilité et de la reproductibilité cellulaires. Tout d'abord, il permet aux chercheurs d'étudier les premières étapes de la néuritogénèse humaine. Le cadre expérimental est similaire aux cultures primaires couramment utilisées des neurones corticaux ou hippocampiques de rongeurs, où les cellules sont extraites du cerveau foetal tardif ou postnatal précoce, dissociées par trituration après le traitement doux de protéase, et ont permis de initier des neurites ou régénérer les névrites qui ont été sectionnées dans la procédure9,10. Semblable à ces neurones primaires de rongeur, les neurones hiPSC-dérivés commencent à former ou régénérer leurs neurites dans les heures suivant le replaquage, permettant l'imagerie des cônes de croissance et de la morphologie neurite dans un environnement optimal pour l'imagerie spatiotemporal élevée avec moins de cellules indifférenciées. Nous avons observé que la croissance neurite est plus synchronisée par rapport aux retards variables et aux différents taux de croissance observés lorsque les neurones commencent à se différencier d'une population progénitrice. En outre, le replaquage permet d'évaluer les neurones exprimant des marqueurs de sous-type neuronaux qui apparaissent généralement plus tard dans le développement neuronal, tels que la couche corticale 5/6 facteur de transcription CTIP2 (Chicken ovalbumin upstream promoter transcription protéine d'interaction de facteur 2), ou le marqueur pan-neuronal NeuN11. Une caractéristique particulièrement utile de l'approche de replaquage est que la synaptogénèse se déroule dans un délai compatible avec HCS.