Nous décrivons une méthode de différenciation des astrocytes et des neurones dérivés pluripotents induits par l’homme et leur co-culture pour l’enregistrement électrophysiologique.
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Nous décrivons une méthode de différenciation des astrocytes et des neurones dérivés pluripotents induits par l’homme et leur co-culture pour l’enregistrement électrophysiologique.
Les astrocytes et les neurones (hiPSC-A) et les neurones (hiPSC-N) humains pluripotents fournissent un outil puissant pour modéliser la physiopathologie de la sclérose latérale amyotrophique (SLA) in vitro. Les enregistrements à réseaux multi-électrodes (MEA) sont un moyen d’enregistrer les potentiels de champ électrique de grandes populations de neurones et d’analyser l’activité du réseau au fil du temps. Il a été précédemment démontré que la présence d’hiPSC-A différenciés à l’aide de techniques visant à promouvoir un phénotype d’astrocyte de la moelle épinière améliorait la maturation et l’activité électrophysiologique des neurones moteurs hiPSC (MN) de la moelle épinière spécifiques à une région par rapport à ceux cultivés sans hiPSC-A ou en présence d’astrocytes de rongeurs. La méthode décrite ici est une méthode de co-culture de la moelle épinière hiPSC-A avec hiPSC-MN et d’enregistrement de l’activité électrophysiologique à l’aide d’enregistrements MEA. Alors que les protocoles de différenciation décrits ici sont spécifiques aux astrocytes et aux neurones qui sont régionalement spécifiques à la moelle épinière, la plateforme de co-culture peut être appliquée aux astrocytes et aux neurones différenciés avec des techniques spécifiques à d’autres destins, y compris l’hiPSC-A cortical et l’hiPSC-N. Ces protocoles visent à fournir un test électrophysiologique pour informer sur les interactions glia-neurones et fournir une plate-forme pour tester des médicaments ayant un potentiel thérapeutique dans la SLA.
Les astrocytes et les neurones (hiPSC-A) et les neurones (hiPSC-N) sont des outils puissants pour modéliser la physiopathologie de la sclérose latérale amyotrophique (SLA) in vitro et fournissent un paradigme translationnel pour les stratégies de découverte de médicaments1. Les chercheurs ont démontré que la co-culture de l’hiPSC-A avec l’hiPSC-N améliore la maturation morphologique, moléculaire, électrophysiologique et pharmacologique des deux types cellulaires, générant des réseaux neuronaux complexes et des interactions astrocyte-neurones qui ressemblent à leurs homologues in vivo 2,3. Des expériences de co-culture similaires peuvent récapituler les caractéristiques de la pathobiologie de la SLA telles que la neurotoxicité médiée par les astrocytes 4,5 et l’hyperexcitabilité neuronale6. De plus, avec les progrès des protocoles de différenciation, les cellules souches pluripotentes induites par l’homme (hiPSC) peuvent être différenciées en sous-types neuronaux spécifiques à la région, y compris les cellules souches corticales et épinières hiPSC-A et hiPSC-N 7,8. Ces stratégies offrent le potentiel de modélisation de la pathologie des motoneurones corticaux et spinaux dans la SLA, ainsi que l’influence astrocytaire sur les deux. Cependant, cela nécessite qu’il existe un essai fonctionnel reproductible pour déterminer ces effets.
Récemment, il a été démontré que l’enregistrement multi-électrodes (MEA) est particulièrement adapté à la caractérisation électrophysiologique des co-cultures neurone-astrocyte2. Contrairement aux analyses électrophysiologiques unicellulaires, ces réseaux d’électrodes à haute densité enregistrent passivement les potentiels de champ extracellulaire de grandes populations de neurones sans perturber les conditions de culture et préserver l’intégrité des membranes cellulaires. Ces plateformes sont particulièrement utiles pour enregistrer l’activité cellulaire et en réseau des cultures au fil du temps et en réponse à des manipulations pharmacologiques. Enfin, lorsque la présence d’astrocytes est une variable de culture, les enregistrements MEA peuvent fournir des informations fonctionnelles sur les interactions bidirectionnelles astrocyte-neurone 2,9.
Présenté ici est un protocole optimisé pour la différenciation de l’hiPSC en hiPSC-A de la moelle épinière et hiPSC-motoneurones (MN) qui a été précédemment validé2. Le protocole de différenciation hiPSC-A de la moelle épinière aboutit systématiquement à des cultures d’astrocytes, qui sont positives pour la protéine B liant le calcium S100 (S100β), la protéine acide fibrillaire gliale (GFAP) et l’Homeobox B4 (HOXB4) dans jusqu’à 80 %, 50 % et 90 % des cellules, respectivement, ce qui indique une spécification gliale et moelle épinière en cours de maturation 2,10 . Le protocole de différenciation hiPSC-MN génère des neurones positifs à >90% pour la choline acétyltransférase (ChAT), suggérant une identité de motoneurone alphamature 2. En outre, le protocole décrit des techniques pour la génération de co-cultures hiPSC-A/MN dont il a été démontré précédemment qu’elles aboutissaient à des neurones présentant une complexité morphologique accrue par analyse Scholl et microscopie immunofluorescente par rapport à des cultures neuronales sans astrocytes ou avec des astrocytes de rongeurs2. Bien que ces descriptions soient spécifiques à la moelle épinière hiPSC-A et hiPSC-N, un avantage unique est que la culture indépendante initiale d’astrocytes et de neurones suivie d’étapes de co-culture à des moments ultérieurs peut être traduite pour étudier les effets des interactions neurone-astrocyte d’autres régions spécifiques ainsi que des cellules spécifiques à la maladie 7,8 . Enfin, le protocole décrit comment cultiver ces cultures sur des plaques MEA afin que l’activité fonctionnelle en tant que facteur de composition de co-culture puisse être étudiée dans le temps avec la capacité de manipuler la composition cellulaire ainsi que les conditions de culture.
L’objectif de ces protocoles est de fournir un test fonctionnel pour étudier les interactions astrocyte-neurone, examiner les changements spécifiques à la maladie et tester des médicaments ayant un potentiel thérapeutique dans le domaine de la SLA. Des instructions vidéo sont fournies pour les étapes les plus difficiles de ce protocole.
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1. Préparation des milieux de culture cellulaire
2. Maintien et transmission des cellules souches pluripotentes induites par l’homme non confluentes (CSPhi)
3. Congélation de hiPSC
4. Décongélation des CSP
5. Différencier les hiPSC en cellules progénitrices neurales (NPC) de la moelle épinière
6. Décongélation des cultures PNJ
7. Différenciation de la NPC de la moelle épinière en motoneurones
8. Différencier les NPC en astrocytes de la moelle épinière
9. Co-culture d’astrocytes MN et de la moelle épinière dans des plaques multi-électrodes
10. Enregistrement multi-électrodes
11. Dosages pharmacologiques sur réseau multi-électrodes
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Le protocole de structuration de la moelle épinière pour la génération de hiPSC-MN et d’hiPSC-A de la moelle épinière est décrit à la figure 1. Dans ce protocole, les CSPhi sont maintenues et transmises sous forme de colonies non confluentes (figure 2A). La neurogenèse est initiée (induction neuronale) par une double inhibition SMAD par l’ajout de LDN193189 et SB431542, inactivant respectivement la protéine morphogénétique osseuse (BMP) et les voies du facteur d...
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À ce jour, les méthodes basées sur les HIPSC et MEA pour les enregistrements électrophysiologiques des co-cultures astrocyte-neurones ont trouvé une application limitée dans le domaine de la SLA6 et toujours pas dans des plates-formes entièrement humaines, contrairement à leur utilisation plus répandue pour la modélisation in vitro de l’épilepsie9. Cette plateforme a toutefois le potentiel de répondre à des questions pathophysiologiquement pertinentes dans la reche...
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Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Ce manuscrit a été soutenu par ce qui suit : 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). Nous remercions la Dre Raha Dastgheyb et le Dr Norman Haughey d’avoir fourni la plateforme MEA et le logiciel d’analyse de données que nous avons utilisés pour valider la plateforme électrophysiologique décrite. Nous tenons à remercier Khalil Rust pour leur aide dans la démonstration du protocole et le tournage.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| Plaques de culture stériles de 10 cm | Falcon | 353003 | |
| 25 cm2 Flacons de culture stériles | Falcon | 353136 | |
| 2-Mercaptoethanol (&beta ;-ME) | Thermofisher | 21985023 | Concentration de travail 110 µ ; M |
| 500 mL 0,2 & micro ; m CA Filter System | Corning | 430769 | |
| Pipette 5 mL | Falcon | 357543 | |
| 6 plaques de culture stériles | Falcon | 3046 | |
| Amphotéricine B | Gibco | 15290018 | Concentration de travail 2.0 &mu ; g/mL |
| Détergent anionique avec enzyme protéase - Terg-A-Zyme | Sigma-Aldrich | Z273287 | Concentration de travail 1 % m/v |
| Acide ascorbique (ASAC) | Sigma | A4403 | Dissoudre 100 mg dans 250 mL de dH2O pour obtenir 0,4 mg/ml de stock. Filtre stérile à travers un 0,22 & micro ; m filtrer, aliquote et congeler à -80 º ;C. Diluer à 1:1000 pour l’utilisation. (concentration de travail 0,4 & micro ; g/mL). |
| Axion CytoView MEA 24 plaques (M384-tMEA-24W) | Axion | OPT-24 | |
| Axion Edge Plateforme MEA | Axion | Maestro Edge | |
| Socle Matrice membranaire - Matrigel | Corning | 354277 | Détails dans le protocole |
| Microscope de paillasse (stérile sous capot de culture cellulaire) | Zeiss | 415510-1100-000 | Primo Vert |
| Bicuculline | Sigma Aldrich | 14340 | Concentration de travail10 &mu ; |
| M Facteur neurotrophique ciliaire (CNTF) | Peprotech | 450-13 | Dissoudre 100 µ ; g dans 1 mL de PBS stérile, puis ajouter 9 mL de BSA-PBS stérile à 0,1 % à 10 & micro ; g/mL. Aliquote et congélation à -80 º ;C. Diluer à 1:1000 pour l’utilisation. (concentration de travail 10 ng/mL). |
| Réservoirs 2 et détendeur pour Axion Edge | AirGas/Harris | 9296NC | |
| Compound E | Abcam | ab142164 | Dissolve 250 µ ; g dans 2,0387 mL de DMSO pour obtenir un 250 µ ; Stock M. Aliquote et congélation à -80 º ;C. Diluer 1:2000 pour l’utilisation. (concentration de travail 125 nM). |
| Cyanquixaline ; (CNQX) | Sigma Aldrich | C239 | Concentration de travail 50 &mu ; |
| M Acide dihydrokainique (DHK) | Tocris | 111 | Concentration de travail 50 &mu ; M et 300 &mu ; M |
| DMEM/F12 | Thermofisher | 113300 | Concentration de travail 1x |
| Essential 8 Medium + Essential 8 Supplement | Thermofisher | A1517001 | Combiner 10 mL d’Essential 8 (10x) ; supplément avec 500 mL de Essential 8 Growth Medium (1x) |
| Sérum de veau fœtal (FBS) | Thermofisher | 16140071 | Concentration de travail 1x |
| Glial cell line neurotrophic (GDNF) | Peprotech | 450-10 | Dissolve 100 & micro ; g dans 1 mL de PBS à 100 & micro ; g/mL, puis ajouter 9 mL de BSA-PBS stérile à 0,1 % à 10 & micro ; g/mL. Aliquote et congélation à -80 º ;C. Diluer à 1:1000 pour l’utilisation. (concentration de travail 10 ng/mL). |
| Hémocytomètre | Microscopie électorale Sciences | 63510-20 | |
| Héparine | Millipore-sigma | H3149-100KU | Dissoudre 200 mg dans 100 mL de PBS pour obtenir 2 mg/mL de solution mère. Aliquote du bouillon en 15 mL et 500 µ ; Tubes en L. Diluer 1:1000 pour l’utilisation. (concentration de travail 2 & micro ; g/mL). |
| Incubateur de culture cellulaire à humidité contrôlée | ThermoFisher | 370 | réglé sur 37 º ; C, 5 % CO2 |
| Facteur de croissance analogue à l’insuline 1 (IGF-1) | R& D systèmes | 291-G1-200 | Dissolve 200 & micro ; g dans 2 mL de PBS à 100 & micro ; g/mL, puis ajouter 18 mL de BSA-PBS à 0,1 % pour obtenir 10 & micro ; g/mL stocker et stocker à -80 °C. Aliquote et congeler à -80 °C. Diluer 10 º ; g/mL stock à 1:1000 pour l’utilisation. (concentration de travail 10 ng/mL). |
| Acide Kainc | Abcam | ab144490 | Concentration de travail 5 &mu ; M |
| Knockout Serum Replacement (KSR) | Thermofisher | 10828 | Concentration de travail 1x |
| Laminin | Thermofisher | 23017-015 | Solution mère 1 mg/mL, concentration de travail 10 µ ; g/mL (enrobage), 1 & micro ; g/mL (milieu cellulaire) |
| LDN193189 | Stemgent | 04-0074 | Dissoudre 2 mg de LDN dans 500 µ ; L de Chloroforme pour obtenir 10 mM de stock. Aliquote ceci et congeler à -80 º ;C. Pour l’utilisation, diluez d’abord la matière 1 à 10 dans du DMSO [à 1 mM], puis diluez 1:5000 de 1 mM dans le milieu souhaité pour obtenir 0,2 µ ; M solution de travail |
| L-Glutamine | Thermofisher | 25030 | Concentration de travail 100x |
| plaques de verre MEA | Systèmes multicanaux | 60MEA200/30iR-Ti-gr | |
| Pipette multicanaux P200 | Gilson | PJ22224 | |
| Neurobasal | Thermofisher | 21103049 | Concentration de travail 1x |
| acides aminés non essentiels (NEAA) | Thermofisher | 11140050 | Concentration de travail 100x |
| Pencillin/Streptomycin | Thermofisher | 15140122 Concentration | de travail 100x |
| Polyornithine (PLO) | Sigma-Aldrich | P3655 | Dissoudre 100 mg dans 1 mL de ddW pour obtenir 100 mg/mL de solution mère. Aliquote du stock en 100 & micro ; Tubes en L. (concentration de travail 100 µ ; g/mL) |
| Chlorure de potassium (KCl) | NA | NA | Concentration de travail100 mM |
| Purmorphamine (PMN) | Millipore-Sigma | 540223 | Dissoudre 5 mg dans 9,6 mL de DMSO pour obtenir une solution de 1 mM. Aliquote et congélation à -80 º ;C. Diluer 1:1000 pour l’utilisation. (concentration de travail 1 & micro ; M). |
| Facteur neurotrophique recombinant dérivé du cerveau humain (BDNF) | Peprotech | 450-02 | Centrifugeuse brièvement avant la reconstitution. Dissoudre 100 & micro ; g dans 1 mL de PBS à 100 & micro ; g/mL, puis ajouter 9 mL de BSA-PBS stérile à 0,1 % à 10 & micro ; g/mL. Aliquote et congélation à -80 º ;C. Diluer à 1:1000 pour l’utilisation. (concentration de travail 10 ng/mL). |
| Acide rétinoïque (RA) | Sigma | R2625 | Dissoudre 100 mg dans 3,3 mL de DMSO pour obtenir 100 mM de solution mère. Aliquote le stock 100 µ ; L/tube et congeler à -80 º ;C. Prenez 200 & micro ; L de 100 mM de stock et diluer 10x (ajouter 1,8 mL de DMSO) pour obtenir 10 mM de stock. Aliquote 50 & micro ; L/tube ; et stocker à -80 º ;C. Diluer à 1:10000 pour utilisation. (concentration de travail 2 & micro ; M). |
| ROCK-I nhibitor | Peprotech | 1293823 | Dissoudre 5 mg dans 1480 & micro ; L de dH2O pour obtenir 10 mM de stock, aliquote et congélation à -80 º ;C. Diluer à 1:500 pour l’utilisation. (concentration de travail 20 & micro ; M). |
| SB431542 | Sigma | S4317 | Dissoudre 5 mg dans 1,3 mL de DMSO pour obtenir 10 mM de solution mère. Aliquote et congélation à -80 º ;C. Diluer à 1:1000 pour utilisation. (fonctionnement con 10 µ ; M) |
| Hottes de culture cellulaire stériles | Baker Company | SG-600 | |
| Supplément B - B27 Supplément | Thermofisher | 21985023 | Concentration de travail 50x |
| Supplément N - N2 Supplément | Thermofisher | 17502048 | Concentration de travail 100x |
| Centrifugeuse de culture cellulaire de table | ThermoFisher | 75004261 | Sorvall Legend X1R |
| Thermoplastique ; film - Parafilm | PARAFILM | P7793 | |
| Protéase de dissociation tissulaire - Dispase | StemCell Technologies | 7923 | Concentration de travail 1x |
| Inhibiteur de la trypsine | Sigma | T6522-1G | Dissoudre 1g dans 100mL de ddH2O pour obtenir 10 mg/mL de stock. Aliquote et stocker à 4 º ;C. Diluer 1:10 du volume de trypsine pour l’utilisation. (concentration de travail 1 mg/mL). |
| Trypsine-EDTA (0.05 %) | Thermofisher | 2530054 | Concentration de travail 1x |
| Bain-marie | ThermoFisher | 2332 | Isotemp |
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