Ici, nous présentons un protocole complet pour la génération et l’analyse en aval d’organoïdes cérébraux humains à l’aide du séquençage de l’ARN unicellulaire et mononucléique.
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Article de méthode
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Ici, nous présentons un protocole complet pour la génération et l’analyse en aval d’organoïdes cérébraux humains à l’aide du séquençage de l’ARN unicellulaire et mononucléique.
Au cours de la dernière décennie, la transcriptomique unicellulaire a considérablement évolué et est devenue une méthode de laboratoire standard pour l’analyse simultanée des profils d’expression génique de cellules individuelles, permettant de capturer la diversité cellulaire. Afin de surmonter les limites posées par les types de cellules difficiles à isoler, une approche alternative visant à récupérer des noyaux uniques au lieu de cellules intactes peut être utilisée pour le séquençage, ce qui rend le profilage du transcriptome des cellules individuelles universellement applicable. Ces techniques sont devenues une pierre angulaire dans l’étude des organoïdes cérébraux, les établissant comme des modèles du cerveau humain en développement. Exploitant le potentiel de la transcriptomique unicellulaire et mononucléus dans la recherche sur les organoïdes cérébraux, ce protocole présente un guide étape par étape englobant des procédures clés telles que la dissociation des organoïdes, l’isolement d’une cellule unique ou de noyaux, la préparation de banques et le séquençage. En mettant en œuvre ces approches alternatives, les chercheurs peuvent obtenir des ensembles de données de haute qualité, permettant l’identification de types de cellules neuronales et non neuronales, de profils d’expression génique et de trajectoires de lignées cellulaires. Cela facilite l’étude approfondie des processus cellulaires et des mécanismes moléculaires qui façonnent le développement du cerveau.
Au cours des dernières années, les technologies des organoïdes sont apparues comme un outil prometteur pour la culture de tissus semblables à des organes 1,2,3. En particulier pour les organes qui ne sont pas facilement accessibles, comme le cerveau humain, les organoïdes offrent la possibilité d’obtenir des informations sur le développement et la manifestation de la maladie4. En tant que tels, les organoïdes cérébraux ont été largement utilisés comme modèle expérimental pour étudier divers troubles du cerveau humain, y compris les maladies développementales, psychiatriques ou même neurodégénératives 4,5,6.
Avec l’avènement des technologies de profilage du transcriptome unicellulaire, les tissus humains primaires et les modèles in vitro complexes ont pu être étudiés avec un niveau de granularité sans précédent, fournissant des informations mécanistes sur les changements d’expression génique au niveau des sous-populations cellulaires en santé et en maladie et informant sur de nouvelles cibles thérapeutiques présumées 7,8,9. Le domaine des organoïdes a progressé en utilisant le profilage du transcriptome unicellulaire pour évaluer la composition cellulaire, la reproductibilité et la fidélité des technologies organoïdes cérébraux 10,11,12. Le séquençage de l’ARN unicellulaire (scRNA-seq) a permis la classification cellulaire et l’identification de la dysrégulation génétique chez les organoïdes malades13,14. Il est important de noter que c’est la complexité des tissus organoïdes qui nécessite la mise en œuvre de techniques permettant le profilage de cellules individuelles. La caractérisation des organoïdes à l’aide de méthodes telles que le profilage du transcriptome en vrac (séquençage de l’ARN en vrac) conduit à une hétérogénéité cellulaire masquée et à des profils d’expression génique qui sont moyennés sur tous les types de cellules du tissu complexe, limitant finalement notre compréhension des processus en cours au cours du développement des organoïdes dans la santé et la maladie 15,16,17. Au fur et à mesure que les méthodes de séquençage de l’ARNsc continuent de progresser, un nombre croissant d’atlas sont créés, comme en témoignent des ressources telles que l’Allen Brain Atlas ou l’Atlas unicellulaire des organoïdes du cerveau humain d’Uzquiano et al.18.
La réussite du séquençage de l’ARNsc à partir d’organoïdes cérébraux repose sur l’isolement et la capture efficaces de cellules intactes. Comme la dissociation des organoïdes cérébraux pour obtenir des cellules individuelles est basée sur la digestion enzymatique, elle peut influencer les modèles d’expression génique en induisant le stress et les dommages cellulaires19,20. Par conséquent, la dissociation du tissu en cellules individuelles est l’étape la plus cruciale. Une autre approche est le séquençage de l’ARN à noyau unique (snRNA-seq), qui facilite l’extraction sans enzyme des noyaux à partir de tissus, frais et congelés21,22. Cependant, l’isolement des noyaux d’un tissu pose d’autres défis tels que l’enrichissement des types cellulaires d’intérêt et la faible teneur en ARN des noyaux par rapport aux cellules.
Les études du transcriptome des organoïdes cérébraux sont couramment menées à l’aide du scRNA-seq 10,18,23. Cependant, l’isolement de noyaux uniques pourrait fournir une méthode orthogonale et supplémentaire pour étudier le profil transcriptomique des organoïdes. Ici, nous présentons une boîte à outils pour le séquençage de l’ARNsc et de l’ARNns pour les organoïdes cérébraux et discutons des points critiques pour obtenir des données de séquençage de la meilleure qualité.
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Le protocole décrit est réalisé dans un laboratoire de biosécurité de niveau 1 du Centre Max Delbrück de médecine moléculaire (numéro d’approbation : 138/08), conformément aux exigences et aux règles européennes et nationales en matière d’éthique de la recherche.
1. Dérivation d’organoïdes du cerveau antérieur à partir de cellules souches pluripotentes induites (iPSC)
REMARQUE : Ce protocole a été testé pour plusieurs lignées iPSC différentes cultivées dans une variété de milieux de cellules souches de différentes sociétés (tableau 1). La génération d’organoïdes du cerveau antérieur dépend fortement des iPSC de haute qualité et d’une confluence de 60 % à 70 % avant le début du protocole. Ici, nous avons utilisé une lignée cellulaire disponible dans le commerce (voir la table des matériaux).
2. Dérivation d’une cellule unique à partir d’organoïdes
REMARQUE : La dissociation d’une seule cellule est réalisée à l’aide du kit de dissociation du tissu neural (tableau 2), qui utilise la dissociation mécanique et enzymatique. Nous décrivons ici une dissociation mécanique manuelle. Comme alternative, une machine de dissociation peut être utilisée.
3. Isolement de noyaux uniques à partir d’organoïdes
4. Préparation et séquençage de la bibliothèque
5. Analyse
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Pour étudier la composition cellulaire des organoïdes cérébraux à l’aide du scRNA-seq et du snRNA-seq, les organoïdes cérébraux ont été récoltés après 30 jours de culture, car les organoïdes à ce stade présentent déjà des boucles neuroépithéliales composées de progéniteurs entourés de progéniteurs intermédiaires et de neurones à un stade précoce 4,18. Le suivi de la qualité des organoïdes tout au long de la croissance et de la culture est essentiel pour obtenir d...
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L’analyse transcriptomique de cellules uniques et de noyaux uniques est apparue comme un outil essentiel pour comprendre les mécanismes de régulation des gènes dans les tissus complexes. Les deux méthodes permettent d’étudier le transcriptome des organoïdes cérébraux. Pour garantir le succès global de l’expérience, la qualité du matériau de départ est d’une grande importance. Par conséquent, il est nécessaire de couper régulièrement les organoïdes pour éviter la formation d’un noyau nécrotique26. ...
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Les auteurs ne déclarent aucun intérêt financier concurrent.
Nous remercions Valeria Fernandez-Vallone pour les instructions originales pour le kit de dissociation neuronale Miltenyi. Nous remercions également la plateforme technologique de génomique du Max Delbrueck Centrum pour avoir fourni la recette du tampon de lyse NP40 et de précieux conseils sur la mise en place de ce protocole. Nous remercions également Margareta Herzog et Alexandra Tschernycheff pour le soutien organisationnel du laboratoire.
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| Nom | Entreprise | Numéro de catalogue | Commentaires |
|---|---|---|---|
| 1,4-DITHIO-DL-THREIT-LSG., F. D. MOL.-BIOL., ~1 M IN H2O (DTT) | Sigma | ; 43816-10ML | |
| 1,5 ml Tubes à faible liaison d’ADN ; | Tube de microcentrifugation | VWR | 525-0130 |
| 10x pipeline Cellranger ; | Pipeline d’analyse | ||
| 15 ml Falcon | Falcon | Tube à centrifuger | |
| 2-Mercaptoethanol (BME) | Life Technologies | 21985023 | |
| 50 ml Falcon | Tube | à centrifuger | |
| A83-01 | Bio Technologies | 379762 | |
| Solution antibiotique/antimycosique (100X) | Life Technologies | 15240062 | |
| B-27 Plus Supplément | Life Technologies | 17504044 | |
| B-27 Supplément sans vitamine A | Life Technologies | 12587010 | |
| Albumine sérique bovine, sans acides gras (BSA) | Sigma Aldrich | A8806-5G ; | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| C-CHIP NEUBAUER IMPROVED | VWR | DHC-N01 | |
| Crépine de cellules 40 µ ; m | Neolab | 352340 | |
| Filtre à cellules 70 µ ; m (blanc) Nylon | Sigma | CLS431751-50EA | |
| Chromium Controller & Next GEM Kit | d’accessoires 10X Genomics | 1000204 | |
| Chromium Next GEM Chip G Single Cell Kit, 16 rxns | 10X Genomics | 1000127 | |
| Chromium Next GEM Single Cell 3' Kit v3.1 | 10X Genomics | 1000268 | |
| Complete, ; Inhibiteur de protéase sans EDTA Cocktaill | Roche | 11873580001 | |
| DAPI | MERCK Chemicals | 0000001722 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11320074 | |
| Dounce Broyeur de tissus 2 mL complet | Sigma Aldrich | 10536355 | |
| Essential E8 Flex Medium | Life Technologies | A2858501 | |
| EVE Cell Counting Lames | VWR | EVS-050 ( 734-2676) | |
| Sérum fœtal bovin sans tétracycline (FBS) | PAN Biotech | P30-3602 | |
| Geltrex LDEV-Free (revêtement) | Life Technologies | A1413302 ; | |
| gentleMACS | Miltenyi Biotec | dissociation maschine | |
| GlutaMAX suppléments | Life Technologies | 35050038 | |
| Héparine sodique culture cellulaire testée | Sigma | H3149-10KU | |
| recombinant humain BDNF | StemCell Technologies | 78005.3 | |
| recombinant humain GDNF | StemCell Technologies | 78058.3 | |
| Solution d’insuline Human | Sigma Aldrich | I2643-25MG | |
| Knockout sérum de remplacement | Life Technologies | 10828028 | |
| LDN193189 Chlorhydrate 98 % | Sigma Aldrich | 130-106-540 | |
| MEM acide aminé non essentiel (100x) | Sigma Aldrich | M7145-100ml | |
| MgCl2 Chlorure de magnésium (1M) RNAse free | Thermo | Scientific AM9530G | |
| mTeSR Plus | StemCell Technologies | 100-0276 | milieu de cellules souches |
| mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | milieu de cellules souches |
| N2 Supplément ; | StemCell Technologies | 17502048 | |
| Kit de dissociation des tissus neuraux | Miltenyi Biotec B.V. & Co. KG | 130-092-628 | |
| Neurobasal Plus | Life Technologies | A3582901 | |
| Système NextSeq500 | Séquenceur | Illumina | |
| NP-40 Surfact-Amps Détergent Solution | Life Technologies | 28324 | |
| PBS Dulbecco' s | Invitrogen | 14190169 | |
| PenStrep (Pénicilline - Streptomycine) | Life Technologies | 15140122 | |
| Percoll | Th. Geyer | 10668276 | |
| Pluronic (R) F-127 | Sigma Aldrich | P2443-1KG | |
| RiboLock RNase Inhibitor | Life Technologies ; | EO0382 | |
| Inhibiteur de roche (chlorhydrate d’Y-27632) SB | Biomol | Cay10005583-10 | |
| SB 431542 ; | Biogems | 3014193 | |
| Chlorure de sodium NaCl (5M), sans RNase-100 mL | Invitrogen | AM9760G | |
| StemFlex Medium | Thermo Scientific | A3349401 | milieu de cellules souches |
| StemMACS iPS-Brew XF | Miltenyi Biotec | 130-104-368 | milieu de cellules souches |
| TC-Platte 96 Puits, fond rond | Sarstedt | 83.3925.500 | |
| TISSUi006-A | TissUse GmbH | https://hpscreg.eu/cell-line/TISSUi006-A | |
| Trypan Blue | T8154-20ml | Sigma | |
| TrypLE Express Enzyme, sans rouge de phénol | Life Technologies | 12604013 | réactif à base de trypsine |
| UltraPure 1M Tris-HCl Buffer, pH 7.5 | Life Technologies | 15567027 | |
| XAV939 | Enzo Life sciences | BML-WN100-0005 |
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