RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
he_IL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים מספקת גישה מדויקת ויעילה להחדרת שינויים גנטיים חולפים לסוגי אבות ונוירונים שונים במערכת מודל הקרובה להתפתחות ניאו-קורטקס פיזיולוגי של פרימטים (פתו). זה מאפשר את המחקר של תהליכים נוירו-התפתחותיים ואבולוציוניים והוא יכול להיות מיושם גם עבור מודלים המחלה.
קליפת המוח היא מבנה המוח החיצוני ביותר והיא אחראית על עיבוד הקלט החושי והפלט המוטורי; הוא נתפס כמקום מושבן של יכולות קוגניטיביות מסדר גבוה יותר אצל יונקים, במיוחד פרימטים. חקר תפקודי גנים במוחות של פרימטים הוא מאתגר מסיבות טכניות ואתיות, אך הקמת טכנולוגיית אורגנואיד המוח אפשרה לחקור את התפתחות המוח במודלים מסורתיים של פרימטים (למשל, מקוק רזוס ומרמוסט מצוי), כמו גם במינים של פרימטים שלא היו נגישים בעבר בניסוי (למשל, קופי אדם גדולים), במערכת מוצדקת מבחינה אתית ופחות תובענית מבחינה טכנית. יתר על כן, אורגנואידים במוח האנושי מאפשרים חקירה מתקדמת של הפרעות נוירו-התפתחותיות ונוירולוגיות.
מאחר שאורגנואידים במוח משחזרים תהליכים רבים של התפתחות המוח, הם גם מהווים כלי רב-עוצמה לזיהוי הבדלים ולהשוואה תפקודית בין הגורמים הגנטיים העומדים בבסיס התפתחות המוח של מינים שונים בהקשר אבולוציוני. יתרון גדול של שימוש באורגנואידים הוא האפשרות להכניס שינויים גנטיים, המאפשרים בדיקה של תפקודי גנים. עם זאת, המבוא של שינויים כאלה הוא מייגע ויקר. מאמר זה מתאר גישה מהירה וחסכונית לשינוי גנטי של אוכלוסיות תאים בתוך מבנים דמויי חדרים של אורגנואידים מוחיים של פרימטים, תת-סוג של אורגנואידים במוח. שיטה זו משלבת פרוטוקול שונה לייצור אמין של אורגנואידים מוחיים מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs) שמקורם במרמוסט ונפוצים שמקורם במרמוסט עם גישת מיקרו-הזרקה ואלקטרופורציה. זה מספק כלי יעיל לחקר תהליכים נוירו-התפתחותיים ואבולוציוניים שניתן ליישם גם עבור מודלים של מחלות.
חקירת ההתפתחות והאבולוציה הפיזיולוגית (הפתולוגית) של קליפת המוח היא משימה אימתנית שמתעכבת על ידי היעדר מערכות מודל מתאימות. בעבר, מחקרים כאלה היו מוגבלים למודלים דו-ממדיים של תרביות תאים (כגון אב עצבי ראשוני או תרביות תאים עצביים) ולמודלים אבולוציוניים רחוקים של בעלי חיים (כגון מכרסמים)1,2. בעוד מודלים אלה שימושיים להתמודדות עם שאלות מסוימות, הם מוגבלים במידול המורכבות, הרכב סוג התא, הארכיטקטורה התאית ודפוסי ביטוי הגנים של הניאוקורטקס האנושי המתפתח במצבים בריאים וחולים. מגבלות אלה מובילות, למשל, ליכולת תרגום ירודה של מודלים עכבריים של מחלות אנושיות למצב האנושי, כפי שמתואר במקרים מסוימים של מיקרוצפליה (למשל, Zhang et al.3). לאחרונה, פרימטים טרנסגניים שאינם אנושיים, שהם מודל קרוב יותר מבחינה אבולוציונית, תפקודית ומורפולוגית של התפתחות הניאו-קורטקס האנושי, נכנסו למוקד 4,5,6,7,8 כשהם מתגברים על מגבלות רבות של מודלים מבוססי תרביות תאים ומכרסמים. עם זאת, השימוש בפרימטים לא אנושיים במחקר הוא לא רק יקר מאוד וגוזל זמן רב, אלא גם מעלה חששות אתיים. לאחרונה, הפיתוח של טכנולוגיית אורגנואיד המוח 9,10 התגלה כחלופה מבטיחה שפותרת רבות מהמגבלות של מודלים קודמים 11,12,13,14,15,16.
אורגנואידים במוח הם מבנים תלת-ממדיים (תלת-ממדיים), רב-תאיים המחקים את המאפיינים העיקריים של הציטוארכיטקטורה והרכב התא של אזור מוח אחד או יותר עבור חלון זמן התפתחותי מוגדר 11,12,13,14,17. מבנים תלת-ממדיים אלה נוצרים מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים (iPSCs) או, אם הם זמינים עבור המינים המעניינים, מתאי גזע עובריים (ESC). באופן כללי, ניתן להבחין בין שני סוגים של אורגנואידים במוח בהתבסס על המתודולוגיה בה נעשה שימוש: אורגנואידים במוח לא מונחים ואזוריים (מונחים)18. ביצירת הסוג השני של אורגנואידים, מולקולות קטנות או גורמים מסופקים המנחים את ההתמיינות של תאי גזע פלוריפוטנטיים לאורגנואידים של אזור מוח מסוים (למשל, אורגנואידים במוח הקדמי)18. לעומת זאת, באורגנואידים לא מונחים, ההתמיינות אינה מונחית על ידי תוספת של מולקולות קטנות אלא מסתמכת אך ורק על התמיינות ספונטנית של iPSCs/ESCs. האורגנואידים במוח המתקבלים מורכבים מסוגי תאים המייצגים אזורי מוח שונים (למשל, אורגנואידים מוחיים)18. אורגנואידים במוח משלבים תכונות מפתח רבות של התפתחות המוח עם ייצור חסכוני יחסית וחסכוני בזמן מכל מין של עניין שעבורו iPSCs או תאי גזע עובריים מושרים זמינים11,12,13,14. זה הופך אורגנואידים במוח למודל מצוין עבור סוגים רבים של מחקרים נוירוביולוגיים, החל משאלות אבולוציוניות והתפתחותיות ועד מודלים של מחלות ובדיקות סמים15,16. עם זאת, מענה לשאלות כאלה באמצעות אורגנואידים במוח תלוי מאוד בזמינות של שיטות שונות לשינוי גנטי.
היבט מרכזי אחד של חקר ההתפתחות הפיזיולוגית של ניאו-קורטקס (פתו) והאבולוציה שלה הוא ניתוח פונקציונלי של גנים וגרסאות גנים. זה מושג בדרך כלל על ידי ביטוי (חוץ רחמי) ו / או על ידי דפיקה (KD) או נוק-אאוט (KO) של גנים אלה. שינויים גנטיים כאלה יכולים להיות מסווגים לשינוי גנטי יציב וחולף, כמו גם לשינויים להיות מוגבל זמנית ומרחבית או לא מוגבל. שינוי גנטי יציב מוגדר על ידי הכנסת שינוי גנטי לגנום המארח המועבר לכל דורות התא הבאים. בהתאם לנקודת הזמן של שינוי גנטי, זה יכול להשפיע על כל התאים של אורגנואיד או יכול להיות מוגבל לאוכלוסיות תאים מסוימות. לרוב, שינוי גנטי יציב מושג באורגנואידים במוח ברמת iPSC/ESC על ידי יישום לנטי-וירוסים, מערכות דמויות טרנספוזון וטכנולוגיית CRISPR/Cas9 (נבדקו על-ידי, למשל, Fischer et al.17, Kyrousi et al.19 ו-Teriyapirom et al.20). יש לכך יתרון בכך שכל תאי האורגנואיד במוח נושאים את השינוי הגנטי וכי הוא אינו מוגבל זמנית או מרחבית. עם זאת, הייצור והאפיון של קווי iPSC/ESC יציבים אלה גוזלים זמן רב, ולעתים קרובות לוקח מספר חודשים עד שניתן לנתח את אורגנואידי המוח הראשונים ששונו (נבדקו על ידי למשל, Fischer et al.17, Kyrousi et al.19, or Teriyapirom et al.20).
לעומת זאת, שינוי גנטי חולף מוגדר על ידי העברת מטען גנטי (למשל, פלסמיד ביטוי גנים) שאינו משתלב בגנום המאכסן. בעוד ששינוי זה יכול, באופן עקרוני, להיות מועבר לדורות התא הבאים, המטען הגנטי המועבר ידולל בהדרגה עם כל חלוקת תא. לכן, סוג זה של שינוי גנטי מוגבל בדרך כלל באופן זמני ומרחבי. שינוי גנטי חולף יכול להתבצע באורגנואידים במוח על ידי וירוסים הקשורים באדנו או על ידי אלקטרופורציה (נבדק על ידי, למשל, Fischer et al.17, Kyrousi et al.19, ו Teriyapirom et al.20), כאשר האחרון מתואר בפירוט במאמר זה. בניגוד לשינוי גנטי יציב, גישה זו היא מהירה מאוד וחסכונית. אכן, אלקטרופורציה יכולה להתבצע בתוך דקות, ובהתאם לאוכלוסיית תאי היעד, אורגנואידים מחושמלים מוכנים לניתוח תוך ימים (נבדקו על ידי, למשל, Fischer et al.17 ו- Kyrousi et al.19). עם זאת, שינויים מורפולוגיים גסים של אורגנואיד המוח, כגון הבדלים בגודל, לא ניתן לזהות באמצעות שיטה זו, כמו סוג זה של שינוי גנטי מוגבל באופן זמני ומרחבי. הגבלה זו יכולה להיות גם יתרון, למשל, במקרה של חקר אוכלוסיות תאים בודדות בתוך האורגנואיד או ההשפעות על אורגנואידים במוח בנקודות זמן התפתחותיות ספציפיות (שנסקרו על ידי, למשל, Fischer et al.17 ו- Kyrousi et al.19).
גישה קלאסית לחקר תפקוד גנים במהלך התפתחות המוח והאבולוציה היא אלקטרופורציה ברחם. ברחם אלקטרופורציה היא טכניקה ידועה ושימושית להעברת מבני ביטוי גנים למוחות מכרסמים 21,22,23 וחמוס24,25. ראשית, תמיסה המכילה את מבני הביטוי המעניינים מוזרקת במיקרו דרך דופן הרחם לחדר מסוים במוח העוברי, בהתאם לאזור שיש להתמקד בו. בשלב השני, פולסים חשמליים מוחלים כדי להדביק את התאים ישירות רירית החדר הממוקד. גישה זו אינה מוגבלת רק לביטוי חוץ רחמי או ביטוי יתר של גנים, כפי שהיא יכולה להיות מיושמת גם במחקרי KD או KO על ידי הזרקה זעירה של סיכת שיער קצרה (shRNA) או CRISPR/Cas9 (בצורה של פלסמידים ביטוי או ריבונוקלאו פרוטאינים [RNPs]), בהתאמה26,27. עם זאת, לאלקטרופורציה ברחם של עוברי עכבר, חולדה וחמוס יש את אותן מגבלות שתוארו לעיל עבור מודלים אלה של בעלי חיים.
באופן אידיאלי, אחד רוצה לבצע אלקטרופורציה הרחם ישירות פרימטים. בעוד שבאופן עקרוני זה אפשרי מבחינה טכנית, ברחם אלקטרופורציה אינה מתבצעת בפרימטים בשל חששות אתיים, עלויות תחזוקה גבוהות של בעלי חיים וגודל המלטה קטן. עבור פרימטים מסוימים, כגון קופים גדולים (כולל בני אדם), זה לא אפשרי בכלל. עם זאת, לפרימטים אלה יש את הפוטנציאל הגדול ביותר לחקר התפתחות הניאו-קורטקס הפיזיולוגי (הפתולוגי) האנושי והאבולוציה שלו. פתרון אחד לדילמה זו הוא ליישם את טכניקת האלקטרופורציה על אורגנואידים במוח פרימטים28.
מאמר זה מציג פרוטוקול לאלקטרופורציה של תת-סוג של אורגנואידים במוח פרימטים, אורגנואידים מוחיים של פרימטים. גישה זו מאפשרת שינוי גנטי מהיר וחסכוני של אוכלוסיות תאים בתוך המבנים דמויי החדרים של האורגנואידים. באופן ספציפי, אנו מתארים פרוטוקול מאוחד ליצירת אורגנואידים מוחיים פרימטים מבני אדם (הומו ספיינס), שימפנזה (Pan troglodytes), מקוק רזוס (Macaca mulatta) ומרמוסט מצוי (Callithrix jacchus) iPSCs. יתר על כן, אנו מתארים בפירוט את טכניקת המיקרו-הזרקה והאלקטרופורציה ומספקים קריטריונים של "ללכת" ו"לא-ללכת" לביצוע אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים. גישה זו היא כלי יעיל לחקר התפתחות הניאו-קורטקס הפיזיולוגי (הפתולוגי) והתפתחותו במודל קרוב במיוחד למצב האנושי.
1. תרבית של פרימטים מושרים
הערה: בשל החוסן שלה, השיטה המוצגת כאן יכולה להיות מיושמת על כל קו iPSC פרימטים. במאמר זה אנו מתארים ייצור אורגנואידים מוחיים מקווי iPSC אנושיים (iLonza2.2)29, שימפנזים (Sandra A)30, מקוק רזוס (iRh33.1)29 ומרמוסט מצוי (cj_160419_5)31 קווי iPSC. תנאי התרבות מסוכמים בטבלה 1. עיין בטבלת החומרים לקבלת פרטים הקשורים לכל החומרים, הריאגנטים והציוד המשמשים בפרוטוקול זה.
2. יצירת אורגנואידים מוחיים מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים של פרימטים
הערה: הפרוטוקול ליצירת אורגנואידים מוחיים מבוסס על גרסה שונה 28,30,32,33 של פרוטוקול אורגנואיד מוחי מקורי 10,34 עם כמה שינויים ספציפיים למין (מפורט להלן).
3. אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים פרימטים
הערה: מנקודת מבט טכנית, אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים יכולה להתבצע ברגע שהמבנים דמויי החדר בולטים מספיק כדי להיות ממוקדים על ידי מיקרו-הזרקה. חלון הזמן האופטימלי להתחשמלות תלוי בשאלה הביולוגית ובאוכלוסיות התאים המעניינות. לדוגמה, אם אבות אפיים (APs) הם המטרה העיקרית, אז אורגנואידים מוחיים בסביבות 30 dps כבר מתאימים. אם אבות בסיסיים (BPs) או נוירונים הם המטרות העיקריות, יש להשתמש באורגנואידים מוחיים ישנים יותר של יותר מ -50 dps (ראה, למשל, Fischer et al.28).
הפרוטוקול המתואר כאן מאפשר יצירה יעילה של אורגנואידים מוחיים מקווי iPSC אנושיים, שימפנזים, רזוס מקוק ומרמוסט מצוי עם שינויי תזמון מינימליים הנדרשים בין מינים שונים (איור 1A). אורגנואידים אלה יכולים להתחשמל בטווח של 20 dps עד 50 dps, בהתאם לנגישות של מבנים דמויי חדרים ואת שפע של אוכלוסיות התא (ים) של עניין. עם זאת, לפני אלקטרופורציה, חשוב לקבוע אם אורגנואידים מוחיים הם באיכות מספקת כדי להיות electroporated.
אורגנואיד מוחי אידיאלי לאלקטרופורציה צריך להציג מבנים בולטים דמויי חדרים בהירים בפריפריה, ללא סימני ניוון (למשל, ניתוק תאים, ליבה אפופטוטית מוגדלת), ומורפולוגיה בריאה קומפקטית בדרך כלל (למשל, ללא צמיחה מוגזמת) (איור 1B, "Go"). עדיף לבחור אורגנואידים מוחיים עם מבנים גדולים, מאורגנים היטב, דמויי חדרים כדי להתמקד במספר גבוה יותר של תאים. אם האזור ההיקפי של אורגנואיד חשוך ואינו מראה מבנים בולטים, מומלץ לא להשתמש בו להתחשמלות, מאחר שהמיקרו-הזרקות המדויקות עלולות להיפגע על-ידי היעדר רמזים חזותיים (איור 1B, "No-go"). כדי להשיג מורפולוגיה אופטימלית של אורגנואיד מוחי, חיוני להבטיח כי צעדים קריטיים כגון השראת נוירואקטודרם והטבעה מטריצה מתוזמנים היטב. בעיות הנוגעות למורפולוגיה של אורגנואידים מוחיים נובעות בדרך כלל מהיווצרות נוירואקטודרם כושל ו / או היווצרות ניצנים נוירואפיתליאליים. זה נגרם בדרך כלל על ידי תזמון לא אופטימלי של האינדוקציה העצבית ו / או הטבעה של מטריצת קרום המרתף וניתן לפתור על ידי התאמת העיתוי של שלבים אלה (טיפים נוספים לפתרון בעיות עבור היווצרות אורגנואידים מוחיים ניתן למצוא בלנקסטר ו Knoblich34).
לאחר אלקטרופורציה, הערכה ראשונה של הצלחתה ויעילותה יכולה להתבצע לאחר 12 שעות, כאשר ביטוי GFP של התאים הנגועים הופך לגילוי תחת מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך קונבנציונאלי. באופן אידיאלי, בשלב זה, מבנים דמויי חדרים מרובים פולטים פלואורסצנטיות ירוקה בהירה הממוקמת באחד הצדדים שלהם (איור 2A). זה מצביע על דיוק גבוה ויעילות של ההליך. אורגנואידים מוחיים שהתחשמלו בהצלחה של ארבעת מיני הפרימטים השונים (כלומר, אדם, שימפנזים, מקוק רזוס ומרמוסט מצוי) מראים דפוסים חיוביים דומים של GFP בתוך מבנים דמויי חדרים ממוקדים (איור 2A). יתר על כן, לאחר הקיבוע וההקפאה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים מחושמלים, מבנים דמויי חדרים מחושמלים בהצלחה של כל ארבעת המינים מציגים עמודות של תאים חיוביים ל-GFP בתוך אזור החדרים המאורגן רדיאלית והצפוף (VZ) (איור 2B). הכימות של התאים החיוביים ל-DAPI שהיו חיוביים ל-GFP גם באזורים כאלה של אורגנואידים מוחיים של שימפנזה ומרמוסט יומיים לאחר האלקטרופורציה (17 חדרים מ-12 אורגנואידים כומתים) הראה כי בממוצע, כשליש מהתאים (33%, SD ±-12%) התחשמלו בהצלחה.
אלקטרופורציות תת-אופטימליות מסומנות על-ידי מספר קטן של תאים חיוביים ל-GFP בתוך המבנה דמוי החדר (איור 3A) או על-ידי כמה תאים חיוביים ל-GFP הרחוקים מכל מבנה דמוי חדר (איור 3B). מספר נמוך של תאים חיוביים ל-GFP נגרם על ידי ספיגת פלסמיד ירודה. זה יכול להיות בגלל ריכוז פלסמיד נמוך שנגרם על ידי כמות לא מספקת של תערובת אלקטרופורציה מיקרו-מוזרקת או בגלל פולסים חשמליים שאינם מכוונים היטב, אשר עשויים להיגרם על ידי מיקום לא אופטימלי של אורגנואידים מוחיים בתא אלקטרודות צלחת פטרי. מספר נמוך של תאים חיוביים ל-GFP המרוחקים מכל מבנה דמוי חדר נגרם על ידי אלקטרופורציה של תאים פוסט-מיטוטיים בתוך אורגנואיד המוח (למשל, נוירונים) עקב מיקרו-הזרקה לא מדויקת. אלקטרופורציות תת-אופטימליות אלה צריכות להיכלל בכל ניתוח נוסף.
הזיהוי האמין של סוגי התאים הקיימים באורגנואידים מוחיים מתבסס, בין היתר, על מיקום התא בתוך מבנה דמוי חדר, הדורש הגדרת גבול בין VZ לאזור מועשר בנוירונים. ניתן לזהות גבול זה על ידי הארגון הרדיאלי ומאפייני צפיפות גרעיני התא הגבוהה של VZ (ראו צביעת DAPI באיור משלים S1). אישור גבול VZ/SVZ יכול להתבצע על ידי צביעה אימונופלואורסצנטית עבור סמני אב עצביים כגון PAX6 או SOX2, אשר מבוטאים כמעט על ידי כל תאי VZ (APs) וכמה תאי SVZ (BPs). נוכחות של אזור מועשר בתאי עצב יכולה להיות מאומתת על-ידי צביעה אימונופלואורסצנטית עבור סמנים עצביים כגון סוג III β-טובולין (TUJ1) או NeuN (איור משלים S1).
משך תרבית אורגנואידים מוחית לאחר אלקטרופורציה תלוי בשאלה הביולוגית ובאוכלוסיות התאים המעניינות. במחקר שנערך לאחרונה הוכח כי אורכים שונים של תרבית נוספת לאחר אלקטרופורציה משפיעים על אוכלוסיות תאים שונות באורגנואידים מוחיים של שימפנזים, החל מ-APs ועד נוירונים בשכבה העליונה24. כאן, אנו מראים תוצאות דומות עבור אורגנואידים מרמוסט מחושמלים. באופן ספציפי, יומיים לאחר ההתחשמלות, תאים חיוביים ל-GFP ממוקמים כמעט אך ורק ב-VZ, והם חיוביים גם עבור PAX6 – סמן עבור תאי אב עצביים – מה שמצביע על כך שהתאים האלה הם APs או BPs של יילודים (איור 4A). אם תקופת התרבית לאחר אלקטרופורציה מוארכת ל-10 ימים, אז תאים חיוביים ל-GFP ממוקמים באזורים הבסיסיים (כלומר, SVZ ואזור מועשר בנוירונים) (איור 4B,C). התאים האלה יכולים (בנוסף לאות GFP) להיות חיוביים גם עבור PAX6 (איור 4B), שמעיד על BPs, או NeuN (איור 4C), שמעיד על תאי עצב. תוצאות דומות ניתן להשיג עבור אורגנואידים מוחיים מקוק מקוק אנושי ורזוס. לסיכום, סוגים שונים של אבות, כמו גם נוירונים, יכולים להיות ממוקדים בהצלחה על ידי טכניקה זו.
כמעט כל הנתונים שהוצגו בעבר נגזרו מ-immunostaining של קטעים היסטולוגיים שנוצרו מאורגנואידים מוחיים מחושמלים. עם זאת, דרך אלגנטית נוספת לנתח אורגנואידים אלה היא לבצע immunostaining כל mount ואחריו ניקוי אופטי35,36. זה יאפשר שחזור תלת-ממדי של אורגנואידים מוחיים מחושמלים כדי לקבל התרשמות מההתפלגות התלת-ממדית של התאים החיוביים ל-GFP. איור 5 ווידאו 1 מראים דוגמה מייצגת של אות GFP באורגנואיד מוחי מחושמל שעבר ניקוי אופטי.
לסיכום, פרוטוקול האלקטרופורציה המתואר כאן מספק דרך מדויקת ויעילה להחדיר שינויים גנטיים חולפים לסוגי אבות שונים ולנוירונים של אורגנואידים מוחיים שמקורם בקווי iPSC שונים של פרימטים.

איור 1: סקירה סכמטית של יצירת אורגנואידים מוחיים של פרימטים וקריטריונים מורפולוגיים של "ללכת" ו"לא ללכת" עבור אלקטרופורציה. (A) ציר הזמן של יצירת אורגנואידים מוחיים של פרימטים ואלקטרופורציה המדגיש את התזמונים השונים של שלבי הפרוטוקול עבור בני אדם ושימפנזים (כחול), מקוק רזוס (סגול) ומרמוסט (מגנטה). שים לב שהכרונולוגיה של ציר הזמן אינה בקנה מידה. (B) תמונות Brightfield של אורגנואיד מוחי אנושי מתאים (תמונה שמאלית, Go) ולא מתאים (תמונה ימנית, No-go) 32 dps. ראשי החץ מצביעים על דוגמאות למבנים דמויי חדרים מתאימים למיקרו-הזרקה. התמונות נרכשו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך Zeiss Axio Observer.Z1 עם מטרה של פי 2.5. פסי קנה מידה = 500 מיקרומטר. קיצורים: BDNF = גורם נוירוטרופי שמקורו במוח; DPS = ימים לאחר הזריעה; NT3 = נוירוטרופין 3; RA = חומצה רטינואית. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 2: דוגמאות לאורגנואידים מוחיים של פרימטים שהתחשמלו בהצלחה . (A) ברייטפילד (עמודה שמאלית), פלואורסצנטיות (עמודה אמצעית) ומיזוג תמונות (עמודה ימנית) של 22 DPS אנושיים, 32 DPS שימפנזה, 32 DPS Rhesus macaque ו-31 DPS Marmoset אורגנואידים מוחיים (מלמעלה למטה) 15-48 שעות לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP. ראשי החץ השחורים מצביעים על דוגמאות למבנים בודדים דמויי חדרים מחושמלים. התמונות נרכשו באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך Zeiss Axio Observer.Z1 עם מטרה של פי 2.5. מוטות קנה מידה = 500 מיקרומטר. (B) אימונופלואורסנציה עבור GFP (ירוק) בשילוב עם צביעת DAPI (ציאן) של 32 dps אדם, 34 dps שימפנזה, 32 dps rhesus macaque, ו 32 dps marmoset אורגנואידים מוחיים (מלמעלה למטה) 2-4 ימים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP. ראשי החץ האפורים בהירים מציינים את גבולות האזורים המתחשמלים בתוך המבנים דמויי החדרים. התמונות נרכשו באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי Zeiss LSM 800 עם מטרה של פי 10. מוטות קנה מידה = 150 מיקרומטר. קיצורים: DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole; DPS = ימים לאחר הזריעה; GFP = חלבון פלואורסצנטי ירוק. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 3: דוגמאות לאורגנואידים מוחיים של פרימטים שהתחשמלו ללא הצלחה. (A,B) Immunofluorescence for GFP (ירוק) בשילוב עם צביעת DAPI (ציאן) של אורגנואיד מוחי (A) rhesus macaque cerebral organoid 4 ימים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP ושל (B) אורגנואיד מוחי rhesus macaque 32 dps יומיים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP. ראשי החץ האפורים בהירים מצביעים על תאים מחושמלים. קו המתאר המקווקו בצבע אפור בהיר מציין את הגבול בין אזור VZ לאזור SVZ/מועשר בנוירונים של מבנה דמוי חדר הסמוך לתאים המתחשמלים. התמונות נרכשו באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי Zeiss LSM 800 עם מטרה של פי 10. מוטות קנה מידה = 150 מיקרומטר. קיצורים: DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole; DPS = ימים לאחר הזריעה; GFP = חלבון פלואורסצנטי ירוק; SVZ = אזור תת-חדרי; VZ = אזור החדר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 4: הדמיה של אוכלוסיות תאים שונות הקיימות באורגנואידים מוחיים של פרימטים לאחר התחשמלות. (א-ג) אימונופלואורסנציה כפולה עבור GFP (ירוק) ו- PAX6 (A,B; מגנטה) או NeuN (C; מגנטה), בכל המקרים בשילוב עם צביעת DAPI (ציאן), של אורגנואיד מוחי מרמוסט (A) 32 dps marmoset 2 ימים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP, ו- (B,C) של אורגנואיד מוחי מרמוסט 40 dps 10 ימים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP. ראשי החץ בצבע אפור בהיר מציינים (A,B) תאים חיוביים כפולים מסוג GFP+ ו-PAX6+ או (C) NeuN+ . הקווים המקווקווים האפורים-בהירים מציינים את הגבול בין VZ לאזור מועשר ב-SVZ/נוירונים. התמונות נרכשו באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי Zeiss LSM 800 עם מטרה של פי 20. פסי קנה מידה = 100 מיקרומטר. קיצורים: DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole; DPS = ימים לאחר הזריעה; GFP = חלבון פלואורסצנטי ירוק; NeuN = חלבון גרעינים עצבי; PAX6 = קופסה 6 חלבון; SVZ = אזור תת-חדרי; VZ = אזור החדר. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.

איור 5: שחזור תלת-ממדי של תמונות מחושמלות באמצעות הדמיה קונפוקלית תלת-ממדית של אורגנואידים מוחיים של פרימטים מפוצלים לאחר ניקוי אופטי. מבט חזיתי (תמונה שמאלית), 45° מסובב (תמונה אמצעית) ו-90° מסובב (תמונה ימנית) של אורגנואיד מוחי אנושי משוחזר תלת-ממדי 32 dps יומיים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP. לפני ההדמיה, האורגנואיד נוקה אופטית על בסיס שיטת 2Eci35. שחזור תלת-ממדי של אורגנואיד מחושמל שלם נוצר מ-269 מקטעים אופטיים (עובי של 1 מיקרומטר כל אחד) הנמצאים במרחק של 3.73 מיקרומטר זה מזה באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי Zeiss LSM 800 עם מטרה של פי 10. התמונות עובדו לשחזור תלת ממדי באמצעות פיג'י. שים לב שהתמונות נלקחו מאותו אורגנואיד משוחזר בתלת-ממד המוצג בסרטון 1. סרגל קנה מידה = 500 מיקרומטר. קיצור: GFP = חלבון פלואורסצנטי ירוק. אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של איור זה.
וידאו 1: אורגנואיד מוחי אנושי משוחזר בתלת-ממד לאחר ניקוי אופטי. וידאו של אורגנואיד מוחי אנושי 32 dps משוחזר בתלת-ממד יומיים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP. לפני ההדמיה, האורגנואיד נוקה אופטית על בסיס שיטת 2Eci35. שחזור תלת-ממדי של אורגנואיד מחושמל שלם נוצר מ-269 מקטעים אופטיים (עובי של 1 מיקרומטר כל אחד) הנמצאים במרחק של 3.73 מיקרומטר זה מזה באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי Zeiss LSM 800 עם מטרה של פי 10. התמונות עובדו לשחזור תלת ממדי באמצעות פיג'י. שימו לב שהסרטון נלקח מאותו אורגנואיד משוחזר בתלת-ממד שמוצג באיור 5. אנא לחץ כאן כדי להוריד סרטון זה.
| קו iPSC | מינים | פרסום | תרבות, קומפוזיציה בינונית | תנאי תרבות |
| iLonza2.2 | הומו ספיינס | Stauske et al., 2020 | 1 מיקרומטר IWR1 ו- 0.5 מיקרומטר CHIR ב- StemMACS iPS-Brew XF | אטמוספירה לחות של 5% CO2 ו 95% אוויר, 37 °C (77 °F) |
| סנדרה | פאן טרוגלודיטים | Mora-Bermúdez et al., 2016 | mTeSR1 | אטמוספירה לחות של 5% CO2 ו 95% אוויר, 37 °C (77 °F) |
| iRh33.1 | Macaca mulatta | Stauske et al., 2020 | 1 מיקרומטר IWR1 ו- 0.5 מיקרומטר CHIR ב- StemMACS iPS-Brew XF | אטמוספירה לחות של 5% CO2 ו 95% אוויר, 37 °C (77 °F) |
| cj_160419_5 | קליטריקס ג' | פטקוב ואחרים, 2020 | 3 μM IWR1, 0.3 μM CGP77675, 0.3 μM AZD77675, 0.5 μM CHIR99021, 10 μM Forskolin, 1 ng/mL Activin A, 1 μM OAC1 in StemMACS iPS-Brew XF | אטמוספירה לחות של 5% CO 2, 5% O 2, ו 90% N2, 37 °C |
טבלה 1: תנאי התרבות של תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים המשמשים בפרסום זה. קיצור: iPSCs = תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים.
| בינוני | הרכב |
| מדיום אינדוקציה עצבית | 1x תוסף N-2, 1x תוסף תחליף גלוטמין, 1x MEM תמיסת חומצות אמינו לא חיוניות, 1 מיקרוגרם/מ"ל הפרין ב-Modified Eagle Medium F12 (DMEM/F12) של Dulbecco |
| מדיום התמיינות (DM) ללא ויטמין A | תוסף B-27 0.5x (פחות ויטמין A), תוסף N-2 0.5x, תמיסת חומצות אמינו לא חיוניות 0.5x MEM, תוסף תחליפי גלוטמין 1x, 100 U/מ"ל פניצילין-סטרפטומיצין, 0.00035% 2-מרקפטואתנול, 2.875 נ"ג/מ"ל אינסולין ב-1:1 DMEM/F12 ומדיום נוירובזאלי |
| מדיום התמיינות (DM) עם ויטמין A | תוסף B-27 0.5x, תוסף N-2 0.5x, תמיסת חומצות אמינו לא חיוניות 0.5x MEM, תוסף תחליפי גלוטמין 1x, 100 U/מ"ל פניצילין-סטרפטומיצין, 0.00035% 2-מרקפטואתנול, 2.875 ננוגרם/מ"ל אינסולין ב-1:1 DMEM/F12 ומדיום נוירובזאלי |
טבלה 2: הרכב המדיה המשמשת ליצירת אורגנואידים מוחיים של פרימטים ולתרבית.
| רכיב | תערובת אלקטרופורציה בקרה | תערובת אלקטרופורציה של GOI |
| פלסמיד ביטוי GFP | 500 ננוגרם/μL | 500 ננוגרם/μL |
| וקטור ריק | 500 ננוגרם/μL | - |
| פלסמיד ביטוי GOI | - | 500 ננוגרם/μL |
| ירוק מהיר | 0.10% | 0.10% |
| ב- DPBS |
טבלה 3: הרכב תערובת האלקטרופורציה (גישת פלסמידים נפרדת) לבקרה ולגן המעניין. קיצור: GOI = גן של עניין.
| נוגדן | חברה | מספר קטלוגי | $$$$ | דילול |
| עוף נגד GFP | מעבדות Aves | GFP-1020 | RRID:AB_10000240 | 1:300 |
| ארנב נגד PAX6 | Novus Biologicals | NBP1-89100 | RRID:AB_11013575 | 1:300 |
| ארנב אנטי NeuN | אבקאם | ab104225 | RRID:AB_10711153 | 1:300 |
| עיזים נגד עוף Alexa Fluor 488 | תרמו פישר | A-11039 | RRID:AB_142924 | 1:500 |
| חמור נגד ארנב אלכסה פלואור 555 | תרמו פישר | A-31572 | RRID:AB_162543 | 1:500 |
טבלה 4: נוגדנים המשמשים לצביעת אימונופלואורסצנטיות.
איור משלים S1: קביעת גבול VZ/SVZ באורגנואידים מוחיים של פרימטים מחושמלים. אימונופלואורסנציה כפולה עבור PAX6 (מגנטה) ו-TUJ1 (צהוב) בשילוב עם צביעת DAPI (ציאן) של אורגנואיד מוחי מרמוסט 32 dps יומיים לאחר אלקטרופורציה עם פלסמיד המבטא GFP. האימונופלואורסנציה עבור GFP אינה מוצגת. הקווים המקווקווים האפורים-בהירים מציינים את הגבול בין VZ לאזור מועשר ב-SVZ/נוירונים. התמונות נרכשו באמצעות מיקרוסקופ קונפוקלי Zeiss LSM 800 עם מטרה של פי 20. סרגל קנה מידה = 100 מיקרומטר. קיצורים: DAPI = 4',6-diamidino-2-phenylindole; DPS = ימים לאחר הזריעה; PAX6 = קופסה 6 חלבון; SVZ = אזור תת-חדרי; TUJ1 = מחלקה III β-טובולין; VZ = אזור החדר. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
קובץ משלים 1: הוראות הרכבת תא אלקטרופורציה של צלחת פטרי. אנא לחץ כאן כדי להוריד קובץ זה.
המחברים מצהירים כי אין להם ניגודי עניינים.
אלקטרופורציה של אורגנואידים מוחיים של פרימטים מספקת גישה מדויקת ויעילה להחדרת שינויים גנטיים חולפים לסוגי אבות ונוירונים שונים במערכת מודל הקרובה להתפתחות ניאו-קורטקס פיזיולוגי של פרימטים (פתו). זה מאפשר את המחקר של תהליכים נוירו-התפתחותיים ואבולוציוניים והוא יכול להיות מיושם גם עבור מודלים המחלה.
אנו מתנצלים בפני כל החוקרים שלא ניתן היה לצטט את עבודתם בשל מגבלות מקום. אנו מודים לאולריך בלייר מהשירותים הטכניים ב-DPZ ולהרטמוט וולף מהסדנה ב-MPI-CBG על בניית תאי אלקטרודות צלחת פטרי; סטויאן פטקוב ורודיגר בהר על אספקת iPSCs לבני אדם (iLonza2.2), מקוק רזוס (iRh33.1) ומרמוסט (cj_160419_5); סברינה היידה עבור cryosectioning ו immunofluorescence צביעה; ונרינגה ליוטקאיט וסזאר מתאו בסטידס בטנקור על קריאה ביקורתית של כתב היד. העבודה במעבדה של W.B.H. נתמכה על ידי מענק ERA-NET NEUROON (MicroKin). העבודה במעבדה של מ.ה. נתמכה על ידי מענק התחלה של ERC (101039421).
| 20 ומיקרו; L Microloader | Eppendorf | 5242956003 | |
| 2-Mercaptoethanol | Merck | 8.05740.0005 | |
| 35 מ"מ צלחות תרבית תאים | Sarstedt | 83.3900 | |
| 60 מ"מ צלחות תרבית תאים | CytoOne | CC7682-3359 | |
| Activin A | Sigma-Aldrich | SRP3003 | |
| AOC1 | Selleckchem | S7217 | |
| Axio Observer.Z1 מיקרוסקופ פלואורסצנטי הפוך | Zeiss | הניתן להחלפה על ידי מיקרוסקופים פלואורסצנטיים דומים | |
| AZD0530 | Selleckchem | תוסף תזונה S1006 | |
| B-27 עם ויטמין A (חומצה רטינואית, RA) (50x) | Gibco | 17504-044 | |
| תוסף B-27 ללא ויטמין A (50x) | Gibco | 12587-010 | |
| BTX ECM 830 מערכת אלקטרופורציה גל מרובע | BTX | 45-2052 | |
| המושרה על ידי שימפנזה Sigma-Aldrich | SML0314 | ||
| סנדרה דואי | : 10.7554/elife.18683 | ||
| קו תאי גזע פלוריפוטנטיים המושרה על ידי מרמוסט נפוץ cj_160419_5 | doi: 10.3390/cells9112422 | ||
| תערובת מדיום/חומרים מזינים של Dulbecco F-12 (DMEM/F12) | Gibco | 11320-033 | |
| תמיסת מלח חוצצת פוספט של Dulbecco (DPBS) | Gibco | 14190-094 | pH 7.0&; 7.3; יש לחמם לטמפרטורת החדר לפני השימוש |
| Fast Green | Sigma-Aldrich | F7252-5G | |
| Forskolin | Selleckchem | 2449 | |
| תוסף GlutaMAX (100x) | Gibco | 35050-061 | תוסף תחליף גלוטמין |
| הפרין (מלאי 1 מ"ג/מ"ל) | Sigma-Aldrich | H3149 | |
| קו תאי גזע פלוריפוטנטיים מושרה אנושית iLonza2.2 | doi: 10.3390/cells9061349 | ||
| נוירוטרופין אנושי-3 (NT-3) | PeproTech | 450-03 | |
| אינסולין | סיגמא-אולדריץ' | 19278 | |
| IWR1 | סיגמא-אולדריץ' | I0161 | |
| סטריאומיקרוסקופ Leica MS5 (MDG 17 בסיס אור מועבר) | Leica | 10473849 | ניתן להחלפה על ידי סטריאומיקרוסקופים דומים |
| Matrigel | Corning | 354277/354234 | מטריצת ממברנת הבסיס; לחלופין, ניתן להשתמש בג'לטרקס (ThermoFisher Scientific, A1413302) |
| MEM תמיסת חומצות אמינו לא חיוניות (100x) | תוסף סיגמא-אולדריץ' | M7145 | |
| N-2 (100x) | Gibco | 17502-048 | |
| מדיום נוירובזאלי | Gibco | 21103-049 | |
| Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793 | |
| פרפורמלדהיד | ידית 818715 של Merck | עם סיבתיות עקב סרטן | |
| פניצילין/סטרפטומיצין (10,000 U/mL) | PanBiotech | P06-07100 | |
| תא אלקטרודות צלחת פטרי | בייצור עצמי (ראה קובץ משלים 1) | זמין גם מסחרית | |
| פיפטות זכוכית משוכות מראש | WPI | TIP10LT | פיפטות זכוכית בורוסיליקט עם התחדדות ארוכה, 10 ומיקרו; m קוטר קצה |
| תרכובת פרו-הישרדות | MerckMillipore | 529659 | |
| גורם נוירוטרופי רקומביננטי אנושי/מורין/חולדה (BDNF) | PeproTech | AF-450-02 | |
| מקוק רזוס מושרה קו תאי גזע פלוריפוטנטי iRh33.1 | doi: 10.3390/cells9061349 | ||
| StemMACS iPS-Brew XF | Miltenyi Biotech | 130-104-368 | |
| StemPro Accutase Cell Dissociation Reagent | Gibco | A1110501 | תערובת אנזימים פרוטאוליטיים וקולגנוליטיים |
| TrypLE | Gibco | 12604-013 | תחליף טריפסין רקומביננטי; לחמם לטמפרטורת החדר לפני השימוש |
| צלחות 96 בארות חיבור נמוך במיוחד | Costar | 7007 | |
| Y27632 | Stemcell Technologies | 72305 |