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I neuroni derivati da cellule staminali pluripotenti umane (hiPSC) sono sempre più rilevanti nei settori della ricerca di base, dello sviluppo di farmaci e della medicina rigenerativa. I flussi di lavoro e le procedure per ottimizzare la loro cultura e manutenzione, e migliorare l'efficienza della differenziazione in specifici sottotipi neuronali, si stanno evolvendo rapidamente1,2. Per migliorare l'utilità e l'efficacia in termini di costi dei neuroni derivati dalle cellule staminali umane come sistemi modello suscettibili di analisi ad alto contenuto nella scoperta di farmaci e nella convalida degli obiettivi, è utile ridurre il tempo di coltura necessario per generare maturi e funzionali valori in genere, pur mantenendo la massima robustezza, riproducibilità e pertinenza del fenotipo. Anche se le colture organoidi a 3 dimensioni stanno guidando le innovazioni nella ricerca sul neurosviluppo3, le colture monostrato bidimensionali sono particolarmente compatibili con applicazioni automatizzate basate sull'imaging a causa del loro spessore minimo dei tessuti.
Tuttavia, l'adattamento dei metodi di screening basati sull'imaging ai modelli della malattia neurologica e neurosviluppo umana deve affrontare una grande sfida. Il lasso di tempo prolungato durante il quale il sistema nervoso umano matura in vivo richiede un tempo prolungato nella coltura per accogliere programmi naturali di espressione genica e raggiungere la maturazione neuronale.
Una conseguenza pratica del lungo programma di differenziazione neuronale è che il mantenimento delle colture monostrato derivate da hiPSC deve essere sostenuto per molte settimane per ottenere un'adeguata maturità sinapsi. Durante questo periodo, i progenitori neurali che rimangono indifferenziati continuano a dividersi. Questi possono rapidamente crescere eccessivamente la coltura e usurpare il contenuto nutritivo necessario per mantenere i neuroni postmitotici vitali. Le cellule progenitrici neurali (NPC) che dividono vigorosamente possono anche competere con i neuroni per il substrato di crescita. Questo può rendere tali culture soggette a problemi di scarsa adesione, una condizione inadatta per i saggi basati sull'imaging. Inoltre, molti ricercatori trovano che più piccolo è il volume di coltura, maggiore è la difficoltà nel mantenere popolazioni sane di neuroni differenziati abbastanza a lungo per osservare le ultime fasi della differenziazione neuronale. In altre parole, i saggi di maturazione delle sinapsi utilizzando approcci di screening ad alto contenuto (HCS) possono essere molto impegnativi per i neuroni derivati dall'uomo.
Per aggirare alcuni di questi problemi, è stata utilizzata una procedura di resumfare e repunatura in precedenza differenziati neuroni hiPSC-derivati. In primo luogo, permette lo studio della escrescenza neurite (o, più precisamente, la rigenerazione dei neuriti) in una popolazione di neuroni pienamente impegnati. In secondo luogo, la ripettezza di neuroni precedentemente differenziati da un formato di grande volume (come piastre di 10 cm o più grandi), fino a formati di piccoli volumi (come piastre di microtiteri compatibili con HCS) consente una significativa riduzione del tempo totale di la condizione di piccolo volume. Questo facilita lo studio dell'assemblaggio e della maturazione delle sinapsi nelle settimane successive in vitro.
Tuttavia, la rifacimento di neuroni maturi che hanno già stabilito lunghi neuriti e una complessa rete di connettività presenta diverse sfide, una delle quali è il tasso a volte alto e variabile di morte cellulare. Qui, descriviamo una procedura di repsiamento che si traduce in un'eccellente sopravvivenza cellulare e riproducibilità. Comunemente, i neuroni sono esposti a enzimi proteolitici per brevi periodi di incubazione (tipicamente 3-10 min) al fine di staccare le cellule dal substrato prima della triturazione. Questo breve tempo proteolisi è abitualmente utilizzato per resudare e passare molti tipi di cellule divisorie, tra cui le cellule non-neuronali e progenitori indifferenziati4,5,6. Tuttavia, per i neuroni differenziati che portano a lungo, neuriti interconnessi, è essenziale non solo per staccare le cellule dal substrato, ma anche per interrompere la rete dendritica e assonale al fine di isolare le singole cellule riducendo al minimo i danni. Infatti, una spessa rete di neuroni di solito tende a staccarsi dal substrato come un singolo foglio, piuttosto che come singole cellule. Se non si fa attenzione ad allentare la fitta rete di neuriti, i neuroni non solo diventano irreversibilmente danneggiati durante la triturazione, ma molti di loro non riescono a passare attraverso il filtro utilizzato per rimuovere i grumi, con conseguente scarsa resa cellulare. Qui di seguito descriviamo una semplice modifica a una procedura di incubazione proteasi ampiamente utilizzata per contrastare queste difficoltà.
Nel protocollo descritto di seguito, i neuroni vengono incubati per 40-45 min con una proteasi lieve, come l'enzima proteolitico (ad esempio, Accutase). Durante i primi 5-10 min dopo l'aggiunta dell'enzima, la rete neuronale si solleva dal substrato come un foglio. L'incubazione con la proteasi procede per altri 30-40 min prima di procedere con triturazione e filtraggio delicati. Questo tempo di incubazione supplementare aiuta a garantire che la digestione del materiale rilassi la rete intercellulare, garantendo così che la successiva triturazione produca una sospensione delle singole cellule. Questa procedura massimizza l'uniformità della distribuzione cellulare durante la replaccatura riducendo al minimo la morte delle cellule. Abbiamo applicato con successo questo metodo di replating alle colture neuronali derivate da hiPSC generate da vari protocolli di differenziazione7,8 e da varie linee di hiPSC. La procedura è nominalmente adatta per l'uso con la maggior parte o tutte le linee di neuroni derivati dalle cellule staminali. Abbiamo osservato che un tempo prolungato di incubazione della proteasi non è assolutamente essenziale per la riplaccatura delle colture da piastre di piccolo formato (ad esempio, diametro di 35 mm); tuttavia, come si mostra qui, fornisce un vantaggio significativo quando si replata da piastre di grande diametro (ad esempio, 10 cm di diametro o più grandi), probabilmente perché i neuriti in tali piastre possono estendere processi molto lunghi e formare un array densamente interconnesso.
Qui dimostriamo questo metodo e illustriamo brevemente la sua applicazione nei saggi per la neuritogenesi precoce e per la maturazione delle sinapsi, che comporta il raggruppamento di proteine pre e post-sinaptiche lungo i dendriti e gli assoni, seguiti dai loro successivi co-localizzazione nei siti sinaptici. Gli esempi evidenziano i vantaggi offerti da questo protocollo per preservare la vitalità e la riproducibilità delle cellule. In primo luogo, permette ai ricercatori di studiare i primi passi nella neuritogenesi umana. L'ambientazione sperimentale è simile alle colture primarie comunemente utilizzate dei neuroni corticali o ippocampali del roditore, dove le cellule vengono estratte dal cervello tardo fetale o postnatale precoce, dissociate dalla triturazione dopo un delicato trattamento della proteasi, e avviare neuriti o rigenerare neuriti che sono stati recisi nella procedura9,10. Simile a tali neuroni primari roditori, i neuroni derivati da hiPSC iniziano a formarsi o rigenerare i loro neuriti poche ore dopo la riplaccatura, consentendo l'imaging dei coni di crescita e della morfologia dei neuriti in un ambiente ottimale per l'imaging spatiotemporale elevato con meno che circondano cellule indifferenziate. Abbiamo osservato che l'escrescenza di neurite è più sincronizzata rispetto ai ritardi variabili e ai diversi tassi di escrescenza osservati quando i neuroni iniziano a differenziarsi da una popolazione progenitrice. Inoltre, la riatcrolatura consente alle analisi dei neuroni che esprimono marcatori di sottotipi neuronali che in genere appaiono più tardi nello sviluppo neurale, come il fattore di trascrizione 5/6 dello strato corticale CTIP2 (Trascrizione promotrice promotrice a monte dell'ovalbumina proteina che interagisce con il fattore 2), o il marcatore pan-neuronale NeuN11. Una caratteristica particolarmente utile dell'approccio replating è che la sinaptogenesi procede entro un lasso di tempo compatibile con HCS.