Qui, introduciamo un protocollo completo per la generazione e l'analisi a valle di organoidi cerebrali umani utilizzando il sequenziamento dell'RNA a singola cellula e a singolo nucleo.
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Articolo metodologico
* These authors contributed equally
Qui, introduciamo un protocollo completo per la generazione e l'analisi a valle di organoidi cerebrali umani utilizzando il sequenziamento dell'RNA a singola cellula e a singolo nucleo.
Nell'ultimo decennio, la trascrittomica a singola cellula si è evoluta in modo significativo ed è diventata un metodo di laboratorio standard per l'analisi simultanea dei profili di espressione genica delle singole cellule, consentendo la cattura della diversità cellulare. Al fine di superare i limiti posti dai tipi di cellule difficili da isolare, è possibile utilizzare un approccio alternativo che mira a recuperare singoli nuclei anziché cellule intatte, rendendo la profilazione del trascrittoma delle singole cellule universalmente applicabile. Queste tecniche sono diventate una pietra miliare nello studio degli organoidi cerebrali, affermandoli come modelli del cervello umano in via di sviluppo. Sfruttando il potenziale della trascrittomica a singola cellula e a singolo nucleo nella ricerca sugli organoidi cerebrali, questo protocollo presenta una guida passo-passo che comprende procedure chiave come la dissociazione degli organoidi, l'isolamento di singole cellule o nuclei, la preparazione e il sequenziamento delle librerie. Implementando questi approcci alternativi, i ricercatori possono ottenere set di dati di alta qualità, consentendo l'identificazione di tipi di cellule neuronali e non neuronali, profili di espressione genica e traiettorie di linea cellulare. Ciò facilita indagini complete sui processi cellulari e sui meccanismi molecolari che modellano lo sviluppo del cervello.
Negli ultimi anni, le tecnologie degli organoidi sono emerse come uno strumento promettente per la coltura di tessuti simili a organi 1,2,3. Soprattutto per gli organi che non sono facilmente accessibili, come il cervello umano, gli organoidi offrono l'opportunità di ottenere informazioni sullo sviluppo e sulla manifestazione della malattia4. In quanto tali, gli organoidi cerebrali sono stati ampiamente utilizzati come modello sperimentale per studiare vari disturbi del cervello umano, tra cui malattie dello sviluppo, psichiatriche o persino neurodegenerative 4,5,6.
Con l'avvento delle tecnologie di profilazione del trascrittoma a singola cellula, i tessuti umani primari e i modelli complessi in vitro potrebbero essere studiati con un livello di granularità senza precedenti, fornendo informazioni meccanicistiche sui cambiamenti dell'espressione genica a livello di sottopopolazioni cellulari in salute e malattia e fornendo informazioni su nuovi bersagli terapeutici putativi 7,8,9. Il campo degli organoidi è progredito utilizzando il profilo del trascrittoma a singola cellula per valutare la composizione cellulare, la riproducibilità e la fedeltà delle tecnologie degli organoidi cerebrali 10,11,12. Il sequenziamento dell'RNA a singola cellula (scRNA-seq) ha permesso la classificazione cellulare e l'identificazione della disregolazione genetica negli organoidi malati13,14. È importante sottolineare che è la complessità dei tessuti organoidi che richiede l'implementazione di tecniche che consentano la profilazione delle singole cellule. La caratterizzazione degli organoidi utilizzando metodi come la profilazione del trascrittoma di massa (sequenziamento dell'RNA di massa) porta all'eterogeneità cellulare mascherata e ai profili di espressione genica che sono mediati in tutti i tipi di cellule all'interno del tessuto complesso, limitando in ultima analisi la nostra comprensione dei processi in corso durante lo sviluppo degli organoidi in salute e malattia 15,16,17. Man mano che i metodi scRNA-seq continuano ad avanzare, viene creato un numero crescente di atlanti, esemplificato da risorse come l'Allen Brain Atlas o l'atlante a cellula singola di organoidi cerebrali umani di Uzquiano et al.18.
Il successo dello scRNA-seq da organoidi cerebrali si basa su un efficace isolamento e cattura di cellule intatte. Poiché la dissociazione degli organoidi cerebrali per ottenere singole cellule si basa sulla digestione enzimatica, può influenzare i modelli di espressione genica inducendo stress e danno cellulare19,20. Quindi, la dissociazione del tessuto in singole cellule è il passaggio più cruciale. Un approccio alternativo è il sequenziamento dell'RNA a nucleo singolo (snRNA-seq), che facilita l'estrazione senza enzimi di nuclei da tessuti freschi e congelati21,22. Tuttavia, l'isolamento dei nuclei da un tessuto pone altre sfide come l'arricchimento dei tipi di cellule di interesse e il basso contenuto di RNA dei nuclei rispetto alle cellule.
Gli studi con trascrittoma degli organoidi cerebrali sono comunemente condotti utilizzando scRNA-seq 10,18,23. Tuttavia, l'isolamento di singoli nuclei potrebbe fornire un metodo ortogonale e supplementare per studiare il profilo trascrittomico degli organoidi. Qui, introduciamo una cassetta degli attrezzi per scRNA- e snRNA-seq per organoidi cerebrali e discutiamo i punti critici per ottenere dati di sequenziamento della migliore qualità.
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Il protocollo descritto viene eseguito in un laboratorio di biosicurezza di livello 1 del Max Delbrück Center for Molecular Medicine (numero di approvazione: 138/08), in conformità con i requisiti e in conformità con le norme dell'UE e nazionali sull'etica nella ricerca.
1. Derivazione di organoidi del prosencefalo da cellule staminali pluripotenti indotte (iPSCs)
NOTA: Questo protocollo è stato testato per diverse linee di iPSC coltivate in una varietà di terreni di cellule staminali di diverse aziende (Tabella 1). La generazione di organoidi del proencefalo dipende fortemente da iPSC di alta qualità e da una confluenza del 60%-70% prima dell'inizio del protocollo. Qui abbiamo utilizzato una linea cellulare disponibile in commercio (vedi Tabella dei materiali).
2. Derivazione di singole cellule da organoidi
NOTA: La dissociazione di singole cellule viene eseguita utilizzando il kit di dissociazione del tessuto neurale (Tabella 2), che utilizza la dissociazione meccanica ed enzimatica. Qui descriviamo una dissociazione meccanica manuale. In alternativa, è possibile utilizzare una macchina di dissociazione.
3. Isolamento di singoli nuclei da organoidi
4. Preparazione e sequenziamento della libreria
5. Analisi
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Per studiare la composizione del tipo di cellula degli organoidi cerebrali utilizzando scRNA-seq e snRNA-seq, gli organoidi cerebrali sono stati raccolti dopo 30 giorni di coltura poiché gli organoidi in questa fase mostrano già loop neuroepiteliali costituiti da progenitori circondati da progenitori intermedi e neuroni allo stadio iniziale 4,18. Il monitoraggio della qualità degli organoidi durante la crescita e la coltura è essenziale per ottenere dati affidabi...
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L'analisi trascrittomica di singole cellule e singoli nuclei è emersa come uno strumento fondamentale per comprendere i meccanismi di regolazione genica all'interno di tessuti complessi. Entrambi i metodi consentono studi sul trascrittoma di organoidi cerebrali. Per garantire un esperimento complessivamente riuscito, la qualità del materiale di partenza è di grande importanza. Pertanto, è necessario tagliare regolarmente gli organoidi per evitare la formazione di un nucleo necrotico26. È anche pos...
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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.
Ringraziamo Valeria Fernandez-Vallone per le istruzioni originali per il kit di dissociazione neurale Miltenyi. Ringraziamo anche la Genomics Technology Platform del Max Delbrueck Centrum per aver fornito la ricetta del tampone di lisi NP40 e i preziosi consigli per la messa a punto di questo protocollo. Ringraziamo anche Margareta Herzog e Alexandra Tschernycheff per il supporto organizzativo del laboratorio.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| 1,4-DITIO-DL-THREIT-LSG., F. D. MOL.-BIOL., ~1 M IN H2O (DTT) | Sigma | 43816-10ML | |
| 1,5 ml di provette a basso legame per il DNA | VWR | 525-0130 | provetta per microcentrifuga |
| 10x Cellranger pipeline | pipline di analisi | ||
| 15 ml Falcon | Falcon | Tubo da centrifuga | |
| 2-Mercaptoetanolo (BME) | Life Technologies | 21985023 | |
| 50 ml Falcon | Falcon | Provetta da centrifuga | |
| A83-01 | Bio Technologies | 379762 | |
| Soluzione antibiotica/antimicotica (100X) | Life Technologies | 15240062 | |
| Integratore B-27 Plus | Life Technologies | 17504044 | |
| Integratore B-27 senza vitamina A | Life Technologies | 12587010 | |
| Albumina sierica bovina, priva di acidi grassi (BSA) | Sigma Aldrich | A8806-5G | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| cAMP | Biogems | 6099240 | |
| C-CHIP NEUBAUER VWR | DHC-N01 | ||
| migliorato Filtro cellulare 40 &; m | Neolab | 352340 | |
| Filtro cellulare 70 µ m (bianco) Nylon | Sigma | CLS431751-50EA | |
| Cromato Controller & Successivo Kit di accessori GEM | 10X Genomics | 1000204 | |
| Cromo Successivo GEM Chip G Single Cell Kit, 16 rxns | 10X Genomics | 1000127 | |
| Chromium Next GEM Single Cell 3' Kit v3.1 | 10X Genomics | 1000268 | |
| completo, Inibitore della proteasi senza EDTA Cocktaill | Roche | 11873580001 | |
| DAPI | MERCK Chemicals | 0000001722 | |
| DMEM/F12 | Life Technologies | 11320074 | |
| Set di macinatori per tessuti Dounce 2 mL completo | Sigma Aldrich | 10536355 | |
| Essential E8 Flex | Medium Life Technologies | A2858501 | |
| Conteggio delle cellule EVE Vetrini | VWR | EVS-050 ( 734-2676) | |
| Siero fetale bovino senza tetracicline (FBS) | PAN Biotech | P30-3602 | |
| Geltrex LDEV-Free (rivestimento) | Life Technologies | A1413302 | |
| gentleMACS | Miltenyi Biotec | dissociazione | |
| GlutaMAX integratori | Life Technologies | 35050038 | |
| Eparina sodica coltura cellulare testata | Sigma | H3149-10KU | |
| ricombinante umano BDNF | StemCell Technologies | 78005.3 | |
| ricombinante umano GDNF | StemCell Technologies | 78058.3 | |
| Soluzione di insulina Human | Sigma Aldrich | I2643-25MG | |
| Knockout siero sostitutivo | Life Technologies | 10828028 | |
| LDN193189 cloridrato 98% | Sigma Aldrich | 130-106-540 | |
| MEM aminoacido non essenziale (100x) | Sigma Aldrich | M7145-100ml | |
| MgCl2 Cloruro di magnesio (1M) RNAsi libero | Thermo | Scientific AM9530G | |
| mTeSR Plus | StemCell Technologies | 100-0276 | terreno per cellule staminali |
| mTeSR1 | StemCell Technologies | 85850 | terreno per cellule staminali |
| N2 Supplement | StemCell Technologies | 17502048 | |
| Kit di dissociazione del tessuto neurale | Miltenyi Biotec B.V. & Co. KG | 130-092-628 | |
| Neurobasal Plus | Life Technologies | A3582901 | |
| NextSeq500 sistema | Illumina | Sequencer | |
| NP-40 Surfact-Amps Soluzione detergente | Life Technologies | 28324 | |
| PBS Dulbecco' s | Invitrogen | 14190169 | |
| PenStrep (Penicillina - Streptomicina) | Life Technologies | 15140122 | |
| Percoll | Th. Geyer | 10668276 | |
| Pluronic (R) F-127 | Sigma Aldrich | P2443-1KG | |
| RiboLock RNase Inhibitor | Life Technologies | EO0382 | |
| Inibitore della roccia (Y-27632 dicloridrato) SB | Biomol | Cay10005583-10 | |
| SB 431542 | Biogems | 3014193 | |
| Cloruro di sodio NaCl (5M), senza RNasi-100 mL | Invitrogen | AM9760G | |
| StemFlex Medium | Thermo Scientific | A3349401 | terreno di cellule staminali |
| StemMACS iPS-Brew XF | Miltenyi Biotec | 130-104-368 | terreno di cellule staminali |
| TC-Platte 96 Pozzetti, fondo rotondo | Sarstedt | 83.3925.500 | |
| TISSUi006-A | TissUse GmbH | https://hpscreg.eu/cell-line/TISSUi006-A | |
| Trypan Blue | T8154-20ml | Enzima Sigma | |
| TrypLE Express, senza rosso fenolo | Life Technologies | 12604013 | Reagente a base di tripsina |
| UltraPure 1M Tris-HCl Buffer, pH 7,5 | Life Technologies | 15567027 | |
| XAV939 | Enzo Life sciences | BML-WN100-0005 |
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