神経上皮組織の前例のない複雑さのために、人間の脳の発達をモデル化することが妨げられてきました。ここでは、ヒトの脳発生の初期のイベントを明らかにし、in vitroで小頭症をモデル化するための脳オルガノイドの堅牢な生成方法について説明します。
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神経上皮組織の前例のない複雑さのために、人間の脳の発達をモデル化することが妨げられてきました。ここでは、ヒトの脳発生の初期のイベントを明らかにし、in vitroで小頭症をモデル化するための脳オルガノイドの堅牢な生成方法について説明します。
複雑な人間の脳の発達を確実に表現できる適切なin vitroモデルの利用が制限されていることは、基本的な脳研究の臨床応用への翻訳を制限する重大なボトルネックです。人工多能性幹細胞(iPSC)が倫理的に問題のあるヒト胚性幹細胞に取って代わった一方で、iPS細胞を用いた神経細胞分化研究は、細胞レベルでは依然として記述的でありながら、複雑なヒト3D脳組織から得られる可能性のある詳細を適切に提供できていません。
このギャップは、複雑な人間の脳の発達の多くの特徴をモデル化するiPS細胞由来の3D脳オルガノイド「皿の中の脳」の適用によって埋められています。ここでは、iPS細胞由来の3D脳オルガノイドを作製する方法について説明する。このオルガノイドは、ヒトのまれな神経発達障害である常染色体劣性原発性小頭症(MCPH)のモデリングに役立ちます。MCPHにおける脳奇形の説明として広く受け入れられているのは、ヒトの脳発生の初期段階で神経幹細胞プールが枯渇することであり、これはin vitroで再現または証明するのが難しい発達上の欠陥です。
MCPHを研究するために、中心体タンパク質CPAPに変異を持つ患者由来の線維芽細胞からiPS細胞を生成しました。小頭症の3次元脳オルガノイドの心室領域を解析することで、神経前駆細胞の早期分化を明らかにしました。これらの3D脳オルガノイドは、神経毒性化学物質、神経栄養性ウイルス感染、または遺伝性遺伝子変異によって誘発される先天性脳疾患のモデリングに役立つ強力なin vitroシステムです。
このよう小頭症など人間の神経発達障害は、不十分にしかによる人間の脳は、拡張された皮質表面、ヒト以外の動物は異なる独特の特徴を持っているという事実のために、動物モデルで研究することができます。
この局面は、 インビトロ細胞培養系では 、人間の脳の発達に十分に2Dで研究することができない複雑なプロセスになります。新興3D培養技術は、人工多能性幹細胞(iPS細胞)から組織様オルガノイドの生成を可能にします。 3D懸濁培養における多能性幹細胞のインビトロ分化は、組織化、層状組織1、2、3を生じさせる、タイムリーかつ領域特異的な様式で種々の細胞型を形成することができます。 3D培養技術を開拓し、幹細胞から始まる、器官形成の複雑さを詳解研究所のおかげで、私たちは、人間の脳の発達の初期事象を描写すると試験管 1、2、3 に小頭症をモデル化するために、脳のオルガノイドを生成する強力な方法を開発しました。我々がランカスターらによって開発されたオリジナルの方法を適応することを注目すべきです。脳オルガノイド1を生成します。この方法は、我々の実験の要件に応じて変更されました。
ガブリエルらから研究の目的。脳の発達中の神経幹細胞の維持の細胞および分子メカニズムを分析することでした。これを行うためには、機械的な研究は、小頭症患者4由来の3D脳オルガノイドにおける神経前駆細胞(NPCの)を分析することにより行いました。この患者はCPAP、中心体の生合成に必要な5保存された中心体タンパク質に変異を運びました。広く受け入れられているハイポ論文は、小頭は、NPCのプールの枯渇の結果であり、これは、細胞死または早期分化1、6、7、8、9のいずれかに起因するかもしれないということです。
小頭脳オルガノイドの心室ゾーン(VZS)を分析することによって、それはのNPCのかなりの数は、健康なドナー4に由来する脳オルガノイドは異なり、非対称細胞分裂を受けることが示されました。小頭脳オルガノイドの広範な顕微鏡および生化学的解析は、タイムリーな繊毛分解4におけるCPAPのための予想外の役割を明らかにしました。具体的には、突然変異したCPAPは遅繊毛の分解に関連しているとのNPC 4の早期分化につながる、再入細胞周期を遅らせました。これらの結果は、小頭と目における繊毛の役割を示唆します神経発生と脳のサイズ制御10時のEIR関与。
このプロトコルの最初の部分は、均質脳オルガノイドを生成するための三段階法の説明です。前に述べたように、オリジナルのランカスタープロトコルが適応と我々の目的1に合わせて変更されました。まず、人間性IPSCは、エンゲル・ホルム - スウォーム(EHS)マトリックス上に定義された無フィーダー条件で培養します。このステップは、フィーダ依存性多能性幹細胞培養物の変動を回避します。このプロトコルでは、神経上皮を形成するために神経分化の誘導性IPSCから直接始まります。胚様体(EB)形成工程、より制御および指向様式で神経分化進行をスキップし。このアプローチは、中胚葉および内胚葉のような他の胚細胞層の自発的および無向形成を制限します。このプロトコルを適用することにより、神経のロゼットを含むニューロスフェアは、EHのために5日目に収穫することができますS行列の埋め込み静止懸濁培養。我々のプロトコルの第三の工程のために使用オルガノイド媒体はドルソモルフィンおよびSB431542が補充されます。ドルソモルフィンは、骨形成タンパク質(BMP)の小分子阻害剤であり、SB431542はTGFβ/アクチビン/ノーダルシグナル伝達経路を阻害します。これらの要因の組み合わせが神経分化よりも効率的に単独で11、12、13、14、レチノイン酸を促進し得ます。
要するに、これらの修飾は、オルガノイドを横切る最小の変動で、脳オルガノイドの再現可能な生成を可能にします。重要なことは、この方法が確実に中心体および細胞周期のダイナミクスに影響を与える遺伝子の変異を運ぶ患者性IPSC、から小頭脳オルガノイドを生成するために適用されました。
このプロトコルの第2の部分は、BRを調製するための指示を与えます小頭内の細胞の欠陥の分析と解釈のためにAINのオルガノイド。これは固定、凍結切片、免疫蛍光染色、および共焦点顕微鏡分析を含んでいます。このプロトコルは、期待される結果の詳細な説明とし、解釈のためのガイダンスを読者に提供します。
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脳オルガノイドの1世代(23日)
EHSマトリックス2.埋め込みニューロスフェア(4日)
ロータリーサスペンション3.オルガノイド文化(14日)
脳オルガノイド4.分析
オルガノイドセクションの5.免疫染色
注:ネスチン、神経前駆マーカー、およびTUJ1、汎神経マーカーで染色するオルガノイドの一般的な特性については、推奨されます。追加の例、有糸分裂の頂端放射状グリア細胞を標識ホスホ - ビメンチン(P-のVim)、及びArl13bと免疫蛍光染色として、繊毛のために、記載されています。アポトーシスをテストするには、ターミナルデオキシヌクレオチジルトランスフェラーゼ(TdTを)dUTPニック - 末端標識(TUNEL)アッセイを使用しています。ほこり、光から保護するためにインキュベーションの間にプラスチック製の箱にスライドを置き、そして乾燥。
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脳オルガノイドの生成は、連続培養( 図1A)の少なくとも三週間を要します。再現性のある結果を達成するために、我々は、研究者は、すべてのステップを文書化して、重要なのは、培地成分、時刻、およびセルの取り扱いに関するあらゆる変更を回避することをお勧めします。ここでは、重要なマイルストーンは、実験の終了時に十分な品質のオルガノイドを得るために達しているかどうかを評価する方法の概要を与えます。 96ウェルプレート中のニューロスフェアの形成は、前記神経球を各ウェル( 図1B、ステップ1)の底部に同様に定義された球を認識することができる日からはっきりと見えるであるべきです。
5日目に、ニューロスフェアは、直径〜500μmであるべきであり、暗い中心を囲む明るいリムと、滑らかな表面を示します。すでに、神経ロゼットのような拡張STRUを観察することが可能であるかもしれませんこの明るいリム(
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MCPHは、in vivoまたはin vitroでの単純なヒト細胞培養アプローチに動物モデルで再現されることができない複雑なヒト神経発達障害です。 MCPHの臨床症状は、早期の神経発生が開始されると、最初の学期中に現れ始めます。このように、3D脳オルガノイドはMCPH開発をモデル化するための信頼性の高い実験系を表します。また、3Dヒト脳オルガノイドは重要なこと、iii)は、様々な分化I)は、それらが様々な遺伝的背景を有する患者サンプルのスペクトルの適応を可能にするが、II)は、異なる神経細胞型を含む組織の組織を表示するので、理想的なアプローチであり、そしてこのin vitro手法における神経発達の段階は、それらのインビボ対応物25、26、27に連結されています。例えば、ニューラルロゼットは、発展途上の神経と同等の構造でありますチューブ。
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著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。
この作品は、フリッツ・ティッセン財団(Az.10.14.2.152)によってサポートされていました。私たちは、組織の埋め込み施設とCMMCの顕微鏡中核施設に感謝しています。私たちは、中心体および細胞骨格生物学研究所のメンバーが提供する議論と技術サポートのために感謝しています。私たちは、原稿を校正するために李明グーイに感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 抗マウス 488 | Invitrogen | A-11001 | ヤギ抗マウス IgG (H+L) 二次抗体, Alexa Fluor 488 |
| 抗ウサギ 647 | Invitrogen | A-21245 | ヤギ抗ウサギ IgG (H+L) 二次抗体, Alexa Fluor 647 |
| Arl13b | proteintech | 17711-1-AP | ARL13B ウサギポリクローナル抗体 |
| CELLSPINシステム | IBS Integra Bioscience | 183001 | |
| DAPI | Sigma-Aldrich, US | 32670 | 4′,6-Diamidino-2-phenylindole dihydrochloride; multiple suppliers |
| DMEM/F-12 | Gibco, US | 31331093 | Dulbecco's Modified Eagle Medium: Nutrient Mixture F-12 |
| Dorsomorphin | Sigma-Aldrich, US | P5499 | Compound C; 複数の供給者 |
| Embedding medium | AppliChem | A9011, 0100 | Mowiol; embedding medium; 複数の供給者 |
| Engelbreth-Holm-Swarm (EHS) matrix | Corning | 354277 Matrigel hESC-qualified matrix; important: hESC qualified | |
| Fish gelatin | シグマアルドリッチ、米国 | G7765-250ML | ゼラチン冷水魚の皮から、複数のサプライヤー;オートクレーブPBSに添加して溶解し、滅菌し、4°Cで保存します。C |
| Glycine | AppliChem | A1067,1000 | Glycine for molecular biology; multiple suppliers |
| 針付き接種ループ、使い捨て(1 & マイクロ;L) | シグマ・アルドリッチ、米国 | BR452201-1000EA | 複数サプライヤー |
| Insulin | Sigma-Aldrich, US | I3536-100MG | multiple suppliers |
| L-glutamine | Gibco, US | 25030081 | L-glutamine (200 mM) |
| Medium A | Stem cell technologies | #05850 | mTeSR1 (hiPSC medium) |
| Medium B | Stem cell technologies | #05835 | Neural induction medium (NIM); neural differentiation medium |
| Medium C | Gibco, US | 21103049 | Neural Basal Medium |
| MEM | Gibco, US | 11140035 | MEM non-essential amino acids solution (100x) |
| MycoAlert Mycoplasma Detection Kit | Lonza, Switzerland | #LT07-218 | Mycoplasma detection kit; multiple suppliers |
| Nestin | Novus biologicals | NBP1-92717 | Nestin mouse monoclonal antibody (4D11) |
| パラホルムアルデヒド (PFA) | AppliChem | A3813、0500 | 4% PBS、溶液を-20°Cで保存。C;注意:皮膚と目の保護具を着用し、フードの下で作業してください |
| PBSタブレット | Gibco、米国 | 18912014 | メーカー´を参照してください。の指示;複数のサプライヤー |
| ペニシリン-ストレプトマイシン (10.000 U/mL) | Gibco, US | 15140122 | 複数のサプライヤー |
| Poly-L-リジン溶液 (PLL) | Sigma-Aldrich, US | P8920-100ML | 複数のサプライヤー |
| pVim | MBL | D076-3S | Phospho-Vimentin (Ser55) mAb |
| 試薬 A | 幹細胞技術 | #05872 | プロトコル1.1.1.2への注記;ReLSR(酵素フリーのヒトESおよびiPS細胞選択および継代試薬);Manufactorer´に従ってください。のプロトコル;利用可能な複数のサプライヤーからの代替製品 |
| 試薬 B | Sigma-Aldrich、米国 | A6964-100ML | Accutaseの解決は単一細胞の解離のための酵素の解決である;多数の供給者; プロトコル1.1.2 "enzymatic細胞解離の解決" |
| 研究 クライオスタット ライカ CM3050 S | ライカバイオシステム | CM3050 S | 複数のサプライヤー |
| SB431542 | Selleckchem.com | S1067 複数の | サプライヤー |
| スピナーフラスコ 250 mL | IBS インテグラ バイオサイエンス | 182026 | |
| ショ糖 | AppliChem | A4734, 1000 | 複数のサプライヤー |
| スーパーフロスト ウルトラプラス 顕微鏡スライド | Thermo scientific, US | J3800AMNZ | スライドには「+」と正の電荷を帯びたラベルを付ける必要があります |
| サプリメント 1 | Gibco, US | 17502048 | N-2 サプリメント (100x) |
| サプリメント 2 w/o ビタミン A | Gibco, US | 12587010 | B-27 サプリメント (50x), マイナスビタミン A; 複数のサプライヤー |
| Tissue-Tek Cryomold | Sakura, NL | 4565 | 複数のサプライヤー |
| Tissue-Tek O.C.T. 化合物 | さくら、NL | 4583 | 複数のサプライヤー |
| Triton X-100 | AppliChem | A1388,0500 | 複数のサプライヤー |
| TUJ1 | Sigma-Aldrich、US | T2200 | β-Tubulin III (rabbit polyclonal) |
| TUNEL assay | Promega, US | G3250 | DeadEnd Fluorometric TUNEL system; multiple suppliers |
| Tween 20 for molecular | biology AppliChem | A4974,0500 | 複数サプライヤー |
| 防水シート | BEMIS company, inc. | PM996 | パラフィルム」M”;複数のサプライヤー |
| Y-27632 | Selleckchem.com | S1049 | ROCK阻害剤(Y-27632 2HCL);複数の供給業者 |
| &β;-メルカプトエタノール | Gibco, US | 31350010 | 2-メルカプトエタノール(50 mM);複数の供給業者 |
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