このプロトコルは、以前にインビトロで神経前駆体から数週間分化していたヒト幹細胞由来ニューロンを再中断および培養するための詳細な手順を説明する。この手順は、光顕微鏡検査および高含有量スクリーニングと互換性のある形式で、神経伝達物、シナプス、および後期発現ニューロンマーカーのイメージングベースのアッセイを容易にします。
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このプロトコルは、以前にインビトロで神経前駆体から数週間分化していたヒト幹細胞由来ニューロンを再中断および培養するための詳細な手順を説明する。この手順は、光顕微鏡検査および高含有量スクリーニングと互換性のある形式で、神経伝達物、シナプス、および後期発現ニューロンマーカーのイメージングベースのアッセイを容易にします。
ヒト多能性幹細胞由来神経前駆細胞(NPC)と2次元培養で分化したニューロンは、疾患メカニズムを探索し、化合物を調知するための高含有スクリーニング(HCS)を行う強力なモデルシステムを表す。ライブラリまたは遺伝子変異現象を同定する。しかし、ヒト細胞ではNPCから機能への移行により、成熟したニューロンは数週間を要する。シナプスは通常、単層培養における3週間の分化後に形成を開始し、いくつかのニューロン特異的タンパク質、例えば後にパンニューロンマーカーNeuNを発現させる、または層5/6大脳皮質ニューロンマーカーCTIP2が発現し始める約4-5週間の分化後。この長い差別化時間は、少量のマルチウェルHCSプラットフォームに使用される最適な培養条件と互換性がありません。多くの課題の中には、細胞クラスタリングを最小限に抑えた均一に分布した細胞の必要性や、長期的な生存率と機能的シナプス成熟を促進する培養手順が必要です。1つのアプローチは、大容量フォーマットでニューロンを区別し、HCS互換マルチウェルで後の時点でそれらを再プレートすることです。このリプラットングアプローチを使用する際のいくつかの主な課題は、樹状および軸線ネットワークのストレスの多い中断のために、再現性と細胞の生存率に関する。ここでは、大容量フォーマットで4~8週間分化した後にヒト誘導多能性幹細胞(hiPSC)由来のニューロンを酵素的に再中断し、384ウェルマイクロチターに転送するための詳細で信頼性の高い手順を示します。プレート、および優れた細胞生存でさらに1〜3週間それらを培養する。このヒトニューロンの再起は、再めっきから2週間以内にシナプスアセンブリと成熟の研究を可能にするだけでなく、神経質再生と成長コーン特性の研究を可能にします。我々は、384ウェルプラットフォームを用いたニューリトジェネシスおよびシナプトジェネシスに対するスケーラブルなアッセイの例を提供する。
ヒト多能性幹細胞(hiPSC)由来ニューロンは、基礎研究、創薬、再生医療の分野でますます重要になってきています。その培養とメンテナンスを最適化し、特定のニューロンサブタイプに対する分化の効率を向上させるワークフローと手順は、急速に進化している1,2.創薬や標的検証における高含有量の解析に対応するモデルシステムとしてのヒト幹細胞由来ニューロンの有用性と費用対効果を向上させるためには、成熟した機能を生成するために必要な培養時間を短縮することが有用である。最大の堅牢性、再現性、表現型の関連性を維持しながら、ニューロン。3次元オルガノイド培養は神経発達研究3のブレークスルーを推進していますが、2次元単層培養は組織厚が最小限に抑えられるため、自動イメージングベースのアプリケーションと特に互換性があります。
しかし、ヒト神経・神経発達疾患のモデルへの画像化によるスクリーニング方法の適応は大きな課題である。生体内で人間の神経系が成熟する長引く時間枠は、遺伝子発現の自然なプログラムに対応し、神経の成熟を達成するために培養の延長時間を必要とする。
長い神経分化プログラムの実用的な結果の1つは、hiPSC由来単層培養の維持が十分なシナプス成熟を達成するために何週間も持続されなければならないということです。この間、未分化のままの神経前駆子は分裂し続ける。これらはすぐに培養を過剰に成長させ、実行可能なポストマイト性ニューロンを維持するために必要な栄養素含有量を奪うことができます。神経前駆細胞(NPC)を活発に分割すると、増殖基板のニューロンと競合することもできる。これは、このような培養物を、画像ベースのアッセイに不適当な接着性の問題の対象にすることができる。さらに、多くの研究者は、培養量が小さいほど、分化ニューロンの健良な集団を維持する難易度が高く、神経分化の後期段階を観察するのに十分な長さであることがわかります。言い換えれば、高含有スクリーニング(HCS)アプローチを用いてシナプス成熟のアッセイは、ヒト由来ニューロンにとって非常に困難であり得る。
これらの問題のいくつかを回避するために、以前に分化されたhiPSC由来ニューロンを再中断および再め換えする手順が用いられた。第一に、それは完全にコミットされたニューロンの集団における神経伝達の成長(または、より正確には、神経伝達の再生)の研究を可能にする。第二に、以前に分化されたニューロンを大容量フォーマット(10cmプレート以上など)から小容量フォーマット(HCS互換96または384ウェルマイクロチタープレートなど)に再め合わせることで、総培養時間を大幅に短縮できます。小さなボリューム条件。これは、インビトロでのその後の数週間にわたってシナプスアセンブリと成熟の研究を容易にします。
しかし、すでに長いニューライトと複雑な接続ネットワークを確立している成熟したニューロンの再め換えは、いくつかの課題を提示し、そのうちの1つは、時には高く、可変的な細胞死率である。ここでは、優れた細胞生存率および再現性をもたらす再めっき手順について説明する。一般的に、ニューロンは、トリキュレーションの前に基板から細胞を切り離すために、短いインキュベーション期間(通常〜3〜10分)のプロテオ分解酵素に曝露されます。この短いプロテオシス時間は、非神経細胞および未分化前駆体4、5、6を含む多くのタイプの分裂細胞を再中断および通過するために慣例的に使用される。しかし、長く相互接続された神経突起を持つ分化ニューロンのためには、細胞を基板から切り離すだけでなく、損傷を最小限に抑えながら個々の細胞を分離するために樹状および軸網を破壊することが不可欠です。実際、ニューロンの厚いメッシュワークは、通常、個々の細胞としてではなく、単一のシートとして基板から切り離される傾向があります。神経突起の厚いネットワークを緩めるために注意を払わなければ、ニューロンはトリチュレーション中に不可逆的に損傷を受けるだけでなく、それらの多くは、塊を除去するために使用されるフィルタを通過できず、細胞収率が悪くなります。以下では、これらの困難に対抗するために広く使用されているプロテアーゼインキュベーション手順に対する簡単な改変について説明する。
以下に説明するプロトコルでは、ニューロンは、プロテオ溶解酵素(例えば、アキュターゼ)などの軽度のプロテアーゼを用いて40〜45分間インキュベートされる。酵素を添加した後の最初の5〜10分の間に、ニューロンネットワークはシートとして基板から離陸する。プロテアーゼを用いたインキュベーションは、穏やかなトリタースとフィルタリングを進める前に、さらに30〜40分間進行します。この余分なインキュベーション時間は、材料の消化が細胞間ネットワークを緩和し、それによって後続のトリチュレーションが個々の細胞の懸濁液を生成することを保証するのに役立ちます。この手順は、細胞死を最小限に抑えながら再めっき時の細胞分布の均一性を最大化する。このリプラット法は、様々な分化プロトコル7、8、および様々なヒトCCから生成されたhiPSC由来のニューロン培養に応用することに成功しました。この手順は、名目上、幹細胞由来ニューロンのほとんどまたはすべての行での使用に適しています。我々は、拡張プロテアーゼインキュベーション時間が小さなフォーマットプレート(例えば、直径35ミリメートル)から培養物を再め換えに絶対に不可欠ではないことを観察しました。しかし、ここで示すように、大口径プレート(直径10cm以上)から再メッキする場合、おそらくそのようなプレート内のニューライトは非常に長いプロセスを拡張し、密に相互接続されたアレイを形成することができるため、大きな利点を提供します。
ここでは、この方法をデモンストレーションし、早期のニュー泌形成およびシナプス成熟のためのアッセイにおけるその応用を簡単に説明します。シナプスサイトでのコローカリゼーション。例では、このプロトコルが細胞の生存率と再現性を維持する上で提供する利点を強調しています。まず、研究者がヒトの新生の初期のステップを研究することを可能にする。実験設定は、げっ歯類皮質または海馬ニューロンの一次培養物に似ており、細胞は後期胎児または出生後の脳から抽出され、穏やかなプロテアーゼ治療後のトリチュレーションによって解離され、ニューライトを開始するか、手順9、10で切断されたニューライトを再生する。このようなげっ歯類の一次ニューロンと同様に、hiPSC由来のニューロンは、再形成後数時間以内にニューライトを形成または再生し始め、より少ない高い時空間イメージングに最適な環境で成長コーンおよびニューライト形態のイメージングを可能にする。周囲の未分化細胞。ニューロンが最初に前駆体集団から分化し始めたときに見られる可変遅延と異なる成長速度と比較して、神経突起の成長がより同期していることを観察しました。さらに、再めっきは、皮質層5/6転写因子CTIP2(チキンオブアルブミン上流プロモーター転写)などの神経発達の後半に現れるニューロンサブタイプマーカーを発現するニューロンのアッセイを可能にする。因子相互作用タンパク質2)、またはパンニューロンマーカーNeuN11.リメッキアプローチの特に有用な特徴は、HCSと互換性のある時間枠内でシナプトジェネシスが進行することです。
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1. 再平言前の差別化期間
2. マルチウェルのコーティング
3. 分化ニューロンの再めっき
4. 細胞生存率アッセイポストリメッキ
5. 免疫染色
6. カルシウムイメージング
7. 画像の取得と解析
注:取得システムの詳細については、カラブレスら12を参照してください。
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数週間分化されているhiPSC由来ニューロンの再めっきは、いくつかの利点を提供しています.しかし、長く相互接続されたデンドライトと軸ゴン(図1A)を持つ分化ニューロンを切り離して再めあうと、不可逆的に損傷を受けたニューロンの割合が高い可能性があります。
プロトコルセクションで説明したように、我々は基板からニューロンを切り離すためにプロテオ分解酵素を用いてインキュベーションを使用した。典型的には、ニューライトの厚いメッシュワーク(図1A)のために、細胞は単一の同期状の層として一度にすべて剥離する傾向があり、これはしばしば井戸に浮かび始める(図1C)。これはかなり迅速に起こり、おそらくほとんどの研究室は、選択したプロテオ分解酵素でわずか5分後に細胞を集め、トリチュレーション(上下にピペッティング)によって細胞...
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我々は、高含有量スクリーニングプラットフォームと互換性のある方法で、生存率、分化の成功、および細胞内イメージングを最適化するヒトニューロン培養の再停止と再平行化のための簡単な手順を実証しました。創薬に関連する他のアッセイ。図 6は、このようなアプリケーションの全体的なワークフローと例を示しています。
ここでは、皮質ニューロンの運命に向けられたhiPSC由来ニューロンに焦点を当てていますが、この方法はヒト胚性幹細胞由来ニューロンに対しても同様に適用可能であり、他方に向けられた幹細胞由来のニューロンにも同様に適用可能であると期待しています。ニューロン型14,15,16,17,18.さらに、この拡張プロテア...
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著者は何も開示していない。
本研究は、精神疾患を研究する全国協同再プログラム細胞研究グループ(NCRCRG)の構成要素であり、NIH助成金U19MH1 2015-0644の支援を受けています。初期の作業は、NIH認可NS070297によってもサポートされました。私たちは、神経前駆細胞のWT 126ラインを提供してくれたキャロル・マルケット博士とフレッド・ゲージ博士、および神経前駆細胞のCVB WT24ラインを提供してくれたユージーン・ヨー博士とローレンス・ゴールドスタイン博士に感謝します。サンフォード・バーナム・プレビーズ医学発見研究所のアン・バン博士の研究室で、有益な議論をしてくださったデボラ・プレに感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Post Replating Media | |||
| L-Ascorbic Acid | Sigma | A4403 | N2B27培地1 Lに200 mMストック1 mLを添加 |
| ジブチリル-cAMP | Sigma | D0627 | & micro;M |
| Human BDNF | Peprotech | 450-02 | 10 ng/ml 最終濃度 |
| B27 (50x) | Thermofisher Scientific | 17504044 | 1 L N2B27 培地 |
| DMEM/F12 | サーモフィッシャー サイエンティフィ | 31331093 | N2 を添加し、50 mL 円錐形に分配します。パラフィルム ラップ蓋 |
| ヒト GDNF | Peprotech | 450-10 | 10 ng/mL 最終濃度 |
| Glutamax | Thermofisher Scientific | 35050038 | 1 L N2B27培地に10 mlを追加; グルタミンサプリメント |
| マウスラミニン | シグマ | P3655-10mg | 100 & micro;L から 50 mL N2B27 |
| MEM 非必須アミノ酸 | サーモフィッシャー サイエンティフィック | 11140035 | 1 L に 5 mL を追加 N2B27 培地 |
| N2 (100x) Supplement | Life Technologies | 17502048 | 5 mL から 500 mL 培 |
| ニューロベース A 培地 | サーモフィッシャー サイエンティフィック サイエンティフィ | 10888022 | DMEM/F12 と組み合わせて CVB wt 細胞用の N2B27 培地を生成; 神経基礎 A 培地 |
| ニューロ基礎培地 | Thermofisher Scientific | 21103049 | for WT126 cells; neural basal media |
| SM1 Supplement | StemCell Technologies | 5711 | 培地に1:50を添加 |
| 重炭酸ナトリウム | Thermofisher Scientific | 25080-094 | L N2B27 培地 |
| Plate Preparation | |||
| 10 cm Tissue Culture Dishes | Fisher Scientific | 08772-E | プラスチックTC処理皿 |
| 6ウェル組織培養皿 | トーマス科学 | 1194Y80 | NESTプレート |
| マウスラミニン | ライフテクノロジー | ズ23017-015 | |
| ポリオルニチン | シグマ | P3655-10mg | プラスチックに1:1,000を追加 |
| ウルトラピュア蒸留水 | ライフテクノロジー | ズ10977-015 | 希釈するポリ-L-オルニチン |
| <ストロング>リプレーティング試薬 | |||
| 100 mM セルストレーナー | コーニング | 431752 | 滅菌済み、個別包装 |
| 384ウェルプレート、コーティングされていない | パーキンエルマー | 6007550 | PLOおよびラミニン |
| DPBS | 付きコート ライフテクノロジー | 14190144 | ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水 |
| Poly-D-Lysine-Precoated 384-well Plates | PerkinElmer | 6057500 | ラミニンでコーティングする前にすすぎ |
| StemPro Accutase | Life Technologies | A1110501 | 1 mL/10 cm プレートを 30-45 分間適用します; タンパク質分解酵素 |
| 固定 材料 | |||
| 37% ホルムアルデヒド | フィッシャー サイエンティフィ | F79-1 | PBS |
| に溶解スクロー | フィッシャー サイエンティフィック | S5-12 | 固定剤 10 mL あたり 0.8 g |
| ><強免疫染色 材料> | |||
| Alexa Fluor 488 ヤギ抗マウス | Invitrogen | A-11001 | 二次抗体 |
| Alexa Fluor 568 ヤギ抗ニワトリ | Invitrogen | A-11041 | 二次抗体 |
| Alexa Fluor 647 ヤギ抗ニワトリ | Invitrogen | A-21449 | 二次抗体 |
| Alexa Fluor 561 ヤギ抗ラット | Invitrogen | A-11077 | 二次抗体 |
| DAPI | Biotium | 40043 | 可視化 |
| DNA マウス抗体 (TuJ-1) | Neuromics | MO15013 | 初期段階 ニューロンマーカー |
| ラット抗体 CTIP2 | Abcam | ab18465 | 層 5/6 皮質ニューロン |
| MAP2に対するニワトリ抗体 | LifeSpan Biosciences | LS-B290 | 初期神経マーカー |
| Millipore | ABN91 | 後期神経マーカー | ニワトリ抗体 |
| MAP2に対するウサギ抗体 | シェリー・ハルペイン | N/A | 初期神経マーカー |
| PSD-95 | Sigma | P-246 | シナプス後マーカーに対するマウス抗体 |
| シナプシン1 | ミリポア | AB1543 | シナプス前マーカー |
| ウシ血清アルブミン(BSA) | GE Healthcare Life Sciences | SH30574.02 | |
| Titon X-100 | Sigma | 9002931 | PBSで0.2%に希釈して透過化 |
| 生存率マーカー | |||
| Vivafix649/660 | Biorad | 135-1118 | 細胞死マーカー |
| Calcium Imaging | |||
| 試薬名/機器 | 会社 | カタログ番号 | コメント/説明 |
| AAV8-syn-jGCAMP7f-WPRE | THE SALK INSTITUTE, GT3 Core Facility | N/A | カルシウムレポーター ウイルス送達システム |
| hiPSC由来NPCs | |||
| WT 126 (Y2610) | Gage lab | N/A | Marchetto et al., 2010 |
| CVB WT24 | Yeo and Goldstein labs | N/A | 未発表 |
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