このプロトコルは、ミトコンドリア体積の変化、ミトコンドリア呼吸鎖(MRC)複合サブユニットの量、ミトコンドリアDNA(mtDNA)複製など、複数のミトコンドリア機能パラメータを同時に評価するために、ストリーミングサイトメーターと複数の抗体を使用する独自の方法を報告しています。
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このプロトコルは、ミトコンドリア体積の変化、ミトコンドリア呼吸鎖(MRC)複合サブユニットの量、ミトコンドリアDNA(mtDNA)複製など、複数のミトコンドリア機能パラメータを同時に評価するために、ストリーミングサイトメーターと複数の抗体を使用する独自の方法を報告しています。
ミトコンドリア機能障害は、多くの種類の神経変性に共通して一次的または二次的に寄与しており、ミトコンドリア質量、ミトコンドリア呼吸鎖(MRC)複合体、およびミトコンドリアDNA(mtDNA)コピー数の変化は、これらのプロセスでしばしば特徴づけられます。ヒト人工多能性幹細胞(iPSC)に由来するヒト脳オルガノイドは、脳の3次元(3D)細胞構造配列を再現し、複雑なヒトシステムにおける疾患メカニズムの研究や新しい治療法のスクリーニングの可能性を提供します。ここでは、iPS細胞由来皮質オルガノイドの複数のミトコンドリアパラメータを測定するための、フローサイトメトリーに基づく独自のアプローチについて報告します。このレポートでは、iPS細胞から皮質脳オルガノイドを作製するためのプロトコル、生成されたオルガノイドの単一細胞解離、固定、染色、およびその後のフローサイトメトリー解析により、複数のミトコンドリアパラメータを評価するための手順について詳しく説明します。MRC複合体サブユニットNADHに対する抗体であるユビキノン酸化還元酵素サブユニットB10(NDUFB10)またはミトコンドリア転写因子A(TFAM)と電位依存性陰イオン選択的チャネル1(VDAC 1)を併用することで、ミトコンドリアあたりのこれらのタンパク質の量を評価できます。TFAMの量はmtDNAの量に対応するため、ミトコンドリア含有量あたりのmtDNAコピー数を間接的に推定できます。この手順全体は、2〜3時間以内に完了できます。重要なのは、ミトコンドリア質量に対する合計レベルと特定のレベルの両方を含む、複数のミトコンドリアパラメータの同時定量化を可能にすることです。
ミトコンドリアは必須の細胞小器官であり、アデノシン三リン酸(ATP)産生の主要な部位です。ミトコンドリアは、細胞にエネルギーを供給するだけでなく、細胞情報の伝達、細胞分化、アポトーシスなど、複数の細胞プロセスにも関与し、細胞の成長と細胞周期を調節する能力を持っています。ミトコンドリア機能の変化は、パーキンソン病(PD)1,2、アルツハイマー病(AD)3、筋萎縮性側索硬化症(ALS)4など、さまざまな神経変性疾患で確認されています。ミトコンドリアの機能障害は、老化プロセスに関与し、体細胞mtDNA変異を蓄積し、呼吸鎖機能を低下させます5。
神経変性ではさまざまな種類のミトコンドリア機能障害が発生しますが、このような変化を測定する能力は、疾患のメカニズムを研究し、潜在的な治療法を検討する際に非常に役立ちます。さらに、ヒトの脳細胞における疾患を再現する適切なin vitroモデルシステムを確立することは、疾患のメカニズムをより深く理解し、新しい治療法を開発するために不可欠です。神経変性疾患患者由来のiPS細胞は、ミトコンドリア損傷を発現する多様な脳細胞を生成するために使用されてきました6,7,8,9。iPS細胞に由来する3D脳オルガノイドの開発は、疾患モデリングにおける大きな一歩です。これらのiPS細胞由来の脳オルガノイドは、複雑性を提供し、患者自身の遺伝的背景を含んでいるため、患者の脳内の病理をより正確に反映する疾患モデルを提供します。
iPS細胞由来脳オルガノイド10,11,12を用いたミトコンドリア研究に関する研究はいくつか行われていますが、iPS細胞由来脳オルガノイドにおける複数のミトコンドリア機能パラメータを決定するための便利で信頼性の高い技術は依然として限られています。フローサイトメトリーは、以前に実証したように、ミトコンドリアのパラメータをシングルセルレベルで測定するための強力なツールを提供します13。この研究では、iPS細胞から皮質オルガノイドを作製するための詳細なプロトコルと、ミトコンドリア質量、呼吸鎖複合体サブユニット、mtDNAコピー数などの複数のミトコンドリアパラメータを同時に測定するための新しいフローサイトメトリーベースのアプローチを提供します(図1)。重要なことは、ミトコンドリア質量を分母として使用することにより、これらのプロトコルにより、ミトコンドリア単位あたりの合計レベルと特定のレベルの両方を測定できることです。
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1. iPS細胞の皮質オルガノイドへの分化
2. iPS細胞培養用のEssential 8(E8)培地の調製
3. iPS細胞の継代培養
4. 胚様体(EB)形成と神経誘導
5. 皮質オルガノイドの生成
6. 皮質オルガノイドの成熟と長期培養
7. 免疫細胞化学および免疫蛍光染色による細胞特性評価
8. 皮質オルガノイドの解離
9. 固定細胞におけるMRC複合体サブユニットおよびTFAMのフローサイトメトリー測定
10. フローサイトメトリーの取得と解析
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図1は、分化プロセスとフローサイトメトリー分析に使用される戦略を図示したものです。ヒトiPS細胞を非接着性の96ウェルプレートで培養してEBを形成し、その後、非接着性の6ウェルプレートに移して完全に成長した皮質オルガノイドを得ました。オルガノイドの細胞組成は、ニューロン16 およびグリアマーカー17による免疫染色後に共焦点顕微鏡を用いて検証した。オルガノイドを単一細胞に解離して、個々の細胞の複数のミトコンドリアパラメータのフローサイトメトリーベースの測定を容易にしました。このプロトコルでは、ミトコンドリア質量のパラメータ、MRC複合体IサブユニットとTFAMの量、および相対的なmtDNAコピー数の間接的な測定を取得および分析するために、複数の染色戦略が使用されます。このプロトコルは、オルガノイドを解離し、フローサイトメトリーデータを取得するための手順を提供します。
Park, I. H. et
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ヒトiPS細胞から皮質脳オルガノイドを作製し、これらのオルガノイドから単離された単一細胞のミトコンドリアパラメータのフローサイトメトリー解析を実施するためのプロトコールが提示されます。オルガノイドの細胞組成は、神経細胞およびグリア細胞マーカーの免疫組織化学的染色を伴う共焦点顕微鏡法によって検証されました。抗NDUFB10、VDAC 1、およびTFAMとの共染色を行うフローサイトメトリーベースの戦略により、細胞内のミトコンドリア数に対する特定のレベルの複雑なIおよびmtDNAを測定できることが示されています。このプロトコルは、あらゆる種類の脳様細胞のミトコンドリアの測定に適しており、ミトコンドリア機能障害の疾患の研究に使用できます。
このプロトコルは、デュアルSMAD阻害とWnt阻害の組み合わせを使用して脳オルガノイドの生成を可能にします。このトリプル阻害は、デュアルSMAD阻害21と比較して、より均一な皮質NSCプロファイルを生成する。一部の細胞株では、NIMで10%...
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著者は何も開示していません。
ノルウェーのオスロ大学基礎医学研究所のGareth John Sullivan氏に、AG05836(RRID:CVCL_2B58)細胞株を寛大に提供していただいたことに心から感謝します。ノルウェーのベルゲン大学のMolecular Imaging Centre, Flow Cytometry Core Facilityの皆様に心より感謝申し上げます。この研究は、以下の資金提供によって支援されました:K.Lは、ベルゲン大学Meltzers Høyskolefonds(プロジェクト番号:103517133)とGerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legat(プロジェクト番号:103816102)によって部分的に支援されました。L.A.Bは、ノルウェー研究評議会(プロジェクト番号:229652)、Rakel og Otto Kr.Bruuns legatおよびGerda Meyer Nyquist Guldbrandson og Gerdt Meyer Nyquists legatの支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| フローサイトメトリー | |||
| 抗DUFB10、Alexa、Fluor、405 | NOVUS、生物学的製剤、 | NBP2-72915、AF405 | |
| 抗VDAC1、Alexa Fluor 647 | Santa cruzテクノロジー | 、sc-390996 | |
| 抗TFAM、Alexa Fluor、488 | Abcam | ab198308 | |
| L / D固定可能な近赤外死細胞染色キット | LifeテクノロジーL10119 | ||
| 免疫蛍光 | |||
| 抗Tuj1 | Abcam | ab78078 | |
| anti-SOX2 | Abcam | ab97959 | |
| anti-Alexa Flour 488 | Thermo Fisher Scientific | A28175 | |
| anti-Alexa Flour 594 | Thermo Fisher Scientific | A-21442 | |
| Commercial cells | |||
| AG05836 (RRID:CVCL_2B58) | 、基礎医学研究所のGareth John Sullivanによって提供されました。オスロ大学、ノルウェー | ||
| Essential 8 Medium (iPSC culture medium) | |||
| Essential 8 Basal Medium | サーモフィッシャーサイエンティフィ | A1516901 | |
| エッセンシャル 8 サプリメント (50x) 2% (v/v) | サーモフィッシャーサイエンティフィ | A1517101 | |
| 4 °C;CとRTまで温めてから使用してください。 | |||
| Instruments | |||
| Heracell 150i CO2インキュベーター | フィッシャーサイエンティフィック、米国 | ||
| オービタルシェーカー - SSM1、SSL1 | スチュアート機器、英国 | ||
| CCD 顕微鏡カメラ ライカDFC3000 G | ライカマイクロシステムズ、ドイツ | ||
| ウォーターバス JBアカデミー ベーシック Jba5 JBA5 助成金 | Instruments Grant Instruments, USA | ||
| 流体吸引システム BVC control | Vacuubrand, ドイツ | ||
| Leica TCS SP8 STED 共焦点顕微鏡 | Leica Microsystems, ドイツ | ||
| 50 mL ファルコンチューブ | Sigma-Aldrich | CLS430828 | |
| BD LSR Fortessa | BD Biosciences, USA | ||
| Flowjo Sampler Analysis | FlowJo LLC, USA | ||
| 10 mLピペット | Sigma-Aldrich | SIAL1100 | |
| 1, 10, 100, 1000 mL ピペット | Sigma-Aldrich | ||
| 40 µm Cell stariner | Sigma-Aldrich | CLS431750 | |
| 超低アタッチメント 96ウェルプレート | S-BIO | MS-9096UZ | |
| Countess II 全自動セルカウンター | サーモフィッシャーサイエンティフィ | ||
| ック<ストロング>神経分化培地 (NDM+) | |||
| DMEM/F12 | ライフテクノロジー | 11330032 | |
| ニューロベース中 | ライフテクノロジー | 2110349 | |
| グルタマックスサプリメント 1% (v/v) | ライフテクノロジー | 35050 | |
| N2 サプリメント 0.5% (v/v) | ライフサイエンス | 17502-048 | |
| B27 サプリメント 1% (v/v) | ライフ技術 | 17504-044 | |
| β-メルカプトエタノール50µM | Sigma-aldrich | M3148 | |
| BDNF 20 ng/mL | Peprotech | 450-02 | |
| アスコルビン酸 200 & マイクロ;M | シグマ-アルドリッチ | A92902 | |
| 4°で保管。C 2週間 | |||
| 神経分化培地マイナスビアトミンA(NDM-) | |||
| DMEM/F12 | ライフテクノロジー | 11330032 | |
| ニューロベース中 | ライフテクノロジー | 2110349 | |
| グルタマックスサプリメント 1% (v/v) | ライフテクノロジー | 35050 | |
| N2 サプリメント 0.5% (v/v) | Life technologies | 17502-048 | |
| B27サプリメントW / O vit.A 1% (v/v) | Life technologies | 12587010 | |
| &β;-メルカプトエタノール 50 µM | Sigma-aldrich | M3148 | |
| 4°Cの店舗。C 最大 8 日間 | |||
| Neural Induction Medium (NIM) | |||
| DMEM/F12 | Life technologies | 11330032 | |
| ノックアウト血清補充 15% (v/v) | Life technologies | 10828028 | |
| Glutamax supplement 1% (v/v) | Life technologies | 35050 | |
| β-メルカプトエタノール100 & マイクロ;M | Sigma-Aldrich | M3148 | |
| LDN-193189 100 nM | ステムジェント/リプロセル | 04-0074 | |
| SB431542 10 µM | トクリス | 1614 | |
| XAV939 2 & マイクロ;M | Sigma-Aldrich | X3004 | |
| 4°Cで保管。C 最大 10 日間 | |||
| <強力>中和媒体 | |||
| IMDM | ライフテクノロジー | 21980032 | |
| FBS 10% | Sigma-Aldrich | 12103C | |
| Other reagents | |||
| DPBS (Ca2+/Mg2+ free) | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 14190250 | |
| ウシ血清アルブミン | ヨーロッパバイオプロダク | EQBAH62-1000 | |
| アキュターゼ | 生命技術 | A11105-01 | |
| ゲルトレックス | 生命技術 | A1413302 | |
| EDTA | 生命技術 | 15575038 | |
| 先進DMEM/F12 | 生命技術 | 12634010 | |
| 神経組織解離キット | Miltenyi biotec | 130-092-628 | |
| Y-27632二塩酸塩岩石阻害剤 | Biotechne Tocris | 1254 | |
| Fluoromount-G™埋込み媒体 | SouthernBiotech | 0100-20 | |
| PFA | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 28908 |
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