ヒト多能性幹細胞(hPSC)から腸神経系(ENS)系統を導出することで、ENSの発生と疾患を研究し、再生医療で使用するためのスケーラブルな細胞源を提供します。ここでは、化学的に定義された培養条件を使用してhPSCから腸管ニューロンを誘導するための詳細な in vitro プロトコルを示します。
このコンテンツを表示するには、JoVEへの購読が必要です。 または、無料トライアルをお申し込みください。
ヒト多能性幹細胞(hPSC)から腸神経系(ENS)系統を導出することで、ENSの発生と疾患を研究し、再生医療で使用するためのスケーラブルな細胞源を提供します。ここでは、化学的に定義された培養条件を使用してhPSCから腸管ニューロンを誘導するための詳細な in vitro プロトコルを示します。
ヒトの腸管神経系ENSは、神経伝達物質の多様性が顕著なグリア細胞とニューロン細胞の大規模なネットワークです。ENSは、腸の運動性、酵素分泌、栄養素の吸収を制御し、免疫系や腸内細菌叢と相互作用します。その結果、ENSの発達および後天性の欠陥は、多くのヒトの病気の原因であり、パーキンソン病の症状に寄与する可能性があります。動物モデルシステムにおける制限と初代組織へのアクセスは、ヒトENSの研究において大きな実験的課題を提起しています。ここでは、定義された培養条件を使用して、ヒト多能性幹細胞であるhPSCからENS系統を効果的にin vitro で誘導するための詳細なプロトコルを示します。私たちのプロトコルは、15日以内にhPSCを腸管神経堤細胞に特異的に分化することから始まり、30日以内に機能的な腸管ニューロンの多様なサブタイプを生み出します。このプラットフォームは、開発研究、疾患モデリング、創薬、再生アプリケーションのためのスケーラブルなリソースを提供します。
腸管神経系(ENS)は、末梢神経系の最大の構成要素です。ENSには、消化管内に位置し、腸のほぼすべての機能を制御する4億個以上のニューロンが含まれています1。ENSの発生と機能、および腸管性ニューロパチーにおけるその欠陥の分子的理解には、腸管ニューロンの信頼できる本物の供給源へのアクセスが必要です。ヒトの初代組織へのアクセスは限られており、動物モデルは多くの腸内ニューロパチーの主要な疾患表現型を再現できていません。ヒト多能性幹細胞(hPSC)技術は、特に一次供給源2,3,4,5,6,7から単離が困難な細胞種を無制限に供給する上で非常に有益であることが証明されています。ここでは、hPSCからENS培養物を得るための段階的かつ堅牢なin vitro法について詳しく説明します。これらのスケーラブルなhPSC由来培養物は、発生研究、疾患モデリング、ハイスループット薬物スクリーニングへの道を開き、再生医療のための移植可能な細胞を提供することができます。
腸管ニューロン系統は、胚形成中のENS発生経路をたどる神経堤(NC)細胞に由来します。胚では、NC細胞は折り畳み式の神経板の縁に沿って出現します。それらは増殖し、移動し、感覚ニューロン、シュワン細胞、メラノサイト、頭蓋顔面骨格、腸内ニューロン、グリア8,9,10など、さまざまな細胞タイプを生じさせます。細胞の運命決定は、NC細胞が出現する前後軸に沿った明確な領域、すなわち、頭蓋NC、迷走神経NC、体幹NCおよび仙骨NCに依存する。ENSは迷走神経および仙骨のNC細胞から発生し、前者は腸の長さに沿って広範囲に移動し、腸にコロニーを形成するため、腸内ニューロンの集団を支配します11。
PSCからのNC細胞の誘導には、一般に、デュアルSMAD阻害とWNT経路活性化の組み合わせが含まれます12,13。最近まで、すべてのNC誘導プロトコルには、培養条件に血清やその他の動物製品添加物が含まれていました。化学的に未定義の媒体は、NC誘導の再現性を低下させるだけでなく、機構的な発生研究にも課題をもたらします。これらの課題を克服するために、Barberら14は、化学的に定義された培養条件を用いたNC誘導プロトコルを開発し、したがって、血清置換因子(例えば、KSR)13,14に依存する代替方法よりも有利であった。これは、基礎培地の置換と、hPSCから腸管NC細胞を誘導するためにFattahiらによって最初に提示されたプロトコルの最適化によって得られました。この改良されたシステムは、ここで紹介するhPSC分化プロトコルの基礎です。これは、レチノイン酸(RA)に加えてBMP、FGF、WNT、TGFβシグナル伝達の正確な調節により、15日間で腸管神経堤(ENC)細胞を誘導することから始まります。次に、グリア細胞株由来神経栄養因子(GDNF)で細胞を処理することにより、ENS系統を導き出します。すべての培地組成物は化学的に定義されており、30〜40日以内に堅牢な腸内ニューロン培養物が得られます。
ここで述べた単層細胞培養系に加えて、自由浮遊胚様体15,16を用いた代替のNC誘導法が開発されている。これらの培養物中の遊走性細胞は、迷走神経NCを表すサブセットでNCマーカーを発現することが示されています。初代腸組織との共培養は、これらの培養物の腸内NC前駆体を濃縮するために使用されてきました。これらの研究における培地組成物には、神経成長因子、NT3、脳由来神経栄養因子などのさまざまな因子の組み合わせが含まれています。この段階では、これらの要因が腸内ニューロン前駆体のコミットメントのアイデンティティにどのように影響するかは完全には明らかではありません。単分子膜と胚様体ベースの培養における腸内NC誘導を効率的に比較するには、より多くのデータが必要です。これらの戦略ではカルチャのレイアウトが異なるため、各方法の使用を検討し、特定のアプリケーションを念頭に置いて最適化する必要があります。
ここで提示されたプロトコルは再現性があり、異なるhPSC(誘導および胚)系統8,14,16を用いて、我々および他の者によって成功裏に試験されている。
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
1. 培地の準備
注:プロトコール全体で言及されている濃度は、培地成分の最終濃度です。すべての培地を無菌条件下で層流フードで調製し、暗所で4°Cで保存します。2週間以内にご使用ください。
2. 培養プレートのコーティング
3. hPSC培養の維持
注:すべての細胞インキュベーションステップは、加湿インキュベーター内で5%CO2 および37°Cで行われます。
4. 神経堤誘導
注: この手順を 図 1A に概略的に示しています。NC分化は、細胞が約80%コンフルエントになったら開始します。これは、細胞が5:6の比率で継代されると、1〜2日以内に達成されます(上記参照)。0日目に、多能性および完全に未分化のhPSC細胞を用いてNC分化を開始します。高効率のためには、コロニー境界は最小限の分化細胞を持つべきです。コロニーが大きい場合、または倒立顕微鏡を使用して監視するとコロニーの中心が肥厚/暗くなり始める場合の鑑別のための通路およびプレートhPSC。コンフルエンシーと形態に注意を払うことは、細胞株によって異なり、cm2あたり50,000〜200,000の間で変動する可能性があるため、播種した細胞の数よりも信頼性が高い傾向があります。
5. ENCスフェロイドの形成
注: この手順を 図 1B に概略的に示しています。
6. ENインダクション
注: この手順を 図 1B に概略的に示しています。
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
このプロトコルは、化学的に定義された培養条件を使用して、hPSCから腸管神経堤および腸管ニューロンを導出する方法を提供します(図1A-B)。高品質のニューロンを生成するには、効率的な腸管神経堤誘導ステップが必要です。これは、図1Cに示すように、約0.1〜0.4mmのサイズの滑らかな表面で丸く見えるはずの自由浮遊球の形態を確認することで視覚的に評価できます。これらのスフェロイドは、図1Dに見られるように、神経堤マーカーSRY-Box転写因子10(SOX10)17,18も発現するはずです。腸管ニューロン誘導期では、神経突起は早くも25〜30日目に見えるようになります(図1E)。しかし、これは分化を遅らせることができ、望ましくない間葉系細胞汚染を封じ込める効...
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
ここで述べる分化プロトコルは、30〜40日以内にhPSCから腸管ニューロンを得るための頑健なin vitro法(図1E)と、古い培養物でグリア線維性酸性タンパク質、GFAP、およびSOX10を発現する腸グリアを得るための堅牢なインビトロ法を提供する(>55日目)13,14,19,22。これらのニューロンとグリアは、hPSCが迷走神経細胞と腸管神経堤細胞に段階的に分化し、続いて腸内ニューロンとグリア前駆細胞が続くことによって誘導されます13,14。神経堤細胞は、神経堤マーカー、転写因子AP-2αおよびβ、TFAP2AおよびTFAP2Bをそれぞれ発現する21<...
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
著者は何も開示していません。
この研究は、UCSF Program for Breakthrough Biomedical ResearchおよびSandler Foundationからの助成金、March of Dimes助成金番号1-FY18-394および1DP2NS116769-01、NIHディレクターズニューイノベーター賞(DP2NS116769)からF.F.および国立糖尿病・消化器・腎臓病研究所(R01DK121169)からF.F.に支援されました。 NIH T32-DK007418フェローシップおよびUCSF画期的な生物医学研究のためのプログラム独立したポスドクフェローシップ。
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| アスコルビン酸 | Sigma-Aldrich | A5960 | |
| B27 サプリメント (無血清、ビタミン Aを除く) | Gibco | 12587-010 | |
| 基底膜マトリックス、Geltrex | Gibco | A14133-2 | |
| BMP4 | R&D systems | 314-BP | |
| 細胞培養遠心分離機 | Eppendorf, model no. 5810R | 02262501 | |
| Cell detachment solution, Accutase | Stemcell Technologies | 07920 | |
| CHIR99021 | Tocris | 4423 | |
| Conical tubes | USA scientific | 1475-0511, 1500-1211 | |
| Differentiation base medium, Essential 6 | Lifeテクノロジー | A1516401 | |
| DMEM/F-12 グルタミン無 | ライフテクノロジー | ||
| EDTA | コーニング | MT-46034CI | |
| フィーダーフリー hPSC メンテナンス メディウム エッセンシャル 8 フレックス ミディアム キット | ライフ テクノロジー | ズ A2858501 | |
| FGF2 | R&D systems | 233-FB/CF | |
| フィブロネクチン | コーニング | 356008 | |
| GDNF | Peprotech | 450-10 | |
| 血球計算盤 | Hausser Scientific | 1475 | |
| ヒト多能性幹細胞、H9 ESC | WiCell | RRID: 湿度 | |
| インキュベーター | サーモフィッシャーサイエンティフィック | Herralcell 150i | |
| 倒立顕微鏡 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | EVOS FL | |
| 層流フード | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 1300 シリーズクラス II、タイプ A2 | |
| ラミニン | Cultrex | 3400-010 | |
| L-グルタミンサプリメント、グルタグロ | コーニング | 25-015-CI | |
| MEM NEAAs | コーニング | 25-025-CI | |
| マルチウェルプレート、Falcon | BD | 353934、353075 | |
| N-2 Supplement | CTS | A1370701 | |
| Neurobasal Medium | Life Technologies | 21103049 | |
| PBS (Ca and Mg free) | Life Technologies | 10010023 | |
| Pipette filler | Eppendorf | Z768715-1EA | |
| Pipette tips | USA scientific | 1111-2830 | |
| ペットフィ | ッシャーブランド | 13-678-11E、13-678-11F | |
| PO | シグマ-アルドリッチ | P3655 | |
| ポリマーカバースリップボトムイメージングプレート、同上 | 上 | 81156 | |
| RA | シグマアルドリッチ | R2625 | |
| SB431542 | R&Dシステム | 1614 | |
| トリパンブルーステイン、0.4% | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 15250-061 | |
| 超低アタッチメントプレート | フィッシャーサイエンティフィック | 07-200-601 | |
| Y-27632 二塩酸塩 | R&Dシステム | 1254 |
アクセスが制限されています。このコンテンツを表示するにはログインするか、トライアルを開始してください。