ここでは、ヒト人工多能性幹細胞の機能的な前脳特異的アストロサイトへの分化を促進するプロトコルについて説明します。これにより、脆弱X症候群などの神経発達障害の病因におけるグリア細胞の役割を調査し、他の脳障害のモデリングが可能になります。
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ここでは、ヒト人工多能性幹細胞の機能的な前脳特異的アストロサイトへの分化を促進するプロトコルについて説明します。これにより、脆弱X症候群などの神経発達障害の病因におけるグリア細胞の役割を調査し、他の脳障害のモデリングが可能になります。
自閉症スペクトラム障害と知的障害の主要な遺伝性原因である脆弱X症候群(FXS)は、げっ歯類モデルを使用して広く研究されています。最近では、ヒト幹細胞由来のモデルシステムも、FXSの病態生理学に関するメカニズムの洞察を得るために使用されています。しかし、これらの研究は、ほぼニューロンのみに焦点を当てています。さらに、健康や疾患における神経機能におけるグリアの重要な役割についての証拠が増えているにもかかわらず、ヒトのアストロサイトがFXSによってどのように影響を受けるかについてはほとんど知られていません。
そこで、本研究では、脳の発達における主要な時空間的マイルストーンを捉え、神経膠形成のプロセスとも整合するプロトコルの開発に成功しました。これらを組み合わせることで、神経発達障害の研究に役立つフレームワークが提供されます。まず、ヒト人工多能性幹細胞を、デカペンタプレッグ(SMAD)阻害に対する母親の二重サプレッサーと小分子を用いて神経外胚葉系譜にパターン化しました。その後、特異的な成長因子とサイトカインを利用して、コントロール(CTRL)とFXS患者由来の星状細胞前駆細胞(APC)を作製しました。分化性サイトカインである毛様体神経栄養因子によるAPCの治療は、前駆細胞を調節し、アストロサイト成熟に向けて推進し、前脳特異的なグリア線維性酸性タンパク質発現アストロサイトをもたらしました。
これらのアストロサイトは、ATPの適用に対するカルシウム応答からも明らかなように機能的であり、FXSでは解糖系およびミトコンドリア代謝の調節不全を示すことがわかりました。まとめると、これらの知見は、神経発達障害によって引き起こされるアストロサイト機能の変化の細胞自律的および非細胞自律的結果を調査するためのヒト起源の有用な実験プラットフォームを提供します。
脆弱X症候群(FXS)は、知的障害および自閉症スペクトラム障害(ASD)の一般的な遺伝型であり、脆弱Xメッセンジャーリボ核タンパク質1(FMR1)遺伝子(OMIM:#300624、https://www.omim.org/entry/300624)によって産生される脆弱Xメッセンジャーリボ核タンパク質(FMRP)の欠如によって引き起こされます。FMRPは、mRNA翻訳の制御、mRNA顆粒の形成と輸送、およびマイクロRNAを介した遺伝子発現の制御に役割を果たします1。したがって、FMRPの喪失は、脳の発達だけでなく、成人の脳機能にも影響を及ぼします。FMR1のmRNA転写レベルと脳内のFMRPの免疫染色の両方で、ニューロンの発現が高く、グリア細胞でも有意に発現していることが示されています2。しかし、FXSの動物モデルを用いた初期の研究の大部分は、主にニューロンとその機能の異常に焦点を当てていました。そのため、FXS3におけるグリアの役割についてはほとんど知られていません。伝統的に「受動的支持」細胞4と考えられてきたが、アストロサイトがシナプス形成の促進7、神経回路の発達の精緻化8、神経伝達物質のリサイクル9など、幅広い神経機能5,6を媒介する上で重要であることを示す証拠が蓄積されている。並行して、疾患の病因におけるアストロサイトの役割についての証拠が増えており、多くの神経学的状態がアストロサイト機能障害と関連しています10。
FXSの動物モデルを用いた初期の研究の多くは、FXSを治療するためのニューロンのさまざまな分子標的の同定と検証に重点を置いていましたが、これらの前臨床所見は必ずしも成功した臨床結果につながったわけではありません。さらに、最近の臨床試験の挫折も、人間ベースのモデルシステムの必要性を強調しています。ヒト幹細胞由来脳細胞に基づく神経疾患のモデルは、動物実験からのメカニズムの洞察と患者の臨床転帰の限定的な成功との間のギャップを埋める強力な戦略を提供します。しかし、これらの研究のうち、アストロサイトに焦点を当てたものはほんの一握りで、それも主に脊髄起源のアストロサイトに焦点を当てています。これは、アストロサイトの構造と機能が脳領域間で異なることを示す研究に照らして関連性があります11,12。したがって、ヒトのアストロサイトにおける疾患による変化をより深く理解するためには、アストロサイトのこれらの脳領域特異的な違いも考慮に入れる必要があります。しかし、前脳に特異的なヒト幹細胞由来アストロサイトを用いた神経発達障害のモデルは、まだ比較的研究が進んでいない13。したがって、これらのギャップに対処するために、FXS変異を持つ患者由来の人工多能性幹細胞(iPSC)から前脳特異的星状細胞を生成するためのプロトコルについて説明します。さらに、アストロサイトが機能的であり、代謝の変化を示すことを示します。
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ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)(表1)を用いたすべての実験は、適切な施設の規制当局の承認を得た後に実施しました。 図1A は、成熟した前脳特異的アストロサイトに対するhiPSCの完全な分化プロトコルを表しています。
1. ヒトiPS細胞の維持・拡大
2. アストロサイト前駆細胞(APC)の作製と評価
3. 前脳特異的アストロサイトの均質集団の生成と特性評価
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ヒト人工多能性幹細胞(hiPSC)コロニーは、市販の既定培地を使用して維持し、多能性マーカーであるOct4およびNanogを免疫染色しました(図1B)。FXSおよびCTRL APCは、ビメンチンおよびNFIAに対して免疫陽性の細胞の同等の高濃縮割合を示しました(図1C、D)。その結果、健常者およびFXSのhiPSCに由来するAPCは、HOXB4と比較してFOXG1の大幅なアップレギュレーションを示し(図1F)、前脳の優勢な同一性と一致することがわかりました。FXS群では、S100β発現アストロサイトの数に影響を与えることなく、CTRLアストロサイトと比較してGFAP発現アストロサイトの数が大幅に減少することが観察されました(図2B)。ウェスタンブロット分析では、両方の...
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ここでは、FXSによって誘発される機能変化を特徴付けるためのアッセイプラットフォームとして機能するヒトiPS細胞由来アストロサイトを作製する方法について説明します。これらのアストロサイトは、培養において機能的に生存可能であり、本研究で実施されたさまざまな測定によって証明されるように、さまざまな特性を示します。このプロトコルの重要なステップは、酵素リフティング法を使用してiPS細胞を皮質圏に最初に変換することです。この段階では、コラゲナーゼIV型およびディスパーゼのインキュベーション時間を最適化することが重要です。これを最適化しないと、iPS細胞が崩壊したり、単一細胞を形成したりして、皮質圏の形成が妨げられる可能性があります。これらの皮質圏は、デュアルSMAD阻害15 を用いて前脳特異性に向けてパターン化され、さらにアストロサイト前駆細胞(APC)に分化される。APCの個体数を増やすためには、神経膠球の機械的なチョッピングが重要です。リアルタイムqPCRを使用して、前脳の特異性を確認できます。前脳のマーカーである F...
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著者には、開示すべき利益相反はありません。
学内資金を提供してくれたSumantra Chattarji教授に感謝します。カルシウムイメージングのセットアップにアクセスしてくださったGaiti Hasan教授、校正と提案を提供してくださったCentral Imaging and Flow Facility-National Centre for Biological Sciences、校正と提案を提供してくださったPadmanabh Singh氏とPrangya Hota氏、そしてSeahorse XFアッセイの実施を支援してくださったLabmate Asiaチームに感謝します。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1-チオグリセロール | シグマ - アルドリッチ | M6145 | |
| アキュターゼ 溶液 | Sigma-Aldrich | A6964 | 酵素細胞剥離培地 |
| アデノシン 5&&-プライム;-三リン酸マグネシウム塩 | Sigma-Aldrich | A9187 | |
| Advanced DMEM/F-12 | ThermoFisher Scientific | 12634010 | |
| 抗生物質-抗真菌薬 (100x) | ThermoFisher Scientific | 15240062 | |
| B-27 サプリメント (50x)、無血清 | ThermoFisher Scientific | 17504044 | |
| ウシ血清アルブミン | Sigma-Aldrich | A9418 | |
| 化学的に定義された脂質濃縮物 | ThermoFisher Scientific | 11905031 | |
| コラゲナーゼ、タイプ IV、粉末 | ThermoFisher Scientific | 17104019 | |
| デオキシリボヌクレアーゼ I | Worthington Biochemical Corporation | LK003170 | |
| ジメチルスルホキシド | Sigma-Aldrich | D2650 | |
| ディスパーゼII、粉末 | ThermoFisher Scientific | 17105041 | |
| DPBS、カルシウムなし、マグネシウムなし | ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
| エッセンシャル8ミディア | ムThermoFisher Scientific | A1517001 | |
| FXS1、FXS2 | コリエル医学研究所 | GM07072、GM05848 | FXS 患者細胞 |
| GlutaMAX サプリメント | ThermoFisher Scientific | 35050061 | タミン代替品 |
| ハムの F-12 栄養ミックス | ThermoFisher Scientific | 11765054 | |
| 健康な対照細胞 | シダーズ・サイナイ・メディカル・センター | ND30625 | 健康な対照細胞 |
| ブタ腸粘膜由来のヘパリンナトリウム塩 | Sigma-Aldrich | H3149 | |
| IMDM | ThermoFisher Scientific | 12440053 | |
| インスリン、ヒト | Roche | 11376497001 | |
| LDN 193189 | Stratech Scientific | S2618-SEL | |
| 白血病抑制因子ヒト | Sigma-Aldrich | L5283 | |
| Matrigel 成長因子還元(GFR)基底膜マトリックス | Corning | 354230 | |
| MEM非必須アミノ酸溶液(100x) | ThermoFisher Scientific | 11140050 | |
| マウスFGF-basic(FGF-2 / bFGF)組換えタンパク質 | Peprotech | 450-33 | |
| Mr.Frosty冷凍容器 | ThermoFisher Scientific | 5100-0001 | ライオボックス |
| N-2サプリメント(100x)) | ThermoFisher Scientific | 17502048 | |
| N-アセチル-L-システイン | Sigma-Aldrich | A9165 | |
| 神経基礎培地 | ThermoFisher Scientific | 21103049 | |
| Nunc Biobanking and Cell Culture Cryogenic Tubes | ThermoFisher Scientific | 377267 | |
| Nunc Cell-Culture Treated 6ウェルディッシュ | ThermoFisher Scientific | 140675 | |
| パパイン解離システム | Worthington Biochemical Corporation | LK003150 | |
| ペニシリン-ストレプトマイシン | ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
| 組換えヒト CNTF タンパク質、CF | R&D Systems | 257-NT-010 | |
| 組換えヒトEGFタンパク質、CF | R&D Systems | 236-EG-01M | |
| RevitaCell サプリメント (100x) | ThermoFisher Scientific | A2644501 | |
| SB431542 | Tocris | 1614 | |
| Seahorse XFe24 アナライザー | アジレント テクノロジー | ||
| シーノオト XF 細胞水戸ストレス テスト キット | アジレント テクノロジーズ | 103015-100 | |
| シーホース XF 解糖ストレス テスト キット | アジレント テクノロジーズ | 103020-100 | |
| 組織培養皿 - 100 cm | バイオスター ライフテック | TCD000100 | |
| トランスフェリン | ロシュ | 10652202001 | |
| VWR カミソリBlades | VWR International | 55411-050 | |
| 抗体と関連製品 < | |||
| strong>一次抗体 | Company | カタログ番号 | 希釈 |
| Oct4 (C-10) | Santa Cruz Biotechnology | sc-5279 | 希釈:1:250 二次抗体:ヤギ抗マウスIgG、Alexa Fluor 568 |
| Nanog | R&D Systems | AF1997 | 希釈: 1:100 二次抗体: ロバ抗ヤギ IgG、Alexa Fluor 488 |
| ビメンチン | Abcam | Ab5733 | 希釈: 1:500 二次抗体: ヤギ抗チキン IgY、Alexa Fluor 488 |
| NFIA | Abcam | Ab41851 | 希釈: 1:500 二次抗体: ヤギ抗ウサギ IgG、Alexa Fluor 568 |
| GFAP-cy3 | シグマ | C9205 | 希釈:1:500 二次抗体:NA |
| GFAP | DAKO | Z0334 | 釈:1:500 二次抗体:ヤギ抗ウサギIgG、Alexa Fluor 568 |
| S100&β; | DAKO | IR504 | 希釈: 1:500 二次抗体: ヤギ抗ウサギ IgG、Alexa Fluor 488 |
| 抗核抗体、クローン 235-1 | Merck Millipore | MAB1281 | 希釈: 1:1000 二次抗体: ヤギ抗マウス IgG1、Alexa Fluor 555 |
| 二次抗体 < | strong>希釈 | ||
| ヤギ抗マウスIgG、Alexa Fluor 568 | Thermo Fisher Scientific | A11004 | 1:1000 |
| バ抗ヤギIgG、Alexa Fluor 488 | モフィッシャーサイエンティフィック | A11055 | 1:1000 |
| ギ抗チキンIgY、Alexa Fluor 488 | モフィッシャーサイエンティフィック | A11039 | 1:1000 |
| ヤギ抗ウサギ IgG、Alexa Fluor 568 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A11011 | 1:1000 |
| ヤギ抗ウサギ IgG、Alexa Fluor 488 | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A11034 | 1:1000 |
| ギ抗マウスIgG1、Alexa Fluor 555 | モフィッシャーサイエンティフィック | A21127 | 1:1000 |
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