このプロトコルは、ドキシサイクリン誘導性トランスジーンを AAVS1 に統合することで、ヒト誘導多能性幹細胞からGABA作動性ニューロンを生成する方法を説明しています。セーフハーバー遺伝子座。安定的で均質なトランスジーン発現により、GABA作動性ニューロンへの直接分化が効率的に行われ、レンチウイルスアプローチでよく見られるトランスジーンサイレンシングを抑制します。
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方法論記事
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このプロトコルは、ドキシサイクリン誘導性トランスジーンを AAVS1 に統合することで、ヒト誘導多能性幹細胞からGABA作動性ニューロンを生成する方法を説明しています。セーフハーバー遺伝子座。安定的で均質なトランスジーン発現により、GABA作動性ニューロンへの直接分化が効率的に行われ、レンチウイルスアプローチでよく見られるトランスジーンサイレンシングを抑制します。
ヒト誘導多能性幹細胞(hiPSCs)は、人間の神経疾患を in vitro でモデル化する前例のない機会を提供します。ガンマアミノ酪酸(GABA作動性)ニューロンのような定義されたニューロン集団の信頼できる生成は、これらの研究において不可欠です。本プロトコルは、ドキシサイクリン誘導系を用いてhiPSCをGABA作動性ニューロンに分化する堅牢な方法を詳述しています。このアプローチは、転写因子 ASCL1 および DLX2 をコードするトランスジェーンをCRISPR/Cas9介在のノックインを介してセーフハーバー腺症関連ウイルス統合部位1(AAVS1.)に安定的に統合することに依存しています。この標的統合により、ランダムなレンチウイルス統合でよく見られるトランスジーンサイレンシングを回避します。プロトコルはhiPSCの維持、遺伝子移植統合のためのヌクレオフェクションプロセス、成功裏に改造された細胞を濃縮するためのプロマイシン選択、そして段階的な分化手順をカバーしています。ドキシサイクリン誘導後、改造されたhiPScsは細胞周期を迅速に離脱し、神経形態を獲得し、21日以内にGABA作動系譜マーカーを発現します。主要なステップには、特定の成長因子を用いた神経誘導とその後の成熟、成熟中の細胞接着を改善するための潜在的なアプローチが含まれます。この標準化された手法により、GABA作動性系譜マーカーを発現する誘導ニューロンの濃縮集団が得られ、神経科学研究や細胞モデリングに貴重なツールを提供します。
ヒト誘導多能性幹細胞(hiPSCs)は、人間の神経疾患をin vitro でモデル化し、発生と変性を促進する複雑な分子メカニズムを調査するための独自のプラットフォームを提供します。この技術により、患者特異的な細胞モデルの生成が可能となり、症候群性毛病の初期神経発達異常2から 、散発性アルツハイマー病で観察される微小なエピゲノム変化3まで、幅広い状態を調査できます。その結果、hiPSCの指向性分化は現代分子神経科学の基盤となっています。
人間の神経過程の微妙なニュアンスを効果的に捉えるためには、高度に特異的で純粋な神経サブタイプを生成することが不可欠です。例えば、MECP2のようなタンパク質のヒトニューロンにおける特定の転写役割を明らかにしたり、SARS-CoV-2のような末梢感覚ニューロンのウイルス感染に対する標的的脆弱性を評価するためには、定義された神経集団が必要です。さらに、機能的なミクログリアを3次元脳オルガノイドに組み込むような複雑で生理学的に重要な微小環境を構築することは、基本的に異なる神経およびグリア系統の堅牢で予測可能な生成に依存しています。これらのサブタイプの中で、GABA作動性ニューロンは中枢神経系における重要な抑制的役割と、さまざまな神経学的および精神疾患への関与から特に注目されています7。この手法の全体的な目的は、hiPSCを誘導ニューロンに誘導しGABA作動系系マーカーを発現させるための信頼性が高く効率的かつ再現性の高いプロトコルを提供することです。GABA作動性ニューロンに対する従来の指向性分化プロトコルは、外因性シグナル伝達分子に依存しており、時間がかかり、変動が大きく、細胞集団が不均一になることがあります8。
これらの制約を克服するために、転写因子を媒介した前方プログラミングが強力な代替手段として登場しました。このプロトコルは、ドキシサイクリン誘導性発現システムを用いて、前神経転写因子ASCL1およびDLX2の発現を促します。CRISPR/Cas9を用いてこれらのトランスジーンをアデノ関連ウイルス統合部位1(AAVS1.)セーフハーバー遺伝子座に標的化することで、ランダムレンチウイルス統合に伴うトランスジェーンサイレンシングの問題を回避します。ドナー構造体には、mCherryのような蛍光リポーターが含まれており、選択後にトランスジーン陽性細胞を監視します。この戦略はランダム統合アプローチよりも均質なトランス遺伝子発現を支援することを目的としていますが、各設計系統ごとに発現の安定性と分化再現性の検証が必要です。この標準化された手法は、約21日で誘導されたGABA作動性系統マーカーの濃縮集団を生成し、従来の小分子アプローチの8.10よりも短い時間です。このプロトコルは、高濃度顕微鏡、単一細胞トランスクリプトミクス、機能生理学的アッセイなどの後継用途でスケーラブルで一貫したニューロン集団を必要とする研究者に非常に適しています。
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注意:ヒトhiPSC培養は、機関のバイオセーフティ手順の下で潜在的に生物有害物質として扱うべきです。すべてのヒトhiPSC培養手技は、認証済みクラスIIの生物学的安全キャビネットで無菌技術を用いて実施します。ヒト細胞を含むすべての廃棄物、ヒト細胞に曝露された培地、CRISPR/Cas9プラスミド材料は、廃棄前に地域のバイオセーフティガイドラインに従って除染されるべきです。ドキシサイクリン、プロマイシン、DMSOおよびその他の化学試薬は手袋を着用し、適切な眼や皮膚保護を着用し、廃棄物は施設の化学廃棄物処理手順に従って処分されるべきです。基底膜抽出物(BME)は、早期重合を防ぐために滅菌技術で取り扱い、使用前に氷上保存する必要があります。液体窒素の貯蔵やクライオバル取り扱いは、適切な低温手袋、顔保護具、そして解凍中の冷やバイアル爆発を防ぐために注意して行うべきです。
注:CRISPR/Cas9介在の編集および神経分化の前に、hiPSC培養はあらかじめ定められた品質管理基準を満たす必要があります。細胞はマイコプラズマ陰性であることを確認し、正常な核型または許容されるゲノム完全性プロファイルを示し、 OCT4、 SOX2、 NANOG、 TRA-1-60、 SSEA4 などの多能性マーカーの強力な発現を維持しなければなりません。培養は典型的なコンパクトなhiPSCコロニー形態を示し、高い核対細胞質比、明確なコロニー境界、最小限の自発分化を示すべきです。推奨されるパスセージ範囲内の活性増殖培養のみを使用し、特に検証がない限り、通常は40番以下である検査室で定められた最大パス数を超えてはなりません。異常な形態、過度な自発分化、成長不良、確定汚染、またはゲノム不安定性の証拠を示す培養は、編集および分化実験から除外すべきです。このプロトコルに必要なすべての材料、メディアレシピも含めて、材料 表に記載されています。
1. 試薬および培養プレートの準備
2. hiPSCの維持と伝達
注:このプロトコルにおけるhiPSCメンテナンス媒体はmTeSR plusを指します。mTeSR plusは、ルーチンメンテナンス、伝達、ヌクレオフェクション後の回復、およびプロマイシン選択に推奨される培地です。
3. hiPSCの核発化
4. 抗生物質選択
注意:プロマイシンは有毒です。適切な個人用防護具を着用し、機関のガイドラインに従って廃棄物を処分してください。
注:編集済みhiPSCを選択する前に、各hiPSCラインの最適なプロマイシン濃度を決定してください。未編集のhiPSCを、BME被覆6ウェルプレートで100,000個の100,000細胞を、HIPSC維持培地にROCK阻害剤を添加したもので種子化しました。24時間後、0、0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5 μg/mLのピュロマイシンを含む新しいhiPSC維持培地に交換します。毎日プロマイシン含有培地を交換し、5日間ブライトフィールド顕微鏡で細胞の形態と生存を監視します。選択された濃度は、過剰な毒性を最小限に抑えつつ、3〜5日以内に未編集のhiPSCをすべて除去するべきです。このプロトコルでは、最適なプロマイシン濃度は通常0.4〜0.6 μg/mLです。
5. GABA作動性ニューロンへの分化
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このプロトコルの成功裏の適用により、GABA作動性分子特徴を持つ誘導ニューロンの集団が豊富に生成されます。この戦略は、AAVS1遺伝子座にドキシサイクリン誘導性ASCL1-P2A-DLX2カセットを標的的に挿入することに基づいています(図1A)。設計されたhiPSCの選択後、ドキシサイクリン誘導がGABA作動性神経細胞分化を促進するために用いられます。これは図1Bに示されたタイムラインに示されています。ヌクレオフェクションおよびプロマイシン選択後、研究者はhiPSCコロニー全体で統合蛍光リポーター(例:mCherry)のほぼ均質な発現を観察し、これは工学細胞の成功した濃縮と一致します。分化段階では、ドキシサイクリンの添加によりhiPScの急速な形態変化が誘導されます(図1C)。陽性の結果は、3日目までに細胞分裂が停止し、そ...
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GABA作動性ニューロンの成功は、このプロトコル内のいくつかの重要なステップに大きく依存しています。高品質で未分化のhiPSCを維持することが最優先であり、核分離前の自発分化は統合効率と下流の神経純度を著しく低下させます。さらに、プロマイシンキルカーブの正確な決定は、適切に設計されたクローンに過度な負担をかけずに非統合細胞を完全に除去するために不可欠です。分化段階では、培養物を丁寧かつ優しく取り扱い、特にウェル壁に一滴ずつ媒体を加えることが、脆弱な神経ネットワークの剥離を防ぐために非常に重要です。
研究者は、ターゲットを絞ったトラブルシューティングを必要とするいくつかの課題に直面することがあります。核生化生存率が異常に低い場合は、細胞の核生化溶液への曝露時間を短縮し、氷上で厳格な温度管理を維持することで生存率が大幅に向上します。未分化幹細胞が成熟期に残る場合、早期成熟時に多能性細胞生存阻害剤を導入することは(ステップ5.5で詳細参照)、汚染された未分化幹細胞を選択的に...
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著者たちは競合する金銭的利害関係を一切主張していない。
支援はカナダ幹細胞ネットワークのジャンプスタートECRプログラムおよびUdeM pour le partenariat CHU Sainte-Justine -Institut Imagine en épilepsie de l'enfant(ファント・エピレプシー・ド・レ・アン・アン・ファン)によって提供されました。テオ・ラビンはオディセ・ネットワークの支援を受けています。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 4D-Nucleofector™ Core Unit | ロンザ | AAF-1002B | hiPSCの電気穿孔/核内導入用。 |
| 6ウェル培養プレート | サルステッド | 83.3920300 | hiPSCの維持および分化のための組織培養処理済みプレート。 |
| BDNF (Brain-Derived Neurotrophic Factor) | STEMCELL Technologies | 78005 | 神経成熟のための組換えヒトタンパク質。製造元の指示に従って調製し、最終濃度10 ng/mLで使用。 |
| セルカウンター (Countess) | サーモフィッシャーサイエンティフィック | C10283 | 細胞計数用。 |
| 遠心分離機 | VWR | 76468-134 | セルペレタイズ用。 |
| CO2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 | Heracell VIOS 160iまたは同等 | 37 °C、加湿雰囲気、および5% CO2を維持する細胞培養インキュベーター。 |
| クライオチューブ | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 5000-0020 | hiPSCの凍結用無菌クライオバイアル。同等の外ねじ1.8–2.0 mLクライオバイアルを使用可。 |
| Cultrex UltiMatrix Reduced Growth Factor Basement Membrane Extract | Bio-Techne | BME001-05 | プロトコルで使用する標準的なBMEコーティングマトリックス。Bio-Techneの分析証明書からロット固有のストック濃度を確認し、DMEM/F-12に80 µg/mLの使用濃度で希釈。 |
| DMEM/F-12 | Wisent | 319-090-CL | BMEを希釈する際の基礎培地。 |
| DMSO (Dimethyl sulfoxide) | シグマ・アルドリッチ | D2650 | 凍結培地の調製に使用する凍結保護剤。 |
| ドナープラスミド: 誘導性ASCL1-P2A-DLX2 AAVS1ターゲティングカセット | カスタムプラスミド | Addgene アクセスは保留中 | ドキシサイクリン誘導性ASCL1-P2A-DLX2カセットおよび選択/レポーター要素を含むカスタムAAVS1ドナープラスミド。プラスミドマップと完全な配列を補足ファイルとして、または要求に応じて提供。 |
| ドキシサイクリンハイクレート | シグマ・アルドリッチ | D9891 | ASCL1-P2A-DLX2発現を誘導するために使用。無菌ストック溶液を調製し、分液し、光から保護し、凍結保存し、最終濃度1 µg/mLで使用。 |
| エタノール (70%) | 商業アルコール / グリーンフィールドグローバル | P016EAAN | 生物安全キャビネット内の滅菌用。認可された70%エタノールまたは同等品を使用。 |
| 蛍光顕微鏡 | ECHO | Revolve R4 | レポーター発現と神経形態学の位相差および蛍光イメージングに使用する顕微鏡。 |
| GDNF (Glial-Derived Neurotrophic Factor) | STEMCELL Technologies | 78058 | 神経成熟のための組換えヒトタンパク質。製造元の指示に従って調製し、最終濃度10 ng/mLで使用。 |
| hiPSCラインPGP1 | EditCo Bio | PGP1ヒトiPSCライン | このプロトコルで使用する商業的に入手可能なオープンコンセントヒトiPSCライン。編集および分化の前に通過番号とQCステータスを記録。 |
| イメージ分析ソフトウェア | ImageJ/Fiji | オープンソース。使用するバージョンを報告すべき | 蛍光定量および代表的な画像処理用。 |
| KnockOut™ Serum Replacement (KOSR) | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 10828028 | 凍結培地の調製に使用。 |
| ラミニン-521 | STEMCELL Technologies | 200-0117 | オプションのトラブルシューティング試薬のみ。標準コーティングプロトコルの部分ではない。神経細胞の剥離が持続する場合、代替または二重コーティングマトリックスとして使用可。 |
| 液体窒素デュワー | サーモフィッシャーサイエンティフィック | Locator 6 Plusまたは同等 | 機関のクライオジェニック安全手順に従って、蒸気相または液体窒素で凍結されたhiPSCの長期保存。 |
| Mr. Frosty™ Freezing Container | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 5100-0001 | -80 °Cで細胞の制御速度凍結用。 |
| mTeSR™ Plus | STEMCELL Technologies | 100-0276 | hiPSCのフィードフリー維持培地。 |
| ニューロ誘導培地 | STEMCELL Technologies | 08582 | 初期神経誘導に使用する商業的ニューロ誘導培地。 |
| ニューロ成熟ベース培地 (BrainPhys™ Neuronal Medium) | STEMCELL Technologies | 05790 | 神経成熟のためのベース培地。BDNF、GDNF、NT-3、ドキシサイクリン、およびPluriSln-1をプロトコルに記載されている通りに補充。 |
| NT-3 (Neurotrophic Factor 3) | STEMCELL Technologies | 78074 | 神経成熟のための組換えヒトタンパク質。製造元の指示に従って調製し、最終濃度10 ng/mLで使用。 |
| P3 Primary Cell 4D-Nucleofector™ X Kit | ロンザ | V4XP-3024 | hiPSC核内導入用ソリューションP3とキュービットを含むキット。 |
| ペニシリン-ストレプトマイシン (10,000 U/mL) | サーモフィッシャーサイエンティフィック | 15140122 | 細菌汚染リスクを低減するオプションの抗生物質。 |
| Plasmocin™予防薬 | InvivoGen | ant-mpp | マイコプラズマ汚染を防ぐオプションの抗生物質。 |
| PluriSIn-1 | STEMCELL Technologies | 72822 | 未分化hiPSCを除去するための多能性細胞生存阻害剤。製造元の指示に従ってストックを調製し、最終濃度20 µMで使用。 |
| プアロマイシンジヒドロクロリド | サーモフィッシャーサイエンティフィック | A1113803 | 選択に使用する抗生物質。無菌ストック溶液を調製し、分液し、凍結保存し、キルカーブで最終使用濃度を決定(通常0.4–0.6 µg/mL)。 |
| pX330-U6-Chimeric_BB-CBh-hSpCas9 AAVS1 gRNAプラスミド | Addgene | 85802 | AAVS1ターゲティングに使用するCRISPR/Cas9プラスミド。AAVS1 gRNAシーケンスをプラスミドマップまたは補足情報に含める。 |
| qPCR分析ソフトウェア | Applied Biosystems / サーモフィッシャーサイエンティフィック | Quant |
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