여기에서는 화학적으로 재프로그래밍된 줄기세포를 엔지니어링하여 이러한 세포를 도파민성 전구세포로 분화하고, 파킨슨병의 마우스 모델에 이식하고, 이식된 세포의 성공적인 통합 및 기능적 효과를 확인하기 위해 행동 및 전기생리학적 결과를 평가함으로써 정확한 신경 조절을 달성하기 위한 프로토콜에 대해 설명합니다.
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여기에서는 화학적으로 재프로그래밍된 줄기세포를 엔지니어링하여 이러한 세포를 도파민성 전구세포로 분화하고, 파킨슨병의 마우스 모델에 이식하고, 이식된 세포의 성공적인 통합 및 기능적 효과를 확인하기 위해 행동 및 전기생리학적 결과를 평가함으로써 정확한 신경 조절을 달성하기 위한 프로토콜에 대해 설명합니다.
줄기세포 기반 치료법과 디자이너 약물(DREADD)에 의해 독점적으로 활성화되는 디자이너 수용체의 통합은 정확한 신경 세포 조절을 위한 고급 전략을 제시합니다. 여기에서는 파킨슨병(PD)의 쥐 모델에서 이식된 도파민 전구체의 기능적 통합 및 조절을 평가하기 위해 흥분성(hM3Dq) 또는 억제성(hM4Di) DREADD 수용체를 발현하는 CRISPR 엔지니어링 인간 재프로그래밍 줄기세포를 활용했습니다. 주요 단계에는 비융합 DREADD 발현 줄기세포주를 생성하고, 이를 중뇌 도파민 전구체로 분화하고, 이러한 세포를 6-하이드록시도파민(6-OHDA) 병변 마우스의 선조체에 이식하는 것이 포함되었습니다. 우리는 이식된 세포의 효과를 분석하기 위해 행동 평가와 전기 생리학적 기록을 수행했습니다. 실린더 테스트와 같은 행동 테스트는 클로자핀-N-옥사이드(CNO) 투여 후 운동 기능의 상당한 조절을 보여주었습니다. 구체적으로, hM4Di의 활성화는 반대쪽 앞다리 움직임을 감소시킨 반면, hM3Dq의 활성화는 향상된 운동 행동과 관련이 있었습니다. 전기생리학적 기록은 뚜렷한 시냅스 반응을 보여주었습니다. hM4Di 활성화는 자발적 흥분성 시냅스후 전류(sEPSC)의 상호 이벤트 간격을 증가시키고 피크 진폭을 감소시킨 반면, hM3Dq 활성화는 상호 이벤트 간격을 감소시키고 피크 진폭을 증가시켜 향상된 흥분성 신호를 반영했습니다. 요약하면, 행동 및 전기 생리학적 평가의 통합은 공학적으로 화학적으로 재프로그래밍된 줄기 세포가 숙주 신경 회로에 정확하게 기능적으로 통합되는 것을 검증합니다.
디자이너 약물(DREADD)에 의해 독점적으로 활성화되는 디자이너 수용체는 불활성 합성 리간드에 의해 선택적으로 활성화될 수 있도록 설계된 G-단백질 결합 수용체입니다1. 화학유전학적 접근법은 연구자들이 높은 정밀도로 신경 회로 연결성을 조사할 수 있도록 하고, 특정 뇌 영역 또는 세포 유형의 선택적 활성화 또는 억제를 통해 생체 내 및 체외 모두에서 세포 기능에 대한 이해를 향상시킴으로써 신경 과학에서 필수적인 도구가 되었습니다 2,3.
줄기세포 기반 치료법은 신경퇴행성 질환을 치료하기 위한 유망한 전략을 제시합니다. 이식 세포의 효능은 적절한 통합, 생존 및 숙주 조직에 대한 기능적 기여에 달려 있습니다. 통제되지 않은 세포 활동은 종양 형성4; 이식 후 이러한 세포의 정밀한 제어가 필요합니다. 인간 재프로그래밍된 줄기세포 및 유래 뉴런에 DREADD 기술을 활용하면 디자이너 약물인 CNO 2,5의 투여를 통해 뉴런 활동을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 도파민 뉴런의 손실을 특징으로 하는 파킨슨병(PD)의 맥락에서 줄기세포 유래 도파민 뉴런의 활동을 조작하는 것은 설치류 모델 6,7,8,9,10에서 시냅스 입력 및 투영 패턴을 조사하는 데 중요합니다. 흥분성 hM3Dq 및 억제성 hM4Di 수용체를 이러한 모델에 통합하면 신경 세포 활동의 정확한 조절이 가능합니다11,12.
동물 행동 평가와 전기생리학적 기록의 결합을 통해 in vivo 이식된 세포에 대한 화학유전학적 조절의 효과를 종합적으로 평가할 수 있습니다 13. 아포모르핀 유도 회전, 실린더 테스트 및 로타로드 테스트를 포함한 행동 평가는 모터 협응을 평가하고 PD14의 실험 모델과 관련된 운동 기능의 변화에 대한 통찰력을 제공합니다. 패치 클램프 기록과 같은 전기생리학적 기술은 시냅스 반응 및 활동 전위의 실시간 모니터링을 가능하게 하여 이식된 세포가 기존 신경망에 어떻게 통합되는지에 대한 포괄적인 관점을 제공합니다15. 행동 평가와 전기생리학적 평가를 결합함으로써, 우리는 화학유전학적 조절이 숙주 신경 회로 내에서 이러한 세포의 통합 및 기능에 어떤 영향을 미치는지 조사할 수 있습니다16. 예비 연구 결과에 따르면 CNO 투여는 이식된 세포의 신경 활동을 효과적으로 조절하여 동물 모델에서 기능적 결과를 개선한다.
이 프로토콜에서 인간 재프로그래밍된 줄기세포는 CRISPR(Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats) 기술을 사용하여 hM3Dq 또는 hM4Di 수용체를 발현하도록 조작되었습니다. 변형된 재프로그래밍된 줄기세포를 중뇌 도파민 전구세포로 분화시킨 후, 이 세포를 PD의 마우스 모델에 이식하여 행동 평가 및 전기생리학적 기록을 사용하여 숙주 신경 회로 내 통합 및 기능 조절을 평가했습니다.
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모든 동물 실험은 베이징 실험동물과학협회(Beijing Association for Laboratory Animal Science)와 국립보건원(National Institutes of Health)에서 정한 실험 동물의 관리 및 사용에 관한 지침에 따라 수행되었습니다. 인간 말초 혈액 단핵 세포(PBMC)는 이전 연구에서 설명한 바와 같이 서면 동의서를 받은 건강한 기증자로부터 획득하였다17.
1. non-fusion DREADD 줄기 기반 세포주 구축
2. DREADD 줄기세포 유래 전구세포를 PD 모델 마우스에 이식
3. 화학유전학적으로 조절된 세포의 생체 내 전기생리학적 프로파일링
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그림 1 은 파킨슨병(PD)의 마우스 모델에서 파생된 도파민 전구체의 기능적 통합 및 조절을 평가하기 위해 흥분성(hM3Dq) 또는 억제성(hM4Di) DREADD 수용체를 발현하는 공학적 인간 재프로그래밍 줄기세포에 대한 이 방법론적 접근 방식의 주요 단계를 보여줍니다. 그림 2 는 hM4Di-T2A-ZsGreen 및 hM3Dq-T2A-ZsGreen의 비융합 구조를 재프로그래밍된 줄기세포에 도입하고 유전형 분석을 통해 검증하기 위한 CRISPR/Cas9 매개 유전자 knock-in 전략을 간략하게 설명합니다.
그림 3은 이식된 세포에서 화학유전학적 조절의 기능적 및 시냅스 효과를 특성화합니다. 우리는 이식된 DREADD 세포의 효과를 분석하기 위해 행동 평가와 전기 생리학적 기록을 수행했습니다.
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이 프로토콜은 CRISPR 기술을 활용하여 흥분성 hM3Dq 및 억제성 hM4Di 수용체를 발현하도록 인간 재프로그래밍된 줄기세포를 엔지니어링했습니다. CNO에 의한 뉴런 활동의 조절은 파킨슨병의 마우스 모델로의 세포 이식을 통해 평가되었으며, 행동 평가 및 전기생리학적 기록이 수반되었습니다.
화학유전학적으로 재프로그래밍된 줄기세포에서 안정적으로 발현된 비융합 DREADD 구조체를 생성하는 첫 번째 중요한 단계는 T2A-ZsGreen bicistronic 카세트와 관련이 있습니다. 그러나 hM3Dq-mCherry 및 hM4Di-mCherry7과 같은 융합 단백질 발현 플라스미드는 이러한 유도 신경 줄기 세포주에 효과적이지 않습니다. 이를 피하기 위해 프로토콜 단계 1.1-1.2에 자세히 설명된 대로 Gibson 어셈블리를 통해 공여체 플라스미드를 설계했습니다.
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저자는 공개할 이해 상충이 없습니다.
이 연구는 베이징자연과학재단(7242068), 중국국립자연과학재단(82171250), 베이징시 보건위원회 기금(PXM2020_026283_000005) 및 베이징 산하 의학연구소 기술개발프로젝트(11000023T000002036310)의 지원을 받았다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 2 x Rapid Taq Master Mix | Vazyme | P222-01 | 전형 분석 |
| 2& 원활한 클로닝 믹 | Biomed Gene Tech. | 플라스미드 구축에 사용되는 | CL117-01 |
| AAVS1-Pur-CAG-EGFP | Addgene | 80945 | |
| AAVS1-Pur-CAG-hM4Di-mCherry | Addgene | 80947 | hM4Di-T2A-ZsGreen 구축을 위한 오리지널 플라스미드 |
| AAVS1-Pur-CAG-hM3Dq-mCherry | Addgene | 80948 | hM3Dq-T2A-ZsGreen 구축을 위한 오리지널 플라스미드 |
| AAVS1-CAG-hM4Di-T2A-ZsGreen | N/A | N/A | 80947 |
| AAVS1-CAG-hM3Dq-T2A-ZsGreen | N/A | /A | |
| 세포 소화에 사용되는 | Accutase | Invitrogen | A11105-01 |
| AMAXA Nucleofector | Lonza | AAD-1001S | |
| Apomorphine | Sigma-Aldrich | A4393 | |
| 인공 뇌척수액(ACSF) | N/A | /A | 125mM NaCl, 2.5mM KCl, 2mM CaCl2, 1.25mM NaH2PO4, 1mM MgSO4, 25mM 포도당 및 26 mM NaHCO3 |
| 아스코르브산 | 시그마-알드리치 | 1043003 | |
| B-27 보충제 | Gibco | 17504044 | |
| BDNF | Peprotech | 450-02 | |
| cAMP | Sigma-Aldrich | D0627 | |
| CHIR99021 | Yeasen | 53003ES10 | |
| 클로자핀-N-옥사이드 | 엔조 | BML-NS105 | |
| DAPT | 시그마-알드리치 | D5942 | |
| 데시프라민 | 시그마-알드리치 | D3900 | |
| D-포도당 | 시그마-알드리치 | G5767 | |
| DMEM/F12 | 깁코 | 11330-032 | |
| DMEM/F12 | 깁코 | 11320-033 | |
| DMSO | 시그마-알드리치 | D2650 | |
| FGF8 | 페프로텍 | 100-25 | |
| GDNF | 페프로텍 | 450-10 | |
| 글루타맥스 | 깁코 | 35050-061 | |
| 행크' s 균형 염 용액(HBSS) | Gibco | 14175095 | |
| 인간 백혈병 억제 인자(hrLIF) | Millipore | LIF1010 | |
| 얼음 세포내 액 | N/A | N/A | 130mM K-글루코네이트, 16mM KCl, 0.2mM EGTA, 2mM MgCl2, 10mM HEPES, 4mM Na2-ATP, 0.4mM Na3-GTP, 뉴로비오틴 |
| 녹아웃 세럼 대체 | Gibco | 10828028 | |
| 라미닌 | 로슈 | 11243217001 | |
| 마이크로 피펫 풀러 | 사터 인스트루먼트 컴퍼니 | P-1000 | |
| N-2 서플리먼트 | 모 피셔 | 17502048 | |
| Neurobasal-A 미디엄 | Gibco | 10888-022 | |
| 비필수 아미노 0.3% 산(NEAA) | Gibco | 11140-050 | |
| PBS | Gibco | 10010023 | |
| pCLAMP 11 소프트웨어 제품군 | 분자 장치 | N/A | 패치 클램프 전기생리학 데이터 수집 및 분석 소프트웨어 |
| 1상 분화 배지 | N/A | N/A | 96% DMEM/F12(Gibco, 11320-033), 1% B-27 보충제, 1% N-2 보충제, 1% NEAA, 1% GlutaMax, 1 및 마이크로; M SAG1 및 100 ng/mL FGF8 |
| 2상 분화 배지 | N/A | N/A | 96% DMEM/F12 (Gibco, 11320-033), 1% B-27 보충제, 1% N-2 보충제, 1% NEAA 및 1% GlutaMax, 10 ng/mL BDNF, 10 ng/mL GDNF, 1 ng/mL TGF-& III, 10 및 마이크로; M DAPT, 0.2mM 아스코르브산 및 0.5mM cAMP. |
| 폴리-D-라이신 브롬화수소화물(PDL) | Sigma-Aldrich | P7886 | |
| 유전자형 분석용 프라이머 | N/A | N/ | A 삽입 방향: TCTTCACTCGCTGGGTTCCCTT; 삽입 역방향: CCTGTGGGAGGAGAGAAGAGGT; 동형접합성 전방:CGTCTCCCTGGCTTTAGCCA; 동형접합 역방향: GATCCTCTCTGGCTCCATCG |
| pX458 | Addgene | 152199 | |
| SAG1 | Enzo | ALX-270-426-M01 | |
| SB431542 | Yeasen | 53004ES50 | |
| 자당 기반 인공 뇌척수액(s-ACSF)234 | mM 자당, 2.5 mM KCl, 26 mM NaHCO3, 1.25 mM NaH2PO4, 11 mM Dglucose, 0.5 mM CaCl2 및 10 mM MgSO4 | ||
| 줄기 세포 배양 미디어 | N/A | N/A& | NBSP; 48% DMEM/F12(Gibco, 11330-032) 및 48% Neurobasal, 1% B27, 1% N2, 1% NEAA, 1% GlutaMax, 10ng/mL hrLIF, 2 및 마이크로 첨가; M SB431542 및 3 & micro; M |
| CHIR99021 TGF-&베타; III | Peprotech | 100-36E | |
| 이식 완충액 | 5g/L D-포도당, 100ng/mL BDNF, 100ng/mL GDNF 및 0.2mM 아스코르브산 | N/A | |
| ; | VT1000 S | ||
| 전세포 패치 클램프 | 분자 장치 | 멀티클램프700B |
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