Name: 피질 Neurogenesis : 세포 기반 치료하기 위해 연구소의 발전에서 전환 (동영상) | JoVE Journal
Uploaded: 2007-07-19T00:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 38 s
Description: 배우세요 자궁내 전기천공법을 활용한 대뇌피질 신경발생 연구 방법입니다. 신경줄기세포와 전구세포에서 유전자 기능을 분석하여 뇌 발달 메커니즘을 규명하고 재생의학 발전에 기여합니다.

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저자들은 공개할 이해관계가 없음을 밝힙니다.

피질 neurogenesis : 세포 기반 치료하기 위해 연구소의 발전에서 전환

Cortical Neurogenesis: Transitioning from Advances in the Laboratory to Cell-Based Therapies

피질 Neurogenesis : 세포 기반 치료하기 위해 연구소의 발전에서 전환

제 이름은 Arnold Krickstein입니다. 저는 여기 UCSF 재생의학 연구소의 소장을 맡고 있으며, 주요 연구 관심 분야는 발달 신경생물학입니다. 특히 저희는 피질 발달의 초기 단계에 매우 관심이 많으며, 신경 줄기세포와 전구세포를 통해 이들이 뉴런을 생성하는 방식과 생성된 뉴런이 이동하여 발달 중인 뇌, 특히 피질 내에서 회로를 형성하기 시작하는 과정을 연구해 왔습니다.자궁 내 전기천공법(in utero Electroporation)의 등장은 SDO와 그의 동료들이 도입한 혁신적인 기술 중 하나라고 생각합니다. 이 기술은 초기 뇌 발달 단계를 연구하는 관점에서 매우 중요한데, 다양한 유전자에 대해 기능 획득(gain of function) 및 기능 상실(loss of function) 실험을 수행할 수 있게 해주기 때문입니다. 또한 초기 피질 발달 과정에서 뉴런을 생성하는 신경 줄기세포 및 전구세포에 해당 유전자들을 직접 도입함으로써 이를 비교적 간단하게 수행할 수 있습니다. 이 기술의 핵심은 배아 단계 동물의 뇌실에 플라스미드 형태의 DNA를 주입한 다음, 짧은 전류를 가해 플라스미드를 뇌실 벽을 이루는 세포들로 밀어 넣는 것입니다. 이 세포들이 바로 방사형 글리아(radial glial) 신경상피 세포 유형이며, 이후 뉴런과 최종적으로는 글리아 세포를 생성하게 됩니다.여기에는 특정 유전자의 발현을 하향 조절하거나 넉다운(knock down)할 수 있는 짧은 간섭 RNA의 사용이 포함될 수 있으며, 또는 특정 유전자 산물을 직접 과발현시킬 수도 있습니다. 이 두 가지 실험 세트는 모두 발달 중인 뇌에 미치는 상보적인 효과를 관찰합니다. 표적 분자는 뇌 발달의 초기 단계뿐만 아니라 시냅스 발달 또는 성숙 단계의 후기 과정에 관여하는 거의 모든 것을 포함할 수 있습니다.이 기술의 등장은 이미 발달 중인 뇌 연구에 큰 영향을 미쳤으며, 가까운 미래에 더욱 지대한 영향을 미칠 것으로 기대됩니다. 뇌실을 둘러싸고 있으며 궁극적으로 뇌의 모든 뉴런과 글리아 세포를 생성하는 세포들은 신경상피세포로 시작합니다. 하지만 뉴런이 발달하기 시작하는 시기에 이들은 방사형 글리아 세포로 알려진 일종의 글리아 세포로 변하거나 변형되기 시작합니다.이들은 혈관과 특수한 접촉을 형성하며 어린 뉴런의 이동을 안내합니다. 그리고 그 무렵부터 흥미롭고 다양한 유형의 분열을 시작합니다. 이들은 분열할 때마다 두 개의 방사형 글리아 세포를 생성하여 자신의 복제본을 더 많이 만드는 일종의 대칭적 전구세포 분열을 수행합니다.또한 이들은 비대칭 신경 발생 분열을 통해 스스로 재생하며, 매 세포 주기마다 뉴런이 될 딸세포를 생성합니다. 하지만 이들이 매우 흥미로운 세 번째 유형의 분열을 한다는 사실 또한 밝혀졌는데, 이는 딸세포들이 서로 다르다는 점에서 비대칭적입니다. 하나는 자가 재생된 방사형 글리아 세포이며, 다른 하나는 다른 종류의 전구세포가 됩니다.우리는 이를 뇌실에서 멀어지게 이동한 후, 일반적으로 뇌실하대(sub ventricular zone)라고 알려진 다른 증식 구역에서 분열하는 중간 전구세포라고 정의합니다. 자궁 내 전기천공법(in utero electroporation)은 이러한 세포들이 다양한 종류의 분열을 수행하는 단계에서 넉다운(knockdown) 또는 과발현 DNA를 방사성 글리아 세포(radio glial cells)에 도입하는 편리한 방법입니다. 또한 우리는 계보 마커로서 녹색 형광 단백질을 발현하는 레트로바이러스를 사용해 왔는데, 이는 동일한 연령대의 뇌실에 레트로바이러스 마커를 주입하는 방식이며, 이를 통해 개별적으로 표지된 세포들이 분열하여 딸세포 클론을 생성하는 운명을 추적할 수 있습니다.슬라이스 배양에서 수행하는 타임랩스 이미징을 통해, 이 세포들이 피질로 이동함에 따라 그들의 최종 운명을 추적하거나 관찰할 수 있습니다. 한동안은 뇌실 구역이 발달 중인 뇌에서 신경 발생의 주요 원천이라고 생각되어 왔으나, 적어도 배아 단계에서는 뇌실하 구역이 상당한 양의 신경 발생 원천으로서 점점 더 그 중요성이 인정되고 있습니다. 저희가 발견한 점은, 뇌실 구역의 방사형 글리아에서 유래한 중간 전구세포들이 뇌실하 구역으로 이동하여 대칭적으로 분열한다는 것입니다. 이들은 더 많은 중간 전구세포를 자가 재생하거나, 대칭적인 최종 분열을 통해 한 쌍의 뉴런을 생성하며, 이렇게 생성된 뉴런들은 이후 피질로 이동하게 됩니다.따라서 뇌실하구역은 배아 또는 발달 중인 뇌에서 신경 발생이 일어나는 매우 중요하고 흥미로운 구역임이 밝혀지고 있습니다. 또한, 이러한 중간 전구 세포들은 뇌실하구역에 머무는 동안 다극성 세포가 되며, 해당 구역 내에서 접선 방향으로 이동하는 능력을 갖춘 것으로 보입니다. 이는 예를 들어 과거에 Walsh와 S Cepco가 레트로바이러스를 사용하여 세포의 운명을 표지함으로써 발달 중인 피질에서 관찰했던 세포 클론의 분산을 설명해 줄 수 있을 것입니다.예를 들어, 신경 발생이나 신경세포 이동에 관여하는 것으로 밝혀진 흥미로운 유전자들이 많이 있습니다. 저희 연구실에서는 잘 알려진 간극연접 채널 형성의 기초가 되는 연결 단백질인 간극연접 단백질을 연구해 왔습니다. 그런데 흥미롭게도, 방사형 글리아를 따라 이동하는 세포들이 이러한 간극연접을 통신을 위한 채널이 아니라, 실제로 신경세포와 이동 세포들이 방사형 섬유에 물리적으로 부착될 수 있도록 하는 부착 분자로 사용하고 있다는 사실을 발견했습니다.그리고 해당 연구들은 실제로 특정 연결 부위의 발현을 억제하는 siRNA를 사용하여 수행되었습니다. 예를 들어, radial glia와 그 딸 뉴런 및 중간 전구 세포에서 매우 높게 발현되는 연결 부위 43이 있습니다. 태아의 뇌에서 유래한 소위 성체 줄기세포라고 불리는 많은 세포들은 사실 bFGF와 같은 적절한 성장 인자로 처리했을 때 배양액 내에서 확장될 수 있는 radial glia일 가능성이 높습니다.하지만 이러한 방사형 글리아(radial glia) 외에도, 중간 전구세포(intermediate progenitors)는 매우 제한된 세포 유형의 뉴런을 실제로 생성한다고 믿어지기 때문에 줄기세포 연구에서 매우 흥미로운 표적이 될 수 있습니다. 따라서 예를 들어 매우 특정한 뉴런 세포 유형을 대량으로 생성하려는 전략을 세운다면, 해당 특정 세포 유형을 생성하는 책임이 있는 중간 전구세포를 식별하고 분리할 수 있는 능력을 갖추는 것이, 다양한 세포 유형을 생성할 가능성이 있는 방사형 글리아를 대량으로 증식시키는 것보다 아마도 훨씬 더 나은 접근 방식이 될 것입니다. 실제로 인비트로(in vitro) 연구들에 따르면, 배아줄기세포주를 증식시킨 후 해당 배아줄기세포원으로부터 개별 뉴런을 생성할 때, 대부분의 세포주가 실제로 뉴런을 생성하기 전에 필수적인 상피 세포 또는 방사형 글리아 유사 단계를 거치는 것으로 보입니다.예를 들어, Austin Smith가 뉴런이나 신경 줄기세포를 생성하는 데 사용한 프로토콜은 실제로 방사형 글리아(radial glia)와 매우 유사합니다. 이들은 간헐적인 핵 이동(interkinetic nuclear migration)을 거치며, 방사형 글리아 전사 인자와 마커를 발현하고, 방사형 글리아와 거의 동일한 방식으로 뉴런과 성상교세포를 생성합니다.마찬가지로, Loren Ser와 동료들은 인간 배아 줄기세포를 사용하여, 이 세포들이 실제로 뉴런을 생성하기 전 in vitro에서 신경 상피 유형의 구조로 자가 조립되어 로제트(rosettes)를 형성한다는 것을 발견했습니다. 여기서도 해당 로제트는 방사성 글리아(radial glia)와 매우 유사한 세포들로 구성되어 있습니다. 따라서 이러한 방사성 글리아가 일종의 신경 줄기세포라는 아이디어는 이러한 종류의 in vitro 증거에 의해 뒷받침된다고 생각합니다.따라서 신경세포 생성(neurogenesis)이 시작되기 전, 모든 뇌실의 뇌실 구역(ventricular zone) 전체와 실제로 척수 전체에 걸쳐 이미 지역적 패턴 형성(regional patterning)이 일어납니다. 특정 영역에서 발현되는 이러한 패턴 형성 유전자들은 아마도 그곳에서 생성되는 딸세포의 운명을 이미 제한하고 있을 것입니다. 예를 들어, 흥분성 피라미드 세포(excitatory pyramidal cells)를 생성하고자 한다면 등쪽 피질 방사성 글리아(dorsal cortical radial glia)가 해당 세포 유형을 생성하며, 중간뉴런(interneurons)을 생성하고자 한다면 중간뉴런을 생성하는 신경절 융기(ganglionic eminence)의 세포들을 사용해야 하거나, 혹은 희소돌기아교세포(oligodendrocytes) 등을 생성해야 할 것입니다.따라서 질병 치료를 위한 줄기세포 연구 전략이 특정 유형의 중간 뉴런이나 특정 종류의 흥분성 투사 세포와 같은 특정 세포 유형의 세포를 대량으로 생성하는 것을 포함한다면, 신경 발생의 차이와 서로 다른 뇌 영역 간의 차이점을 밝히기 시작한 발생학적 연구들이 결국 세포 대체 요법 등을 위해 특정 세포 유형의 뉴런을 확장하는 전략을 설계하는 데 사용할 수 있는 단서를 제공할 것입니다. 재생 또는 재생 의학이라는 용어는 실제로 장기를 재생하는 능력을 시사합니다. 그리고 저는 대부분의 대중이 줄기세포를 손상된 조직의 세포를 대체하는 방법으로 생각한다고 봅니다.하지만 실제로 저는 줄기세포 연구를 통해 가장 먼저 나타날 치료법은 아마도 더 창의적인 다른 방식의 줄기세포 활용이 될 것이라고 생각합니다. 예를 들어, 줄기세포 연구와 실험실 환경을 통해 마우스 세포 대신 인간 세포를 사용하여 질병을 모델링함으로써 고속 처리 방법(high throughput methods)으로 약물을 스크리닝하는 방식 등이 있습니다. 그리고 세포 치료 측면에서는, 이미 시작되었다고 생각합니다만, 주로 전달체로서 활용될 것입니다. 예를 들어, 특정 줄기세포가 손상 또는 질환 부위로 이동하는 능력을 활용하여 유전자, 유전자 산물 또는 결핍된 효소 등의 페이로드를 전달하는 방식입니다.세포가 기존의 장기 구조에 통합되지 않는 방식의 응용 분야가 더 달성하기 쉬운 목표라고 생각합니다. 그리고 초기 세포 치료제 사례 중 일부는 실제 세포 교체보다는 이러한 접근 방식을 취하게 될 것입니다. 한편, 소수의 인간 배아줄기세포를 제외하고는 NIH 자금 사용을 금지하는 현재의 연방 정부 규제가 해당 분야에 상당한 위축 효과를 가져왔습니다.이로 인해 일부 젊은 연구자들이 이 분야에 진입하지 못하게 되었고, 다른 이들은 실험실에서 이러한 배아줄기세포의 잠재적 유용성을 실제로 탐구하는 것이 저지되었습니다. 이러한 제한을 완화하려는 시도들이 있었습니다. 대부분의 시청자분들이 알고 계시듯, 대통령은 한 건의 법안에 거부권을 행사했으며, 아마도 다른 법안에도 거부권을 행사할 예정입니다.우리는 이러한 정책들이 변경되어, 2001년 이전에 생성된 초기 줄기세포주들에 비해 많은 장점을 가진 다양한 신규 개발 줄기세포주들을 연구하는 데 NIH 연구비를 사용할 수 있게 되기를 희망합니다. 하지만 설령 그러한 연구비 지원 금지 조치가 해제된다 하더라도, 해당 종류의 연구에 대한 지원금 증액으로 즉각 이어지지는 않을 가능성이 큽니다. 그리고 예를 들어 현재 의회에서 제안된 이 법안은 연구비 지원이나 예산 할당 법안이 아니기 때문에, 우리와 같은 연구자들이 동일한 연구 공간, 동일한 실험실 내에서 동일한 장비를 사용하거나 일부 자원을 공유하며 소위 승인된 세포주와 미승인 세포주를 이용한 작업을 병행하는 것을 더 용이하게 만드는 영향을 미칠 것입니다.그 모든 것들이 큰 개선이 되겠지만, 그러한 활동을 위한 연구비 형태의 실제적인 지원이 대량으로 유입될 가능성은 낮습니다. 따라서 저는 우리가 여전히 민간 재원에 의존해야 할 것이라고 생각하며, 여기 캘리포니아의 주 정부 지원금은 줄기세포 분야 연구자들에게 정말 큰 혜택이 되고 있습니다. 캘리포니아 외에도 뉴욕, 커네티컷, 매사추세츠와 같은 다른 주들도 그 뒤를 따르고 있으며, 곧 자체적인 주 정부 주도의 줄기세포 연구 이니셔티브에 자금을 지원하게 될 것입니다.그리고 NIH 정책의 조기 변경 여부와 관계없이, 이는 가까운 미래에 이 분야의 연구를 추진하는 중요한 동력이 될 것이라고 생각합니다.

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Research

연구

JoVE Journal

Biology

생물학

성인의 뇌에서 수확 한 신경 줄기 세포는 신경 시스템 개발의 기초 연구에서 재생 의학의 잠재적 인 임상 응용 프로그램을 탐험에 이르기까지 다양한 애플리케이션에 활용 증가하고있다. 이 실험 결과를 소리를하는 것이 중요합니다 이러한 세포를 성장하는 데 사용되는 분리 및 배양 조건에서 엄격한 통제를한다.

성인 쥐의 뇌의 기존 및 비 인습적 인 지역에서 신경 줄기 세포 성장

플록스, 조건부 발암성 대립유전자로 조작되고 바이러스 Cre 매개 재조합을 통해 형질전환된 마우스에서 채취한 표현형 야생형 성상세포와 신경 줄기세포는 syngeneic, immune-competent littermate의 뇌에 형질전환된 세포의 orthotopic 주입에 의해 in vitro 및 in vivo에서 성상세포종 발병기전을 모델링하는 데 사용할 수 있습니다.

모델링 성상 세포종 병인 체외와 생체 대뇌 피질의 성상이나 조건, 유전자 조작 쥐에서 신경 줄기 세포를 사용하여

이 연구는 신경계 구조 및 복구를 위한 장기 생체 내 이식 연구에 적용하기 전에 조작된 줄기 세포와 그 행동을 신속하게 특성화하는 실험 플랫폼을 설명합니다.

신경 보호 전략에 대한 치료 요인의 납품을위한 설계 성인 줄기 세포의 높은 처리량 특성

라이브 영상 실시간에 세포 행동을 공부 하는 강력한 도구입니다. 여기, 우리는 시간 경과 비디오-현미경 기본 대뇌 피 질 세포의 차별화 된 뉴런을 명과 기본 신경 줄기 세포에서 혈통 진행 동안 제정 단계의 상세한 검사를 허용 하는 프로토콜을 설명 합니다.

2D 문화 시스템을 사용 하 여 기본 대뇌 피 질 세포의 영상 라이브

직접 신경 프로그래밍 시작 체세포의 나이 유지 하는 신경 세포 생성 합니다. 여기, 우리는 성인 인간 기증자 로부터 얻은 피부 섬유 아 세포에서 유도 된 신경 세포를 생성 하는 단일 벡터 기반 방법을 설명 합니다.

성인 인간 피부 섬유 아 세포에서 유도 된 신경의 고수익 문화의 간단한 세대

이 프로토콜의 목표는 특정 국소 신경 회로의 화학 유전적 조작에 응하여 성인 신경 줄기/전구 세포의 행동을 분석하기 위한 접근법을 설명하는 것입니다.

성인 해마 신경 전구세포의 회로 특정 조절 을 시술

여기에서 우리는 초기 출생 후 마우스의 피질로 이식된 피질 interneuron 선조의 활동을 조작하기 위하여 화학유전학 공구를 이용하기 위하여 디자인된 프로토콜을 제시합니다.

화학유전학적으로 조작된 피질 인터뉴런 선조를 출생 후 마우스 뇌로 이식

우리는 유도 된 신경 전구 세포 (iNPC)로 인간의 피부 유래 섬유 아세포와 유도 된 천체 세포 (iA)로 후속 분화를 재프로그래밍하는 프로토콜을 설명합니다. 이 방법은 대량으로 iNPC 및 iA의 빠르고 재현 가능한 생성으로 이어집니다.

섬유아세포에서 신경 전구세포로의 직접 변환을 이용한 신경질환 시험관 모델링 및 성상세포로의 분화

이 연구에서, 우리는 표준 피더가없는 hPSC 배양물을 사용하여 간단하면서도 견고한 피질 오가노이드 배양 시스템에 대한 상세한 기술을 제공합니다. 이것은 시험관 내에서 뇌 노화의 측면을 모델링하는 오가노이드를 생성하기위한 신속하고 효율적이며 재현 가능한 프로토콜입니다.

체외에서 뇌 신경 노화를 모델링하기위한 피질 뇌 오가노이드의 강력하고 재현 가능한 생성

이 프로토콜은 유도 만능 줄기 세포 유래 피질 전구체의 생체 외 피질 내 이식과 결합된 성인 인간 피질의 장기 기관형 배양을 설명하며, 이는 인간 신경퇴행성 장애에 대한 줄기 세포 기반 치료법을 추가로 테스트하기 위한 새로운 방법론을 제시합니다.

인간 줄기 세포 이식 및 검증을 위한 생체 외 모델로서의 성인 인간 피질의 기관형 배양

여기에서는 표지된 신경 세포를 인간 대뇌 오가노이드에 이식하고 추적하기 위한 프로토콜을 설명합니다.

신경 세포 이식의 인간 대뇌 오가노이드 모델

배우세요 자궁내 전기천공법을 활용한 대뇌피질 신경발생 연구 방법입니다. 신경줄기세포와 전구세포에서 유전자 기능을 분석하여 뇌 발달 메커니즘을 규명하고 재생의학 발전에 기여합니다.

피질 Neurogenesis : 세포 기반 치료하기 위해 연구소의 발전에서 전환

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