$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
1. Przygotowanie roztworu i podłoża
- Żelatynowy roztwór powlekający: 0,1% (w/v) żelatyna w ddH2O, autoklawizowana i przechowywana w temperaturze 4°C.
- Rozwiązania w zakresie powlekania Matrigel. Roztwór podstawowy: powoli rozmrażać Matrigel (10 ml) w temperaturze 4°C przez noc, dodać 10 ml lodowatego DMEM lub DMEM/F12, dobrze wymieszać i podać 1 ml/probówkę pod wysterylizowanym kapturem do hodowli tkankowych, przechowywać w temperaturze -20°C. Roztwór roboczy: powoli rozmrażać 1 ml podwielokrotności Matrigel w temperaturze 4°C przez 1-2 godziny, przenieść do 14 ml schłodzonego DMEM lub DMEM/F12 i dobrze wymieszać pod wysterylizowanym kapturem do hodowli tkanek bezpośrednio przed powlekaniem.
- Roztwór powlekający ludzką lamininę: rozcieńczyć 1 ml roztworu ludzkiej lamininy (0,5 mg/ml w Tris Buffered NaCl, przechowywać w temperaturze -80°C, powoli rozmrażać w temperaturze 4°C przez 1-2 godziny) lodowatym DMEM lub DMEM/F12 do 12,5 ml roztworu roboczego (40 μg/ml) pod wysterylizowanym kapturem do hodowli tkanek bezpośrednio przed powlekaniem.
- Roztwory podstawowe czynnika wzrostu (500-1000X): rozpuścić czynnik wzrostu w stężeniu 10 μg/ml w wysterylizowanym buforze (0,5% BSA, 1,0 mM DTT, 10% glicerol, 1XPBS) i przechowywać w podwielokrotnościach 50-100 μl/probówkę w temperaturze -80°C.
- Roztwór roboczy kwasu all-trans-retinowego (1000X): 10 mM w DMSO, przechowywać w porcjach w temperaturze -80°C.
- Pożywki HESC: DMEM/F12 lub KO-DMEM (80%), zamiennik surowicy KO (20%), L-alanyl-L-gln lub L-gln (2 mM), aminokwasy endogenne MEM (MNAA, 1X) i β-merkaptoetanol (100 μM), przefiltrowane i przechowywane w temperaturze 4°C, uzupełnione 20 ng/ml bFGF przed użyciem. Lub zastąpienie "zamiennika surowicy nokautującej (KO)" zdefiniowanymi składnikami: DMEM/F12 lub KO-DMEM (100%), L-alanylo-L-gln lub L-gln (2 mM), MNAA (1X), aminokwasami egzogennymi MEM (MEAA, 1X) i β-merkaptoetanolem (100 μM), przefiltrowanymi i przechowywanymi w temperaturze 4°C, uzupełnionymi bFGF (20 ng/ml), insuliną ludzką (20 μg/ml), kwasem askorbinowym (50 μg/ml), ludzka aktywina A (50 ng/ml), albumina ludzka/Albumax (10 mg/ml) i ludzka transferyna (8 μg/ml) przed użyciem.
- Pożywki NSC: DMEM/F12 (100%), suplement N-2 (1X), heparyna (8 μg/ml).
2. Powłoka płyty
- Pokryć płytki żelatyną: dodać 2,5 ml/dołek roztworu żelatyny do 6-dołkowych płytek i inkubować przez noc w wilgotnym inkubatorze o temperaturze 37°C.
- Pokryć płytki lamininą: schłodzić płytki pokryte żelatyną i usunąć żelatynę, dodać 2,5 ml/dołek Matrigel lub ludzki roztwór roboczy powlekający lamininę do wstępnie schłodzonych żelowatych 6-dołkowych płytek i inkubować w temperaturze 4°C przez noc.
3. Przekazywanie i wysiewanie niezróżnicowanych hESC w określonych warunkach
- Pozwól koloniom hESC urosnąć do wieku 5-7 dni i zabierz płytkę hodowlaną hESC do mikroskopu preparacyjnego (wstępnie ciepły etap preparacji do 37°C) pod wysterylizowanym kapturem preparacyjnym
.
- Wybierz kolonie hESC do podziału. Morfologicznie kolonie te powinny mieć > 75% niezróżnicowanych hESC (małych zwartych komórek), zwykle lekko nieprzezroczystych (nie komórki z białym stosem, nie z wyraźnie różnicowanymi komórkami) z zaznaczoną krawędzią pod mikroskopem preparacyjnym. Ostrożnie obrysuj wybrane kolonie i usuń zróżnicowaną warstwę fibroblastów otaczającą kolonię i wszystkie zróżnicowane części (jeśli występują) kolonii krawędzią sterylnej końcówki pipety P2 lub ciągniętą szklaną kapilarną. (Należy pamiętać, że pluripotencjalne hESC są w stadium przejściowym, ulegają spontanicznemu różnicowaniu nawet w optymalnych warunkach, chociaż jest to preferowane, trudno jest stwierdzić, że komórki te są w 100% niezróżnicowane pod mikroskopem preparacyjnym, >75% niezróżnicowanych są zwykle uważane za punkt przejścia. Zróżnicowane komórki zwykle nie wysiewają się i nadal rosną, eliminowane w procesie pasażowania)
- Usunąć stare pożywki zawierające pływające, odłączone, zróżnicowane komórki przez aspirację. Przemyć pożywką hESC (bez bFGF) raz. Dodać 3 ml/dobrze świeżą pożywkę z ludzkimi aktywnymi komórkami ESC zawierającą 20 ng/ml bFGF.
- Pokrój niezróżnicowane kolonie hESC na małe kawałki i odłącz sterylną końcówką pipety lub ciągniętą szklaną kapilarną.
- Zebrać pożywkę zawierającą oderwane kawałki kolonii w stożkowej probówce o pojemności 50 ml. Umyć płytkę raz pożywką 1 ml/studzienkę z izoenzymem hESC zawierającą 20 ng/ml bFGF i połączyć je w jedną grupę.
- Odessać Matrigel lub ludzki roztwór lamininy z powlekanych świeżych płytek. Podwielokrotność 4 ml/basenik pożywki hESC zawierające kawałki kolonii na płytkę 6-dołkową. Delikatnie przenieś płytkę do inkubatora bez wstrząsania i pozostaw kawałki kolonii na noc do wysiewu nasion w wilgotnym inkubatorze o temperaturze 37°C z atmosferą 5% CO2 .
4. Neuronalna indukcja hESC w zdefiniowanym systemie hodowli z kwasem retinowym
- W 3 dniu po wysiewie usuń większość starych pożywek z każdej studzienki płytki i pozostaw wystarczającą ilość pożywki, aby umożliwić zanurzenie kolonii hESC (nigdy nie pozwól, aby hESC wyschły). Zastąp 4 ml/dołk, świeżą pożywką hESC zawierającą 20 ng/ml bFGF i 10 μM kwasu retinowego.
- Zastąp stare pożywki świeżymi pożywkami hESC zawierającymi 20 ng/ml bFGF i 10 μM kwasu retinowego co drugi dzień i pozwól koloniom hESC indukowanym przez neurony rosnąć do 7 lub 8 dnia. Wszystkie komórki w kolonii ulegną zmianom morfologicznym w duże, zróżnicowane komórki, które będą się nadal namnażać. Kolonie zwiększą swój rozmiar, aby pokryć płytkę do 7 lub 8 dnia, a komórki zaczną gromadzić się w niektórych obszarach kolonii.
5. Ciągłe różnicowanie neuronów w hodowli zawiesinowej
- Weź płytkę hodowlaną hESC do mikroskopu preparacyjnego (wstępny etap preparacji w temperaturze 37°C) pod wysterylizowanym kapturem do preparacji. Ostrożnie obrysuj kolonie i usuń warstwę fibroblastów otaczającą kolonię (zróżnicowane komórki wyemigrowały z kolonii) krawędzią sterylnej końcówki pipety P2 lub wyciągniętą szklaną kapilarną.
- Usuń stare podłoże zawierające pływające oderwane komórki fibroblastów przez zasysanie. Przemyć pożywką hESC (bez bFGF) raz. Dodać 3 ml/dobrze świeżą pożywkę z hESC (bez bFGF).
- Pokrój indukowane nerwowo kolonie hESC na małe kawałki i odłącz sterylną końcówką pipety lub ciągniętą szklaną kapilarą.
- Zebrać pożywkę zawierającą oderwane kawałki kolonii w stożkowej probówce o pojemności 50 ml. Umyć płytkę raz 1 ml/studzienkę pożywką hESC (bez bFGF) i połączyć je w pulę.
- Podwielokrotność 4 ml/dołek pożywki hESC bez surowicy zawierającej fragmenty kolonii na 6-dołkową płytkę przyłączeniową o bardzo niskim poziomie i inkubować w inkubatorze nawilżanym w temperaturze 37°C, aby umożliwić tworzenie się pływających klastrów komórkowych (neuroblastów) przez 4-5 dni.
6. Dojrzewanie fenotypu neuronalnego w kulturze adhezyjnej
- Zebrać pożywkę zawierającą pływające neuroblasty w stożkowej probówce o pojemności 50 ml. Wirować z prędkością 1400 obr./min przez 5 min. Odessać starą pożywkę tak bardzo, jak to możliwe i dodać równą ilość świeżej pożywki NSC zawierającej VEGF (20 ng / ml), NT-3 (10 ng / ml) i BDNF (10 ng / ml).
- Pipetować w górę i w dół, aby wymieszać pływające neuroblasty i podamy 4 ml / dołek do płytek 6-dołkowych. Neuroblasty mogą być również wysiewane w 3-wymiarowej matrycy spolimeryzowanej lamininą / kolagenem (Matrigel) lub ludzką lamininą w pożywce NSC bez surowicy zawierającej VEGF (20 ng / ml), NT-3 (10 ng / ml) i BDNF (10 ng / ml). Przenieś płytki do inkubatora z wilgotnością 37°C, aby umożliwić przyczepienie się neuroblastów przez noc.
- Pożywki NSC zawierające VEGF (20 ng/ml), NT-3 (10 ng/ml) i BDNF (10 ng/ml) należy wymieniać co drugi dzień. Rozległe sieci komórek neuronalnych zawierających neuryty i komórek barwnikowych zaczną pojawiać się w ciągu 2 tygodni ciągłej hodowli i wzrostu liczby z czasem i mogą utrzymywać się przez ponad 3 miesiące.
7. Reprezentatywne wyniki:
Kwas retinowy (RA) jest wystarczający do wywołania hESC utrzymywanych w zdefiniowanym systemie hodowli do przejścia z pluripotencji wyłącznie do fenotypu neuroektodermalnego (ryc. 2A). Po ekspozycji niezróżnicowanych hESC na RZS wszystkie komórki w kolonii ulegną zmianom morfologicznym w dużych zróżnicowanych komórkach, które przestają wyrażać markery związane z pluripotencją, jak wskazuje Oct-4, i zaczynają wyrażać różne markery związane z neuroektodermą, takie jak HNK1, AP2 i TrkC (ryc. 2B). Te duże zróżnicowane komórki będą się nadal namnażać, a kolonie będą się powiększać, przechodząc spontanicznie do ekspresji wczesnego markera neuronalnego β-III-tubuliny (ryc. 2B). Bardziej dojrzały marker neuronalny Map-2 zacznie pojawiać się w obszarach kolonii, w których nagromadziły się komórki (ryc. 2B). Równolegle z pojawieniem się komórek neuroektodermalnych i różnicowaniem neuronów, specyficzny dla neuronów czynnik transkrypcyjny Nurr1, zaangażowany w dopaminergiczne różnicowanie neuronów i aktywację genu hydroksylazy tyrozynowej (TH)16, będzie przemieszczał się do jądra (ryc. 2B). Po odłączeniu, hESC traktowane RZS utworzą pływające klastry komórkowe (neuroblasty) w kulturze zawiesinowej, aby kontynuować proces różnicowania neuronalnego. Po usunięciu bFGF i po umożliwieniu neuroblastom przyłączenia się do płytki do hodowli tkankowej lub wysiania w 3-wymiarowej matrycy spolimeryzowanej lamininą/kolagenem w zdefiniowanym pożywce wolnej od surowicy, zaczną pojawiać się komórki zawierające neuryty i komórki barwnikowe wykazujące ekspresję β-III-tubuliny i Map-2 z drastycznym wzrostem wydajności w porównaniu ze spontanicznym wieloliniowym różnicowaniem hESC bez leczenia w tym samym okresie, i może utrzymywać się przez ponad 3 miesiące (ryc. 2C).

Wykres 1 Schemat dobrze kontrolowanej, efektywnej indukcji ludzkich pluripotencjalnych komórek macierzystych wyłącznie do określonej klinicznie istotnej linii poprzez proste dostarczanie małych cząsteczek.

Rycina 2 Kwas retinowy indukuje specyfikację linii neuronalnej i progresję neuronów bezpośrednio pluripotencji w określonych warunkach. (A) Schemat przedstawiający linię czasu protokołu ukierunkowanego różnicowania neuronalnego hESC. (B) Po wystawieniu niezróżnicowanych hESC na kwas retinowy (RA) w określonym systemie hodowli, w kolonii zaczęły pojawiać się duże, zróżnicowane komórki Oct-4 (czerwone) ujemne, w porównaniu z hESC traktowanymi pozorowo (DMSO) jako kontrolą. Indukowane przez RZS zróżnicowane komórki Oct-4-ujemne zaczęły wyrażać HNK-1 (czerwony), AP2 (czerwony), TrkC (zielony), a następnie β-III-tubulinę (czerwony), zgodnie z wczesnym różnicowaniem neuroektodermalnym. Komórki te nadal dojrzewały, ostatecznie wyrażając marker neuronalny Map-2 (zielony), zwykle w obszarach, w których komórki zaczęły się gromadzić. Równolegle z pojawieniem się komórek neuroektodermalnych i różnicowaniem neuronalnym, specyficzny dla neuronów czynnik transkrypcyjny Nurr1 (zielony), zaangażowany w dopaminergiczne różnicowanie neuronów i aktywację genu hydroksylazy tyrozynowej (TH), przemieszcza się do jądra. Wszystkie komórki są pokazane przez barwienie DAPI ich jąder (kolor niebieski). (C) Leczenie RZS indukuje różnicowanie w kierunku linii neuronalnej o wysokiej skuteczności, co oceniano za pomocą rozległych sieci komórek zawierających neuryty eksprymujące β-III-tubulinę (czerwoną) i Map-2 (zieloną, pokazaną w matrycy 3-wymiarowej). Strzałki wskazują komórki barwnikowe typowe dla komórek w OUN. Wszystkie komórki są pokazane przez barwienie DAPI ich jąder (na niebiesko) we wstawkach. Podziałka: 0,1 mm.