Optogenetyka zapewnia czasową i przestrzenną precyzję aktywacji zdefiniowanych populacji neuronów13. W naszych eksperymentach całe pole obiektywu mikroskopu było oświetlane przez 30 sekund, aby fotostymulować tylko neurony korowe wyrażające ChR2. Pozwoliło nam to ustalić, czy połączenia synaptyczne zostały utworzone między różnymi populacjami neuronów w obrębie kokultury. Nasze wyniki ujawniły, że fotostymulacja zwiększa częstotliwość PSC w neuronach pochodzących z iPSC, co pokazuje, że neurony te otrzymują dane synaptyczne z presynaptycznych neuronów korowych eksprymujących ChR2. To z kolei pozwoliło ustalić, że neurony pochodzące z iPSC z powodzeniem integrują się z obwodami z neuronami korowymi.
Istnieje kilka kluczowych etapów tworzenia tego systemu kokultur. Ważne jest, aby upewnić się, że hodowle astrocytów pochodzące z mysich NPC są zdrowe, z minimalną śmiercią komórki, przed przystąpieniem do posiewu innych typów komórek. Neurony korowe i ludzcy NPC dobrze przyczepiają się do zdrowych astrocytów, a zapisy elektrofizjologiczne zależą w dużym stopniu od warunków hodowli. Innymi kluczowymi krokami w tym protokole są elektroporacja i posiew neuronów korowych na kulturach astrocytów. Ponieważ duża liczba komórek umiera po elektroporacji, ważne jest, aby upewnić się, że co najmniej 6 milionów neuronów korowych jest elektroporowanych w celu posiewu na kulturach astrocytów na 24-dołkowych płytkach. Zaobserwowaliśmy, że gdy mniej niż 6 milionów komórek zostało poddanych elektroporacji, liczba neuronów, które przeżyły, nie tworzyła gęstej sieci neuronalnej, co wpływało na zapisy elektrofizjologiczne. Liczba elektroporowanych neuronów korowych powinna być również spójna dla każdego eksperymentu z udziałem współkultur, aby umożliwić porównanie różnych badań. W przypadku wszystkich etapów związanych z trawieniem enzymatycznym ważne jest, aby nie pozostawiać komórek w roztworze trawiennym zbyt długo, ponieważ może to prowadzić do śmierci komórki.
Podejście to można wykorzystać do badania przesiewowego zdolności neuronów pochodzących z fibroblastów specyficznych dla pacjenta do tworzenia kontaktów synaptycznych z innymi neuronami. Neurony pochodzące z fibroblastów od pacjentów cierpiących na zaburzenie neurorozwojowe Zespół Retta (RTT) wykazują defekty transmisji synaptycznej: neurony RTT wykazują znaczny spadek częstotliwości i amplitudy PSC w porównaniu ze zdrowymi neuronami, prawdopodobnie z powodu mniejszej łączności synaptycznej14. Nasz system kohodowli pozwala na badanie wpływu leków na neurony wykazujące wady rozwojowe. Można to przeprowadzić poprzez dodawanie interesujących związków podczas wysiewu chorych ludzkich NPC, a także podczas ciągłej ekspozycji na związki przez cały czas różnicowania neuronów.
Chociaż ten system kohodowli może być również używany jako model do testowania leków, ograniczeniem tego podejścia jest to, że proces badania skutków każdego kandydującego związku może być długi i żmudny, ponieważ nie jest to wysokoprzepustowa metoda przesiewowa. Po leczeniu związkami kandydującymi, neurony pochodzące z iPSC muszą być indywidualnie łatane, aby określić wpływ każdego związku na PSC. Co więcej, obecnie nie ma wielu dostępnych fibroblastów i iPSC od pacjentów. W związku z tym w najbliższej przyszłości interesujące będzie posiadanie większej liczby komórek pacjentów, a także dostosowanie tego protokołu do wysokoprzepustowych badań przesiewowych. Na przykład, znakując neurony pochodzące z iPSC za pomocą wskaźnika aktywności, takiego jak genetycznie kodowane czujniki jonów lub potencjału błonowego, możliwe byłoby znaczne zwiększenie przepustowości poprzez pominięcie czasochłonnej procedury elektrofizjologicznej. Ponieważ cały proces generowania tego systemu kohodowli, od przeprogramowania fibroblastów po wykonywanie zapisów elektrofizjologicznych, wymaga ponad 90 dni, zaleca się, aby ludzkie iPSC lub NPC zostały namnażone, po odpowiednio etapach przeprogramowania i indukcji neuronalnej, i kriokonserwowane w celu skrócenia czasu potrzebnego na przyszłe eksperymenty.
W naszych eksperymentach wykazaliśmy ekspresję ChR2 w neuronach korowych pod promotorem synapsyny1. Ponieważ ten promotor jest panneuronalny, przypuszczalnie fotostymulowaliśmy zarówno hamujące, jak i pobudzające neurony korowe. Jeśli celem przyszłych eksperymentów jest specyficzne badanie obwodów hamujących lub pobudzających, można zastosować bardziej specyficzne promotory. Alternatywnie, neurony korowe można uzyskać od myszy transgenicznych (lub wstrzykniętych wirusem), u których ekspresja ChR2 jest specyficznie ukierunkowana na genetycznie zdefiniowane subpopulacje neuronów. Na przykład pobranie tkanek korowych od myszy, u której rekombinaza Cre ulega ekspresji w interneuronach zawierających parwalbuminę (interneurony PV), która jest krzyżowana z myszą z floksowanym ChR2, da sytuację, w której jedynymi neuronami korowymi wyrażającymi ChR2 będą interneurony PV15. Zastosowanie takich interneuronów wykazujących ekspresję ChR2 w naszym systemie kohodowli umożliwi określenie, czy neuron pochodzący z iPSC jest w stanie włączyć się do obwodu z interneuronami PV.
Na podstawie poprzedniego badania9 stwierdzono, że neurony korowe są dojrzałe z nakładającymi się dendrytami po 14 dniach in vitro. Tak więc, jeśli fotostymulacja nie wywołuje odpowiedzi z łatanego neuronu pochodzącego z iPSC, powinno to wskazywać, że neuron nie ma zdolności do tworzenia połączeń synaptycznych z neuronami korowymi. Neuron pochodzący z iPSC jest w stanie odbierać sygnały synaptyczne z innych neuronów pochodzących z iPSC lub neuronów korowych. Gdyby użyto tradycyjnych nagrań z zaciskiem krosowym, nie byłoby możliwe rozróżnienie, skąd pochodzi wejście synaptyczne. Zaletą naszego systemu jest to, że odpowiedzi postsynaptyczne z korowego sygnału presynaptycznego mogą być selektywnie wywoływane i identyfikowane. Przedstawione tutaj procedury zapewniają proste podejście do oceny zdolności neuronów pochodzących z iPSC do integracji ze zdefiniowaną siecią neuronalną.