Postganglioniczne neurony współczulne (symNs) należą do autonomicznego układu nerwowego (ANS) i pełnią wiele ważnych ról w reagowaniu i regulowaniu homeostazy ciała niezależnie od świadomości. Na przykład stres stymuluje symN i wywołuje reakcję walki lub ucieczki, która prowadzi do wzrostu częstości akcji serca, ciśnienia krwi i pocenia się. SymN są dotknięte wieloma zaburzeniami u ludzi z powodu genetyki, toksyczności/urazu lub jako towarzysze innych chorób. Przykładem neuropatii genetycznej jest zaburzenie rodzinne w dzieciństwie (FD), w którym ciężka dysregulacja symN powoduje kryzys dysautonomiczny, objawiający się poceniem się, plamami na skórze, atakami wymiotów, nadciśnieniem i lękiem1. Przykładem toksyczności jest chemioterapia, która według doniesień ma toksyczne skutki uboczne na neurony autonomiczne2. Wiadomo, że autonomiczne odnerwienie i nadunerwienie mogą prowadzić do chorób takich jak choroba Parkinsona lub nadciśnieniowa choroba nerek lub im towarzyszyć3,4. W związku z tym możliwość prowadzenia badań i zrozumienia mechanizmów biologii symN i defektów w kontekście choroby jest korzystna dla poszukiwania nowych i skutecznych metod leczenia.
Anatomia
Obwodowy układ nerwowy rozgałęzia się na podziały czuciowe i autonomiczne. Nerwy doprowadzające czuciowego układu nerwowego są odpowiedzialne za odczuwanie bólu i dotyku, podczas gdy ANS jest odpowiedzialny za przekazywanie informacji ze wszystkich narządów do mózgu. ANS dzieli się na jelitowy układ nerwowy, unerwienie przewodu pokarmowego, przywspółczulny układ nerwowy, który jest ważny dla relaksacji, oraz współczulny układ nerwowy (SNS), który jest ważny dla aktywacji/regulacji narządów. SNS adaptuje system dwuneuronowy5. Przedzwojowe współczulne aksony nerwowe w rdzeniu kręgowym najpierw rzutują do zwojów współczulnych, gdzie znajdują się zazwojowe ciała komórek symN. Neurony te następnie wysyłają długie projekcje, aby unerwić tkanki docelowe każdego narządu w ciele. Sygnały przekazywane przez neurony przedzwojowe są cholinergiczne, podczas gdy objawy pozwojowe są adrenergiczne, a zatem wyrażają noradrenalinę (NE) jako główny neuroprzekaźnik. Istnieje kilka godnych uwagi wyjątków od neuronów zazwojowych, współczulnych, które są cholinergiczne, w tym te unerwiające naczynia krwionośne. Neurony zazwojowe adrenergiczne wyrażają enzymy hydroksylazę tyrozyny (TH), dekarboksylazę L-aminokwasów aromatycznych (AAAD), dopaminę β-hydroksylazę (DBH) i oksydazę monoaminową (MAO-A), wszystkie odpowiedzialne za wytwarzanie i metabolizowanie NE. Ponadto wykazują ekspresję transporterów i/lub receptorów recyklingu NE: receptora α-adrenergicznego (ADRA2), receptora β-adrenergicznego (ADR2B), transportera noradrenaliny (NET1) i pęcherzykowego transportera monoamin (VMAT1/2).
Rozwój
Podczas rozwoju embrionalnego symN pochodzą z grzebienia nerwowego (NC), który wyłania się między cewą nerwową a nakładającą się ektodermą6 i może różnicować się w wiele linii komórkowych, w tym melanocyty, osteoblasty, adipocyty, glej, neurony jelitowe, neurony czuciowe i neurony autonomiczne7. Komórki grzebienia nerwowego (NCC) są komórkami silnie migrującymi, które pokonują kilka tras przez zarodek. Na tym wczesnym etapie rozwoju NC komórki wyrażają markery SNAIL1/2, FOXD3 i SOX108,9,10,11. Trasa migracji wraz z przyjętym przez nie położeniem osiowym określa podtyp NC, w który będą się rozwijać. Te podtypy NC można rozróżnić na podstawie specyficznej ekspresji genu HOX: NCC czaszkowe nie wyrażają genów HOX, NCC nerwu błędnego wyrażają HOX 1-5, NCC tułowia wyrażają HOX 6-9, a NCC krzyżowe wyrażają HOX 10-1112. Wśród nich NCC tułowia są uznawane za główne źródło symN. Prekursory SymN wyrażają czynnik transkrypcyjny MASH1/ASCL113, który promuje ekspresję PHOX2B14 i INSM115. Rodzina czynników transkrypcyjnych GATA ulega ekspresji podczas późnego rozwoju współczulnego. GATA2 i GATA3 są wyrażane w symN, co z kolei aktywuje DBH16. Czynnik transkrypcyjny HAND2 jest również ważny dla ekspresji i utrzymania DBH i TH17.
HPSC (np. embrionalne i indukowane pluripotencjalne komórki macierzyste) są potężnym narzędziem18 do podsumowania paradygmatów rozwojowych i generowania symN, które mogą być następnie wykorzystane do modelowania chorób różnych zaburzeń u ludzi. W związku z tym, podczas generowania symN z hPSC, kluczowe znaczenie ma przestrzeganie wytycznych rozwojowych i ocena ekspresji odpowiednich markerów w procesie różnicowania.
Poprzedni protokół symN
Kilka grup badawczych wcześniej zgłosiło generowanie symN z hPSCs19,20,21. Bezpośrednie porównanie tych protokołów ze sobą i z naszymi zostało niedawno przejrzane22. W 201623 opublikowaliśmy protokół różnicowania do generowania autonomicznych neuronów o charakterze symN (Rysunek 1A). W protokole tym wykorzystano pożywkę opartą na KSR, która była wykorzystywana zarówno do utrzymywania niezróżnicowanych hPSC, jak i różnicowania komórek. Ponadto hPSC utrzymywano na mysich fibroblastach embrionalnych (komórkach żywiciela MEF). Zastosowaliśmy ten protokół i PSC od pacjentów z FD do modelowania zaburzenia23. W 2019 roku opisaliśmy bardziej szczegółową wersję tego starszego protokołu24. Podsumowując, los neuronalny został wywołany przez podwójne hamowanie SMAD25 w celu zablokowania sygnalizacji TGF-β i BMP w ciągu pierwszych 2 dni. Aktywacja WNT za pomocą CHIR99021 promowała neuronalne komórki progenitorowe, aby stały się komórkami NC. W dniu 11 komórki zostały posortowane według FACS dla populacji CD49D+ lub SOX10+26,23, co dało około 40% wydajności generowania NC. W związku z tym konieczne było sortowanie, aby zapewnić wydajność i czystość dla kolejnych etapów różnicowania. NCC utrzymywano i amplifikowano jako sferoidy z połączonym traktowaniem FGF2 i CHIR. Po 4 dniach sferoidy NC utrzymania zostały posiane i podano BDNF, GDNF i NGF, aby zakończyć dojrzewanie symN. Chociaż te symN wyrażały silne markery symN, takie jak ASCL1, TH, DBH i PHOX2A, markery bardziej dojrzałych symN, w tym ekspresja nikotynowego receptora acetylocholiny (CHRNA3 / CHRNB4) i transportera pęcherzyków (VMAT1 / 2), były niskie nawet po 70 dniach różnicowania. Geny HOX w tym protokole nie zostały formalnie przebadane, a właściwości dojrzałych neuronów, w tym aktywność elektrofizjologiczna komórek, nie zostały zweryfikowane.
Tutaj prezentujemy zoptymalizowany protokół do generowania symN (Rysunek 1B). HPSC są utrzymywane w warunkach wolnych od podajnika, na szalkach pokrytych witronektyną (VTN), przy użyciu pożywki Essential 8 (E8) 27. Wzór podłoża różnicującego był modyfikowany na każdym etapie, zwiększając w ten sposób odsetek populacji NC28. Dojrzewanie symN można przeprowadzić na posortowanych lub niesortowanych masowych populacjach NCC CD49D+/SOX10+. Oba wykazują wysoki poziom ekspresji markera symN do 30 dnia. Co więcej, symN generowane za pomocą tego protokołu reagują na zapis elektrofizjologiczny oraz na leczenie związkami aktywującymi i hamującymi symN.