ATENÇÃO: Culturas humanas de hiPSC devem ser manuseadas como material potencialmente bio-perigoso sob procedimentos institucionais de biossegurança. Realize todos os procedimentos de cultura hiPSC humana em um gabinete certificado de segurança biológica Classe II, utilizando técnica estéril. Todos os resíduos contendo células humanas, meios expostos a células humanas e material plasmídico CRISPR/Cas9 devem ser descontaminados de acordo com as diretrizes locais de biossegurança antes do descarte. Doxiciclina, puromicina, DMSO e outros reagentes químicos devem ser manuseados com luvas e proteção adequada para olhos e pele, e resíduos devem ser descartados de acordo com os procedimentos institucionais de resíduos químicos. O extrato de membrana do basamento (BME) deve ser manuseado com técnica estéril e armazenado no gelo antes do uso para evitar polimerização prematura. O armazenamento de nitrogênio líquido e o manuseio criovial devem ser realizados com luvas criogênicas apropriadas, proteção facial e cautela para evitar queimaduras a frio ou explosão de frascos durante o descongelamento.
NOTA: Antes da edição mediada por CRISPR/Cas9 e da diferenciação neuronal, as culturas de hiPSC devem atender a critérios pré-definidos de controle de qualidade. As células devem ser confirmadas negativas para micoplasma, apresentar um cariótipo normal ou perfil aceitável de integridade genômica e manter expressão robusta de marcadores de pluripotência, incluindo OCT4, SOX2, NANOG, TRA-1-60 e/ou SSEA4. As culturas devem apresentar morfologia típica compacta de colônias hiPSC, com alta razão nuclear-citoplasmática, bordas definidas da colônia e diferenciação espontânea mínima. Apenas culturas que proliferam ativamente dentro da faixa recomendada de passagem devem ser usadas, e as células não devem exceder o número máximo de passagens definido pelo laboratório, tipicamente abaixo de 40 passagens (passage 40), a menos que validadas em contrário. Culturas que apresentem morfologia anormal, diferenciação espontânea excessiva, crescimento deficiente, contaminação confirmada ou evidências de instabilidade genômica devem ser excluídas dos experimentos de edição e diferenciação. Todos os materiais necessários para este protocolo, incluindo receitas de mídia, estão listados na Tabela de Materiais.
1. Preparação de reagentes e placas de cultura
- Prepare o meio congelante combinando 40 mL de substituição sérica knock-out (KOSR) e 10 mL de dimetil sulfóxido (DMSO) em um tubo cônico de 50 mL.
- Homogeneize o meio de congelamento pipetando para cima e para baixo 10 vezes. Armazene a solução a 4 °C por até 1 mês.
- Dilua o extrato da membrana basal (BME) no meio Modified Eagle Medium/F12 (DMEM/F12) da Dulbecco em concentração final de 80 μg/mL.
NOTA: Antes da diluição, verifique a concentração da solução BME recebida usando o número do lote no site do fornecedor.
- Adicione 1 mL do BME diluído por poço a uma placa de 6 poços. Imediatamente devolva o BME original para 4 °C por até 1 mês.
- Incline a placa para distribuir a solução uniformemente por toda a superfície dos poços. Certifique-se de que não haja áreas sem revestimento.
- Incube a placa por pelo menos 30 minutos a 37 °C antes do uso.
NOTA: Não há tempo máximo de incubação. Se estiver incubando por mais de 1 dia, certifique-se de que o DMEM/F-12 não evapore. A solução BME usada em um poço pode ser reutilizada apenas uma vez para revestir um segundo poço. A manipulação da EMB em temperatura ambiente deve ser breve devido à sua rápida polimerização.
2. Manutenção e passagem de hiPSCs
NOTA: Neste protocolo, meio de manutenção hiPSC refere-se ao mTeSR plus. MTeSR plus é o meio recomendado para manutenção rotineira, passagem, recuperação após a nucleofecção e seleção da puromicina.
- Realize a passagem hiPSC aproximadamente a cada 4 a 6 dias quando as células atingem 60% de confluência.
- Aspire o meio de cultivo dos poços usando uma pipeta aspiradora.
- Adicione 1 mL de ReLeSR ao poço e incube por 30 s em temperatura ambiente.
- Aspire o reagente de dissociação e incube a placa por 8 minutos a 37 °C.
- Adicione delicadamente 1 mL de médio de manutenção hiPSC usando uma pipeta de 5 mL. Colete a suspensão da célula em um tubo de 50 mL.
- Misture 10 μL da suspensão da célula com 10 μL de azul de tripan em um tubo de microcentrífuga. Coloque 10 μL da mistura em uma lâmina de contagem celular para determinar a concentração viável da célula.
- Aspire o revestimento BME de um poço previamente preparado. Adicione 2 mL de meio de manutenção hiPSC suplementado com inibidor de quinase enrolada associada à Rho (ROCK) (Y-27632; 10 μM final).
- Semear 100.000 hiPSCs no poço, buscando uma viabilidade de >90%. Mova a placa em um movimento em forma de oito para garantir uma distribuição homogênea das células.
- Incube as células a 37 °C com 5% de CO2.
- Após 24 horas, substitua o meio por 2 mL de mTeSR novo mais meio sem inibidor de ROCK.
NOTA: Espera-se uma mudança transitória na morfologia celular (elongação celular) na presença do inibidor ROCK. Verifique se as células recuperam sua morfologia característica após a remoção.
3. Nucleofecção de hiPSCs
- Passe as células quando a confluência atingir cerca de 60%.
NOTA: Neste protocolo, aproximadamente 60% de confluência corresponde a colônias de hiPSC em crescimento ativo cobrindo pouco mais da metade da superfície do poço, com espaço visível entre as colônias e diferenciação espontânea mínima. Colônias não devem estar cobertas de vegetação, extensivamente fundidas, ou apresentar centros densos e multicamadas no momento da nucleofecção.
- Certifique-se de que o dispositivo de nucleofecção esteja ligado e que o suplemento de nucleofecção seja adicionado à solução de nucleofecção P3. Prepare um balde de gelo.
- Adicione 110 μL da solução de nucleofecção P3 a um tubo de microcentrífuga colocado sobre gelo.
- Adicione 1 μg do plasmídeo CRISPR/Cas9 e 1 μg do plasmídeo doador contendo o cassete induzível por doxiciclina ASCL1-P2A-DLX2. ao tubo. Misture suavemente sem criar bolhas.
- Prepare a placa de destino aspirando o BME de dois poços revestidos. Adicione 2 mL de meio de manutenção hiPSC contendo um inibidor de ROCK em cada poço e incube a placa a 37 °C.
- Dissocie os hiPSCs em 60% de confluência de um poço de uma placa de 6 poços, conforme descrito nos passos 2.2 a 2.5. Transfira a suspensão para um tubo estéril e centrifuge por 5 minutos a 500 x g em temperatura ambiente.
- Descarte o sobrenadante e resuspenda o pellet celular nos 110 μL da solução de nucleofecção P3 contendo os plasmídeos. Pipete suavemente para evitar a formação de bolhas.
- Transfira 100 μL da suspensão celular para uma cubeta de nucleofecção colocada no gelo.
- Insira a cuveta no dispositivo nucleofector e execute o programa CB-150 para hiPSCs.
- Imediatamente recupere as células usando uma pipeta plástica Pasteur. Transfira volumes iguais da suspensão da célula para os dois poços previamente preparados.
- Distribua as células em movimento em forma de oito e incube a 37 °C.
- Após 24 horas, substitua o meio por mTeSR mais um inibidor de ROCK sem substrato. Verifique a eficiência da nucleofecção observando a fluorescência, se aplicável.
4. Seleção de antibióticos
ATENÇÃO: Puromicina é tóxica. Manuseie com equipamentos de proteção individual apropriados e descarte resíduos de acordo com as diretrizes institucionais.
NOTA: Antes de selecionar hiPSCs editados, determine a concentração ótima de puromicina para cada linha de hiPSC. Semear hiPSCs não editados a 100.000 células por poço em uma placa de 6 poços revestida com BME em meio de manutenção de hiPSC suplementado com inibidor de ROCK. Após 24 horas, substitua o meio por um novo meio de manutenção hiPSC contendo puromicina em 0, 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0 e 1,5 μg/mL. Substitua diariamente o meio contendo puromicina e monitore a morfologia celular e a sobrevivência por microscopia de campo claro por 5 dias. A concentração selecionada deve eliminar todas as hiPSCs não editadas em 3–5 dias, minimizando a toxicidade excessiva. Neste protocolo, a concentração ótima de puromicina é tipicamente 0,4–0,6 μg/mL.
- Espere por 3 passagens pós-nucleofecção, tipicamente aproximadamente 1–2 semanas dependendo da taxa de recuperação e crescimento, para permitir a perda de plasmídeos não integrados antes de iniciar a seleção.
- Realize uma passagem celular e seme 100.000 células por poço.
- Após 24 horas, adicione puromicina na concentração determinada pela curva de eliminação, tipicamente 0,4–0,6 μg/mL.
- Mantenha a seleção de puromicina pelo tempo determinado, geralmente cerca de 5 dias.
- Valide a população selecionada por microscopia de fluorescência ou citometria de fluxo para estimar a proporção de células repórter-positivas.
NOTA: Prossiga apenas com populações agrupadas que mostrem expressão relatora amplamente homogênea, idealmente >80–90% de células positivas para relatores. Se a expressão do repórter permanecer em mosaico, estenda a seleção, repita o enriquecimento ou considere o isolamento clonal antes da diferenciação.
- Confirme o direcionamento correto do AAVS1 por PCR de junção antes de iniciar a diferenciação neuronal.
- Quando for necessária validação rigorosa, verifique os produtos de PCR por sequenciamento Sanger e avalie o número de cópias do transgene por qPCR, ddPCR ou outro ensaio apropriado de número de cópia.
- Avalie a integração aleatória usando ensaios baseados em PCR para sequências de espinha dorsal plasmídica ou análise de integração genômica mais ampla, dependendo da aplicação pretendida a jusante.
- Confirme que a população selecionada de hiPSC permanece mycoplasma-negativa, mantém a morfologia típica da colônia de hiPSC e mantém crescimento robusto após a seleção da puromicina.
- Reavalie a integridade genômica por meio de cariotipagem, matriz SNP ou outro ensaio validado, especialmente quando células editadas serão usadas para modelagem de doenças, ensaios funcionais ou estudos de longo prazo.
- Avaliar os potenciais efeitos off-target do CRISPR/Cas9 por meio de sequenciamento direcionado de locais off-target previstos ou, quando necessário, abordagens genômicas mais amplas.
NOTA: Não use culturas para diferenciação se apresentarem morfologia anormal, recuperação ruim após seleção, expressão persistente do mosaic reporter, confirmação de anomalias genômicas ou falha na integração do AAVS1 . Neste protocolo, hiPSCs selecionados e engenheirados são usados como uma população agrupada e podem ser crioppreservados antes da indução por doxiciclina, uma vez que a expressão do repórter, a alvo, morfologia e crescimento do AAVS1 . tenham sido validados. A criopreservação após indução de doxiciclina ou durante a maturação neuronal não faz parte do fluxo de trabalho padrão e deve ser validada empiricamente antes do uso.
5. Diferenciação em neurônios gabaérgicos
- Prepare o número necessário de poços revestidos com BME. Note que um bem semeado no Dia 0 gerará um poço de neurônios GABAérgicos.
- Prepare 6,9 mL de meio de neuroindução por poço, suplementando com doxiciclina (1 μg/mL). Inclua um volume extra de 15% para compensar erros de evaporação ou pipeteamento.
NOTA: A doxiciclina é usada em uma concentração final de 1 μg/mL, a partir do Dia 0, e mantida durante a diferenciação e maturação. Um meio fresco contendo doxiciclina é preparado a cada mudança de meio para manter a indução consistente do transgene. Essa dose foi selecionada porque produzia expressão robusta de repórteres e conversão neuronal eficiente em nossas mãos. Uma dose-resposta formal à doxiciclina não foi realizada nesse protocolo; portanto, laboratórios que adaptam o método podem testar empiricamente 0,1–2 μg/mL de doxiciclina se a indução do transgene parecer subótima.
- No Dia 0, dissocie os hiPSCs modificados e semeie 200.000 células nos poços preparados revestidos com BME. Incubar a 37 °C.
- Nos dias 1, 2 e 3, aspire o meio e adicione 2 mL de meio de neuroindução fresco contendo doxiciclina.
NOTA: Ao terceiro dia, a expansão celular deve diminuir significativamente, e estruturas semelhantes a dendríticas podem começar a aparecer. Se for necessária confirmação experimental da saída do ciclo celular, imunocoloração com Ki-67 ou incorporação de EdU/BrdU podem ser realizadas no dia 3–4.
- No dia 4, prepare um meio de neuromaturação contendo fator neurotrófico derivado do cérebro (BDNF), fator neurotrófico derivado da linhagem celular glial (GDNF) e neurotrofina-3 (NT-3), cada um com concentração final de 10 ng/mL, doxiciclina a 1 μg/mL e PluriSln a 20 μM.
- Aspire o meio de neuroindução. Adicione cuidadosamente 2 mL do meio de neuromaturação gota a gota ao longo da parede do poço para evitar perturbar os neurônios recém-formados.
- No dia 7, aspire o meio e adicione suavemente 2 mL de meio de neuromaturação contendo as neurotrofinas e a doxiciclina, mas omitindo o inibidor de sobrevivência celular pluripotente.
- Para manutenção a longo prazo, substitua completamente o meio de neuromaturação a cada 3 a 4 dias, adaptando a frequência com base na densidade celular.
NOTA: O dia 21 é o ponto final padrão para avaliar a identidade neuronal gabaérgica. Até o dia 21, as células devem apresentar características neuronais GABAérgicas, incluindo DLX1.e continuam a amadurecer suas redes axonais. Uma densidade de semeadura de 200.000 células/poço foi empiricamente selecionada para produzir colônias bem espaçadas, evitando superlotação e morte celular associada à maturação. Densidades de 150.000–300.000 células/poço são compatíveis, com densidades menores preferidas para morfologia e densidades maiores para recuperação de materiais. Para reduzir o descolamento, realize mudanças mais frequentes de meio a médio usando uma pipeta de 1.000 μL em baixo fluxo sem inclinar a placa. Se necessário, as células podem ser replacadas uma vez após a indução de doxiciclina de 3 dias, antes da adição do meio de maturação, utilizando revestimentos aprimorados como poli-L-lisina/laminina ou laminina-521. Deve ser evitado mais passagem após o início da maturação.
- As culturas podem ser mantidas além do Dia 21 para maturação prolongada se as redes permanecerem conectadas, viáveis e livres de colônias proliferantes semelhantes a hiPSC. Após o dia 21, realize trocas de meio médio a cada 3–4 dias com meio fresco de neuromaturação contendo doxiciclina e fatores neurotróficos.
NOTA: Use culturas para ensaios a jusante assim que a morfologia neuronal e as redes neuritárias estiverem estáveis, o descolamento for mínimo e nenhuma colônia indiferenciada for visível. Em nossas mãos, as culturas são tipicamente usadas entre o Dia 21 e o Dia 35.