Нейронно-глиальные взаимодействия при нейродегенерации недостаточно изучены из-за неадекватных инструментов и методов. Здесь мы описываем оптимизированные протоколы для получения индуцированных нейронов, клеток-предшественников олигодендроцитов и олигодендроцитов из плюрипотентных стволовых клеток человека и приводим примеры значений этих методов в понимании специфических для типа клеток вклада в болезнь Альцгеймера.
Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.
Методическая статья
Генерация нейронов человека и олигодендроцитов из плюрипотентных стволовых клеток для моделирования нейронно-олигодендроцитарных взаимодействий
* These authors contributed equally
В этой статье
Уведомление об исправлении
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Краткое содержание
Аннотация
При болезни Альцгеймера (БА) и других нейродегенеративных расстройствах олигодендроглиальная недостаточность является общей ранней патологической особенностью, но как она способствует развитию и прогрессированию заболевания, особенно в сером веществе мозга, остается в значительной степени неизвестным. Дисфункция клеток линии олигодендроцитов характеризуется недостатками миелинизации и нарушением самообновления клеток-предшественников олигодендроцитов (ОПК). Эти два дефекта вызваны, по крайней мере частично, нарушением взаимодействия между нейронами и олигодендроцитами вдоль накопления патологии. ОПК дают начало миелинизации олигодендроцитов во время развития ЦНС. В зрелой коре головного мозга OPC являются основными пролиферативными клетками (составляющими ~ 5% от общего количества клеток мозга) и контролируют образование новых миелинов в зависимости от нейронной активности. Такие нейронно-олигодендроцитарные коммуникации значительно недоизучены, особенно в контексте нейродегенеративных состояний, таких как БА, из-за отсутствия соответствующих инструментов. В последние годы наша группа и другие добились значительного прогресса в улучшении доступных в настоящее время протоколов для генерации функциональных нейронов и олигодендроцитов индивидуально из плюрипотентных стволовых клеток человека. В этой рукописи мы описываем наши оптимизированные процедуры, включая создание системы кокультуры для моделирования нейронно-олигодендроцитарных связей. Наши иллюстративные результаты свидетельствуют о неожиданном вкладе OPCs / олигодендроцитов в амилоидоз мозга и целостность синапсов и подчеркивают полезность этой методологии для исследований БА. Этот редукционистский подход является мощным инструментом для препарирования специфических гетероклеточных взаимодействий из присущей сложности внутри мозга. Ожидается, что протоколы, которые мы описываем здесь, облегчат будущие исследования олигодендроглиальных дефектов в патогенезе нейродегенерации.
Введение
Клетки линии олигодендроцитов, включая клетки-предшественники олигодендроцитов (OPCs), миелинирующие олигодендроциты и переходные типы между ними, составляют основную группу клеток головного мозга человека1, которые активно участвуют во многих критических функциях для правильной работы и поддержания нашей центральной нервной системы на протяжении всего нервного развития и старения 2,3,4 . В то время как олигодендроциты хорошо известны тем, что производят миелин для облегчения передачи активности нейронов и поддержки здоровья аксонов в белом веществе, O....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Протокол
1. Индукция нейронов человека из плюрипотентных стволовых клеток человека
- Препарат лентивируса (~5 дней, подробный протокол, как описано ранее16)
- Пластина ~ 1 миллион HEK293T клеток в каждой колбе T75, чтобы иметь их ~ 40% слива при выполнении трансфекции. Трансфектируйте их плазмидами, экспрессирующими тетрациклин-индуцируемый Ngn2 и пуромицин-резистентный ген (PuroR; под тем же контролем промотора TetO), rtTA и тремя вспомогательными плазмидами pRSV-REV, pMDLg/pRRE и VSV-G (12 мкг лентивирусной векторной ДНК и 6 мкг каждой из хелперных плазмидных ДНК). Приготовьте не менее трех колб на препарат лентивируса. Используйте PEI дл....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Результаты
Прямая генерация индуцированных человеком нейронов из человеческих плюрипотентных стволовых клеток
Очень важно, чтобы исходные плюрипотентные стволовые клетки человека проявляли высокую степень плюрипотентности для успешной генерации iNs или iOPCs / iOL. Поэтому клетки должны быть окрашены для конкретных маркеров, таких как Oct4 и SOX2, перед началом любого из протоколов индукции, описанных в настоящей рукописи (рисунок 1A). Человеческие клетки H1 использовались для получ.......
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Обсуждение
В дополнение к физической и метаболической поддержке для стабилизации синапсных структур и облегчения проведения соляного сигнала путем миелинизации, клетки линии олигодендроцитов могут формировать паттерн активности нейронов посредством быстрых и динамических перекрестных разговоров с нейронами 5,6,7. В то время как при патологии БА олигодендроглиальные реакции первоначально рассматривались как просто вторичные по отношению к в.......
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Раскрытие информации
Авторам нечего раскрывать.
Благодарности
Эта работа была поддержана грантами Национальных институтов здравоохранения (R00 AG054616 для Y.A.H. и T32 GM136566 для K.C.), Медицинской школы Стэнфордского университета и стипендии Siebel (присуждается S.C.). Y.A.H. является профессором трансляции GFL из Центра трансляционной неврологии в Институте трансляционных наук Брауна.
....Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Материалы
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Accutase | STEMCELL Technologies | 7920 | |
| B27 добавка | ThermoFisher | 17504044 | |
| bFGF | ThermoFisher | PHG 0266 | |
| cAMP | MilliporeSigma | A9501 | |
| Clemastine | MilliporeSigma | SML0445 | |
| DMEM/F12 среда | STEMCELL Technologies | 36254 | |
| DMSO | ThermoFisher | D12345 | |
| Доксициклин | MilliporeSigma | D3072 | |
| Фетальная бычья сыворотка | ScienCell | 10 | |
| H1 человеческие ES клетки | WiCell | WA01 | |
| Matrigel | Corning | 354234 | |
| mTeSR plus | STEMCELL Technologies | 5825 | |
| Добавка N2 | ThermoFisher | 17502001 | |
| Нейробазал А среда | ThermoFisher | 10888-022 | |
| Заменимые аминокислоты | ThermoFisher | 11140-050 | |
| PDGF-AA | R& D Systems | 221-AA-010 | |
| PEI | VWR | 71002-812 | |
| pMDLg/pRRE | Addgene | 12251 | |
| Полибрен | MilliporeSigma | TR-1003-G | |
| pRSV-REV | Addgene | 12253 | |
| Puromycin | ThermoFisher | A1113803 | |
| ROCK Ингибитор Y-27632 | STEMCELL Technologies | 72302 | |
| SAG | Tocris | 4366 | |
| STEMdiff Neural Progenitor Freezing Media STEMcell | Technologies | 5838 | |
| STEMdiff SMADi Neural Induction Kit STEMCELL | Technologies | 8581 | |
| T3 трийодтиронин | MilliporeSigma | T6397 | |
| Tempo-iOlogo: OPC человека, полученные из iPSC | Tempo BioScience | SKU102 | |
| TetO-Ng2-Puro | Addgene | 52047 | |
| VSV-G Addgene | 12259 |
Ссылки
- Pelvig, D. P., Pakkenberg, H., Stark, A. K., Pakkenberg, B. Neocortical glial cell numbers in human brains. Neurobiology of Aging. 29 (11), 1754-1762 (2008).
- Barres, B. A. The mystery and magic of glia: a perspective on their roles in health and disease. Neuron. 6....
Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.
Перепечатки и разрешения
Исправление
Formal Correction: Erratum: Generation of Human Neurons and Oligodendrocytes from Pluripotent Stem Cells for Modeling Neuron-Oligodendrocyte Interactions
Posted by JoVE Editors on 12/29/2020. Citeable Link.
An erratum was issued for: Generation of Human Neurons and Oligodendrocytes from Pluripotent Stem Cells for Modeling Neuron-Oligodendrocyte Interactions. The Representative Results section has been updated.
Figure 3 was updated from:
Figure 3: Co-culture of iNs and iOPCs. (A) Representative bright field image of co-cultured iNs and iOPCs at Day 7, showing a proper density for further maturation. (B) Representative immunofluorescence image of iNs and iOPCs co-cultured for 28 days. Axonal marker neurofilament NF is shown in green and oligodendrocytic marker MBP in red. Right, a segment of iN axon ensheathed by iOL process (MBP+). (C) Synapse formation assayed in 4-week-old co-cultures. Cells were stained for Synapsin 1 (Syn1, green) and MAP2 (red), and synaptic puncta were quantified by confocal analysis of density along the dendritic segments as described17,18. (D) In our co-cultures of iNs and iOPCs (7 days of co-culturing), the expression of astrocyte markers, ALDHL1 and GFAP, is minimal (top), and the expression of microglia markers, TMEM119, TREM2, and CD33, is not detected (N.D.) by qPCR. The contamination from these two glial cell types is thus excluded. Please click here to view a larger version of this figure.
to:
Figure 3: Co-culture of iNs and iOPCs. (A) Representative bright field image of co-cultured iNs and iOPCs at Day 7, showing a proper density for further maturation. (B) Representative immunofluorescence image of iNs and iOPCs co-cultured for 28 days. Axonal marker neurofilament NF is shown in green and oligodendrocytic marker MBP in red. Right, a segment of iN axon ensheathed by iOL process (MBP+). (C) Synapse formation assayed in 4-week-old co-cultures. Cells were stained for Synapsin 1 (Syn1, green) and MAP2 (red), and synaptic puncta were quantified by confocal analysis of density along the dendritic segments as described17,18. (D) In our co-cultures of iNs and iOPCs (7 days of co-culturing), the expression of astrocyte markers, ALDHL1 and GFAP, is minimal (top), and the expression of microglia markers, TMEM119, TREM2, and CD33, is not detected (N.D.) by qPCR. The contamination from these two glial cell types is thus excluded. (E) Coculturing iOPC with iN leads to the formation of neuron-OPC synapses. The fluorescence-tagged post-synaptic marker PSD95-mCherry is expressed only in OPCs, and display a diffuse pattern in single cultures (left) but aggregate to form puncta in cocultures (right, indicated by arrows; Tuj1, neuronal marker). (F) The expression of well-characterized oligodendroglial genes that can sense and respond to neuronal activities in the pure cultures of iOPCs at Day 14. Please click here to view a larger version of this figure.
The fourth paragraph was updated from:
Co-culturing of iNs and iOPCs
This protocol is optimized specifically for co-culturing iNs and iOPCs and allow our real-time monitoring of the inter-cellular communications between these two cell types along the course of neural development. The ideal plating densities for both cell types need to be decided with a series of cell number titration to achieve proper differentiation (Figure 3A). After 4 weeks in co-cultures, the iOPCs are expected to be adequately differentiated into OLs that are positive for specific markers such as MBP and extend processes to ensheath axons (Figure 3B). The co-culture system can robustly boost up the number of synapses, indicating that the iOPCs provide a neuronal support through physical contacts or release of trophic factors (Figure 3C). We can maintain the co-cultures in acceptable health condition for up to 6 weeks and observe that the synapse number and other neuronal attributes plateau around the fifth week. Of note, astrocytes and microglia are not present in our preparations and their absence can be documented by checking the expression of specific markers (Figure 3D).
to:
Co-culturing of iNs and iOPCs
This protocol is optimized specifically for co-culturing iNs and iOPCs and allow our real-time monitoring of the inter-cellular communications between these two cell types along the course of neural development. The ideal plating densities for both cell types need to be decided with a series of cell number titration to achieve proper differentiation (Figure 3A). After 4 weeks in co-cultures, the iOPCs are expected to be adequately differentiated into OLs that are positive for specific markers such as MBP and extend processes to ensheath axons (Figure 3B). The co-culture system can robustly boost up the number of synapses, indicating that the iOPCs provide a neuronal support through physical contacts or release of trophic factors (Figure 3C). We can maintain the co-cultures in acceptable health condition for up to 6 weeks and observe that the synapse number and other neuronal attributes plateau around the fifth week. Of note, astrocytes and microglia are not present in our preparations and their absence can be documented by checking the expression of specific markers (Figure 3D). The iOPCs express a good number of well-characterized genes that can potentially respond to and mediate the activity-dependent signals from neighboring neurons, in a paracrine (e.g. neurotrophins and metabolites) and/or a synaptic manner (Figure 3E and 3F).
