Summary

Hızlı algılama nörogelişimsel fenotipleri insan sinir habercisi hücrelerdeki (NPCs)

Published: March 02, 2018
doi:

Summary

Nükleer silahların yayılmasına karşı geçiş ve neurite çıkıntı kez nöropsikiyatrik hastalık tedirgin gibi nörogelişimsel işler. Böylece, biz hızla ve tekrarlanarak insan IPSC kaynaklı NPCs bu nörogelişimsel işlemlerde değerlendirmek için protokolleri mevcut. Bu iletişim kuralları da ilgili büyüme faktörleri ve tedavi etkileri NPC gelişimi üzerine bir değerlendirme sağlar.

Abstract

İnsan beyin gelişimi işlemleri kesin bir şekilde düzenledi, daha önceki aşamaları yayılması, geçiş ve neurite çıkıntı tarafından ayırt edici ile bir dizi devam eder; ve daha sonraki aşamalarında axon/dendrite çıkıntı ve synapse oluşumu ile karakterize. Nörogelişimsel bozukluklar, sık sık bir veya daha bu süreçlerin, anomalileri beyin oluşumu ve fonksiyon önde gelen alt üst. İnsan İndüklenmiş pluripotent kök hücre (hiPSC) teknolojisinin ortaya çıkmasıyla, araştırmacılar Şimdi sinir hücreleri de dahil olmak üzere hemen her hücre tipi, ayrıştırılan insan hücreleri bir bol kaynağı var. Bu hücreler normal beyin gelişimi ve hastalık patogenezinde eğitim için kullanılabilir. Bir dizi ölümcül nöropsikiyatrik hastalık kullanım modeli için hiPSCs kullanarak Protokolü sinir hücreleri ayrıştırılan veya 3D kültür sistemleri kullanmak organoids olarak adlandırdığı. Bu yöntemler insan hastalık patogenezinde okumak çok değerli kanıtlanmış olsa da bazı dezavantajları vardır. HiPSCs nöronlar içine farklılaşma ve organoids nesil deneyler ve tespit edilebilir değişkenler sayısını etkileyebilir uzun ve pahalı işlemler vardır. Buna ek olarak, sonrası Mitotik neurons ve organoids dendrite çıkıntı ve synaptogenesis, gibi işlemlere, hastalığı ile ilgili çalışma izin verirken yayılması ve göç gibi önceki işlemler çalışma engel. Otizm gibi nörogelişimsel bozukluklar genetik ve öldükten sonra kanıt erken gelişimsel süreçleri hataları gösterir. Sinirsel öncül hücreleri (NPC), son derece proliferatif hücre nüfus, hangi ontogenetik süreçleri ve hastalık başlatma hakkında soru sormak uygun bir model olabilir. Biz şimdi fare ve sıçan kortikal kültürlerinde insan NPCs için geliştirme eğitim öğrenmiş metodolojisi uzatmak. NPC kullanımı hastalığı ile ilgili fenotipleri araştırmak ve ne kadar farklı değişkenleri (örneğin, büyüme faktörleri, uyuşturucu) etkisi gelişimsel süreçleri yayılması, geçiş ve farklılaşma sadece bir kaç gün içinde de dahil olmak üzere tanımlamak için bize izin verir. Sonuçta, bu araç grubu tekrarlanabilir ve yüksek üretilen iş bir şekilde hastalığa özgü mekanizmaları ve nörogelişimsel bozukluklar fenotipleri tanımlamak için kullanılabilir.

Introduction

Kullanımı basit organizmalar ve fare modelleri temel beyin gelişimi hem de hastalık patogenezinde mekanizmaları aydınlatılmamıştır. Tüm bulgular sade organizmalarda doğrudan insan hastalık karmaşık yönlerini ilgilidir çünkü bu gelişmeler rağmen birçok nöropsikiyatrik bozuklukların etiyolojisi zor kalır. Ayrıca, insan beyninin büyük karmaşıklığı kez model insan gelişimi için zor hale getirir ve hayvanlarda bozuklukları. Evrim ve İnsan İndüklenmiş pluripotent kök hücreler (hiPSCs) teknoloji ilerleme ile somatik hücre kök hücre yeniden programlanan ve insan hastalık çalışmaya nöronal hücrelere ayrılır. HiPSCs ve “omic” teknolojileri (genomik, transcriptomics, proteomik, metabolomics) gelişmeler insan beyin gelişimi anlayış bir devrim söz veriyorum. Bu teknolojiler şimdi “hassas tıp” yaklaşımı için ayrı ayrı tarafından nöropsikiyatrik hastalık karakterizasyonu mümkün olun.

HiPSC hastalığı-modelleme alanındaki geçerli elyaf hücreleri belirli nöronal alt türlerinden bir monolayer içine ayırt etmek için ya da beyin geliştirme1,2yönleriyle özetlemek için bir organoid olarak adlandırılan bir 3D kültür sistemi kullanmak için. 3. Bu sistemleri eğitim ve insan gelişimi ve hastalık4,5,6,7benzersiz özelliklerini ortaya çıkarılması son derece değerli olmuştur. Çalışmaya hazır olduklarını önce ancak, nöronal kültür ve organoids kez herhangi bir hafta sonra ay kültür gerektirir. Bu protokoller ve bu kültür sistemleri kez gerçekleştirilen deneyler sayısı ve büyüme faktörleri ya da uyuşturucu) (gibi test edilebilir değişkenlerin sayısını sınırlamak sürdürebilmek için ihtiyaç duyulan kaynakların miktarı zaman alıcı doğası. Ayrıca, birçok çalışma sonrası Mitotik neurons ve organoids kullanan dendrite çıkıntı veya synapse oluşumu gibi daha sonra gelişme meydana süreçleri üzerinde odaklanmıştır. Bu işlemler içinde gelişimsel bozukluğu otizm ve şizofreni gibi patoloji karıştığı olmuştur iken, daha önce daha önce kesin Nöronal Farklılaşma meydana gelen gelişimsel olayları da hastalık patogenezinde8 için önemlidir ,9,10,11,12,13. Nitekim, son genomik çalışmalar yayılması, işlem yapılan ve geçiş oluşur, orta-fetal dönem otizm Patogenez11,14‘ te özellikle önemli olduğunu gösteriyor. Böylece, çalışma nöral kök ve progenitör hücre popülasyonlarının önceki bu işlemleri daha iyi anlamak için önemlidir. İnsan beyin gelişimi daha iyi düşünülmüş özetlemek kendi 3D doğa ve organize yapısı nedeniyle, Organoid sistemleri, bazı bu önceki olayların eğitim için kullanılan bir progenitör havuzu içermektedirler. Ancak, organoids atası popülasyonda sık sık seyrek ve daha fazla Radyal gliyal hücreler nöral kök veya progenitör hücre5,15gibi. Böylece, açıkların bir aktif proliferatif hücre nüfus erken dönemlerinde çalışmaya yüksek aktarım yöntemi faydalı olacaktır.

Laboratuarda, sinirsel habercisi hiPSC elde edilen hücreleri (NPC), yayılması, hücre göç, gibi nörogelişimsel süreçleri çalışmaya son derece proliferatif nöral kök ve progenitör hücre karışık nüfus kullanan bir iletişim kuralı oluşturduktan ve ilk işlem (neurite) uzantısı. Bu deneyleri laboratuarımıza yıllardır başarıyla açıkların fare ve fare kortikal kültürler16,17,18,19,20eğitim için kullanılan teknik geliştirilmiştir, 21,22,23. Önemlisi, bu da fenotipleri ve düzenleyici sinyaller fare ve fare kültür sistemlerinde tanımlanan etkin vivo içindegösteren değeri bu teknikleri16, , olan mekanizmaları son derece akıllı gösterildi 17,18,19,24. HiPSCs NPCs için ilk farklılaşma sonra bu yöntemler hayati gelişimsel süreçleri birkaç gün içinde çalışma izin. Bu yöntemler pek çok avantajı var: (1) onlar biraz karmaşık ekipman isteyen ve uygulamak çok kolay olan, (2) çok sayıda deneysel çoğaltır tekrarlanabilirlik sonuçları ve (3) hızlı onay için izin zaman, kısa bir süre içinde yürütülen Kültür değişkenleri kaplama matrisler, büyüme faktörlerinin etkileri ve ilaçların etkinliğini gibi hızla ve düşük maliyetle test edilebilir. Ayrıca, farklı gelişim süreçlerinin kritik düzenleyiciler olarak hücre dışı büyüme faktörlerinin rolü köklü avantajlarından yararlanın. NPCs doğrudan nükleer silahların yayılmasına karşı neurite çıkıntı ve hücre göç gibi teşvik etmek ve onlar kontrol koşullar19 ‘ belirgin değildir hataları tanımlama yeteneği geliştirmek bulduk gelişimsel sinyalleri seçin sinin , 25 , 26 , 27 , 28. aynı şekilde, çeşitli tedavi müdahalelerin etkinliğini test etmek için hassas tıp teknikleri benimsemeye güçlü bir cadde uyuşturucu değerlendirme kolaylığı sağlar. Böylece, bu iletişim kuralı bir yüksek işlem hacmi, tekrarlanabilir ve erken beyin gelişimi, hastalık patogenezinde ve büyüme faktörleri ve uyuşturucu olası yararlı etkilerini nörogelişimsel fenotipleri üzerinde çalışmak için basit metodoloji kolaylaştırır.

Protocol

1. güvenlik prosedürleri ve Biyogüvenlik kabini bakım Biyogüvenlik seviye-2 (BSL-2) güvenlik prosedürleri BSL-2 malzeme ile çalışma hakkında kurumun yönergeleri izleyin. Kurumun uygulamaları BSL-2 malzemeleri atmayın. Odalar ve BSL-2 malzemeler için kullanılan ekipman gösterir. Önlük ve eldiven dahil olmak üzere tüm kişisel koruyucu ekipman (PPE), giymek. Biyogüvenlik kabini bakım BSL-2 düzey malzeme kullanı…

Representative Results

Bu çalışmaların bir gol NPCs, diğer bir deyişle, bir hücre sayıları artış proliferatif aktivitesini tanımlamaktır. Bu DNA sentezi toplam hücresini nüfusun radyoaktif izleyici tritiated timidin birleşme hücre özleri içine ölçer ve bunların olup tüm hücreleri S-aşamasında nişanlı yansıtan bir yüksek-den geçerek yaklaşım değerlendirme tarafından sağlanır sentezleme 5 dakika veya tüm iki saat için. Ayrıca, bu deneyleri S-faz ve toplam hücresini sayı, …

Discussion

Burada sunulan protokolleri temel nörogelişimsel işlemler çalışma ve büyüme faktörleri ve sinirsel habercisi hiPSC elde edilen hücreleri kullanarak uyuşturucu testi için hızlı ve basit yöntemleri gösterilmektedir. hiPSC teknoloji nörogelişimsel hastalıkların patogenezinde çalışmanın bizi insan nöronal hücre etkilenen bireylerin yaşamak için eşi görülmemiş erişim sağlayarak devrim yarattı. Gerçekten de, Rett sendromu, Timothy sendromu, Fragile X sendromu, dahil olmak üzere Nörogelişi…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Bu eser tıbbi araştırma ve otizm tedavisi (CAUT13APS010; için New Jersey valisi Konseyi tarafından desteklenmiştir CAUT14APL031; CAUT15APL041), Nancy Lurie Aile Vakfı, Mindworks Hayır kurşun güven ve Yahudi cemaati Vakfı büyük MetroWest NJ işaretleri.

Materials

PSC Neural Induction Medium:
Protocol Link: https://goo.gl/euub7a 
ThermoFischer Scientific A1647801 This is a kit that consists of Neurobasal (NB) medium and a 50x Neural Induction Supplement (NIS). The NIS is used to make 1X Neural Induction Medium and 100% Expansion Medium
Advanced DMEM/F12 Medium ThermoFischer Scientific 12634-010 Component of 100% Expansion Medium
Neurobasal Medium ThermoFischer Scientific 21103049 Component of both NIM and 100% Expansion Medium 
hESC-qualified Matrigel Corning 354277 hESC-qualified extracellular matrix-mimic gel (ECM-mimic gel) 
Y-27632 (2HCl), 1 mg Stem Cell Technologies 72302 ROCK inhibitor
6 well plates Corning COR-3506 Polystyrene plates used for NPC maintenance and for Neurosphere Migration Assay 
24 well plates ThermoFischer Scientific 2021-05 Polystyrene plates: Used for NPC DNA Synthesis Assay
35 mm dishes ThermoFischer Scientific 2021-01 Polystyrene plates: Used for NPC S-Phase Entry and Neurite Assay
Natural Mouse Laminin Invitrogen 23017-015 Substrate for coating plates: Used for NPC DNA Synthesis, S-Phase Entry, and Cell Number Assays
Fibronectin Sigma F1141 Substrate for coating plates: Used for Neurite Assay 
Poly-D-Lysine Sigma P0899 Substrate for coating plates
Penicillin/Streptomycin ThermoFischer Scientific 15140122 Antibiotic, component of NIM, 100% Expansion and 30% Expansion Media 
StemPro Accutase Gibco A11105-01 1X Cell Detachment Solution 
2.5% Trypsin (10X) Gibco 15090-046 10X enzymatic solution
0.5 M EDTA ThermoFischer Scientific AM9261 used in trypsin solution for lifting cells for DNA synthesis assay
tritiated [3H]-thymidine PerkinElmer NET027E001 Radioactive tritium, thymidine
Fisherbrand 7 mL HDPE Scintillation Vials Fisherbrand 03-337-1 Vials for liquid scintillation counting
EcoLite(+) MP Biomedicals 0188247501  Liquid scintillation cocktail
LS 6500 multi-purpose liquid scintillation counter Beckman Coulter 8043-30-1194 Liquid Scintillation Counter
Skatron Semi-automactic Cell Harvester Type 11019 Molecular Devices & Skatron Instruments, Inc. Semi-automatic cell harvester
Click-iT EdU Alexa Fluor® 488 Imaging Kit ThermoFisher Scientific C10337 EdU and staining kit for S-Phase Entry Assay
Trypan Blue Solution, 0.4% ThermoFisher Scientific 15250061 Assessing viability of cells
Grade GF/C filter paper GE Healthcare Life Sciences, Whatman 1822-849 Glass fiber filter paper
Human Basic FGF-2 Peprotech 100-18B growth factor
Pituitary Adenylate Cyclase Activating Polypeptide (PACAP-38) BACHEM H-8430 neuropeptide

References

  1. Lancaster, M. A., Knoblich, J. A. Generation of cerebral organoids from human pluripotent stem cells. Nat Protoc. 9 (10), 2329-2340 (2014).
  2. Dolmetsch, R., Geschwind, D. H. The human brain in a dish: the promise of iPSC-derived neurons. Cell. 145 (6), 831-834 (2011).
  3. Pang, Z. P., et al. Induction of human neuronal cells by defined transcription factors. Nature. 476 (7359), 220-223 (2011).
  4. Marchetto, M. C., et al. A model for neural development and treatment of Rett syndrome using human induced pluripotent stem cells. Cell. 143 (4), 527-539 (2010).
  5. Bershteyn, M., et al. Human iPSC-Derived Cerebral Organoids Model Cellular Features of Lissencephaly and Reveal Prolonged Mitosis of Outer Radial Glia. Cell Stem Cell. 20 (4), 435-449 (2017).
  6. Giandomenico, S. L., Lancaster, M. A. Probing human brain evolution and development in organoids. Curr Opin Cell Biol. 44, 36-43 (2017).
  7. Vaccarino, F. M., et al. Induced pluripotent stem cells: a new tool to confront the challenge of neuropsychiatric disorders. Neuropharmacology. 60 (7-8), 1355-1363 (2011).
  8. Walsh, T., et al. Rare structural variants disrupt multiple genes in neurodevelopmental pathways in schizophrenia. Science. 320 (5875), 539-543 (2008).
  9. Guilmatre, A., et al. Recurrent rearrangements in synaptic and neurodevelopmental genes and shared biologic pathways in schizophrenia, autism, and mental retardation. Arch Gen Psychiatry. 66 (9), 947-956 (2009).
  10. Pinto, D., et al. Convergence of genes and cellular pathways dysregulated in autism spectrum disorders. Am J Hum Genet. 94 (5), 677-694 (2014).
  11. Parikshak, N. N., et al. Integrative functional genomic analyses implicate specific molecular pathways and circuits in autism. Cell. 155 (5), 1008-1021 (2013).
  12. Birnbaum, R., Jaffe, A. E., Hyde, T. M., Kleinman, J. E., Weinberger, D. R. Prenatal expression patterns of genes associated with neuropsychiatric disorders. Am J Psychiatry. 171 (7), 758-767 (2014).
  13. Voineagu, I., et al. Transcriptomic analysis of autistic brain reveals convergent molecular pathology. Nature. 474 (7351), 380-384 (2011).
  14. Willsey, A. J., et al. Coexpression networks implicate human midfetal deep cortical projection neurons in the pathogenesis of autism. Cell. 155 (5), 997-1007 (2013).
  15. Qian, X., et al. Brain-Region-Specific Organoids Using Mini-bioreactors for Modeling ZIKV Exposure. Cell. 165 (5), 1238-1254 (2016).
  16. Yan, Y., et al. Pro- and anti-mitogenic actions of pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide in developing cerebral cortex: potential mediation by developmental switch of PAC1 receptor mRNA isoforms. J Neurosci. 33 (9), 3865-3878 (2013).
  17. Mairet-Coello, G., et al. p57(KIP2) regulates radial glia and intermediate precursor cell cycle dynamics and lower layer neurogenesis in developing cerebral cortex. Development. 139 (3), 475-487 (2012).
  18. Tury, A., Mairet-Coello, G., DiCicco-Bloom, E. The cyclin-dependent kinase inhibitor p57Kip2 regulates cell cycle exit, differentiation, and migration of embryonic cerebral cortical precursors. Cereb Cortex. 21 (8), 1840-1856 (2011).
  19. Mairet-Coello, G., Tury, A., DiCicco-Bloom, E. Insulin-like growth factor-1 promotes G(1)/S cell cycle progression through bidirectional regulation of cyclins and cyclin-dependent kinase inhibitors via the phosphatidylinositol 3-kinase/Akt pathway in developing rat cerebral cortex. J Neurosci. 29 (3), 775-788 (2009).
  20. Tury, A., Mairet-Coello, G., DiCicco-Bloom, E. The multiple roles of the cyclin-dependent kinase inhibitory protein p57(KIP2) in cerebral cortical neurogenesis. Dev Neurobiol. 72 (6), 821-842 (2012).
  21. Li, B., DiCicco-Bloom, E. Basic fibroblast growth factor exhibits dual and rapid regulation of cyclin D1 and p27 to stimulate proliferation of rat cerebral cortical precursors. Dev Neurosci. 26 (2-4), 197-207 (2004).
  22. Lu, N., DiCicco-Bloom, E. Pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide is an autocrine inhibitor of mitosis in cultured cortical precursor cells. Proc Natl Acad Sci U S A. 94 (7), 3357-3362 (1997).
  23. Zhou, X., Suh, J., Cerretti, D. P., Zhou, R., DiCicco-Bloom, E. Ephrins stimulate neurite outgrowth during early cortical neurogenesis. J Neurosci Res. 66 (6), 1054-1063 (2001).
  24. Falluel-Morel, A., et al. N-acetyl cysteine treatment reduces mercury-induced neurotoxicity in the developing rat hippocampus. J Neurosci Res. 90 (4), 743-750 (2012).
  25. Rossman, I. T., et al. Engrailed2 modulates cerebellar granule neuron precursor proliferation, differentiation and insulin-like growth factor 1 signaling during postnatal development. Mol Autism. 5 (1), 9 (2014).
  26. Tao, Y., Black, I. B., DiCicco-Bloom, E. In vivo neurogenesis is inhibited by neutralizing antibodies to basic fibroblast growth factor. J Neurobiol. 33 (3), 289-296 (1997).
  27. Vaccarino, F. M., Grigorenko, E. L., Smith, K. M., Stevens, H. E. Regulation of cerebral cortical size and neuron number by fibroblast growth factors: implications for autism. J Autism Dev Disord. 39 (3), 511-520 (2009).
  28. Kaplan, D. R., Miller, F. D. Neurotrophin signal transduction in the nervous system. Curr Opin Neurobiol. 10 (3), 381-391 (2000).
  29. Shen, S., Gehlert, D. R., Collier, D. A. PACAP and PAC1 receptor in brain development and behavior. Neuropeptides. 47 (6), 421-430 (2013).
  30. Suh, J., Lu, N., Nicot, A., Tatsuno, I., DiCicco-Bloom, E. PACAP is an anti-mitogenic signal in developing cerebral cortex. Nat Neurosci. 4 (2), 123-124 (2001).
  31. Falluel-Morel, A., et al. Pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide prevents the effects of ceramides on migration, neurite outgrowth, and cytoskeleton remodeling. Proc Natl Acad Sci U S A. 102 (7), 2637-2642 (2005).
  32. Ataman, B., et al. Evolution of Osteocrin as an activity-regulated factor in the primate brain. Nature. 539 (7628), 242-247 (2016).
  33. Doers, M. E., et al. iPSC-derived forebrain neurons from FXS individuals show defects in initial neurite outgrowth. Stem Cells Dev. 23 (15), 1777-1787 (2014).
  34. Pasca, S. P., et al. Using iPSC-derived neurons to uncover cellular phenotypes associated with Timothy syndrome. Nat Med. 17 (12), 1657-1662 (2011).
  35. Brennand, K., et al. Phenotypic differences in hiPSC NPCs derived from patients with schizophrenia. Mol Psychiatry. 20 (3), 361-368 (2015).
  36. Marchetto, M. C., et al. Altered proliferation and networks in neural cells derived from idiopathic autistic individuals. Mol Psychiatry. , (2016).
  37. Voineagu, I. Gene expression studies in autism: moving from the genome to the transcriptome and beyond. Neurobiol Dis. 45 (1), 69-75 (2012).
  38. Waltereit, R., Banaschewski, T., Meyer-Lindenberg, A., Poustka, L. Interaction of neurodevelopmental pathways and synaptic plasticity in mental retardation, autism spectrum disorder and schizophrenia: implications for psychiatry. World J Biol Psychiatry. 15 (7), 507-516 (2014).
  39. Quadrato, G., Brown, J., Arlotta, P. The promises and challenges of human brain organoids as models of neuropsychiatric disease. Nat Med. 22 (11), 1220-1228 (2016).
  40. Pasca, S. P., Panagiotakos, G., Dolmetsch, R. E. Generating human neurons in vitro and using them to understand neuropsychiatric disease. Annu Rev Neurosci. 37, 479-501 (2014).
  41. Huttunen, T. T., et al. An automated continuous monitoring system: a useful tool for monitoring neuronal differentiation of human embryonic stem cells. Stem Cell Studies. 1 (1), 10 (2011).
  42. Lappalainen, R. S., et al. Similarly derived and cultured hESC lines show variation in their developmental potential towards neuronal cells in long-term culture. Regen Med. 5 (5), 749-762 (2010).
  43. . GIBCO Induction of Neural Stem Cells from Human Pluripotent Stem Cells Using PSC Neural Induction Medium Available from: https://tools.thermofisher.com/content/sfs/manuals/MAN0008031.pdf (2017)
  44. . Invitrogen Click-iT EdU Microplate Assay Available from: https://tools.thermofisher.com/content/sfs/manuals/mp10214.pdf (2017)

Play Video

Cite This Article
Williams, M., Prem, S., Zhou, X., Matteson, P., Yeung, P. L., Lu, C., Pang, Z., Brzustowicz, L., Millonig, J. H., Dicicco-Bloom, E. Rapid Detection of Neurodevelopmental Phenotypes in Human Neural Precursor Cells (NPCs). J. Vis. Exp. (133), e56628, doi:10.3791/56628 (2018).

View Video