Summary

الكشف السريع عن النماء العصبي تعمل في خلايا الإنسان العصبية السلائف (الشخصيات)

Published: March 02, 2018
doi:

Summary

العمليات النمائية مثل الانتشار، والهجرة، وثمرة نورت هي غالباً بالقلق في الأمراض العصبية. وبالتالي، فإننا نقدم بروتوكولات لتقييم سرعة وتكاثر هذه العمليات النمائية في الشخصيات البشرية المستمدة من اللجنة التوجيهية. كما تسمح هذه البروتوكولات تقييم آثار عوامل النمو ذات الصلة والمداواة في التنمية للمجلس الوطني.

Abstract

عائدات التنمية الدماغ البشري من خلال سلسلة من عمليات مدبرة تحديداً، مع المراحل السابقة المتميزة بالانتشار، والهجرة، وثمرة نورت؛ والمراحل اللاحقة التي تتميز بتكوين ثمرة والمشبك إكسون/تغصن. في الاضطرابات النمائية، غالباً ما واحد أو أكثر من هذه العمليات تتعطل، مما يؤدي إلى تشوهات في تكوين الدماغ ووظيفة. مع ظهور التكنولوجيا البشرية المستحثة pluripotent الخلايا الجذعية (هيبسك)، أن الباحثين الآن وفرة من الخلايا البشرية التي يمكن أن تكون متباينة في تقريبا أي نوع من الخلايا، بما في ذلك الخلايا العصبية. يمكن استخدام هذه الخلايا لدراسة تطور الدماغ العادية والمرضية المرض. يميز عدد من البروتوكولات باستخدام هيبسكس نموذج استخدام الأمراض العصبية الميؤوس من شفائهم للخلايا العصبية أو استخدام الثقافة 3D النظم تسمى أورجانويدس. في حين أثبتت هذه الأساليب لا تقدر بثمن في دراسة الأمراض البشرية المرضية، هناك بعض العيوب. التفريق بين هيبسكس في الخلايا العصبية وجيل من أورجانويدس هي طويلة ومكلفة من العمليات التي يمكن أن تؤثر على العدد من المتغيرات التي يمكن تقييمها والتجارب. وباﻹضافة إلى ذلك، بينما تسمح الخلايا العصبية بعد الانقسامية وأورجانويدس دراسة العمليات المتعلقة بالمرض، بما في ذلك ثمرة تغصن وسينابتوجينيسيس، يحول دون دراسة العمليات السابقة مثل الانتشار والهجرة. في الاضطرابات النمائية، مثل مرض التوحد، تشير أدلة وافرة على الجثة والوراثية إلى العيوب في العمليات الإنمائية المبكرة. قد تكون الخلايا العصبية السلائف (الشخصيات)، وعدد سكانها خلية التكاثري عالية، نموذج مناسب لطرح أسئلة حول عمليات موسمية وبدء المرض. الآن نتقدم بمنهجيات المستخلصة من دراسة التنمية في الثقافات القشرية الماوس وفار للشخصيات البشرية. استخدام الشخصيات يسمح لنا بالتحقيق تعمل المتعلقة بالمرض وتحديد مدى اختلاف المتغيرات (مثلعوامل النمو والمخدرات) أثر العمليات الإنمائية بما في ذلك الانتشار، والهجرة، والتمايز في بضعة أيام فقط. في نهاية المطاف، يمكن استخدام مجموعة أدوات هذا بطريقة استنساخه والفائق للتعرف على الآليات الخاصة بالمرض وتعمل في الاضطرابات النمائية.

Introduction

استخدام أبسط الكائنات الحية ونماذج الفأر قد توضيح آليات نمو الدماغ الأساسية، فضلا عن منشأ المرض. وعلى الرغم من أوجه التقدم هذه، لا يزال مسببات العديد من الاضطرابات العصبية بعيد المنال لأن ليس كل النتائج التي توصل إليها في أبسط الكائنات ذات الصلة المباشرة بالجوانب المعقدة للأمراض البشرية. علاوة على ذلك، درجة أكبر من التعقيد في الدماغ البشري غالباً ما يجعل من الصعب لنموذج التنمية البشرية واضطرابات في الحيوانات. ومع تطور وتقدم البشرية المستحثة pluripotent الخلايا الجذعية (هيبسكس) التكنولوجيا، يمكن برمجتها في الخلايا الجذعية خلايا جسدية وثم متباينة داخل الخلايا العصبية لدراسة الأمراض البشرية. التقدم في تكنولوجيات هيبسكس و “أوميك” (علم الجينوم، ترانسكريبتوميكس، البروتيوميات، وجميع) يبشر بأحداث ثورة في فهم تطور الدماغ البشري. هذه التكنولوجيات الآن تتيح نهجاً “طب دقة” لوصف الأمراض العصبية على أساس حالة بحالة.

هو المحصول الحالي في مجال النمذجة المرض هيبسك التفريق بين الخلايا في المخططات العصبية محددة في أحادي الطبقة أو استخدام نظام ثقافة 3D دعا أورجانويد بإيجاز جوانب الدماغ التنمية1،2، 3. وكانت هذه النظم بشكل لا يصدق قيمة في دراسة وكشف الجوانب الفريدة للتنمية البشرية والمرض4،5،،من67. ومع ذلك، الثقافات الخلايا العصبية وأورجانويدس غالباً ما تتطلب في أي مكان من أسابيع لأشهر في الثقافة قبل أنهم مستعدون لدراسة. طبيعة تستغرق وقتاً طويلاً لهذه البروتوكولات، ومقدار الموارد اللازمة للحفاظ على هذه النظم الثقافة كثيرا ما تحد من عدد التجارب التي يمكن القيام بها والعدد من المتغيرات (مثل عوامل النمو أو المخدرات) التي يمكن اختبارها. علاوة على ذلك، ركزت العديد من الدراسات استخدام الخلايا العصبية بعد الانقسامية وأورجانويدس على عمليات مثل تشكيل تغصن ثمرة أو المشبك، التي تحدث في وقت لاحق في التنمية. أثناء هذه العمليات قد تورطت في علم الأمراض اضطرابات النمو مثل التوحد وانفصام الشخصية، في وقت سابق الأحداث التنموية التي تحدث قبل تمايز الخلايا العصبية نهائي أيضا مهمة للمرض المرضية8 ،،من910،11،،من1213. والواقع أن الدراسات الجينية الحديثة تبين أن الفترة منتصف الجنين، التي تتألف من الانتشار وثمرة عملية، والهجرة، أهمية خاصة في التوحد المرضية11،14. وبالتالي، من المهم دراسة الجذعية العصبية والسكان خلية السلف فهم أفضل لهذه العمليات السابقة. نظم أورجانويد، وتنمية العقل البشري الخص مدروسة بشكل أفضل بسبب طبيعتها 3D وهيكل المنظمة، تحتوي على بركة السلف التي استخدمت لدراسة بعض هذه الأحداث السابقة. بيد أن السكان السلف في أورجانويدس في كثير من الأحيان متفرقة وأكثر مثل الخلايا الدبقية شعاعي من العصبية الجذعية أو السلف الخلايا5،15. وهكذا، فإنه سيكون مفيداً لأسلوب إنتاجية عالية لدراسة المراحل المبكرة من النماء العصبي في حالة خلية التكاثري بنشاط سكان.

لقد أنشأنا في المختبر، وهو بروتوكول يستخدم خلايا السلائف العصبية المشتقة من هيبسك (الشخصيات)، وعدد سكانها مختلطة العصبية الجذعية وخلايا السلف التي عالية التكاثري، دراسة العمليات النمائية مثل انتشار الهجرة الخلية، و تمديد العملية الأولية (نورت). ووضعت هذه الاختبارات من التقنيات المستخدمة في المختبر لدينا عقود بنجاح دراسة النماء العصبي في الفئران والفأر الثقافات القشرية16،17،،من1819،20، 21،،من2223. الأهم من ذلك، فإنه يظهر أيضا أن تعمل والإشارات التنظيمية المحددة في أنظمة الثقافة الجرذ والفأر تنبؤية عالية للآليات التي تكون نشطة في فيفو، مشيراً إلى قيمة هذه التقنيات16، 1718،،،من1924. بعد التفريق بين الأولية هيبسكس للشخصيات، هذه الأساليب تسمح لنا بدراسة العمليات الإنمائية الحيوية في غضون أيام. هذه الأساليب لها العديد من المزايا: (1) أنها تتطلب معدات متطورة قليلاً وهي سهلة التنفيذ، replicates التجريبية (2) عديدة يمكن أن تجري في فترة قصيرة من الوقت، مما يسمح لتأكيد السريع في إمكانية تكرار نتائج النتائج، و (3) ويمكن اختبار الثقافة متغيرات مثل مصفوفات الطلاء، وآثار عوامل النمو، والنشاط من المخدرات بسرعة وفعالية من حيث التكلفة. وعلاوة على ذلك، علينا الاستفادة من دور راسخة من عوامل النمو خارج الخلية المنظمين الحرجة للعمليات الإنمائية المتنوعة. الشخصيات تعرضت لتحديد إشارات التنموية مباشرة تحفز الأحداث مثل الانتشار وثمرة نورت والهجرة الخلية، ووجدت أنها تعزز القدرة على تحديد العيوب التي ليست واضحة في مراقبة شروط19 , 25 , 26 , 27 , 28-وبالمثل، يوفر سهولة تقييم المخدرات وسيلة قوية اعتماد تقنيات الطب الدقة لاختبار فعالية التدخلات العلاجية المختلفة. وبالتالي، يسهل هذا البروتوكول إنتاجية عالية، قابل لإعادة الإنتاج، ومنهجية واضحة لدراسة تطور الدماغ المبكر والمرض المرضية، والآثار المفيدة المحتملة لعوامل النمو والمخدرات على النماء العصبي تعمل.

Protocol

1-سلامة الإجراءات وصيانة السلامة الأحيائية مجلس الوزراء إجراءات السلامة في مستوى السلامة الحيوية-2 (BSL-2) اتبع المبادئ التوجيهية لهذه المؤسسة في العمل مع المواد BSL-2. التخلص من المواد BSL-2 وفقا للممارسات للمؤسسة. وتشير إلى الغرف والمعدات المستخدمة لمواد BSL-2. ارتداء جميع مع?…

Representative Results

الهدف من هذه الدراسات تحديد النشاط التكاثري للشخصيات، وهي زيادة في إعداد الخلايا. ويتحقق ذلك بتقدير تركيب الدنا من خلية إجمالي السكان، نهجاً الفائق الذي يقيس إدماج thymidine تريتياتيد المشعة التتبع في مقتطفات الخلية، ويعكس جميع خلايا تعمل في مرحلة ثانية، سواء كانوا توليف ل?…

Discussion

البروتوكولات المقدمة هنا توضيح طرق سريعة وبسيطة دراسة العمليات النمائية الأساسية واختبار عوامل النمو والعقاقير استخدام الخلايا السليفة العصبية المشتقة من هيبسك. وثورة التكنولوجيا هيبسك دراسة الآلية المرضية للأمراض العصبية النمائية بتزويدنا بالوصول غير مسبوق يعيش الإنسان الخلايا الع?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

هذا العمل كان يدعمها مجلس حاكم ولاية نيو جيرسي للبحوث الطبية والعلاج من مرض التوحد (CAUT13APS010؛ CAUT14APL031؛ CAUT15APL041)، لوري نانسي يمثل مؤسسة الأسرة، والمبرات تؤدي ميندوركس، ومؤسسة الجالية اليهودية من أكبر مترويست نيوجيرسي.

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