İmmünkompetan Farelerin Beyinde Non-invaziv Transnazal Yolla İnsan Kaynaklı Pluripotent Kök Hücre Kaynaklı Mikroglia Transplantasyonu

Mikroglia, merkezi sinir sistemindeki (CNS) makrofaj benzeri hücrelerin uzmanlaşmış bir popülasyonudur ve nöral devre gelişimi, nörotransmisyonun modüle edilmesi ve beyin homeostazının^{sürdürülmesi} gibi çeşitli beyin fonksiyonlarının kontrolünde önemli roller oynar ^1,2,3. Murin mikroglia, insanlardan gelenlerle birçok işlevi paylaşmasına rağmen, türe özgü farklılıklar gösterir. Bu nedenle, fare mikrogliasının çeşitli uyaranlara tepkisi her zaman insan mikroglia ^{4,5,6'nınkini} temsil etmeyebilir. Birçok çalışma insan mikrogliasını analiz etmiş olsa da, bu deneyler in vitro çalışmalarla sınırlıdır. İn vitro kültürlü insan mikrogliası, in vivo olanlardan çok farklı morfolojik özellikler ve gen ekspresyonu gösterir. Bu nedenle, in vitro deneyler her zaman insan mikrogliasının in vivo özelliklerini teslim etmeyebilir. Bu nedenle, insan mikrogliasını in vivo olarak incelemek için deneysel bir sisteme ihtiyaç vardır.

Son zamanlarda, insan mikrogliasının in vivo özelliklerini incelemek için, in vitro olarak üretilen indüklenmiş pluripotent kök hücreler (iPSC'ler) - veya embriyonik kök hücrelerden türetilmiş insan mikrogliaları cerrahi olarak farelerin beynine^nakledilir 7,8,9,10,11,12,13,14. Bu yaklaşımı kullanarak, insan mikrogliasının çeşitli in vivo özellikleri karakterize edilmiştir. Bununla birlikte, bu yöntemin yaygın kullanımı iki nedenden dolayı sınırlıdır. Birincisi, bağışıklık eksikliği olan farelerin gerekliliğidir. Bu nedenle, insan mikrogliasının çeşitli nörodejeneratif hastalıklardaki rolünü incelemek için, hastalık mutasyonu taşıyan farelerin, önemli zaman ve çaba gerektiren bağışıklık eksikliği olan farelere geçmesi gerekir. Ayrıca, çeşitli nörolojik bozukluklarda, T hücreleri gibi periferik bağışıklık hücreleri, mikroglial fonksiyonları modüle edebilir^15,16,17. Bu nedenle, bağışıklık eksikliği olan farelerde yapılan deneyler, insan mikrogliasının in vivo olarak iyi niyetli özelliklerini temsil etmeyebilir. İkincisi, mikroglia nakli için invaziv ameliyatlar ek ekipman ve eğitim gerektirir. Ayrıca, invaziv transplantasyon sırasında beyin hasarı mikroglial fenotipleri değiştirebilir.

Bu protokolde, iPSMG'nin immünkompetan vahşi tip farelere non-invaziv transnazal transplantasyonu (Tsn) tanımlanmıştır¹⁸. Endojen fare mikroglia¹⁹ ve Tsn'yi tüketen bir CSF1R antagonisti PLX5622'nin farmakolojik AÇIK / KAPALI kombinasyonunu birleştiren iPSMG, fare beynine invaziv olmayan bir şekilde nakledilebilir. Ayrıca, eksojen insan sitokinin uygulanmasıyla, nakledilen iPSMG, herhangi bir immünosüpresan olmadan bölgeye özgü bir şekilde 60 gün boyunca canlı kalır.

Bu çalışmada kullanılan tüm hayvanlar, Japonya Fizyoloji Derneği²⁰ tarafından yayınlanan "Fizyolojik Bilimler Alanında Hayvanların Bakımı ve Kullanımında Yol Gösterici İlkeler" e uygun olarak ve Yamanashi Üniversitesi Hayvan Bakım Komitesi'nin daha önce onayı ile elde edilmiş, barındırılmış, bakımı yapılmış ve kullanılmıştır (Yamanashi, Japonya).

1. Hücre ortamı, transplantasyon ortamı ve anestezi karışımının hazırlanması

1. DMEM'e %10 fetal sığır serumu ve %0.1 penisilin/streptomisin ekleyerek hücre ortamını hazırlayın.
2. Hücre ortamına hCSF1 (250 ng/mL) ve hTGF-β1 (100 ng/mL) ekleyerek transplantasyon ortamını hazırlayın.
3. Anestezi karışımını intraperitoneal enjeksiyon için 0.45 mL medetomidin hidroklorür, 1.2 mL midazolam ve 1.5 mL butorphanol tartarat 11.8 mL normal salin içinde karıştırarak hazırlayın.

2. iPSMG'nin hazırlanması

NOT: Dondurulmuş iPSMG (Malzeme Tablosu) kullanıma kadar -80 °C'de tutulmuştur.

1. Donmuş hücreleri 37 ° C'lik bir su banyosunda hızlı bir şekilde çözün. Tüm görünür buzlar eriyene kadar örnekleri döndürün.
2. Çözülmüş iPSMG'yi 37 °C'ye ısıtılmış kültür ortamına ekleyin. Kültür ortamının 10 mL'sine ortam içeren 1 mL çözülmüş hücre (1 × 10⁶ hücre) ekleyin.
3. Bir hücre peleti elde etmek için hücreleri 300 x g'da 5 dakika boyunca santrifüj yapın.
4. Santrifüjlemeden sonra, hücre peletini rahatsız etmeden tüm süpernatantları çıkarın. Transplantasyon ortamındaki sitokin konsantrasyonunun seyreltilmesini azaltmak için süpernatantın tamamen çıkarılması arzu edilir.
5. 1 x 10⁵ hücre/μL'lik bir hücre konsantrasyonu elde etmek için transplantasyon ortamını ekleyin.
6. İPSMG'yi buzun üzerine yerleştirin ve hemen transplantasyona devam edin.
   NOT: Transplantasyon için iPSMG hazırlanması, kontaminasyonu önlemek için temiz bir tezgahta gerçekleştirilir.

3. Transnazal transplantasyon için farenin hazırlanması (Tsn)

1. Vahşi tip erkek fareleri (C57BL / 6J, 8 haftalık) 7 gün boyunca PLX5622 içeren diyetle besleyin.
2. 7. günün sonunda, PLX diyetini durdurun ve fareleri çalışmanın sonuna kadar normal bir diyetle besleyin^.
   NOT: PLX5622 içeren diyet, 1 kg AIN-93G'ye (Malzeme Tablosu) 1.2 g PLX5622 eklenerek hazırlanır.

4. Transnazal hücre nakli

1. PLX beslemesinin kesilmesinden 24 saat sonra, fareleri tartın ve anestezi karışımının intraperitoneal enjeksiyonunu (0.2 mL / 20 g) kullanarak anestezi yapın.
2. Fareler, pedal çekme refleksine (sert ayak parmağı sıkışması) yanıt vermeme ile değerlendirildiği gibi tamamen uyuşturulduktan sonra, burun mukozasının geçirgenliğini arttırmak için 10 μL'lik bir pipet ucu kullanarak her burun deliğine iPSMG'nin Tsn'sinden önce 1 saatte PBS'de (100 U / mL) 2.5 μL hyaluronidaz uygulayın.
3. Hyaluronidaz uygulamasından sonra, fareleri sırtüstü pozisyona getirin.
4. iPSMG'nin transnazal transplantasyonundan 10 dakika önce adım 4.2'yi tekrarlayın.
5. 10 μL'lik pipet ucu kullanarak farenin bir burun deliğine 2,5 μL hücre süspansiyonu uygulayın.
6. Diğer burun deliğine hücre süspansiyonu uygulanmadan önce fareyi 5 dakika boyunca sırtüstü pozisyonda yerleştirin.
7. 4,5 ve 4,6 numaralı adımları dört kez tekrarlayın ve hayvan başına toplam 20 μL hacim uygulayın.
8. Anesteziden kurtulana kadar fareyi 37 °C'lik bir ısı yastığına sırtüstü pozisyonda yerleştirin.
9. PLX beslemesinin kesilmesinden 48 saat sonra, aynı farelerde 4.1-4.7 adımlarını bir kez daha tekrarlayın.
   NOT: Transplantasyon sırasında iPSMG'nin buz üzerine yerleştirildiğine dikkat edilmelidir.

5. Sitokinlerin uygulanması

1. Fareleri intraperitoneal anestezi karışımı enjeksiyonu (0.2 mL / 20 g) ile anestezi altına alın.
2. 10 μL'lik bir pipet ucu kullanarak nakil ortamının 2,5 μL'sini farenin bir burun deliğine uygulayın.
3. Transplantasyon ortamını diğer burun deliğine uygulamadan önce fareyi 5 dakika boyunca sırtüstü pozisyonda tutun.
4. 5,2 ve 5,3 numaralı adımları dört kez yineleyin ve hayvan başına toplam 20 μL hacim uygulayın.
   NOT: Transplantasyon ortamının (insan sitokinleri) transnazal uygulamasının, transplante edilen iPSMG'nin çalışmanın sonuna kadar yaşayabilirliği için her 12 saatte bir gerekli olduğu unutulmamalıdır.

Bu teknik, araştırmacının iPSMG'yi hipokampus ve beyinciğe, ancak fare beyninin korteksine invaziv olmayan bir şekilde nakletmesini sağlar. Çalışmayı tamamladıktan sonra, anestezi uygulanan fareler buz gibi soğuk PBS'nin (-) transkardiyal perfüzyonuna maruz bırakıldı, bunu PBS'de buz soğuk% 4 (w / v) paraformaldehit izledi. Beyinler izole edildi,% 4 (w / v) paraformaldehit içinde gece boyunca sabitlendi ve% 30 (w / v) sakkaroz içeren bir PBS'de kriyo-korunaklı hale getirildi. Ayrıca, beyinler gömme bileşiğinde donduruldu ve bir kriyostat üzerinde kesitlendi (20 μm kalınlığında koronal bölümler). Kesitler PBS(-) (her biri 10 dakika) içinde üç kez yıkandı ve geçirgenleştirildi ve 1 saat boyunca normal keçi serumunda %0.5 (v/v) Triton X-100 ile bloke edildi. Kesitler daha sonra 5 gün boyunca anti-insana özgü sitoplazma belirteci, STEM121 (1:100) ve anti Iba1 (1:1000) ile inkübe edildi. Daha sonra, bölümler her biri 10 dakika boyunca PBS (-) ile üç kez yıkandı ve ikincil antikorlarla inkübe edildi: Alexa Fluor 488- veya 546 konjuge fare veya tavşan IgGs (1:1000) oda sıcaklığında 2 saat boyunca. PBS(-) ile üç kez yıkandıktan sonra kesitler antifade montaj ortamı kullanılarak kızaklara monte edilmiştir. Floresan görüntüleri elde etmek için 40x objektif lens ile donatılmış bir konfokal mikroskop kullanıldı. Transplantasyondan 2 ay sonra hipokampus ve kortekste iPSMG'nin yaşayabilirliği Şekil 1'de gösterilmiştir. Nakledilen hücrelerin sayısı, hem insana özgü antikorlar hem de pan-mikroglial / monosit belirteçleri için pozitif olan hücrelerin sayılmasıyla belirlenebilirken, endojen fare mikrogliası pan-mikroglial / monosit belirteci için pozitiftir sadece daha önce tarif edildiği gibi18. Nakledilen iPSMG'ler fare mikrogliasının yerini alır, hipokampusta ramifiye morfolojiler gösterir ve kortekste tespit edilmez18.

Şekil 1: Tsn'den 2 ay sonra korteks ve hipokampusta iPSMG'nin yaşayabilirliği. Sol panelde pan-mikroglial/monosit belirteci Iba1 (yeşil) ile immün boyama görülmektedir. Orta panel, insana özgü sitoplazma belirteci STEM121 (kırmızı) ile immün boyama gösterir. Sağ panel, Iba1 ve STEM121 immün boyamasının birleştirilmiş bir görüntüsünü gösterir. (A) Kontrol farelerinde hem kortekste hem de hipokampusta sadece fare mikrogliası (Iba1+/STEM121-) tespit edildi. (B) iPSMG nakledilen farelerde, kortekste sadece fare mikrogliası (Iba1 + / STEM121-) tespit edilirken, hipokampusta iPSMG (Iba1 + / STEM121 +) tespit edildi. Görüntüdeki oklar fare mikroglia'sını gösterirken, ok uçları iPSMG'yi göstermektedir. Floresan görüntü elde etmek için 40x objektif lens ile donatılmış bir konfokal mikroskop kullanıldı. Maksimum resim boyutu: 1024 x 1024 piksel. Yakınlaştırma faktörü: 2. Ölçek çubukları = 50 μm Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.