Method Article
Hier beschreiben wir ein Protokoll, das die Differenzierung von humanen induzierten pluripotenten Stammzellen in funktionelle Vorderhirn-spezifische Astrozyten erleichtert. Dies ermöglicht die Untersuchung der Rolle von Gliazellen bei der Pathogenese von neurologischen Entwicklungsstörungen, wie dem Fragile-X-Syndrom, und die Modellierung anderer Hirnerkrankungen.
Das Fragile-X-Syndrom (FXS), eine der Hauptursachen für Autismus-Spektrum-Störungen und geistige Behinderungen, wurde ausgiebig anhand von Nagetiermodellen untersucht. In jüngerer Zeit wurden auch von menschlichen Stammzellen abgeleitete Modellsysteme verwendet, um mechanistische Einblicke in die Pathophysiologie des FXS zu gewinnen. Diese Studien haben sich jedoch fast ausschließlich auf Neuronen konzentriert. Trotz zunehmender Beweise für eine Schlüsselrolle von Gliazellen bei der neuronalen Funktion bei Gesundheit und Krankheit ist wenig darüber bekannt, wie menschliche Astrozyten von FXS beeinflusst werden.
Aus diesem Grund haben wir in dieser Studie erfolgreich ein Protokoll entwickelt, das wichtige raumzeitliche Meilensteine der Gehirnentwicklung erfasst und auch mit dem Prozess der Gliogenese übereinstimmt. Zusammen bietet dies einen nützlichen Rahmen für die Untersuchung von neurologischen Entwicklungsstörungen. Zunächst haben wir die humanen induzierten pluripotenten Stammzellen in die neuroektodermale Linie mit dualem Suppressor of Mothers against Decapentaplegic (SMAD) Hemmung und kleinen Molekülen eingeordnet. Anschließend verwendeten wir spezifische Wachstumsfaktoren und Zytokine, um von Patienten stammende astrozytäre Vorläuferzellen (APCs) und FXS-Patienten zu erzeugen. Die Behandlung von APCs mit dem ziliären neurotrophen Faktor, einem differenzierenden Zytokin, regulierte und trieb die Vorläuferzellen zur astrozytären Reifung, was zu Vorderhirn-spezifischen Gliafibrillären, sauren Protein-exprimierenden Astrozyten führte.
Wir fanden heraus, dass diese Astrozyten funktionsfähig sind, was durch ihre Kalziumreaktionen auf die ATP-Anwendung belegt wird, und dass sie einen dysregulierten glykolytischen und mitochondrialen Stoffwechsel bei FXS aufweisen. Zusammengenommen bieten diese Ergebnisse eine nützliche experimentelle Plattform menschlichen Ursprungs für die Untersuchung zellautonomer und nicht-zellautonomer Folgen von Veränderungen der astrozytären Funktion, die durch neurologische Entwicklungsstörungen verursacht werden.
Das Fragile-X-Syndrom (FXS), eine häufige erbliche Form der geistigen Behinderung und der Autismus-Spektrum-Störung (ASS), wird durch den Mangel an fragilem X-Boten-Ribonukleoprotein (FMRP) verursacht, das vom fragilen X-Boten-Ribonukleoprotein 1 (FMR1)-Gen produziert wird (OMIM: #300624, https://www.omim.org/entry/300624). FMRP spielt eine Rolle bei der Regulation der mRNA-Translation, der mRNA-Granulierung und des mRNA-Transports sowie der microRNA-vermittelten Regulation der Genexpression1. Der Verlust von FMRP wirkt sich also nicht nur auf die Gehirnentwicklung, sondern auch auf die Gehirnfunktion von Erwachsenen aus. Sowohl die mRNA-Transkriptspiegel von FMR1 als auch die Immunfärbung für FMRP im Gehirn haben eine hohe neuronale Expression gezeigt, neben einer signifikanten Expression auch in Gliazellen2. Die überwiegende Mehrheit früherer Studien an Tiermodellen von FXS konzentrierte sich jedoch hauptsächlich auf Neuronen und Aberrationen in ihrer Funktion. Folglich ist wenig über die Rolle der Gliazellen bei FXS3 bekannt. Traditionellals "passive Unterstützungszellen" angesehen 4, gibt es immer mehr Hinweise darauf, dass Astrozyten bei der Vermittlung einer Vielzahl von neuronalen Funktionen entscheidend sind 5,6, einschließlich der Förderung der Synaptogenese7, der Verfeinerung der Entwicklung neuronaler Schaltkreise8 und des Neurotransmitterrecyclings9. Parallel dazu gibt es immer mehr Beweise für die Rolle von Astrozyten bei der Pathogenese von Krankheiten, und viele neurologische Erkrankungen wurden mit astrozytärer Dysfunktion in Verbindung gebracht10.
Während sich ein Großteil der früheren Arbeiten mit Tiermodellen von FXS auf die Identifizierung und Validierung verschiedener molekularer Ziele in Neuronen zur Behandlung von FXS konzentrierte, haben diese präklinischen Befunde nicht immer zu erfolgreichen klinischen Ergebnissen geführt. Darüber hinaus unterstreichen auch Rückschläge in den jüngsten klinischen Studien die Notwendigkeit von humanbasierten Modellsystemen. Modelle neurologischer Erkrankungen, die auf aus menschlichen Stammzellen gewonnenen Gehirnzellen basieren, bieten eine leistungsstarke Strategie, um diese Lücke zwischen mechanistischen Erkenntnissen aus Tierversuchen und begrenztem Erfolg mit klinischen Ergebnissen für Patienten zu schließen. Allerdings hat sich nur eine Handvoll dieser Studien auf Astrozyten konzentriert, und zwar hauptsächlich auf Astrozyten, die spinalen Ursprungs sind. Dies wiederum ist relevant im Lichte von Studien, die zeigen, dass die Struktur und Funktion von Astrozyten zwischen den Hirnregionen variiert11,12. Um krankheitsinduzierte Veränderungen in menschlichen Astrozyten besser zu verstehen, müssen daher auch diese hirnregionenspezifischen Unterschiede in Astrozyten berücksichtigt werden. Modelle für neurologische Entwicklungsstörungen mit aus menschlichen Stammzellen gewonnenen Astrozyten, die spezifisch für das Vorderhirn sind, sind jedoch noch vergleichsweise wenig erforscht13. Um diese Lücken zu schließen, beschreiben wir daher Protokolle zur Generierung von Vorderhirn-spezifischen Astrozyten aus patienteneigenen induzierten pluripotenten Stammzellen (iPSCs), die FXS-Mutationen tragen; Darüber hinaus zeigen wir, dass Astrozyten funktionsfähig sind und einen veränderten Stoffwechsel aufweisen.
Alle Experimente mit humanen induzierten pluripotenten Stammzellen (hiPSCs) (Tabelle 1) wurden nach Erhalt der entsprechenden institutionellen behördlichen Genehmigungen durchgeführt. Abbildung 1A zeigt das vollständige Differenzierungsprotokoll von hiPSCs zu reifen Vorderhirn-spezifischen Astrozyten.
1. Erhaltung und Ausbau von hiPSCs
2. Erzeugung und Charakterisierung astrozytärer Vorläuferzellen (APCs)
3. Generierung und Charakterisierung einer homogenen Population von Vorderhirn-spezifischen Astrozyten
Die Kolonien humaner induzierter pluripotenter Stammzellen (hiPSC) wurden unter Verwendung eines kommerziell erhältlichen definierten Mediums gehalten und mit den Pluripotenzmarkern Oct4 und Nanog immungefärbt (Abbildung 1B). FXS- und CTRL-APCs zeigten vergleichbare hochangereicherte Anteile von Zellen, die immunpositiv für Vimentin und NFIA waren (Abbildung 1C,D). Wir fanden heraus, dass APCs, die von gesunden und FXS-hiPSCs abgeleitet wurden, eine signifikante Hochregulation von FOXG1 im Vergleich zu HOXB4 zeigten (Abbildung 1F), was mit einer vorherrschenden Vorderhirnidentität übereinstimmt. Wir beobachteten eine signifikante Reduktion der Anzahl von GFAP-exprimierenden Astrozyten in FXS-Gruppen im Vergleich zu CTRL-Astrozyten, ohne die Anzahl der S100β-exprimierenden Astrozyten zu beeinflussen (Abbildung 2B). Die Western-Blot-Analyse zeigte, dass die Astrozyten, die aus beiden FXS-Linien erzeugt wurden, keine Expression von FMRP aufwiesen (Abbildung 2C,D). Die Quantifizierung neu synthetisierter Proteine ergab keinen signifikanten Unterschied zwischen CTRL- und FXS-Linien in APCs oder Astrozyten (Abbildung 3C). Wir fanden jedoch, dass die Proteinsynthese in APCs für jede Linie konsistent höher war als in ihren jeweiligen Astrozyten (Abbildung 3C). Diese Ergebnisse deuten auf eine stadienspezifische Reduktion der de novo Proteinsynthese von APCs zu Astrozyten sowohl in der FXS- als auch in der CTRL-Linie hin.
Sowohl die Kontroll- als auch die FXS-Astrozyten wiesen ATP-induzierte Kalziumtransienten auf (Abbildung 4A). Eine detailliertere Analyse ergab jedoch mehrere wichtige Unterschiede zwischen den einzelnen Kalziumtransienten, die von CTRL-, FXS1- und FXS2-Astrozyten aufgezeichnet wurden (Abbildung 4B). Wir klassifizierten die Astrozyten als Responder und Nicht-Responder auf ATP, basierend auf dem Vorhandensein bzw. Fehlen einer Kalziumreaktion (Abbildung 4C). Die Anzahl der Responder in FXS1 und FXS2 war signifikant niedriger als bei CTRL. Insbesondere beobachteten wir eine signifikante Verringerung der Peakamplitude des ersten Calciumtransienten, die nach ATP-Applikation in beiden FXS-Astrozytenlinien hervorgerufen wurde (Abbildung 4D). Darüber hinaus war die Gesamtdauer des ersten Calciumtransienten in den FXS1- und FXS2-Linien signifikant kürzer als in der CTRL (Abbildung 4E). Die Anzahl der Kalziumereignisse (quantifiziert als Gesamtzahl der Ereignisse pro 250 s; Abbildung 4F) war zwischen den Linien vergleichbar. Zusammengenommen zeigen diese Ergebnisse Veränderungen in den Kalziumreaktionen, die durch ATP in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten ausgelöst werden. Die ECAR-Ergebnisse deuten auf eine höhere Glykolyserate, glykolytische Kapazität und glykolytische Reserve in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten hin (Abbildung 5A,B). Wir fanden keinen signifikanten Unterschied in der basalen Atmung bei CTRL- und FXS-Astrozyten. Die zelluläre ATP-Produktion zeigte keinen signifikanten Unterschied zwischen CTRL- und FXS-Astrozyten. Die FCCP-Stimulation führte bei FXS-Astrozyten zu einer signifikant geringeren maximalen Atmung als bei CTRL-Astrozyten (Abbildung 5C,D).
Abbildung 1: Ableitung von Vorderhirn-spezifischen astrozytären Vorläuferzellen aus hiPSCs. (A) Illustrativer Arbeitsablauf zur Generierung von Astrozyten aus hiPSCs. (B) Repräsentative Bilder von hiPSCs, die eine vergleichbare Expression von Oct4/Nanog in CTRL- und FXS-Linien zeigen. (C) Eine homogene Population von hiPSC-abgeleiteten APCs exprimierte eine ähnliche Anzahl von Vimentin- und NFIA-positiven Zellen. (D) Kein signifikanter Unterschied in der Expression von Vimentin- und NFIA zwischen CTRL- und FXS-APCs. Die statistische Analyse erfolgte unter Verwendung einer zweifaktorigen ANOVA, gefolgt von Tukeys paarweisem Vergleich. (E) Schematische Darstellung der regionenspezifischen Expression von FOXG1 und HOXB4 während der Entwicklung in vivo. (F) Grafische Darstellung der FOXG1-Expression im Vergleich zu HOXB4 (mittels qRT-PCR) bei allen Genotypen, was auf eine Neigung zur Abstammung des Vorderhirns hindeutet. Statistische Analyse durch Zwei-Faktoren-ANOVA, gefolgt von Sidaks Mehrfachvergleichstest. Für alle Experimente ist N = 3 biologische Replikate. p < 0,001. Maßstabsleiste = 50 μm. Fehlerbalken stellen REM dar. Abkürzungen: hiPSCs = humane induzierte pluripotente Stammzellen; STRG = Steuerung; FXS = Fragile-X-Syndrom; APCs = Astrozyten-Vorläuferzellen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Reduzierte Anzahl von Gliafibrillen-positiven sauren Protein-positiven hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten. (A) Repräsentative Bilder von hiPSC-abgeleiteten Astrozyten mit S100β- und GFAP-Expression. (B) Der Prozentsatz der GFAP-positiven Astrozyten war in FXS-abgeleiteten Astrozyten im Vergleich zu CTRL signifikant niedriger, obwohl beide eine ähnliche S100β-Expression aufwiesen. Statistische Signifikanz, bestimmt durch zweifaktorige ANOVA, gefolgt von Tukeys paarweisem Vergleich. (C) Immunoplot, der die Expression von FMRP in Astrozyten aus CTRL und FXS darstellt. (D) Diagramme, die das Fehlen von FMRP in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten zeigen. Statistische Analyse durch einfaktorige ANOVA mit dem paarweisen Vergleich von Tukey. Für alle oben genannten Experimente gilt: N = 3 biologische Replikate. Maßstabsleiste = 50 μm. ***p < 0,001. Fehlerbalken stellen REM dar. Abkürzungen: hiPSCs = humane induzierte pluripotente Stammzellen; STRG = Steuerung; FXS = Fragile-X-Syndrom; GFAP = saures Protein der Gliafaser; FMRP = Fragiles X Boten-Ribonukleoprotein. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Reduzierte Proteinsynthese aufgrund der Differenzierung von APCs zu Astrozyten. (A) Schematischer Arbeitsablauf zur Darstellung der Markierung und Visualisierung der Proteinsynthese in hiPSC-abgeleiteten APCs und Astrozyten unter Verwendung der metabolischen Markierung von FUNCAT. (B) Repräsentative Bilder von (oben) Vimentin-positiven hiPSC-abgeleiteten APCs und (unten) GFAP-positiven Astrozyten mit FUNCAT/humanen Zellkern-Antikörpern (hNA)-Markierung in CTRL- und FXS-abgeleiteten Zellen. (C) FUNCAT/Volumen von hiPSC-abgeleiteten APCs war signifikant höher als bei entsprechenden abgeleiteten Astrozyten. Für alle Experimente ist N = 3 biologische Replikate. Maßstabsleiste = 50 μm. **p < 0,01, ***p < 0,001. Whisker repräsentieren 1,5 × IQR. Abkürzungen: hiPSCs = humane induzierte pluripotente Stammzellen; STRG = Steuerung; FXS = Fragile-X-Syndrom; GFAP = saures Protein der Gliafaser; FUNCAT = fluoreszierendes nicht-kanonisches Aminosäure-Tagging. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Defizienter Ca2+-Signalweg, der durch ATP in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten hervorgerufen wird. (A) Repräsentative Spuren von Ca2+-Transienten, die von einzelnen Astrozyten bei externer Gabe von ATP bei 25μm aufgezeichnet wurden. (B) Gemittelte F340/F380-Verhältnisse, die Ca2+-Transienten über 250 s nach ATP-Applikation darstellen. (C) Gruppierte Daten, die einen höheren Prozentsatz von Non-Respondern auf ATP in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten zeigen. Statistische Signifikanz, bestimmt durch zweifaktorige ANOVA mit dem paarweisen Vergleich nach Tukey. (D-F) Quantifizierung der ersten Peakantwort (Amplitude und Dauer) und der Häufigkeit von Ereignissen. (D) Zeigt eine signifikante Verringerung der Amplitude. Statistische Signifikanz, bestimmt durch Einzelfaktor-ANOVA mit Tukeys paarweisem Vergleich und (E) Dauer in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten. Statistische Signifikanz, bestimmt durch Kruskal-Wallis-Test mit dem Mehrfachvergleichstest nach Dunn; Der Datensatz wird als Mittelwert mit REM dargestellt. (F) Grafische Darstellung der transienten Häufigkeit von Ca2+ in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten. Statistische Analyse durch einfaktorige ANOVA mit dem paarweisen Vergleich von Tukey. Für alle Experimente N = 3 biologische Replikate; n = 19 Zellen für jede Zelllinie. *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001. Fehlerbalken stellen SEM dar. # = Zahl. Abkürzungen: hiPSCs = humane induzierte pluripotente Stammzellen; STRG = Steuerung; FXS = Fragile-X-Syndrom; GFAP = saures gliales fibrilläres Protein. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Bioenergetische Defizite in hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten. (A) Liniendiagramm, das die extrazelluläre Versauerungsrate von hiPSC-abgeleiteten Astrozyten (CTRL und FXS) nach Zugabe von 10 mM Glucose, 1 μM Oligomycin und 50 mM 2-DG nacheinander darstellt und auf einem Liniendiagramm dargestellt wird. (B) Die Quantifizierung der Glykolyse, der glykolytischen Kapazität und der glykolytischen Reserve zeigte einen Anstieg der hiPSC-abgeleiteten FXS-Astrozyten. Statistische Analyse durch Zwei-Faktor-ANOVA mit dem paarweisen Vergleich von Tukey. (C) Liniendiagramm, das die Messung der Sauerstoffverbrauchsrate durch sequenzielle Zugabe von 1,5 μM Oligomycin, 1 μM FCCP und 0,5 μM Antimycin A und Rotenon darstellt. (D) Die basale Atmung, die maximale Atmung und die ATP-Produktion wurden anhand des Liniendiagramms quantifiziert und hiPSC-abgeleitete FXS-Astrozyten zeigten eine signifikante Abnahme der maximalen Atmung im Vergleich zu CTRL-Astrozyten. Statistische Analyse durch Zwei-Faktor-ANOVA mit dem paarweisen Vergleich von Tukey. Für alle Experimente ist N = 2 biologische Replikate. *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001. Fehlerbalken stellen REM dar. Abkürzungen: hiPSCs = humane induzierte pluripotente Stammzellen; STRG = Steuerung; FXS = Fragile-X-Syndrom; ECAR = extrazelluläre Versauerungsrate; 2-DG = 2-Desoxyglukose; OCR = Sauerstoffverbrauchsrate; FCCP = Carbonylcyanid-4 (Trifluormethoxy)phenylhydrazon. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
ID im Manuskript | ID an der Quelle | Alter | Sex | Name der neu programmierten Zelllinie | Methode der Neuprogrammierung | Zellentyp "Start" | G-Band-Karyotyp |
(Jahre) | |||||||
STRG | ND30625 | 76 | M | CS25iCTR-18nxx | Episomale Vektoren | Fibroblasten | Normal |
FXS1 | GM07072 | 22 | M | CS072iFXS-n4 | Episomale Vektoren | Fibroblasten | Normal |
FXS2 | GM05848 | 4 | M | CS848iFXS-n5 | Episomale Vektoren | Fibroblasten | Normal |
Tabelle 1: Zelllinien, die in dieser Studie zurErzeugung von Vorderhirn-spezifischen Astrozyten verwendet wurden.
Ergänzende Abbildung S1: Bericht zur Chromosomenanalyse. Normaler GTG-Banding-Karyotyp von (A) CTRL 46, XY, (B) FXS1 46, XY und (C) FXS2 46, XY. Bitte klicken Sie hier, um diese Abbildung herunterzuladen.
Ergänzende Tabelle S1: Primer, die in dieser Studie zur Charakterisierung von Zellen verwendet wurden. Bitte klicken Sie hier, um diese Tabelle herunterzuladen.
Hier beschreiben wir eine Methode zur Generierung humaner iPSC-abgeleiteter Astrozyten, die als Assay-Plattform zur Charakterisierung funktioneller Veränderungen dienen, die durch FXS induziert werden. Diese Astrozyten sind in Kultur funktionell lebensfähig und weisen verschiedene Eigenschaften auf, wie eine Reihe von Messungen in der vorliegenden Studie zeigt. Ein kritischer Schritt in diesem Protokoll ist die anfängliche Umwandlung von iPSCs in Kortikosphären mit der enzymatischen Lifting-Methode. In diesem Stadium ist die Optimierung der Inkubationszeit für Kollagenase Typ IV und Dispase von entscheidender Bedeutung. Wenn dies nicht optimiert wird, kann es dazu führen, dass sich die iPS-Zellen auflösen oder einzelne Zellen bilden, was die Bildung von Kortikosphären verhindert. Diese Kortikosphären sind unter Verwendung der dualen SMAD-Hemmung15 in Richtung Vorderhirnspezifität gemustert und werden weiter zu Astrozyten-Vorläuferzellen (APCs) differenziert. Um eine hohe Population von APCs zu erreichen, ist das mechanische Zerkleinern der Gliosphären entscheidend. Die real-time qPCR kann verwendet werden, um die Spezifität des Vorderhirns zu bestätigen; Wir beobachteten eine signifikante Zunahme der Faltenveränderung bei FOXG1, einem Marker für das Vorderhirn, im Vergleich zu HOXB4, einem Marker für das Rückenmark.
APCs werden dann mit Hilfe von CNTF, einem Aktivator des JAK-STAT-Signalwegs, zu Astrozyten differenziert16. Die Ergebnisse dieser Studie deuten darauf hin, dass terminale differenzierte Astrozyten, die aus FXS-iPSCs stammen, niedrigere GFAP-Spiegel aufweisen, was auf eine beeinträchtigte Reife hindeutet. Obwohl unsere Analysen keinen Unterschied in der de novo Proteinsynthese in FXS-Astrozyten und APCs im Vergleich zu Kontrollen fanden, fanden wir eine Verringerung der de novo Proteinsynthese beim Übergang von APCs zu Astrozyten sowohl in der FXS- als auch in der Kontrolllinie. Die signifikante Verringerung der Translation zwischen APCs und Astrozyten steht im Einklang mit einer stromlinienförmigeren und kuratierteren Translation, die für Neuronen im Vergleich zu neuralen Vorläuferzellen gezeigt wurde17. Frühere Arbeiten, die die aberrante Proteinsynthese untersucht haben, haben ganze Hirngewebe, Neuronen und von Patienten stammende Fibroblasten verwendet, keine Astrozyten oder APCs18. Die einzigen veröffentlichten Berichte über die Proteinsynthese aus patienteneigenen Linien stammen nicht in Astrozyten, sondern aus lymphoblastoiden Zellen19 und Fibroblasten20,21. Angesichts dieser Unterschiede zwischen den Studien würden zukünftige Studien von der Verwendung von FUNCAT-Messungen in Astrozyten profitieren, die aus zusätzlichen FXS-Patientenlinien stammen.
Wir untersuchten die Funktionalität von Astrozyten durch Messung der intrazellulären Kalziumdynamik22 und der Bioenergetik. FXS-Astrozyten zeigten eine reduzierte maximale Amplitude und Dauer von ATP-induzierten Kalziumtransienten, wobei weniger Zellen im Vergleich zu Kontroll-Astrozyten auf ATP reagierten. Zusammengenommen deuten diese Veränderungen darauf hin, dass FXS die Kalziumhomöostase in menschlichen Astrozyten stört. Diese Ergebnisse stehen im Einklang mit einer früheren Studie23,24, in der über eine gestörte IP3-Rezeptoraktivität in FXS-Fibroblasten berichtet wurde. Darüber hinaus beobachteten wir eine erhöhte Glykolyse, glykolytische Kapazität und glykolytische Reserve in FXS-Astrozyten, zusammen mit einem reduzierten mitochondrialen Sauerstoffverbrauch.
Die vorliegende Studie beschreibt die Generierung und Charakterisierung eines neuen in vitro Modells für FXS-Astrozyten unter Nutzung der Leistungsfähigkeit von patienteneigenen iPSCs. Bemerkenswert ist, dass wir erst durch eine frühere Studie mit menschlichen Astrozyten, die mit menschlichen Neuronen kokultiviert wurden, die entscheidende Rolle von Astrozyten bei der Bestimmung des elektrophysiologischen Phänotyps der Neuronen aufdeckten14. Diese Studien konzentrierten sich jedoch fast ausschließlich auf krankheitsinduzierte Veränderungen der neuronalen Aktivität, und bei Astrozyten wurde nichts erforscht. Hier bietet dieses Protokoll einen neuartigen Rahmen, um unseren Fokus auf funktionelle Veränderungen in Astrozyten zu verlagern. Dies wiederum wird Licht auf bisher unerforschte Astrozyten-Neuronen-Wechselwirkungen werfen, wie z. B. die Glutamat-Signalübertragung und elektrische Reaktionen. Unsere Ergebnisse in diesem Stadium unterstreichen die Notwendigkeit, Astrozyten in der zukünftigen Forschung zu priorisieren.
Es ist wichtig, die Grenzen dieses Protokolls zu erkennen. Zunächst handelt es sich um mechanisches Zerkleinern, was ebenfalls zu einer DNA-Fragmentierung führt. Dies kann dazu führen, dass die zerstückelten Gliosphären verklumpen, was schließlich zum Zelltod führt. Zweitens ist die Aussaatdichte von APCs während des terminalen Differenzierungsschritts zu Astrozyten essentiell, um eine kontaktvermittelte Zell-Zell-Hemmung zu verhindern. Es wird empfohlen, dies über Zelllinien hinweg zu optimieren, um eine Ablösung von der Oberfläche des Kulturgefäßes zu verhindern.
Hier sind unsere Ergebnisse die erste derartige Analyse in menschlichen Astrozyten, da alle bisherigen Studien auf anderen Zelltypen wie lymphoblastoiden Zelllinien und menschlichen Fibroblasten basierten25. Ein dysfunktionaler Energiestoffwechsel ist ein bekannter Akteur in der Ätiologie von Autismus-Spektrum-Störungen, wie die erhöhten Spiegel an humanem Plasmalaktat, die signifikant niedrigere Sauerstoffverbrauchsrate in den Granulozyten26 und die verminderte Expression von mitochondrialen oxidativen Phosphorylierungsgenen im anterioren cingulierten, motorischen Kortex, Thalamus und Kleinhirn von Kindern mit ASDzeigen 27. Ähnliche Veränderungen im Energiestoffwechsel werden bei neurodegenerativen Erkrankungen wie der Parkinson-Krankheit28 und der Alzheimer-Krankheit29 beobachtet, was darauf hindeutet, dass eine erhöhte Glykolyse die verminderte funktionelle Funktion kompensieren kann30. Zukünftige Studien sind erforderlich, um zu untersuchen, ob ähnliche Mechanismen bei einem dysfunktionalen Energiestoffwechsel im Spiel sind, der bei FXS-Patienten beobachtet wurde.
Gegenwärtig ist die Generierung von Vorderhirn-spezifischen Astrozyten eine bedeutende Errungenschaft, aber zukünftige Fortschritte könnten die Schaffung regionenspezifischer Gliazellen ermöglichen, wie z. B. kortikale/hippokampale Astrozyten. Dies würde tiefere Einblicke in die unterschiedlichen Rollen dieser Astrozyten bei regionalen Gehirnfunktionen, synaptischer Plastizität und neuronal-glialen Interaktionen ermöglichen. Die Fähigkeit, solche regionenspezifischen Astrozyten zu generieren, könnte Modelle der Neuroentwicklung und neurodegenerativer Erkrankungen voranbringen. Letztendlich könnte dies zu präziseren therapeutischen Strategien führen, die auf die Dysfunktion von Astrozyten in bestimmten Hirnregionen abzielen.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte offenzulegen.
Wir danken Prof. Sumantra Chattarji für die internen Fonds. Wir danken Prof. Gaiti Hasan für den Zugang zum Calcium-Imaging-Setup, der Central Imaging and Flow Facility - National Centre for Biological Sciences, Padmanabh Singh und Prangya Hota für das Korrekturlesen und die Vorschläge und dem Team von Labmate Asia für ihre Unterstützung bei der Durchführung von Seahorse XF-Assays.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1-Thioglycerol | Sigma-Aldrich | M6145 | |
Accutase solution | Sigma-Aldrich | A6964 | Enzyme cell detachment medium |
Adenosine 5′-triphosphate magnesium salt | Sigma-Aldrich | A9187 | |
Advanced DMEM/F-12 | ThermoFisher Scientific | 12634010 | |
Antibiotic-Antimycotic (100x) | ThermoFisher Scientific | 15240062 | |
B-27 Supplement (50x), serum-free | ThermoFisher Scientific | 17504044 | |
Bovine Serum Albumin | Sigma-Aldrich | A9418 | |
Chemically Defined Lipid Concentrate | ThermoFisher Scientific | 11905031 | |
Collagenase, Type IV, powder | ThermoFisher Scientific | 17104019 | |
Deoxyribonuclease I | Worthington Biochemical Corporation | LK003170 | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D2650 | |
Dispase II, powder | ThermoFisher Scientific | 17105041 | |
DPBS, no calcium, no magnesium | ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
Essential 8 Medium | ThermoFisher Scientific | A1517001 | |
FXS1, FXS2 | Coriell Institute of Medical Research | GM07072, GM05848 | FXS patient cells |
GlutaMAX Supplement | ThermoFisher Scientific | 35050061 | glutamine substitute |
Ham's F-12 Nutrient Mix | ThermoFisher Scientific | 11765054 | |
Healthy control cells | Cedars-Sinai Medical Center | ND30625 | healthy control cells |
Heparin sodium salt from porcine intestinal mucosa | Sigma-Aldrich | H3149 | |
IMDM | ThermoFisher Scientific | 12440053 | |
Insulin, human | Roche | 11376497001 | |
LDN 193189 | Stratech Scientific | S2618-SEL | |
Leukemia Inhibitory Factor human | Sigma-Aldrich | L5283 | |
Matrigel Growth Factor Reduced (GFR) Basement Membrane Matrix | Corning | 354230 | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | ThermoFisher Scientific | 11140050 | |
Mouse FGF-basic (FGF-2/bFGF) Recombinant Protein | Peprotech | 450-33 | |
Mr. Frosty freezing container | ThermoFisher Scientific | 5100-0001 | cryobox |
N-2 Supplement (100x) | ThermoFisher Scientific | 17502048 | |
N-Acetyl-L-cysteine | Sigma-Aldrich | A9165 | |
Neurobasal Medium | ThermoFisher Scientific | 21103049 | |
Nunc Biobanking and Cell Culture Cryogenic Tubes | ThermoFisher Scientific | 377267 | |
Nunc Cell-Culture Treated 6 well dish | ThermoFisher Scientific | 140675 | |
Papain Dissociation System | Worthington Biochemical Corporation | LK003150 | |
Penicillin-Streptomycin | ThermoFisher Scientific | 15140122 | |
Recombinant Human CNTF Protein, CF | R&D Systems | 257-NT-010 | |
Recombinant Human EGF Protein, CF | R&D Systems | 236-EG-01M | |
RevitaCell Supplement (100x) | ThermoFisher Scientific | A2644501 | |
SB431542 | Tocris | 1614 | |
Seahorse XFe24 Analyzer | Agilent Technologies | ||
Seahorse XF Cell Mito Stress Test Kit | Agilent Technologies | 103015-100 | |
Seahorse XF Glycolysis Stress Test Kit | Agilent Technologies | 103020-100 | |
Tissue Culture Dishes-100 cm | Biostar Lifetech | TCD000100 | |
Transferrin | Roche | 10652202001 | |
VWR Razor Blades | VWR International | 55411-050 | |
Antibodies | |||
Primary antibody | Company | Catalog number | Dilution |
Oct4 (C-10) | Santa Cruz Biotechnology | sc-5279 | Dilution: 1:250 Secondary antibody: Goat anti-Mouse IgG, Alexa Fluor 568 |
Nanog | R & D Systems | AF1997 | Dilution: 1:100 Secondary antibody: Donkey anti-Goat IgG, Alexa Fluor 488 |
Vimentin | Abcam | Ab5733 | Dilution: 1:500 Secondary antibody: Goat anti-Chicken IgY, Alexa Fluor 488 |
NFIA | Abcam | Ab41851 | Dilution: 1:500 Secondary antibody: Goat anti-Rabbit IgG, Alexa Fluor 568 |
GFAP-cy3 | Sigma | C9205 | Dilution: 1:500 Secondary antibody: NA |
GFAP | DAKO | Z0334 | Dilution: 1:500 Secondary antibody: Goat anti-Rabbit IgG, Alexa Fluor 568 |
S100β | DAKO | IR504 | Dilution: 1:500 Secondary antibody: Goat anti-Rabbit IgG, Alexa Fluor 488 |
Anti-Nuclei Antibody, clone 235-1 | Merck Millipore | MAB1281 | Dilution: 1:1000 Secondary antibody: Goat anti-Mouse IgG1, Alexa Fluor 555 |
Secondary antibodies | Dilution | ||
Goat anti-Mouse IgG, Alexa Fluor 568 | Thermo Fisher Scientific | A11004 | 1:1000 |
Donkey anti-Goat IgG, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A11055 | 1:1000 |
Goat anti-Chicken IgY, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A11039 | 1:1000 |
Goat anti-Rabbit IgG, Alexa Fluor 568 | Thermo Fisher Scientific | A11011 | 1:1000 |
Goat anti-Rabbit IgG, Alexa Fluor 488 | Thermo Fisher Scientific | A11034 | 1:1000 |
Goat anti-Mouse IgG1, Alexa Fluor 555 | Thermo Fisher Scientific | A21127 | 1:1000 |
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