腦類器官通常從人多能性干細胞(ESCs/iPSCs)開始培養(yǎng),,自發(fā)形成腦發(fā)育早期所具備的結(jié)構(gòu)和層次,。但腦細胞團簇達到一定尺寸后,可發(fā)育的階段會受到營養(yǎng)缺乏和氧供應(yīng)的限制,,繼而神經(jīng)元開始死亡,,結(jié)構(gòu)停止發(fā)育。 目前,,大腦類器官的培養(yǎng)主要分為兩種方法,,引導(dǎo)分化法 (Guided)和非引導(dǎo) (Un-guided)分化法。 ①非引導(dǎo)分化法依賴于細胞自身的形態(tài)發(fā)生和內(nèi)在的分化能力,,將外在干擾小化,,得到的類器官有前腦、中腦,、后腦,、視網(wǎng)膜和脈絡(luò)叢等多種細胞譜系,該種方法的缺陷在于高可變性和異質(zhì)性,。 ②而引導(dǎo)分化法是加入一些外源性的模式因子,,誘導(dǎo)hPSCs分化為想要的細胞譜系。 在類器官結(jié)構(gòu)中,,多能性干細胞(ESCs/iPSCs)誘導(dǎo)為擬胚體 (Embryoid Body, EB),,在外胚層形成后,引導(dǎo)分化為神經(jīng)或非神經(jīng)方向,。引導(dǎo)分化法獲得的類器官依賴分化過程中添加的生長因子,,大多數(shù)是腦區(qū)特異性的,如皮層,、海馬,、中腦、大腦等,。引導(dǎo)分化法得到的類器官含有神經(jīng)祖細胞,、神經(jīng)元、星形膠質(zhì)細胞及其他的大腦細胞,。由于是引導(dǎo)性分化,,批次間的可變因素少,可以產(chǎn)生對應(yīng)比例的特異性細胞類型,。很多團隊都在嘗試用不同的方法來培養(yǎng)類器官,,分別培養(yǎng)腦區(qū)特異的類器官后再將其共培養(yǎng),類器官會自我融合形成含有不同腦區(qū)的類器官,,該模型可以用于研究腦區(qū)間的相互作用,。 |
誘導(dǎo)EB形成 1-2h | 1. 當(dāng)ESCs/iPSCs在六孔板中長到融合度為70-80%時用于誘導(dǎo)EB,,通常每個六孔板孔的細胞可用于誘導(dǎo)一整個96孔板。 注:干細胞克隆的形態(tài)對于大腦組織形成的成功與否非常關(guān)鍵,??寺⌒璩尸F(xiàn)多能性的特征 (如邊緣清晰,克隆緊密等),,且無分化傾向,; 對于無飼養(yǎng)層培養(yǎng)的ESCs/iPSCs: ① 用1ml的無鈣鎂的D-PBS洗滌細胞后,向每孔中加入600μl的含0.5mM的EDTA的無鈣鎂的D-PBS溶液,。培養(yǎng)箱孵育4min,; ② 輕柔吸出EDTA溶液,注意不要破壞克隆,,加入1ml的Accutase,。放回培養(yǎng)箱孵育4min; ③ 用1ml的mTeSR1培養(yǎng)基吹散克隆,,使其從培養(yǎng)皿底部脫落,。轉(zhuǎn)移2ml至15ml離心管中,用1ml移液器將克隆吹散為渾濁的單細胞懸液,; ④ 270g 室溫離心細胞5min,,同時用臺盼藍檢測死細胞,用血細胞儀或自動細胞計數(shù)儀細胞計數(shù),;檢測兩次取平均值,; ⑤ 用1ml的含50μM的ROCK抑制劑Y-27632的低bFGF的ESCs培養(yǎng)基重懸細胞,吹打,,保證細胞呈單細胞重懸的狀態(tài),。然后,用含Y-7632的低FGF-2的培養(yǎng)基重懸細胞,,使細胞濃度為每150μl含9000個活細胞,; ⑥ 每個96孔板孔中放入150μl的細胞懸液,置于培養(yǎng)箱繼續(xù)培養(yǎng),; | 飼養(yǎng)EB,早期胚層分化 5-7d | 2. 24h后,,顯微鏡下觀察,可見有清晰邊緣的小的EB形成,邊緣有許多死細胞圍繞在EB周圍,為正?,F(xiàn)象,不會干擾EB在中間形成,繼續(xù)置于37℃的5%二氧化碳的培養(yǎng)箱中培養(yǎng),; 3. 隔天輕柔地吸去半量培養(yǎng)基,避免干擾到EB和底部的細胞,補充150μl的新鮮培養(yǎng)基(總體積會大于150μl,量的準(zhǔn)確與否不重),培養(yǎng)基中添加Y-27632(1:100),FGF-2濃度為4ng/ml,直到EB直徑大于350-450μm為止,通常,僅前4天需要添加二者,; 4. EB直徑達到350-600μm時,用3中的培養(yǎng)基隔天飼養(yǎng)EB,培養(yǎng)基中不含Y-27632和FGF-2,; | 原始神經(jīng)上皮的誘導(dǎo) 4-5d | 5. EB直徑達到500-600μm時,,邊緣開始變得明亮,并且呈現(xiàn)光滑的邊緣 (通常為第6天),,將每個EB用剪掉槍頭的200μl移液器轉(zhuǎn)移至含有500μl的神經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)基的低吸附24孔板中,,輕柔且不要破壞EB,繼續(xù)培養(yǎng),; 注:將200μl移液器槍頭剪掉,,使開口直徑約為1-1.5mm。確保開口不要太小,,避免破壞EB,,但也不能太大,太大會難以吸去EB,。不要試圖用刮刀將EB鏟出,,會破壞EB的結(jié)構(gòu); 6. 轉(zhuǎn)移至24孔板后,,另外加入500μl的神經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)基飼養(yǎng)EB,; 7. 2d后,組織培養(yǎng)顯微鏡觀察EBs,,形態(tài)邊緣變得更加明亮,,提示神經(jīng)外胚層的分化;一旦這些區(qū)域開始顯示與神經(jīng)上皮形成一致的假復(fù)層上皮的放射狀組織,,這一般發(fā)生在神經(jīng)誘導(dǎo)培養(yǎng)基中的4-5d后,,繼續(xù)進行第8步,將組織聚集轉(zhuǎn)移到Matrigel液滴中,; 注:健康的細胞聚集有光滑的邊緣,,神經(jīng)上皮邊緣在光學(xué)上呈半透明狀。有時組織可能在光學(xué)上表現(xiàn)為非放射狀組織的半透明組織,,雖然這不是理想狀態(tài),,但沒有觀察到這對類器官形成有長期的負面影響。重要的是,,如果在神經(jīng)誘導(dǎo)中再多放置1-2天,,這些非放射區(qū)域就會變成放射狀,但是如果不及時轉(zhuǎn)移到基質(zhì)凝膠(步驟8),,其他已經(jīng)放射狀的區(qū)域可能開始收縮并失去形成神經(jīng)上皮芽的能力,。當(dāng)有神經(jīng)外胚層出現(xiàn)時,,需盡快將組織轉(zhuǎn)移到Matrigel中,如果太晚,,會影響腦組織的晚期形態(tài),; | 將神經(jīng)外胚層組織轉(zhuǎn)移至Matrigel液滴中 1-2h | 8. 4℃下冰上解凍Matrigel。觀察發(fā)現(xiàn),,500μl的Matrigel在冰水混合物浴時,1-2h后會恢復(fù)液體狀態(tài),; 9. 將Parafilm膜置于一個空的帶有凹坑的中號槍頭盒上,,將手指按向Parafilm膜形成凹坑,每個坑的體積約為200μl,; 注:Parafilm不能高壓滅菌,,所以不能*滅菌,因此需保證Parafilm膜保存在干凈的環(huán)境中,,準(zhǔn)備凹坑前,,向手套和Parafilm膜噴灑70%乙醇消毒;在這一步也可以在培養(yǎng)基中添加抗生素以避免污染,; 10. 將Parafilm膜用剪刀修剪為單個含4x4(共16個)凹坑大小的正方形,,將其放入60mm的組織培養(yǎng)皿中; 11. 用200μl的移液器轉(zhuǎn)移神經(jīng)外胚層組織,,每個凹坑中放置1個,; 注:將200μl移液器槍頭剪掉,使開口直徑約為1.5-2mm,。確保開口不要太小,,避免破壞EB,但也不能太大,,太大會難以吸去EB,。不要試圖用刮刀將EB鏟出,會破壞EB的結(jié)構(gòu),; 12. 用未剪頭部的200μl移液器小心地吸去組織邊緣多余的培養(yǎng)基,; 13. 每個組織快速滴入Matrigel,每孔約30μl,,使Matrigel滴入Parafilm凹坑中,; 注:快速滴入Matrigel,避免組織干掉,。盡量一次性滴入Matrigel,,一次性包埋好16個組織; 14. 用10μl的移液槍頭移動組織,,使組織位于液滴的中央,,這一步需要在滴入Matrigel后立即進行,,因為室溫下Matrigel非常容易固化; 15. 將此60mm培養(yǎng)皿置入37℃培養(yǎng)箱中,,孵育20-30min以使Matrigel聚合,; 16. 取出60mm培養(yǎng)皿,加入5ml不含Vitamin A的腦類器官分化培養(yǎng)基,; 17.將Parafilm膜反過來并搖動培養(yǎng)皿,,直至Matrigel液滴從凹坑中滴入培養(yǎng)基中;不容易脫落的液滴可以用鑷子用力晃動Parafilm膜使其脫落,,將培養(yǎng)皿置于培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)組織,。 | 神經(jīng)上皮芽的固定培養(yǎng) 4d | 18. 24h后,觀察包埋的組織,,1-3d內(nèi),,組織會呈現(xiàn)包含液體空腔的進一步擴張的神經(jīng)上皮樣; 注:從Matrigel主體中會遷移出一些細胞類型,,通常呈成纖維細胞樣,,這些細胞代表了非神經(jīng)特性的群體,從神經(jīng)誘導(dǎo)時逃脫出來,;然而這些細胞通常不能生存,,且遷移出來后,對神經(jīng)上皮芽的形成呈現(xiàn)促進作用,; 19. 將液滴繼續(xù)培養(yǎng)24h,,然后將培養(yǎng)基更換為不含Vitamin A的腦類器官分化培養(yǎng)基,繼續(xù)培養(yǎng)48h,; 注:換液時,,傾斜培養(yǎng)皿使液滴下沉,輕柔吸出培養(yǎng)液,。盡量在不破壞類器官的情況下,,吸出更多的培養(yǎng)液。更換為5ml的新鮮培養(yǎng)液,; | 腦組織的生長 ~1年 | 20. 4h的靜止培養(yǎng)后,,用開口約為3mm的剪去頭部的1ml移液槍頭將包埋好的類器官轉(zhuǎn)移至125ml的震動反應(yīng)器中,加入75~100ml的含Vitamin A的腦類器官分化培養(yǎng)液,,將此生物反應(yīng)器放置在培養(yǎng)箱中安裝的磁攪拌板或軌道振動篩上用85rpm的速度震動,。也可以將60mm的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)液更換為含Vitamin A的腦類器官培養(yǎng)液,將其置于軌道振動篩上培養(yǎng),; 注:每個生物反應(yīng)器中不要轉(zhuǎn)移超過2個60mm培養(yǎng)皿的類器官(32個),,太多類器官會引起類器官的融合; 使用低速攪拌攪拌板,因為常規(guī)速度的攪拌棒會因磁力攪拌而引起發(fā)熱,; 軌道振動篩可用于分析多種培養(yǎng)條件,,同時使用多種基因突變劑處理,而傳統(tǒng)的攪拌板只能同時防止4-6個單獨的瓶,;用生物反應(yīng)器和軌道振動篩培養(yǎng)的腦類器官未觀測到有區(qū)別,; 21. 振動篩上的類器官每3-4天全量換液,搖瓶上的類器官每周換液,,注意觀察形態(tài),;在合適的時間點取樣本用于實驗研究; |
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