Name: three-dimensional motor nerve organoid generation
Uploaded: 2020-09-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 9 min 57 s
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이 연구는 과학 진흥을 위한 일본 사회 (JSPS) 과학 연구를 위한 보조금 에 원조 17H05661 및 18K19903, 코어 2 코어 프로그램 및 AI 를 넘어서는 기관에 의해 지원되었습니다.

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이 프로토콜의 일환으로, 특허는 Jiro Kawada에 의해 설립된 직삭 생명 공학, Inc.에 허가되었습니다.

이 프로토콜은 인간 iPS 세포에서 생성된 운동 신경 스페로이드에서 확장된 축축이 있는 운동 신경 오르가노이드(MNO)의 형성을 설명합니다. 형성된 축축 묶음은 두껍고 유연하며 단방향 구조로 잘 구성됩니다. 축축묶음, 고순도 축산 단백질 및 RNA를 해부함으로써 생화학적 분석을 위해 충분히 얻을 수 있다. 신경 활동은 칼슘 화상 진찰을 가진 축산 번들 및 스페로이드에서 측정될 수 있습니다. 축 사 리자트에서 핵 및 수지상 단백질의 오염은 서양 블로팅에 의해 검출되지 않았으며, 우리의 방법은 차체및 원원에서 축축을 효율적으로 분리했다는 것을 보여줍니다.
이 프로토콜의 장점 중 하나는 모든 프로세스가 3D 프로토콜을 사용하여 4주 및 2D 프로토콜을 사용하여 5-6주 안에 수행될 수 있는 축축산 번들을 갖춘 MNO의 급속한 분화 및 생성입니다. 이것은 전형적으로 배아 줄기 세포 및 iPS 세포17에서 MN으로 분화하기 위하여 전형적으로 3-4 주가 걸리는 그밖 프로토콜에 비하여 짧고 축선 신장을 얻기 위하여 추가 2-4 주가 걸립니다. 3D 프로토콜은 일반적으로 2D 프로토콜에 비해 해리 단계 없이 분화 시간이 짧고 단계 수가 적고 기술 적 위험이 감소하기 때문에 2D 프로토콜보다 선호됩니다. 미세 유체 기반 조직 배양 칩은 MNS의 축축이 축축의 축축한 상호 작용과 축축 사이의 친화성을 유도하여 축축의 번들의 형성을 용이하게 마이크로 채널을 통해 다른 구획쪽으로 길게 할 수 있도록 방식으로 설계되었습니다. 간단한 실험 설정 으로 인해 여기에 설명 된 모든 프로토콜은 조직 배양 칩의 조작에 익숙한 생물 공학자뿐만 아니라 미세 유체 및 미세 제조 기술에 익숙하지 않은 생물학자 및 신경 과학자에 의해 수행 될 수 있습니다. 외부 제작 서비스를 사용하여 1단계와 2단계도 수행할 수 있습니다.
프로토콜을 수행하는 중요한 단계 중 하나는 배양 매체의 순차적 변화입니다. 소비된 매체의 요인이 MN 분화를 방해하지 않도록 분화 중에 각 단계에서 배양 배지를 완전히 변경하는 것이 좋습니다. 이 프로토콜의 또 다른 중요한 점은 미분화 된 iPS 세포를 좋은 품질로 유지하는 것입니다. 초기 iPS 세포 배양의 품질은 모터 뉴런 및 MNO를 얻기 위한 효율성에 크게 영향을 미칩니다. 또 다른 요점은 MNS의 직경이 칩 구멍의 크기(1.5mm)보다 작아야 한다는 것입니다. 더 큰 스페로이드는 챔버를 입력할 수 없으며 잠재적으로 중앙 부분에 심각한 저산소 괴사를 경험할 수 있습니다. MNS의 크기는 iPS 세포의 초기 시드 수(3D 프로토콜) 또는 모터 뉴런(2D 프로토콜)을 변경하여 제어될 수 있다. 세포의 파종 밀도는 각 iPS 세포주에 대해 최적화되어야 합니다.
마이크로그루브와 작은 모공 필터를 갖춘 구획화된 미세 유체 장치는 축축을 세포 몸과 모데라이트로부터 분리하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 이 기술은 또한 묶인 조직에 있는 축축의 우수한 풍부와 세포 바디 및 점원에서 축축을 분리할 수 있습니다. 다른 방법에 비해, 이 방법의 한 가지 주요 한계는 두 개의 별개의 배지를 필요로 하는 두 개의 상이한 세포의 공동 배양 능력을 방해하는 조직 배양 칩의 현재 설계에서 두 개의 상이한 배양 배지를 분리할 수 없다는 것입니다. 또 다른 제한은 PDMS 칩이 조직의 크기에 미리 정해진 제한을 두었다는 것입니다. 구멍보다 큰 스페로이드는 챔버에 들어갈 수 없으며 축축산 번들은 미세 유체 채널의 너비보다 두껍게 자랄 수 없습니다.
이 방법은 다른 유형의 뉴런에 적용할 수 있습니다. 우리 그룹은 대뇌 오르가노이드 기술(18)과결합 된 수정 된 방법을 사용하여 대뇌관을 모델링 할 수있는 능력을 보여 주었다. 피질 스페로이드는 각 구획과 축축에 자발적으로 각 스페로이드쪽으로 회기길, 그리고 그 후에 자발적으로 형성된 축축물 번들로 도입되었다. 그 결과, 2개의 피질 구엽은 축축물 번들을 통해 연결될 수 있고, 조직은 1장으로 얻어질 수 있었다. 이것은 접근이 신경 세포 모형에 관계없이 축축 묶음 조직을 형성하는 것이 매우 다재다능하다는 것을 보여줍니다. 본 프로토콜에서, 인간 iPS 세포는 사용되었지만, 인간 적인 ES 세포 및 인간 신경 줄기 세포를 포함하는 다른 줄기 세포는 제시된 프로토콜에 대한 수정과 함께 사용될 수 있다. 뉴런의 3D 스페로이드는 다양한프로토콜(19,20)에의해 생성될 수 있다. 축축물 번들로 조직을 만드는 이 방법은 3D MN 스페로이드를 만들기 위한 다른 분화 프로토콜과 미래에 잠재적으로 결합될 수 있다. 또한, 축축 묶음의 두께와 길이는 단순히 향후 개발을 위해 조직 배양 칩의 마이크로 채널의 폭과 높이를 변경하여 제어될 수 있다.
우리는 이 프로토콜이 약물 검사 및 검열에 사용될 수 있고 축축근의 발달 그리고 질병의 근본적인 기계장치의 이해에 기여할 수 있다고 믿습니다.

척추 운동 뉴런(MN)은 골격 근육에 축축을 확장하여 신체 움직임을 조절합니다. 그들의 축축궤적 궤적은 발달 과정에서 고도로 조직되고 규제됩니다. 축 사 확장 및 지침 에 많은 연구에도 불구 하 고1,조직 축 하 번 들 형성에 대 한 메커니즘은 여전히 조사. 운동 신경의 축삭은 종종 근위축성 측삭 경화증 (ALS)2와같은 신경 퇴행성 질환에 의해 손상되지만 축삭 파시클에 손상의 병리학 적 메커니즘은 제대로 이해되지 않습니다. 따라서, 축축 묶음 형성 및 회귀를 재구성하는 생리학적 및 병리학적 모델이 현장에서 요구된다.
인간 줄기세포 유래 모터뉴런은 ALS3과같은 발달 및 질병을 이해하기 위한 유망한 플랫폼이다. 인간 유도만능 줄기세포(iPS 세포)는 환자 유래 세포를 이용한 질병을 모델링하는 데 사용될 수 있다. 현재까지 만능 줄기세포로부터 MN으로의 다양한 분화 방법은4,5,6로보고되었다. 그러나, 2차원 배양에서 뉴런의 축축은 임의로 지향되며 축축이 조밀한 축축산 상호작용을 통해 단방향적으로 조립되는 신경 개발 내의 생체 내 미세환경에서 회수하지않는다. 이 문제점을 극복하기 위하여는, 인간 iPS 세포8에서운동 신경을 닮은 3차원 조직을 생성하는 기술을 개발하고, 모터 신경 오르가노이드(MNO)로 조직을 명명했습니다. MNO는 운동 뉴런 스페로이드(MNS)와 스페로이드에서 확장된 축삭 근막에 위치한 세포 체로 구성됩니다. 근막의 축삭은 단방향 지향적이며, 이는 운동 신경 개발의 축삭과 유사합니다. 따라서 MMO는 이전에 개발된 다른 뉴런 배양 방법에 의해 수행되지 않은 생리적 축축미세 환경을 독특하게 제공합니다.
이 프로토콜에서는, 우리는 개발된 칩에 있는 조직 배양 칩 제조, 급속한 운동 신경 신경 분화 및 모터 신경 organoid 대형을 위한 방법을 기술합니다. 우리의 조직 배양 칩은 매우 간단하며, 그것은 단지 스페로이드를 수용하기위한 구획을 포함, 축축묶을 형성하기위한 마이크로 채널, 축축단을 하우징하기위한 구획. 이 장치는 종종 크기9,10에의해 축축과 세포 체를 분리하는 데 사용되는 마이크로 그루브 또는 마이크로 포어 필터를 포함한 복잡한 구조를 포함하지 않습니다. 따라서 포토리소그래피 설정을 사용할 수 있는 경우 이 프로토콜에 설명된 단계를 수행하여 장치를 쉽게 조작할 수 있습니다.
인간 iPS 세포의 신속한 분화는 유도 및 패터닝 인자(SB431542, LDN-193189, 망막산(RA), 그리고 매끄러운 고뇌스트(SAG) 및 가속 인자(SU5402 및 DAPT)의 최적화된 조합으로 달성된다. SU5402와 DAPT의 조합은 말초 뉴런과 신경 문장세포(11)의분화를 가속화하는 것으로 보고되었다. 이 프로토콜에서는 독자가 필요에 가장 적합한 방법을 결정할 수 있도록 MMO를 생성하는 세 가지 방법을 제공합니다. 분화된 MNS가 조직 배양 칩으로 직접 전달될 수 있기 때문에 스페로이드(3D 방법)를 형성한 후 인간 iPS 세포의 분화를 수행하는 것이 좋습니다. 대안적으로, 인간 iPS 세포는 단층 (2D) 배양에서 모터 뉴런으로 분화한 다음 이전에 보고된 대로 3차원 운동 뉴런 스페로이드로 생성될 수있다 8. 우리는 프로토콜을 업데이트하고, 이 프로토콜에 설명된 3차원 분화 방법으로, 2D에서 3D로의 전환을 피할 수 있고 MMO는 짧은 분화 시간, 적은 단계 및 해리 단계 없이 기술적 위험을 감소시켰습니다. 시판되는 뉴런은 또한 분화의 시간을 줄이기 위해 MNS를 생성하는 데 사용할 수 있습니다.
MNO를 생성하기 위해, 우리는 조직 배양 칩에 MNS를 배양. 축축은 스페로이드에서 길게 게이트하고 축축이 모여 단방향으로 정렬되는 마이크로 채널로 확장됩니다. 이는 이러한 프로토콜에 의해 유일하게 달성되는 마이크로채널에서 축축물의 단단히 조립된 단방향 번들 조직의 축소 상호 작용 및 자발적인 형성을 용이하게 하는 반면, 자발적인 번들 형성 또는 유도축방향만으로는 다른프로토콜(12,13,14)에의해 달성될 수 있다. 일반적인 실험에서는, 몇몇 세포는 마이크로 채널로 스페로이드에서 밖으로 이동하고 대부분의 세포는 가까운 스페로이드를 유지합니다. 이 방법을 사용하면 축축을 세포 체에서 분리하기 위해 크기에 의존하는 물리적 장벽(예: 마이크로그루브 또는 마이크로포어 필터)을 사용하지 않고 스페로이드에서 자발적으로 분리할 수 있습니다.
결과 MNO는 형태학, 생화학 적 및 물리적 분석을 포함한 다양한 검사를 받을 수 있습니다. 세포 체및 확장축축묶음은 절단에 의해 물리적으로 분리될 수 있으며, 다운스트림 실험, 예를 들어 생화학적 분석 등을 위해 별도로 분석될 수 있다. RNA와 단백질을 포함하는 생물학 물질은 RT-PCR 및 서쪽 얼룩을 포함하여 정규 생화확적인 분석을 위한 단지 몇몇 축축 묶음에서 격리될 수 있습니다. 여기서는 축슨 파종의 기전과 질병을 연구하기 위한 매력적인 생리적 및 병리학적 모델을 제공하는 iPS 세포로부터 모터 신경 오르가노이드를 생성하는 프로토콜을 설명합니다.

<table><tbody><tr><td>(Tridecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrooctyl)-1-trichlorosilane</td><td>Sigma</td><td>440302</td><td></td></tr><tr><td>16% Paraformaldehyde (formaldehyde) aqueous solution</td><td>Electron Microscopy Sciences</td><td>15710</td><td></td></tr><tr><td>200&amp;micro;l Wide Bore Pipet Tips</td><td>BMBio</td><td>BMT-200WRS</td><td></td></tr><tr><td>6-well plates</td><td>Violamo</td><td>2-8588-01</td><td></td></tr><tr><td>Accutase</td><td>ICT</td><td>AT104</td><td></td></tr><tr><td>B-27 Supplement (50X)</td><td>Gibco</td><td>17504044</td><td></td></tr><tr><td>Bovine serum albumin</td><td>Sigma</td><td>A6003</td><td></td></tr><tr><td>Brain-derived neurotrophic factor (BDNF)</td><td>Wako</td><td>020-12913</td><td></td></tr><tr><td>CO2 incubator</td><td>Panasonic</td><td>MCO-18AIC</td><td></td></tr><tr><td>Cryostor CS10</td><td>Stem Cell Technologies</td><td>07959</td><td></td></tr><tr><td>DAPT</td><td>Sigma</td><td>D5942</td><td></td></tr><tr><td>DMEM/F12</td><td>Sigma</td><td>D8437</td><td></td></tr><tr><td>Fluo-4 AM</td><td>Dojindo Laboratories</td><td>CS22</td><td></td></tr><tr><td>GlutaMAX Supplement</td><td>Gibco</td><td>35050-061</td><td></td></tr><tr><td>Growth factor reduced Matrigel (basement membrane matrix)</td><td>Corning</td><td>354230</td><td></td></tr><tr><td>HB9 Antibody</td><td>Santa Cruz</td><td>sc-22542</td><td></td></tr><tr><td>HBSS</td><td>Wako</td><td>085-09355</td><td></td></tr><tr><td>Hoechst 33342</td><td>Sigma</td><td>14533</td><td></td></tr><tr><td>iCell motor neuron (commercially available human iPS cell-derived motor neurons)</td><td>Cellular Dynamics</td><td>R1051</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl alcohol (IPA)</td><td>Wako</td><td>166-04836</td><td></td></tr><tr><td>Knock Out Serum Replacement</td><td>Gibco</td><td>10828028</td><td></td></tr><tr><td>LDN193189</td><td>Sigma</td><td>SML0559</td><td></td></tr><tr><td>MEA probe</td><td>Alpha MED Scientific inc</td><td>MED-P5004A</td><td></td></tr><tr><td>MEM Non-essential Amino Acid Solution (100x) (NEAA)</td><td>Sigma</td><td>M7145</td><td></td></tr><tr><td>Microscope Glass</td><td>Matsunami</td><td>S9111</td><td></td></tr><tr><td>mTeSR Plus</td><td>Stem Cell Technologies</td><td>05825</td><td></td></tr><tr><td>N2 supplement</td><td>Wako</td><td>141-08941</td><td></td></tr><tr><td>Neurobasal medium</td><td>Gibco</td><td>21103049</td><td></td></tr><tr><td>Penicillin-streptomycin</td><td>Gibco</td><td>15140122</td><td></td></tr><tr><td>Photoresist SU-8 2100</td><td>Microchem</td><td>#SU-8 2100</td><td></td></tr><tr><td>Prime surface 96U</td><td>Sumitomo Bakelite</td><td>MS-9096U</td><td></td></tr><tr><td>ReLeSR (passaging reagent)</td><td>Stem Cell Technologies</td><td>05872</td><td></td></tr><tr><td>Retinoic acid</td><td>Wako</td><td>186-01114</td><td></td></tr><tr><td>SAG</td><td>Sigma</td><td>SML1314</td><td></td></tr><tr><td>SB431542</td><td>Wako</td><td>192-16541</td><td></td></tr><tr><td>Silicon wafer</td><td>SUMCO</td><td>PW-100-100</td><td></td></tr><tr><td>Silpot 184 w/c kit</td><td>Dow Toray</td><td>Silpot 184 w/c kit</td><td></td></tr><tr><td>Smi32 Antibody</td><td>Biolegend</td><td>801701</td><td></td></tr><tr><td>SU5402</td><td>Sigma</td><td>SML0443</td><td></td></tr><tr><td>SU-8 Developer</td><td>Microchem</td><td>Y020100</td><td></td></tr><tr><td>Synapsin I Antibody</td><td>Millipore</td><td>Ab1543</td><td></td></tr><tr><td>TrypLE Express liquid without phenol red (dissociation solution)</td><td>Gibco</td><td>12604-021</td><td></td></tr><tr><td>Tuj1 Antibody</td><td>Biolegend</td><td>801202</td><td></td></tr><tr><td>Y-27632</td><td>Wako</td><td>030-24021</td><td></td></tr></tbody></table>

three-dimensional motor nerve organoid generation

축삭의 매심은 신경계에서 관찰되는 주요 구조 적분 중 하나입니다. 축 하 매심의 중단 개발 및 신경 퇴행 성 질환을 일으킬 수 있습니다. 축축의 수많은 연구가 수행되었지만, 축축기의 형성과 기능 장애에 대한 우리의 이해는 여전히 강력한 3차원 체외 모델의 부족으로 인해 제한됩니다. 여기서, 우리는 미세유체계 조직 배양 칩에서 인간 유도만능 줄기(iPS) 세포로부터 모터 신경 오르가노이드(MNO)의 신속한 생성을 위한 단계별 프로토콜을 설명한다. 첫째, 방법에 사용되는 칩의 제조가 설명된다. 인간 iPS 세포로부터, 운동 신경 세포 (MNS)가 형성된다. 다음으로, 차별화된 MNS는 칩으로 전달된다. 그 후, 축삭은 자발적으로 스페로이드에서 자라서 칩에 장착된 마이크로채널 내의 근막으로 조립되어 스페로이드에서 확장된 축삭 뭉치를 운반하는 MNO 조직을 생성한다. 다운스트림 분석을 위해, MMO는 형태학적 분석을 위해 고정되거나 생화학 적 분석을 위해 해부될 칩에서 꺼내질 수 있을 뿐만 아니라 칼슘 이미징 및 다중 전극 어레이 기록을 위해 제거될 수 있다. 이 프로토콜로 생성된 MMO는 약물 검사 및 스크리닝을 용이하게 할 수 있으며 축축기 근막의 근본적인 발달 및 질병 메커니즘에 대한 이해에 기여할 수 있습니다.

운동 뉴런은 3D 분화절차(도 4 및 도 5)에서12-14일 이내에 분화되었다. 중요한 것은, 세포의 60% 이상이 분화 중에 모터 뉴런 마커 HB9를 발현하였다. 면역히스토케는 MNS내 세포의 약 80%가 SMI32 양성 운동 뉴런이었다는 것을 밝혔다. HB9 및 SMI32는 확립된 초기 단계 모터 뉴런마커(15,16)이다. HB9 및 SMI32의 발현은 모터 뉴런의 세포 정체성을 보장하기 위해 확인되어야 하는 주요 매개 변수입니다. MNS를 배양 칩에 도입한 후 축축은 채널로 확장되고 축축묶음이 형성됩니다. 물리적 가이드역할을 하는 마이크로채널로 인해 축축은 MNS로부터 길게 문어축되어 축산작용(그림6A)에의해 번들을 형성한다. MNO의 생성을 확인하기 위해서는 현미경 관찰에 의해 축축 묶음의 형성을 확인하는 것이 필수적이다. 성공적인 MNO는 50 μm보다 넓은 축축 묶음과 채널의 번들에서 분리된 축록새가 거의 없습니다. 축축의 초기 신장은 스페로이드의 도입 후 24시간 후에 관찰될 수 있다. 다음 3-4 일 이내에 축축은 마이크로 채널의 중앙에 도달한 다음 추가 10 일 이내에 다른 쪽 끝에 도달합니다(그림 6A). 결과적으로, 축축은 칩에서 2-3주 만에 직선 및 단방향 번들을 조립하고 형성했으며, 그 후 뉴런 활동이 관찰되었다.
모터 신경 오르가노이드는 생물학적 분석을 위해 현미경 유리로부터 PDMS를 분리하여 칩으로부터 수집될 수있다(도 6B). 축삭 번들 및 세포 체는현미경(도 6B)하에서수술용 칼 또는 트위저를 사용하여 절단하여 해부및 격리될 수 있다. RNA와 단백질을 포함하는 이 생물학 물질은 RT-PCR 및 서쪽 블로팅과 같은 일반적인 생화확적인 소사에 사용될 수 있습니다. MNOs의 축축번에서 핵 또는 수지상 제조 자 단백질은 서부 블로팅(도 6C)에서검출되지 않습니다.
칼슘 표시기(Fluo-4AM)와 함께 신경 활성을 조직 배양 칩에 포획할 수 있다. 스페로이드 및 축축전의 모터 뉴런의 자발적인 활성은 MNO 내에서 관찰되었다. 또한, 신경 활동은 다중 전극 어레이 시스템을 사용하여 관찰되었다.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig01.jpg"> 그림 1: PDMS 조직 배양 칩의 치수. (A)조직 배양 칩의 포토마스크. (B)조직 배양 칩내 마이크로채널의 치수. 모터 뉴런 스페로이드를 유지하기위한 베이스 챔버의 직경은 2mm이고 챔버 위의 PDMS의 구멍은 1.5 mm입니다. 두 챔버를 연결하는 마이크로 채널의 폭과 높이는 모두 150 μm입니다. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61544/61544fig01large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig02.jpg"> 그림 2: 운동 뉴런 분화의 회로도 그림. (A)분화 단계는 신경 유도, 운동 신경 혈통으로 패터닝 및 운동 뉴런의 성숙을 포함했다. (B)iPS 세포로부터 운동 뉴런 스페로이드(MNS)를 생성하는 두 가지 옵션: 3D 프로토콜, 및 모터 뉴런의 해리 단계를 가진 2D 프로토콜. 모터 신경 오르가노이드 (MNO)는 두 프로토콜에 의해 얻을 수 있습니다. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61544/61544fig02large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig03.jpg"> 그림 3: 지하 막 매트릭스 코팅 및 모터 뉴런 스페로이드 도입을 위한 단계별 프로토콜. (A)조직 배양 칩의 채널에서 지하 막 매트릭스 코팅. (B)MNS가 칩의 구멍에 도입. (C)지친 매체의 포부에 의한 배양 배지 변화. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61544/61544fig03large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig04.jpg"> 그림 4: 2D 및 3D 모터 뉴런 분화. (A)대표 3D MNS 분화(3D 프로토콜)의 시간 과정. MNS의 크기는 시간이 지남에 따라 점차 증가했습니다. 스케일 바: 500 μm. (B) -D2, D0, D1, D6, D12(2D 프로토콜)에 2D 분화의 시간 과정. 스케일 바: 500 μm. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61544/61544fig04large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig05.jpg"> 그림 5: 운동 뉴런의 특성화. (A)(왼쪽) SMI-32 항체 및 DAPI로 염색된 MNS의 저온절. (중간) 지하 멤브레인 매트릭스 코팅 표면에 보충된 MNS의 위상 대비 이미지입니다. 축 하 신장 관찰 되었다. (오른쪽) Synapsin I와 Tuj1 항체로 염색된 MNS의 축축. 스케일 바: 500 μm(왼쪽 및 중간) 및 50μm(오른쪽). (B)Tuj 및 HB9 항체로 면역염색된 2D 모터 뉴런의 대표적인 이미지. 스케일 바: 200 μm. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61544/61544fig05large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61544/61544fig06.jpg"> 도 6: 배양 칩에서 생성된 모터 신경 오르가노이드(MNO)의 특성화. (A)D32에 축축및 두꺼운 축축 묶음 형성의 대표적인 이미지. 스케일 바: 500 μm. (B)SMI-32 및 DAPI에 의한 모터 신경 오르가노이드(MNO)의 면역염색. 축삭과 세포 체는 물리적으로 절단에 의해 격리될 수 있습니다. 스케일 바: 1mm.(C)축축및 세포 체로부터 단백질의 순도는 서양 블로팅에 의해 정량화된다. MAP2, 수지상 마커, 축 산 단백질에서 검출 되지 않은 반면, 축 산 마커 Tau1 축 산 단백질에 농축. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61544/61544fig06large.jpg" target="_blank">이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.</a>

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Three-Dimensional Motor Nerve Organoid Generation

이 프로토콜은 조직 배양 칩에서 스페로이드에서 확장 된 축축의 강력한 번들의 자발적인 조립을 통해 인간 iPS 세포 유래 모터 신경 오르가노이드를 제조하는 포괄적 인 절차를 제공합니다.

3차원 모터 신경 오르간성 생성

A fascicle of axons is one of the major structural motifs observed in the nervous system. Disruption of axon fascicles could cause developmental and ...

three-dimensional-motor-nerve-organoid-generation

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Neuroscience

9.1K 조회수.  The University of Tokyo. 이 프로토콜은 조직 배양 칩에서 스페로이드에서 확장 된 축축의 강력한 번들의 자발적인 조립을 통해 인간 iPS 세포 유래 모터 신경 오르가노이드를 제조하는 포괄적 인 절차를 제공합니다.

비디오: Three-Dimensional Motor Nerve Organoid Generation

Three-Dimensional Imaging of Organoids to Study Primary Ciliogenesis During ex vivo Organogenesis

Organoids are stem cell-derived three-dimensional structures that reproduce ex vivo the complex architecture and physiology of organs. Thus, organoids represent useful models to study the mechanisms that control stem cell self-renewal and differentiation in mammals, including primary ciliogenesis and ciliary signaling. Primary ciliogenesis is the dynamic process of assembling the primary cilium, a key cell signaling center that controls stem cell self-renewal and/or differentiation in various tissues. Here we present a comprehensive protocol for the immunofluorescence staining of cell lineage and primary cilia markers, in whole-mount mouse mammary organoids, for light sheet microscopy. We describe the microscopy imaging method and an image processing technique for the quantitative analysis of primary cilium assembly and length in organoids. This protocol enables a precise analysis of primary cilia in complex three-dimensional structures at the single cell level. This method is applicable for immunofluorescence staining and imaging of primary cilia and ciliary signaling in mammary organoids derived from normal and genetically modified stem cells, from healthy and pathological tissues, to study the biology of the primary cilium in health and disease.

Three-Dimensional Imaging of Organoids to Study Primary Ciliogenesis During ex vivo Organogenesis

Stem cell-derived organoids facilitate the analysis of molecular and cellular processes that regulate stem cell self-renewal and differentiation during organogenesis in mammalian tissues. Here we present a protocol for the analysis of the biology of the primary cilium in mouse mammary organoids.

Organoids are stem cell-derived three-dimensional structures that reproduce ex vivo the complex architecture and physiology of organs. Thus, organoids ...

연구

유전학

Brain Organoid Generation from Induced Pluripotent Stem Cells in Home-Made Mini Bioreactors

The iPSC-derived brain organoid is a promising technology for in vitro modeling the pathologies of the nervous system and drug screening. This technology has emerged recently. It is still in its infancy and has some limitations unsolved yet. The current protocols do not allow obtaining organoids to be consistent enough for drug discovery and preclinical studies. The maturation of organoids can take up to a year, pushing the researchers to launch multiple differentiation processes simultaneously. It imposes additional costs for the laboratory in terms of space and equipment. In addition, brain organoids often have a necrotic zone in the center, which suffers from nutrient and oxygen deficiency. Hence, most current protocols use a circulating system for culture medium to improve nutrition.
Meanwhile, there are no inexpensive dynamic systems or bioreactors for organoid cultivation. This paper describes a protocol for producing brain organoids in compact and inexpensive home-made mini bioreactors. This protocol allows obtaining high quality organoids in large quantities.

Here we describe a protocol for generating brain organoids from human induced pluripotent stem cells (iPSCs). To obtain brain organoids in large quantities and of high quality, we use home-made mini bioreactors.

집에서 만든 미니 생물 반응기에서 유도 만능 줄기 세포에서 뇌 오르간성 생성

The iPSC-derived brain organoid is a promising technology for in vitro modeling the pathologies of the nervous system and drug screening. This technology ...

발생학

Generation of 3D Midbrain Organoids from Human-Induced Pluripotent Stem Cells

The development of midbrain organoids (MOs) from human pluripotent stem cells (hPSCs) represents a significant advancement in understanding brain development, facilitating precise disease modeling, and advancing therapeutic research. This protocol outlines a method for generating midbrain-specific organoids using induced pluripotent stem cells (iPSCs), employing a strategic differentiation approach. Key techniques include dual-SMAD inhibition to suppress SMAD signaling, administration of fibroblast growth factor 8b (FGF-8b), and activation of the Sonic Hedgehog pathway using the agonist purmorphamine, guiding iPSCs towards a midbrain fate.
The organoids produced by this method achieve diameters up to 2 mm and incorporate a diverse array of neuroepithelial cell types, reflecting the midbrain&#39;s inherent cellular diversity. Validation of these organoids as authentic midbrain structures involves the expression of midbrain-specific markers, confirming their identity. A notable outcome of this methodology is the effective differentiation of iPSCs into dopaminergic neurons, which are characteristic of the midbrain.
The significance of this protocol lies in its ability to produce functionally mature, midbrain-specific organoids that closely replicate essential aspects of the midbrain, offering a valuable model for in-depth exploration of midbrain developmental processes and the pathophysiology of related disorders such as Parkinson&#39;s disease. Thus, this protocol serves as a crucial resource for researchers seeking to enhance our understanding of the human brain and develop new treatments for neurodegenerative diseases, making it an indispensable tool in the field of neurological research.

This protocol describes a novel method for creating 3D midbrain organoids from human induced pluripotent stem cells, guiding their formation to mimic native midbrain tissue, thereby aiding in the study of development and disorders.

인간 유도 만능 줄기 세포에서 3D 중뇌 오가노이드 생성

The development of midbrain organoids (MOs) from human pluripotent stem cells (hPSCs) represents a significant advancement in understanding brain ...

Scalable Generation of Mature Cerebellar Organoids from Human Pluripotent Stem Cells and Characterization by Immunostaining

The cerebellum plays a critical role in the maintenance of balance and motor coordination, and a functional defect in different cerebellar neurons can trigger cerebellar dysfunction. Most of the current knowledge about disease-related neuronal phenotypes is based on postmortem tissues, which makes understanding of disease progression and development difficult. Animal models and immortalized cell lines have also been used as models for neurodegenerative disorders. However, they do not fully recapitulate human disease. Human induced pluripotent stem cells (iPSCs) have great potential for disease modeling and provide a valuable source for regenerative approaches. In recent years, the generation of cerebral organoids from patient-derived iPSCs improved the prospects for neurodegenerative disease modeling. However, protocols that produce large numbers of organoids and a high yield of mature neurons in 3D culture systems are lacking. The protocol presented is a new approach for reproducible and scalable generation of human iPSC-derived organoids under chemically-defined conditions using scalable single-use bioreactors, in which organoids acquire cerebellar identity. The generated organoids are characterized by the expression of specific markers at both mRNA and protein level. The analysis of specific groups of proteins allows the detection of different cerebellar cell populations, whose localization is important for the evaluation of organoid structure. Organoid cryosectioning and further immunostaining of organoid slices are used to evaluate the presence of specific cerebellar cell populations and their spatial organization.

This protocol describes a dynamic culture system to produce controlled size aggregates of human pluripotent stem cells and further stimulate differentiation in cerebellar organoids under chemically-defined and feeder-free conditions using a single-use bioreactor.

인간 다능성 줄기 세포에서 성숙한 소뇌 오르가노이드의 확장 가능한 생성 및 면역 염색에 의한 특성화

The cerebellum plays a critical role in the maintenance of balance and motor coordination, and a functional defect in different cerebellar neurons can ...

생체공학

힘줄 연구 및 엔지니어링을 위한 3단계 오가노이드 모델

Demonstration of Self-Assembled Cell Sheet Culture and Manual Generation of a 3D Tendon/Ligament-Like Organoid by using Human Dermal Fibroblasts

Tendons and ligaments (T/L) are strong hierarchically organized structures uniting&#160;the&#160;musculoskeletal system. These tissues have a strictly arranged collagen type&#160;I-rich extracellular matrix (ECM) and T/L-lineage cells mainly positioned in parallel rows. After injury, T/L require a long time for rehabilitation with high failure risk and often unsatisfactory repair outcomes. Despite recent advancements in T/L biology research, one of the remaining challenges is that the T/L field still lacks a standardized differentiation protocol that is able to recapitulate T/L formation process in vitro. For example, bone and fat differentiation of mesenchymal precursor cells require just standard two-dimensional (2D) cell culture and the addition of specific stimulation media. For differentiation to cartilage, three-dimensional (3D) pellet culture and supplementation of TGF&#223; is necessary. However, cell differentiation to tendon needs a very orderly 3D culture model, which ideally should also be subjectable to dynamic mechanical stimulation. We have established a 3-step (expansion, stimulation, and maturation) organoid model to form a 3D rod-like structure out of a self-assembled cell sheet, which delivers a natural microenvironment with its own ECM, autocrine, and paracrine factors. These rod-like organoids have a multi-layered cellular architecture within rich ECM and can be handled quite easily for exposure to static mechanical strain. Here, we demonstrated the 3-step protocol by using commercially available dermal fibroblasts. We could show that this cell type forms robust and ECM-abundant organoids. The described procedure can be further optimized in terms of culture media and optimized toward dynamic axial mechanical stimulation. In the same way, alternative cell sources can be tested for their potential to form T/L organoids and thus undergo T/L differentiation. In sum, the established 3D T/L organoid approach can be used as a model for tendon basic research and even for scaffold-free T/L engineering.

저자 스포트라이트: 3D 오가노이드 모델을 통한 힘줄 조직 공학의 발전

Herein, we demonstrate a three-step organoid model (two-dimensional [2D] expansion, 2D stimulation, three-dimensional [3D] maturation) offering a promising tool for tendon fundamental research and a potential scaffold-free method for tendon tissue engineering.

Human Dermal Fibroblast를 이용한 Self-Assembled Cell Sheet Culture 및 3D Tendon/Ligament-like Organoid의 수동 생성 시연

Tendons and ligaments (T/L) are strong hierarchically organized structures uniting&#160;the&#160;musculoskeletal system. These tissues have a strictly ...

Generation of Human Motor Units with Functional Neuromuscular Junctions in Microfluidic Devices

Neuromuscular junctions (NMJs) are specialized synapses between the axon of the lower motor neuron and the muscle facilitating the engagement of muscle contraction. In motor neuron disorders, such as amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and spinal muscular atrophy (SMA), NMJs degenerate, resulting in muscle atrophy and progressive paralysis. The underlying mechanism of NMJ degeneration is unknown, largely due to the lack of translatable research models. This study aimed to create a versatile and reproducible in vitro model of a human motor unit with functional NMJs. Therefore, human induced pluripotent stem cell (hiPSC)-derived motor neurons and human primary mesoangioblast (MAB)-derived myotubes were co-cultured in commercially available microfluidic devices. The use of fluidically isolated micro-compartments allows for the maintenance of cell-specific microenvironments while permitting cell-to-cell contact through microgrooves. By applying a chemotactic and volumetric gradient, the growth of motor neuron-neurites through the microgrooves promoting myotube interaction and the formation of NMJs were stimulated. These NMJs were identified immunocytochemically through co-localization of motor neuron presynaptic marker synaptophysin (SYP) and postsynaptic acetylcholine receptor (AChR) marker &#945;-bungarotoxin (Btx) on myotubes and characterized morphologically using scanning electron microscopy (SEM). The functionality of the NMJs was confirmed by measuring calcium responses in myotubes upon depolarization of the motor neurons. The motor unit generated using standard microfluidic devices and stem cell technology can aid future research focusing on NMJs in health and disease.

We describe a method to generate human motor units in commercially available microfluidic devices by co-culturing human induced pluripotent stem cell-derived motor neurons with human primary mesoangioblast-derived myotubes resulting in the formation of functionally active neuromuscular junctions.

미세 유체 장치에서 기능성 신경 근육 접합을 갖춘 인간 모터 유닛 생성

Neuromuscular junctions (NMJs) are specialized synapses between the axon of the lower motor neuron and the muscle facilitating the engagement of muscle ...

신경과학

Robust and Highly Reproducible Generation of Cortical Brain Organoids for Modelling Brain Neuronal Senescence In Vitro

Brain organoids are three-dimensional models of the developing human brain and provide a compelling, cutting-edge platform for disease modeling and large-scale genomic and drug screening. Due to the self-organizing nature of cells in brain organoids and the growing range of available protocols for their generation, issues with heterogeneity and variability between organoids have been identified. In this protocol paper, we describe a robust and replicable protocol that largely overcomes these issues and generates cortical organoids from neuroectodermal progenitors within 1 month, and that can be maintained for more than 1 year. This highly reproducible protocol can be easily carried out in a standard tissue culture room and results in organoids with a rich diversity of cell types typically found in the developing human cortex. Despite their early developmental make-up, neurons and other human brain cell types will start to exhibit the typical signs of senescence in neuronal cells after prolonged in vitro culture, making them a valuable and useful platform for studying aging-related neuronal processes. This protocol also outlines a method for detecting such senescent cells in cortical brain organoids using senescence-associated beta-galactosidase staining.

Robust and Highly Reproducible Generation of Cortical Brain Organoids for Modelling Brain Neuronal Senescence In Vitro

In this study, we provide a detailed technique for a simple yet robust cortical organoid culture system using standard feeder-free hPSC cultures. This is a rapid, efficient, and reproducible protocol for generating organoids that model aspects of brain senescence in vitro.

체외에서 뇌 신경 노화를 모델링하기위한 피질 뇌 오가노이드의 강력하고 재현 가능한 생성

Brain organoids are three-dimensional models of the developing human brain and provide a compelling, cutting-edge platform for disease modeling and ...

A High-Throughput Platform for Culture and 3D Imaging of Organoids

The characterization of a large number of three-dimensional (3D) organotypic cultures (organoids) at different resolution scales is currently limited by standard imaging approaches. This protocol describes a way to prepare microfabricated organoid culture chips, which enable multiscale, 3D live imaging on a user-friendly instrument requiring minimal manipulations and capable of up to 300 organoids/h imaging throughput. These culture chips are compatible with both air and immersion objectives (air, water, oil, and silicone) and a wide range of common microscopes (e.g., spinning disk, point scanner confocal, wide field, and brightfield). Moreover, they can be used with light-sheet modalities such as the single-objective, single-plane illumination microscopy (SPIM) technology (soSPIM). 
The protocol described here gives detailed steps for the preparation of the microfabricated culture chips and the culture and staining of organoids. Only a short length of time is required to become familiar with, and consumables and equipment can be easily found in normal biolabs. Here, the 3D imaging capabilities will be demonstrated only with commercial standard microscopes (e.g., spinning disk for 3D reconstruction and wide field microscopy for routine monitoring).

This paper presents a fabrication protocol for a new type of culture substrate with hundreds of microcontainers per mm2, in which organoids can be cultured and observed using high-resolution microscopy. The cell seeding and immunostaining protocols are also detailed.

오가노이드의 배양 및 3D 이미징을 위한 고처리량 플랫폼

The characterization of a large number of three-dimensional (3D) organotypic cultures (organoids) at different resolution scales is currently limited by ...

3차원 모터 신경 오르간성 생성

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Three-Dimensional Imaging of Organoids to Study Primary Ciliogenesis During ex vivo Organogenesis

집에서 만든 미니 생물 반응기에서 유도 만능 줄기 세포에서 뇌 오르간성 생성

인간 유도 만능 줄기 세포에서 3D 중뇌 오가노이드 생성

인간 다능성 줄기 세포에서 성숙한 소뇌 오르가노이드의 확장 가능한 생성 및 면역 염색에 의한 특성화

Human Dermal Fibroblast를 이용한 Self-Assembled Cell Sheet Culture 및 3D Tendon/Ligament-like Organoid의 수동 생성 시연

Human Dermal Fibroblast를 이용한 Self-Assembled Cell Sheet Culture 및 3D Tendon/Ligament-like Organoid의 수동 생성 시연

Human Dermal Fibroblast를 이용한 Self-Assembled Cell Sheet Culture 및 3D Tendon/Ligament-like Organoid의 수동 생성 시연

미세 유체 장치에서 기능성 신경 근육 접합을 갖춘 인간 모터 유닛 생성

체외에서 뇌 신경 노화를 모델링하기위한 피질 뇌 오가노이드의 강력하고 재현 가능한 생성

오가노이드의 배양 및 3D 이미징을 위한 고처리량 플랫폼