Electrophysiological analysis of human cells derived from neuronal differentiation of skin mesenchymal stem cells

Human skin hair follicle are a niche for different kind of adult mesenchymal stem cells (MSCs) such as neural crest stem cells and skin-derived precursor cells. MSCs ability to differentiate in neural and glial-like cells is of great interest for regenerative medicine as well as for the comprehension of molecular mechanisms involved in the development and the cure of neuropathies. Even if with reduced differentiative potential, MSCs have undoubtable economic advantages with respect to reprogrammed stem cells (iPSCs); at the same time, they already have well established therapeutic potential in animal models of stroke, spinal cord injury and multiple sclerosis. Starting from Prof. Bortolozzi’s lab protocol for the extraction, proliferation, and differentiation of adult MSCs into neurons, we performed electrophysiology experiments to characterize three different monoclonal populations selected from seven by mRNA analysis before the differentiation step.The patch- clamp technique has been used to depolarize single cells at different neuronal maturation stages to monitor resting potential and voltage-dependent electrical activity. To validate our patch clamp protocol, we used primary cultures of mouse motorneurons to record action potentials, which are the characteristic feature of mature neuronal cell. In MSCs-derived neurons, action potentials were not recorded during one-month differentiation period, despite cells exhibited a typical neuronal morphology. Overall, these results suggest that the mRNA signature expressed by the three MSC clones we analyzed corresponds to a limited neuronal potential, so different signatures should be taken into account in a future work. I follicoli piliferi umani sono una nicchia per diversi tipi di cellule staminali mesenchimali adulte (MSCs) come celulle staminali delle creste neurali e cellule precursori derivate dalla pelle. La capacità delle MSCs di differenziarsi in cellule simil neuroni e gliali è di grande interesse per la medicina rigenerativa, così come per la comprensione dei meccanismi molecolari che intervengono nello sviluppo e nella cura delle neuropatie. Anche se con capacità di differenziamento ridotta, le MSCs hanno indubbiamente dei vantaggi economici rispetto alle cellule staminali riprogrammate (iPSCs); nello stesso tempo, sono già stati osservati i benefici terapeutici in modelli animali di ictus, lesioni del midollo spinale e sclerosi multipla. A partire dal protocollo del laboratorio del Prof. Bortolozzi per l'estrazione, proliferazione e differenziazione di MSCs adulte in neuroni, abbiamo eseguito esperimenti di elettrofisiologia per caratterizzare tre diverse popolazioni monoclonali selezionate da sette attraverso l'analisi del mRNA prima di procedere con il protocollo di differenziazione. La tecnica del patch-clamp è stata usata per depolarizzare singole cellule a differenti stadi di maturazione neuronale per monitorare il potenziale di riposo e la dipendenza dell'attività elettrica dal voltaggio. Per convalidare il protocollo di patch-clamp, abbiamo usato colture primarie di motoneuroni derivati da topi per registrare un potenziale d'azione, che è una caratteristica specifica delle cellule neuronali mature. Nei neuroni derivati da MSCs, il potenziale d'azione non è stato registrato durante un mese di differenziamento, nonostante le cellule esibissero una morfologia tipicamente neuronale. Complessivamente, questi risultati suggeriscono che la caratterizzazione data dal mRNA espressa dai tre cloni che abbiamo analizzato corrisponde ad un potenziale neurologico limitato, quindi differenti caratterizzazioni dovrebbero essere prese in considerazione in un lavoro futuro.