Este protocolo describe un acercamiento fluido fisiológicamente relevante, presurizado para la inducción rápida y reversible de las várices en las neuronas.
Várices axonales son estructuras ampliadas a lo largo de los ejes de axones con un alto grado de heterogeneidad. Están presentes no sólo en los cerebros con lesiones o enfermedades neurodegenerativas, sino también en el cerebro normal. Aquí, describimos un sistema de micromechanical recién establecida rápidamente, confiable y reversible inducir várices axonales, lo que nos permite entender los mecanismos que regulan la formación de várices y de composición heterogénea. Este sistema representa un nuevo medio para evaluar los efectos del estrés de compresión y cizalla en diferentes compartimentos subcelulares de las neuronas, diferentes de otros sistemas en vitro que se centran principalmente en el efecto de estiramiento. Importante, debido a las características únicas de nuestro sistema, recientemente hizo un nuevo descubrimiento que demuestra que la aplicación de fluido a presión puede inducir várices axonales a través de la activación de un canal potencial de receptor transitorio rápido y reversible. Nuestro sistema biomecánico puede utilizarse convenientemente en combinación con perfusión de drogas, proyección de imagen de células vivas, proyección de imagen de calcio y parche abrazadera grabación. Por lo tanto, este método puede ser adoptado para el estudio de canales del ion mechanosensitive, regulación de transporte axonal, dinámica del citoesqueleto axonal, señalización de calcio y cambios morfológicos relacionados con traumatismo craneoencefálico.
Formación de várices o inflamación o abalorios, a lo largo de los axones, es una característica prominente de la neurodegeneración observada en muchos trastornos o lesiones del sistema nervioso central, incluyendo esclerosis múltiple, enfermedad de Alzheimer, enfermedad de Parkinson y traumática cerebro lesiones1,2. A pesar de los significativos impactos fisiológicos de várices axonales en la propagación del potencial de acción y transmisión sináptica3, cómo se generan las várices se desconoce. Recientemente, usando un análisis microbiomechanical de reciente creación en neuronas hippocampal cultivadas de los roedores, encontramos que los estímulos mecánicos pueden inducir várices en estas neuronas con muy interesantes características. En primer lugar, la inducción de várices es rápida (< 10 s) y este proceso es reversible de forma inesperada. En segundo lugar, iniciación de varices depende de la fuerza que sopla a presión: cuanto mayor sea la presión, más rápido la iniciación. En tercer lugar, iniciación de varices depende de edad neuronal. Los axones de las neuronas más jóvenes aparecen más sensibles a la tensión mecánica, en comparación con los de las neuronas más viejas. En cuarto lugar, la forma de várices a lo largo de los axones de las neuronas hipocampales, dendritas y segmentos inicial del axón de estas neuronas no muestran ningún cambio bajo la misma condición que sopla. Por lo tanto, nuestro estudio reveló una característica novedosa de polaridad neuronal. Estos resultados con el sistema in vitro son fisiológicamente relevantes. Usando un modelo en vivo para lesiones traumáticas leves del cerebro (mTBI), demostramos que várices axonales desarrollaron de una manera multi-focal en la corteza somatosensorial de los ratones inmediatamente después del impacto de cierre-cráneo, consistente con nuestro en vitro resultados4. Es importante tener en cuenta que la tinción y proyección de imagen de los ratones de la LCT sólo proporcionan un tiro rápido de cambios morfológicos neuronales, desde realizar en vivo Time-lapse la proyección de imagen de morfología neuronal durante un impacto mecánico es todavía no es factible.
Este sistema de líquido soplar nos permitió no sólo para capturar características únicas asociadas con la formación de várices inducida por estrés mecánico, sino también para determinar el mecanismo subyacente. Probando diferentes soluciones extracelulares, los bloqueadores y abridores de diferentes candidatos de mechanosensitive canales del ion y electrofisiología celular, identificamos que el catión potencial transitorio del receptor canal de miembros de la subfamilia V 4 (TRPV4) canal que es permeable al Ca2 + y Na+ y activado por soplar es principalmente encargada de detectar el estrés mecánico inicial durante la formación de várices axonal4. Esto fue confirmado más con un enfoque de nocaut de siRNA. Tomados en conjunto, este nuevo sistema de análisis que hemos desarrollado con cultura de neurona del hipocampo, es muy valiosa para el estudio de las propiedades de la micromecánica de las neuronas centrales, especialmente en combinación con otras técnicas.
Este sistema de micromechanical que hemos establecido es única y difiere de los sistemas previamente existentes en varios aspectos importantes. En primer lugar, en este sistema, las neuronas experimentan estrés mecánico fuera de plano en las formas de compresión y corte. Durante el impacto mecánico, procesos neuronales permanecen adheridos a la superficie del cubreobjetos y no se mueven. Esto difiere de otros sistemas que participan principalmente de flexión y estiramiento en el plano experimental (o tensión), por ejemplo, la desviación de axones incluidas como mover cuerdas5,6 o estiramiento de axones en micropatterned canales y membranas elástica7,8. Por otra parte, aunque las várices axonales pueden ser también inducidas en estos ensayos como en nuestro sistema que sopla el fluido, el proceso en estos ajustes toma mucho más tiempo (de 10 minutos a varias horas6,7,8) y aparece irreversible. Por último, nuestro sistema usando soplar líquido local permite el examen de las características espaciales de la formación de várices (e.g., dendritas, espinas dendríticas, soma, segmentos iniciales axonales, terminales axonales), además de sus características temporales. Mediante este sistema, descubrimos varias características inesperados y únicos de la formación de várices axonal, especialmente Inicio rápido lenta reversibilidad y polaridad de axón-dendrita.
El sistema que comentaremos en este artículo es compatible con muchas de las técnicas de molecular y biología de la célula. Por ejemplo, para estudiar los efectos del estrés mecánico sobre la morfología neuronal y función, puede ser utilizado junto con cocultivo de mielina, Time-lapse de imágenes de fluorescencia de reflexión interna total (TIRF) y de transferencia de energía de resonancia fluorescente (FRET) proyección de imagen de calcio y parche abrazadera grabación. En este artículo, nos centramos en los componentes del sistema. Cultura de neuronas hippocampal, líquido soplar configuración, alta resolución imágenes de Time-lapse para transporte axonal y proyección de imagen de calcio se ilustran paso a paso a continuación.
El procedimiento de este ensayo microbiomechanical es hacia adelante. Va a producir resultados confiables, si se realizan cuidadosamente todos sus pasos. Hay varios pasos fundamentales que, si se realiza incorrectamente, dificultará la recopilación de datos exitosa. Los pasos críticos comienzan aguas arriba de la aplicación real del estímulo que sopla. Disección cuidadosa, cultivo y cuidado de la cultura de la neurona primaria son primordiales. Si las neuronas cultivadas no son saludables, no reaccionarán, ya que …
The authors have nothing to disclose.
Todos los experimentos con animales se ha realizado según los institutos nacionales de Salud Animal uso directrices. Este trabajo fue financiado en parte por las subvenciones de los institutos nacionales de salud (R01NS093073 y R21AA024873) a C. Gu.
12 mm coverslips | Warner Instruments | 64-0702 | for 24-well plate |
25 mm coverslips | Fisher Scientific | 12-545-102 | for 6-well plate |
Acetic acid | Fisher Scientific | A38-212 | |
Poly-D-lysine | Sigma | P6407 | |
Rat tail collagen | Roche | 11 179 179 001 | |
10X PBS | National Diagnostics | CL-253 | |
Na2SO4 | Fisher Scientific | S373-500 | |
K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | |
HEPES | Fisher Scientific | BP410-500 | |
D-glucose | Fisher Scientific | D16-500 | |
MgCl2 | Fisher Scientific | BP214-500 | |
NaOH | Fisher Scientific | SS255-1 | |
Protease enzyme | Sigma | P4032 | |
FBS | Gibco | 26140 | |
Sodium pyruvate | Gibco | 11360-070 | |
L-glutamine | Gibco | 25030081 | |
Penicillin/Streptomycin 100x (P/S) | Gibco | 15140122 | |
MEM Earle's Salts | Gibco | 11090 | |
B27 supplement | Gibco | 17504-044 | |
Neurobasal | Gibco | 21103-049 | |
Arabinosylcytosine (Ara-C) | Sigma | 147-94-4 | |
Opti-MEM media | Gibco | 31985-070 | |
Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 1854313 | transfection reagent |
Borosilicate rods | World Precision Instruments Inc. | PG52151-4 | for puffing pipette |
rubber tubing | Fisher Scientific | 14-169-1A | |
10cc plastic syringe and plunger | Becton Dickinson | ||
micromanipulator | Sutter Instruments | ||
NaCl | Fisher Scientific | S640-3 | |
KCl | Fisher Scientific | BP366-500 | |
CaCl2 | Fisher Scientific | C70-500 | |
Cell culture dish (35 mm x 10 mm) | Corning | 3294 | |
Fluo-4 AM | Molecular Probes | F14201 | for calcium imaging |
Mito-YFP construct | Takara Bio Inc. | for cell transfection | |
YFP-N1 construct | Takara Bio Inc. | for cell transfection | |
Model P-1000 Flaming/Brown Micropipette puller | Sutter Instruments | ||
Eclipse TE2000-U Mcroscope | Nikon | ||
Plan Fluor ELWD 20x lens | Nikon | 062933 | objective |
Apo TIRF 100x/1.49 oil lens | Nikon | MRD01991 | objective |