מערכת Microbiomechanical ללמוד היווצרות דליות, השחזור של אקסונים נוירון המרכזית
Summary
פרוטוקול זה מתאר רלוונטי מבחינה פיזיולוגית בלחץ נוזלים גישה עבור אינדוקציה מהיר ולא הפיכה של varicosities בנוירונים.
Abstract
Varicosities עצב הם המבנים מוגדלות לאורך המוטות של אקסונים עם רמה גבוהה של הטרוגניות. הם נמצאים לא רק את המוח עם מחלות ניווניות או פציעות, אלא גם במוח רגיל. כאן נתאר מערכת micromechanical החדש שהוקם לזירוז במהירות, באופן אמין ו הפיכה varicosities עצב, ומאפשר לנו להבין את המנגנונים השולטים היווצרות דליות והרכב החלבון הטרוגנית. מערכת זו מייצגת אמצעים חדשניים כדי להעריך את ההשפעות של הלחץ הטיה של דחיסה על תאים subcellular שונים של נוירונים, שונה ממערכות אחרות במבחנה המתמקדים בעיקר ההשפעה של מתיחות. חשוב, בשל התכונות הייחודי של המערכת שלנו, לאחרונה גילינו דבר הרומן מציג כי היישום של נוזל בלחץ יכול במהירות, הפיכה לגרום varicosities עצב דרך ההפעלה של ערוץ פוטנציאלי קולטן ארעי. מערכת biomechanical שלנו יכול להיות מנוצל בנוחות בשילוב עם התרופה זלוף, הדמיה תא חי, סידן ההדמיה וה תיקון קלאמפ הקלטה. לכן, בשיטה זו יכול להיות מאומץ ללמוד mechanosensitive יון ערוצי תחבורה עצב רגולציה, שלד התא עצב dynamics, סידן איתות, פגיעה מוחית הקשורים טראומטי שינויים מורפולוגיים.
Introduction
היווצרות דליות, או נפיחות/פלאיירים, לאורך אקסונים, הוא מאפיין בולט של הקשורים ניוון מוחיים נצפו הפרעות רבות או פציעה של מערכת העצבים המרכזית, כולל טרשת נפוצה, אלצהיימר, פרקינסון, וטראומטית פגיעה במוח1,2. למרות ההשפעות פיזיולוגיות משמעותיות של varicosities עצב על הפצת פוטנציאל הפעולה, הסינאפסית3, איך נוצרים את varicosities נותר עלום. לאחרונה, שימוש assay microbiomechanical החדש שהוקם על נוירונים בהיפוקמפוס בתרבית של מכרסמים, מצאנו כי גירוי מכני יכול לגרום varicosities של הנוירונים הללו עם מאוד מסקרן תכונות. ראשית, דליות אינדוקציה היא מהירה (< 10 s) תהליך זה הוא הפיך באופן בלתי צפוי. שנית, דליות חניכה תלוי בכח הנעוצה לחץ: הלחץ גבוה יותר, מהר יותר הקבלה. שלישית, דליות חניכה תלוי גיל עצביים. האקסונים של נוירונים הצעירים מופיעים קשובים יותר מכאניים, בהשוואה לאלו של נוירונים בוגרים. רביעית, הצורה varicosities לאורך האקסונים של נוירונים בהיפוקמפוס, בעוד דנדריטים של האקסון הראשונית מקטעים של נוירונים אלה מציגים ללא שינוי בתנאי והמתנשף אותו. לפיכך, המחקר שלנו גילה תכונה הרומן של קוטביות עצביים. ממצאים אלה עם מערכת במבחנה הרלוונטיים מבחינה פיזיולוגית. באמצעות מודל ויוו עבור פגיעה מוחית טראומטית קלה (mTBI), הראינו כי עצב varicosities התפתח בצורה רב נקודתית בקליפת המגע של העכברים מיד לאחר הפגיעה סגור-הגולגולת, עקבי עם שלנו במבחנה תוצאות4. חשוב לציין כי שלנו מוכתמים, הדמיה של העכברים mTBI מספקים רק זריקה הצמד של שינויים מורפולוגיים עצביים, מאז ביצוע ויוו הדמיה בצילום מואץ של מורפולוגיה העצבית במהלך השפעה מכני הוא עדיין לא ריאלי.
מערכת זו נשיפת-נוזל מותר לנו לא רק ללכידת תכונות ייחודיות המשויכים היווצרות דליות מפגינות מכני, אלא גם כדי לקבוע את מנגנון המשמש כבסיס. על ידי בדיקות שונות פתרונות חוץ-תאית, חוסמי ראשית של מועמדים שונים של תעלות יונים mechanosensitive, אלקטרופיזיולוגיה הסלולר, זיהינו כי הקטיון פוטנציאליים קולטן ארעי ערוץ תת V חבר 4 (TRPV4) ערוץ זה הוא חדיר2 + Ca, Na+ ומופעל על-ידי נשיפת אחראי בעיקר על גילוי ראשוני מכאניים במהלך היווצרות דליות עצב4. זה אושר עוד יותר בגישה נוקאאוט siRNA. . יחדיו, מערכת חדשה זו assay שפיתחנו עם התרבות נוירון בהיפוקמפוס, הוא חשוב מאוד ללמוד את המאפיינים micromechanical של הנוירונים מרכזי, במיוחד בשילוב עם טכניקות אחרות.
מערכת זו micromechanical הקמנו הוא ייחודי, שונה מערכות קיימות קודם לכן בכמה היבטים עיקריים. ראשית, מערכת זו, הנוירונים לחוות out-של-plane מכאניים בצורות של הטיה של דחיסה. במהלך ההשפעה מכני, תהליכים עצביים יישארו מצורפים השטח coverslip, אל תזוז. הדבר שונה מאופן אחרים ניסיוני מערכות מעורבים בעיקר כיפוף ומתיחות בתוך המטוס (או מתח), למשל, אפשרות סטיה של אקסונים ארוזות כמו העברת מחרוזות5,6 או מתיחה אקסונים גדל על micropatterned ערוצים וממברנות מתיחה7,8. יתר על כן, למרות varicosities עצב יכולה להיגרם גם על אלה מבחני כמו במערכת שלנו נשיפת-נוזל, תהליך הגדרות אלה לוקח הרבה יותר זמן (מ- 10 דקות עד מספר שעות6,7,8) ומופיע בלתי הפיך. בסופו של דבר, המערכת שלנו באמצעות נשיפת נוזלים מקומיים מאפשרת הבחינה של התכונות המרחבי של היווצרות דליות (למשל., דנדריטים, הדנדריטים, סומה, עצב מקטעי הראשונית, מסופי עצב), מלבד התכונות הזמנית שלו. באמצעות מערכת זו, גילינו מספר בלתי צפויים וייחודיים תכונות היווצרות דליות עצב, במיוחד התפרצות מהירה, איטית הפיכות ו האקסון-דנדריט קוטביות.
המערכת שנדון בו הנייר הזה הוא תואם עם טכניקות רבות של מולקולרית ותא ביולוגיה. למשל, כדי לחקור את ההשפעות של לחץ מכני על מורפולוגיה העצבית ותפקוד, זה יכול לשמש יחד עם מיאלין coculture, זמן לשגות הדמיה של העברת אנרגיה תהודה פלורסנט (סריג), קרינה פלואורסצנטית גמורה (TIRF), הדמיית סידן, תיקון קלאמפ הקלטה. בנייר זה, אנו מתמקדים מרכיבי הליבה של המערכת. נוירון בהיפוקמפוס תרבות, ההתקנה נשיפת-נוזל, ברזולוציה גבוהה בצילום מואץ דימות להעברה עצב ו סידן הדמיה מומחשים מפורטות להלן.
Protocol
Representative Results
Discussion
הנוהל של assay microbiomechanical הזה הוא ישר קדימה. זה יפיק תוצאות אמינות, אם כל השלבים שלה מתבצעות בזהירות. ישנם מספר שלבים מרכזיים שישבשו, אם מבוצעת באופן לא תקין, איסוף נתונים מוצלחת. השלבים הקריטיים להתחיל במעלה הזרם של היישום בפועל של הגירוי והמתנשף. ניתוח זהיר culturing, טיפול של התרבות נוירון ראשי ה…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
כל הניסויים נערכו בהתאם נבחרת מוסדות של בריאות בעלי חיים שימוש לקווים המנחים. עבודה זו נתמך בחלקה על ידי מענקים של מכוני הבריאות הלאומיים (R01NS093073 ו- R21AA024873) ג. ג. א.
Materials
| 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 |
References
- Nikić, I., et al. A reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis. Nat. Med. 17, 495-499 (2011).
- Yang, J., et al. Regulation of axon degeneration after injury and in development by the endogenous calpain inhibitor calpastatin. Neuron. 80 (5), 1175-1189 (2013).
- Debanne, D. Information processing in the axon. Nat. Rev. Neurosci. 5, 304-316 (2004).
- Gu, Y., Jukkola, P., Wang, Q., Esparza, T., Zhao, Y., Brody, D., Gu, C. Polarity of varicosity initiation in central neuron mechanosensation. J Cell Biol. 216 (7), 2179-2199 (2017).
- Chung, R. S., et al. Mild axonal stretch injury in vitro induces a progressive series of neurofilament alterations ultimately leading to delayed axotomy. J. Neurotrauma. 22 (10), 1081-1091 (2005).
- Staal, J. A., Dickson, T. C., Chung, R. S., Vickers, J. C. Cyclosporin-A treatment attenuates delayed cytoskeletal alterations and secondary axotomy following mild axonal stretch injury. Dev. Neurobiol. 67 (14), 1831-1842 (2007).
- Tang-Schomer, M. D., Johnson, V. E., Baas, P. W., Stewart, W., Smith, D. H. Partial interruption of axonal transport due to microtubule breakage accounts for the formation of periodic varicosities after traumatic axonal injury. Exp. Neurol. 233 (1), 364-372 (2012).
- Donkin, J. J., Vink, R. Mechanisms of cerebral edema in traumatic brain injury: therapeutic developments. Curr Opin Neurol. 23 (3), 293-299 (2010).
- Gardner, A., Jukkola, P., Gu, C. Myelination of rodent hippocampal neurons in culture. Nat Protoc. 7 (10), 1774-1782 (2012).
- Wang, Q., Zhang, X., Zhao, Y. Micromechanical stimulator for localized cell loading: fabrication and strain analysis. J. Micromech. Microeng. 23, 015002 (2013).
- Lu, Y. B., et al. Viscoelastic properties of individual glial cells and neurons in the CNS. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (47), 17759-17764 (2006).
- Elkin, B. S., Azeloglu, E. U., Costa, K. D., Morrison, B. Mechanical heterogeneity of the rat hippocampus measured by atomic force microscope indentation. J. Neurotrauma. 24 (5), 812-822 (2007).
- Franze, K., et al. Neurite branch retraction is caused by a threshold-dependent mechanical impact. Biophys. J. 97 (7), 1883-1890 (2009).
- Campàs, O., et al. Quantifying cell-generated mechanical forces within living embryonic tissues. Nat. Methods. 11 (2), 183-189 (2014).
