Vorbereitung des Rattenischiasnervs für die Ex-vivo-Neurophysiologie
Summary
Dieses Protokoll beschreibt die Vorbereitung von ganzem Ischiasnervengewebe der Ratte für die elektrophysiologische Stimulation ex vivo und die Aufzeichnung in einem umweltregulierten, durchbluteten Salzbad mit zwei Kompartimenten.
Abstract
Ex-vivo-Präparate ermöglichen es, viele neurophysiologische Prozesse isoliert vom Rest des Körpers zu untersuchen und gleichzeitig die lokale Gewebestruktur zu erhalten. Diese Arbeit beschreibt die Vorbereitung von Rattenischiasnerven für die Ex-vivo-Neurophysiologie , einschließlich Puffervorbereitung, Tierverfahren, Geräteaufbau und neurophysiologische Aufzeichnung. Diese Arbeit gibt einen Überblick über die verschiedenen Arten von Experimenten, die mit dieser Methode möglich sind. Die skizzierte Methode zielt darauf ab, 6 h Stimulation und Aufzeichnung auf extrahiertem peripherem Nervengewebe unter streng kontrollierten Bedingungen für eine optimale Konsistenz der Ergebnisse bereitzustellen. Die mit dieser Methode erzielten Ergebnisse sind A-Faserverbindungswirkungspotentiale (CAP) mit Peak-to-Peak-Amplituden im Millivoltbereich über die gesamte Dauer des Experiments. CAP-Amplituden und -Formen sind konsistent und zuverlässig, was sie nützlich macht, um neue Elektroden mit bestehenden Modellen zu testen und zu vergleichen, oder die Auswirkungen von Eingriffen auf das Gewebe, wie die Verwendung von Chemikalien, chirurgische Veränderungen oder neuromodulatorische Stimulationstechniken. Sowohl herkömmliche handelsübliche Manschettenelektroden mit Platin-Iridium-Kontakten als auch maßgeschneiderte leitfähige Elastomerelektroden wurden getestet und lieferten ähnliche Ergebnisse in Bezug auf die Nervenreizstärke-Dauer-Reaktion.
Introduction
Das derzeitige Verständnis der grundlegenden Nervenfunktion, wie sie in silico modelliert wird, fehlt in mehreren Aspekten, insbesondere in Bezug auf die Auswirkungen der Kompartimentierung von Nervengewebe außerhalb des Somas, Axons und der Dendriten. Axon-Myelin-Wechselwirkungen sind immer noch wenig verstanden, wie die Tatsache zeigt, dass selbst detaillierte Computernervenmodelle wie MRG1 (für Säugetiernerven), die die konventionelle elektrische Stimulationsreaktion angemessen erfassen, andere experimentell beobachtete Verhaltensweisen wie Hochfrequenz-Blockübertragung2 oder sekundäre Beginnantwort3 nicht erfassen.
Dieses Protokoll bietet eine Methode, um neurophysiologische Prozesse auf Nervenebene in einem akuten Kleinlabortiermodell effizient zu untersuchen, wobei ein standardisiertes Vorbereitungsprotokoll verwendet wird, um den Nerv zu isolieren, seine Umgebung zu kontrollieren und ihn aus einem In-vivo-Kontext in einen Ex-vivo-Kontext zu entfernen. Dies verhindert andere Körperprozesse oder Anästhetika, die von In-vivo-Nervenstimulationsprotokollen verwendet werden, um das Nervenverhalten zu verändern und die Messergebnisse oder deren Interpretation zu verfälschen 4,5. Dies ermöglicht die Entwicklung realistischerer Modelle, die sich ausschließlich auf Effekte konzentrieren, die für Nervengewebe spezifisch sind und kaum verstanden werden. Dieses Protokoll ist auch als Testumgebung für neue Nervenstimulation und Aufzeichnung von Elektrodenmaterialien und -geometrien sowie für neue Stimulationsparadigmen wie Hochfrequenzblock 2,3 nützlich. Variationen dieser Technik wurden zuvor verwendet, um die Nervenphysiologie unter streng kontrollierten Bedingungen zu untersuchen6, zum Beispiel um die Dynamik und Eigenschaften von Ionenkanälen oder die Auswirkungen von Lokalanästhetika zu messen7.
Diese Technik bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu Alternativen wie akuten In-vivo-Kleintierversuchen 8. Die Technik macht es überflüssig, die Anästhesietiefe aufrechtzuerhalten, da das Gewebe aus dem Körper extrahiert wurde, wodurch die erforderliche Ausrüstung wie ein Anästhesiediffusor, ein Sauerstoffkonzentrator und ein Heizkissen reduziert werden. Dies vereinfacht das experimentelle Protokoll und reduziert das Risiko von Fehlern. Da Anästhetika möglicherweise die Nervenfunktion4 verändern können, stellt diese Technik sicher, dass die Maßnahmen nicht durch Nebenwirkungen dieser Anästhesieverbindungen beeinträchtigt werden. Schließlich ist diese Technik besser geeignet als akute In-vivo-Experimente , wenn die Auswirkungen neurotoxischer Verbindungen wie Tetrodotoxin untersucht werden, die ein betäubtes Tier durch Lähmung töten würden.
Periphere Nervenabschnitte sind ein einzigartiges Ex-vivo-System , da eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Fasern, die für aufgezeichnete neuronale Signale verantwortlich sind, kein Soma enthalten. Da sich diese normalerweise für Motoneuronen in der Wirbelsäule und für sensorische Neuronen in den dorsalen Wurzelganglien neben der Wirbelsäule befinden würden, kann die Vorbereitung eines Abschnitts des Säugetiernervs grob als eine Ansammlung von röhrenförmigen Membranen mit Ionenkanälen modelliert werden, die an beiden Enden offen sind9. Der Stoffwechsel wird durch die Mitochondrien aufrechterhalten, die sich zum Zeitpunkt der Gewebedissektion10 im Axon befinden. Das Nähen der offenen Enden des Axolemmas wird nach der Extraktion angeregt, um sie zu schließen und dadurch dazu beizutragen, bestehende ionische Gradienten über die Membran aufrechtzuerhalten, die für eine normale Nervenfunktion unerlässlich sind.
Um die Gewebehomöostase außerhalb des Körpers aufrechtzuerhalten, müssen mehrere Umweltvariablen streng kontrolliert werden. Dies sind Temperatur 11, Sauerstoffversorgung12, Osmolarität, pH13,14 und Zugang zu Glukose, um den Stoffwechsel aufrechtzuerhalten. Für dieses Protokoll besteht der Ansatz darin, einen modifizierten Krebs-Henseleit-Puffer15,16 (mKHB) zu verwenden, der kontinuierlich mit einer Mischung aus Sauerstoff und Kohlendioxid belüftet wird. Das mKHB gehört zur Familie der kardioplegikaischen Puffer 6,17, die zur Konservierung von seziertem Gewebe außerhalb des Körpers verwendet werden, beispielsweise in Ex-vivo-Experimenten. Diese Puffer enthalten kein Hämoglobin, keine Antibiotika oder Antimykotika und eignen sich daher nur für Präparate, bei denen kleine Gewebemengen für eine begrenzte Zeit verwendet werden. Die pH-Kontrolle wurde mit dem Karbonat- und Kohlendioxid-Redoxpaar erreicht, was eine ständige Belüftung des Puffers mit Kohlendioxid erfordert, um das pH-Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Dies dient dazu, die Verwendung anderer gängiger Puffermittel wie HEPES zu vermeiden, die die Nervenzellfunktion18 modifizieren können. Um den Puffer mit Sauerstoff zu versorgen und den pH-Wert zu kontrollieren, wurde eine Mischung aus 5% Kohlendioxid in Sauerstoff namens Carbogen (95%O2, 5% CO2) verwendet. Ein Heizrührer wurde zur Temperaturregelung eines Pufferbehälters verwendet, und der Puffer wurde durch ein Nervenbad perfundiert und dann in den Startbehälter zurückgeführt. Ein typisches Experiment würde 6-8 Stunden dauern, bevor der Nerv seine Lebensfähigkeit verliert und nicht mehr ausreichend auf die Stimulation anspricht, um Maßnahmen zu ergreifen, die für gesundes Gewebe repräsentativ sind.
Zur Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses wurden für die Aufzeichnung Silberchlorid-Elektroden verwendet, die nach zuvor beschriebenen Verfahren19 hergestellt wurden. Zur Stimulation kann eine Kombination aus handelsüblichen Platin-Manschettenelektroden und maßgeschneiderten leitfähigen Polymer-Manschettenelektroden verwendet werden. Leitfähige Polymermanschettenelektroden haben deutlich höhere Ladungskapazitäten, die bei der Stimulation des Nervs mit Wellenformen mit hoher Amplitudenützlich sind 20.
Der in diesem Protokoll verwendete Stimulator wurde zuvorbeschrieben 20. Dokumentation, Entwurfsdateien und Softwareskripte für die Verwendung sind öffentlich verfügbar21. Andere Stimulatoren können verwendet werden, um dieses Protokoll auszuführen; Der kundenspezifische Stimulator ist jedoch auch in der Lage, den HFAC-Block 2,20 (High Frequency Alternative Current) zu bilden, was ein breiteres Spektrum an neurophysiologischen Experimenten ermöglicht. Um HFAC-Block zu verwenden, werden leitfähige Elastomermanschetten empfohlen, um eine Schädigung des Nervs zu vermeiden. Leitfähige Elastomer-Nervenmanschetten sind weiche und vollständig polymere Elektrodenarrays, die aus leitfähigen Elastomeren als leitfähige Komponente und Polydimethylsiloxan als Isolierung22 hergestellt werden. Die Geräte wurden in einer bipolaren Konfiguration unter Verwendung herkömmlicher Laser-Mikrofabrikationstechniken hergestellt.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dieser Arbeit beschrieben wir ein Protokoll zur Vorbereitung von Rattenischiasnerven für die Ex-vivo-Neurophysiologie. Die Gewebeextraktion dauert ungefähr 30 Minuten, einschließlich Tierhandhabung, Anästhesie, Keulung und Dissektion, während die Nervenreinigung, die Platzierung im Bad und die Elektrodenimplantation zusätzliche 30 Minuten dauern sollten, bevor mit der Aufzeichnung begonnen werden kann. Die Puffervorbereitung kann in 30 min durchgeführt werden, obwohl dies vor dem Rest des Experiments e…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Dr. Gerald Hunsberger von GlaxoSmithKline Pharmaceuticals, King of Prussia, PA, USA, und Galvani Bioelectronics (Stevenage, UK) dafür, dass sie ihre ursprüngliche Nervenvorbereitungstechnik mit uns geteilt haben. Die Autoren danken Robert Toth für das Zweikammer-Nervenbaddesign. Die Autoren würdigen die Finanzierung durch die Healthcare Technologies Challenge Awards (HTCA) des Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC). Die Autoren würdigen das High Performance Embedded and Distributed Systems Centre for Doctoral Training (HiPEDS CDT) des Imperial College London für die Förderung von Adrien Rapeaux (EP/L016796/1). Adrien Rapeaux wird derzeit vom UK Dementia Research Institute, Care Research and Technology Centre, finanziert. Die Autoren danken Zack Bailey vom Imperial College im Department of Bioengineering für die Hilfe bei Experimenten und den Zugang zu tierischem Gewebe während der Produktion des JoVE-Videoartikels.
Materials
| 1 L Glass bottle | VWR International Ltd | 215-1595 | Borosilicate glass |
| 1 L Glass graduated flask | VWR International Ltd | 612-3626 | Borosilicate glass |
| 2 L Glass bottle | VWR International Ltd | 215-1596 | Borosilicate glass |
| 2 L Glass graduated flask | VWR International Ltd | BRND937254 | Borosilicate glass |
| Adaptor, pneumatic, 8 mm to 1/4 NPT | RS UK | 536-2599 | push-to-fit straight adaptor between oxygen hose and gas dispersion tube |
| Alkoxy conformal coating | Farnell | 1971829 | ACC15 Alkoxy conformal coating for dissection petri dish preparation |
| Anesthetic | Chanelle | N/A | Isoflurane inhalation anesthetic, 250 mL bottle |
| Beaker, 2 L | VWR International Ltd | 213-0469 | Borosilicate glass |
| Bipolar nerve cuff | Cortec GMBH | N/A | 800 micron inner diameter, perpendicular lead out, no connector termination |
| Bossheads | N/A | N/A | Standard wet laboratory bossheads for attaching grippers to rods |
| Calcium Chloride dihydrate | Sigma Aldrich | C7902-500g | 500 g in plastic bottle |
| Carbogen canister | BOC | N/A | F-size canister |
| Centrifuge Tubes, 15 mL volume | VWR International Ltd | 734-0451 | Falcon tubes |
| Conductive elastomer nerve cuff | N/A | N/A | high charge capacity nerve cuff for stimulation, see protocol for fabrication reference |
| Connector, Termimate | Mouser UK | 538-505073-1100-LP | These should be soldered to wire terminated with crocodile clips (see entry 11) |
| Crocodile clip connectors | RS UK | 212-1203 | These should be soldered to wire terminated with TermiMate connectors (see entry 10) |
| Deionized Water | N/A | N/A | Obtained from deionized water dispenser |
| Forceps angled 45 degrees | InterFocus Ltd | 91110-10 | Fine forceps, student range |
| Forceps standard Dumont #7 | InterFocus Ltd | 91197-00 | Student range forceps |
| Gas Disperson Tube, Porosity 3 | Merck | 12547866 | N/A |
| Glucose anhydrous, powder | VWR International Ltd | 101174Y | 500 g in plastic bottle |
| Grippers | N/A | N/A | Standard wet laboratory rod-mounted grippers |
| Heating Stirrer | RS UK | 768-9672 | Stuart US152 |
| Hemostats | N/A | N/A | Any hemostat >12 cm in length is suitable |
| Insect Pins, stainless steel, size 2 | InterFocus Ltd | 26001-45 | N/A |
| Laptop computer | N/A | N/A | Any laboratory-safe portable computer with at least 2 unused USB ports is suitable |
| Line Noise Filter | Digitimer | N/A | Humbug noise eliminator (50 Hz line noise filter) |
| Low-Noise Preamplifier, SR560 | Stanford Research Systems | SR560 | Low-noise voltage preamplifier |
| Magnesium Sulphate salt | VWR International Ltd | 291184P | 500g in plastic bottle |
| MATLAB scripts | Github | https://github.com/Next-Generation-Neural-Interfaces/HFAC_Stimulator_4ch | Initialization, calibration and stimulation scripts for the custom stimulator |
| MATLAB software | Mathworks | N/A | Standard package |
| Microscope Light, PL-2000 | Photonic | N/A | Light source with swan necks. Product may be obtained from third party supplier |
| Microscope, SMZ 745 | Nikon | SM745 | Stereoscopic Microscope |
| Mineral oil, non-toxic | VWR International Ltd | 31911.A1 | Oil for nerve bath |
| Nerve Bath | N/A | N/A | Plexiglas machined nerve bath, see protocol for details. |
| Oscilloscope | LeCroy | N/A | 434 Wavesurfer. Product may be obtained from 3rd party suppliers |
| Oxygen Hose, 1 meter | BOC | N/A | 1/4" NPT terminations |
| Oxygen Regulator | BOC | C106X/2B:3.5BAR-BS3-1/4"NPTF 230Bar | N/A |
| Peristaltic Pump P-1 | Pharmacia Biotech | N/A | Product may be obtained from third party supplier |
| Petri Dish, Glass | VWR International Ltd | 391-0580 | N/A |
| Potassium Chloride salt | Sigma Aldrich | P5405-250g | 250 g in plastic bottle |
| Potassium Dihydrogen Sulphate salt | Merck | 1.04873.0250 | 250 g in plastic bottle |
| Rat | Charles River Laboratories | N/A | Sprague Dawley, 250-330 grams, female |
| Reference electrode, ET072 | eDaQ (Australia) | ET072-1 | Silver silver-chloride reference electrode |
| Rod | N/A | N/A | Standard wet laboratory rods with fittings for stands |
| Scale | Sartorius | N/A | M-Power scale, for weighing powders. Product may be obtained from third-party suppliers |
| Scissors straight 12 cm edge | InterFocus Ltd | 91400-12 | blunt-blunt termination, student range |
| Signal Acquisition Device | Cambridge Electronic Design | Micro3-1401 | Micro3-1401 Multichannel ADC |
| Silicone grease, non-toxic | Farnell | 3821559 | for sealing of bath partition |
| Silicone tubing, 2 mm inner diameter | N/A | N/A | N/A |
| Silicone tubing, 5 mm inner diameter | N/A | N/A | N/A |
| Silver wire | Alfa Aesar | 41390 | 0.5 mm, annealed |
| Sodium Bicarbonate salt | Sigma Aldrich | S5761-500g | 500 g in plastic bottle |
| Sodium Chloride salt | VWR International Ltd | 27810.295 | 1 kg in plastic bottle |
| Spring scissors angled 2 mm edge | InterFocus Ltd | 15010-09 | N/A |
| Stand | N/A | N/A | Standard wet laboratory stands with sockets for rods |
| Stimulator | Digitimer | DS3 | DS3 or Custom Stimulator (see references) |
| Stirring flea | VWR International Ltd | 442-0270 | For use with the heating stirrer |
| Syringe tip, blunt, 1 mm diameter | N/A | N/A | N/A |
| Syringe tip, blunt, 2 mm diameter | N/A | N/A | N/A |
| Syringe, plastic, 10 mL volume | N/A | N/A | syringe should have luer lock fitting |
| Tape, water-resistant | N/A | N/A | For securing tubing and wiring to workbench |
| Thermometer | VWR International Ltd | 620-0806 | glass thermometer |
| USB Power Bank | RS UK | 135-1000 | Custom Stimulator power supply, fully charge before experiment. Not needed if using DS3 |
| Valve, Leuer Lock, 3-Way | VWR International Ltd | 229-7440 | For attaching syringe to bath feed tube and priming siphon |
References
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