3D דוגמנות של רוחב החדרים והיסטולוגית אפיון רקמות סביב חדרי מוח בבני אדם ועכבר
Summary
Using MRI scans (human), 3D imaging software, and immunohistological analysis, we document changes to the brain’s lateral ventricles. Longitudinal 3D mapping of lateral ventricle volume changes and characterization of periventricular cellular changes that occur in the human brain due to aging or disease are then modeled in mice.
Abstract
The ventricular system carries and circulates cerebral spinal fluid (CSF) and facilitates clearance of solutes and toxins from the brain. The functional units of the ventricles are ciliated epithelial cells termed ependymal cells, which line the ventricles and through ciliary action are capable of generating laminar flow of CSF at the ventricle surface. This monolayer of ependymal cells also provides barrier and filtration functions that promote exchange between brain interstitial fluids (ISF) and circulating CSF. Biochemical changes in the brain are thereby reflected in the composition of the CSF and destruction of the ependyma can disrupt the delicate balance of CSF and ISF exchange. In humans there is a strong correlation between lateral ventricle expansion and aging. Age-associated ventriculomegaly can occur even in the absence of dementia or obstruction of CSF flow. The exact cause and progression of ventriculomegaly is often unknown; however, enlarged ventricles can show regional and, often, extensive loss of ependymal cell coverage with ventricle surface astrogliosis and associated periventricular edema replacing the functional ependymal cell monolayer. Using MRI scans together with postmortem human brain tissue, we describe how to prepare, image and compile 3D renderings of lateral ventricle volumes, calculate lateral ventricle volumes, and characterize periventricular tissue through immunohistochemical analysis of en face lateral ventricle wall tissue preparations. Corresponding analyses of mouse brain tissue are also presented supporting the use of mouse models as a means to evaluate changes to the lateral ventricles and periventricular tissue found in human aging and disease. Together, these protocols allow investigations into the cause and effect of ventriculomegaly and highlight techniques to study ventricular system health and its important barrier and filtration functions within the brain.
Introduction
קווי monolayer תא ependymal חדרי המוח של המוח מספק פונקציות מחסום ותחבורה דו-כיוונית בין הנוזל המוחי השדרה (CSF) ונוזל ביניים (ISF) 1-3. פונקציות אלה מסייעים לשמור toxicant ללא המוח ובאיזון פיסיולוגי 2,3. בהפסד לבני אדם של חלקים של רירית זו בגלל פציעה או מחלה אינו מופיע לגרום להחלפת משובי כפי שנמצא ברפידות אפיתל אחרות; ולא אובדן כיסוי תא ependymal נראה לגרום astrogliosis סביב חדרי המוח עם meshwork של האסטרוציטים מכסים אזורים הערומים של תאי ependymal על פני השטח החדר. השלכות חמורות למנגנוני CSF / החלפת ISF ופינוי חשובים יהיו צפויות לנבוע מאובדן שכבת האפיתל זה 1,2,4-7.
תכונה משותפת של הזדקנות אנושית מוגדלת חדרים לרוחב (ventriculomegaly) ובצקת סביב חדרי המוח הקשורים כobservאד על ידי MRI והתאוששות היפוך נוזל-מוחלש MRI (MRI / פלייר) 8-14. כדי לחקור את הקשר בין ventriculomegaly והארגון הסלולרי של חדר הבטנה, רצפי ה- MRI אדם לאחר המוות זווגו עם הכנות היסטולוגית של רקמה סביב חדרי מוח חדר לרוחב. במקרים של ventriculomegaly, חלקים משמעותיים מדבקים החליפו כיסוי תא ependymal לאורך קיר החדר לרוחב. כאשר הרחבת חדר לא זוהתה על ידי ניתוח נפח מבוסס MRI, בטנת תא ependymal הייתה שלמה ודבקה לא זוהה לאורך חדר הבטנה 6. גישה קומבינטורית זה מייצגת את מקיף תיעוד המפרט השינויים הראשונים בשלמות סלולרית של רירית חדר לרוחב באמצעות הכנות wholemount של מנות או קיר חדר לרוחב כל ומודלים 3D של כרכי חדר 6. כמה מחלות (מחלת אלצהיימר, סכיזופרניה) ופציעות (פגיעה מוחית טראומטית)להראות ventriculomegaly כתכונת נוירו מוקדמת. Denudation של תחומי בטנת תא ependymal כך יהיה צפוי להפריע לתפקוד תא ependymal נורמלי ולהתפשר מצב האיזון בין CSF / נוזל ISF ותמורה מומסת. לפיכך, בחינה מעמיקה יותר של שינויים בחדרים המוח, הרכב הסלולרי שלה, והתוצאה למבני מוח בסיסי או שכנים סופו של דבר מתחילה לחשוף יותר על נוירופתולוגיה הקשורים להגדלת חדר.
המחסור בנתונים הדמיה multimodal, וברצפי נתונים אורכי מסוימים, יחד עם גישה מוגבלת למתאימים דגימות רקמה היסטולוגית עושה ניתוח של פתולוגיות המוח האנושית קשה. פנוטיפים דוגמנות מצאו בהזדקנות או מחלה אנושית יכולים להיות לעתים קרובות הושגו עם מודלים עכבר והמודלים של בעלי החיים הפכו לאחד האמצעים הטובים ביותר שלנו כדי לחקור שאלות על ייזום מחלה אנושי והתקדמות. מספר מחקרים בעכברים צעירים ובריאים שתיארו cytoarchitecture של קירות חדר לרוחב ונישת תאי גזע שבסיס 4,7-15. מחקרים אלה הורחבו לכלול מודלים 3D וניתוח סלולארי של קירות החדר דרך הזדקנות 6,15. לא דבק ולא ventriculomegaly סביב חדרי מוח הם נצפו בעכברים בגיל, ולא עכברים להציג אזור subventicular חזק יחסית (SVZ) נובע subjacent נישה תא לתא ependymal שלם רירית 6,15. כך, הבדלים בולטים מינים ספציפיים קיימים בשתי התחזוקה ויושרה של רירית חדר לרוחב הכלליות בתהליך של הזדקנות 6,15. לכן, לעכברי שימוש הטובים ביותר לחקור את התנאים שנמצאו בבני אדם, הבדלים בין שני המינים צריכים להיות מאופיינים ונחשבים כראוי בכל הפרדיגמה דוגמנות. כאן, אנו מציגים נהלים כדי להעריך את שינויי אורכי לחדרים לרוחב ורקמות סביב חדרי המוח הקשורים בבני האדם ומטרouse. הנהלים שלנו כוללים טיוח 3D וvolumetry של שני עכבר וחדרי לב אדם, ושימוש בניתוח immunohistochemical של הכנות הר שלמות של רקמה סביב חדרי המוח לאפיין שני ארגון ומבנה תאיים. יחד נהלים אלה לספק אמצעי לאפיון שינויים בחדרי המוח ורקמות סביב חדרי המוח קשורים.
Protocol
Representative Results
Discussion
אנו מציגים כלים ופרוטוקולים שניתן להשתמש כדי להעריך את היושרה של חדרי המוח של המוח בעכברים ובבני אדם. כלים אלה, לעומת זאת, יכולים להיות מיושמים גם למבנים אחרים במוח או מערכות איברים שעוברים שינויים עקב פציעה, מחלה, או בתהליך של הזדקנות 14,21,22. האסטרטגיות שהוצגו נצ…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
An NINDS Grant NS05033 (JCC) supported this work. The University of Connecticut RAC, SURF and OUR programs provided additional support.
Materials
| Name of the Materal/Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Life Technologies | 21600-069 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Electron Microscopy Sciences | 19210 | Use at 4% in PBS, 4 °C |
| Normal Horse Serum | Life Technologies | 16050 | 10% in PBS-TX (v/v) |
| Normal Goat Serum | Life Technologies | 16210 | 10% in PBS-TX (v/v) |
| Triton X-100 (TX) | Sigma-Aldrich | T8787 | 0.1% in PBS (v/v) |
| Vibratome | Leica | VT1000S | |
| Fluorescence Microscope | Zeiss | Imager.M2 | |
| Camera | Hamamatsu | ORCA R2 | |
| Microscope Stage Controller | Ludl Electronic Products | MAC 6000 | |
| Stereology software | MBF Bioscience | Stereo Investigator 11 | |
| Stereology software | ImageJ/NIH | NIH freeware | |
| 3D Reconstruction software | MBF Bioscience | Neurolucida Explorer | |
| Confocal Microscope | Leica | TCS SP2 | |
| MRI Software | |||
| Freesurfer | https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/DownloadAndInstall | Segmentation and Volume | |
| ITK-Snap | http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php | Segmentation and Volume | |
| Multi-image Analysis GUI (Mango) | http://ric.uthscsa.edu/mango/ | Longitudinal overlay | |
| Whole Mount Equipment | |||
| 22.5° microsurgical straight stab knife | Fisher Scientific | NC9854830 | |
| parafilm | |||
| wax bottom dissecting dish | |||
| pins | |||
| fine forceps | |||
| aquapolymount | |||
| Dissecting Microscope | Leica | MZ95 | |
| Whole Mount Antibodies | |||
| mouse anti-b-catenin | BD Bioschiences, San Jose, CA, USA | 1:250 | |
| goat anti-GFAP | Santa Cruz Biotechnology | 1:250 | |
| rabbit anti-AQP4 (aquaporin-4) | Sigma-Aldrich | 1:400 | |
| Coronal Antibodies | |||
| Anti-S100β antibody | Sigma-Aldrich | 1:500 | |
| 4’,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Life Technologies | D-1306 | 10 µg/mL in PBS |
Riferimenti
- Del Bigio, M. R. Ependymal cells: biology and pathology. Acta Neuropathol. 119, 55-73 (2010).
- Johanson, C., et al. The distributional nexus of choroid plexus to cerebrospinal fluid, ependyma and brain: toxicologic/pathologic phenomena, periventricular destabilization, and lesion spread. Toxicol Pathol. 39, 186-212 (2011).
- Roales-Bujan, R., et al. Astrocytes acquire morphological and functional characteristics of ependymal cells following disruption of ependyma in hydrocephalus. Acta Neuropathologica. 124, 531-546 (2012).
- Cserr, H. F. Physiology of the choroid plexus. Physiol Rev. 51, 273-311 (1971).
- Iliff, J. J., et al. A paravascular pathway facilitates CSF flow through the brain parenchyma and the clearance of interstitial solutes, including amyloid beta. Science Translational Medicine. 4, 147ra111 (2012).
- Shook, B. A., et al. Ventriculomegaly associated with ependymal gliosis and declines in barrier integrity in the aging human and mouse brain. Aging Cell. , (2013).
- Xie, L., et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science. 342, 373-377 (2013).
- Fazekas, F., et al. Pathologic correlates of incidental MRI white matter signal hyperintensities. Neurology. 43, 1683-1689 (1993).
- Meier-Ruge, W., Ulrich, J., Bruhlmann, M., Meier, E. Age-related white matter atrophy in the human brain. Ann N Y Acad Sci. 673, 260-269 (1992).
- Resnick, S. M., Pham, D. L., Kraut, M. A., Zonderman, A. B., Davatzikos, C. Longitudinal magnetic resonance imaging studies of older adults: a shrinking brain. The Journal Of Neuroscience : The Official Journal Of The Society For Neuroscience. 23, 3295-3301 (2003).
- Sener, R. N. Callosal changes in obstructive hydrocephalus: observations with FLAIR imaging, and diffusion MRI. Comput Med Imaging Graph. 26, 333-337 (2002).
- Sze, G., et al. Foci of MRI signal (pseudo lesions) anterior to the frontal horns: histologic correlations of a normal finding. AJR Am J Roentgenol. 147, 331-337 (1986).
- Tisell, M., et al. Shunt surgery in patients with hydrocephalus and white matter changes. Journal of Neurosurgery. 114, 1432-1438 (2011).
- Valdes Hernandez Mdel, C., et al. Automatic segmentation of brain white matter and white matter lesions in normal aging: comparison of five multispectral techniques. Magn Reson Imaging. 30, 222-229 (2012).
- Shook, B. A., Manz, D. H., Peters, J. J., Kang, S., Conover, J. C. Spatiotemporal changes to the subventricular zone stem cell pool through aging. The Journal of Neuroscience : The Official Journal Of The Society For Neuroscience. 32, 6947-6956 (2012).
- Mirzadeh, Z., Merkle, F. T., Soriano-Navarro, M., Garcia-Verdugo, J. M., Alvarez-Buylla, A. Neural stem cells confer unique pinwheel architecture to the ventricular surface in neurogenic regions of the adult brain. Cell Stem Cell. 3, 265-278 (2008).
- Mirzadeh, Z., Doetsch, F., Sawamoto, K., Wichterle, H., Alvarez-Buylla, A. The subventricular zone en-face: wholemount staining and ependymal flow. J Vis Exp. , (2010).
- Luo, J., Daniels, S. B., Lennington, J. B., Notti, R. Q., Conover, J. C. The aging neurogenic subventricular zone. Aging Cell. 5, 139-152 (2006).
- Luo, J., Shook, B. A., Daniels, S. B., Conover, J. C. Subventricular zone-mediated ependyma repair in the adult mammalian brain. J Neurosci. 28, 3804-3813 (2008).
- Marcus, D. S., Fotenos, A. F., Csernansky, J. G., Morris, J. C., Buckner, R. L. Open access series of imaging studies: longitudinal MRI data in nondemented and demented older adults. J Cogn Neurosci. 22, 2677-2684 (2010).
- Giorgio, A., De Stefano, N. Clinical use of brain volumetry. J Magn Reson Imaging. 37, 1-14 (2013).
- Caspers, S., et al. Studying variability in human brain aging in a population-based German cohort-rationale and design of 1000BRAINS. Front Aging Neurosci. 6, 149 (2014).
- Keuken, M. C., et al. Ultra-high 7T MRI of structural age-related changes of the subthalamic nucleus. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 33, 4896-4900 (2013).
- Marti-Bonmati, L., Sopena, R., Bartumeus, P., Sopena, P. Multimodality imaging techniques. Contrast Media Mol Imaging. 5, 180-189 (2010).
- Bergmann, O., et al. The age of olfactory bulb neurons in humans. Neuron. 74, 634-639 (2012).
- Sanai, N., et al. Corridors of migrating neurons in the human brain and their decline during infancy. Nature. 478, 382-386 (2011).
- Wang, C., et al. Identification and characterization of neuroblasts in the subventricular zone and rostral migratory stream of the adult human brain. Cell Res. 21, 1534-1550 (2011).
- Carmen Gomez-Roldan, D. e. l., M, , et al. Neuroblast proliferation on the surface of the adult rat striatal wall after focal ependymal loss by intracerebroventricular injection of neuraminidase. The Journal of Comparative Neurology. 507, 1571-1587 (2008).
