Summary

Kvantifisering av Cerebral Vascular Architecture ved hjelp av to-foton mikroskopi i en musemodell for HIV-indusert nevroinflammasjon

Published: January 12, 2016
doi:

Summary

This paper describes a method by which the vascular architecture in the brain can be quantified using in vivo and ex vivo two-photon microscopy.

Abstract

Human Immunodeficiency Virus 1 (HIV-1) infection frequently results in HIV-1 Associated Neurocognitive Disorders (HAND), and is characterized by a chronic neuroinflammatory state within the central nervous system (CNS), thought to be driven principally by virally-mediated activation of microglia and brain resident macrophages. HIV-1 infection is also accompanied by changes in cerebrovascular blood flow (CBF), raising the possibility that HIV-associated chronic neuroinflammation may lead to changes in CBF and/or in cerebral vascular architecture. To address this question, we have used a mouse model for HIV-induced neuroinflammation, and we have tested whether long-term exposure to this inflammatory environment may damage brain vasculature and result in rarefaction of capillary networks. In this paper we describe a method to quantify changes in cortical capillary density in a mouse model of neuroinflammatory disease (HIV-1 Tat transgenic mice). This generalizable approach employs in vivo two-photon imaging of cortical capillaries through a thin-skull cortical window, as well as ex vivo two-photon imaging of cortical capillaries in mouse brain sections. These procedures produce images and z-stack files of capillary networks, respectively, which can be then subjected to quantitative analysis in order to assess changes in cerebral vascular architecture.

Introduction

Humant immunsviktvirus 1 (HIV-1) invaderer hjernen under den akutte fasen av virusinfeksjon, og produktivt infiserer både mikroglia og hjernen bosatt makrofager, som fører til aktivering deres – og utgivelsen av både vert-avledet inflammatoriske mediatorer og løselig HIV-1 virotoxins som Tat og gp120 (anmeldt i 1,2). Som en konsekvens av dette, blir en kronisk neuroinflammatoriske tilstand etableres i CNS, som antas å bidra til patogenesen av HIV-1-Associated nevropsykologiske forstyrrelser (for hånd) 3-5.

Kronisk overekspresjon av HIV-1 Tat eller interleukin (IL) -17A i CNS hos mus har vist seg å resultere i mikrovaskulær vakuum, 6,7. Dette øker muligheten for at kronisk nevroinflammasjon kan bidra til patogenesen av HAND gjennom effekter på hjernens blodforsyning. For ytterligere å undersøke dette spørsmålet, har vi utviklet metoder for å kvantifisere cerebral vaskulær struksteder.

Dette dokumentet beskriver en fremgangsmåte for å kvantifisere antall kapillære noder, kapillar-segmenter, betyr segmentlengde, total segmentlengde, betyr kapillær diameter, og total kapillær volum ved hjelp av in vivo avbildning av kapillære nettverk gjennom en tynn skull kortikal vindu (modifisert fra tidligere beskrevne protokoller) 8,9, samt ex vivo avbildning av hjernen seksjoner, ved hjelp av to-foton mikroskopi. Denne kombinerte metode gir en helhetlig kvantifisering av cerebrale vaskulære parametere, ettersom in vivo tynne skalle cortical vindu gjør det mulig for bevaring av cerebral miljø, mens ex vivo avbildning av kapillære nettverk i hjerneskiver muliggjør rekonstruksjon av fullstendige, tredimensjonale kapillær nettverk – som deretter kan kvantifiseres ved hjelp av kommersielt tilgjengelig programvare.

Protocol

University of Rochester University Committee on Animal Resources godkjent alle prosedyrer utført i dette papiret. 1. Pre-kirurgisk Forberedelse (og mus) Klargjør den kirurgiske området med alt nødvendig utstyr. Sterilisere alle verktøy som brukes under prosedyren på forhånd ved hjelp av 70% etanol. Eventuelt bruke et glass-perle sterilisator eller autoklav å sterilisere verktøyene. Plassere musen i en isofluran induksjonsskammer forbundet med en fordamper isoflu…

Representative Results

Den tynne skalle cortical vindu gjør det mulig for in vivo to-foton avbildning av kortikale kapillarer (figur 1). Et egnet område til bilde viser mange, forskjellige kapillærer (Figur 1a). I samme synsfelt, er det ingen arterial celleveggen autofluorescens, og det kan være andre fluorescerende signaler, slik som kollagen, fluorescens som induseres av andre harmonisk generering 11 (figur 1B). <p class="jove_con…

Discussion

Metoden som beskrives her kan brukes til å analysere hjernen mikrovaskulære strukturer i et bredt spekter av eksperimentelle modeller / innstillinger. For å lykkes med denne metoden, må mestres tre kritiske trinn. For det første må den tynne skallen vinduet ikke skade kraniet eller underliggende hjernen. Det er lett å punktere skallen under tynning, eller føre til varme indusert vaskulær lekkasje. Dette kan forstyrre avbildning som det fluorescerende fargestoff vil lekke inn i fokusplanet og overskygge de kapil…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Maria Jepson, Dr. Paivi Jordan, and Dr. Linda Callahan at the University of Rochester Multiphoton Core for technical advice throughout the completion of this protocol. We also thank Dr. Changyong Feng for expert statistical advice, and Dr. Maiken Nedergaard at the University of Rochester Medical Center for the headplate design used in this paper. This work was supported in part by grants T32GM007356 and R01DA026325 from the National Institutes of Health (NIH); and by the University of Rochester Center for AIDS Research grant P30AI078498 (NIH).

Materials

Leica Microscope Leica Inc. MZ8
High Intensity Illuminator Dolan-Jenner 180
Heating Pad Stryker  TP3E
T/PUMP Gaymar Industries, Inc. TP-500
TEC-4 Isoflurane Vaporizer Datex Ohmeda 447
Artificial Tear Gel Butler AHS 7312
Povidone-Iodine solution  Aplicare 52380-1855-9
Extra Fine Bonn Scissors Fine Science Tools 14084-08
Dumot #5 Forceps Fine Science Tools 11295-10
Dumont #5/45 Forceps Fine Science Tools 11251-35
Ferric Chloride Solution Ricca Chemical Company 3120-16
Loctite 454 Prism Instant Adhesive Gel Henkel 45404
Dental Cement Stoelting 51459
Microtoruqe II Handpiece Kit Pearson Dental R14-0002
005 Burr for Micro Drill Fine Science Tools 19007-05
Norland Blade (Dental Microblade) Salvin Dental 6900
Urethane Sigma-Aldrich U2500 Group 2B Carcinogen
Braided Suture Ethicon 735G
Vannas Spring Scissors Fine Science Tools 15000-03
 Arterial Catheter SAI Infusion Technologies MAC-01 The end of the catheter was manually stretched out in order to decrease its diameter. 
Blood Pressure Moniter World Precision Intruments SYS-BP1
Blood Pressure Transducer and Cable World Precision Intruments BLPR2
RAPIDLab Blood Gas Analyzer  Siemens  248
40 μl Capillary Tube VWR 15401-413
Texas Red-dextran (70,000 MW, 10 mg/kg dissolved in saline) Invitrogen D-1830
Adult Mouse Brain Slicer Matrix Zivic Instruments BSMAS001-1
Olympus Fluoview 1000 AOM-MPM Multiphoton Microscope Olypmus FV-1000 MPE
MaiTai HP DeepSee Ti:Sa laser Spectra-Physics
ImageJ Software National Institutes of Health (NIH) Available at http://rsb.info.nih.gov/ij/download.html
Amira Software Visage Imaging 

Riferimenti

  1. Kraft-Terry, S. D., Buch, S. J., Fox, H. S., Gendelman, H. E. A coat of many colors: neuroimmune crosstalk in human immunodeficiency virus infection. Neuron. 64 (1), 133-145 (2009).
  2. Ghafouri, M., Amini, S., Khalili, K., Sawaya, B. E. HIV-1 associated dementia: symptoms and causes. Retrovirology. 3, 28 (2006).
  3. Antinori, A., et al. Updated research nosology for HIV-associated neurocognitive disorders. Neurology. 69 (18), 1789-1799 (2007).
  4. Clifford, D. B., Ances, B. M. HIV-associated neurocognitive disorder. The Lancet. Infectious diseases. 13 (11), 976-986 (2013).
  5. Lindl, K. A., Marks, D. R., Kolson, D. L., Jordan-Sciutto, K. L. HIV-associated neurocognitive disorder: pathogenesis and therapeutic opportunities. Journal of neuroimmune pharmacology : the official journal of the Society on NeuroImmune Pharmacology. 5 (3), 294-309 (2010).
  6. Zimmermann, J., et al. CNS-targeted production of IL-17A induces glial activation, microvascular pathology and enhances the neuroinflammatory response to systemic endotoxemia. PloS one. 8 (2), e57307 (2013).
  7. Silva, J. N., et al. Chronic central nervous system expression of HIV-1 Tat leads to accelerated rarefaction of neocortical capillaries and loss of red blood cell velocity heterogeneity. Microcirculation. 21 (7), 664-676 (2014).
  8. Marker, D. F., Tremblay, M. E., Lu, S. M., Majewska, A. K., Gelbard, H. A. A thin-skull window technique for chronic two-photon in vivo imaging of murine microglia in models of neuroinflammation. Journal of visualized experiments : JoVE. (43), (2010).
  9. Kleinfeld, D., Mitra, P. P., Helmchen, F., Denk, W. Fluctuations and stimulus-induced changes in blood flow observed in individual capillaries in layers 2 through 4 of rat neocortex. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 95 (26), 15741-15746 (1998).
  10. Bruce-Keller, A. J., et al. Morphine causes rapid increases in glial activation and neuronal injury in the striatum of inducible HIV-1 Tat transgenic mice. Glia. 56 (13), 1414-1427 (2008).
  11. Zoumi, A., Yeh, A., Tromberg, B. J. Imaging cells and extracellular matrix in vivo by using second-harmonic generation and two-photon excited fluorescence. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 99 (17), 11014-11019 (2002).
  12. Silva, J., et al. Transient hypercapnia reveals an underlying cerebrovascular pathology in a murine model for HIV-1 associated neuroinflammation: role of NO-cGMP signaling and normalization by inhibition of cyclic nucleotide phosphodiesterase-5. Journal of neuroinflammation. 9, 253 (2012).
  13. Farber, N. E., et al. Region-specific and agent-specific dilation of intracerebral microvessels by volatile anesthetics in rat brain slices. Anesthesiology. 87 (5), 1191-1198 (1997).
check_url/it/53582?article_type=t

Play Video

Citazione di questo articolo
Nishimura, C., Polesskaya, O., Dewhurst, S., Silva, J. N. Quantification of Cerebral Vascular Architecture using Two-photon Microscopy in a Mouse Model of HIV-induced Neuroinflammation. J. Vis. Exp. (107), e53582, doi:10.3791/53582 (2016).

View Video