Un approccio per migliorare l'allineamento e la mielinizzazione dorsale Root Ganglion neuroni

Summary

This protocol describes the isolation of dorsal root ganglion (DRG) neurons isolated from rats and the culture of DRG neurons on a static pre-stretched cell culture system to enhance axon alignment, with subsequent co-culture of Schwann Cells (SCs) to promote myelination.

Abstract

Axon regeneration is a chaotic process due largely to unorganized axon alignment. Therefore, in order for a sufficient number of regenerated axons to bridge the lesion site, properly organized axonal alignment is required. Since demyelination after nerve injury strongly impairs the conductive capacity of surviving axons, remyelination is critical for successful functioning of regenerated nerves. Previously, we demonstrated that mesenchymal stem cells (MSCs) aligned on a pre-stretch induced anisotropic surface because the cells can sense a larger effective stiffness in the stretched direction than in the perpendicular direction. We also showed that an anisotropic surface arising from a mechanical pre-stretched surface similarly affects alignment, as well as growth and myelination of axons. Here, we provide a detailed protocol for preparing a pre-stretched anisotropic surface, the isolation and culture of dorsal root ganglion (DRG) neurons on a pre-stretched surface, and show the myelination behavior of a co-culture of DRG neurons with Schwann cells (SCs) on a pre-stretched surface.

Introduction

In lesioni nervose, i monconi prossimali e distali del nervo sono spesso impedito di riallineamento diretta di fascicoli nervosi a causa del sito della lesione ^1-2. Normalmente, tratti di assoni sono composti da fasci altamente ordinate e allineate di assoni, che formano reti complesse di connettività. Tuttavia, la rigenerazione dei nervi è un processo caotico a causa di allineamento degli assoni mal organizzato ^3-4. Pertanto, per generare un numero sufficiente di rigenerare assoni che colmano il sito della lesione, è necessario per indurre ben organizzato allineamento assonale. Inoltre, demielinizzazione accompagna lesioni nervose a causa di morte delle cellule mielinizzanti presso il luogo di ferita. Dal momento che demielinizzazione compromette fortemente la capacità conduttiva di sopravvivere assoni, i trattamenti di targeting demielinizzazione o che promuovono la rimielinizzazione sono significativi per il recupero funzionale dopo lesione del nervo ^5. Così l'obiettivo di questo protocollo è quello di illustrare un approccio ingegneristico che affronta questi due problemidi rigenerazione nervosa.

Anisotropia di superficie, che è definito come la differenza, quando misurata lungo assi diversi, in proprietà fisiche e meccaniche di un materiale, è stato applicato per influenzare l'allineamento cellulare, la crescita e la migrazione ^6-7. Oltre alla topografia, ci sono altri metodi per indurre anisotropia. In precedenza, abbiamo studiato anisotropia superficie indotta dalla meccanica statica pre-tratto di poli-dimetil-silossano (PDMS) membrana. La teoria del "piccolo super-deformazione imposta su grandi", prevede che la rigidezza efficace le cellule percepiscono nella direzione allungata differisce dalla direzione perpendicolare, e questa differenza di rigidità efficace è dovuto alla superficie anisotropia ^8. Cellule staminali mesenchimali (MSC) coltivate su una membrana pre-stirato PDMS sono in grado di percepire l'anisotropia tirando attivamente la superficie e, di conseguenza, allineare in direzione prestirato ^9. Analogamente, una superficie ar anisotropoising da una superficie pre-stirato meccanico colpisce l'allineamento, così come la crescita e la mielinizzazione dei gangli delle radici dorsali (DRG) assoni ^10. Qui forniamo un protocollo per indurre anisotropia di superficie su un substrato di PDMS pre-stirato statico per migliorare la rigenerazione degli assoni ^10.

Per suscitare l'allineamento degli assoni, le caratteristiche topologiche con i modelli desiderati, segnalato per fornire una guida contatto attraverso fibre allineate e canali ^6,11-12, sono stati dimostrato di facilitare l'allineamento degli assoni ^11,13. Tuttavia, le tecniche per indurre l'allineamento assone attraverso le caratteristiche topologiche, come fibre, canali e patterning riportato, erano in grado di allungarsi e aumentare lo spessore degli assoni. Al contrario, graduale stiramento meccanico portato all'allineamento assone nella direzione di stiro con assoni più lunghi e più spessi che aumentano con la grandezza del tratto ^14. Tuttavia, incorporante un dispositivo motore alimentato in vivo non èfattibile. Al contrario, statica anisotropia indotta prestirato è meno complicato e può essere più facilmente incorporato in futuri disegni ponteggi per applicazioni in vivo.

In questo protocollo, un sistema di coltura cellulare prestirato statico viene utilizzato per indurre anisotropia superficie senza caratteristiche topologiche. Il sistema di coltura prestirato è composto da una membrana PDMS, un telaio estensibile e una fase di stretching, dopo di che la membrana è fissata sul telaio ed una grandezza tratto predeterminato viene applicato sulla scena stretching. Appena isolate neuroni DRG coltivate sulla superficie prestirato che fino a 21 giorni sono monitorati per l'allineamento assone e spessore. Successivamente, le cellule di Schwann (SC) co-coltura con gli assoni allineati vengono monitorati per mielinizzazione. Incorporando pre-stiro indotta anisotropia superficie siamo stati in grado di migliorare l'allineamento delle cellule-differenziazione e assone allineamento crescita delle cellule staminali mesenchimali e neuroni DRG ^9-10, rispettivamente.

Protocol

Tutte le procedure per l'isolamento delle cellule sono stati approvati dal Comitato Istituzionale cura degli animali e Usa presso la Michigan State University. 1. Preparazione di pre-allungato anisotropico Surface Mescolare un 10: 1 soluzione di base e catalizzatore e versare il composto in un piatto di coltura di tessuti (12 cm di diametro). Utilizzare 4.900 mg base e 490 mg di catalizzatore per la miscela totale reticolazione. Mantenere la miscela gel sotto vuoto per 20 minuti per rimu…

Representative Results

Il sistema di coltura pre-stirato cellule promosso DRG allineamento assone 10. neuroni DRG sono stati coltivati ​​su superfici pre-stirato e non deformato per 12 giorni. Gli assoni sono state colorate per β-III-tubulina per dimostrare la loro allineamento. La figura 2 confronta orientamento assone sulle PDMS pre-stirato e non deformato substrati dopo 12 giorni di coltura. Gli assoni DRG allineati parallelamente alla direzione allungata, che hanno mostrato…

Discussion

Per indurre l'allineamento assone sulla superficie pre-stirato, ci sono due passaggi critici: 1) la membrana PDMS deve essere piana e di spessore omogeneo; e 2) cellule gliali devono essere rimossi dal DRG. Dopo la miscelazione il PDMS e reticolante e cottura in forno, il gel PDMS reticolato dovrebbe essere mantenuto su un banco piana e maneggiato con cura per evitare qualsiasi inclinazione. Il trattamento al plasma di ossigeno della membrana PDMS dovrebbe essere seguita entro 6 ore mediante rivestimento PLL, poich?…

Materials

Polydimethylsiloxane （PDMS)	Dow Corning	SYLGARD 184
Neurobasal Medium 1X	GibcoBRL	21103-049
B27 Supplement 50X	GibcoBRL	17504-044
Glutamax-I 100X	GibcoBRL	35050-061
Albumax-I	GibcoBRL	11020-021
Nerve Growth Factor-7S	Invitrogen	13290-010
Penicillin-streptomycin	GibcoBRL	15140-122
0.05% Trypsin-EDTA/1mM EDTA	GibcoBRL	25300-054
Poly-L-Lysine	Trevigen	3438-100-01
Poly-D-Lysine	Sigma	p-6407
Fluoro-2 deoxy-uridine	Sigma	F0503
Uridine	Sigma	U3003
Hank’s Balanced Salt Solution (HBSS)	Invitrogen	14170-112	Isolation Buffer
Type I Collagenase	Worthington	LS004196
DMEM	Gibco	11885
Heat inactivated Fetal Bovine Serum	Hyclone	SH30080.03
BPE	Clonetics	CC-4009
Forskolin	Calbiochem	344270
Silicone chamber	Greiner bio-one	FlexiPERM ConA
Plasma cleaning/etching system	March Instruments	PX-250
Anti-Thy 1.1 antibody	Sigma- Aldrich	M7898
Rabbit Complement	Sigma- Aldrich	S-7764
Standard growth medium			For 500 ml Neurobasal Medium 1X, add 10 ml of B-27 50X, 5 ml of Glutamax-I 100X,
			2.5 ml of Penicillin/Streptomycin (Penn/Strep), 1 ml of Albumax-I, and 1 μl of NGF– 7S (50 ug/ml).
FDU and Uridine stock solution			FDU 100mg in 10ml of ddw (10mg/ml), filter in the hood and divided in 500ul aliquots and store at -20 ºC.
			Uridine 5g in 166.7ml of ddw (33mg/ml), filter in hood, divide in 200ul aliquots and store at -20 ºC.
			Take 61.5ul of FDU (10mg/ml) and 20.5ul of Uridine(33mg/ml), and add 4918ul of ddw to a final stock concentration,
			then divide in 1 ml aliquots and store at -20 ºC.