Summary

Isolering og kultur av nervus, Trochlear, og spinal motor neurons fra prenatal ISLMN: GFP transgene mus

Published: November 12, 2019
doi:

Summary

Dette arbeidet presenterer en protokoll for å gi homogene cellekulturer av primære nervus, trochlear, og spinal motor neurons. Disse kulturene kan brukes til sammenlignende analyser av morfologiske, cellulære, molekylære, og elektrofysiologisk karakteristikker av øye og spinal motor neurons.

Abstract

Nervus neurons (CN3s) og trochlear neurons (CN4s) viser bemerkelsesverdig motstand mot degenerative motoriske Nevron sykdommer som amyotrofisk lateral sklerose (ALS) sammenlignet med spinal motor neurons (SMNs). Evnen til å isolere og kultur primær mus CN3s, CN4s og SMNs ville gi en tilnærming til studie mekanismer underliggende denne selektive sårbarheten. Til dags dato bruker de fleste protokollene heterogene cellekulturer, som kan forvirre tolkningen av eksperimentelle utfall. For å minimere problemene knyttet til blandet celle populasjoner, rene kulturer er uunnværlig. Her, den første protokollen beskriver i detalj hvordan du effektivt renser og dyrke CN3s/CN4s sammen SMNs kolleger fra samme embryo bruker embryonale dagen 11,5 (E 11.5) ISLMN: GFP transgene Mouse embryo. Protokollen gir detaljer om vevet disseksjon og dissosiasjon, FACS-baserte celle isolasjon, og in vitro dyrking av celler fra CN3/CN4 og SMN kjerner. Denne protokollen legger til en roman in vitro CN3/CN4 kultur system til eksisterende protokoller og samtidig gir en ren Art-og alder-matchet SMN kultur for sammenligning. Analyser som fokuserer på morfologiske, cellulære, molekylære og elektrofysiologisk karakteristikker av motor neurons er gjennomførbart i dette kultur systemet. Denne protokollen vil gjøre forskning i mekanismer som definerer motorisk nerve utvikling, selektiv sårbarhet, og sykdom.

Introduction

Kulturen i primær motor neurons er et kraftig verktøy som gjør det mulig å studere neuronal utvikling, funksjon, og mottakelighet for eksogene stressfaktorer. Motoriske Nevron kulturer er spesielt nyttig for studiet av nevrodegenerative sykdommer som amyotrofisk lateral sklerose (ALS)1,2, hvis sykdom mekanismer er ufullstendig forstått. Interessant, til tross for betydelig celle død spinal motor neurons (SMNs) i både ALS pasienter og ALS modell mus, celle død i nervus neurons (CN3s) og trochlear neurons (CN4s) er relativt knappe1,3,4,5,6,7,8,9. Derfor, komparative analyser av rene kulturer av CN3s/CN4s og SMNs kan gi viktige ledetråder om mekanismer underliggende relative sårbarhet. Dessverre har en stor barriere mot slike analyser vært manglende evne til å vokse renset kulturer av disse motor neurons.

Mange protokoller har blitt beskrevet for rensing av SMNs fra dyremodeller. De fleste av disse protokollene bruker tetthet gradientsentrifugering 10,11,12 og/eller p75ntR-antistoff-basert celle-sortering panorering teknikker13,14,15,16. Density gradient sentrifugering utnytter den større størrelsen på SMNs i forhold til andre spinal celler, mens p75ntR er et ekstracellulære protein uttrykt utelukkende av SMNs i ryggmargen. Nesten 100% ren SMN kulturer har blitt generert av en eller begge av disse protokollene11,12,14. Imidlertid har disse protokollene ikke lykkes i å generere CN3/CN4 kulturer fordi CN3s/CN4s ikke uttrykke p75ntR, og andre spesifikke CN3/CN4 markører har ikke blitt identifisert. De er også mindre enn SMNs, og derfor vanskeligere å isolere basert på størrelse. I stedet har in vitro studier av CN3s eller CN4s stolt på dissosiert17,18,19,20,21, explant17,22,23,24,25,26, og Slice27,28 kulturer, som er sammensatt av heterogene celletyper, og ingen protokoller har eksistert i isolasjon og kultur av primære CN3s eller CN4s.

Her er en protokoll beskrevet for visualisering, isolering, rensing, og dyrking av CN3s, CN4s, og SMNs fra samme embryonale dagen 11,5 (E 11.5) ISLMN: GFP transgene mus29 (figur 1, figur 2a). ISLMN: GFP spesielt etiketter motor NEURONS med en farnesylated GFP som lokaliseres til cellemembranen. Denne protokollen muliggjør arter-og alder-matchet sammenligning av flere typer motor neurons for å belyse patologiske mekanismer i motorisk Nevron sykdom.

Protocol

Alle eksperimenter utnytte forsøksdyr ble utført i samsvar med NIH retningslinjer for omsorg og bruk av forsøksdyr og med godkjenning av Animal Care og bruk Committee of Boston Children ‘ s Hospital. 1. sette opp tidsbestemt siamesere før disseksjon For å generere prenatal embryonale mus for motorisk Nevron Harvest, veie hver kvinnelige mus og sette opp tidsbestemt paring mellom voksne ISLMN: GFP transgene mus 11,5 dager før dagen av Nevron isolasjon. For de…

Representative Results

Målet med denne protokollen var å svært rense og kultur både primære CN3s/CN4s og SMNs langsiktig for å muliggjøre sammenlignende analyser av mekanismene underliggende motoriske Nevron lidelser (se figur 1 og figur 2 for oversikt). Når neurons ble vellykket isolert og dyrket i kultur, nesten ren primær CN3/CN4 og SMN kulturer ble innhentet (<strong class="xfig"…

Discussion

Historisk, in vitro studier av CN3 og/eller CN4 motor neurons har stolt på heterogene kulturer som dissosiert17,18,19,20,21, explant17,22,23,24,25,26, og Slice<su…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi takker Brigitte Pettmann (Biogen, Cambridge, MA, USA) for instruksjon i SMN disseksjon teknikker; The Dana Farber Cancer Institute Flow flowcytometri Facility, den immunologi Division Flow flowcytometri Facility av Harvard Medical School, The Joslin diabetes Center Flow flowcytometri Core, Brigham og Women ‘ s Hospital Flow flowcytometri Core, og Boston Children ‘ s Hospital Flow flowcytometri Research Facility for FACS isolering av primær motor neurons; A.A. Nugent, A.P. Tenney, A.S. Lee, E.H. Nguyen, M.F. Rose, flere Engle laboratorium medlemmer, og Project ALS konsortium medlemmer for teknisk assistanse og gjennomtenkt diskusjon. Denne studien ble støttet av Project ALS. I tillegg R.F. ble finansiert av Japan Heart Foundation/Bayer Yakuhin Research Grant utlandet og NIH Training stipend i genetikk T32 GM007748; JJ ble støttet av NIH/NEI treningsprogram i den molekylære baser av øyesykdommer (5T32EY007145-16) gjennom Schepens Eye Research Institute og av utviklingsmessige Nevrologi Training program postdoktor Fellowship (5T32NS007473-19) gjennom Boston Children ‘ s Hospital; M.s. W ble støttet av NEI (5K08EY027850) og Children ‘ s Hospital Oftalmologi Foundation (fakultet Discovery Award); og E.C.E. er en Howard Hughes Medical Institute etterforsker.

Materials

Alexa Fluor 488-conjugated goat anti-mouse IgG (H+L) Thermo Fisher Scientific A-11001 1:400
Alexa Fluor 594-conjugated F(ab')2 goat anti-rabbit IgG (H+L) Thermo Fisher Scientific A-11072 1:400
B27 Supplement (50X), serum free Thermo Fisher Scientific 17504-044
BD FACSAria llu SORP Flow Cytometer BD Bioscience This has 4 laser system equipped with 405, 488, 594, and 640 nm lasers.
BD Falcon 70μm Nylon Cell Strainers CORNING 352350 For filtering the dissociating cells before FACS.
BD Falcon Round Bottom Test Tubes With Snap Cap CORNING 352054
BDNF Human ProSpec-Tany TechnoGene, Ltd. CYT-207
Cell Culture microplate, 96 well, PS, F-bottom (Chimney Well) Greiner Bio-One International 655090 We tried multiple 96-well dishes and this was the best one for culture and analyses after ICC
Circular Cover Glasses for microscopy Karl Hecht & Assistent 1001/14 We used this coverslip since the area was large (diamater: 14 mm).
CNTF Human ProSpec-Tany TechnoGene, Ltd. CYT-272
Cyclopiazonic acid from Penicillium cyclopium Sigma-Aldrich C1530 CPA. One of ER stressors.
4′,6-diamidino-2-phenylinodole (DAPI) Thermo Fisher Scientific D1306
Dimethyl sulfoxide Sigma-Aldrich D2650 DMSO
Dumont #5 Forceps Inox Tip Size .05 x .01 mm Biologie Tips Roboz Surgical Instrument RS-5015
Forskolin Thermo Fisher Scientific BP25205
GDNF Human ProSpec-Tany TechnoGene, Ltd. CYT-305
GlutaMAX supplement Thermo Fisher Scientific 35050-061
Hanks’ Balanced Salt Solution (HBSS) Thermo Fisher Scientific 14175-095
Hibernate E BrainBits HE
Hibernate E low fluorescence BrainBits HELF Fluorescence which hinders observation of embryo's GFP expressions should be low.
Horse serum, heat inactivated, New Zealand origin Thermo Fisher Scientific 26050-070
IBMX Tocris Cookson 2845 Isobutylmethylxanthine
Laminin Thermo Fisher Scientific 23017-015
Leibovitz’s L15 medium Thermo Fisher Scientific 11415064
2-Mercaptoethanol Sigma-Aldrich M6250
Micro Dissecting Scissors Roboz Surgical Instrument RS-5913
Micro Knife 4.75" 1.7 x 27 mm blade Roboz Surgical Instrument RS-6272
Moria Mini Perforated Spoon Fine Science Tools 10370-19
mouse monoclonal antibody to neuronal class III β-tubulin (TUBB3) BioLegend 801202 1:500, TUJ1
Nikon Perfect Focus Eclipse Ti live cell fluorescence microscope and Elements software Nikon Differential interference contrast images and immunocytochemistry images of the cell cultures were captured with these equipments
Nitric Acid 90%, Fuming (Certified ACS) Fisher Scientific A202-212 For rinsing coverslips
Olympus 1.7ml Microtubes, Clear Genesee Scientific 22-281 These are the tubes that we described "1.7 mL microcentrifuge tubes" in the context.
Papain Dissociation System Worthington Biochemical Corp LK003150 Papain solution and alubumin-ovomucoid inhibitor solution are prepared from this kit.
Penicillin-streptomycin (10,000 U/ml) Thermo Fisher Scientific 15140-122
Phosphate buffered saline (PBS) Thermo Fisher Scientific 10010-023
Poly D-lysin (PDL) MilliporeSigma A-003-E
rabbit monoclonal antibody to Islet1 Abcam ab109517 1:200
SMZ18 and SMZ1500 zoom stereomicroscopes with DS-Ri1 camera Nikon Dissection was performed and images of dissected embryos and tissues are captured under these fluorescence microscopes.
Sylgard 170 Black Silicone Encapsulant – A+B 0.9 Kg kit Dow Corning 1696157 We make dissection dishes using this kit.
TC treated Dishes, 100 x 20 mm Genesee Scientific 25-202 We make dissection dishes using this dish.
Thum Dressing Forceps 4.5" Serrated 2.2 mm Tip Width Roboz Surgical Instrument RS-8100
Transducer for LOGOQ e VET GE Healthcare L8-18i-RS For ultrasound on female mice
Veterinary ultrasound machine GE Healthcare LOGOQ e VET For ultrasound on female mice
Zeiss LSM 700 series laser scanning confocal microscope and Zen Software Carl Zeiss Confocal image of the embryo was captured with these equipments

Riferimenti

  1. Kiernan, M. C., et al. Amyotrophic lateral sclerosis. Lancet. 377 (9769), 942-955 (2011).
  2. Wood-Allum, C., Shaw, P. J. Motor neurone disease: a practical update on diagnosis and management. Clinical Medicine (London, England). 10 (3), 252-258 (2010).
  3. Nijssen, J., ComLey, L. H., Hedlund, E. Motor neuron vulnerability and resistance in amyotrophic lateral sclerosis. Acta Neuropathologica. 133 (6), 863-885 (2017).
  4. Gizzi, M., DiRocco, A., Sivak, M., Cohen, B. Ocular motor function in motor neuron disease. Neurology. 42 (5), 1037-1046 (1992).
  5. Kanning, K. C., Kaplan, A., Henderson, C. E. Motor neuron diversity in development and disease. Annual Review of Neuroscience. 33, 409-440 (2010).
  6. Nimchinsky, E. A., et al. Differential vulnerability of oculomotor, facial, and hypoglossal nuclei in G86R superoxide dismutase transgenic mice. The Journal of Comparative Neurology. 416 (1), 112-125 (2000).
  7. Angenstein, F., et al. Age-dependent changes in MRI of motor brain stem nuclei in a mouse model of ALS. Neuroreport. 15 (14), 2271-2274 (2004).
  8. Niessen, H. G., et al. In vivo quantification of spinal and bulbar motor neuron degeneration in the G93A-SOD1 transgenic mouse model of ALS by T2 relaxation time and apparent diffusion coefficient. Experimental Neurology. 201 (2), 293-300 (2006).
  9. Spiller, K. J., et al. Selective Motor Neuron Resistance and Recovery in a New Inducible Mouse Model of TDP-43 Proteinopathy. The Journal of Neuroscience. 36 (29), 7707-7717 (2016).
  10. Graham, J. M. Isolation of a mouse motoneuron-enriched fraction from mouse spinal cord on a density barrier. Scientific World Journal. 2, 1544-1546 (2002).
  11. Gingras, M., Gagnon, V., Minotti, S., Durham, H. D., Berthod, F. Optimized protocols for isolation of primary motor neurons, astrocytes and microglia from embryonic mouse spinal cord. Journal of Neuroscience Methods. 163 (1), 111-118 (2007).
  12. Beaudet, M. J., et al. High yield extraction of pure spinal motor neurons, astrocytes and microglia from single embryo and adult mouse spinal cord. Scientific Reports. 5, 16763 (2015).
  13. Camu, W., Henderson, C. E. Purification of embryonic rat motoneurons by panning on a monoclonal antibody to the low-affinity NGF receptor. Journal of Neuroscience Methods. 44 (1), 59-70 (1992).
  14. Arce, V., et al. Cardiotrophin-1 requires LIFRbeta to promote survival of mouse motoneurons purified by a novel technique. Journal of Neuroscience Research. 55 (1), 119-126 (1999).
  15. Wiese, S., et al. Isolation and enrichment of embryonic mouse motoneurons from the lumbar spinal cord of individual mouse embryos. Nature Protocols. 5 (1), 31-38 (2010).
  16. Conrad, R., et al. Lectin-based isolation and culture of mouse embryonic motoneurons. Journal of Visualized Experiments. (55), (2011).
  17. Lerner, O., et al. Stromal cell-derived factor-1 and hepatocyte growth factor guide axon projections to the extraocular muscles. Developmental Neurobiology. 70 (8), 549-564 (2010).
  18. Ferrario, J. E., et al. Axon guidance in the developing ocular motor system and Duane retraction syndrome depends on Semaphorin signaling via alpha2-chimaerin. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (36), 14669-14674 (2012).
  19. Clark, C., Austen, O., Poparic, I., Guthrie, S. α2-Chimaerin regulates a key axon guidance transition during development of the oculomotor projection. The Journal of Neuroscience. 33 (42), 16540-16551 (2013).
  20. Theofilopoulos, S., et al. Cholestenoic acids regulate motor neuron survival via liver X receptors. The Journal of Clinical Investigation. 124 (11), 4829-4842 (2014).
  21. Montague, K., Guthrie, S., Poparic, I. In Vivo and In Vitro Knockdown Approaches in the Avian Embryo as a Means to Study Semaphorin Signaling. Methods in Molecular Biology. 1493, 403-416 (2017).
  22. Porter, J. D., Hauser, K. F. Survival of extraocular muscle in long-term organotypic culture: differential influence of appropriate and inappropriate motoneurons. Biologia dello sviluppo. 160 (1), 39-50 (1993).
  23. Serafini, T., et al. Netrin-1 is required for commissural axon guidance in the developing vertebrate nervous system. Cell. 87 (6), 1001-1014 (1996).
  24. Varela-Echavarría, A., Tucker, A., Püschel, A. W., Guthrie, S. Motor axon subpopulations respond differentially to the chemorepellents netrin-1 and semaphorin D. Neuron. 18 (2), 193-207 (1997).
  25. Irving, C., Malhas, A., Guthrie, S., Mason, I. Establishing the trochlear motor axon trajectory: role of the isthmic organiser and Fgf8. Development. 129 (23), 5389-5398 (2002).
  26. Chen, J., Butowt, R., Rind, H. B., von Bartheld, C. S. GDNF increases the survival of developing oculomotor neurons through a target-derived mechanism. Molecular and Cellular Neurosciences. 24 (1), 41-56 (2003).
  27. Whitman, M. C., et al. Loss of CXCR4/CXCL12 Signaling Causes Oculomotor Nerve Misrouting and Development of Motor Trigeminal to Oculomotor Synkinesis. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 59 (12), 5201-5209 (2018).
  28. Whitman, M. C., Bell, J. L., Nguyen, E. H., Engle, E. C. Ex Vivo Oculomotor Slice Culture from Embryonic GFP-Expressing Mice for Time-Lapse Imaging of Oculomotor Nerve Outgrowth. Journal of Visualized Experiments. , e59911 (2019).
  29. Lewcock, J. W., Genoud, N., Lettieri, K., Pfaff, S. L. The ubiquitin ligase Phr1 regulates axon outgrowth through modulation of microtubule dynamics. Neuron. 56, 604-620 (2007).
  30. Bibel, M., Richter, J., Lacroix, E., Barde, Y. A. Generation of a defined and uniform population of CNS progenitors and neurons from mouse embryonic stem cells. Nature Protocols. 2 (5), 1034-1043 (2007).
  31. An, D., et al. Stem cell-derived cranial and spinal motor neurons reveal proteostatic differences between ALS resistant and sensitive motor neurons. eLife. 8, e44423 (2019).
  32. Huber, A. B., et al. Distinct roles for secreted semaphorin signaling in spinal motor axon guidance. Neuron. 48 (6), 949-964 (2005).
  33. Plachta, N., et al. Identification of a lectin causing the degeneration of neuronal processes using engineered embryonic stem cells. Nature Neuroscience. 10 (6), 712-719 (2007).
  34. Eide, L., McMurray, C. T. Culture of adult mouse neurons. BioTechniques. 38 (1), 99-104 (2005).
  35. Brewer, G. J., Torricelli, J. R. Isolation and culture of adult neurons and neurospheres. Nature Protocols. 2 (6), 1490-1498 (2007).
  36. Seibenhener, M. L., Wotten, M. W. Isolation and culture of hippocampal neurons from prenatal mice. Journal of Visualized Experiments. (65), (2012).
  37. Hanson, M. G., Shen, S., Wiemelt, A. P., McMorris, F. A., Barres, B. A. Cyclic AMP elevation is sufficient to promote the survival of spinal motor neurons in vitro. The Journal of Neuroscience. 18 (18), 7361-7371 (1998).
  38. Lamas, N. J., et al. Neurotrophic requirements of human motor neurons defined using amplified and purified stem cell-derived cultures. Plos One. 9 (10), (2014).
  39. Mazzoni, E. O., et al. Synergistic binding of transcription factors to cell-specific enhancers programs motor neuron identity. Nature Neuroscience. 16 (9), 1219-1227 (2013).

Play Video

Citazione di questo articolo
Fujiki, R., Lee, J. Y., Jurgens, J. A., Whitman, M. C., Engle, E. C. Isolation and Culture of Oculomotor, Trochlear, and Spinal Motor Neurons from Prenatal Islmn:GFP Transgenic Mice. J. Vis. Exp. (153), e60440, doi:10.3791/60440 (2019).

View Video