Summary

Organotypiske skivekulturer at studere oligodendrocyt Dynamics og myelinering

Published: August 25, 2014
doi:

Summary

A technique to study NG2 cells and oligodendrocytes using a slice culture system of the forebrain and cerebellum is described. This method allows examination of the dynamics of proliferation and differentiation of cells within the oligodendrocyte lineage where the extracellular environment can be easily manipulated while maintaining tissue cytoarchitecture.

Abstract

NG2 udtrykkende celler (polydendrocytes, oligodendrocyt precursorceller) er den fjerde største gliale cellepopulation i det centrale nervesystem. Under embryonale og postnatale udvikling de aktivt formere sig og generere myelinerende oligodendrocytter. Disse celler er almindeligvis blevet undersøgt i primære dissocierede kulturer, neuron cokulturer, og i fast væv. Brug af nyligt tilgængelige transgene muselinjer skive dyrkningssystemer kan anvendes til at undersøge proliferation og differentiering af oligodendrocyt afstamning celler i både grå og hvide substans områder i forhjernen og cerebellum. Slice kulturer fremstilles ud fra tidlige postnatale mus og holdes i kultur i op til 1 måned. Disse skiver kan afbildes flere gange i løbet af kulturen periode at undersøge cellulær adfærd og interaktioner. Denne metode giver visualisering af NG2 celledeling og de skridt, der fører til oligodendrocyt differentiering, samtidig med at en detaljeret analyse af regionens-afhængigeent NG2 celle og oligodendrocyt funktionel heterogenitet. Dette er en stærk teknik, der kan anvendes til at undersøge de interne og eksterne signaler påvirker disse celler over tid i et cellulært miljø, der ligner det, der findes in vivo.

Introduction

Organoytpic skivekulturer af centralnervesystemet har vist sig at være særdeles nyttige til at studere neuron og gliacelle biologi i et semiintact system, 1 – 4. Disse kulturer er relativt enkle at vedtage og fastholde mange fordele ved primære dissocierede cellekulturer såsom manipulation af det ekstracellulære miljø og nem adgang til gentagen langsigtet levende celle billedbehandling og elektrofysiologiske optagelser 5-9. Desuden skivekulturer opretholde 3-dimensionel væv cytoarchitecture, regionalt neurale forbindelse, og de fleste større celletyper er til stede i systemet. Disse egenskaber gør disse kulturer et unikt og praktisk system til at undersøge enkelt celle adfærd og fysiologi med cellulære og miljømæssige interaktioner.

NG2 celler er en population af gliaceller i pattedyrs centralnervesystem der fortsætter med at formere sig og frembringe myelinating oligodendrocytter under embryonisk og postnatal udvikling 10. De er blevet grundigt undersøgt i dissocierede primære cellekulturer, og den seneste udvikling af transgene mus linjer med NG2 celle-specifik ekspression af fluorescerende proteiner har muliggjort in vivo skæbne kortlægning og elektrofysiologiske optagelser i akutte præparater skive. Selv med disse undersøgelser, er lidt om de tidsmæssige dynamik NG2 celleproliferation og oligodendrocyt differentiering. Selv dissocieret cellekultur er almindeligt anvendt til den relative anlæg i farmakologiske og genetiske manipulationer, er det ikke egnet til interrogering funktionelle forskelle af disse celler i forskellige områder af hjernen, især når det er ønskeligt at opretholde forbindelse med det cellulære mikromiljø. Skivekulturer giver et simpelt alternativ, der er modtagelig for farmakologiske manipulationer og er blevet anvendt til at undersøge oligodendrocyt myelinering 11,12, celleular respons efter lysolecithin (LPC) eller antistof induceret demyelinisering 13,14, og induktion af remyelinisering via farmakologisk behandling 15.

En metode til at undersøge og udføre direkte billedvisning og faste væv (eller postfiksering) analyse af NG2 celleproliferation og oligodendrocyt differentiering i organotypiske skive kulturer taget fra både forhjernen og lillehjernen er beskrevet. Dette er en kraftfuld metode, der kan bruges til at studere celle skæbne enkelte NG2 celler efter hovedgruppe 16 og at opdage områdespecifikke og aldersbetingede forskelle i vækstfaktor-induceret NG2 celleproliferation 17. Denne forholdsvis simpel teknik er bredt tilgængelige for yderligere at undersøge celle iboende og / eller miljømæssige mekanismer, der regulerer fysiologi af disse gliaceller og deres reaktion på neuronal aktivitet eller myelin skade.

Protocol

BEMÆRK: Alle dyreforsøg følger retningslinjerne, og er blevet godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg (IACUC) ved University of Connecticut. BEMÆRK: Til disse eksperimenter konstitutive NG2cre 18 (JAX # 008533) og inducerbare NG2creER 16 (JAX # 008538) krydsede transgene mus til Z / EG 19 (JAX # 003920) eller gtRosa26: YFP reporter 20 (JAX # 006148) linjer henholdsvis blev brugt til billedet NG2 celler og deres afkom. Til Billed modne oligodendrocytter blev PLPDsRed transg…

Representative Results

Eksempler på repræsentative data er givet nedenfor, der er blevet opnået under anvendelse af skive kulturer fra både forhjernen og cerebellum af P8 NG2cre: ZEG, NG2creER: YFP og PLPDsRed transgene muselinjer. NG2 celler kan afbildes over dage i forhjernen og cerebellum skiver (Figur 1B-D, Video 1) og fænotype af disse celler kan bestemmes efter fiksering og immunfarvning med NG2 og CC1 antistoffer (figur 1E). Ud over at leve billeddannelse kan celleproliferation også vurderes ved …

Discussion

Myelinering i det centrale nervesystem er af afgørende betydning for en effektiv neuronal kommunikation og axonal overlevelse 22. NG2 celler kontinuerligt generere myelinerende oligodendrocytter ind i voksenalderen og samtidig opretholde en fastboende befolkning i de fleste områder af hjernen 16,23 – 25. Nogle genetiske og molekylære mekanismer, der regulerer differentieringen af ​​disse celler er blevet beskrevet, men stadig meget at blive opdaget. Organotypiske skive kulturer er et praktis…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was funded by grants from the National Multiple Sclerosis Society (RG4179 to A.N.), the National Institutes of Health (NIH R01NS073425 and R01NS074870 to A.N.) and the National Science Foundation (A.N.). We thank Dr. Frank Kirchhoff (University of Saarland, Homburg Germany) for providing PLPDsRed transgenic mice. We thank Youfen Sun for her assistance in maintaining the transgenic mouse colony.

Materials

Slice Culture Medium
Minimum Essential Medium Invitrogen 11090 50%
Hank’s Balanced Salt Solution Invitrogen 14175 25%
HEPES Sigma-Aldrich H-4034 25mM
L-Glutamine Invitrogen 25030 1mM
Insulin Sigma-Aldrich I6634 1mg/L
Ascorbic Acid Sigma-Aldrich A-0278 0.4mM
Horse Serum Hyclone SH30074.03 25%
Titrate to pH 7.22 with NaOH, filter with bottle top filter, and store at 4 degrees Celsius
Dissection Buffer
NaCl Sigma-Aldrich S3014 124mM
KCl Sigma-Aldrich P5405 3.004mM
KH2PO4 Sigma-Aldrich P5655 1.25mM
MgSO4 (anhydrous) Sigma-Aldrich M7506 4.004mM
CaCl2 2H2O Sigma-Aldrich C7902 2mM
NaHCO3 Sigma-Aldrich S5761 26mM
D-(+)-Glucose Sigma-Aldrich G7021 10mM
Ascorbic Acid Sigma-Aldrich A-0278 2.0mM
Adenosine Sigma-Aldrich A4036 0.075mM
Filter with bottle top filter and store at 4 degrees Celsius, oxygenate with 95%O2 5%CO2 before use
Other Reagents and Supplies
4-hydroxy tamoxifen (4OHT) Sigma-Aldrich H7904 100nM
Paraformaldehyde (PFA) EM Sciences 19200 4%
L-Lysine Sigma-Aldrich L-6027 0.1M
Sodium Metaperiodate Sigma-Aldrich S-1878 0.01M
Rabbit anti NG2 antibody Chemicon (Millipore) AB5320 1:500
Mouse anti CC1 antibody Calbiochem (Millipore) OP80 1:200
Mouse anti Ki67 antibody Vision Biosystems NCL-Ki67-MM1 1:300
Mouse anti NeuN antibody Chemicon (Millipore) MAB377 1:500
Species specific secondary antibodies Jackson Immunoresearch
Normal Goat Serum (NGS) 5%
Triton X-100 0.10%
Mounting medium with DAPI Vector Labs H-1200
Millicell culture membrane inserts 0.45μm pore size Fisher Scientific PICM03050
Bottle top filters Fisher Scientific 09-740-25E
Ethanol
95% O2 5% CO2 gas mix
Phosphate Buffered Saline (PBS)
Sterile six well plates
Dissecting (hippocampal) or weighing spatulas
Manual or automatic tissue chopper
Razor blades
Disposable transfer pipettes
35mm and 60mm sterile Petri dishes
Stereomicroscope
Inverted Phase Microscope
Laminar Flow Hood
Tissue Culture Incubator
Inverted Fluorescence Microcope

References

  1. Stoppini, L., Buchs, P. A., Muller, D. A simple method for organotypic cultures of nervous tissue. Journal of Neuroscience Methods. 37 (2), (1991).
  2. Gogolla, N., Galimberti, I., DePaola, V., Caroni, P. Preparation of organotypic hippocampal slice cultures for long-term live imaging. Nature Protocols. 1 (3), 1165-1171 (2006).
  3. Gähwiler, B. H., Capogna, M., Debanne, D., McKinney, R. A., Thompson, S. M. Organotypic slice cultures: a technique has come of age. Trends in Neurosciences. 20 (10), 471-477 (1997).
  4. Yamamoto, N., Kurotani, T., Toyama, K. Neural connections between the lateral geniculate nucleus and visual cortex in vitro. Science. 245 (4914), 192-194 (1989).
  5. Bahr, B. A., Kessler, M., et al. Stable maintenance of glutamate receptors and other synaptic components in long-term hippocampal slices. Hippocampus. 5 (5), 425-439 (1995).
  6. Noctor, S. C., Flint, A. C., Weissman, T. A., Dammerman, R. S., Kriegstein, A. R. Neurons derived from radial glial cells establish radial units in neocortex. Nature. 409 (6821), 714-720 (2001).
  7. Noctor, S. C., Martínez-Cerdeño, V., Ivic, L., Kriegstein, A. R. Cortical neurons arise in symmetric and asymmetric division zones and migrate through specific phases. Nature Neuroscience. 7 (2), (2004).
  8. Kapfhammer, J. P., Gugger, O. S. The analysis of purkinje cell dendritic morphology in organotypic slice cultures. Journal of Visualized Experiments JoVE. (61), (2012).
  9. Elias, L., Kriegstein, A. Organotypic slice culture of E18 rat brains. Journal of Visualized Experiments JoVE. (6), e235 (2007).
  10. Nishiyama, A., Komitova, M., Suzuki, R., Zhu, X. Polydendrocytes (NG2 cells): multifunctional cells with lineage plasticity. Nature Reviews Neuroscience. 10 (1), 9-22 (2009).
  11. Haber, M., Vautrin, S., Fry, E. J., Murai, K. K. Subtype-specific oligodendrocyte dynamics in organotypic culture. Glia. 57 (9), 1000-1013 (2009).
  12. Bin, J. M., Leong, S. Y., Bull, S. -. J., Antel, J. P., Kennedy, T. E. Oligodendrocyte precursor cell transplantation into organotypic cerebellar shiverer slices: a model to study myelination and myelin maintenance. PloS one. 7 (7), (2012).
  13. Birgbauer, E., Rao, T. S., Webb, M. Lysolecithin induces demyelination in vitro in a cerebellar slice culture system. Journal of Neuroscience Research. 78 (2), 157-166 (2004).
  14. Harrer, M. D., von Budingen, H. C., et al. Live imaging of remyelination after antibody-mediated demyelination in an ex model for immune mediated CNS damage. Experimental Neurology. 216 (2), 431-438 (2009).
  15. Fancy, S. P. J., Harrington, E. P., et al. Axin2 as regulatory and therapeutic target in newborn brain injury and remyelination. Nature Neuroscience. 14 (8), 1009-1016 (2011).
  16. Zhu, X., Hill, R. A., Dietrich, D., Komitova, M., Suzuki, R., Nishiyama, A. Age-dependent fate and lineage restriction of single NG2 cells. Development. 138 (4), 745-753 (2011).
  17. Hill, R. A., Patel, K. D., Medved, J., Reiss, A. M., Nishiyama, A. NG2 Cells in White Matter But Not Gray Matter Proliferate in Response to PDGF. Journal of Neuroscience. 33 (36), 14558-14566 (2013).
  18. Zhu, X., Bergles, D. E., Nishiyama, A. NG2 cells generate both oligodendrocytes and gray matter astrocytes. Development. 135 (1), 145-157 (2008).
  19. Novak, A., Guo, C., Yang, W., Nagy, A., Lobe, C. G. Z/EG, a double reporter mouse line that expresses enhanced green fluorescent protein upon Cre-mediated excision. Genesis. 28 (3-4), 147-155 (2000).
  20. Soriano, P. Generalized lacZ expression with the ROSA26 Cre reporter strain. Nature Genetics. 21 (1), 70-71 (1999).
  21. Hirrlinger, P. G., Scheller, A., et al. Expression of reef coral fluorescent proteins in the central nervous system of transgenic mice. Molecular and Cellular Neuroscience. 30 (3), 291-303 (2005).
  22. Nave, K. -. A. Myelination and support of axonal integrity by glia. Nature. 468 (7321), 244-252 (2010).
  23. Rivers, L. E., Young, K. M., et al. PDGFRA/NG2 glia generate myelinating oligodendrocytes and piriform projection neurons in adult mice. Nature Neuroscience. 11 (12), 1392-1401 (2008).
  24. Dimou, L., Simon, C., Kirchhoff, F., Takebayashi, H., Gotz, M. Progeny of Olig2-expressing progenitors in the gray and white matter of the adult mouse cerebral cortex. The Journal of Neuroscience. 28 (41), 10434-10442 (2008).
  25. Kang, S. H., Fukaya, M., Yang, J. K., Rothstein, J. D., Bergles, D. E. NG2+ CNS glial progenitors remain committed to the oligodendrocyte lineage in postnatal life and following neurodegeneration. Neuron. 68 (4), 668-681 (2010).
  26. Ioannidou, K., Anderson, K. I., Strachan, D., Edgar, J. M., Barnett, S. C. Time-lapse imaging of the dynamics of CNS glial-axonal interactions in vitro and ex vivo. PloS one. 7 (1), e30775 (2012).
  27. Ghoumari, A. M., Baulieu, E. E., Schumacher, M. Progesterone increases oligodendroglial cell proliferation in rat cerebellar slice cultures. 신경과학. 135 (1), 47-58 (2005).
  28. Azim, K., Butt, A. M. GSK3β negatively regulates oligodendrocyte differentiation and myelination in vivo. Glia. 59 (4), 540-553 (2011).
  29. Hussain, R., El-Etr, M., et al. Progesterone and nestorone facilitate axon remyelination: a role for progesterone receptors. Endocrinology. 152 (10), 3820-3831 (2011).
  30. Pampaloni, F., Reynaud, E. G., Stelzer, E. H. K. The third dimension bridges the gap between cell culture and live tissue. Nature Reviews. Molecular Cell Biology. 8 (10), 839-845 (2007).
  31. Lubetzki, C., Demerens, C., et al. Even in culture, oligodendrocytes myelinate solely axons. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 90 (14), 6820-6824 (1993).
  32. Demerens, C., Stankoff, B., et al. Induction of myelination in the central nervous system by electrical activity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (18), 9887-9892 (1996).
  33. Wood, P. M., Bunge, R. P. Evidence that sensory axons are mitogenic for Schwann cells. Nature. 256 (5519), 662-664 (1975).
  34. Stevens, B., Tanner, S., Fields, R. D. Control of myelination by specific patterns of neural impulses. The Journal of Neuroscience. 18 (22), 9303-9311 (1998).
  35. Stevens, B., Porta, S., Haak, L. L., Gallo, V., Fields, R. D. Adenosine: a neuron-glial transmitter promoting myelination in the CNS in response to action potentials. Neuron. 36 (5), 855-868 (2002).
  36. Wake, H., Lee, P. R., Fields, R. D. Control of local protein synthesis and initial events in myelination by action potentials. Science. 333 (6049), 1647-1651 (2011).
  37. Rosenberg, S. S., Kelland, E. E., Tokar, E., De la Torre, A. R., Chan, J. R. The geometric and spatial constraints of the microenvironment induce oligodendrocyte differentiation. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 105 (38), 14662-14667 (2008).
check_url/kr/51835?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Hill, R. A., Medved, J., Patel, K. D., Nishiyama, A. Organotypic Slice Cultures to Study Oligodendrocyte Dynamics and Myelination. J. Vis. Exp. (90), e51835, doi:10.3791/51835 (2014).

View Video