النمذجة 3D من جانبي البطينات ونسيجية توصيف الأنسجة المحيطة بالبطين في البشر والفأر
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
والبطانة العصبية خطوط أحادي الطبقة خلية النظام البطين من الدماغ توفير وظائف الحاجز ونقل ثنائية الاتجاه بين السائل الدماغي الشوكي (CSF) والسائل الخلالي (ISF) 1-3. هذه الوظائف تساعد على إبقاء المخ والتوازن الفيزيولوجي 2،3 خالية من السموم. في فقدان البشر أجزاء من هذه البطانة بسبب الاصابة أو المرض لا تظهر أن يؤدي إلى استبدال التجديدي كما وجدت في بطانة الظهارية الأخرى؛ بدلا فقدان التغطية خلية البطانة العصبية تظهر أن يؤدي إلى دباق النجمي البطينات الدماغية مع شبكه من الخلايا النجمية التي تغطي المناطق الجرداء من خلايا البطانة العصبية على سطح البطين. يمكن توقعها انعكاسات خطيرة على آليات CSF / تبادل قوى الأمن الداخلي وإزالة الهامة التي تنجم عن فقدان هذه الطبقة الظهارية 1،2،4-7.
يتم تكبير وثمة سمة مشتركة للشيخوخة الإنسان البطينات الجانبية (ventriculomegaly) وما يرتبط بها من وذمة محيط بالبطين بصفة مراقبإد طريق التصوير بالرنين المغناطيسي وسائل مخفف انعكاس الانتعاش MRI (MRI / FLAIR) 14/08. للتحقيق في العلاقة بين ventriculomegaly وتنظيم الخلوية من بطانة البطين، ويقابل بعد الوفاة تسلسل MRI الإنسان مع الاستعدادات النسيجية للبطين الجانبي الأنسجة المحيطة بالبطين. في حالات ventriculomegaly، ومساحات كبيرة من دباق محل تغطية خلية البطانة العصبية على طول الجدار البطين الجانبي. عندما لم يتم الكشف عن توسع البطين عن طريق تحليل حجم استنادا MRI، وكانت بطانة البطانة العصبية خلية سليمة ولم يتم الكشف دباق على طول بطانة البطين 6. هذا النهج التوافقي يمثل أول التغييرات ثائق تفصل الشاملة في سلامة الخلوية من بطانة البطين الجانبي استخدام مستحضرات wholemount من أجزاء أو كامل جدار البطين الجانبي والنمذجة 3D كميات البطين 6. العديد من الأمراض (مرض الزهايمر، انفصام الشخصية) والإصابات (إصابات في الدماغ)عرض ventriculomegaly كميزة عصبية مرضية في وقت مبكر. يمكن توقعها تعرية المناطق من بطانة خلايا البطانة العصبية بالتالي تتداخل مع وظيفة عادية الخلية البطانة العصبية وتؤثر سلبا على التوازن استتبابي بين CSF / السائل قوى الأمن الداخلي وتبادل المذاب. وبالتالي، فإن إجراء فحص أكثر دقة من التغييرات على نظام البطين، تكوينها الخلوي، والعاقبة للهياكل الدماغ الكامنة أو المجاورة تبدأ في نهاية المطاف لكشف المزيد عن أمراض الأعصاب المرتبطة البطين التوسيع.
عدم وجود بيانات التصوير المتعدد الوسائط، وعلى وجه الخصوص تسلسل البيانات الطولية، جنبا إلى جنب مع محدودية فرص الحصول على عينات الأنسجة النسيجية المقابلة يجعل تحليل أمراض الدماغ البشري صعوبة. كثيرا ما يمكن تحقيقه نمذجة الظواهر الموجودة في شيخوخة الإنسان أو المرض مع نماذج الماوس والنماذج الحيوانية تصبح واحدة من أفضل الوسائل المتاحة لنا لاستكشاف أسئلة حول بدء المرض البشري والتقدم. العديد من الدراسات فيوقد وصفت الفئران الشابة صحية والتهندس الخلوي للجدران البطين الجانبي والخلايا الجذعية الكامنة المتخصصة 4،7-15. وقد تم تمديد هذه الدراسات لتشمل 3D النمذجة والتحليل الخلوي للجدران البطين خلال الشيخوخة 6،15. ولوحظت لا دباق البطينات الدماغية ولا ventriculomegaly في الفئران الذين تتراوح أعمارهم بين، بدلا تعرض الفئران منطقة subventicular قوية نسبيا (SVZ) تنبع مكانة خلية تحتاني إلى خلية البطانة العصبية سليمة بطانة 6،15. وبالتالي، توجد اختلافات ضرب أنواع محددة في كل من الصيانة العامة وسلامة بطانة البطين الجانبي أثناء عملية الشيخوخة 6،15. لذلك، لأفضل الفئران استخدام لاستجواب الظروف الموجودة في البشر، تحتاج الاختلافات بين النوعين يتسم ويعتبر مناسب في أي نموذج النمذجة. هنا، نقدم إجراءات لتقييم التغيرات الطولية إلى البطينين الوحشي والأنسجة المرتبطة محيط بالبطين في كل من البشر وم[أوس]. وتشمل إجراءاتنا 3D تقديم وvolumetry كل من الفأر والبطينين البشري، واستخدام التحليل المناعى الاستعدادات جبل كاملة من الأنسجة المحيطة بالبطين لتوصيف كل من منظمة الخلوية وهيكل. معا توفر هذه الإجراءات وسيلة لوصف التغييرات في النظام البطين والأنسجة محيط بالبطين المرتبطة بها.
Protocol
Representative Results
Discussion
نقدم الأدوات والبروتوكولات التي يمكن استخدامها لتقييم سلامة النظام البطين من الدماغ لدى الفئران والبشر. هذه الأدوات، ومع ذلك، يمكن أن تطبق أيضا على هياكل أخرى من الدماغ أو أجهزة الجسم التي تخضع لتغيرات بسبب الإصابة، والمرض، أو أثناء عملية الشيخوخة 14،21،22. قدمت…
Disclosures
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 |
References
- 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).
