3D-modellering av de laterala ventriklama och Histologisk karakterisering av periventrikulär Tissue i människor och mus
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
En ependymala cellmonoskiktet linjer kammarsystemet i hjärnan som ger dubbelriktad barriär och transportfunktioner mellan cerebrospinalvätskan (CSF) och interstitiell vätska (ISF) 1-3. Dessa funktioner hjälper till att hålla hjärnan toxikanten fria och i fysiologisk balans 2,3. Hos människa förlust av delar av detta foder på grund av skada eller sjukdom inte tycks resultera i regenerativ ersättning som återfinns i andra epitelceller foder; snarare förlust av ependymala celltäckning tycks resultera i periventrikulär astroglios med nätverket av astrocyter som omfattar regioner avklädda av ependymalceller på ventrikeln ytan. Allvarliga konsekvenser för viktiga CSF / ISF utbyte och klare mekanismer skulle förväntas resultera från förlust av denna epitelskikt 1,2,4-7.
Ett gemensamt drag för människans åldrande förstoras laterala ventriklarna (ventriculomegaly) och tillhörande periventrikulär ödem som Observed av MRI och vätske försvagade inversion återhämtning MRI (MRI / FLAIR) 8-14. För att undersöka förhållandet mellan ventriculomegaly och den cellulära organisationen av ventrikeln foder, var postmortem humana MRI sekvenser matchas med histologiska preparat av laterala ventrikeln periventrikulär vävnad. Vid ventriculomegaly hade stora områden av glios ersättas ependymal cell täckning längs den laterala ventrikeln väggen. När ventrikeln expansionen inte upptäcktes med MRI-baserade volymanalys, det ependymala cellfodret var intakt och gliosis inte upptäcks längs kammaren foder 6. Denna kombi tillvägagångssätt representerar de första omfattande dokumentation som beskriver förändringar i cellulär integritet den laterala ventrikeln foder med hjälp av wholemount beredningar av delar eller hela sido ventrikelväggen och 3D-modellering av ventrikeln volymer 6. Flera sjukdomar (Alzheimers sjukdom, schizofreni) och skador (traumatisk hjärnskada)visa ventriculomegaly som en tidig neuropatologiska funktion. Denudation områden av ependymal cellfodret därigenom skulle förutsägas att störa normala ependymal cellfunktion och äventyra den homeostatiska balansen mellan CSF / ISF vätska och lösta ämnen utbyte. Således kommer en mer grundlig undersökning av förändringar i ventrikulära systemet, dess cellulära sammansättning, och följden till underliggande eller närliggande hjärnstrukturer slutligen börja avslöja mer om neuropatologi i samband med ventrikeln utvidgningen.
Bristen på multimodala bilddata, särskilt longitudinella datasekvenser, tillsammans med begränsad tillgång till motsvarande histologiska vävnadsprover gör analys av mänskliga hjärnan patologier svårt. Modellering fenotyper som finns i människans åldrande eller sjukdom kan ofta uppnås med musmodeller och djurmodeller blivit en av våra bästa sättet att utforska frågor om mänskliga sjukdomar initiering och progression. Flera studier ifriska unga möss har beskrivit cytoarchitecture av sidoväggarna ventrikeln och den underliggande stamcellsnischen 4,7-15. Dessa studier har utökats till att omfatta 3D-modellering och cellulär analys av ventrikeln väggarna genom åldrande 6,15. Varken periventrikulär glios eller ventriculomegaly observeras i äldre möss, snarare möss visar en relativt robust subventicular zon (SVZ) stamceller nisch underliggande till en intakt ependymal cell foder 6,15. Således finns slående artspecifika skillnader i både allmänt underhåll och integritet den laterala ventrikeln foder under åldrandet 6,15. Därför att du ska utnyttja möss att förhöra villkor som finns i människor, skillnader mellan de två arterna måste karakteriseras och på lämpligt sätt beaktas i alla modellerings paradigm. Här presenterar vi rutiner för att utvärdera längsgående förändringar de laterala ventriklarna och tillhörande periventrikulär vävnad hos både människor och mouse. Våra rutiner inkluderar 3D-rendering och volumetry både mus och mänskliga kamrarna, och användning av immunhistokemisk analys av hela berget beredningar av periventrikulär vävnad för att karakterisera både cellulär organisation och struktur. Tillsammans dessa förfaranden ger ett medel för att karakterisera förändringar i ventrikulära systemet och tillhörande periventrikulär vävnad.
Protocol
Representative Results
Discussion
Vi presenterar verktyg och protokoll som kan användas för att utvärdera integriteten hos hjärnans ventrikulära systemet i möss och hos människor. Dessa verktyg kan emellertid också tillämpas på andra hjärnstrukturer eller organsystem som genomgår förändringar på grund av skada, sjukdom, eller under åldrandet 14,21,22. Strategierna presenteras dra nytta av programvara som gör det möjligt att anpassningen av tvärsnitts och longitudinella MRI sekvenser för att generera 3D volym representation…
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).
