İnsanlar ve Mouse Periventriküler Doku Yanal ventrikülleri ve histolojik Karakterizasyonu 3D Modelleme
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
Bir ependim hücre tekli-tabakası hatları beyin omurilik sıvısı (CSF) ve interstisyel sıvının (ISF) 1-3 arasında iki yönlü engelleyici ve taşıma fonksiyonları sağlayan beyin ventriküler sistemi. Bu işlevler, beyin toxicant-özgür ve fizyolojik dengede 2,3 tutmak için yardımcı olur. Yaralanma ya da hastalık ile bu kaplama bölümlerinin insan kayıpta diğer epitelyal astarları bulunduğu gibi rejeneratif değiştirilmesine neden görünmemektedir; oldukça ependim hücre kapsama kaybı ventrikül yüzeyinde ependimal hücrelerin arındırılır bölgeleri kapsayan astrositlerde bir ağda ile periventriküler astrogliyozun neden görünmektedir. Önemli BOS / ISF değişimi ve temizlik mekanizmalarında ciddi yansımaları bu epitel tabakasının 1,2,4-7 kaybına yol açması tahmin olacaktır.
İnsan yaşlanmanın ortak bir özelliği yanal ventriküller (ventrikülomegali) ve Gözlem olarak ilişkili periventriküler ödem büyütülürMRG ve sıvı-zayıflatılmış inversiyon kurtarma MR (MRG / FLAIR) 8-14 tarafından ed. Ventrikülomegalide ve ventrikül astar hücresel organizasyon arasındaki ilişkiyi araştırmak için, postmortem insan MRG sekansları lateral ventrikül periventriküler dokusunun histolojik preparatları ile eşleştirildi. Ventrikülomegalisi durumlarda, gliozis önemli alanlar lateral ventrikül duvar boyunca ependim hücre kapsama yerini almıştı. Ventrikül genişlemesi MRI tabanlı ses analizi ile tespit edilmedi zaman ependimal hücre astar sağlam ve gliozis ventrikül astar 6 boyunca saptanmadı. Bu kombinasyon yaklaşım bölümlerinin wholemount hazırlıklarını veya tüm lateral ventrikül duvarı ve ventrikül hacimleri 6 3D modelleme kullanılarak lateral ventrikül astar hücresel bütünlük içinde ilk kapsamlı dokümantasyon detaylandırma değişiklikleri temsil eder. Çeşitli hastalıklar (Alzheimer hastalığı, şizofreni), yaralanmalar (travmatik beyin yaralanması)erken nöropatolojik bir özellik olarak ventrikülomegali göstermektedir. Böylece ependim hücre zarının alanlarının denüdasyon, normal ependim hücre fonksiyonu ile müdahale ve BOS / ISF sıvısı ve çözünen değişimi arasındaki homeostatik dengeyi tehlikeye tahmin olacaktır. Böylece, altta yatan ya da komşu beyin yapıları ventriküler sistemi, hücresel kompozisyonu ve sonuç değişiklikler daha kapsamlı bir inceleme sonunda ventrikül genişlemesi ile ilişkili nöropatolojisi hakkında daha fazla ortaya çıkarmak için başlayacak.
Birlikte histolojik doku örnekleri karşılık gelen sınırlı erişime sahip multimodal görüntüleme veri eksikliği ve özellikle boyuna veri dizileri, insan beyni patolojilerin analizi zorlaştırır. İnsan yaşlanması veya hastalığa bulunan Modelleme fenotipleri genellikle fare modelleri ile elde edilebilir ve hayvan modelleri, insan hastalık başlangıcında ve ilerlemesinde ilgili soruları keşfetmek için bizim en iyi araçlardan biri haline gelmiştir. Çeşitli çalışmalarSağlıklı genç fareler lateral ventrikül duvarlarının hücre mimarisini ve temel kök hücre niş 4,7-15 tarif var. Bu çalışmalar 6.15 yaşlanma yoluyla ventrikül duvarlarının 3D modelleme ve hücresel analiz içerecek şekilde genişletilmiştir. Farenin nispeten sağlam bir subventicular bölgesi (SVZ) 6,15 astar dokunulmamış ependim hücreden hücreye niş bitişiktir kök göstermek yerine periventriküler gliozis de ventrikülomegali ne, yaşlı farelerde görülür. Böylece, çarpıcı türe özgü farklılıklar 6.15 yaşlanma sürecinde genel bakım ve lateral ventrikül astar bütünlüğü hem de mevcuttur. Bu nedenle, insanlarda bulunan koşullarını sorgulamak için en iyi kullanım farelere, iki türün arasındaki farklar karakterize ve uygun herhangi bir modelleme paradigmasında dikkate alınması gerekir. Burada, her iki insan ve m lateral ventriküllerin uzunlamasına değişiklikler ve ilgili periventriküler doku değerlendirmek için prosedürler sunuyoruzouse. Bizim prosedürler hücresel organizasyon yapısı ve hem de karakterize etmek 3D render ve fare ve insan ventriküllerin hem volumetriye ve periventriküler dokusunun bütün montaj hazırlıkları immünohistokimyasal analizi kullanımını içerir. Birlikte bu işlemler ventriküler sistemindeki değişiklikleri ve ilgili periventriküler doku karakterize bir yol sağlar.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu araçlar ve farelerde ve insanlarda beyin ventriküler sisteminin bütünlüğünü değerlendirmek için kullanılabilecek protokoller sunuyoruz. Bu araçlar, ancak, aynı zamanda ya da 14,21,22 yaşlanma sürecinde yaralanma, hastalık nedeniyle değişiklik geçiren diğer beyin yapıları veya organ sistemlerine uygulanabilir. stratejiler kesitsel ve uzunlamasına MRG dizilerinin uyum belirli bölgelerde veya ilgi yapıların 3 boyutlu hacim temsillerini oluşturmasına olanak sağlar yazılım almak a…
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).
