Summary

To-foton Imaging for Cellulær Dynamics i Mouse Spinal Cord

Published: February 22, 2015
doi:

Summary

En ny ex vivo forberedelse til afbildning af mus rygmarven. Denne protokol giver mulighed for to-foton-billeddannelse af levende cellulære interaktioner i hele rygmarven.

Abstract

Two-photon (2P) microscopy is utilized to reveal cellular dynamics and interactions deep within living, intact tissues. Here, we present a method for live-cell imaging in the murine spinal cord. This technique is uniquely suited to analyze neural precursor cell (NPC) dynamics following transplantation into spinal cords undergoing neuroinflammatory demyelinating disorders. NPCs migrate to sites of axonal damage, proliferate, differentiate into oligodendrocytes, and participate in direct remyelination. NPCs are thereby a promising therapeutic treatment to ameliorate chronic demyelinating diseases. Because transplanted NPCs migrate to the damaged areas on the ventral side of the spinal cord, traditional intravital 2P imaging is impossible, and only information on static interactions was previously available using histochemical staining approaches. Although this method was generated to image transplanted NPCs in the ventral spinal cord, it can be applied to numerous studies of transplanted and endogenous cells throughout the entire spinal cord. In this article, we demonstrate the preparation and imaging of a spinal cord with enhanced yellow fluorescent protein-expressing axons and enhanced green fluorescent protein-expressing transplanted NPCs.

Introduction

Musemodeller for demyelination, herunder eksperimentel autoimmun encephalomyelitis (EAE) og intrakraniel infektion med neuroadapted mus hepatitis virus (MHV), er fremragende værktøjer til at studere molekylære veje og cellulære interaktioner forbundet med sygdommen. De har ført til og støttet effektiviteten af FDA godkendte farmaceutiske behandlinger, primært rettet mod ophør af autoimmunitet og inflammation 1. Men når endogene remyelinering mislykkedes, de aktuelt godkendte behandlinger ikke effektivt reparere demyeliniserede læsioner i centralnervesystemet. Derfor reparation-fokuserede terapier på dette stadium af sygdommen er afgørende for lindring af kroniske symptomer og forbedring af livskvaliteten. For nylig har neurale precursorceller (NPCs) kommer i forgrunden som en potentiel regenerativ terapeutisk modalitet til at målrette områder af inflammation og demyelinisering. Flere undersøgelser har fremhævet evne NPC'ere at inducere endogenoos remyelinering og deltage direkte i remyelinering 2-8. Fordi NPC'ere er involveret i direkte remyelinering, er det bydende nødvendigt at forstå deres kinetik og interaktioner med endogene celler efter transplantation. Efter transplantation, NPC'ere migrere ventralt til områder af hvid substans skader, så rostrally og kaudalt i forhold til transplantation webstedet 5,9. Kinetikken for migration varierer som reaktion på miljømæssige signaler; NPC transplanteret ind i en ikke-beskadiget rygmarv har større hastigheder end NPC transplanteret ind i en beskadiget rygmarv 6. Efter en vandrende periode, overføres NPC'ere formere meget, med en højere hastighed i en beskadiget rygmarven i forhold til en intakt rygmarv 6. Endelig er de fleste af NPC differentiere til oligodendrocytter og iværksætte direkte remyelinering 4,6,9.

Den demyeliniserede læsion er kompleks og kan indeholde en forskelligartet population af celler på forskellige stadier af enctivation. For eksempel kan en aktiv dissemineret sklerose (MS) læsion omfatter en væsentlig population af aktiverede T-celler, M1 mikroglia og M1 makrofager, men en kronisk tavs MS læsion kan bestå primært af reaktive astrocytter med få inflammatoriske celler 10-13. På grund af mangfoldigheden af ​​effektorceller, to-foton (2P) billeddannelse i musemodeller for demyelinisering er et yderst nyttigt redskab til at hjælpe med at forstå de lokale cellulære interaktioner inden læsionen. I MS og mange ekstensivt udnyttede MS forskningsmodeller, er de fleste af læsioner placeret på den ventrale side af rygmarven, en region utilgængeligt for intravital 2P billeddannelse på grund af læsion dybde og det høje indhold af rygmarven lipid. For at omgå disse problemer og undersøgelse celle-celle-interaktioner inden læsioner langs den ventrale rygmarv har vi udviklet en simpel ex vivo 2P billeddannelse fremstilling 6.

Denne undersøgelse er en opfølgning af en tidligere metoder publikation, som visteproceduren til omplantning forstærket grønt fluorescerende protein (eGFP) som udviser NPC i rygmarven af mus efter JHMV stamme af MHV-induceret demyelinisering 14. Fem uger gamle mus inficeret med JHMV og transplanteret med eGFP-NPC'ere på thorax niveau 9 på dag 14 efter infektion. Protokollen præsenteres her giver detaljerede trin om, hvordan man udtrække rygmarven, foretage en ex vivo agarose forberedelse, og image transplanteret eGFP-NPC interaktioner med forstærket gult fluorescerende protein (EYFP) som udviser axoner. Mus, der udtrykker EYFP under neuronal-specifikke Thy1 promotoren blev anvendt i denne procedure 15. Kun nogle af axoner udtrykker EYFP, hvilket gør den anvendelig til billeddannelse enkelte axoner. Her viser vi rygmarv fjernet 7 dage efter transplantation; Imidlertid kan rygmarv ekstraheres på noget tidspunkt efter transplantation. Vi viser interaktioner af NPC med beskadigede axoner, kan vores protokol anvendes i kombination med genetiske fluorescerende markøreraf andre celletyper til at undersøge en mangfoldighed af cellulære interaktioner, der forekommer hele mus rygmarven.

Protocol

BEMÆRK: Etik Statement: Protokollen for håndtering af dyr blev godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg (IACUC) fra University of California, Irvine, protokol # 2010-2943. 1. Fjernelse af rygmarv Placer papirhåndklæder fugtet med ~ 100% flydende isofluran, USP i euthanizing kammer og placere tørre papirhåndklæder på toppen. Placer musen i kammer oven på tørre papirhåndklæder så musen ikke rører isofluran og sørg kammeret er dækket. Vent mindst et minut …

Representative Results

Mens det eksplanterede rygmarven imaging protokol kan anvendes til at visualisere nogen fluorescens i rygmarven vores repræsentative resultater viser eGFP-NPC interaktioner med EYFP-axoner. Først viser vi den integrerede ventrale spinal forberedelse snor i figur 1A. Dernæst viser vi 2P mikroskop setup og nøglekomponenter i figur 1B. Figur 2 viser eGFP og EYFP fluorescens i en enkelt z-stak i den ventrale rygmarv. Køb af hinanden følgende z-stakke kan kompileres til at produc…

Discussion

Real-time 2P billeddannelse af intakt væv er forpligtet til at undersøge NPC kinetik og interaktioner efter transplantation ind i demyeliniserede mus rygmarven. Intravital 2P billeddannelse er almindeligt anvendt til at bestemme cellulære dynamik på den dorsale side af rygmarven i levende mus, og er blevet anvendt til at undersøge dorsal demyelinisering i demyeliniserende sygdom 17-19. Men fordi transplanterede NPC'ere migrere til den ventrale hvide substans, der ligger for dybt til billedet på sted…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported in part by National Institutes of Health (NIH) Grants R01 GM-41514 (to M.D.C.), R39 GM-048071 (to I.P.), and R01 NS-074987 (to T.E.L.) and the National Multiple Sclerosis Society (NMSS) Collaborative Center Research Award CA1058-A-8 (to C.M.W., T.E.L. and M.D.C.), NMSS Grant RG4925, NIH Training Grant T32-AI-060573 (to M.L.G.), NMSS Postdoctoral Fellowship FG 1960-A-1 (to J.G.W.), and funding from the George E. Hewitt Foundation for Medical Research (M.P.M.).

Materials

Name of Reagent/ Equipment Company Catalog Number Comments/Description
Isoflurane, USP Piramal Critical Care, Inc N/A
Fine scissors Fine Science Tools 14060-09 sharp
scalpel blade #10 Fine Science Tools 10010-00
scalpel handle Fine Science Tools 10003-12
Luer rongeurs Fine Science Tools 16001-15
Graefe forceps Fine Science Tools 11052-10
Vannas scissors Fine Science Tools 15615-08
scalpel blade #11 Fine Science Tools 10011-00
RPMI-1640 Gibco 12-115F
agarose, low gelling temperature Sigma A9414-25G
Parafilm Fisher Scientific 13-374-12
Vetbond (tissue adhesive) 3M 1469SB
22 mm square cover slip Fisher Scientific 12-547
25x dipping objective, 1.1 NA Nikon CFI Apo LWD 25XW
Single inline solution heater Warner Instruments 64-0102
520 nm single-edge dichroic beam splitter Semrock FF520-Di02-25×36 Brightline
560 nm single-edge dichroic beam splitter Semrock FF560-FDi01-25×36 Brightline
photomultiplier tubes Hamamatsu R928
C/L variable-speed tubing pump Masterflex 77122-22
digital thermometer Comar Instruments 3501
Chameleon Ultra Ti:Sapphire laser  Coherent N/A
Slidebook 6 software 3i N/A
Imaris 7.7 software Bitplane N/A

References

  1. Robinson, A. P., Harp, C. T., Noronha, A., Miller, S. D. The experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) model of MS: utility for understanding disease pathophysiology and treatment. Handb Clin Neurol. 122, 173-189 (2014).
  2. Pluchino, S., Zanotti, L., Brini, E., Ferrari, S., Martino, G. Regeneration and repair in multiple sclerosis: the role of cell transplantation. Neurosci Lett. 456 (3), 101-106 (2009).
  3. Hatch, M. N., Schaumburg, C. S., Lane, T. E., Keirstead, H. S. Endogenous remyelination is induced by transplant rejection in a viral model of multiple sclerosis. J Neuroimmunol. 212 (1-2), 74-81 (2009).
  4. Totoiu, M. O., Nistor, G. I., Lane, T. E., Keirstead, H. S. Remyelination, axonal sparing, and locomotor recovery following transplantation of glial-committed progenitor cells into the MHV model of multiple sclerosis. Exp Neurol. 187 (2), 254-265 (2004).
  5. Tirotta, E., Carbajal, K. S., Schaumburg, C. S., Whitman, L., Lane, T. E. Cell replacement therapies to promote remyelination in a viral model of demyelination. J Neuroimmunol. 224 (1-2), 101-107 (2010).
  6. Greenberg, M. L., et al. Two-photon imaging of remyelination of spinal cord axons by engrafted neural precursor cells in a viral model of multiple sclerosis. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (22), E2349-E2355 (2014).
  7. Whitman, L. M., Blanc, C. A., Schaumburg, C. S., Rowitch, D. H., Lane, T. E. Olig1 function is required for remyelination potential of transplanted neural progenitor cells in a model of viral-induced demyelination. Exp Neurol. 235 (1), 380-387 (2012).
  8. Pluchino, S., et al. Injection of adult neurospheres induces recovery in a chronic model of multiple sclerosis. Nature. 422 (6933), 688-694 (2003).
  9. Weinger, J. G., et al. MHC mismatch results in neural progenitor cell rejection following spinal cord transplantation in a model of viral-induced demyelination. Stem Cells. 30 (11), 2584-2595 (2012).
  10. Vogel, D. Y., et al. Macrophages in inflammatory multiple sclerosis lesions have an intermediate activation status. J Neuroinflammation. 10, 35 (2013).
  11. Coyle, P. K., Rizvi, S. A., Coyle, P. K. Ch. 3. Clinical Neuroimmunology: Multiple Sclerosis and Related Disorders. 3, 43-70 (2011).
  12. McManus, C., et al. MCP-1, MCP-2 and MCP-3 expression in multiple sclerosis lesions: an immunohistochemical and in situ hybridization study. J Neuroimmunol. 86 (1), 20-29 (1998).
  13. Calderon, T. M., et al. A role for CXCL12 (SDF-1alpha) in the pathogenesis of multiple sclerosis: regulation of CXCL12 expression in astrocytes by soluble myelin basic protein. J Neuroimmunol. 177 (1-2), 27-39 (2006).
  14. Carbajal, K. S., Weinger, J. G., Whitman, L. M., Schaumburg, C. S., Lane, T. E. Surgical transplantation of mouse neural stem cells into the spinal cords of mice infected with neurotropic mouse hepatitis virus. J Vis Exp. 53, e2834 (2011).
  15. Feng, G., et al. Imaging neuronal subsets in transgenic mice expressing multiple spectral variants of GFP. Neuron. 28 (1), 41-51 (2000).
  16. Nguyen, Q. T., Callamaras, N., Hsieh, C., Parker, I. Construction of a two-photon microscope for video-rate Ca(2+) imaging. Cell Calcium. 30 (6), 383-393 (2001).
  17. Nikic, I., et al. A reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis. Nat Med. 17 (4), 495-499 (2011).
  18. Fenrich, K. K., Weber, P., Rougon, G., Debarbieux, F. Implanting glass spinal cord windows in adult mice with experimental autoimmune encephalomyelitis. J Vis Exp. 82, e50826 (2013).
  19. Farrar, M. J., et al. Chronic in vivo imaging in the mouse spinal cord using an implanted chamber. Nat Methods. 9 (3), 297-302 (2012).
  20. Pakan, J. M., McDermott, K. W. A method to investigate radial glia cell behavior using two-photon time-lapse microscopy in an ex vivo model of spinal cord development. Front Neuroanat. 8, 22 (2014).
  21. Fenrich, K. K., et al. Long-term in vivo imaging of normal and pathological mouse spinal cord with subcellular resolution using implanted glass windows. J Physiol. 590 (Pt 16), 3665-3675 (2012).
  22. Germain, R. N., Robey, E. A., Cahalan, M. D. A decade of imaging cellular motility and interaction dynamics in the immune system. Science. 336, 1676-1681 (2012).
  23. Miller, M. J., Wei, S. H., Parker, I., Cahalan, M. D. Two-photon imaging of lymphocyte motility and antigen response in intact lymph node. Science. 296 (6089), 1869-1873 (2002).
  24. Dzhagalov, I. L., Melichar, H. J., Ross, J. O., Herzmark, P., Robey, E. A. Two-photon imaging of the immune system. Curr Protoc Cytom. Chapter 12 (Unit12 26), (2012).
  25. Matheu, M. P., et al. Toll-like receptor 4-activated B cells out-compete Toll-like receptor 9-activated B cells to establish peripheral immunological tolerance. Proc Natl Acad Sci U S A. 109 (20), E1258-E1266 (2012).
  26. Matheu, M. P., et al. Three phases of CD8 T cell response in the lung following H1N1 influenza infection and sphingosine 1 phosphate agonist therapy. PLoS One. 8 (3), e58033 (2013).
check_url/kr/52580?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Weinger, J. G., Greenberg, M. L., Matheu, M. P., Parker, I., Walsh, C. M., Lane, T. E., Cahalan, M. D. Two-photon Imaging of Cellular Dynamics in the Mouse Spinal Cord. J. Vis. Exp. (96), e52580, doi:10.3791/52580 (2015).

View Video