Summary

Funktionel og Morfologisk vurdering af Membran innervation af phrenic Motor neuroner

Published: May 25, 2015
doi:

Summary

Compound muscle action potential recording quantitatively assesses functional diaphragm innervation by phrenic motor neurons. Whole-mount diaphragm immunohistochemistry assesses morphological innervation at individual neuromuscular junctions. The goal of this protocol is to demonstrate how these two powerful methodologies can be used in various rodent models of spinal cord disease.

Abstract

This protocol specifically focuses on tools for assessing phrenic motor neuron (PhMN) innervation of the diaphragm at both the electrophysiological and morphological levels. Compound muscle action potential (CMAP) recording following phrenic nerve stimulation can be used to quantitatively assess functional diaphragm innervation by PhMNs of the cervical spinal cord in vivo in anesthetized rats and mice. Because CMAPs represent simultaneous recording of all myofibers of the whole hemi-diaphragm, it is useful to also examine the phenotypes of individual motor axons and myofibers at the diaphragm NMJ in order to track disease- and therapy-relevant morphological changes such as partial and complete denervation, regenerative sprouting and reinnervation. This can be accomplished via whole-mount immunohistochemistry (IHC) of the diaphragm, followed by detailed morphological assessment of individual NMJs throughout the muscle. Combining CMAPs and NMJ analysis provides a powerful approach for quantitatively studying diaphragmatic innervation in rodent models of CNS and PNS disease.

Introduction

Amyotrofisk lateral sklerose (ALS) er en invaliderende motorisk neuron sygdom forbundet med tabet af både øvre og nedre motorneuroner og deraf følgende muskel lammelse. Efter diagnosen, patientoverlevelse er i gennemsnit kun 2-5 år 1. Phrenic motor neuron (PhMN) tab er en kritisk komponent i patogenesen af ​​ALS. Patienter i sidste ende dør på grund af tab af PhMN innervation af membranen, den primære muskel til inspiration 2,3. Traumatisk rygmarvsskade (SCI) er også et alvorligt problem med tilknyttede åndedrætsbesvær. Ca. 12.000 nye tilfælde af SCI opstår hvert år 4 på grund traumatisk skade på rygmarven. Trods sygdom heterogenitet med hensyn til placering, type og sværhedsgrad, de fleste SCI sager vedrører traumer til cervikal rygmarv, hvilket ofte resulterer i invaliderende og vedvarende respiratorisk kompromis. Foruden ALS og SCI, andre centralnervesystem (CNS) sygdomme kan være forbundet wed diafragma respiratorisk dysfunktion 5,6.

Phrenic nerve er en efferente motoriske nerve, der innerverer den ipsilaterale hemi-membran og som stammer fra PhMN cellelegemer placeret i C3-C5 niveauer af den ipsilaterale cervikale rygmarv. PhMN udgang styres ved faldende bulbospinal input fra hjernestammen i et område kendt som den rostrale ventrale respiratoriske gruppe (rVRG) 7. Den rVRG-PhMN-membran kredsløb er central for kontrol af inspiratorisk vejrtrækning, samt andre ikke-ventilatoriske membran adfærd. Forskellige traumatiske skader og neurodegenerative lidelser, som påvirker dette kredsløb kan føre til en dyb nedgang i respiratorisk funktion og patientens livskvalitet. Faldende input til PhMNs fra rVRG, PhMN overlevelse, phrenic nerve integritet og korrekt innervation ved mellemgulvet neuromuskulære junction (NMJ) er alle nødvendige for normal membran funktion. Det er derfor vigtigt at ansætte teknikker,kan kvantitativt vurdere dette kredsløb in vivo i gnaver modeller af ALS, SCI og andre CNS-sygdomme.

Med denne protokol, målet er at beskrive eksperimentelle værktøjer til vurdering PhMN innervation af membranen på både elektrofysiologiske og morfologiske niveauer. Forbindelse muskel aktionspotentialer (CMAP'er) registreres ved at stimulere alle efferente motor neuron axoner af en given motor nerve og derefter analysere fremkaldte depolarisering respons målet myofibre. Denne teknik kan anvendes in vivo i bedøvede rotter og mus til at kvantificere funktionel innervation af hemi-membran ved PhMNs 8. På grund af det faktum, at CMAP'er repræsenterer samtidig optagelse af alle (eller i det mindste mange / de fleste) myofibre i hele hemi-membran, er det nyttigt at også undersøge de fænotyper enkelte motoriske axoner og myofibre på mellemgulvet NMJ for at spore sygdomme – og terapi-relevant morfologiske ændringer såsom delvis og komplete denervering, regenerativ spiring og reinnervation. Dette kan opnås via hel-mount immunhistokemi (IHC) af membranen, efterfulgt af detaljeret morfologisk vurdering af individuelle NMJs hele musklen 9. Kombination CMAP'er og NMJ analyse giver en kraftfuld metode til kvantitativ studere diafragma innervation i gnaver modeller af CNS og PNS sygdom.

Protocol

Eksperimentelle procedurer blev godkendt af Thomas Jefferson University institutionel dyr pleje og brug udvalg og gennemføres i overensstemmelse med De Europæiske Fællesskabers Rådets direktiv (2010/63 / EU, 86/609 / EØF og 87-848 / EØF), NIH Guide for pleje og anvendelse af forsøgsdyr, og Society for Neuroscience politik om brugen af ​​dyr i Neuroscience Research. 1. Forbindelse Muskel Action Potentials (CMAP'er) Klargøring af dyret: Bedøver rotten under…

Representative Results

Voksne Sprague-Dawley rotter modtog enten laminektomi kun (ubeskadigede kontrol) eller ensidig hemi-kontusion SCI på C4 rygmarven niveau 10-12. Ved 5 uger efter kirurgi, indspillet peak CMAP amplituden fra hemi-membranen ipsilaterale til laminektomi / læsionsstedet blev reduceret betydeligt i SCI rotter (figur 2C) sammenlignet med laminektomi-only kontrol (figur 2B). Alle NMJs i hemi-membranen var fuldstændig intakt i kontrol ikke sygdomsangrebne vildtype-rotter (f…

Discussion

Som åndedrætsfunktionen er kompromitteret i både traumatisk SCI og ALS, udvikle behandlinger, der er målrettet vejrtrækning og specifikt membran innervation er klinisk relevant 5,6. For at omfattende undersøgelse respiratoriske funktion, bør en kombineret fremgangsmåde metode anvendes. CMAP'er måle graden af funktionel innervation af membranen ved hjælp af ekstern phrenic nerve stimulation, men ikke endogent bulbospinal respiratorisk drive 8. Hertil kommer, at disse optagelser ikke mu…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

This work was supported by the NINDS (grant #1R01NS079702 to A.C.L.) and the SURP Program at Thomas Jefferson University (M.M.).

Materials

Paraformaldehyde Fisher T353-500 Make 10% solution first in de-ionized distilled water; make 4% with 1X PBS, adjust pH to 7.4
1X Phosphate Buffered Saline, pH 7.4 Invitrogen 10010049
2% Bovine serum albumin (2% BSA) Sigma-Aldrich A3059-100g Dissolve 2g BSA into 100mL of 1X PBS
0.2% Triton X100 in 2% BSA/PBS (Blocking Buffer) Sigma-Aldrich T9284-100mL Dissolve 0.2ml/100mL 2% BSA/PBS
0.1M Glycine Sigma-Aldrich G-7126 Add 0.185g to 25mL of 2% BSA/PBS
α-bungarotoxin Invitrogen T1175 Concentration 1:400
SMI-312  Sternberger Monoclonals SMI312 Concentration 1:1,000
SV2 Developmental Studies Hybridoma Bank SV2-Supernatant Concentration 1:10
FITC goat anti-mouse IgG1 Roche 3117731001 Concentration 1:100
Silicone rubber Sylgard, Dow Corning Part # 184 Follow instructions that come with kit: can use multiple sized culture dish (30mm, 60mm, 100mm) depending on needs
Vectashield fluorescent mounting medium Vector laboratories H-1000 This is not a hard-set medium. You will need to secure the cover slip with clear nail polish.
Small Spring Scissors Fine Science Tools 15002-08
Dissection forceps Fine Science Tools 11295-51
Software for CMAP recordings Scope 3.5.6; ADI
Disk surface electrodes Natus neurology 019-409000
Subdermal needle electrodes Natus neurology 019-453100
Conductive gel Aquasonic  122-73720
Stimulator/recording system for CMAP recordings ADI Powerlab 8SP stimulator 
Amplifier for CMAP recordings BioAMP

References

  1. Miller, R. G., et al. Practice parameter: the care of the patient with amyotrophic lateral sclerosis (an evidence-based review): report of the Quality Standards Subcommittee of the American Academy of Neurology: ALS Practice Parameters Task Force. Neurology. 52, 1311-1323 (1999).
  2. Sandhu, M. S., et al. Respiratory recovery following high cervical hemisection. Respir Physiol Neurobiol. 169, 94-101 (2009).
  3. Kaplan, L. M., Hollander, D. Respiratory dysfunction in amyotrophic lateral sclerosis. Clin Chest Med. 15, 675-681 (1994).
  4. Holtz, A., Levi, R. . Spinal Cord Injury. , (2010).
  5. Bruijn, L. I., et al. ALS-linked SOD1 mutant G85R mediates damage to astrocytes and promotes rapidly progressive disease with SOD1-containing inclusions. Neuron. 18, 327-338 (1997).
  6. Sharma, H., Alilain, W. J., Sahdu, A., Silver, J. Treatments to restore respiratory function after spinal cord injury and their implications for regeneration, plasticity and adaptation. Experimental Neurology. 235, 18-25 (2012).
  7. Gourévitch, B., Mellen, N. The preBötzinger complex as a hub for network activity along the ventral respiratory column in the neonate rat. Neuroimage. 98, 460-474 (2014).
  8. Strakowski, J. A., Pease, W. S., Johnson, E. W. Phrenic nerve stimulation in the evaluation of ventilator-dependent individuals with C4- and C5-level spinal cord injury. Am J Phys Med Rehabil. 86, 153-157 (2007).
  9. Wright, M. C., et al. Distinct muscarinic acetylcholine receptor subtypes contribute to stability and growth, but not compensatory plasticity, of neuromuscular synapses. J Neurosci. 29, 14942-14955 (2009).
  10. Li, K., et al. Overexpression of the astrocyte glutamate transporter GLT1 exacerbates phrenic motor neuron degeneration, diaphragm compromise, and forelimb motor dysfunction following cervical contusion spinal cord injury. J Neurosci. 34, 7622-7638 (2014).
  11. Nicaise, C., et al. Early phrenic motor neuron loss and transient respiratory abnormalities after unilateral cervical spinal cord contusion. Journal of neurotrauma. 30, 1092-1099 (2013).
  12. Nicaise, C., et al. Phrenic motor neuron degeneration compromises phrenic axonal circuitry and diaphragm activity in a unilateral cervical contusion model of spinal cord injury. Exp Neurol. 235, 539-552 (2012).
  13. Lepore, A. C., et al. Peripheral hyperstimulation alters site of disease onset and course in SOD1 rats. Neurobiol Dis. 39, 252-264 (2010).
  14. Alilain, W. J., Horn, K. P., Hu, H., Dick, T. E., Silver, J. Functional regeneration of respiratory pathways after spinal cord injury. Nature. 475, 196-200 (2011).
  15. Zhang, B. M. F., Cummings, K. J., Frappell, P. B., Wilson, R. J. Novel method for conscious airway resistance and ventilation estimation in neonatal rodents using plethysmography and a mechanical lung. Respir Physiol Neurobiol. 201, 75-83 (2014).
  16. Ngo, S. T., Bellingham, M. C. Neurophysiological recording of the compound muscle action potential for motor unit number estimation in mice. Neuromethods. 78, 225-235 (2013).
  17. Nicaise, C., et al. Degeneration of phrenic motor neurons induces long-term diaphragm deficits following mid-cervical spinal contusion in mice. Journal of neurotrauma. 29, 2748-2760 (2012).
  18. Lepore, A. C., et al. Human glial-restricted progenitor transplantation into cervical spinal cord of the SOD1G93A mouse model of ALS. PLoS One. 6, (2011).
  19. Lepore, A. C., et al. Focal transplantation-based astrocyte replacement is neuroprotective in a model of motor neuron disease. Nature neuroscience. 11, 1294-1301 (2008).
check_url/kr/52605?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Martin, M., Li, K., Wright, M. C., Lepore, A. C. Functional and Morphological Assessment of Diaphragm Innervation by Phrenic Motor Neurons. J. Vis. Exp. (99), e52605, doi:10.3791/52605 (2015).

View Video