효소 기반의 바이오 센서를 사용하면 알츠하이머 병 마우스 모델에서 토닉과 Phasic이 품목을 측정하는
Summary
여기서는 토닉과 효소 결합 된 미세 배열 (MEA)를 사용하여 생체 내 세포 외 글루타메이트 phasic 변화를 측정하는 공간적 및 시간적 정확한 방법에 대한 설치 소프트웨어 탐색 및 데이터 분석을 기술한다.
Abstract
신경 전달 물질 중단은 알츠하이머 병, 파킨슨 병, 우울증, 불안의 기초가되는 병리의 역할을 주로 중추 신경계 (CNS) 질환의 주요 구성 요소입니다. 전통적으로, 미세 투석은이 질환에서 발생하는 신경 전달 물질의 변화를 검사하는 가장 일반적인 (찬양) 기술하고있다. 미세 투석은 조직의 넓은 영역에 걸쳐 천천히 1-20분 변화를 측정 할 수있는 능력을 가지고 있기 때문에, 그것은 잠재적으로 뇌와 느린 샘플링 기능 내에서 고유 연결을 파괴, 침입의 단점이있다. 비교적 새로운 기술은 미세 전극 배열 (MEA)가 그들이 발생하는 공간적 및 시간적 정확한 접근하게 이산 뇌 영역 내의 특정한 신경 전달 물질의 변화를 측정하기위한 많은 장점을 갖는다. 또한, MEA의를 사용하여 생체 내에서 신경 전달 물질의 변화의 측정을 허용 최소 침습적이다. 저희 연구실에서는, 우리는 헥타르알츠하이머 병의 병리와 관련된 신경 전달 물질 인 글루타메이트의 변화에 특별히 관심을했습니다. 따라서, 여기에 설명 된 방법은 알츠하이머 병의 유전자 변형 마우스 모델에서의 글루타메이트의 잠재적 인 해마 중단을 평가하기 위해 사용되었다. 간단히, 방법은 관심과 배경 잡음 및 간섭 물질을 뺄 자체 참조 사이트를 사용하는 신경 전달 물질에 매우 선택적 효소와 다중 사이트 미세 전극을 코팅 포함 사용. 도금 및 교정 한 후, MEA는 마이크로 피펫으로 구성 될 수 있고, 정위 장치를 이용하여 관심있는 뇌 영역으로 낮췄다. 여기서, 상기 방법은 RTG (TauP301L) 4510 마우스를 마취하고 정확하게 해마의 서브 영역 (DG, CA1 및 CA3)를 대상으로하는 정위 장치를 사용하는 것 설명.
Introduction
뇌의 신경 전달 물질의 변화를 측정하는 것은 종종 신경 전달 물질 조절 곤란을 특징으로 중추 신경계 (CNS) 질환을 연구 신경 과학자을위한 필수적인 도구입니다. 고압 액체 크로마토 그래피 (HPLC / EC)와 함께 미세 투석은 세포의 신경 전달 물질의 레벨 1, 2의 변화를 측정하기 위해 가장 널리 사용되는 방법 하였지만 3, 4, 미세 투석 프로브의 공간 및 시간 해상도는 신경 전달에 적합하지 않을 수도 이러한 단단히 외 공간 (5, 6)에 규정되는 글루타메이트 등. 때문에 유전 촬상 최근의 진보, 생체 내에서의 글루타메이트를 매핑하는 데 사용할 수있는 추가의 방법이있다. 유 전적으로 인코딩 된 글루타메이트 형광성 리포터를 사용하여 (iGluSnFR)를D 이광자 촬상 연구자들은 시험 관내 및 생체 7, 8, 9 모두 뉴런 및 성상으로의 글루타메이트 방출을 시각화 할 수있다. 특히,이보다 넓은 시야에서 기록이 가능하며 뇌의 고유 연결을 방해하지 않습니다. 이러한 새로운 광학 기술의 글루타메이트 반응 속도와 감각 유발 반응과 신경 활동의 측정 시각화 할 수 있지만, 그들은 분리 된 뇌 영역의 세포 외 공간에서의 글루타메이트의 양을 정량화 할 수있는 능력이 부족하다.
다른 방법은 선택적으로 자기 – 참조 기록 방식의 사용을 통해 이러한 세포 외 글루타메이트 신경 전달 물질의 수준을 측정 할 수있는 효소 – 결합 된 미세 배열 (MEA)이다. MEA를 기술은 외상성 뇌 다음 세포의 글루타메이트의 변화를 연구하는 데 사용되었습니다노화 부상 10, 11, 12, 13, 14, 스트레스 (15, 16), 간질 (17), (18), 알츠하이머 병 (19), (20), 및 바이러스 성 미믹 (21)의 주입은 미세 투석에 내재하는 공간 및 시간 제한에 비해 개선을 나타낸다. 미세 투석은 시냅스 (22,23) 근처에 측정 할 수있는 능력을 제한하는 반면, MEA의 세포 외 글루타메이트의 선택적 유출 대책 근처 24, 25 시냅스 허용하는 높은 공간 해상도를 가지고있다. 둘째, 미세 투석 낮은 시간 해상도 (1 – 20 분)을 조사 할 수있는 능력을 제한범위 제 26 밀리 초에서 발생 글루타메이트 방출 및 클리어런스의 신속한 역학. 글루타메이트의 방출 또는 간극의 차이 글루타메이트 농도 쉬고 토닉의 측정에서 분명하지 않을 수도 있기 때문에 글루타메이트 방출 및 클리어런스를 직접 측정하는 것이 필수적 일 수있다. MEA를 인해 높은 시간 분해능 (Hz의 2)의 검출 하한 (<1 μM)에 조치 허용한다. 셋째, MEA를는 래트 나 마우스 해마 같은 특정 뇌 영역 내에서 신경 전달 물질의 소 변형 검사 허용한다. 예를 들어, 세포 외 글루타메이트의 소 차이를 조사하기 위해, 우리는 별도로 치아 이랑 (DG)와, trisynaptic 회로 (27)를 통해 연결되어 해마의 cornu의 ammonis 3 (CA3)와 cornu ammonis 1 (CA1)를 타겟팅 할 수있는 MEA를을 사용. 주입 28 <기인 – (4 mm 길이 1) 및 손상으로 인해 미세 투석 프로브의 크기/ SUP>, 29, 소 지역적 차이는 해결하기 어렵다. 또한, 광학 시스템은 예컨대 자극 소 7을 허용하지 않는 수염 자극 또는 광 플리커 등의 외부 자극을 통해 자극을 허용한다. 다른 방법을 통해 다자간 환경의 최종 이익은 외적인 연결을 방해하지 않고 생체 내에서 이러한 하위 영역을 연구 할 수있는 기능입니다.
여기서는 세라믹 기반 다중 미세 이루어지는 MEA를 함께 결합하는 기록 시스템 (예 FAST16mkIII)는, 차분 검출 및 분석 신호로부터 제거 될 에이전트의 간섭을 허용하는 기록 위치에 도포 할 수있는 방법을 설명한다. 우리는 이러한 배열을 기초 amperometry-DG, CA3 내의 생체 글루타메이트 규제 연구 및 마취 RTG의 해마 CA1의 하위 영역에 사용할 수있는 증명 (TauP301L) 4510 마우스, 일반적으로 사용되는 m알츠하이머 병의 여러개 모델. 또, 릴루 졸과 쥐를 치료함으로써 글루타메이트 방출 및 클리어런스의 빠른 동역학에 MEA 시스템의 감도의 확인을 제공 시험관에 나타내는 약물 글루타메이트 방출을 감소시키고 글루타메이트 흡수 30, 31, 32, 33을 증가시키기 그리고 TauP301L 마우스 모델에서 생체 내에서 이러한 각각의 변화를 보여주는.
Protocol
Representative Results
Discussion
MEA를 기술은 시험 관내 및 생체 내에서 신경 전달 물질 방출 및 흡수 빠른 반응 속도의 측정을 허용한다. 따라서, 기술 토닉 신경 전달 물질의 농도를 포함하는 데이터 출력 유발 신경 전달 물질 방출, 및 신경 전달 물질 간극 다양한 생산한다. MEA의 사용이 상대적으로 복잡한 과정이기 때문에, 성공적인 사용을 위해 최적화 될 필요가있다 수많은 요인이있다. 예를 들어, 교정 ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
(; U54GM104942 MNR), NIA (MNR, R15AG045812), 알츠하이머 협회 (MNR, NIRG-12-242187), WVU 교수 연구 상원 그랜트 (MNR) 및 WVU PSCOR 보조금이 작품은 국립 일반 의학 연구소에 의해 지원되었다 (MNR).
Materials
| FAST-16mkIII-8 channel | Quanteon | 16mkIII | |
| Microelectrode arrays | CenMet | W4 or 8-TRK | |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A-3059 | 10 g (expires after 1 month) |
| Glutaraldehyde | Sigma-Aldrich | G-6257 | 100 mL (expires after 6 months) |
| Glutamate Oxidase | US Biological or Sigma Aldrich | G4001-01 or 100646 | 50 UI (expires after 6 months) |
| Hamilton Syringes | Hamilton | #701 | 2 syringes |
| Methanol | BDH | UN1230 | 4 L |
| m-Phenylenediamine dihydrochloride (mPD) | ACROS Organics | 1330560250 | 25 g |
| Reference Electrodes (RE-5B) | BAS | MF-2079 | 3 electrodes |
| Magnetic stir plate | Cole-parmer | EW-04804-01 | Can purchase from different supplier |
| Glutamate | Sigma-Aldrich | G-1626 | 100 g |
| Ascorbic Acid | TCI | 50-81-7 | 500 g |
| Dopamine Hydrochloride | Alfa Aesar | 62-31-7 | 5 g |
| Perchloric acid | VWR | UN2920 | 500 mL |
| Postassium chloride | VWR | 7447-40-7 | 1 kg |
| Sodium chloride | VWR | 7647-40-7 | 1 kg |
| Calcium Chloride | MP | 153502 | 100 g |
| Sodium Hydroxide | BDH | 1310732 | 500 g |
| Glass pressure ejection pipettes | CenMet | ||
| Sticky wax | Kerrlab | 625 | Can purchase from different supplier |
| Microsyringe | World Precision Instruments | MF28G-5 | |
| Modeling clay | WalMart | Can purchase from different supplier | |
| Picospritzer III | Parker | ||
| Silver wire | AM systems | 782000 | |
| Hydrochloric acid | BDH | 7647010 | 2.5 L |
| Platinum wire | AM Systems | 778000 | |
| Solder gun | Lowes or Home Depot | Can purchase from different supplier | |
| Multimeter | WalMart | Can purchase from different supplier | |
| PhysioSuite | Kent Scientific | Can purchase from different supplier | |
| SomnoSuite | Kent Scientific | Can purchase from different supplier | |
| Stereotaxic device | Stoelting | Can purchase from different supplier | |
| Digital Lab Standard | Stoelting | Can purchase from different supplier | |
| Meiji EMZ microscope | Meiji | EMZ-5 | |
| Drill | Dremel | Micro | |
| Metricide | Metrex | 102800 | |
| Scalpel | VWR | Can purchase from different supplier | |
| Surgery scissors | VWR | Can purchase from different supplier | |
| Sterile cotton swabs | Puritan | 25806 | Can purchase from different supplier |
| Eye ointment | Puralube Vet Ointment | Obtain from the vet | |
| Iodine swabs | VWR | S48050 | Can purchase from different supplier |
| Alcohol swabs | Local drug store | Can purchase from different supplier | |
| Sterile surgery drape | Dynarex | 4410 | Can purchase from different supplier |
| Sterile saline | Teknova | S5815 | Can make own soltuion using filters |
| Hydrogen Peroxide (3%) | Local drug store | Can purchase from different supplier | |
| Heating Pad | WalMart | Can purchase from different supplier |
References
- Bito, L., Davson, H., Levin, E., Murray, M., Snider, N. The concentrations of free amino acids and other electrolytes in cerebrospinal fluid, in vivo dialysate of brain, and blood plasma of the dog. J Neurochem. 13 (11), 1057-1067 (1966).
- Cavus, I., et al. Extracellular metabolites in the cortex and hippocampus of epileptic patients. Ann Neurol. 57 (2), 226-235 (2005).
- Montgomery, A. J., Lingford-Hughes, A. R., Egerton, A., Nutt, D. J., Grasby, P. M. The effect of nicotine on striatal dopamine release in man: A [11C]raclopride PET study. Synapse. 61 (8), 637-645 (2007).
- Chefer, V. I., Thompson, A. C., Zapata, A., Shippenberg, T. S. Overview of brain microdialysis. Curr Protoc Neurosci. , (2009).
- Hu, S., Sheng, W. S., Ehrlich, L. C., Peterson, P. K., Chao, C. C. Cytokine effects on glutamate uptake by human astrocytes. Neuroimmunomodulation. 7 (3), 153-159 (2000).
- He, X., et al. The association between CCL2 polymorphisms and drug-resistant epilepsy in Chinese children. Epileptic Disord. 15 (3), 272-277 (2013).
- Xie, Y., et al. Resolution of High-Frequency Mesoscale Intracortical Maps Using the Genetically Encoded Glutamate Sensor iGluSnFR. J Neurosci. 36 (4), 1261-1272 (2016).
- Marvin, J. S., et al. An optimized fluorescent probe for visualizing glutamate neurotransmission. Nat Methods. 10 (2), 162-170 (2013).
- Hefendehl, J. K., et al. Mapping synaptic glutamate transporter dysfunction in vivo to regions surrounding Abeta plaques by iGluSnFR two-photon imaging. Nat Commun. 7, 13441 (2016).
- Hinzman, J. M., Thomas, T. C., Quintero, J. E., Gerhardt, G. A., Lifshitz, J. Disruptions in the regulation of extracellular glutamate by neurons and glia in the rat striatum two days after diffuse brain injury. J Neurotrauma. 29 (6), 1197-1208 (2012).
- Thomas, T. C., Hinzman, J. M., Gerhardt, G. A., Lifshitz, J. Hypersensitive glutamate signaling correlates with the development of late-onset behavioral morbidity in diffuse brain-injured circuitry. J Neurotrauma. 29 (2), 187-200 (2011).
- Hinzman, J. M., et al. Diffuse brain injury elevates tonic glutamate levels and potassium-evoked glutamate release in discrete brain regions at two days post-injury: an enzyme-based microelectrode array study. J Neurotrauma. 27 (5), 889-899 (2010).
- Stephens, M. L., Quintero, J. E., Pomerleau, F., Huettl, P., Gerhardt, G. A. Age-related changes in glutamate release in the CA3 and dentate gyrus of the rat hippocampus. Neurobiol Aging. 32 (5), 811-820 (2009).
- Nickell, J., Salvatore, M. F., Pomerleau, F., Apparsundaram, S., Gerhardt, G. A. Reduced plasma membrane surface expression of GLAST mediates decreased glutamate regulation in the aged striatum. Neurobiol Aging. 28 (11), 1737-1748 (2006).
- Hascup, E. R., et al. An allosteric modulator of metabotropic glutamate receptors (mGluR(2) ) (+)-TFMPIP, inhibits restraint stress-induced phasic glutamate release in rat prefrontal cortex. J Neurochem. 122 (2), 619-627 (2012).
- Rutherford, E. C., Pomerleau, F., Huettl, P., Stromberg, I., Gerhardt, G. A. Chronic second-by-second measures of L-glutamate in the central nervous system of freely moving rats. J Neurochem. 102 (3), 712-722 (2007).
- Matveeva, E. A., et al. Reduction of vesicle-associated membrane protein 2 expression leads to a kindling-resistant phenotype in a murine model of epilepsy. 신경과학. 202, 77-86 (2011).
- Matveeva, E. A., et al. Kindling-induced asymmetric accumulation of hippocampal 7S SNARE complexes correlates with enhanced glutamate release. Epilepsia. 53 (1), 157-167 (2012).
- Hunsberger, H. C., Rudy, C. C., Batten, S. R., Gerhardt, G. A., Reed, M. N. P301L tau expression affects glutamate release and clearance in the hippocampal trisynaptic pathway. J Neurochem. 132 (2), 169-182 (2015).
- Hunsberger, H. C., et al. Riluzole rescues glutamate alterations, cognitive deficits, and tau pathology associated with P301L tau expression. J Neurochem. 135 (2), 381-394 (2015).
- Hunsberger, H. C., et al. Peripherally restricted viral challenge elevates extracellular glutamate and enhances synaptic transmission in the hippocampus. J Neurochem. , (2016).
- Obrenovitch, T. P., Urenjak, J., Zilkha, E., Jay, T. M. Excitotoxicity in neurological disorders–the glutamate paradox. Int J Dev Neurosci. 18 (2-3), 281-287 (2000).
- Hillered, L., Vespa, P. M., Hovda, D. A. Translational neurochemical research in acute human brain injury: the current status and potential future for cerebral microdialysis. J Neurotrauma. 22 (1), 3-41 (2005).
- Burmeister, J. J., Gerhardt, G. A. Self-referencing ceramic-based multisite microelectrodes for the detection and elimination of interferences from the measurement of L-glutamate and other analytes. Anal Chem. 73 (5), 1037-1042 (2001).
- Burmeister, J. J., et al. Improved ceramic-based multisite microelectrode for rapid measurements of L-glutamate in the CNS. J Neurosci Methods. 119 (2), 163-171 (2002).
- Diamond, J. S. Deriving the glutamate clearance time course from transporter currents in CA1 hippocampal astrocytes: transmitter uptake gets faster during development. J Neurosci. 25 (11), 2906-2916 (2005).
- Greene, J. G., Borges, K., Dingledine, R. Quantitative transcriptional neuroanatomy of the rat hippocampus: evidence for wide-ranging, pathway-specific heterogeneity among three principal cell layers. Hippocampus. 19 (3), 253-264 (2009).
- Borland, L. M., Shi, G., Yang, H., Michael, A. C. Voltammetric study of extracellular dopamine near microdialysis probes acutely implanted in the striatum of the anesthetized rat. J Neurosci Methods. 146 (2), 149-158 (2005).
- Jaquins-Gerstl, A., Michael, A. C. Comparison of the brain penetration injury associated with microdialysis and voltammetry. J Neurosci Methods. 183 (2), 127-135 (2009).
- Azbill, R. D., Mu, X., Springer, J. E. Riluzole increases high-affinity glutamate uptake in rat spinal cord synaptosomes. Brain Res. 871 (2), 175-180 (2000).
- Gourley, S. L., Espitia, J. W., Sanacora, G., Taylor, J. R. Antidepressant-like properties of oral riluzole and utility of incentive disengagement models of depression in mice. Psychopharmacology (Berl). 219 (3), 805-814 (2011).
- Frizzo, M. E., Dall’Onder, L. P., Dalcin, K. B., Souza, D. O. Riluzole enhances glutamate uptake in rat astrocyte cultures). Cell Mol Neurobiol. 24 (1), 123-128 (2004).
- Fumagalli, E., Funicello, M., Rauen, T., Gobbi, M., Mennini, T. Riluzole enhances the activity of glutamate transporters GLAST, GLT1 and EAAC1. Eur J Pharmacol. 578 (2-3), 171-176 (2008).
- Day, B. K., Pomerleau, F., Burmeister, J. J., Huettl, P., Gerhardt, G. A. Microelectrode array studies of basal and potassium-evoked release of L-glutamate in the anesthetized rat brain. J Neurochem. 96 (6), 1626-1635 (2006).
- Kane, R. L., Martinez-Lopez, I., DeJoseph, M. R., Vina, J. R., Hawkins, R. A. Na(+)-dependent glutamate transporters EAAT1, EAAT2, and EAAT3) of the blood-brain barrier. J Biol Chem. 274 (45), 31891-31895 (1999).
- Ramsden, M., et al. Age-dependent neurofibrillary tangle formation, neuron loss, and memory impairment in a mouse model of human tauopathy (P301L). J Neurosci. 25 (46), 10637-10647 (2005).
- Oddo, S., et al. Triple-transgenic model of Alzheimer’s disease with plaques and tangles: intracellular Abeta and synaptic dysfunction. Neuron. 39 (3), 409-421 (2003).
- Zang, D. W., et al. Magnetic resonance imaging reveals neuronal degeneration in the brainstem of the superoxide dismutase 1 transgenic mouse model of amyotrophic lateral sclerosis. Eur J Neurosci. 20 (7), 1745-1751 (2004).
