Einzelzell-Elektroporation über verschiedene organotypische Slice-Kulturen von Hippocampus-Exzitatorischen und klassenspezifischen inhibitorischen Neuronen der Maus
Summary
Hier wird ein Protokoll für die Einzelzellelektroporation vorgestellt, das Gene sowohl in exzitatorischen als auch in inhibitorischen Neuronen über eine Reihe von In-vitro-Hippocampus-Schichtkulturaltern hinweg liefern kann. Unser Ansatz bietet eine präzise und effiziente Expression von Genen in einzelnen Zellen, mit denen zellautonome und interzelluläre Funktionen untersucht werden können.
Abstract
Die Elektroporation hat sich als kritische Methode etabliert, um bestimmte Gene in Zellen zu übertragen, um ihre Funktion zu verstehen. Hier beschreiben wir eine Einzelzell-Elektroporationstechnik, die die Effizienz (~ 80%) der In-vitro-Gentransfektion in exzitatorischen und klassenspezifischen inhibitorischen Neuronen in organotypischer Hippocampus-Slice-Kultur von Mäusen maximiert. Mit großen Glaselektroden, Tetrodotoxin-haltiger künstlicher Zerebrospinalflüssigkeit und milden elektrischen Impulsen lieferten wir ein interessantes Gen in kultivierte Hippocampus-CA1-Pyramidenneuronen und inhibitorische Interneuronen. Darüber hinaus konnte die Elektroporation in kultivierten Hippocampus-Scheiben bis zu 21 Tage in vitro ohne Verringerung der Transfektionseffizienz durchgeführt werden, was die Untersuchung unterschiedlicher Entwicklungsstadien der Scheibenkultur ermöglichte. Mit wachsendem Interesse an der Untersuchung der molekularen Funktionen von Genen in einer Vielzahl von Zelltypen zeigt unsere Methode einen zuverlässigen und unkomplizierten Ansatz für die In-vitro-Gentransfektion im Gehirngewebe von Mäusen, der mit vorhandenen elektrophysiologischen Geräten und Techniken durchgeführt werden kann.
Introduction
In der Molekularbiologie ist eine der wichtigsten Überlegungen für einen Forscher, wie man ein Gen von Interesse in eine Zelle oder Zellpopulation liefert, um seine Funktion aufzuklären. Die verschiedenen Verabreichungsmethoden können entweder als biologisch (z. B. ein viraler Vektor), chemisch (z. B. Calciumphosphat oder Lipid) oder physikalisch (z. B. Elektroporation, Mikroinjektion oder Biolistik)1,2kategorisiert werden. Biologische Methoden sind hocheffizient und können zelltypspezifisch sein, sind aber durch die Entwicklung spezifischer genetischer Werkzeuge begrenzt. Chemische Ansätze sind in vitro sehr leistungsfähig, aber Transfektionen sind im Allgemeinen zufällig; Darüber hinaus sind diese Ansätze meist nur Primärzellen vorbehalten. Von den physikalischen Ansätzen ist die Biolistik aus technischer Sicht die einfachste und einfachste, produziert aber wiederum zufällige Transfektionsergebnisse mit einer relativ geringen Effizienz. Für Anwendungen, die den Transfer in bestimmte Zellen erfordern, ohne dass genetische Werkzeuge entwickelt werden müssen, schauen wir uns die Einzelzellelektroporationan 3,4.
Während sich die Elektroporation früher nur auf die Feldelektroporation bezog, wurden in den letzten zwanzig Jahren mehrere in vitro und in vivo Einzelzellelektroporationsprotokolle entwickelt, um die Spezifität und Effizienz zu verbessern5,6,7, die zeigen, dass die Elektroporation verwendet werden kann, um Gene auf einzelne Zellen zu übertragen und daher äußerst präzise sein kann. Die Verfahren sind jedoch technisch anspruchsvoll, zeitaufwendig und relativ ineffizient. In der Tat haben neuere Arbeiten die Machbarkeit von mechanisierten Elektroporationsrigs8,9untersucht,die dazu beitragen können, mehrere dieser Barrieren für Forscher zu beseitigen, die an der Installation solcher Robotik interessiert sind. Aber für diejenigen, die nach einfacheren Mitteln suchen, bleiben die Probleme mit der Elektroporation, nämlich Zelltod, Transfektionsversagen und Pipettenverstopfung, ein Problem.
Wir haben kürzlich eine Elektroporationsmethode entwickelt, die größere Glaspipetten, mildere elektrische Pulsparameter und einen einzigartigen Druckzyklusschritt verwendet, der eine viel höhere Transfektionseffizienz in exzitatorischen Neuronen erzeugte als frühere Methoden und es uns zum ersten Mal ermöglichte, Gene in inhibitorischen Interneuronen zu transfizieren, einschließlich somatostatin-exprimierender inhibitorischer Interneuronen in der Hippocampus-CA1-Region der organotypischen Scheibenkultur der Maus10. Die Zuverlässigkeit dieser Elektroporationsmethode in verschiedenen inhibitorischen Interneurontypen und neuronalen Entwicklungsstadien wurde jedoch nicht untersucht. Hier haben wir gezeigt, dass diese Elektroporationstechnik in der Lage ist, Gene sowohl in exzitatorische Neuronen als auch in verschiedene Klassen von Interneuronen zu transfizieren. Wichtig ist, dass die Transfektionseffizienz unabhängig von den getesteten Tagen in vitro (DIV) Scheibenkultur hoch war. Diese etablierte und benutzerfreundliche Technik wird jedem Forscher empfohlen, der daran interessiert ist, die Einzelzellelektroporation für verschiedene Zelltypen im Zusammenhang mit In-vitro-Mausgehirngewebe zu verwenden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Wir beschreiben hier eine Elektroporationsmethode, die sowohl exzitatorische als auch hemmende Neuronen mit hoher Effizienz und Präzision transfiziert. Unser optimiertes Elektroporationsprotokoll verfügt über drei innovative Durchbrüche, um eine hocheffiziente Gentransfektion zu erreichen. Unsere erste Modifikation bestand darin, die Pipettengröße im Vergleich zu den zuvor veröffentlichten Protokollen3,5,6zuerhöhen. Dies…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Diese Arbeit wurde von National Institutes of Health Grants (R01NS085215 bis K.F., T32 GM107000 und F30MH122146 bis A.C.) unterstützt. Die Autoren danken Frau Naoe Watanabe für die geschickte technische Unterstützung.
Materials
| Plasmid preparation | |||
| Plasmid Purification Kit | Qiagen | 12362 | |
| Organotypic slice culture preparation | |||
| 6 Well Plates | GREINER BIO-ONE | 657160 | |
| Dumont #5/45 Forceps | FST | #5/45 | Angled dissection forceps for organotypic slice culture preparation |
| Flask Filter Unit | Millipore | SCHVU02RE | Filtration and storage of culture media |
| Incubator | Binder | BD C150-UL | |
| McIlwain Tissue Chopper | TED PELLA, INC. | 10180 | Tissue chopper for organotypic slice culture preparation |
| Millicell Cell Culture Insert, 30 mm | Millipore | PIHP03050 | Organotypic slice culture inserts |
| Osmometer | Precision Systems | OSMETTE II | |
| PTFE coated spatulas | Cole-Parmer | SK-06369-11 | |
| Scissors | FST | 14958-09 | |
| Stereo Microscope | Olympus | SZ61 | |
| Sterile Vacuum Filtration System | Millipore | SCGPT01RE | Filtration and storage of aCSF |
| Electrode preparation | |||
| Capillary Glasses | Warner Instruments | 640796 | |
| Micropipetter Puller | Sutter Instrument | P-1000 | Puller |
| Oven | Binder | BD (E2) | |
| Puller Filament | Sutter Instrument | FB330B | Puller |
| Single-cell electroporation and fluorescence imaging #1 | |||
| 3.5 mm Falcon Petri Dishes | BD Falcon | 353001 | |
| Airtable | TMC | 63-7512E | |
| CCD camera | Q Imaging | Retiga-2000DC | Camera |
| Electroporation System | Molecular Devices | Axoporator 800A | Electroporator |
| Fluorescence Illumination System | Prior | Lumen 200 | |
| Manipulator | Sutter Instrument | MPC-385 | Manipulator |
| Metamorph software | Molecular Devices | Image acquisition | |
| Peristaltic Pump | Rainin | Dynamax, RP-2 | Perfusion pump |
| Shifting Table | Luigs & Neuman | 240 XY | |
| Speaker | Unknown | Speakers connected to the electroporator | |
| Stereo Microscope | Olympus | SZ30 | |
| Table Top Incubator | Thermo Scientific | MIDI 40 | |
| Upright Microscope | Olympus | BX61WI | |
| Fluorescence imaging #2 | |||
| All-in-One Fluorescence Microscope | Keyence | BZ-X710 |
References
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