kvantitativ 3D<em> I Silico</em> Modeling (q3DISM) av cerebral amyloid-beta Fagocytose i gnagermodeller av Alzheimers sykdom
Summary
Vi utviklet en metodikk for kvantitativ 3D i silico modellering (q3DISM) av cerebral amyloid-β (Ap) fagocytose av mononukleære fagocytter i gnagermodeller av Alzheimers sykdom. Denne fremgangsmåten kan generaliseres for kvantifisering av praktisk talt alle fagocytisk event in vivo.
Abstract
Nevroinflammasjon er nå anerkjent som en viktig årsaksfaktor i nevrodegenerativ sykdom. Mononukleære fagocytter er medfødte immunceller som er ansvarlige for fagocytose og rydding av rusk og detritus. Disse cellene har CNS-resident makrofager kjent som microglia og mononukleære fagocytter infiltrere fra periferien. Lysmikroskopi har generelt blitt brukt til å visualisere fagocytose i gnager eller menneskelige hjerne prøver. Imidlertid har kvalitative metoder ikke gitt definitive bevis for in vivo fagocytose. Her beskriver vi kvantitativ 3D i silico modellering (q3DISM), en robust metode som åpner for ekte 3D kvantifisering av amyloid-β (Ap) fagocytose av mononukleære fagocytter i gnager Alzheimers sykdom (AD) modeller. Fremgangsmåten involverer fluorescens-visualisering av Ap innkapslet i phagolysosomes i gnagerhjerneseksjoner. Store z-dimensjonale confocal datasett blir deretter 3D rekonstruert for kvantifisering av A &# 946; romlig colocalized innenfor phagolysosome. Vi demonstrerer vellykket bruk av q3DISM til mus og rottehjerner, men denne metoden kan utvides til nesten alle phagocytic hendelse i alle vev.
Introduction
Alzheimers sykdom (AD), den mest vanlige aldersrelatert demens 1, karakterisert ved cerebral amyloid-β (Ap) akkumulering som "senile" p-amyloid plakk, kronisk lav-nivå nevroinflammasjon, tauopati, nevronale tap, og kognitiv forstyrrelse 2 . I AD pasient hjerner, er nevroinflammasjon øremerket av reaktive astrocytter og mononukleære fagocytter (referert til som microglia, selv om deres sentrale vs. perifer opprinnelse er fortsatt uklart) rundt Ap-innskudd 3. Som det medfødte immun voktere av CNS, er microglia sentralt plassert for å tømme hjernen Ap. Imidlertid er microglial rekrutteringen til Ap-plakk ledsaget av meget lite, om noen, Ap fagocytose 4,5. En hypotese er at microglia er i utgangspunktet nervecellene ved phagocytozing små forsamlinger av Ap. Imidlertid, etter hvert disse cellene blir nevrotoksisk som overveldende Ap belastning og / eller aldersrelaterte funksjonelle decline, provoserer microglia inn i en dysfunksjonell proinflammatoriske fenotype, bidra til nevrotoksisitet og kognitiv svikt 6.
Siste Genome-wide Association Studies (GWAS) har identifisert en klynge av AD risiko alleler som hører til kjerne medfødte immun veier 7 som modulerer fagocytose 8-11. Derfor har immunresponsen til cerebral amyloid deponering blitt et stort område av interesse, både i forhold til å forstå AD etiologi og for å utvikle nye terapeutiske tilnærminger 12-14. Likevel er det et stort behov for metoder for å vurdere Ap fagocytose in vivo. For å møte dette udekket behov, har vi utviklet kvantitative 3D i silico modellering (q3DISM) for å aktivere ekte 3D kvantifisering av cerebral Ap fagocytose av mononukleære fagocytter i gnagermodeller av Alzheimer-lignende sykdom.
Bare begrenset av i hvilken grad de rekapitulere sykdom, dyremodeller harvist seg uvurderlig for å forstå AD pathoetiology og for å vurdere eksperimentelle behandlingsformer. På grunn av det faktum at mutasjoner i presenilin (PS) og Amyloid Precursor Protein (APP) gener uavhengig forårsake autosomal dominant AD, har disse mutante transgener blitt mye brukt for å generere transgene gnagermodeller. Transgene APP / PS1 mus samtidig coexpressing "svenske" mutant menneskelige APP (APP swe) og Δ ekson 9 mutant human presenilin 1 (PS1ΔE9) til stede med akselerert cerebral amyloidose og nevroinflammasjon 15,16. Videre har vi generert bi-transgene rotter coinjected med APP swe og PS1ΔE9 konstruksjoner (linje TgF344-AD, på en Fischer 344 bakgrunnen). I motsetning til transgene musemodeller av cerebral amyloidose, TgF344-AD rotter utvikle cerebral amyloid som står foran tauopati, apoptotisk tap av nerveceller, og adferdsvansker 17.
I denne rapporten beskriver vi en protokoll for immunostaining microglia, phagolysosomes og Ap-innskudd i hjernen seksjoner fra APP / PS1 mus og TgF344-AD rotter og oppkjøp av store z-dimensjonale confocal bilder. Vi detalj i silico generasjon og analyse av ekte 3D rekonstruksjoner fra confocal datasett tillater kvantifisering av Ap opptak i mikrogliaceller phagolysosomes. I videre forstand, kan den metodikken som vi detalj her brukes for å kvantifisere nesten enhver form for fagocytose in vivo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Protokollen som vi beskriver i denne rapporten for ekte 3D kvantifisering av Ap fagocytose in vivo av mononukleære fagocytter er avhengig av spesifikk merking av cellulære og subcellulære avdelinger samt Ap-innskudd. Spesielt bruker vi Iba1 (ionisert kalsium Binding Adaptor molekyl 1), et protein som er involvert i membranen rusket og fagocytose på celleaktivering 18, 19, å farge cerebrale mononukleære fagocytter. Mens Iba1 + celler er generelt ansett som hjerne…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
M-V.G-S. is supported by a BrightFocus Foundation Alzheimer’s Disease Research Fellowship Award (A2015309F) and an Alzheimer’s Association, California Southland Chapter Young Investigator Award. T.M.W. is supported by an ARCS Foundation and John Douglas French Alzheimer’s Foundation Maggie McKnight Russell-JDFAF Memorial Postdoctoral Fellowship. This work was supported by the National Institute on Neurologic Disorders and Stroke (1R01NS076794-01, to T.T.), an Alzheimer’s Association Zenith Fellows Award (ZEN-10-174633, to T.T.), and an American Federation of Aging Research/Ellison Medical Foundation Julie Martin Mid-Career Award in Aging Research (M11472, to T.T.). We are grateful for startup funds from the Zilkha Neurogenetic Institute, which helped to make this work possible.
Materials
| Isoflurane | Abbott | NDC 0044-5260-05 | |
| Dissecting scissors | VWR | 82027-582 | |
| Dissecting scissors Blunt tip | VWR | 82027-588 | |
| Tweezers | VWR | 94024-408 | |
| 23G needle | VWR | BD305145 | |
| peristaltic pump FH10 | Thermo Scientific | 72-310-010 | |
| PBS 10X | Bioland Scientific | PBS01-02 | Working concentration 1X |
| Adult Mouse Brain Matrix, Coronal slices, Stainless Steel 1mm | Kent Scientific | RBMS-200C | |
| Adult Rat Brain Matrix, Coronal slices, Stainless Steel 1mm | Kent Scientific | RBMS-305C | |
| 32% Paraformaldehyde aqueous solution | EMS | 15714-S | Caution: Toxic. Working concentration 4% in PBS |
| Ethanol | VWR | 89125-188 | Various concentrations, see protocol |
| Tissue-Tek Uni-cassettes Sakura | VWR | 25608-774 | |
| Embedding and Infiltration Paraffin | VWR | 15147-839 | |
| Microtome Leica RM2125 | Leica Biosystems | ||
| Disposable Microtome Blades | VWR | 25608-964 | |
| Water bath Leica HI 1210 | Leica Biosystems | ||
| Micro slide Superfrost plus | VWR | 48311-703 | |
| Xylene | Sigma-Aldrich | 534056-4X4L | Caution: Toxic |
| Target Retrieval Solution 10X | DAKO | S1699 | Working concentration 1X |
| KimWipes | VWR | 21905-026 | |
| Hydrophobic PAP pen | VWR | 95025-252 | |
| Triton X-100 | VWR | 97062-208 | |
| Normal Donkey Serum | Jackson Immuno | 017-000-121 | |
| Coverslips | VWR | 48393081 | |
| Prolong Gold antifade reagent with DAPI | Life Technologies | P36935 | |
| Glass Slide Rack | VWR | 100492-942 | |
| Iba1 antibody (polyclonal, rabbit) | Wako | 019-19741 | Working concentration 1:200 |
| Iba1 antibody (polyclonal, goat) | LifeSpan Bioscience | LS-B2645 | Working concentration 1:200 |
| rat CD68 [KP1] antibody (monoclonal, mouse) | Abcam | ab955 | Working concentration 1:200 |
| mouse CD68 [FA-11] antibody (monoclonal, rat) | Abcam | ab53444 | Working concentration 1:200 |
| mouse CD107a (LAMP1) antibody (monoclonal, rat) | Affymetrix | 14-1071 | Working concentration 1:100 |
| Beta-Amyloid, 17-24 (4G8) antibody (monoclonal, mouse) | Covance | SIG-39220 | Working concentration 1:200 |
| Beta-Amyloid, 1-16 (6E10) antibody (monoclonal, mouse) | Covance | SIG-39320 | Working concentration 1:200 |
| OC antibody (polyclonal, rabbit) | Gifted by D. H. Cribbs and C. G. Glabe (UC Irvine) | Working concentration 1:200 | |
| Alexa Fluor 488 mouse secondary antibody | Invitrogen | A-11001 | Working concentration 1:1000 |
| Alexa Fluor 488 rat secondary antibody | Invitrogen | A-11006 | Working concentration 1:1000 |
| Alexa Fluor 594 rabbit secondary antibody | Invitrogen | A-11037 | Working concentration 1:1000 |
| Alexa Fluor 594 goat secondary antibody | Invitrogen | A-11080 | Working concentration 1:1000 |
| Alexa Fluor 647 mouse secondary antibody | Invitrogen | A-21235 | Working concentration 1:1000 |
| Alexa Fluor 647 rabbit secondary antibody | Invitrogen | A-21443 | Working concentration 1:1000 |
| Immersion oil | Nikon | ||
| A1 Confocal microscope | Nikon | ||
| NIS Elements Advanced Research software | Nikon | ||
| Imaris:Bitplane software version 7.6 | Bitplane | "coloc" and "supass" modules are used. Alternatively, the open-source freeware ImageJ can be used for colocalization analysis of confocal z-stacks datasets. | |
Referências
- Brookmeyer, R., et al. National estimates of the prevalence of Alzheimer’s disease in the United States. Alzheimers Dement. 7 (1), 61-73 (2011).
- Selkoe, D. J. Alzheimer’s disease. Cold Spring Harb Perspect Biol. 3 (7), (2011).
- Heneka, M. T., Golenbock, D. T., Latz, E. Innate immunity in Alzheimer’s disease. Nat Immunol. 16 (3), 229-236 (2015).
- Mawuenyega, , et al. Decreased clearance of CNS beta-amyloid in Alzheimer’s disease. Science. 330 (6012), 1774 (2010).
- Hickman, S. E., Allison, E. K., El Khoury, J. Microglial dysfunction and defective beta-amyloid clearance pathways in aging Alzheimer’s disease mice. J Neurosci. 28 (33), 8354-8360 (2008).
- Johnston, H., Boutin, H., Allan, S. M. Assessing the contribution of inflammation in models of Alzheimer’s disease. Biochem Soc Trans. 39 (4), 886-890 (2011).
- Gjoneska, E., et al. Conserved epigenomic signals in mice and humans reveal immune basis of Alzheimer’s disease. Nature. 518 (7539), 365-369 (2015).
- Reitz, C., Mayeux, R. Alzheimer disease: epidemiology, diagnostic criteria, risk factors and biomarkers. Biochem Pharmacol. 88 (4), 640-651 (2014).
- Hazrati, L. -. N., et al. Genetic association of CR1 with Alzheimer’s disease: a tentative disease mechanism. Neurobiol Aging. 33 (12), 2949 (2012).
- Griciuc, A., et al. Alzheimer’s Disease Risk Gene CD33 Inhibits Microglial Uptake of Amyloid Beta. Neuron. , 1-13 (2013).
- Li, X., Long, J., He, T., Belshaw, R., Scott, J. Integrated genomic approaches identify major pathways and upstream regulators in late onset Alzheimer’s disease. Scientific reports. 5, 12393 (2015).
- Weitz, T. M., Town, T. Microglia in Alzheimers Disease: “Its All About Context”. Int J Alzheimers Dis. , 314185 (2012).
- Guillot-Sestier, M. -. V., Doty, K. R., Town, T. Innate Immunity Fights Alzheimer’s Disease. Trends Neurosci. 38 (11), 674-681 (2015).
- Guillot-Sestier, M. -. V., Town, T. Innate immunity in Alzheimer’s disease: a complex affair. CNS Neurol Disord Drug Targets. 12 (5), 593-607 (2013).
- Jankowsky, J. L., Slunt, H. H., Ratovitski, T., Jenkins, N. A., Copeland, N. G., Borchelt, D. R. Co-expression of multiple transgenes in mouse CNS: a comparison of strategies. Biomol Eng. 17 (6), 157-165 (2001).
- Guillot-Sestier, M. -. V., et al. Il10 deficiency rebalances innate immunity to mitigate Alzheimer-like pathology. Neuron. 85 (3), 534-548 (2015).
- Cohen, R. M., et al. A transgenic Alzheimer rat with plaques, tau pathology, behavioral impairment, oligomeric aβ, and frank neuronal loss. J Neurosci. 33 (15), 6245-6256 (2013).
- Imai, Y., Ibata, I., Ito, D., Ohsawa, K., Kohsaka, S. A novel gene iba1 in the major histocompatibility complex class III region encoding an EF hand protein expressed in a monocytic lineage. Biochem. Biophys. Res. Commun. 224 (3), 855-862 (1996).
- Ohsawa, K., Imai, Y., Sasaki, Y., Kohsaka, S. Microglia/macrophage-specific protein Iba1 binds to fimbrin and enhances its actin-bundling activity. J Neurochem. 88 (4), 844-856 (2004).
- Bandyopadhyay, U., Nagy, M., Fenton, W. A., Horwich, A. L. Absence of lipofuscin in motor neurons of SOD1-linked ALS mice. Proc Natl Acad Sci U S A. 111 (30), 11055-11060 (2014).
- Holness, C. L., Simmons, D. L. Molecular cloning of CD68, a human macrophage marker related to lysosomal glycoproteins. Blood. 81 (6), 1607-1613 (1993).
- Connor, T., et al. Phosphorylation of the translation initiation factor eIF2alpha increases BACE1 levels and promotes amyloidogenesis. Neuron. 60 (6), 988-1009 (2008).
- Cai, D., et al. Phospholipase D1 corrects impaired betaAPP trafficking and neurite outgrowth in familial Alzheimer’s disease-linked presenilin-1 mutant neurons. Proc Natl Acad Sci U S A. 103 (6), 1936-1940 (2006).
- Marsh, S. E., et al. The adaptive immune system restrains Alzheimer’s disease pathogenesis by modulating microglial function. Proc Natl Acad Sci U S A. 113 (9), 1316-1325 (2016).
- Lefterov, I., et al. Apolipoprotein A-I deficiency increases cerebral amyloid angiopathy and cognitive deficits in APP/PS1DeltaE9 mice. J Biol. Chem. 285 (47), 36945-36957 (2010).
- Blurton-Jones, M., et al. Neural stem cells improve cognition via BDNF in a transgenic model of Alzheimer disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 106 (32), 13594-13599 (2009).
- Stalder, M., Deller, T., Staufenbiel, M., Jucker, M. 3D-Reconstruction of microglia and amyloid in APP23 transgenic mice: no evidence of intracellular amyloid. Neurobiol Aging. 22 (3), 427-434 (2001).
- Leinenga, G., Götz, J. Scanning ultrasound removes amyloid-β and restores memory in an Alzheimer’s disease mouse model. Sci Transl Med. 7 (278), 33 (2015).
- Liarski, V. M., et al. Cell distance mapping identifies functional T follicular helper cells in inflamed human renal tissue. Sci Transl Med. 6 (230), 46 (2014).
- Nichols, L., Pike, V. W., Cai, L., Innis, R. B. Imaging and in vivo quantitation of beta-amyloid: an exemplary biomarker for Alzheimer’s disease. Biol Psychiatry. 59 (10), 940-947 (2006).
- Skovronsky, D. M., Zhang, B., Kung, M. P., Kung, H. F., Trojanowski, J. Q., Lee, V. M. In vivo detection of amyloid plaques in a mouse model of Alzheimer’s disease. Proc Natl Acad Sci U S A. 97 (13), 7609-7614 (2000).
- Lian, H., Litvinchuk, A., Chiang, A. C. -. A., Aithmitti, N., Jankowsky, J. L., Zheng, H. Astrocyte-Microglia Cross Talk through Complement Activation Modulates Amyloid Pathology in Mouse Models of Alzheimer’s Disease. J Neurosci. 36 (2), 577-589 (2016).
- Novotny, R., et al. Conversion of Synthetic Aβ to In Vivo Active Seeds and Amyloid Plaque Formation in a Hippocampal Slice Culture Model. J Neurosci. 36 (18), 5084-5093 (2016).
- Tartaro, K., et al. Development of a fluorescence-based in vivo phagocytosis assay to measure mononuclear phagocyte system function in the rat. J Immunotoxicol. 12 (3), 239-246 (2015).
