Un en Vivo Barrera Blood - brain permeabilidad ensayo en ratones usando fluorescencia etiquetada trazadores
Summary
Aquí presentamos un ensayo de permeabilidad vascular de cerebro de ratón mediante inyección intraperitoneal de trazadores fluorescentes seguido de perfusión que es aplicable a los modelos animales de disfunción de la barrera blood – brain. Una hemi-cerebro se utiliza para evaluar cuantitativamente la permeabilidad y el otro para tracer visualización/immunostaining. El procedimiento toma 5-6 h por 10 ratones.
Abstract
Barrera Blood – brain (BBB) es una barrera especializada que protege el microambiente del cerebro de toxinas y agentes patógenos en la circulación y mantiene la homeostasis cerebral. Los sitios principales de la barrera son las células endoteliales de los capilares del cerebro cuya función barrera resulta de uniones intercelulares estrechas y transportadores de eflujo expresados en la membrana plasmática. Esta función está regulada por los pericitos y los astrocitos que juntos forman la unidad neurovascular (NVU). Varias enfermedades neurológicas tales como accidente cerebrovascular, enfermedad de Alzheimer (EA), tumores cerebrales se asocian con un deterioro de la función BBB. Evaluación de la permeabilidad BBB, por tanto, es crucial en la evaluación de la severidad de la enfermedad neurológica y el éxito de las estrategias de tratamiento empleadas.
Presentamos aquí un simple pero ensayo de permeabilidad robusto que se han aplicado con éxito al ratón de varios modelos tanto genética como experimental. El método es muy cuantitativa y objetiva en comparación con el análisis de fluorescencia de tracer por microscopía que comúnmente se aplica. En este método, los ratones se inyectan por vía intraperitoneal con una mezcla de marcadores fluorescentes inertes acuosos seguido de anestesiar los ratones. La perfusión cardíaca de los animales se realiza antes de la cosecha el cerebro, los riñones u otros órganos. Órganos se homogeneizó y se centrifugó seguido de medición de la fluorescencia del sobrenadante. Sangre de la punción cardiaca justo antes de la perfusión sirve para el propósito de la normalización en el compartimento vascular. La fluorescencia de tejidos se normaliza a la fluorescencia húmeda peso y suero para obtener cuantitativo índice de permeabilidad de trazador. Para la confirmación adicional, contralateral hemi-cerebro preservado por inmunohistoquímica puede ser utilizado para fines de visualización de la fluorescencia tracer.
Introduction
La barrera blood – brain (BBB) consiste en las células endoteliales microvasculares (ECs) apoyadas por pericitos estrechamente (PC), que son rodeadas en la lámina basal, y astrocitos (ACs) que envuelven la membrana del sótano con sus final-pies1 ,2. ECs interactúan con varios tipos de células que apoyan y regulan la función de barrera, principalmente ACs y PC, y también las neuronas y microglia, que juntos forman la unidad neurovascular (NVU). El NVU es crítico para la función de la BBB, que limita el transporte de toxinas transmitidas por la sangre y patógenos entren en el cerebro. Esta función es el resultado de moléculas de ensambladura apretada como claudin-5, occludin, zonula occludens-1, presentes entre ECs y también debido a la acción de transportadores como p-glicoproteína (P-gp) flujo de salida de las moléculas que entran en el endotelio de nuevo en los vasos lumen1,2,3. El BBB sin embargo permite el transporte de moléculas esenciales tales como nutrientes (glucosa, hierro, aminoácidos) por los transportadores específicos expresados en las membranas del plasma EC1,2,3. La capa CE es altamente polarizada con respecto a la distribución de los diferentes transportadores entre el luminal (sangre-orientado) y abluminal (orientada al cerebro membranas) para permitir el transporte vectorial y específica función4,5 . Mientras que el BBB es protectora con respecto a regular bien el ambiente de la CNS, es un gran desafío para la entrega de la droga del CNS en enfermedades como la enfermedad de Parkinson con un BBB funcional. Incluso en enfermedades neurológicas con disfunción BBB, no puede suponerse que la entrega de drogas cerebro aumenta particularmente ya que la disfunción de la barrera puede incluir daño a los objetivos específicos del transportador por ejemplo como en la enfermedad de Alzheimer (AD). En DC, varios transportadores de beta amiloide como LRP1, rabia, P-gp se saben que existen y por lo tanto dirigidos a estos transportadores podrían ser inútil6,7,8. El BBB se deteriora en varias enfermedades neurológicas como meningitis tiempos, AD, esclerosis múltiple y en tumores de cerebro9,10,11. Restaurar la función barrera es una parte crucial de la estrategia terapéutica y por lo tanto su evaluación es fundamental.
En este trabajo, hemos descrito una objetiva y cuantitativa protocolo para ensayo de permeabilidad en roedores que hemos aplicado con éxito a varias líneas de ratón ambos enfermedad transgénicos y experimental modelos10,12,13 ,14. El método se basa en una simple inyección intraperitoneal de trazadores fluorescentes seguido de perfusión de los ratones para eliminar los marcadores desde el compartimiento vascular. Cerebro y otros órganos son recogidos post perfusión y permeabilidad determinada por un objetivo e índice de permeabilidad absoluta basados en mediciones de la fluorescencia de homogenados de tejido en un lector de placas. Todos los valores de fluorescencia crudo se corrigen para el fondo usando homogenados de tejidos o del suero de animales simulada que no reciben ningún trazador. Normalizar un amplio se incluyen volumen de suero, suero fluorescencia y el peso de los tejidos, produciendo así el índice de permeabilidad absoluta y comparables entre experimentos y tipos de tejidos. Para facilitar la comparación entre grupos, los valores de índice de permeabilidad absoluta pueden ser fácilmente transformados a las relaciones que habíamos realizado previamente12. Al mismo tiempo, almacenado hemi-cerebro y el riñón podrían utilizarse para la visualización de tracer por fluorescencia microscopía10. La microscopia de fluorescencia clásica podría ser valiosa en la obtención de diferencias regionales en la permeabilidad aunque engorroso debido a la selección subjetiva de las secciones de tejido e imágenes para el análisis semi-cuantitativo. Se presentan los pasos detallados en el protocolo y se añaden notas en su caso. Esto proporciona la información necesaria para realizar con éxito el ensayo de permeabilidad en vivo en ratones que pueden ampliarse a otros animales pequeños. El ensayo se puede aplicar a muchos tipos de marcadores que permiten la carga y el tamaño basado en evaluación de la permeabilidad por una combinación de marcadores con espectros de fluorescencia distintas.
Protocol
Representative Results
Discussion
Disfunción de la barrera blood – brain se asocia con un número de trastornos neurológicos, como tumores cerebrales primarios y secundarios o un accidente cerebrovascular. Desglose BBB a menudo se asocia con edema peligroso para la vida de CNS. La elucidación de los mecanismos moleculares que provocan la apertura o cierre de la BBB es por lo tanto de importancia terapéutica en trastornos neurológicos y comúnmente investigado por los investigadores. Sin embargo, los métodos para investigar permeabilidad BBB en …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean reconocer Sphingonet consorcio financiado por la Fundación Leduq por apoyar este trabajo. Este trabajo fue apoyado también por el centro de investigación de colaboración “diferenciación Vascular y remodelación” (CRC / Transregio23, proyecto C1) y el 7. FP, COFUND, Goethe International postdoctoral programa GO-IN, no. 291776 financiamiento. Nos reconoce a Kathleen Sommer por su asistencia técnica con los ratones manejo y genotipificación.
Materials
| Tetramethyl Rhodamine (TMR) dextran 3kD | Thermosfisher | D3308 | |
| Fluorescein isothiocyanate (FITC) dextran 3kD | Thermosfisher | D3306 | |
| Ketamine (Ketavet) | Zoetis | ||
| Xylazine (Rompun) | Bayer | ||
| 0.9% Saline | Fresenius Kabi Deutschland GmbH | ||
| 1X PBS | Gibco | 10010-015 | |
| Tissue-tek O.C.T compound | Sakura Finetek | 4583 | |
| 37% Formaldhehyde solution | Sigma | 252549-1L | prepare a 4% solution |
| Bovine Serum Albumin, fraction V | Roth | 8076.3 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
| rat anti CD31 antibody, clone MEC 13.3 | BD Pharmingen | 553370 | |
| goat anti rat alexa 568 | Molecular Probes | A-11077 | |
| goat anti rat alexa 488 | Molecular Probes | A-11006 | |
| DAPI | Molecular Probes | D1306 | |
| Aqua polymount | Polyscience Inc | 18606 | |
| 21-gauge butterfly needle | BD | 387455 | |
| serum collection tube | Sarstedt | 41.1500.005 | |
| 2mL eppendorf tubes | Sarstedt | 72.695.500 | |
| Kimtech precision wipes tissue wipers | Kimberley-Clark Professional | 05511 | |
| 384-well black plate | Greiner | 781086 | |
| slides superfrost plus | Thermoscientific | J1800AMNZ | |
| PTFE pestle | Wheaton | 358029 | |
| electric overhead stirrer | VWR | VWR VOS 14 | |
| plate reader | Tecan | Infinite M200 | |
| Cryostat | Microm GmbH | HM 550 | |
| Nikon C1 Spectral Imaging confocal Laser Scanning Microscope System | Nikon | ||
| peristaltic perfusion system | BVK Ismatec | ||
| microcentrifuge | eppendorf | 5415R |
Referências
- Abbott, N. J., Rönnbäck, L., Hansson, E. Astrocyte-endothelial interactions at the blood-brain barrier. Nature reviews. Neuroscience. 7 (1), 41-53 (2006).
- Zhao, Z., Nelson, A. R., Betsholtz, C., Zlokovic, B. V. Establishment and Dysfunction of the Blood-Brain Barrier. Cell. 163 (5), 1064-1078 (2015).
- Obermeier, B., Daneman, R., Ransohoff, R. M. Development, maintenance and disruption of the blood-brain barrier. Nature Medicine. 19 (12), 1584-1596 (2013).
- Devraj, K., Klinger, M. E., Myers, R. L., Mokashi, A., Hawkins, R. A., Simpson, I. A. GLUT-1 glucose transporters in the blood-brain barrier: differential phosphorylation. Journal of neuroscience research. 89 (12), 1913-1925 (2011).
- Banks, W. A. From blood-brain barrier to blood-brain interface: new opportunities for CNS drug delivery. Nature reviews. Drug discovery. 15 (4), 275-292 (2016).
- Zlokovic, B. V. Neurovascular pathways to neurodegeneration in Alzheimer’s disease and other disorders. Nature reviews. Neuroscience. 12 (12), 723-738 (2011).
- Paganetti, P., Antoniello, K., et al. Increased efflux of amyloid-β peptides through the blood-brain barrier by muscarinic acetylcholine receptor inhibition reduces pathological phenotypes in mouse models of brain amyloidosis. Journal of Alzheimer’s disease: JAD. 38 (4), 767-786 (2014).
- Devraj, K., Poznanovic, S., et al. BACE-1 is expressed in the blood-brain barrier endothelium and is upregulated in a murine model of Alzheimer’s disease. Journal of cerebral blood flow and metabolism: official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 36 (7), 1281-1294 (2016).
- Daneman, R. The blood-brain barrier in health and disease. Annals of neurology. 72 (5), 648-672 (2012).
- Gurnik, S., Devraj, K., et al. Angiopoietin-2-induced blood-brain barrier compromise and increased stroke size are rescued by VE-PTP-dependent restoration of Tie2 signaling. Acta neuropathologica. 131 (5), 753-773 (2016).
- Scholz, A., Harter, P. N., et al. Endothelial cell-derived angiopoietin-2 is a therapeutic target in treatment-naive and bevacizumab-resistant glioblastoma. EMBO Molecular Medicine. 8 (1), 39-57 (2016).
- Gross, S., Devraj, K., Feng, Y., Macas, J., Liebner, S., Wieland, T. Nucleoside diphosphate kinase B regulates angiogenic responses in the endothelium via caveolae formation and c-Src-mediated caveolin-1 phosphorylation. Journal of cerebral blood flow and metabolism: official journal of the International Society of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 37 (7), 2471-2484 (2017).
- Ziegler, N., Awwad, K., et al. β-Catenin Is Required for Endothelial Cyp1b1 Regulation Influencing Metabolic Barrier Function. The Journal of neuroscience: the official journal of the Society for Neuroscience. 36 (34), 8921-8935 (2016).
- Vutukuri, R., Brunkhorst, R., et al. Alteration of sphingolipid metabolism as a putative mechanism underlying LPS-induced BBB disruption. Journal of Neurochemistry. , (2017).
- Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole Animal Perfusion Fixation for Rodents. J Vis Exp. (65), e3564 (2012).
- Hoffmann, A., Bredno, J., Wendland, M., Derugin, N., Ohara, P., Wintermark, M. High and Low Molecular Weight Fluorescein Isothiocyanate (FITC)-Dextrans to Assess Blood-Brain Barrier Disruption: Technical Considerations. Translational stroke research. 2 (1), 106-111 (2011).
- Armulik, A., Genové, G., et al. Pericytes regulate the blood-brain barrier. Nature. 468 (7323), 557-561 (2010).
- Daneman, R., Zhou, L., Kebede, A. A., Barres, B. A. Pericytes are required for blood-brain barrier integrity during embryogenesis. Nature. 468 (7323), 562-566 (2010).
- Bell, R. D., Winkler, E. A., et al. Pericytes control key neurovascular functions and neuronal phenotype in the adult brain and during brain aging. Neuron. 68 (3), 409-427 (2010).
- Banks, W. A., Gray, A. M., et al. Lipopolysaccharide-induced blood-brain barrier disruption: roles of cyclooxygenase, oxidative stress, neuroinflammation, and elements of the neurovascular unit. Journal of Neuroinflammation. 12, 223 (2015).
- Krause, G., Winkler, L., Mueller, S. L., Haseloff, R. F., Piontek, J., Blasig, I. E. Structure and function of claudins. Biochimica et biophysica acta. 1778 (3), 631-645 (2008).
- Johansson, B. B. Blood-Brain Barrier: Role of Brain Endothelial Surface Charge and Glycocalyx. Ischemic Blood Flow in the Brain. , 33-38 (2001).
- Fu, B. M., Li, G., Yuan, W. Charge effects of the blood-brain barrier on the transport of charged molecules. The FASEB Journal. 22 (1 Supplement), (2008).
- Goebl, N. A., Babbey, C. M., Datta-Mannan, A., Witcher, D. R., Wroblewski, V. J., Dunn, K. W. Neonatal Fc receptor mediates internalization of Fc in transfected human endothelial cells. Molecular biology of the cell. 19 (12), 5490-5505 (2008).
- Lopez-Quintero, S. V., Ji, X. -. Y., Antonetti, D. A., Tarbell, J. M. A three-pore model describes transport properties of bovine retinal endothelial cells in normal and elevated glucose. Investigative ophthalmology & visual science. 52 (2), 1171-1180 (2011).
- Hallmann, R., Mayer, D. N., Berg, E. L., Broermann, R., Butcher, E. C. Novel mouse endothelial cell surface marker is suppressed during differentiation of the blood brain barrier. Developmental dynamics: an official publication of the American Association of Anatomists. 202 (4), 325-332 (1995).
