Summary

Pålitelig isolering av sentrale nervesystemet Microårene over fem virveldyr grupper

Published: January 12, 2020
doi:

Summary

Målet med denne protokollen er å isolere microårene fra flere regioner i det sentrale nervesystemet i lissencephalic og gyrencephalic virveldyr.

Abstract

Isolering av microårene fra sentralnervesystemet (CNS) er vanligvis utføres ved å kombinere kortikale vev fra flere dyr, oftest gnagere. Denne tilnærmingen begrenser avhør av blod-hjerne barriere (BBB) egenskaper til cortex og tillater ikke for individuelle sammenligning. Dette prosjektet fokuserer på utvikling av en isolasjons metode som gjør det mulig for sammenligning av nevrovaskulære enheten (NVU) fra flere CNS-regioner: cortex, lillehjernen, optikk flik, hypothalamus, hypofysen, hjernestammen, og ryggmargen. Videre ble denne protokollen, opprinnelig utviklet for murine prøver, med hell tilpasset for bruk på CNS vev fra små og store virveldyr arter som vi er også i stand til å isolere microårene fra hjernen halvkule hvit materie. Denne metoden, når den er sammenkoblet med immunolabeling, tillater kvantifisering av protein uttrykk og statistisk sammenligning mellom individer, vevs type, eller behandling. Vi beviste dette anvendelsen ved å evaluere endringer i protein uttrykk under eksperimentell autoimmune encefalomyelitt (EAE), en murine modell av en neuroinflammatory sykdom, multippel sklerose. I tillegg kan microårene isolert med denne metoden brukes til nedstrøms programmer som qPCR, RNA-SEQ og Western Blot, blant andre. Selv om dette ikke er første forsøk på å isolere CNS microårene uten bruk av ultracentrifugation eller enzymatisk dissosiasjon, er det unikt i sin Adeptness for sammenligning av enkeltpersoner og flere CNS regioner. Derfor tillater det for etterforskning av en rekke forskjeller som kan ellers forbli obskure: CNS porsjoner (cortex, lillehjernen, optikk, hjernestammen, hypothalamus, hypofysen, og ryggmargen), CNS vev type (grå eller hvit materie), enkeltpersoner, eksperimentelle behandlingsgrupper og arter.

Introduction

Vår hjerne er det viktigste organet i kroppen vår. Av denne grunn, holde hjernen homeostase tross eksterne faktorer som kan utløse et avvik fra normalitet er en prioritet. Ifølge noen forskere, om lag 400 til 500 millioner år siden1, virveldyr dyr utviklet det vi nå kjenner som Blood-Brain Barrier (BBB)2,3. Denne beskyttende “gjerde” utøver den største innflytelsen over sentralnervesystemet (CNS) homeostase og funksjoner ved å tett regulere transport av ioner, molekyler, og celler mellom blod og CNS parenchyma. Når BBB er forstyrret, blir hjernen utsatt for giftig eksponering, infeksjon og betennelse. Derfor BBB dysfunksjon er forbundet med mange, om ikke alle, nevrologiske og neurodevelopmental lidelser4,5,6.

Den sofistikerte funksjon av BBB er tilskrevet den unike CNS microvasculature likedannet av nevrovaskulære enhet (NVU)2,3. Høyt spesialiserte endothelial celler, pericytes, og astrocytic ende-føtter er cellulære komponenter i NVU2,3. Den ekstracellulære matrise generert av disse cellene er også avgjørende for NVU og BBB fysiologi2,3. Selv om essensielle cellulære og molekylære komponenter av NVU er bevart blant virveldyr, er heterogenitet rapportert blant ordre og Art7,8. Men tekniske begrensninger hindre vår evne til å fullt ut vurdere disse forskjellene i nevrobiologi, biomedisinsk eller translational forskning.

På grunn av dette, utvidet vi en CNS region-spesifikk microvessel-isolasjon metode for å gjøre det gjelder for mange arter fra alle fem virveldyr grupper: fisk, amfibier, reptiler, fugler og pattedyr. Protokollen er beskrevet for bruk på små-lissencephalic og store-gyrencephalic virveldyr, inkludert arter med translational relevans9. I tillegg inkluderer vi andre regioner av CNS ikke undersøkt før i denne sammenheng, men relevant for nevrofysiologi og med enorme kliniske implikasjoner: hypothalamus, hypofysen, og hvit materie. Til slutt, testet vi kapasiteten til denne isolasjons metoden som et pålitelig verktøy for å identifisere endringer i protein uttrykk langs NVU og/eller BBB9,10,11. Som en proof-of-konseptet, viste vi hvordan du fastslår endringer i VCAM-1 og JAM-B uttrykk under EAE bruke isolasjons metoden etterfulgt av immunofluorescence.

Protocol

Alle prosedyrer i denne studien er i samsvar med retningslinjene satt av University of California (UC), Davis institusjonelle Animal Care og use Committee (IACUC). Animal Care ved UC Davis er regulert av flere uavhengige ressurser og har blitt fullstendig akkreditert av foreningen for vurdering og akkreditering av Laboratory Animal Care International (AAALAC) siden 1966. Svin CNS vev ble innhentet fra UCD Department of Animal Sciences, Meat Sciences Laboratory. CNS vev fra rhesus aper ble innhentet fra California Nationa…

Representative Results

Microårene isolert fra murine CNS viste alle indre cellulære komponenter av nevrovaskulære Unit2,3. Ved hjelp av enten blodplater endothelial celle vedheft molekyl-1 (PECAM, også kjent som CD31) eller isolectin IB4 (en glykoprotein som binder endothelial celle glycocalyx) for endothelial celler, blodplater avledet vekstfaktor-β (PDGFRβ) eller Nevron-gliacellene antigen 2 (NG2) for pericytes og aquaporin-4 (AQP4) for astrocyt…

Discussion

Den BBB inkluderer de unike egenskapene til hjernen microvasculature endothelial celler kombinert med en sofistikert arkitektur av stramme-, adherens-, “Peg-socket”-knutepunkter, og vedheft plaketter avgjørende for CNS homeostase2,3,19. Endothelial celler egenskaper er indusert og vedlikeholdt av pericytes og de omkringliggende astroglia ende-fots prosesser2,3,</su…

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr. Cruz-Orengo ble støttet av University of California, Davis, School of Veterinary Medicine oppstart Funds.

Materials

10X PBS ThermoFisher BP39920 Used for blocking and antibody diluent.
20% PFA Electron Microscopy Sciences 15713-S Used as fixative (4% PFA)
70,000 MW Dextran Millipore Sigma 9004-54-0 Used for MV-2 solution
Adson Forceps Fine Science Tools (FST) 11006-12 Used for removal of muscle and skin
Adson Forceps, student quality FST 91106-12 Same as above but cheaper
Bovine serum albumin (BSA) Millipore Sigma A7906-100G Used for MV-3 solution, blocking and antibody diluent
Corning 100 μm Cell strainer Millipore Sigma CLS431752-50EA
Corning 70 μm Cell strainer Millipore Sigma CLS431751-50EA
Corning Deskwork low-binding tips Millipore Sigma CLS4151 Same as below but cheaper.
Cultrex Poly-D-Lysine R&D 3439-100-01 Used for slide coating
Donkey anti-Goat IgG-ALEXA 555 Thermo A21432 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Mouse IgG-ALEXA 488 Thermo A21202 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Rabbit IgG-ALEXA 488 Thermo A21206 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Rabbit IgG-ALEXA 647 Thermo A31573 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Rat IgG-DyLight 650 Thermo SA5-10029 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Double-Pronged Tissue Pick FST 18067-11 Used for removal of meninges and choroid plexus
Dumont #3c Forceps FST 11231-20 Used for more delicate and/or small CNS tissue handling (like pituitary)
Dumont #7 Forceps FST 11274-20 Used for CNS tisssue dissection and handling
Dumont #7 Forceps, student FST 91197-00 Same as above but cheaper
ep Dualfilter T.I.P.S. LoRetention Tips Eppendorf 22493008 Better quality than the tips above (more expensive).
Extra Fine Graefe Forceps, serrated FST 11151-10 Used for bone removal
Fine Scissors, sharp FST 14060-09 Used for removal of pig and macaque dural sac
Glass Pestle 1.5 mL Microcentrifuge Tube Tissue Grinder Homogenizer, Pack of 10 Chang Bioscience Inc. (eBay) GP1.5_10 Used for small vetebrate hypothalus and pituitary.
Goat anti-CXCL12, biotinylated PeproTech 500-P87BGBT Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution: 1:20.
Goat anti-JAM-B R&D AF1074 Used as primary antibody to assess neuroinflammation. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Goat anti-Mouse IgG-ALEXA 488 Thermo A11001 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-Mouse IgG-ALEXA 555 Thermo A21424 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-PDGFRβ R&D AF1042 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Goat anti-Rabbit IgG-ALEXA 555 Thermo A21249 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-Rabbit IgG-DyLight 488 Thermo 35552 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-Rat IgG-DyLight 650 Thermo SA5-10021 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Graefe Forceps, curved tip, 1X2 teeth FST 11054-10 Use for nylon filter net holding and shaking
HBSS, 1X buffer with calcium and magnesium Corning 21-022-CM Used for MV-1 solution
HEPES, 1M liquid buffer Corning 25-060-CI Used for MV-1 solution
Isolectin GS-IB4-Biotin-XX ThermoFisher Scientific (Thermo) I21414 Glycoprotein isolated from legume Griffonia simplicifolia that binds D-galactosyl residues of endothelial cell glycocalysx. Used for avian and porcine CNS microvessels. Recommended concentration: 5 μg/mL.
LaGrange Scissors, serrated FST 14173-12 Used for skull dissection and laminectomy (except pig and macaque)
Millicell EZ slide 8-well unit Millipore Sigma PEZGS0816
Mouse anti-CLDN5 Thermo 35-2500 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Mouse anti-GGT1 Abcam ab55138 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Mouse anti-Human CD31 R&D BBA7 Used as primary antibody on primate CNS microvessels. Recommended concentration: 16.5 μg/mL.
Mouse anti-NFM Thermo RMO-270 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Mouse anti-αSMA Thermo MA5-11547 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Nylon Filter Net, roll Millipore Sigma NY6000010 Laser-cut to 13 mm diameter filter net discs. Used for small vetebrate hypothalus and pituitary.
Nylon Filter Nets, 25 mm Millipore Sigma NY2002500 Used on most small vertebrates CNS tissues, except hypothalamus and pituitary. Used for macaque and pig hypothalamus and pituitary.
Nylon Filter Nets, 47 mm Millipore Sigma NY2004700 Used for macaque and pig CNS tissues, except hypothalamus and pituitary.
ProLong Gold antifade reagent with DAPI ThermoFisher P36935 Used to coverslip slides.
Rabbit anti-AQP4 Millipore Sigma A5971 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Rabbit anti-LSR Millipore Sigma SAB2107967 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rabbit anti-NG2 Millipore Sigma AB5320 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Rabbit anti-OSP Abcam ab53041 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 1 μg/mL.
Rabbit anti-VE-Cadherin Abcam ab33168 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rabbit anti-ZO-1 Thermo 61-7300 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rat anti-CD31 Becton Dickinson BD 550274 Used as primary antibody for murine CNS microvessels. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rat anti-GFAP Thermo 13-0300 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Rat anti-VCAM-1 Becton Dickinson BD 553329 Used as primary antibody to assess neuroinflammation. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Sterile Ringer's Solution, Frog Aldon Corporation IS5066 Used for amfibian anesthesia
Streptavidin-ALEXA 555 Thermo S32355 Used as secondary antibody to label biotinylated primary antibodies. Recommended dilution of 1:500.
Streptavidin-ALEXA 647 Thermo S32357 Used as secondary antibody to label biotinylated primary antibodies. Recommended dilution of 1:500.
Surgical Scissors, sharp FST 14002-12 Used for removal of muscle and skin
Surgical Scissors, sharp-blunt FST 14001-16 Used for decapitation (except pig and macaque)
Swinnex Filter Holder, 13 mm Millipore Sigma SX0001300 Modified by laser-cut. Used for small vetebrate hypothalus and pituitary.
Swinnex Filter Holder, 25 mm Millipore Sigma SX0002500 Modified by laser-cut. Used on most small vertebrates CNS tissues, except hypothalamus and pituitary. Used for macaque and pig hypothalamus and pituitary.
Swinnex Filter Holder, 47 mm Millipore Sigma SX0004700 Modified by laser-cut. Used for macaque and pig CNS tissues, except hypothalamus and pituitary.
Triton X-100 ThermoFisher 50-165-7277 Used for blocking and antibody diluent.
Wheaton 120 Vac Overhead Stirrer VWR (Supplier DWK Life Sciences) 62400-904 (DWK #903475) Used for macaque and pig CNS tissues with 55 mL tissue grinder, except hypothalamus and pituitary.
Wheaton Potter-Elvehjem tissue grinder with PTFE pestle, 10 mL VWR (Supplier DWK Life Sciences) 14231-384 (DWK #357979) Used on most small vertebrates CNS tissues, except hypothalamus and pituitary. Used for macaque and pig hypothalamus and pituitary.
Wheaton Potter-Elvehjem tissue grinder with PTFE pestle, 55 mL VWR (Supplier DWK Life Sciences) 14231-372 (DWK #357994) Used for macaque and pig CNS tissues, except hypothalamus and pituitary.

Referências

  1. Bundgaard, M., Abbott, N. J. All vertebrates started out with a glial blood-brain barrier 4-500 million years ago. Glia. 56, 699-708 (2008).
  2. Daneman, R., Prat, A. The blood-brain barrier. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 7, a020412 (2015).
  3. Obermeier, B., Verma, A., Ransohoff, R. M. The blood-brain barrier. Handbook of Clinical Neurology. 133, 39-59 (2016).
  4. Kealy, J., Greene, C., Campbell, M. Blood-brain barrier regulation in psychiatric disorders. Neuroscience Letters. , (2018).
  5. Sweeney, M. D., Kisler, K., Montagne, A., Toga, A. W., Zlokovic, B. V. The role of brain vasculature in neurodegenerative disorders. Nature Neuroscience. 21, 1318-1331 (2018).
  6. Sweeney, M. D., Zhao, Z., Montagne, A., Nelson, A. R., Zlokovic, B. V. Blood-Brain Barrier: From Physiology to Disease and Back. Physiological Reviews. 99, 21-78 (2019).
  7. Wilhelm, I., Nyul-Toth, A., Suciu, M., Hermenean, A., Krizbai, I. A. Heterogeneity of the blood-brain barrier. Tissue Barriers. 4, e1143544 (2016).
  8. O’Brown, N. M., Pfau, S. J., Gu, C. Bridging barriers: a comparative look at the blood-brain barrier across organisms. Genes & Development. 32, 466-478 (2018).
  9. Cruz-Orengo, L., et al. CXCR7 influences leukocyte entry into the CNS parenchyma by controlling abluminal CXCL12 abundance during autoimmunity. Journal of Experimental Medicine. 208, 327-339 (2011).
  10. Serres, S., et al. VCAM-1-targeted magnetic resonance imaging reveals subclinical disease in a mouse model of multiple sclerosis. FASEB Journal. 25, 4415-4422 (2011).
  11. Tietz, S., Engelhardt, B. Brain barriers: Crosstalk between complex tight junctions and adherens junctions. Journal of Cell Biology. 209, 493-506 (2015).
  12. Sohet, F., et al. LSR/angulin-1 is a tricellular tight junction protein involved in blood-brain barrier formation. Journal of Cell Biology. 208, 703-711 (2015).
  13. Cruz-Orengo, L., et al. Enhanced sphingosine-1-phosphate receptor 2 expression underlies female CNS autoimmunity susceptibility. Journal of Clinical Investigation. 124, 2571-2584 (2014).
  14. Dayton, J. R., Franke, M. C., Yuan, Y., Cruz-Orengo, L. Straightforward method for singularized and region-specific CNS microvessels isolation. Journal of Neuroscience Methods. 318, 17-33 (2019).
  15. Smyth, L. C. D., et al. Markers for human brain pericytes and smooth muscle cells. Journal of Chemical Neuroanatomy. 92, 48-60 (2018).
  16. Granberg, T., et al. In vivo characterization of cortical and white matter neuroaxonal pathology in early multiple sclerosis. Brain. 140, 2912-2926 (2017).
  17. Datta, G., et al. Neuroinflammation and its relationship to changes in brain volume and white matter lesions in multiple sclerosis. Brain. 140, 2927-2938 (2017).
  18. Tommasin, S., Gianni, C., De Giglio, L., Pantano, P. Neuroimaging Techniques to Assess Inflammation in Multiple Sclerosis. Neurociência. 403, 4-16 (2019).
  19. Liebner, S., et al. Functional morphology of the blood-brain barrier in health and disease. Acta Neuropathologica. 135, 311-336 (2018).
  20. Cornford, E., Hyman, S. Localization of brain endothelial luminal and abluminal transporters with immunogold electron microscopy. NeuroRx. 2, 27-43 (2005).
  21. Boulay, A. C., Saubamea, B., Decleves, X., Cohen-Salmon, M. Purification of Mouse Brain Vessels. Journal of Visualized Experiments. , 53208 (2015).
  22. Paul, D., Cowan, A. E., Ge, S., Pachter, J. S. Novel 3D analysis of Claudin-5 reveals significant endothelial heterogeneity among CNS microvessels. Microvascular Research. , (2012).
  23. Munikoti, V. V., Hoang-Minh, L. B., Ormerod, B. K. Enzymatic digestion improves the purity of harvested cerebral microvessels. Journal of Neuroscience Methods. 207, 80-85 (2012).
  24. Yousif, S., Marie-Claire, C., Roux, F., Scherrmann, J. M., Decleves, X. Expression of drug transporters at the blood-brain barrier using an optimized isolated rat brain microvessel strategy. Brain Research. 1134, 1-11 (2007).
  25. Bourassa, P., Tremblay, C., Schneider, J. A., Bennett, D. A., Calon, F. Beta-amyloid pathology in human brain microvessel extracts from the parietal cortex: relation with cerebral amyloid angiopathy and Alzheimer’s disease. Acta Neuropathologica. 137, 801-823 (2019).
  26. Porte, B., et al. Proteomic and transcriptomic study of brain microvessels in neonatal and adult mice. PLoS One. 12, e0171048 (2017).

Play Video

Citar este artigo
Yuan, Y., Dayton, J. R., Freese, M., Dorflinger, B. G., Cruz-Orengo, L. Reliable Isolation of Central Nervous System Microvessels Across Five Vertebrate Groups. J. Vis. Exp. (155), e60291, doi:10.3791/60291 (2020).

View Video