Kvantitativ måling av Intratekalt syntetisert proteiner i mus
Summary
Forhøyede spinalvæske proteinnivåer kan enten være et resultat av diffusjon av plasma protein over en endret blod-hjerne barriere eller intratekal syntese. En optimalisert test protokollen er presentert i denne artikkelen som bidrar til å diskriminere begge tilfeller og gir kvantitative målinger av intratekalt syntetisert proteiner.
Abstract
Spinalvæske (CSF), en væske som finnes i hjernen og ryggmargen, er av stor betydning for både grunnleggende og klinisk vitenskap. Analysen av CSF protein sammensetning leverer viktig informasjon i grunnleggende nevrovitenskap forskning så vel som nevrologiske sykdommer. En påminnelse er at proteiner målt i CSF kan utlede fra både intratekal syntese og transudation fra serum, og proteinanalyse av CSF kan bare bestemme summen av disse to komponentene. Å diskriminere mellom protein transudation fra blodet og intratekalt produserte proteiner i dyremodeller så vel som hos mennesker, CSF protein profilering målinger ved hjelp av konvensjonelle proteinanalyse verktøy må inkludere beregning av albumin CSF/serum kvotienten (Qalbumin), en markør for integriteten av blod-hjerne-GRENSESNITTET (bbI), og protein indeksen (Qprotein/qalbumin), et anslag på intratekal proteinsyntese. Denne protokollen illustrerer hele prosedyren, fra CSF og blod samling til kvotienter og indekser beregninger, for kvantitativ måling av intratekal proteinsyntese og BBI svekkelse i musen modeller av nevrologiske lidelser.
Introduction
Spinalvæske (CSF), en klar og fargeløs væske rundt hjernen og ryggmargen, har stor klinisk og grunnleggende vitenskapelig betydning. CSF bevarer det elektrolytisk miljøet i sentralnervesystemet (CNS), balanserer systemisk syre-base-status, leverer næringsstoffer til neuronal og gliacellene celler, fungerer som et lymfesystemet for CNS, og transporterer hormoner, nevrotransmittere, cytokiner og andre nevropeptider i hele CNS1. Således, som CSF sammensetningen reflekterer aktiviteten til CNS, tilbyr denne væsken en verdifull, men indirekte, tilgang til å karakterisere den fysiologiske og patologiske tilstand av CNS.
CSF har blitt brukt til å diagnostisere forhold som påvirker CNS i over hundre år, og for det meste av denne tiden, ble det først og fremst studert av klinikere som et diagnostisk verktøy. Men i de senere årene neurobiologists har anerkjent potensialet i CSF for å studere patofysiologi av CNS. Spesielt har flere høy gjennomstrømming proteinanalyse verktøy blitt innført i nevrovitenskap riket slik at en detaljert studie av protein sammensetningen av CSF, med en forventning om at denne analysen kan bidra til å gi innsikt i de dynamiske endringene som oppstår i CNS.
Teknologisk utvikling i multiplex immunanalysen teknikker som Luminex og Simoa Technologies2,3, gir forskerne i dag med evnen til å oppdage hundrevis av proteiner ved svært lave konsentrasjoner. Videre, de samme teknologiene tillater bruk av små prøve volumer, og dermed fremme studier i små dyr, inkludert mus, der begrenset utvalg volumer av CSF har utelukket detaljerte characterizations av væsken inntil nylig.
Likevel, en påminnelse er at proteiner målt i CSF kan utlede fra intratekal syntese og/eller transudation fra serum på grunn av en skadet blod-hjerne-grensesnitt (BBI). Dessverre kan proteinanalyse av CSF alene bare bestemme summen av disse to komponentene. For å diskriminere mellom transudat og intratekalt produserte proteiner, må CSF protein målinger ved hjelp av et tilgjengelig proteinanalyse verktøy justeres for individuell variasjon i serumkonsentrasjoner, samt barriere integritet. Men selv om denne justeringen brukes ofte i klinisk praksis, for eksempel CSF IgG-indeksen, som har høy følsomhet for å oppdage intratekal IgG syntese4,5,6, hittil svært få forskningsstudier har korrigert CSF protein konsentrasjoner for serumkonsentrasjon og barriere integritet7,8.
Foreløpig er Reibergram tilnærmingen den beste måten å bestemme barrierefunksjon og intratekal syntese av proteiner. Det er en grafisk evaluering i CSF/serum kvotienten diagrammer som analyserer, på en integrert måte, både barrieren (Dys) funksjon og intratekal proteinsyntese, med henvisning til en utelukkende blod-avledet protein9,10. Den svært rikelig protein albumin er vanligvis valgt som referanse protein fordi det er produsert bare i leveren og fordi størrelsen, ca 70 kDa, er middels mellom små og store proteiner11. Analysen diagrammet ble først definert av Reiber og Felgenhauer i 1987 for de store klassene av immunglobuliner (igs)11, som empirisk basert på resultatene Hentet fra analyse av tusenvis av menneskelige prøver9. Tilnærmingen ble senere bekreftet av anvendelsen av de to Fick ‘ s lover diffusjon i teorien om molekylær diffusjon/flow rate12. En slik teori demonstrerer spredningen av et protein gjennom barrieren har en hyperbolske fordeling og kan kvantitativt forklare dynamikken av proteiner i CNS9,13. Samlet sett er fordelen med å bruke Reibergram for å demonstrere intratekal proteinsyntese at det samtidig identifiserer protein fraksjon som kommer inn i CSF fra serum samt mengden protein som finnes i CSF på grunn av lokal produksjon.
Den nåværende artikkelen og den relaterte protokollen beskriver hele prosedyren, fra CSF og blod samling til den endelige beregningene korrigere CSF proteinnivåer, for den kvantitative måling av intratekal proteinsyntese i musemodeller av nevrologiske Lidelser. Denne prosedyren gir en Baseline mot å vurdere (1) den patofysiologiske opprinnelsen til noen CSF protein og (2) stabilitet og funksjonell betydning av barriere integritet. Denne prosedyren og protokollen er ikke bare nyttig for å vurdere musen CSF prøver, men er også nyttig i å analysere CSF i en rekke dyremodeller av nevrologiske sykdommer og menneskelige pasienter.
Protocol
Representative Results
Discussion
Kvantitative metoder for evaluering av økt CSF protein konsentrasjoner er nyttige verktøy i karakterisering av fysiologiske og patologiske tilstand av CNS. Men utover pålitelig kvantifisering av CSF proteinnivåer, påvisning av CSF proteiner krever et uttrykk for resultater som diskriminerer mellom blod-og CNS-avledet fraksjoner i CSF. Men hittil har de ofte brukte protein kvantifisering analysene ikke tillater diskriminering mellom de to protein komponentene, selv ved hjelp av høy gjennomstrømming verktøy. Derfor…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker personalet på Center for sammenlignende medisin og forskning (CCMR) på Dartmouth for deres eksperthjelp av musene som brukes for disse studiene. Den Bornstein Research Fund finansiert denne forskningen.
Materials
| 1 mL insulin syringe | BD | 329650 | |
| 1 mL syringe | BD | 329622 | |
| 25 gauge needle | BD | 305122 | |
| 3 mL syringe | BD | 309582 | |
| 30 gauge insulin needle | BD | 305106 | |
| Absorbent pads | Any suitable brand | ||
| Acepromazine | Patterson Vet Supply Inc | ||
| BioPlex Handheld Magnetic Washer | BioRad | 171020100 | Magnet |
| BioPlex MAGPIX Multiplex Reader | BioRad | 171015001 | |
| BioPlex Pro Flat Bottom Plates | BioRad | 171025001 | |
| Biotinilated detection antibody | Any suitable source | The antibody has to be directed against the species of the protein of interest. | |
| Bovine Serum Albumin (BSA) | Sigma | A4503 | |
| Buprenorphine hydrochloride | PAR Pharmaceutical | NDC 42023-179-05 | |
| Capillary Tubes | Sutter Instrument | B100-75-10 | OD: 1.0 mm, ID: 0.75 mm Borosilicate glass 10 cm; drawn over Bunsen to make ID smaller. |
| Centrifuge tube, 0.2 mL | VWR | 20170-012 | |
| Centrifuge tube, 0.5 mL | VWR | 87003-290 | |
| Centrifuge tube, 1.5 mL | VWR | 87003-294 | |
| Chlorhexidine diacetate | Nolvasan | E004272 | |
| Disposable pipettes tips | Any suitable brand | ||
| Ear bars | KOPF Instruments | 1921 or 1922 | |
| Ethanol | Kopter | V1001 | |
| Freezer | VWR | VWR32086A | |
| Gauze | Medline | NON25212 | |
| Heating pad | Sunbeam | XL King Size SoftTouch, 4 Heat Settings with Auto-Off, Teal, 12-Inch x 24-Inch | |
| Induction Chamber | VETEQUIP | ||
| Isoflurane | Patterson Vet Supply Inc | NDC 14043-704-06 | |
| Ketamine (KetaVed) | Patterson Vet Supply Inc | ||
| MagPlex Microspheres (antibody-coupled) | BioRad | Antibody-coupled magnetic bead | |
| Microplate Shaker | Southwest Scientific | SBT1500 | |
| Microretractors | Carfill Quality | ACD-010 | Blunt – 1 mm |
| Microsoft Office (Excel) | Microsoft | ||
| MilliPlex MAP Mouse Immunoglobulin Isotyping Magnetic Bead Panel | EMD Millipore | MGAMMAG-300K | Commercial kit for the quantification through Luminex of a panel of immunoglobulin isotypes and subclasses in mouse fluids. |
| Mouse Albumin capture ELISA kit | Novus Biological | NBP2-60484 | Commercial kit for the quantification through ELISA of albumin in mouse fluids. |
| Multichannel pipette | Eppendorf | 3125000060 | |
| Non-Sterile swabs | MediChoice | WOD1002 | Need to be autoclaved for sterility |
| Oxygen | AIRGAS | OX USPEA | |
| Pasteur Pippettes | Fisher | 13-678-20A | 5 & 3/4" |
| PDS suture with disposable needle, 6-0 Prolen | Patterson Vet | 8695G | P-3 Reverse Cutting, 18" |
| PE-Streptavidin | BD Biosciences | 554061 | |
| Pipetters | Eppendorf | Research seriers | |
| Polyethylene tubing | |||
| Refrigerated Centrifuge | Beckman Coulter | ALLEGRA X-12R | |
| Scale | Uline | H2716 | |
| Scalpel | Feather | EF7281 | |
| Shaver | Harvard Apparatus | 52-5204 | |
| Standard proteins | Any suitable source | The best choice for a reference standard is a purified, known concentration of the protein of interest. | |
| Stereotaxic instrument | KOPF Instruments | Model 900LS | Standard Accessories |
| Sterile 1 x PBS | Corning Cellgro | 21-040-CV | |
| Sterile saline | Baxter | 0338-0048-02 | 0.9 % Sodium Chloride Irrigation USP |
| Surgical Forceps Curved, 7 (2) | Fine Science Tools | 11271-30 | Dumont |
| Surgical Scissors | Fine Science Tools | 14094-11 | Stainless 25x |
| Vaporizer + Flow meter | Moduflex Anhestesia Instruments | ||
| Vortex | Fisher | 02-215-414 | |
| Warming pad | Kent Scientific Corporation | RT-JR-20 | |
| Water Sonicator | Cole Parmer | EW-08895-01 | |
| Xylazine | Patterson Vet Supply Inc |
Referências
- Whedon, J. M., Glassey, D. Cerebrospinal fluid stasis and its clinical significance. Alternative Therapies in Health and Medicine. 15 (3), 54-60 (2009).
- Kang, J. H., Vanderstichele, H., Trojanowski, J. Q., Shaw, L. M. Simultaneous analysis of cerebrospinal fluid biomarkers using microsphere-based xMAP multiplex technology for early detection of Alzheimer’s disease. Methods. 56 (4), 484-493 (2012).
- Barro, C., et al. Fluid biomarker and electrophysiological outcome measures for progressive MS trials. Multiple Sclerosis. 23 (12), 1600-1613 (2017).
- Tourtellotte, W. W., et al. Multiple sclerosis: measurement and validation of central nervous system IgG synthesis rate. Neurology. 30 (3), 240-244 (1980).
- Bonnan, M. Intrathecal IgG synthesis: a resistant and valuable target for future multiple sclerosis treatments. Multiple Sclerosis International. 2015, 296184 (2015).
- Reiber, H. Cerebrospinal fluid–physiology, analysis and interpretation of protein patterns for diagnosis of neurological diseases. Multiple Sclerosis. 4 (3), 99-107 (1998).
- DiSano, K. D., Linzey, M. R., Royce, D. B., Pachner, A. R., Gilli, F. Differential neuro-immune patterns in two clinically relevant murine models of multiple sclerosis. Journal of Neuroinflammation. 16 (1), 109 (2019).
- Pachner, A. R., Li, L., Lagunoff, D. Plasma cells in the central nervous system in the Theiler’s virus model of multiple sclerosis. Journal of Neuroimmunology. 232 (1-2), 35-40 (2011).
- Reiber, H. Flow rate of cerebrospinal fluid (CSF)–a concept common to normal blood-CSF barrier function and to dysfunction in neurological diseases. Journal of Neurological Sciences. 122 (2), 189-203 (1994).
- Reiber, H., Zeman, D., Kusnierova, P., Mundwiler, E., Bernasconi, L. Diagnostic relevance of free light chains in cerebrospinal fluid – The hyperbolic reference range for reliable data interpretation in quotient diagrams. Clinica Chimica Acta. 497, 153-162 (2019).
- Reiber, H., Felgenhauer, K. Protein transfer at the blood cerebrospinal fluid barrier and the quantitation of the humoral immune response within the central nervous system. Clinica Chimica Acta. 163 (3), 319-328 (1987).
- Dorta-Contreras, A. J. Reibergrams: essential element in cerebrospinal fluid immunological analysis. Revista de Neurologia. 28 (10), 996-998 (1999).
- Metzger, F., Mischek, D., Stoffers, F. The Connected Steady State Model and the Interdependence of the CSF Proteome and CSF Flow Characteristics. Frontiers Neuroscience. 11, 241 (2017).
- Wolforth, J. Methods of blood collection in the mouse. Laboratory Animals. 29, 47-53 (2000).
- Liu, L., Duff, K. A technique for serial collection of cerebrospinal fluid from the cisterna magna in mouse. Journal of Visualized Experiments. (21), e960 (2008).
- Machholz, E., Mulder, G., Ruiz, C., Corning, B. F., Pritchett-Corning, K. R. Manual restraint and common compound administration routes in mice and rats. Journal of Visualized Experiments. (67), e2771 (2012).
- Johnston, S. A., Tobias, K. M. Veterinary Surgery: Small Animal Expert Consult – E-Book. Elsevier Health Sciences. , (2017).
- Nigrovic, L. E., Shah, S. S., Neuman, M. I. Correction of cerebrospinal fluid protein for the presence of red blood cells in children with a traumatic lumbar puncture. Journal of Pediatrics. 159 (1), 158-159 (2011).
- McCarthy, D. P., Richards, M. H., Miller, S. D. Mouse models of multiple sclerosis: experimental autoimmune encephalomyelitis and Theiler’s virus-induced demyelinating disease. Methods in Molecular Biology. 900, 381-401 (2012).
- Link, H., Tibbling, G. Principles of albumin and IgG analyses in neurological disorders. II. Relation of the concentration of the proteins in serum and cerebrospinal fluid. Scandinavian Journal of Clinical Laboratory Investigation. 37 (5), 391-396 (1977).
- Tibbling, G., Link, H., Ohman, S. Principles of albumin and IgG analyses in neurological disorders. I. Establishment of reference values. Scandinavian Journal of Clinical Laboratory Investigation. 37 (5), 385-390 (1977).
- Deisenhammer, F., et al. Guidelines on routine cerebrospinal fluid analysis. Report from an EFNS task force. European Journal of Neurology. 13 (9), 913-922 (2006).
- Johanson, C. E., Stopa, E. G., McMillan, P. N. The blood-cerebrospinal fluid barrier: structure and functional significance. Methods in Molecular Biology. 686, 101-131 (2011).
- Zaias, J., Mineau, M., Cray, C., Yoon, D., Altman, N. H. Reference values for serum proteins of common laboratory rodent strains. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 48 (4), 387-390 (2009).
- Felgenhauer, K., Renner, E. Hydrodynamic radii versus molecular weights in clearance studies of urine and cerebrospinal fluid. Annals of Clinical Biochemistry. 14 (2), 100-104 (1977).
- Pachner, A. R., DiSano, K., Royce, D. B., Gilli, F. Clinical utility of a molecular signature in inflammatory demyelinating disease. Neurology, Neuroimmunology & Neuroinflammation. 6 (1), 520 (2019).
- Pachner, A. R., Li, L., Gilli, F. Chemokine biomarkers in central nervous system tissue and cerebrospinal fluid in the Theiler’s virus model mirror those in multiple sclerosis. Cytokine. 76 (2), 577-580 (2015).
- Gerbi, C. Protein concentration in the arterial and venous renal blood serum of the rabbit. Archives of Biochemistry and Biophysics. 31 (1), 49-61 (1951).
- Abbott, N. J., Patabendige, A. A., Dolman, D. E., Yusof, S. R., Begley, D. J. Structure and function of the blood-brain barrier. Neurobiology of Disease. 37 (1), 13-25 (2010).
- Reiber, H. Proteins in cerebrospinal fluid and blood: barriers, CSF flow rate and source-related dynamics. Restorative Neurology and Neuroscience. 21 (3-4), 79-96 (2003).
- Reiber, H. Knowledge-base for interpretation of cerebrospinal fluid data patterns. Essentials in neurology and psychiatry. Arquivos de Neuropsiquiatria. 74 (6), 501-512 (2016).
- Kuehne, L. K., Reiber, H., Bechter, K., Hagberg, L., Fuchs, D. Cerebrospinal fluid neopterin is brain-derived and not associated with blood-CSF barrier dysfunction in non-inflammatory affective and schizophrenic spectrum disorders. Journal of Psychiatric Research. 47 (10), 1417-1422 (2013).
- Bromader, S., et al. Changes in serum and cerebrospinal fluif cytokines in response to non-neurological surgery: an observational study. Journal of Neuroinflammation. 9, 242 (2012).
- Starhof, C., et al. Cerebrospinal fluid pro-inflammatory cytokines differentiate parkinsonian syndromes. Journal of Neuroinflammation. 15 (1), 305 (2018).
