Magnetische isolatie van microgliale cellen van neonate muis voor primaire celculturen
Summary
Primaire microgliaculturen worden vaak gebruikt om nieuwe ontstekingsremmende moleculen te evalueren. Het huidige protocol beschrijft een reproduceerbare en relevante methode om microglia magnetisch te isoleren van pasgeboren pups.
Abstract
Microglia, als hersenbewoner macrofagen, zijn fundamenteel voor verschillende functies, waaronder reactie op omgevingsstress en hersenhomeostase. Microglia kunnen een groot spectrum van activeringsfenotypen aannemen. Bovendien worden microglia die het pro-inflammatoire fenotype ondersteunen geassocieerd met zowel neurologische als neurodegeneratieve aandoeningen. In vitro studies worden veel gebruikt in onderzoek om potentiële therapeutische strategieën in specifieke celtypen te evalueren. In deze context is het bestuderen van microgliale activering en neuro-inflammatie in vitro met behulp van primaire microgliale culturen relevanter dan microgliale cellijnen of van stamcellen afgeleide microglia. Het gebruik van sommige primaire culturen kan echter lijden aan een gebrek aan reproduceerbaarheid. Dit protocol stelt een reproduceerbare en relevante methode voor om microglia magnetisch te isoleren van pasgeboren pups. Microgliale activering met behulp van verschillende stimuli na 4 h en 24 h door mRNA-expressiekwantificering en een Cy3-kraal fagocytische assay wordt hier gedemonstreerd. Het huidige werk zal naar verwachting een gemakkelijk reproduceerbare techniek bieden voor het isoleren van fysiologisch relevante microglia uit juveniele ontwikkelingsstadia.
Introduction
Microglia zijn de macrofaagachtige cellen van het centrale zenuwstelsel die zijn afgeleid van erytropoëtische voorlopers van de dooierzak die migreren naar het neuro-epitheel tijdens de vroege embryonale ontwikkeling1. Afgezien van hun immuniteitsfuncties, spelen ze ook een belangrijke rol tijdens de neurologische ontwikkeling, met name voor synaptogenese, neuronale homeostase en myelinisatie2. Op volwassen leeftijd ontwikkelen microglia lange cellulaire processen om de omgeving continu te scannen. In het geval van homeostaserupturen zoals hersenletsel of hersenziekte, kunnen microglia hun morfologische uiterlijk veranderen om een amoeboïde vorm aan te nemen, naar het gewonde gebied te migreren, veel cytoprotectieve of cytotoxische factoren te verhogen en vrij te geven. Microglia hebben heterogene activeringstoestanden, afhankelijk van hun ontwikkelingsstadium en het type opgelopen letsel 3,4,5. In deze studie worden deze activeringstoestanden grofweg ingedeeld in drie verschillende fenotypen: pro-inflammatoire / fagocytische, ontstekingsremmende en immunoregulerende, rekening houdend met het feit dat de situatie in werkelijkheid waarschijnlijk complexer is6.
Het bestuderen van in vivo microgliale activering en screening op neuroprotectieve strategieën in vroege stadia van de ontwikkeling van de hersenen kan een uitdaging zijn vanwege (1) de kwetsbaarheid van dieren vóór het spenen en (2) het lage aantal microgliale cellen. Daarom worden in vitro studies op microglia veel gebruikt voor toxiciteit 7,8,9, neuroprotectieve strategieën 5,10,11,12,13,14 en co-culturen 15,16,17,18,19,20,21 . In vitro studies kunnen microgliale cellijnen, van stamcellen afgeleide microglia of primaire microgliacultuur gebruiken. Al deze benaderingen hebben voor- en nadelen en de keuze hangt af van de initiële biologische vraag. De voordelen van het gebruik van primaire microgliaculturen zijn de homogene genetische achtergrond, pathogeenvrije geschiedenis en controle van de tijd waarin de microglia worden gestimuleerd na de dood van het dier22.
In de loop der jaren werden verschillende methoden (flowcytometrie, schudden of magnetisch labelen) ontwikkeld voor het kweken van primaire microglia van knaagdieren, zowel pasgeborenen als volwassen 23,24,25,26,27,28,29. In het huidige werk wordt microglia-isolatie van muisneaatpups uitgevoerd met behulp van eerder beschreven magnetisch geactiveerde celsorteertechnologie met behulp van microbead-gecoate anti-muis CD11b 25,27,29. CD11b is een integrine-receptor die tot expressie komt aan het oppervlak van myeloïde cellen, waaronder microglia. Wanneer er geen ontstekingsuitdaging in de hersenen is, zijn bijna alle CD11b + -cellen microglia30. Vergeleken met andere eerder gepubliceerde methoden 23,24,25,26,27,28,29, balanceert het huidige protocol onmiddellijke ex vivo microgliale activeringsanalyses en gemeenschappelijke in vitro primaire microgliale cultuur. Microglia worden dus (1) geïsoleerd op postnatale dag (P)8 zonder myelineverwijdering, (2) gekweekt zonder serum en (3) blootgesteld aan siRNA, miRNA, farmacologische verbinding en/of ontstekingsprikkels slechts 48 uur na hersenisolatie. Elk van deze drie aspecten maakt het huidige protocol relevant en snel. Allereerst maakt het gebruik van pediatrische microglia het mogelijk om dynamische en reactieve levensvatbare cellen in cultuur te verkrijgen zonder dat een extra demyelinisatiestap nodig is die mogelijk de microgliale reactiviteit in vitro zou kunnen wijzigen. Het huidige protocol heeft als doel om zo dicht mogelijk bij de fysiologische omgeving van microglia te komen. Inderdaad, microglia komen nooit serum tegen, en dit protocol vereist ook niet het gebruik van serum. Bovendien voorkomt het blootstellen van microglia al 48 uur na het kweken dat ze hun fysiologische vermogens verliezen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige werk presenteert een primaire microgliale celcultuur met behulp van magnetisch gesorteerde CD11b + -cellen. Naast de microgliale functionele evaluatie (RT-qPCR en fagocytische assays) werd ook de microgliale cultuurzuiverheid bepaald.
Klassieke microgliacelculturen worden vaak gegenereerd uit P1- of P2-knaagdierneaatheren en co-cultuur met astrocyten gedurende ten minste 10 dagen. Microglia worden vervolgens mechanisch gescheiden met behulp van een orbitale shaker. De methode om mi…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Figuren zijn gemaakt met Behulp van BioRender. Onderzoek wordt gefinancierd door Inserm, Université de Paris, Horizon 2020 (PREMSTEM-874721), Fondation de France, Fondation ARSEP, Fondation pour la Recherche sur le Cerveau, Fondation Grace de Monaco, en een aanvullende subsidie van Investissement d’Avenir -ANR-11-INBS-0011-NeurATRIS en Investissement d’Avenir -ANR-17-EURE-001-EUR G.E.N.E.
Materials
| Anti mouse ACSA-2 PE Vio 615 | Miltenyi Biotec | 130-116-246 | |
| Anti mouse CD11b BV421 | Sony Biotechnology | 1106255 | |
| Anti mouse CD45 BV510 | Sony Biotechnology | 1115690 | |
| Anti mouse CX3CR1 PE Cy7 | Sony Biotechnology | 1345075 | |
| Anti mouse NeuN PE | Milli-Mark | FCMAB317PE | |
| anti mouse O4 Vio Bright B515 | Miltenyi Biotec | 130-120-016 | |
| BD Cytofix/Cytoperm permeabilization kit | BD Biosciences | 554655 | |
| Bovine Serum Albumin | Miltenyi Biotec | 130-091-376 | |
| CD11b (Microglia) MicroBeads, h, m | Miltenyi Biotec | 130-093-634 | |
| Confocal microscope | Leica TCS SP8 | ||
| D-PBS (10x) | Thermo Scientific | 14200067 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich | E1644 | |
| Falcon Cell culture 12-well plate, flat bottom + lid | Dutscher | 353043 | |
| Falcon Cell culture 96-well plate, flat bottom + lid | Dutscher | 353072 | |
| Falcon tubes 50 mL | Dutscher | 352098 | |
| Fc blocking reagent (Mouse CD16/32) | BD Biosciences | 553142 | |
| Fluorescence microscope | Nikon ECLIPSE TE300 | ||
| gentleMACS C Tubes (4 x 25 tubes) | Miltenyi Biotec | 130-096-334 | |
| gentleMACS Octo Dissociator with Heaters | Miltenyi Biotec | 130-096-427 | |
| Hanks' Balanced Salt Solution (HBSS) +CaCl2 +MgCl2 10x | Thermo Scientific | 14065049 | |
| Hanks' Balanced Salt Solution (HBSS) -CaCl2 -MgCl2 10x | Thermo Scientific | 14185045 | |
| iQ SYBR Green Supermix | Bio-rad | 1725006CUST | |
| Iscript c-DNA synthesis | Bio-rad | 1708890 | |
| Latex beads, amine-modified polystyrene, fluorescent red | Sigma-Aldrich | L2776-1mL | |
| Lipopolysaccharides (LPS) from Escherichia coli O55:B5 | Sigma-Aldrich | L2880 | |
| Macrophage-SFM serum-free medium | Thermo Scientific | 12065074 | |
| MACS BSA Stock Solution | Miltenyi Biotec | 130-091-376 | |
| MACS SmartStrainers (70 μm), 4 x 25 pcs | Miltenyi Biotec | 130-110-916 | |
| Mouse IgG1 PE | Millipore | MABC002H | |
| Mouse IgG2a PE Cy7 | Sony Biotechnology | 2601265 | |
| Mouse IL1 beta | Miltenyi Biotec | 130-101-684 | |
| Multi-24 Column Blocks | Miltenyi Biotec | 130-095-691 | |
| MultiMACS Cell24 Separator | Miltenyi Biotec | ||
| Neural Tissue Dissociation Kit – Papain | Miltenyi Biotec | 130-092-628 | |
| Nucleocounter NC-200 | Chemometec | ||
| Nucleospin RNA Plus XS | Macherey Nagel | 740990.5 | |
| Nun EZFlip Top Conical Centrifuge Tubes | Thermo Scientific | 362694 | |
| OPTILUX Petri dish – 100 x 20 mm | Dutscher | 353003 | |
| Pénicilline-streptomycine (10 000 U/mL) | Thermo Scientific | 15140122 | |
| Rat IgG2b, k BV421 | BD Biosciences | 562603 | |
| Rat IgG2b, k BV510 | Sony Biotechnology | 2603230 | |
| REA control (S) PE vio 615 | Miltenyi Biotec | 130-104-616 | |
| REA control (S) Vio Bright B515 | Miltenyi Biotec | 130-113-445 | |
| Recombinant Mouse IFN-gamma Protein | R&D System | 485-MI | |
| Recombinant Mouse IL-10 Protein | R&D System | 417-ML | |
| Recombinant Mouse IL-4 Protein | R&D System | 404-ML | |
| RIPA Buffer | Sigma-Aldrich | R0278 | |
| Viability probe (FVS780) | BD Biosciences | 565388 |
Referências
- Kierdorf, K., et al. Microglia emerge from erythromyeloid precursors via Pu.1- and Irf8-dependent pathways. Nature Neuroscience. 16 (3), 273-280 (2013).
- Wright-Jin, E. C., Gutmann, D. H. Microglia as dynamic cellular mediators of brain function. Trends in Molecular Medicine. 25 (11), 967-979 (2019).
- Hellstrom Erkenstam, N., et al. Temporal characterization of microglia/macrophage phenotypes in a mouse model of neonatal hypoxic-ischemic brain injury. Frontiers in Cellular Neuroscience. 10, 286 (2016).
- Chhor, V., et al. Role of microglia in a mouse model of paediatric traumatic brain injury. Brain, Behavior, and Immunity. 63, 197-209 (2017).
- Van Steenwinckel, J., et al. Decreased microglial Wnt/beta-catenin signalling drives microglial pro-inflammatory activation in the developing brain. Brain. 142 (12), 3806-3833 (2019).
- Chhor, V., et al. Characterization of phenotype markers and neuronotoxic potential of polarised primary microglia in vitro. Brain, Behavior, and Immunity. 32, 70-85 (2013).
- Di Pietro, P., et al. Bisphenol A induces DNA damage in cells exerting immune surveillance functions at peripheral and central level. Chemosphere. 254, 126819 (2020).
- Roque, P. J., Dao, K., Costa, L. G. Microglia mediate diesel exhaust particle-induced cerebellar neuronal toxicity through neuroinflammatory mechanisms. Neurotoxicology. 56, 204-214 (2016).
- Yun, H. S., Oh, J., Lim, J. S., Kim, H. J., Kim, J. S. Anti-inflammatory effect of wasp venom in BV-2 microglial cells in comparison with bee venom. Insects. 12 (4), 297 (2021).
- Nair, S., et al. Lipopolysaccharide-induced alteration of mitochondrial morphology induces a metabolic shift in microglia modulating the inflammatory response in vitro and in vivo. Glia. 67 (6), 1047-1061 (2019).
- Fleiss, B., et al. The anti-inflammatory effects of the small molecule pifithrin-micro on BV2 microglia. Developmental Neuroscience. 37 (4-5), 363-375 (2015).
- Dean, J. M., et al. Microglial MyD88 signaling regulates acute neuronal toxicity of LPS-stimulated microglia in vitro. Brain, Behavior, and Immunity. 24 (5), 776-783 (2010).
- Tang, Y., Wolk, B., Nolan, R., Scott, C. E., Kendall, D. A. Characterization of subtype selective cannabinoid CB2 receptor agonists as potential anti-inflammatory agents. Pharmaceuticals (Basel). 14 (4), 378 (2021).
- Liu, C. P., et al. miR146a reduces depressive behavior by inhibiting microglial activation. Molecular Medicine Reports. 23 (6), 463 (2021).
- Aquino, G. V., Dabi, A., Odom, G. J., Zhang, F., Bruce, E. D. Evaluating the endothelial-microglial interaction and comprehensive inflammatory marker profiles under acute exposure to ultrafine diesel exhaust particles in vitro. Toxicology. 454, 152748 (2021).
- You, J. E., Jung, S. H., Kim, P. H. The effect of Annexin A1 as a potential new therapeutic target on neuronal damage by activated microglia. Molecules and Cells. 44 (4), 195-206 (2021).
- Xie, Z., et al. By regulating the NLRP3 inflammasome can reduce the release of inflammatory factors in the co-culture model of tuberculosis H37Ra strain and rat microglia. Frontiers in Cellular and Infection Microbiology. 11, 637769 (2021).
- Ogunrinade, F. A., et al. Zanthoxylum zanthoxyloides inhibits lipopolysaccharide- and synthetic hemozoin-induced neuroinflammation in BV-2 microglia: roles of NF-kappaB transcription factor and NLRP3 inflammasome activation. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 73 (1), 118-134 (2021).
- Fernandez-Arjona, M. D. M., Leon-Rodriguez, A., Lopez-Avalos, M. D., Grondona, J. M. Microglia activated by microbial neuraminidase contributes to ependymal cell death. Fluids Barriers CNS. 18 (1), 15 (2021).
- Du, S., et al. Primary microglia isolation from postnatal mouse brains. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (168), e62237 (2021).
- Boccazzi, M., et al. The immune-inflammatory response of oligodendrocytes in a murine model of preterm white matter injury: the role of TLR3 activation. Cell Death & Disease. 12 (2), 166 (2021).
- Timmerman, R., Burm, S. M., Bajramovic, J. J. An overview of in vitro methods to study microglia. Frontiers in Cellular Neuroscience. 12, 242 (2018).
- Nikodemova, M., Watters, J. J. Efficient isolation of live microglia with preserved phenotypes from adult mouse brain. Journal of Neuroinflammation. 9, 147 (2012).
- Bennett, M. L., et al. New tools for studying microglia in the mouse and human CNS. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 113 (12), 1738-1746 (2016).
- Bohlen, C. J., Bennett, F. C., Bennett, M. L. Isolation and culture of microglia. Current Protocols in Immunology. 125 (1), 70 (2019).
- Schroeter, C. B., et al. One brain-all cells: A comprehensive protocol to isolate all principal CNS-resident cell types from brain and spinal cord of adult healthy and EAE mice. Cells. 10 (3), 651 (2021).
- Harms, A. S., Tansey, M. G. Isolation of murine postnatal brain microglia for phenotypic characterization using magnetic cell separation technology. Methods in Molecular Biology. 1041, 33-39 (2013).
- Pan, J., Wan, J. Methodological comparison of FACS and MACS isolation of enriched microglia and astrocytes from mouse brain. Journal of Immunological Methods. 486, 112834 (2020).
- Montilla, A., Zabala, A., Matute, C., Domercq, M. Functional and metabolic characterization of microglia culture in a defined medium. Frontiers in Cellular Neuroscience. 14, 22 (2020).
- Krishnan, M. L., et al. Integrative genomics of microglia implicates DLG4 (PSD95) in the white matter development of preterm infants. Nature Communications. 8 (1), 428 (2017).
- Bokobza, C., et al. miR-146b protects the perinatal brain against microglia-induced hypomyelination. Annals of Neurology. 91 (1), 48-65 (2021).
- Villapol, S., et al. Early sex differences in the immune-inflammatory responses to neonatal ischemic stroke. International Journal of Molecular Sciences. 20 (15), 3809 (2019).
- Rosiewicz, K. S., et al. Comparison of RNA isolation procedures for analysis of adult murine brain and spinal cord astrocytes. Journal of Neuroscience Methods. 333, 108545 (2020).
- Fleiss, B., et al. Microglia-mediated neurodegeneration in perinatal brain injuries. Biomolecules. 11 (1), 99 (2021).
- Pawelec, P., Ziemka-Nalecz, M., Sypecka, J., Zalewska, T. The Impact of the CX3CL1/CX3CR1 axis in neurological disorders. Cells. 9 (10), 2277 (2020).
- Reynolds, R., Cenci di Bello, I., Dawson, M., Levine, J. The response of adult oligodendrocyte progenitors to demyelination in EAE. Progress in Brain Research. 132, 165-174 (2001).
- Duan, W., et al. Novel insights into NeuN: From neuronal marker to splicing regulator. Molecular Neurobiology. 53 (3), 1637-1647 (2016).
- Kantzer, C. G., et al. Anti-ACSA-2 defines a novel monoclonal antibody for prospective isolation of living neonatal and adult astrocytes. Glia. 65 (6), 990-1004 (2017).
- Lee, S., Lee, D. K. What is the proper way to apply the multiple comparison test. Korean Journal of Anesthesiology. 71 (5), 353-360 (2018).
- Chao, C. C., Hu, S., Molitor, T. W., Shaskan, E. G., Peterson, P. K. Activated microglia mediate neuronal cell injury via a nitric oxide mechanism. Journal of Immunology. 149 (8), 2736-2741 (1992).
- Boje, K. M., Arora, P. K. Microglial-produced nitric oxide and reactive nitrogen oxides mediate neuronal cell death. Brain Research. 587 (2), 250-256 (1992).
- Biber, K., Owens, T., Boddeke, E. What is microglia neurotoxicity (Not). Glia. 62 (6), 841-854 (2014).
- Biber, K., Neumann, H., Inoue, K., Boddeke, H. W. Neuronal ‘On’ and ‘Off’ signals control microglia. Trends in Neurosciences. 30 (11), 596-602 (2007).
- Ransohoff, R. M., Cardona, A. E. The myeloid cells of the central nervous system parenchyma. Nature. 468 (7321), 253-262 (2010).
- Boucsein, C., Kettenmann, H., Nolte, C. Electrophysiological properties of microglial cells in normal and pathologic rat brain slices. European Journal of Neuroscience. 12 (6), 2049-2058 (2000).
- Beutner, C., et al. Unique transcriptome signature of mouse microglia. Glia. 61 (9), 1429-1442 (2013).
- Schmid, C. D., et al. Differential gene expression in LPS/IFNgamma activated microglia and macrophages: in vitro versus in vivo. Journal of Neurochemistry. 109, 117-125 (2009).
- Srivastava, P. K., et al. A systems-level framework for drug discovery identifies Csf1R as an anti-epileptic drug target. Nature Communications. 9 (1), 3561 (2018).
