3D modellering van de laterale ventrikels en histologische karakterisering van periventriculaire Tissue bij de mens en muis
Summary
Using MRI scans (human), 3D imaging software, and immunohistological analysis, we document changes to the brain’s lateral ventricles. Longitudinal 3D mapping of lateral ventricle volume changes and characterization of periventricular cellular changes that occur in the human brain due to aging or disease are then modeled in mice.
Abstract
The ventricular system carries and circulates cerebral spinal fluid (CSF) and facilitates clearance of solutes and toxins from the brain. The functional units of the ventricles are ciliated epithelial cells termed ependymal cells, which line the ventricles and through ciliary action are capable of generating laminar flow of CSF at the ventricle surface. This monolayer of ependymal cells also provides barrier and filtration functions that promote exchange between brain interstitial fluids (ISF) and circulating CSF. Biochemical changes in the brain are thereby reflected in the composition of the CSF and destruction of the ependyma can disrupt the delicate balance of CSF and ISF exchange. In humans there is a strong correlation between lateral ventricle expansion and aging. Age-associated ventriculomegaly can occur even in the absence of dementia or obstruction of CSF flow. The exact cause and progression of ventriculomegaly is often unknown; however, enlarged ventricles can show regional and, often, extensive loss of ependymal cell coverage with ventricle surface astrogliosis and associated periventricular edema replacing the functional ependymal cell monolayer. Using MRI scans together with postmortem human brain tissue, we describe how to prepare, image and compile 3D renderings of lateral ventricle volumes, calculate lateral ventricle volumes, and characterize periventricular tissue through immunohistochemical analysis of en face lateral ventricle wall tissue preparations. Corresponding analyses of mouse brain tissue are also presented supporting the use of mouse models as a means to evaluate changes to the lateral ventricles and periventricular tissue found in human aging and disease. Together, these protocols allow investigations into the cause and effect of ventriculomegaly and highlight techniques to study ventricular system health and its important barrier and filtration functions within the brain.
Introduction
Een ependymale celmonolaag lijnen het ventriculaire systeem van de hersenen leveren bi-directionele barrière en transport functies tussen de cerebrospinale vloeistof (CSF) en interstitiële vloeistof (ISF) 1-3. Deze functies helpen de hersenen giftige stof-vrij en in fysiologische evenwicht 2,3 bewaren. Bij mensen verlies van delen van deze ommanteling met beschadiging of ziekte lijkt niet te leiden tot regeneratieve vervanging zoals in andere epitheliale bekledingen; eerder verlies van ependymale cel dekking lijkt te resulteren in periventriculaire astrogliose met een vlechtwerk van de astrocyten die regio's ontdaan van ependymale cellen op het ventrikel oppervlak. Ernstige consequenties belangrijke CSF / ISF uitwisseling en klaring mechanismen worden voorspeld met verlies van deze epitheellaag 1,2,4-7.
Een gemeenschappelijk kenmerk van menselijke veroudering wordt vergroot laterale ventrikels (ventriculomegaly) en bijbehorende periventricular oedeem als OBSERVed door middel van MRI en vocht-verzwakte inversie herstel MRI (MRI / FLAIR) 8-14. Om het verband tussen ventriculomegaly en de cellulaire organisatie van het ventrikel bekleding te onderzoeken, werden humane postmortem MRI sequenties gekoppeld met histologische preparaten van laterale ventrikel periventriculaire weefsel. In geval van ventriculomegaly waren belangrijke werkgebieden gliosis ependymale cel dekking vervangen langs de laterale ventrikel wand. Als ventrikel expansie niet werd gedetecteerd door MRI-gebaseerde volume analyse de ependymale cel lining was intact en gliosis niet langs de ventrikel lining 6 gedetecteerd. Deze combinatorische aanpak vormt de eerste uitgebreide documentatie detaillering veranderingen in de cellulaire integriteit van de laterale ventrikel voering met wholemount bereidingen van delen of het gehele laterale ventrikel muur en 3D modelleren van ventrikel volumes 6. Verscheidene ziekten (ziekte van Alzheimer, schizofrenie) en letsels (traumatisch hersenletsel)tonen ventriculomegaly als een vroege neuropathologische functie. Denudation gebieden van de ependymale celbekleding daardoor zou worden voorspeld te interfereren met normale ependymale celfunctie en afbreuk doen aan de homeostatische balans tussen CSF / ISF vloeistof en opgeloste stof uitwisseling. Zo zal een grondiger onderzoek van de wijzigingen in het ventriculaire systeem, de cellulaire samenstelling, en het gevolg onderliggende of aangrenzende hersenstructuren uiteindelijk beginnen om meer over de neuropathologie geassocieerd met ventrikel uitbreiding onthullen.
Het ontbreken van multimodale beeldgegevens, inzonderheid longitudinale gegevensreeksen, samen met de beperkte toegang tot overeenkomstige histologische weefselmonsters maakt analyse van menselijke hersenen pathologieën moeilijk. Modelleren fenotypes gevonden in menselijke veroudering of ziekte kan vaak worden bereikt met muismodellen en diermodellen uitgegroeid tot een van onze beste middel om vragen over de ziekte bij de mens initiatie en progressie te verkennen. Verschillende studies ingezonde jonge muizen hebben de cytoarchitecture van de laterale ventrikel muren en de onderliggende stamcellen niche 4,7-15 beschreven. Deze studies zijn uitgebreid tot 3D-modellering en cellulaire analyse van het ventrikel muren onder door veroudering 6,15. Noch periventriculaire gliosis noch ventriculomegaly worden waargenomen in de leeftijd van muizen, in plaats van muizen vertonen een relatief robuuste subventicular zone (SVZ) stamcel niche onderliggende aan een intacte ependymale cel voering 6,15. Aldus opvallende species-specifieke verschillen bestaan in zowel het algemene onderhoud en de integriteit van het laterale ventrikel bekleding gedurende het verouderingsproces 6,15. Daarom, om optimaal gebruik muizen bij de mens omstandigheden ondervragen verschillen tussen de twee soorten moeten worden gekarakteriseerd en passend beschouwd in elk model paradigma. Hier presenteren we procedures longitudinale veranderingen in de laterale ventrikels en de bijbehorende periventriculaire weefsel in zowel mensen als m evaluerenouse. Onze procedures omvatten 3D-rendering en volumetrie van zowel muis en mens ventrikels, en het gebruik van immunohistochemische analyse van hele berg voorbereidingen van periventricular weefsel om zowel de cellulaire organisatie en structuur karakteriseren. Samen deze werkzaamheden een middel om veranderingen in het ventriculaire stelsel, periventriculaire weefsel te karakteriseren.
Protocol
Representative Results
Discussion
We presenteren instrumenten en protocollen die kunnen worden gebruikt om de integriteit van de hersenen ventrikelsysteem bij muizen en bij de mens te evalueren. Deze hulpmiddelen kunnen echter ook worden toegepast op andere hersenstructuren of orgaansystemen die verandert als gevolg van letsel, ziekte ondergaan, of tijdens het verouderingsproces 14,21,22. De strategieën gepresenteerd take voordeel van software die het mogelijk maakt de uitlijning van cross-sectionele en longitudinale MRI sequenties voor 3D v…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
An NINDS Grant NS05033 (JCC) supported this work. The University of Connecticut RAC, SURF and OUR programs provided additional support.
Materials
| Name of the Materal/Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Phosphate buffered saline (PBS) | Life Technologies | 21600-069 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Electron Microscopy Sciences | 19210 | Use at 4% in PBS, 4 °C |
| Normal Horse Serum | Life Technologies | 16050 | 10% in PBS-TX (v/v) |
| Normal Goat Serum | Life Technologies | 16210 | 10% in PBS-TX (v/v) |
| Triton X-100 (TX) | Sigma-Aldrich | T8787 | 0.1% in PBS (v/v) |
| Vibratome | Leica | VT1000S | |
| Fluorescence Microscope | Zeiss | Imager.M2 | |
| Camera | Hamamatsu | ORCA R2 | |
| Microscope Stage Controller | Ludl Electronic Products | MAC 6000 | |
| Stereology software | MBF Bioscience | Stereo Investigator 11 | |
| Stereology software | ImageJ/NIH | NIH freeware | |
| 3D Reconstruction software | MBF Bioscience | Neurolucida Explorer | |
| Confocal Microscope | Leica | TCS SP2 | |
| MRI Software | |||
| Freesurfer | https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/DownloadAndInstall | Segmentation and Volume | |
| ITK-Snap | http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php | Segmentation and Volume | |
| Multi-image Analysis GUI (Mango) | http://ric.uthscsa.edu/mango/ | Longitudinal overlay | |
| Whole Mount Equipment | |||
| 22.5° microsurgical straight stab knife | Fisher Scientific | NC9854830 | |
| parafilm | |||
| wax bottom dissecting dish | |||
| pins | |||
| fine forceps | |||
| aquapolymount | |||
| Dissecting Microscope | Leica | MZ95 | |
| Whole Mount Antibodies | |||
| mouse anti-b-catenin | BD Bioschiences, San Jose, CA, USA | 1:250 | |
| goat anti-GFAP | Santa Cruz Biotechnology | 1:250 | |
| rabbit anti-AQP4 (aquaporin-4) | Sigma-Aldrich | 1:400 | |
| Coronal Antibodies | |||
| Anti-S100β antibody | Sigma-Aldrich | 1:500 | |
| 4’,6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Life Technologies | D-1306 | 10 µg/mL in PBS |
References
- Del Bigio, M. R. Ependymal cells: biology and pathology. Acta Neuropathol. 119, 55-73 (2010).
- Johanson, C., et al. The distributional nexus of choroid plexus to cerebrospinal fluid, ependyma and brain: toxicologic/pathologic phenomena, periventricular destabilization, and lesion spread. Toxicol Pathol. 39, 186-212 (2011).
- Roales-Bujan, R., et al. Astrocytes acquire morphological and functional characteristics of ependymal cells following disruption of ependyma in hydrocephalus. Acta Neuropathologica. 124, 531-546 (2012).
- Cserr, H. F. Physiology of the choroid plexus. Physiol Rev. 51, 273-311 (1971).
- Iliff, J. J., et al. A paravascular pathway facilitates CSF flow through the brain parenchyma and the clearance of interstitial solutes, including amyloid beta. Science Translational Medicine. 4, 147ra111 (2012).
- Shook, B. A., et al. Ventriculomegaly associated with ependymal gliosis and declines in barrier integrity in the aging human and mouse brain. Aging Cell. , (2013).
- Xie, L., et al. Sleep drives metabolite clearance from the adult brain. Science. 342, 373-377 (2013).
- Fazekas, F., et al. Pathologic correlates of incidental MRI white matter signal hyperintensities. Neurology. 43, 1683-1689 (1993).
- Meier-Ruge, W., Ulrich, J., Bruhlmann, M., Meier, E. Age-related white matter atrophy in the human brain. Ann N Y Acad Sci. 673, 260-269 (1992).
- Resnick, S. M., Pham, D. L., Kraut, M. A., Zonderman, A. B., Davatzikos, C. Longitudinal magnetic resonance imaging studies of older adults: a shrinking brain. The Journal Of Neuroscience : The Official Journal Of The Society For Neuroscience. 23, 3295-3301 (2003).
- Sener, R. N. Callosal changes in obstructive hydrocephalus: observations with FLAIR imaging, and diffusion MRI. Comput Med Imaging Graph. 26, 333-337 (2002).
- Sze, G., et al. Foci of MRI signal (pseudo lesions) anterior to the frontal horns: histologic correlations of a normal finding. AJR Am J Roentgenol. 147, 331-337 (1986).
- Tisell, M., et al. Shunt surgery in patients with hydrocephalus and white matter changes. Journal of Neurosurgery. 114, 1432-1438 (2011).
- Valdes Hernandez Mdel, C., et al. Automatic segmentation of brain white matter and white matter lesions in normal aging: comparison of five multispectral techniques. Magn Reson Imaging. 30, 222-229 (2012).
- Shook, B. A., Manz, D. H., Peters, J. J., Kang, S., Conover, J. C. Spatiotemporal changes to the subventricular zone stem cell pool through aging. The Journal of Neuroscience : The Official Journal Of The Society For Neuroscience. 32, 6947-6956 (2012).
- Mirzadeh, Z., Merkle, F. T., Soriano-Navarro, M., Garcia-Verdugo, J. M., Alvarez-Buylla, A. Neural stem cells confer unique pinwheel architecture to the ventricular surface in neurogenic regions of the adult brain. Cell Stem Cell. 3, 265-278 (2008).
- Mirzadeh, Z., Doetsch, F., Sawamoto, K., Wichterle, H., Alvarez-Buylla, A. The subventricular zone en-face: wholemount staining and ependymal flow. J Vis Exp. , (2010).
- Luo, J., Daniels, S. B., Lennington, J. B., Notti, R. Q., Conover, J. C. The aging neurogenic subventricular zone. Aging Cell. 5, 139-152 (2006).
- Luo, J., Shook, B. A., Daniels, S. B., Conover, J. C. Subventricular zone-mediated ependyma repair in the adult mammalian brain. J Neurosci. 28, 3804-3813 (2008).
- Marcus, D. S., Fotenos, A. F., Csernansky, J. G., Morris, J. C., Buckner, R. L. Open access series of imaging studies: longitudinal MRI data in nondemented and demented older adults. J Cogn Neurosci. 22, 2677-2684 (2010).
- Giorgio, A., De Stefano, N. Clinical use of brain volumetry. J Magn Reson Imaging. 37, 1-14 (2013).
- Caspers, S., et al. Studying variability in human brain aging in a population-based German cohort-rationale and design of 1000BRAINS. Front Aging Neurosci. 6, 149 (2014).
- Keuken, M. C., et al. Ultra-high 7T MRI of structural age-related changes of the subthalamic nucleus. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 33, 4896-4900 (2013).
- Marti-Bonmati, L., Sopena, R., Bartumeus, P., Sopena, P. Multimodality imaging techniques. Contrast Media Mol Imaging. 5, 180-189 (2010).
- Bergmann, O., et al. The age of olfactory bulb neurons in humans. Neuron. 74, 634-639 (2012).
- Sanai, N., et al. Corridors of migrating neurons in the human brain and their decline during infancy. Nature. 478, 382-386 (2011).
- Wang, C., et al. Identification and characterization of neuroblasts in the subventricular zone and rostral migratory stream of the adult human brain. Cell Res. 21, 1534-1550 (2011).
- Carmen Gomez-Roldan, D. e. l., M, , et al. Neuroblast proliferation on the surface of the adult rat striatal wall after focal ependymal loss by intracerebroventricular injection of neuraminidase. The Journal of Comparative Neurology. 507, 1571-1587 (2008).
