Modélisation 3D de la ventricules latéraux et histologique Caractérisation des tissus périventriculaire chez les humains et les souris
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
Un épendymaires lignes de la monocouche de cellules du système ventriculaire du cerveau fournissant des fonctions de barrière et de transport bi-directionnelles entre le fluide spinal cérébral (CSF) et de fluide interstitiel (ISF) 3.1. Ces fonctions aident à garder le cerveau des toxiques gratuitement et en équilibre physiologique 2,3. Chez l'homme la perte de portions de ce revêtement sur blessure ou la maladie ne semble pas résulter en remplacement de régénération que l'on trouve dans d'autres revêtements épithéliaux; plutôt une perte de couverture de la cellule épendymaire semble résulter en astrogliose périventriculaire avec un maillage d'astrocytes couvrant des régions dénudées des cellules épendymaires à la surface du ventricule. Les répercussions graves aux mécanismes CSF / d'échange de l'ISF et de dédouanement importants, pourraient être prévues résulter de la perte de cette couche épithéliale 1,2,4-7.
Une caractéristique commune de vieillissement humain est agrandie ventricules latéraux (ventriculomégalie) et associé œdème périventriculaire comme observed par l'IRM et la récupération d'inversion fluide atténué IRM (IRM / FLAIR) 8-14. Pour étudier la relation entre ventriculomégalie et l'organisation cellulaire de la muqueuse du ventricule, des séquences d'IRM post mortem humains ont été jumelés à des préparations histologiques de ventricule latéral du tissu péri-ventriculaire. En cas de ventriculomégalie, d'importantes zones de gliose avaient remplacé la couverture cellulaire épendymaire le long de la paroi du ventricule latéral. Lorsque l'expansion du ventricule n'a pas été détecté par l'analyse du volume basé sur l'IRM, la doublure de la cellule épendymaire était intact et gliose n'a pas été détectée le long de la paroi du ventricule 6. Cette approche combinatoire représente la première documentation détaillant les changements globaux dans l'intégrité cellulaire de la muqueuse du ventricule latéral en utilisant des préparations wholemount de parties ou la totalité de la paroi du ventricule latéral et la modélisation 3D des volumes du ventricule 6. Plusieurs maladies (maladie d'Alzheimer, la schizophrénie) et les blessures (traumatismes crâniens)montrer ventriculomégalie comme une caractéristique neuropathologique tôt. Dénudation des zones du revêtement de la cellule épendymaire ainsi serait prévu pour interférer avec la fonction de la cellule épendymaire normale et compromettre l'équilibre homéostatique entre CSF / fluide ISF et l'échange de soluté. Ainsi, un examen plus approfondi des modifications apportées au système ventriculaire, sa composition cellulaire, et la conséquence de structures cérébrales sous-jacentes ou voisins sera finalement commencer à révéler plus sur la neuropathologie associée à l'élargissement du ventricule.
Le manque de données d'imagerie multimodaux, et en particulier les séquences de données longitudinales, avec un accès limité à des échantillons de tissus histologiques correspondant fait l'analyse des pathologies du cerveau humain difficile. Phénotypes modélisation trouvés dans le vieillissement ou la maladie humaine peuvent souvent être obtenus avec des modèles de souris et de modèles animaux deviennent l'un de nos meilleurs moyens d'explorer des questions sur l'initiation de la maladie humaine et la progression. Plusieurs études injeunes souris saines ont décrit la cytoarchitecture des parois ventricule latéral et la tige sous-jacente cellule niche 4,7-15. Ces études ont été élargis pour inclure la modélisation 3D et l'analyse cellulaire des parois du ventricule par le vieillissement de 6,15. Ni gliose périventriculaire ni ventriculomégalie sont observés chez les souris âgées, plutôt souris affichent une zone subventicular relativement robuste (SVZ) niche de cellules souches sous-jacente à une cellule intacte épendymaire doublure 6,15. Ainsi, des différences frappantes spécifiques aux espèces existent à la fois l'entretien général et de l'intégrité de la muqueuse du ventricule latéral au cours du processus de vieillissement de 6,15. Par conséquent, pour les meilleures souris d'utilisation pour interroger conditions trouvées chez l'homme, les différences entre les deux espèces doivent être caractérisé et dûment pris en considération dans tout paradigme de modélisation. Ici, nous présentons des procédures pour évaluer les changements longitudinaux aux ventricules latéraux et les tissus péri-ventriculaire associée chez les humains et mouse. Nos procédures comprennent le rendu 3D et la volumétrie de la souris et ventricules humains, et l'utilisation de l'analyse immunohistochimique des préparations toute la montagne de tissus périventriculaire à caractériser à la fois l'organisation cellulaire et de la structure. L'ensemble de ces procédés fournissent un moyen pour caractériser les changements dans le système ventriculaire et le tissu associé périventriculaire.
Protocol
Representative Results
Discussion
Nous présentons des outils et des protocoles qui peuvent être utilisés pour évaluer l'intégrité du système ventriculaire du cerveau chez les souris et chez l'homme. Ces outils, cependant, peuvent également être appliqués à d'autres structures du cerveau ou des systèmes d'organes qui subissent des changements dus à une lésion, une maladie, ou au cours du processus de vieillissement 14,21,22. Les stratégies présentées profitent d'un logiciel qui permet l'alignement des s…
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).
