Summary

Udarbejdelse af Rat oligodendrocyt Stamfader Cultures og Kvantificering af Oligodendrogenesis Brug Dual-infrarød Fluorescens Scanning

Published: February 17, 2016
doi:

Summary

Oligodendrocytes are the myelinating cells of the central nervous system. This protocol describes a method for the isolation and culture of their precursors, oligodendrocyte progenitor cells, from rat cortices, as well as a fast and reliable quantitative method to evaluate oligodendrogenesis in vitro in response to experimental factors.

Abstract

Efficient oligodendrogenesis is the therapeutic goal of a number of areas of research including spinal cord injury, neonatal hypoxia, and demyelinating diseases such as multiple sclerosis and transverse myelitis. Myelination is required to not only facilitate rapid impulse propagation within the central nervous system, but also to provide trophic support to underlying axons. Oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) can be studied in vitro to help identify factors that may promote or inhibit oligodendrocyte differentiation. To date, many of the methods available to evaluate this process have either required large numbers of cells, thus limiting the number of conditions that can be investigated at any one time, or labor-intensive methods of quantification. Herein, we describe a protocol for the isolation of large numbers of highly pure OPCs together with a fast and reliable method to determine oligodendrogenesis from multiple conditions simultaneously. OPCs are isolated from P5-P7 neonatal rat cortices and grown in vitro for three days prior to differentiation. Four days after differentiation, oligodendrogenesis is evaluated using a dual-infrared fluorescence-scanning assay to determine expression of the myelin protein.

Introduction

Effektiv nerveledningen i pattedyrs centralnervesystem (CNS) kræver myelinering af axoner ved oligodendrocytter. Under udvikling, opstår oligodendrocytter fra en pulje af oligodendrocyt progenitorceller (OPCs), der menes at migrere fra de ventrikulære zoner af det udviklende forhjernen og neuralrøret 1. Efter migration OPCs differentiere til modne, myelinerende oligodendrocytter, der ikke kun lette effektiv impuls formering, men også give axoner med trofisk støtte 2. Den voksne CNS opretholder en rigelig bestand af OPCs der er spredt over hele det grå og hvid substans omfattende ca. 5-8% af alle celler 3. Efter en demyeliniserende fornærmelse, OPCs migrere til stedet for skaden, formere, og differentierer at erstatte mistede eller beskadigede myelinskeder om eksponering axoner. Men i nogle sygdom / skade indstillinger, er denne proces sig at være ineffektive eller kan svigte helt 4. Menskronisk demyelinisering menes at føje til sygdomsbyrden, effektiv oligodendrogenesis og remyelinering kan lindre symptomerne 5. Det har derfor været af interesse at undersøge OPCs in vitro for at bestemme virkningen af eksperimentelle faktorer på oligodendrogenesis.

Indsigt i de forskellige faser af oligodendrocyt differentiering er blevet muliggjort ved identifikation af fase specifikke cellemarkører. Selvfornyende tidlige progenitorceller er defineret ved deres ekspression af blodpladeafledt vækstfaktor-receptor alpha (PDGFRα), neural / glia antigen 2 (NG2) og A2B5 6 – 8. Som OPCs indleder deres differentiering program og trække sig ud af cellecyklus, de nedregulerer ekspressionen af ​​disse markører og begynder at udtrykke proteiner indikerer premyelinating oligodendrocytter herunder Cyklisk-nukleotid 3'-phosphodiesterase (CNPase) og O4. Endelig deres differentiering til mere modne oligodendrocytes er kendetegnet ved ekspressionen af ​​myelin-associerede proteiner, herunder myelin-associeret glycoprotein (MAG), proteolipidprotein (PLP), og myelin basisk protein (MBP). MBP er et intracellulært perifer membranprotein og en hovedbestanddel af myelinskeden. Mus mangler MBP udvikle en alvorlig fænotype, hvor CNS myelinering markant er faldet fører til rystelser, kramper og tidlig død 9,10. Denne vigtige rolle af MBP i myelinering har ført til dens anvendelse som en markør for oligodendrocyt differentiering både in vitro og in vivo 11.

Kvantificering af MBP kan opnås med flere forskellige metoder. RT-PCR og Western blot-analyse muliggør kvantificering af MBP niveauer under forskellige behandlingsregimer. Immuncytokemi er en fælles kvalitativ tilgang, der kan også være kvantitativ, når der anvendes kamera-baserede mikroskopi tilgange. Selv om disse systemer er pålidelige og grundlæggende forstudiet af oligodendrocyt differentiering, de hver især har deres egne ulemper, der begrænser deres anvendelse i screening narkotika. Først, mængden af ​​primære OPCs at der er behov for RT-PCR og Western blot-analyse reducerer antallet af variabler, der kan undersøges samtidig. Mens kravet cellen for immuncytokemi er meget lavere, skal betydelig tid afsættes til hvert forsøg, hvis kvantificering er målet. Talrige billeder skal opfanges og kvantificeres dernæst at lette eksperimentel analyse. Disse forbehold bliver vigtige hindringer overveje for undersøgelser, der kræver high throughput vurdering. Her beskriver vi en fremgangsmåde, der udnytter grundlæggende aspekter fra både immunocytokemi og Western blot metoder til myelin kvantificering, mens en markant nedsættelse både antallet af celler, der kræves og tid til at fuldføre kvantitativ analyse.

Protocol

Procedurer, der involverer dyr fag er blevet godkendt af Institutional Animal Care og brug Udvalg (IACUC) og Johns Hopkins School of Medicine. 1. Udarbejdelse af assayplader, Stock Solutions, og OPC Base Media Bemærk: Rotte OPC base (Sato) medier beskrevet her er afledt af tidligere offentliggjorte undersøgelser 12,13. Alternative medier formuleringer kan også være kompatible med denne procedure. Resuspender poly-L-lysin (PLL) til en koncentration på 10 ug / ml i sterilt deioni…

Representative Results

A2B5-positive OPCs isoleres gennem positiv celleselektion under anvendelse af en magnetisk søjle separationssystem. Forud for isolation procedure, er hele hjernen fjernet fra rotteunger, der er mellem P5 og P7. Når hele hjernen er lykkedes løsrevet fra kraniet, er det olfaktoriske pærer og cerebellum fjernes med fine kirurgiske pincet (figur 1A). For at isolere cerebral cortexvæv hypothalamus, thalamus og midthjernen udskæres ved omhyggelig dissektion (figu…

Discussion

Protokollen præsenteres her beskriver en hurtig og pålidelig fremgangsmåde til isolering rotte OPCs og kvantificere in vitro oligodendrogenesis som reaktion på eksperimentelle faktorer. Ved hjælp af positiv selektion, er høje udbytter af levedygtige og rene OPCs anvendes direkte til forsøg. Denne metode strømliner isolation, dyrkning og differentieringsfaktorer skridt ind en 1 uge tidsramme, og fikserede celler kan hensigtsmæssigt opbevares ved 4 ° C i adskillige uger uden tab i analysesensitivitet. <…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Grant sponsor: National Institutes of Health; Grant nummer: R37 NS041435.

Materials

Dissection Materials
PBS without Ca2+ and Mg2+ Mediatech 21-040-CV 1 x
10 cm Polystyrene Petri Dishes Fisherbrand 0857512
Light Dissection Microscope Motic SM2-168
Dissociation Materials
Tube Rotator Miltenyi Biotec 130-090-753 Dissociation Tube Rotator
Neural Tissue Dissociation Kit (P) Miltenyi Biotec 130-092-628 Enzymatic Dissociation Kit
PBS with Ca2+ and Mg2+ Corning 20-030-CV 1 x
40 μm Cell Strainer Corning 352340
A2B5 Column Purification 
Anti-A2B5 Microbeads Miltenyi Biotec 130-097-864 Bead Bound A2B5 Antibody
LS Columns Miltenyi Biotec 130-042-401 Magnetic Selection Columns
EDTA Corning 46-034-Cl 2mM
PBS with Ca2+ and Mg2+ Corning 20-030-CV 1 x
Bovine Serum Albumin  Sigma-Aldrich A9647 0.50%
Culture Materials
PDGF-AA PeproTech Inc 100-13A 20 ng/mL
Dimethyl sulfoxide Sigma-Aldrich D2650 Hybri-Max 100 mL
Triiodothyronine  Sigma-Aldrich T6397 45 nM
Clemastine fumarate salt Sigma-Aldrich SML0445-100MG 1 μM
Quetiapine hemifumarate salt Sigma-Aldrich Q3638-10MG 1 μM
N-acetyl cysteine Sigma-Aldrich A9165 5 μg/mL
Progesterone Sigma-Aldrich P8783 60 ng/mL
Poly-L-lysine Sigma-Aldrich P1524 10 μg/mL
Putrecine Sigma-Aldrich P7505 16 μg/mL
Sodium Selenite Sigma-Aldrich S5261 40 ng/mL
Hydrocortisone Sigma-Aldrich H0135 50 ng/mL
d-Biotin Sigma-Aldrich B4639 10 ng/mL
Insulin Sigma-Aldrich I6634 5 μg/mL
Apo-Transferrin Sigma-Aldrich T1147 100 μg/mL
Bovine Serum Albumin Sigma-Aldrich A4161 100 μg/mL
Trace Elements B Corning 25-022-Cl 1 x 
B-27 Supplement Life Technologies 17504044 1 x 
Penicillin/Streptomycin Life Technologies 15140122 1 x 
DMEM Life Technologies 11995-065 1 x 
24-well Black Visiplate with lid Perkin Elmer 1450-605 Tissue culture grade
Immunocytochemistry and Quantification
PFA Sigma-Aldrich 100-13A 4%
Triton X-100 Sigma-Aldrich 78787 0.10%
Normal Goat Serum Jackson Immuno Research 005-000-121 5%
mouse monoclonal anti-MBP Biolegend SMI-99P 1:1000 Dilution
rabbit polyclonal anti-Actin Santa Cruz Biotecnology SC-7210 1:200 Dilution
rabbit polyclonal anti-Olig2 Millipore AB9610 1:1000 Dilution
goat anti-mouse 680RD Licor 926-68070 1:500 Dilution
goat anti-rabbit 800CW Licor 926-32211 1:500 Dilution
Alexa Fluor 594 goat anti-mouse Life Technologies A11032 1:000 dilution
Alexa Fluor 488 goat anti-rabbit Life Technologies A11008 1:000 dilution
Prolong Gold antifade with DAPI Life Technologies P36931
DPBS with Ca2+ and Mg2+ Corning 21-030-CV
Licor Odyssey Clx Infared Imaging System Licor

References

  1. Rowitch, D. H., Kriegstein, A. R. Developmental genetics of vertebrate glial-cell specification. Nature. 468 (7321), 214-222 (2010).
  2. Nave, K. A. Myelination and the trophic support of long axons. Nat Rev Neurosci. 11 (4), 275-283 (2010).
  3. Dawson, M. R. L., Polito, A., Levine, J. M., Reynolds, R. NG2-expressing glial progenitor cells: an abundant and widespread population of cycling cells in the adult rat CNS. Mol Cell Neurosci. 24 (2), 476-488 (2003).
  4. Goldschmidt, T., Antel, J., König, F. B., Brück, W., Kuhlmann, T. Remyelination capacity of the MS brain decreases with disease chronicity. Neurology. 72 (22), 1914-1921 (2009).
  5. Duncan, I. D., Brower, A., Kondo, Y., Curlee, J. F., Schultz, R. D. Extensive remyelination of the CNS leads to functional recovery. Proc Natl Acad Sci USA. 106 (16), 6832-6836 (2009).
  6. Nishiyama, A., Chang, A., Trapp, B. D. NG2+ glial cells: a novel glial cell population in the adult brain. J Neuropath Exp Neur. 58 (11), 1113-1124 (1999).
  7. Baracskay, K. L., Kidd, G. J., Miller, R. H., Trapp, B. D. NG2-positive cells generate A2B5-positive oligodendrocyte precursor cells. Glia. 55 (10), 1001-1010 (2007).
  8. Ffrench-Constant, C., Raff, M. C. Proliferating bipotential glial progenitor cells in adult rat optic nerve. Nature. 319 (6053), 499-502 (1986).
  9. Popko, B., et al. Myelin deficient mice: expression of myelin basic protein and generation of mice with varying levels of myelin. Cell. 48 (4), 713-721 (1987).
  10. Bourre, J. M., et al. Density profile and basic protein measurements in the myelin range of particulate material from normal developing mouse brain and from neurological mutants (Jimpy; quaking; Trembler; shiverer and its mld allele) obtained by zonal centrifugation. J Neurochem. 35 (2), 458-464 (1980).
  11. Baxi, E. G., et al. A selective thyroid hormone β receptor agonist enhances human and rodent oligodendrocyte differentiation. Glia. 62 (9), 1513-1529 (2014).
  12. Watkins, T. A., Emery, B., Mulinyawe, S., Barres, B. A. Distinct stages of myelination regulated by gamma-secretase and astrocytes in a rapidly myelinating CNS coculture system. Neuron. 60 (4), 555-569 (2008).
  13. Chen, Y., et al. Isolation and culture of rat and mouse oligodendrocyte precursor cells. Nat Protoc. 2 (5), 1044-1051 (2007).
  14. Warringa, R. A., et al. Hydrocortisone stimulates the development of oligodendrocytes in primary glial cultures and affects glucose metabolism and lipid synthesis in these cultures. Brain Res. 431 (1), 79-86 (1987).
  15. Tosic, M., Torch, S., Comte, V., Dolivo, M., Honegger, P., Matthieu, J. M. Triiodothyronine has diverse and multiple stimulating effects on expression of the major myelin protein genes. J Neurochem. 59 (5), 1770-1777 (1992).
  16. Xiao, L., et al. Quetiapine facilitates oligodendrocyte development and prevents mice from myelin breakdown and behavioral changes. Mol Psychiatry. 13 (7), 697-708 (2008).
  17. Mei, F., et al. Micropillar arrays as a high-throughput screening platform for therapeutics in multiple sclerosis. Nat Med. 20 (8), 954-960 (2014).
  18. Deshmukh, V. A., et al. A regenerative approach to the treatment of multiple sclerosis. Nature. 502 (7471), 327-332 (2013).
  19. Najm, F. J., et al. Drug-based modulation of endogenous stem cells promotes functional remyelination in vivo. Nature. 522 (7555), 216-220 (2015).
  20. Zhang, S. C. Defining glial cells during CNS development. Nat Rev Neurosci. 2 (11), 840-843 (2001).
  21. O’Meara, R. W., Ryan, S. D., Colognato, H., Kothary, R. Derivation of enriched oligodendrocyte cultures and oligodendrocyte/neuron myelinating co-cultures from post-natal murine tissues. J Vis Exp. (54), (2011).
  22. Dugas, J. C., Emery, B. Purification of oligodendrocyte precursor cells from rat cortices by immunopanning. Cold Spring Harb Protoc. 2013 (8), 745-758 (2013).
  23. Fletcher, J. M., Lalor, S. J., Sweeney, C. M., Tubridy, N., Mills, K. H. G. T cells in multiple sclerosis and experimental autoimmune encephalomyelitis. Clin Exp Immunol. 162 (1), 1-11 (2010).
check_url/53764?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Schott, J. T., Kirby, L. A., Calabresi, P. A., Baxi, E. G. Preparation of Rat Oligodendrocyte Progenitor Cultures and Quantification of Oligodendrogenesis Using Dual-infrared Fluorescence Scanning. J. Vis. Exp. (108), e53764, doi:10.3791/53764 (2016).

View Video