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Methodenartikel

Echtzeit-Iontophorese mit Tetramethylammonium zur Quantifizierung der Volumenfraktion und Tortuosität des Gehirns extrazellulären Raumes

12K Aufrufe

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DOI:

10.3791/55755

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24. Juli 2017

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* These authors contributed equally

In diesem Artikel

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt Echtzeit-Iontophorese, eine Methode, die physikalische Parameter des extrazellulären Raumes (ECS) des lebenden Gehirns misst. Die Diffusion eines in das ECS freigesetzten Inertmoleküls wird zur Berechnung des ECS-Volumenanteils und der Tortuosität herangezogen. Es ist ideal für das Studium akuter reversibler Änderungen an Gehirn ECS.

Zusammenfassung

Diese Übersicht beschreibt die grundlegenden Konzepte und das Protokoll zur Durchführung der Echtzeit-Iontophorese (RTI) -Methode, die Gold-Standard, um den extrazellulären Raum (ECS) des lebenden Gehirns zu erforschen und zu quantifizieren. Die ECS umgibt alle Gehirnzellen und enthält sowohl interstitielle Flüssigkeit als auch extrazelluläre Matrix. Der Transport von vielen Substanzen, die für die Gehirnaktivität erforderlich sind, einschließlich Neurotransmitter, Hormone und Nährstoffe, erfolgt durch Diffusion durch die ECS. Änderungen des Volumens und der Geometrie dieses Raumes treten bei normalen Gehirnprozessen, wie Schlaf und pathologischen Zuständen, wie Ischämie, auf. Allerdings bleibt die Struktur und Regulierung des Gehirns ECS, vor allem in kranken Staaten, weitgehend unerforscht. Die RTI-Methode misst zwei physikalische Parameter des lebenden Gehirns: Volumenbruch und Tortuosität. Volumenanteil ist der Anteil des von ECS besetzten Gewebevolumens. Tortuosität ist ein Maß für die relative Hinderung, die eine Substanz beim Diffundieren durch ein Gehirn bekommtGion im Vergleich zu einem Medium ohne Hindernisse. In RTI wird ein inertes Molekül aus einer Quellenmikroelektrode in das Gehirn ECS gepulst. Da sich die Moleküle von dieser Quelle weg diffundieren, wird die sich ändernde Konzentration des Ions über die Zeit mit einer ionenselektiven Mikroelektrode gemessen, die etwa 100 μm entfernt ist. Aus der resultierenden Diffusionskurve können sowohl Volumenanteil als auch Tortuosität berechnet werden. Diese Technik wurde in Gehirnscheiben von mehreren Arten (einschließlich Menschen) und in vivo verwendet , um akute und chronische Veränderungen an ECS zu untersuchen. Im Gegensatz zu anderen Methoden kann RTI verwendet werden, um sowohl reversible als auch irreversible Änderungen des Gehirns ECS in Echtzeit zu untersuchen.

Einleitung

Der extrazelluläre Raum (ECS) ist das Netzwerk von miteinander verbundenen Kanälen außerhalb aller Gehirnzellen und enthält sowohl interstitielle Flüssigkeit als auch extrazelluläre Matrix ( Abbildung 1a und Abbildung 1b ). Die Verteilung von vielen Substanzen, die für die Gehirnzellfunktion erforderlich sind, einschließlich Nährstoffe, Hormone und Neurotransmitter, erfolgt durch Diffusion durch die ECS. Änderungen der physikalischen Parameter dieses Raumes, einschließlich Volumen, Geometrie und extrazelluläre Matrix, können die Diffusion durch die ECS und die lokalen Ionenkonzentrationen, die Gehirnze....

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Protokoll

Alle Tierverfahren, die verwendet wurden, um Gewebeproben zu erhalten, wurden von der Tierethik-Komitee im SUNY Downstate Medical Center genehmigt.

1. Vorbereitung von Lösungen und Geräten

  1. Bereiten Sie eine 150 mM NaCl-Hinterfüllungslösung für den Referenztubus des ISM vor. Lagern Sie es in einer 10 ml Spritze, die an einem 0,22 μm Filter befestigt ist (um Bakterien oder Partikel zu entfernen).
  2. Vorbereiten einer 150 mM TMA-Chlorid (TMA-Cl) -Verfüllung für die Mikroelektroden. Lagern Sie es in einer 10 ml Spritze, die an einem 0,22 μm Filter befestigt ist. Bereiten Sie die TMA-Cl-Lösungen (in diesem Protokoll) von eine....

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Ergebnisse

Der Nutzen der RTI-Technik wird in einem Experiment demonstriert, das entworfen ist, um die Änderungen in α und während einer hypoosmolaren Herausforderung zu messen ( Abbildung 8 und Abbildung 9 ). Es wurde bereits gezeigt, dass die Verringerung der Osmolarität des ECS durch Waschen auf hypotonischem ACSF eine Abnahme von & agr; und eine Erhöhung von & lgr; 13 bewirkt. .......

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Diskussion

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Abbildung 10: Nicht-ideale Daten, die gemeinsame technische Probleme demonstrieren. ( A ) Diagramme allgemeiner technischer Fragen mit Iontophorese-Mikroelektroden: Vergleich der normalen Freisetzung von TMA aus einer funktionierenden Iontophorese-Mikroelektrode mit drei Quellen, die technische Probleme zeigen. [Hohe Vergrößerung, a1] Der Strom in einer idealen iontophoretischen Quelle wird glei.......

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Offenlegungen

Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.

Danksagungen

Die Arbeit wurde von NIH NINDS bewilligt R01 NS047557 unterstützt.

....

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
A/D- und D/A-WandlerNational Instruments CorporationNI USB-6221 DatenerfassungDas NI USB-6221 wird von NI nach wie vor als "Legacy"-Gerät verkauft. Für Neuinstallationen wird die Verwendung von Datenerfassungsgeräten der USB-6341-X-Serie von NI empfohlen, die neueren Geräte wurden jedoch nicht getestet. Wir beschreiben die Verwendung des NI USB-6221 mit MATLAB und Windows 7 (32-Bit). Alternativen: der deutlich ältere PCI-MIO-16E-4 A/D-Wandler (wird nur unter Windows XP oder älteren Betriebssystemen verwendet) mit BNC-2090 BNC-Anschlussfeld und SH68-68-EP-Kabel. Wie im Wanda-Handbuch erwähnt, steht ein experimentelles MATLAB-Programm zur Verwendung von Axon-Binärdateien zur Verfügung.
AgaroseLonza NuSieve GTG Agarose #50081zur Herstellung von verdünntem Agarose-Gel für RTI-Messungen
Verstärker für ISMDaganModell IX2-700 Dual Intracellular VorverstärkerIonen- und Referenzspannungsverstärker mit N=0,1 (für Referenzzylinder) und N=0,001 (für Ionenzylinder) Kopftische
Biologisches Verbindungsmikroskop (mit 4x und 10x Objektiv)zum Chippen der Mikroelektrodenspitzen und zur Inspektion von Mikroelektroden; diverse Anbieter, z.B. AmScope
Borosilikat-Theta-KapillarglasröhrenHarvardApparatus Warner Instruments Modell TG200-4; Best.#64-0811Doppelläufige Glasröhren für ionenselektive Mikroelektroden und iontophoretische Mikroelektroden; AD 2,0 mm, I.D. 1,4 mm, Septum 0,2 mm, Länge 10 cm
BürsteWinsor & NewtonUniversity Series 233,Bürste mit rundem Griff der Größe 0, erhältlich bei Amazon
BunsenbrennerFisher-Kamera
zur Visualisierung von MikropipettenOlympusOLY-150erfordert Monitor, IR-Filter an der Untertischbeleuchtung ist optionaler
Diagrammschreiberkontinuierliche Aufzeichnung der Spannungen an der ionenselektiven Mikroelektrode während der Kalibrierung in Tetramethylammonium-Standards und während des RTI-Experiments; z.B. Kipp & Zonen Typ BD112 Doppelkanaldiagramm aufgezeichnet, verfügbar generalüberholtes
Chlortrimethylsilan, puriss., > 99%Sigma-AldrichKatalog # 92360für die Silanisierung; ACHTUNG: brennbar, akute Toxizität (oral, dermal, inhalativ), Korrosion der Haut, Augenschäden, reagiert heftig mit Wasser, siehe Sigma-Aldrich Sicherheitshinweise für eine vollständige Beschreibung
Kommerzielle SoftwareThe MathWorksMATLAB, Datenerfassungs-Toolboxzur Datenerfassung und -analyse mit Wanda- und Walter-Programmen. Beachten Sie, dass eine akademische Lizenz verfügbar ist.
AugenschutzbrilleFisher Compound-Mikroskop
festem TischOlympusBX51WIkann andere Compoundmikroskope mit festen Tischen verwenden
PinzetteFine Science Tools#11251-10zum Absplittern von Glaskapillaren; Dumond #5, bevorzugt verwendet und nicht mehr benötigt für Feinarbeitsabzüge
zur Silanisierung und Befüllung der Spitze des ionenselektiven Zylinders mit flüssigem Ionenaustauscher; verschiedene Halterungen, z.B. Kappe mit passendem Filter, verkauft von Erlab
Glasmikroskop-ObjektträgerFisher#12-550Azum Chipen von Mikroelektrodenspitzen
Heizung/RührerFisherCorning PC-420Dzur Herstellung von verdünntem Agarosegel und Rührlösungen
iontophoretische EinheitDaganION-100 und PS-100ION-100 eine Einkanal-Iontophoreseeinheit mit +/- 130 V Konformität; PS-100 ist ein externes Netzteil; Alternativen: z.B. Axoprobe-1A von Axon Instruments (jetzt Molecular Devices), nicht mehr in Produktion, auf Verfügbarkeit von generalüberholten Geräten prüfen (eBay und andere Websites)
Flüssiger Ionenaustauscher (LIX) für TetramethylammoniumWorld Precision InstrumentsIE190 Kalium-IonenaustauscherHinweis: Dies entspricht dem originalen Corning Kaliumaustauscher 477317 auf Basis von Tetraphenlyborat - nicht mit neutralem Träger-Kaliumaustauscher verwechseln aus dem Laboartorium von Dr. Simon, ETH, Zürich, das Tetramethylammonium nicht erkennt, und wird von Fluka vertrieben. Sie können auch selbst einen flüssigen Ionenaustauscher für Tetramethylammonium herstellen: 3 Gew.-% Kaliumtetrakis = (p-Chlorphenyl) Borat, gelöst in 2,3-Dimethylnitrobenzol. Kaufen Sie Chemikalien von Fluka (jetzt Teil von Sigma). Vgl. Oehme und Simon (1976) Anal. Chim. Akta 86: 21-25; ACHTUNG: Die toxikologischen Eigenschaften dieses flüssigen Ionenaustauschers sind noch nicht vollständig bestimmt. Das Verschlucken oder der Kontakt mit dem menschlichen Körper kann schädlich sein. Seien Sie vorsichtig! Flüssigionenaustauscher sollten an einem kühlen Ort ohne direkte Sonneneinstrahlung gelagert werden.
MikroelektrodenhalterWPIM3301EHzum Halten von ionenselektivem Mikroeletrod-Vorgefertigtem für die Silanisierung und zum Befüllen der Spitze des ionenselektiven Zylinders mit flüssigem Ionenaustauscher; WPI verkauft zwei Versionen dieses Halters, klares M3301EH und schwarzes M3301EH. Unserer Erfahrung nach scheint das klare M3301EH stabiler zu sein als das schwarze M3301EH.
MikromanipulatorNarishigeMM-3zum Positionieren der ionenselektiven Mikroelektrode vorgefertigt während der Silanisierung und Befüllen der Spitze des ionenselektiven Zylinders mit dem flüssigen Ionenaustauscher; kann durch einen beliebigen dreiachsigen Mikromanipulator in gutem Betriebszustand ersetzt werden
MikropipettenabzieherSutter InstrumentsModell P-97zum Ziehen von doppelläufigen Glasröhren; Andere Abzieher können verwendet werden, solange sie ein doppelläufiges
MikrosondenthermometerPhysiotempModell BAT-12RDie feine Sonde dieses Thermometers wird in der Nähe der
Nadel der Aufzeichnungsstelleder BD-Spritzenund der Nadeln # 305122 (25 Gauge)für die Silanisierung platziert; BD PrecisionGlide Nadeln 25 G x 5/8 Zoll (0,5 mm x 16 mm)
Objektiv 5X trockenOlympusMPlan N
Objektiv 10X WasserimmersionOlympusUMPlan FL N10X Objektiv ist Wasserimmersion, numerische Apertur beträgt 0,3, Arbeitsabstand beträgt 3,3 mm
Kunststoffbehälter (mit Deckel)Fisher#14-375-148zur Lagerung von Tetramethylammonium-Standardlösungen und Mikroelektroden
Plattform und x-y-Translationstisch für festes MikroskopEXFOGibraltar Burleigh-Plattformfür Scheibenkammer, Mikromanipulatoren und Zubehör, x-y-Translationstisch bewegt das Mikroskop ohne Kompromisse bei der Aufnahmestabilität
Poröser Minicupfür RTI-Messungen in einem verdünnten Agarose-Gel; selbstgemachter
wiederverwendbarer KlebstoffBostikBlu-Tackzur Befestigung von Mikroelektroden an einem Haltegefäß und für andere Zwecke; Verschiedene Anbieter, erhältlich bei Amazon
Roboter-Mikromanipulator mit präziser X,Y,Z-PositionierungSutter InstrumentsMP-285werden zwei Mikrominipulatoren benötigt, um die ionenselektive Mikroelektrode und die iontophoretische Mikroelektrode getrennt zu halten. Es ist auch möglich, Mikropipetten in einem beabstandeten Array zu kleben (siehe Text).
Signalkonditioniergerät mit TiefpassfilterAxon InstrumentsCyberAmp 320 oder 380Hersteller nicht mehr lieferbar, evtl. aber bei E-Bay; Alternativen: z.B. FLA-01 Filter/Verstärker von Cygnus Technology. Dabei handelt es sich um ein Einkanal-Instrument mit einer minimalen Grenzfrequenz von 10 Hz unter Verwendung eines mehrpoligen Bessel-Filters, aber das Unternehmen ist möglicherweise bereit, es bei Bedarf für eine niedrigere Grenzfrequenz (2 Hz) zu modifizieren.
SilberdrahtA-M Systems#7830Durchmesser 0,015", blanke (keine Beschichtung)
ScheibenkammerHarvard ApparatWarner Modell RC-27Ldies ist eine Tauchschicht-Schichtkammer; verwenden Sie kein Grenzflächen-Schichtkammer-Stereomikroskop
zur Silanisierung und zum Befüllen der Spitze des ionenselektiven Zylinders mit Flüssigkeits-Ionenaustauscher; horizontal montiert;
Spritze verschiedener Lieferanten, 10 mLBDSpritzen und Nadeln #309604zum Hinterfüllen von Mikroelektroden und zur Silanisierung; BD Luer-Lok Spitze
Spritzenfilter 0,22 & Mikro; m PoreWhatman#6780-1302zum Filtern von Verfülllösungen; erhältlich von Fisher
Spritzennadel, 28 Gauge, 97 mmWorldPrecision Instruments MicroFil MF28G-5zum Verfüllen von Mikroelektroden
Teflon (=PTFE) SchlauchKomponentenversorgungSTT-28 PTFE Schlauch Lichtwand (28 Gauge)zur Silanisierung von ionenselektiven Zylindern; passt auf BD PrecisionGlide Nadeln 25 G x 5/8 Zoll. Hinweis: Teflon ist unerlässlich, PVC-Schläuche würden durch heißes Wachs schmelzen.
TemperaturregelsystemHarvard ApparatWarner Modelle TC-344B und SH-27ATC-344B ist ein dualer automatischer Temperaturregler, SH-27A ist ein Inline-Heizer; Regler und Heizung arbeiten mit Warner Slice Chambers
Tetramethyammonium (TMA)chlorid Sigma-AldrichT-34115 M Lösung; ACHTUNG: akute Toxizität (oral, dermal, inhalativ), Karzinogenität, gefährlich für die aquatische Umwelt, siehe Sigma-Aldrich Sicherheitshinweise für eine vollständige Beschreibung
vibrierendes KlingenmikrotomLeicaVT1000Szum Schneiden von Gehirnschnitten
Xylole FisherX5-1zur Silanisierung; ACHTUNG: brennbar, akute Toxizität (oral, dermal, inhalativ), Ätzwirkung auf die Haut, Augenschäden, Karzinogenität, siehe Fisher Sicherheitsinformationen für eine vollständige Beschreibung
mit ist die mit doppeltem Durchmesser aufnehmen können , vom

Referenzen

  1. Sykova, E., Nicholson, C. Diffusion in brain extracellular space. Physiol Rev. 88 (4), 1277-1340 (2008).
  2. Nicholson, C. Diffusion and related transport mechanisms in brain tissue. Rep Prog Phys. 64 (7), 815-884 (2001).
  3. Nicholson, C.

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