静脈瘤形成と中枢神経の軸索の回復を研究するための Microbiomechanical システム
Summary
このプロトコルでは、ニューロンの下肢の急速かつ可逆的誘導の生理学的に関連する、加圧液体のアプローチについて説明します。
Abstract
軸索の下肢は、不均一性の高度で軸索の軸に沿って拡大構造です。彼らが神経変性疾患や外傷、脳は通常の脳だけではなく存在です。ここでは、我々 静脈瘤形成と異種タンパク質組成を支配するメカニズムを理解すること急速に、確実に、かつ可逆的に軸索の下肢を誘導するために新設された微小力学系をについて説明します。このシステムは、ニューロン、他の培養システム主に及ぼす伸張の影響に焦点を当てる別の細胞内コンパートメントに及ぼす圧縮と剪断応力を評価するための新しい手段を表します。重要なは、我々 のシステムの固有の機能のおかげで我々 は最近、加圧流体のアプリケーション迅速かつ可逆的に誘発することが一時的な受容器の潜在的なチャネルの活性化を介して軸索の下肢を示す新規発見をしました。私たちの生体力学的システムは、薬剤灌流、ライブセル イメージング、カルシウム イメージング、およびパッチ ・ クランプ記録との組み合わせで便利に利用できます。したがって、このメソッドは、機械刺激感受性イオン チャネル、軸索輸送規制、軸索細胞骨格のダイナミクス、カルシウム シグナル伝達、および形態変化関連外傷性脳損傷を研究するため採用することができます。
Introduction
静脈瘤の形成、または腫れ/ビーズ, 軸索に沿っては多くの障害やパーキンソン病、アルツハイマー病、多発性硬化症を含む中枢神経系の損傷で観察した神経変性疾患の顕著な特徴と外傷性脳損傷1,2。活動電位伝搬とシナプス伝達3軸索下肢の生理学的な影響にもかかわらず、下肢の生成方法は不明のまま。最近、齧歯動物から培養海馬神経細胞の新設 microbiomechanical 試金を使用して、機械的刺激が下肢機能を非常に魅力的なこれらのニューロンを引き起こすことができることがわかった。最初に、静脈瘤の誘導は急速な (< 10 s)、このプロセスは予期せず元に戻せる。第二に、静脈瘤開始が圧力を吹きかける強さ依存: より高い圧力、高速の開始。第三に、静脈瘤の発生は神経年齢に依存します。若いニューロンの軸索はより古いニューロンのそれらと比較して、機械的ストレスに対する応答表示されます。第四に、樹枝状結晶およびこれらのニューロンの軸索の初期セグメント中の海馬ニューロンの軸索に沿って下肢のフォームには、同じたばこを吸う条件変更は表示されません。したがって、我々 の研究は、神経細胞の極性の新規機能を明らかにしました。体外システムこれらの発見は、生理学的に関連しています。軽度外傷性脳損傷 (mTBI)生体内でモデルを使用して、軸索の下肢が閉じる頭蓋骨への影響、私たち体外で一貫した後すぐにマウスの体性感覚野における多焦点方式で開発を示した結果4。私たちの染色・ イメージング mTBI マウスの神経の形態学的変化のスナップ ショットを提供するだけで、体内の実行以来機械的衝撃に神経細胞形態のタイムラプス イメージングはまだ不可能することが重要です。
この液体に吹きかけるシステム機械的応力誘起静脈瘤形成に関連するユニークな機能をキャプチャするのみならず、基になるメカニズムを決定することができました。細胞外のさまざまなソリューション、ブロッカーと機械刺激感受性イオン チャネル、細胞電気生理学の別候補のオープナをテストすることにより一時的な受容器の潜在的な陽イオン チャネル亜科 V メンバー 4 (TRPV4) ことがわかりました吹き込むことによってアクティブ化される Ca2 + +の Na に透過性チャネルは軸索静脈瘤形成4の間に初期の機械的応力を検出を主に担当。これはさらに、siRNA ノックアウト アプローチで確認されました。まとめると、海馬ニューロンの文化を開発したこの新しいアッセイ システム、他の技術との組み合わせでは特に、脳のニューロンのマイクロメカニックスによるプロパティの勉強にとって非常に貴重です。
設けてこのマイクロ システムはユニークないくつかの主要な側面で既存システムとは異なります。まず、このシステムは、ニューロンは圧縮とせん断の形態で面外応力を経験します。機械的衝撃に神経突起 coverslip 表面に接続したまま、移動しないでください。その他実験的曲げ、平面でストレッチを主に含んだシステム (または張力) からこれとは異なり、文字列5,6を移動またはマイクロパターニングゲル上に成長した軸索を伸ばす例えば、バンドルされた軸索の偏向のようなチャンネルと伸縮性膜7,8。また、軸索の下肢に誘起することが流体に吹きかけるシステムでこれらの設定のプロセスのようなこれらの試金が表示されます (数時間6,7,810 分) からのより多くの時間がかかると不可逆的です。最後に、ローカル流体息を切らしを用いてできます静脈瘤形成の空間的特徴の検討 (e.g。、樹状突起スパイン、相馬、軸索の初期セグメント、軸索端末)、時空間特徴のほか。このシステムを使用すると、予期しない、ユニークな機能がいくつか軸索静脈瘤形成、特に急激な発症、低速の可逆性と軸索・樹状突起の極性を発見しました。
本稿で述べるシステムは分子の多くの技術との互換性と、細胞生物学。例えば、機械的ストレスが神経細胞の形態と機能に及ぼす影響を研究するそれと共に使用できますミエリン共、タイムラプス蛍光共鳴エネルギー移動 (FRET) の全内部反射蛍光 (TIRF) イメージングカルシウム イメージング、およびパッチ ・ クランプ記録。本稿で我々 はシステムのコア ・ コンポーネントに焦点を当てます。海馬ニューロンの文化、流体パフィング セットアップ、軸索輸送のための高分解能のタイムラプス イメージングおよびカルシウム イメージングを以下順を追って示します。
Protocol
Representative Results
Discussion
この microbiomechanical のアッセイのプロシージャはまっすぐ進むです。そのすべてのステップは慎重に行われている場合信頼性の高い結果が生成されます。正常なデータ収集の妨げになる場合は、不適切な実行、いくつかの主要な手順があります。重要なステップが始まる上流たばこを吸う刺激の実際に適用しました。細かく、養殖と一次ニューロンの文化のケアが最も重要です。培養神経細?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
すべての動物実験は、国立機関の健康動物使用のガイドラインに従って実施されています。この作品は、一部に C. 区国立衛生研究所 (R01NS093073 と R21AA024873) からの助成金によって支えられました。
Materials
| 12 mm coverslips | Warner Instruments | 64-0702 | for 24-well plate |
| 25 mm coverslips | Fisher Scientific | 12-545-102 | for 6-well plate |
| Acetic acid | Fisher Scientific | A38-212 | |
| Poly-D-lysine | Sigma | P6407 | |
| Rat tail collagen | Roche | 11 179 179 001 | |
| 10X PBS | National Diagnostics | CL-253 | |
| Na2SO4 | Fisher Scientific | S373-500 | |
| K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP410-500 | |
| D-glucose | Fisher Scientific | D16-500 | |
| MgCl2 | Fisher Scientific | BP214-500 | |
| NaOH | Fisher Scientific | SS255-1 | |
| Protease enzyme | Sigma | P4032 | |
| FBS | Gibco | 26140 | |
| Sodium pyruvate | Gibco | 11360-070 | |
| L-glutamine | Gibco | 25030081 | |
| Penicillin/Streptomycin 100x (P/S) | Gibco | 15140122 | |
| MEM Earle's Salts | Gibco | 11090 | |
| B27 supplement | Gibco | 17504-044 | |
| Neurobasal | Gibco | 21103-049 | |
| Arabinosylcytosine (Ara-C) | Sigma | 147-94-4 | |
| Opti-MEM media | Gibco | 31985-070 | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 1854313 | transfection reagent |
| Borosilicate rods | World Precision Instruments Inc. | PG52151-4 | for puffing pipette |
| rubber tubing | Fisher Scientific | 14-169-1A | |
| 10cc plastic syringe and plunger | Becton Dickinson | ||
| micromanipulator | Sutter Instruments | ||
| NaCl | Fisher Scientific | S640-3 | |
| KCl | Fisher Scientific | BP366-500 | |
| CaCl2 | Fisher Scientific | C70-500 | |
| Cell culture dish (35 mm x 10 mm) | Corning | 3294 | |
| Fluo-4 AM | Molecular Probes | F14201 | for calcium imaging |
| Mito-YFP construct | Takara Bio Inc. | for cell transfection | |
| YFP-N1 construct | Takara Bio Inc. | for cell transfection | |
| Model P-1000 Flaming/Brown Micropipette puller | Sutter Instruments | ||
| Eclipse TE2000-U Mcroscope | Nikon | ||
| Plan Fluor ELWD 20x lens | Nikon | 062933 | objective |
| Apo TIRF 100x/1.49 oil lens | Nikon | MRD01991 | objective |
References
- Nikić, I., et al. A reversible form of axon damage in experimental autoimmune encephalomyelitis and multiple sclerosis. Nat. Med. 17, 495-499 (2011).
- Yang, J., et al. Regulation of axon degeneration after injury and in development by the endogenous calpain inhibitor calpastatin. Neuron. 80 (5), 1175-1189 (2013).
- Debanne, D. Information processing in the axon. Nat. Rev. Neurosci. 5, 304-316 (2004).
- Gu, Y., Jukkola, P., Wang, Q., Esparza, T., Zhao, Y., Brody, D., Gu, C. Polarity of varicosity initiation in central neuron mechanosensation. J Cell Biol. 216 (7), 2179-2199 (2017).
- Chung, R. S., et al. Mild axonal stretch injury in vitro induces a progressive series of neurofilament alterations ultimately leading to delayed axotomy. J. Neurotrauma. 22 (10), 1081-1091 (2005).
- Staal, J. A., Dickson, T. C., Chung, R. S., Vickers, J. C. Cyclosporin-A treatment attenuates delayed cytoskeletal alterations and secondary axotomy following mild axonal stretch injury. Dev. Neurobiol. 67 (14), 1831-1842 (2007).
- Tang-Schomer, M. D., Johnson, V. E., Baas, P. W., Stewart, W., Smith, D. H. Partial interruption of axonal transport due to microtubule breakage accounts for the formation of periodic varicosities after traumatic axonal injury. Exp. Neurol. 233 (1), 364-372 (2012).
- Donkin, J. J., Vink, R. Mechanisms of cerebral edema in traumatic brain injury: therapeutic developments. Curr Opin Neurol. 23 (3), 293-299 (2010).
- Gardner, A., Jukkola, P., Gu, C. Myelination of rodent hippocampal neurons in culture. Nat Protoc. 7 (10), 1774-1782 (2012).
- Wang, Q., Zhang, X., Zhao, Y. Micromechanical stimulator for localized cell loading: fabrication and strain analysis. J. Micromech. Microeng. 23, 015002 (2013).
- Lu, Y. B., et al. Viscoelastic properties of individual glial cells and neurons in the CNS. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 103 (47), 17759-17764 (2006).
- Elkin, B. S., Azeloglu, E. U., Costa, K. D., Morrison, B. Mechanical heterogeneity of the rat hippocampus measured by atomic force microscope indentation. J. Neurotrauma. 24 (5), 812-822 (2007).
- Franze, K., et al. Neurite branch retraction is caused by a threshold-dependent mechanical impact. Biophys. J. 97 (7), 1883-1890 (2009).
- Campàs, O., et al. Quantifying cell-generated mechanical forces within living embryonic tissues. Nat. Methods. 11 (2), 183-189 (2014).
