Summary

Isolering og dyrkning af vestibulær og spiralganglionsomata fra neonatale gnavere til patch-clamp-optagelser

Published: April 21, 2023
doi:

Summary

Her præsenteres metoder, der giver detaljerede instruktioner til dissekering, dissociering, dyrkning og patch-clamp-optagelse fra vestibulær ganglion og spiralganglionneuroner i det indre øre.

Abstract

Den kompakte morfologi af isolerede og dyrkede ganglionneuroner i det indre øre muliggør detaljerede karakteriseringer af ionkanalerne og neurotransmitterreceptorerne, der bidrager til cellediversitet på tværs af denne population. Denne protokol skitserer de trin, der er nødvendige for vellykket dissekering, dissociering og kortvarig dyrkning af somata af bipolære neuroner i det indre øre med henblik på patch-clamp-optagelser. Detaljerede instruktioner til fremstilling af vestibulære ganglionneuroner er forsynet med de nødvendige modifikationer, der er nødvendige til plettering af spiralganglionneuroner. Protokollen indeholder instruktioner til udførelse af helcelle patch-clamp-optagelser i perforeret patch-konfigurationen. Eksempelresultater, der karakteriserer spændingsklemmeoptagelserne af hyperpolariseringsaktiverede cykliske nukleotid-gated (HCN)-medierede strømme, fremhæver stabiliteten af perforeret patch-optagelseskonfiguration sammenlignet med den mere standard ruptured-patch-konfiguration. Kombinationen af disse metoder, isolerede somata plus perforerede patch-clamp-optagelser, kan bruges til at studere cellulære processer, der kræver lange, stabile optagelser og bevarelse af intracellulært miljø, såsom signalering gennem G-proteinkoblede receptorer.

Introduction

De bipolære neuroner i vestibulocochlear nerven forbinder de sensoriske hårceller i det indre øre til hjernestammen. De er de vigtigste bærere af information om lyd og hovedbevægelser; Skader på disse vigtige celler fører til døvhed og balanceforstyrrelser. De vestibulære og auditive dele af nerven består hver især af forskellige celletyper, der er morfologisk og funktionelt forskellige 1,2. I det vestibulære system skyder to afferente subpopulationer spontant med intervaller, der enten er regelmæssige eller uregelmæssige2. Afferent spike timing menes at afspejle en underliggende mangfoldighed i ionkanalsammensætning 3,4. I det auditive system er der to hovedunderpopulationer af spiralganglionneuroner (SGN’er); Mens type I SGN’er kommer i kontakt med individuelle indre hårceller5, kommer type II SGN’er i kontakt med flere ydre hårceller5. In vitro-optagelser fra semiintakte og organotypiske kulturer tyder på forskelle i membranegenskaberne af type I og type II SGN 6,7.

Mange ionkanaler og neurotransmitterreceptorer, der findes ved terminalerne af disse neuroner, findes også i deres cellelegemer. Som sådan kan kulturer af den isolerede vestibulære og spiralganglionsomata studeres in vitro for at forstå, hvordan ionkanaler og neurotransmitterreceptorer bidrager til responsen af disse neuroner. Den kompakte morfologi af de isolerede cellelegemer muliggør elektriske optagelser af høj kvalitet, der er egnede til detaljeret karakterisering af spændingsstyrede ionkanaler og neurotransmitterreceptorer. Nem adgang til en repræsentativ række neuronundertyper giver mulighed for high-throughput analyse af cellediversitet.

Denne artikel præsenterer en metode til isolering og dyrkning af dissocierede ganglioncellelegemer fra den overordnede del af den vestibulære ganglion hos rotter på postnatal dag (P)9 til P20. Der gives også forslag til udvidelse af disse metoder til spiralganglion ud over de trin, der kræves for vellykket ekstraktion, dissociering og plettering af ganglioncellerne. Disse metoder er en videreudvikling af dem, der er udtænkt i publikationer fra forskellige laboratorier 8,9,10. Også inkluderet i dette papir er vejledning til udvælgelse af sunde celler til patch-clamp optagelser.

Endelig skitserer protokollen proceduren for patch-clamp-optagelse ved hjælp af perforeret patch-konfiguration11. Selvom konfigurationen med perforeret patch er mere tidskrævende og mere teknisk udfordrende end den mere almindelige ruptured-patch-konfiguration, er den bedre til at opretholde det cytoplasmatiske miljø, der giver mulighed for lange og stabile optagelsessessioner. Fordelene ved denne optagelseskonfiguration illustreres her gennem den forbedrede stabilitet af hyperpolarisationsaktiverede kationiske strømme i perforeret patch i forhold til bristede patch-optagelser.

Denne protokol er organiseret i fem sektioner. Afsnit 1-3 beskriver løsninger og værktøjer, der kan forberedes og opbevares på forhånd. Afsnit 4 beskriver trinene til dissekering og plettering af vestibulære og SGN’er. Afsnit 5 beskriver trinene til optagelse fra neuronerne efter en periode i kultur. I vores hænder udføres afsnit 4 og afsnit 5 over en periode på 2 på hinanden følgende dage.

Protocol

Al brug af dyr, der er beskrevet her, er godkendt af Institutional Animal Care and Use Committee ved University of Southern California. Dyr i denne protokol er P3- til P25-alderen Long Evans rotter af begge køn opnået fra Charles River Laboratories, men disse metoder kan anvendes på andre gnaverstammer. En laboratoriefrakke og handsker skal bæres under alle procedurer samt stænkbeskyttende beskyttelsesbriller, når der laves løsninger. 1. Forberedelser <p class="jove_c…

Representative Results

Kørsel af spændingsklemmeprotokoller ved at anvende familier af spændingstrin afslører den spændingsafhængige aktivering af en række forskellige strømfamilier. Repræsentative eksempler på helcellestrømme fremkaldt fra et VGN og tilpasset fra offentliggjorte optagelser13 er vist i figur 1A,B. Anvendelse af depolariserende spændinger (figur 1B) aktiverer en indadgående strøm (negativ ved konvention), der aktiv…

Discussion

De metoder, der præsenteres her, er specifikke for optagelser fra isolerede neuroner; Tidligere undersøgelser har fokuseret på optagelser fra axonterminaler i et semi-intakt præparat. Sammenlignet med eksisterende terminaloptagelsesteknikker tilbyder isolerede optagelser overlegen rumklemme og iso-potentiel adfærd. Derudover giver denne protokol adgang til en bredere prøve af neuroner, da kun calyxbærende subpopulationer er tilgængelige i semi-intakte optagelser af den vestibulære epitel. Endelig giver isolerede…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Vi anerkender Dr. Jing Bing Xue og Ruth Anne Eatock for deres tidlige bidrag til disse metoder. Dette arbejde blev støttet af NIH NIDCD R03 DC012652 og NIH NIDCD DC012653S, og R01 DC0155512 til RK og T32 DC009975 til DB, NN og KR.

Materials

Amphotericin Sigma-Aldrich A4888-100MG For perforated patch recordings.
ATP di-sodium Sigma-Aldrich A7699 Additive to internal solution
B27 Supplement (50x), serum free Thermo Fisher Scientific 17504044 additive to culture medium, for SGN
Beakers (1000, 100, 10) milliliter
bench-top centrifuge USA Scientific 2641-0016
Bunsen burner
CaCl2 J.T. Baker 1311-01 Additive to internal solution
Collagenase Sigma-Aldrich C5318 one out of three enzyme to digest tissue
Coverglass, rectangular, #1 thickness, 22×40  Warner Instruments 64-0707
DMSO Biotium 90082
Dnase I,from bovine pancreas Sigma-Aldrich 11284932001 one out of three enzyme to digest tissue
Dumont #3 Forceps (Blunt) Fine Science Tools 11231-30
Dumont #5 Forceps (Fine) Fine Science Tools 11251-10
Dumont #55 Forceps (Fine) Fine Science Tools 11255-20
EGTA Sigma-Aldrich E0396 Additive to internal solution
Electrode Puller Narashige PC-10
Epi-illumination light source  Zeiss  CL 1500 ECO
Ethanol Decon Labs 2716 for cleaning head and around dissection bench
Filamented Borosilicate Capillaries for electrodes Sutter Instruments BF140-117-10
Fine-edged dissection blade Fine Science Tools 10010-00
Glass Pasteur Pipettes VWR 14673-010 to pull trituration pipettes
Heat-inactivated Fetal Bovine Serum Thermo Fisher Scientific 16140063 additive to culture medium
HEPES Sigma-Aldrich H3375-100G for pH buffering all solutions in protocol
Hot plate / magnetic stirrers  VWR 76549-914
Insulated bucket filled with ice to keep all samples and solutions cool
K2SO4, Potassium Sulfate Sigma Aldrich P9458-250G Additive to internal solution
KCl Sigma-Aldrich P93333 Additive to internal solution
KOH (1 M) Honeywell 319376-500ML To bring internal solution to desired pH.
Large Spring Scissors Fine Science Tools 14133-13
Leibovitz medium  Sigma Aldrich L4386 dissection and bath solutions 
Low-profile-bath recording chamber for culture dishes Warner Instruments 64-0236
luer-lok syringes, 30 ml BD 302832 for drawing L-15/HEPES/HEPES solution.
MEM + Glutamax Supplement Fisher Scientific 41-090-101 base of the culture medium
MgCl2-Hexahydrate Sigma-Aldrich M1028 Additive to internal solution
microFil needle for filling micropipettes – 34 gauge  World Precision Instruments MF34G
Microforge Narashige MF-90 For electrode polishing.
N2 Supplement (100x) Thermo Fisher Scientific 17502-048 additiive to culture medium, for SGN
NaCl Sigma-Aldrich S7653 Additive to internal solution
NaOH (1 M) Thomas Scientific 319511-500ML for titration pH
Osmometer Advanced Instruments Inc. 3320
Oxygen, Medical grade, with adequate regulator and tubing USC Material Management MEDOX200 (Identifier: 00015) for dissolving into dissection and bath solutions
Parafilm Bemis PM992
Pasteur pipette bulb (3 ml) Fisher Scientific 03-448-25 bulb for trituration pipettes
Penicillin/Streptomycin Thermo Fisher Scientific 15140122 additive to prevent contamination of culture medium
Pentobarbital based euthanasia solution (e.g., Fatal Plus. 50 – 60 mg/kg dosing)  MWI Animal Health 15199 for euthanasia
PES membrane filters ,  0.2 micrometer  Nalgene 566-0020 for filtering solutions
PES membrane sterile syringe filters, 0.22 um, 30 mm  CELLTREAT 229747 for filtering solutions drawn into syringes
Petri dishes, 35 x 10 mm Genessee Scientific 32-103 for micro dissection and to hold Tip dip solution in perforated-patch configuration
Petri Dishes, 60 x 15 mm Midland Scientific P7455 for gross dissection
pH Meter Mettler Toledo Model S20
Pipettors (1000, 200, 10) microliter USA Scientific
Poly-d-lysine coated glass bottomed culture dish Mattek P35GC-0-10-C to plate neurons for culture
Quick change platform, heated base, for 35 mm culture dishes Warner Instruments 64-0375
Reference Cell World Precision Instruments RC1T
Scalpel blade Miltex 4-315
Scalpel Handle Fine Science Tools 10003-12
Scientific Scale Mettler Toledo XS64
Serological Pipettes (10, 25) milliliter Fisher Scientific
Silicone Grease Kit (for sealing coverglass and chamber) Warner Instruments 64-0378
Small Animal Guillotine Kent Scientific DCAP
Small animal guillotine Kent Scientific DCAP for decapitation if dissecting rats older than P15.
Stereo Dissection Microscope  Zeiss Stemi 2000
Straight surgical scissors Fine Science Tools 14060-09
Syringe (3, 10, 30) milliliter
Trypsin Sigma Aldrich T1426 one out of three enzyme to digest tissue
Tuberculin syringe  Covidien 8881500105 for delivering euthanasia solution by intraperitoneal injection
Vannas Spring Scissor, 2.5 mm Cutting Edge Fine Science Tools 15000-08
Volumetric flask, 1000 milliliter
Vortex VWR 945300
Water, sterile u ltrapure, R>18.18 megaOhms cm (e.g., filtered by a Millipore-Sigma water purification system) Millipore-Sigma CDUFBI001

References

  1. Liberman, M. C. Single-neuron labeling in the cat auditory nerve. Science. 216 (4551), 1239-1241 (1982).
  2. Goldberg, J. M. Afferent diversity and the organization of central vestibular pathways. Experimental Brain Research. 130 (3), 277-297 (2000).
  3. Kalluri, R., Xue, J., Eatock, R. A. Ion channels set spike timing regularity of mammalian vestibular afferent neurons. Journal of Neurophysiology. 104 (4), 2034-2051 (2010).
  4. Smith, C. E., Goldberg, J. M. A stochastic afterhyperpolarizaton model of repetitive activity in vestibular afferents. Biological Cybernetics. 54 (1), 41-51 (1986).
  5. Berglund, A. M., Ryugo, D. K. Hair cell innervation by spiral ganglion neurons in the mouse. The Journal of Comparative Neurology. 255 (4), 560-570 (1987).
  6. Jagger, D. J., Housley, G. D. Membrane properties of type II spiral ganglion neurones identified in a neonatal rat cochlear slice. Journal of Physiology. 552, 525-533 (2003).
  7. Reid, M. A., Flores-Otero, J., Davis, R. L. Firing patterns of type II spiral ganglion neurons in vitro). The Journal of Neuroscience. 24 (3), 733-742 (2004).
  8. Lv, P., Wei, D., Yamoah, E. N. Kv7-type channel currents in spiral ganglion neurons: involvement in sensorineural hearing loss. The Journal of Biological Chemistry. 285 (45), 34699-34707 (2010).
  9. Mo, Z. L., Davis, R. L. Endogenous firing patterns of murine spiral ganglion neurons. Journal of Neurophysiology. 77 (3), 1294-1305 (1997).
  10. Almanza, A., Luis, E., Mercado, F., Vega, R., Soto, E. Molecular identity, ontogeny, and cAMP modulation of the hyperpolarization-activated current in vestibular ganglion neurons. Journal of Neurophysiology. 108 (8), 2264-2275 (2012).
  11. Horn, R., Marty, A. Muscarinic activation of ionic currents measured by a new whole-cell recording method. The Journal of General Physiology. 92 (2), 145-159 (1988).
  12. Grant, L., Yi, E., Goutman, J. D., Glowatzki, E. Postsynaptic recordings at afferent dendrites contacting cochlear inner hair cells: Monitoring multivesicular release at a ribbon synapse. Journal of Visualized Experiments. (48), e2442 (2010).
  13. Bronson, D., Kalluri, R. Muscarinic acetylcholine receptors modulate HCN channel properties in vestibular ganglion neurons. The Journal of Neuroscience. 43 (6), 902-917 (2023).
  14. Hodgkin, A. L., Huxley, A. F. The components of membrane conductance in the giant axon of Loligo. The Journal of Physiology. 116 (4), 473-496 (1952).
  15. Chabbert, C., Chambard, J. M., Valmier, J., Sans, A., Desmadryl, G. Voltage-activated sodium currents in acutely isolated mouse vestibular ganglion 17eurons. Neuroreport. 8 (5), 1253-1256 (1997).
  16. Bean, B. P. The action potential in mammalian central neurons. Nature Reviews. Neuroscience. 8 (6), 451-465 (2007).
  17. Izhikevich, E. M. . Dynamical Systems in Neuroscience. , (2018).
  18. Chabbert, C., Chambard, J. M., Sans, A., Desmadryl, G. Three types of depolarization-activated potassium currents in acutely isolated mouse vestibular neurons. Journal of Neurophysiology. 85 (3), 1017-1026 (2001).
  19. Risner, J. R., Holt, J. R. Heterogeneous potassium conductances contribute to the diverse firing properties of postnatal mouse vestibular ganglion neurons. Journal of Neurophysiology. 96 (5), 2364-2376 (2006).
  20. Iwasaki, S., Chihara, Y., Komuta, Y., Ito, K., Sahara, Y. Low-voltage-activated potassium channels underlie the regulation of intrinsic firing properties of rat vestibular ganglion cells. Journal of Neurophysiology. 100 (4), 2192-2204 (2008).
  21. Cervantes, B., Vega, R., Limón, A., Soto, E. Identity, expression and functional role of the sodium-activated potassium current in vestibular ganglion afferent neurons. Neuroscience. 240, 163-175 (2013).
  22. Biel, M., Wahl-Schott, C., Michalakis, S., Zong, X. Hyperpolarization-activated cation channels: From genes to function. Physiological Reviews. 89 (3), 847-885 (2009).
  23. Davis, R. L., Crozier, R. A. Dynamic firing properties of type I spiral ganglion neurons. Cell and Tissue Research. 361 (1), 115-127 (2015).
  24. Reijntjes, D. O. J., Pyott, S. J. The afferent signaling complex: Regulation of type I spiral ganglion neuron responses in the auditory periphery. Hearing Research. 336, 1-16 (2016).
  25. Eatock, R. A., Christov, F. . Ionic Conductances of Vestibular Afferent Neurons: Shaping Head Motion Signals From the Inner Ear. , (2020).
  26. Kalluri, R. Similarities in the biophysical properties of spiral-ganglion and vestibular-ganglion neurons in neonatal rats. Frontiers in Neuroscience. 15, 710275 (2021).
  27. Armstrong, C. E., Roberts, W. M. Electrical properties of frog saccular hair cells: distortion by enzymatic dissociation. The Journal of Neuroscience. 18 (8), 2962-2973 (1998).
  28. Rocha-Sanchez, S. M. S., et al. Developmental expression of Kcnq4 in vestibular neurons and neurosensory epithelia. Brain Research. 1139, 117-125 (2007).
  29. Meredith, F. L., Rennie, K. J. Zonal variations in K+ currents in vestibular crista calyx terminals. Journal of Neurophysiology. 113 (1), 264-276 (2015).
  30. Cai, H. Q., et al. Time-dependent activity of primary auditory neurons in the presence of neurotrophins and antibiotics. Hearing Research. 350, 122-132 (2017).
  31. Needham, K., Nayagam, B. A., Minter, R. L., O’Leary, S. J. Combined application of brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 and its impact on spiral ganglion neuron firing properties and hyperpolarization-activated currents. Hearing Research. 291 (1-2), 1-14 (2012).
  32. Adamson, C. L., Reid, M. A., Davis, R. L. Opposite actions of brain-derived neurotrophic factor and neurotrophin-3 on firing features and ion channel composition of murine spiral ganglion neurons. The Journal of Neuroscience. 22 (4), 1385-1396 (2002).
  33. Zhou, Z., Liu, Q., Davis, R. L. Complex regulation of spiral ganglion neuron firing patterns by neurotrophin-3. The Journal of Neuroscience. 25 (33), 7558-7566 (2005).
  34. Liu, X. -. P., et al. Sodium channel diversity in the vestibular ganglion: NaV1.5, NaV1.8, and tetrodotoxin-sensitive currents. Journal of Neurophysiology. 115 (5), 2536-2555 (2016).
check_url/64908?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Iyer, M. R., Ventura, C., Bronson, D., Nowak, N., Regalado, K., Kalluri, R. Isolating and Culturing Vestibular and Spiral Ganglion Somata from Neonatal Rodents for Patch-Clamp Recordings. J. Vis. Exp. (194), e64908, doi:10.3791/64908 (2023).

View Video