Summary

Stereotaxic Infusion av oligomera amyloid-beta i musen Hippocampus

Published: June 17, 2015
doi:

Summary

Here, we present a protocol for direct stereotaxic brain infusion of amyloid-beta. This methodology provides an alternative in vivo mouse model to address the short-term effects of amyloid-beta on brain neurons.

Abstract

Alzheimers sjukdom är en neurodegenerativ sjukdom som påverkar den åldrande befolkningen. En viktig neuropatologiska särdrag hos sjukdomen är överproduktion av amyloid-beta och avsättningen av amyloid-beta-plack i hjärnregioner hos de drabbade individer. Genom åren har forskarna genererat många sjukdoms musmodeller Alzheimers som försöker replikera amyloid-beta-patologi. Tyvärr, bara musmodeller selektivt efterlikna de funktioner sjukdomstillstånd. Neuronal död, en framstående effekt i hjärnan hos patienter med Alzheimers sjukdom, är märkbart saknas i dessa möss. Därför har vi och andra anställda en metod för direkt infusion lösliga oligomera arter av amyloid-beta – former av amyloid-beta som har visat sig vara mest giftigt för nervceller – stereotaktiskt in i hjärnan. I denna rapport använder vi hankön C57BL / 6J-möss för att dokumentera denna kirurgiska teknik av ökande amyloid-beta-nivåer i en utvald hjärnregion. Deninfusions mål är dentate gyrus hos hippocampus eftersom denna hjärnans struktur, tillsammans med den basala framhjärnan som är ansluten med den kolinerga krets, utgör ett av de områden av degenerering i sjukdomen. Resultaten av upplyft amyloid-beta i gyrus dentatus via stereotaxisk infusions avslöjar ökningar i neuronförlust i gyrus dentatus inom en vecka, medan det finns en samtidig ökning av celldöd och kolinerg neuronförlust i den vertikala delen av den diagonala bandet av Broca av den basala framhjärnan. Dessa effekter observeras upp till 2 veckor. Våra data tyder på att den nuvarande amyloid-beta infusion modellen ger en alternativ musmodell för att ta itu med regionspecifika neurondöd på kort sikt. Fördelen med denna modell är att amyloid-beta kan vara förhöjda i en rumslig och temporal sätt.

Introduction

Amyloida plack inlåning, som består av amyloid-beta (Ap 1-42), är en viktig del av patologin för Alzheimers sjukdom (AD). Ett flertal studier har visat att höga eller giftiga halter av rekombinant oligomera Ap 1-42 framkalla neuronal död, synaptiska dystrofi, förlust och dysfunktion; samt inlärnings- och minnesbrister 1-4. Hjärn berörda regionerna omfattar hippocampus, cortex och subkortikala strukturer såsom den basala framhjärnan och amygdala 5,6. Hittills finns det flera modeller transgen mus som försöker simulera Ap 1-42 patologi AD. Beroende på stammen dessa djur visar sig vara användbar för att undersöka väljer patologiska funktioner i AD. Tyvärr, med undantag för två transgena linjer, APP23 och 5XFAD, dessa möss aldrig helt replikera neuronal förlust, en viktig aspekt av AD. Även med den neuronala förlusten observerats i APP23 och 5XFAD, den nervcellsdöd observed var subtil, åldersberoende och isolerad till ett fåtal utvalda områden 7,8.

Den direkt infusion av oligomert Ap 1-42 in i vildtyp mushjärna ger en utmärkt in vivo-modell som replikerar nervcellsdöd aspekten av amyloidopathy 1,9,10. Till skillnad från de vanligen används transgena musmodeller den oligomera Ap 1-42 infusionsmodell är perfekt för akut höja Ap 1-42 nivåer i en rumsliga och tidsmässiga sätt. Fördelen med att använda vildtyp möss för denna modell undviker potentiella ersättnings eller biverkningar från de mutationer som införts i transgen mus linjer. Tidigare studier har visat att infusion toxiska nivåer av Ap 1-42 i hippocampus framkallar neuron död i närheten av injektionsstället inom 1 vecka 1. Dessutom överensstämmer med observationen att Ap 1-42 är giftigt för kolinerga neuron 11 basalframhjärnankolinerga neuron (BFCN) befolkning som skjuter till hippocampus minskar 20-50% inom 7-14 dagar efter beta-amyloid infusion 1,10 hos möss, effektivt möjliggör undersökningar av isolerade neuronala kretsar i hjärnan. Sedan BFCN projektet ipsilateralt till gyrus gyrus hos hippocampus 12, för det mesta kontroll / fordonet och oligomera Ap 1-42 lösningar kan injiceras på båda sidor av hjärnan vilket gör jämförelser göras mellan vänster och höger halvkloten 1.

I denna rapport kommer vi att ge en detaljerad kirurgisk och injektion metod för vuxna vildtyp C57BL / 6J möss. Denna musstam är vald på grund av dess omfattande användning i forskning. Tekniskt kan varje hjärnregion riktas för infusion, men här kommer vi att använda gyrus dentatus i hippocampus som mål att illustrera tekniken.

Protocol

Obs: För alla djurförsök, var institutionella och nationella riktlinjer för vård och användning av försöksdjur följde. 1. Förbered kirurgiska instrument och lösningar för kirurgi Autoklav alla rostfria kirurgiska instrument. Förbered 70% etanol genom att späda 200 proof absolut etanol med steril molekylärbiologisk kvalitet avjoniserat destillerat vatten. Fäst 29 G nål till Hamilton sprutan. Rengör insidan av Hamilton spruta och kanyl genom att…

Representative Results

Föreliggande förfarande för framställning av human rekombinant oligomera Ap 1-42 ger lösliga oligomera ämnen bestående av monomerer, dimerer, trimerer och tetramerer (Figur 1A). Dessa lågmolekylära Ap 1-42 arter, men inte fibriller och plaketter, har visats i många inställningar för att vara mest giftigt för nervceller 1,4,9,17-19. För att avgöra om eller inte oligomera Ap 1-42 inducerar neurondöd i mushjärna Ap 1-42 (4 pl 100 iM st…

Discussion

För att uppnå en framgångsrik Ap 1-42 injektion försöks eller kirurgen måste: 1) Använd aseptisk teknik; 2) korrekt identifiera hjärnan regionen av intresse med exakta koordinater; 3) kunna korrekt säkra musen i stereotaxic ram med hjärnan planat i AP och ML axel; 4) har förmågan att driva mikromanipulator med precision; 5) säkerställa korrekt postoperativ vård. Om dessa viktiga steg följs musen ska överleva operationen utan observerbar infektion.

I enlighet med <…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Detta arbete stöddes av National Institute of neurologiska sjukdomar och Stroke bevilja NS081333 (till CMT), Alzheimers Association bidrag NIRG-10-171.721 och National Institute of Mental Health bidrag MH096702 (till UH) och National Institute on Aging finansierade Alzheimers Disease Research Center vid Columbia University pilotbidrag AG008702 (till YYJ och JB).

Materials

Ketamine HCl (100mg/ml) Henry Schein Medical 1049007 100 mg ketamine per 1 kg animal
Xylazine (20mg/ml) Henry Schein Medical not available 10 mg xylazine per 1 kg animal
Buprenex (0.3mg/ml) Henry Schein Medical 1217793 0.1 mg buprenex per 1 kg animal
1-42 David Teplow/UCLA not available 100 μM; This amyloid was used in the paper
1-42 Bachem H-1368 Can be used in place of amyloid from the Teplow lab
1-42 American Peptide 62-0-80B Can be used in place of amyloid from the Teplow lab
Scrambled Aβ1-42 American Peptide 62-0-46B Can be used as control peptide for comparing Aβ1-42
NU4 Antibody (Oligomeric Amyloid Antibody) Gift from William Klein/Northwestern U. not available 1:2000 dilution
Anti-Amyloid Oligomeric Antibody  (Polyclonal Rabbit) EMD Millipore AB9234 May be used in place of Nu4; needs to  be tested by the end user
6E10 Antibody (Monoclonal Mouse) (Amyloid Antibody) Biolegend sig-39320 1:1000 dilution
ChAT Antibody (Polyclonal Goat) Millipore AB144P 1:100 dilution
DeadEnd Fluorometric TUNEL system Promega G3250 Follow manufacturer's directions for use
Prolong Gold Antifade Reagent with DAPI Invitrogen P36935 Use when coverslipping slides
Fluorogold Fluorochrome, LLC not available 2% solution
Absolute Ethanol (200 proof) Fisher Scientific BP2818-4 For making 70% ethanol for sanitizing and disinfecting
Novex 10-20% Tricine gel Life Technologies EC6625BOX For separating Aβ1-42
Novex Tricine SDS Running Buffer (10X) Life Technologies LC1675 For running 10-20% Tricine gels
Novex Tris-Glycine Transfer Buffer (25X) Life Technologies LC3675 For transferring 10-20% Tricine gels
SuperSignal Western Blot Enhancer Thermo Scientific 46640 For enhancing Aβ1-42 signal; follow manufacturer's protocol
Protran BA79 Nitrocellulose Blotting Membrane, 0.1 μm GE Healthcare Life Sciences 10402088 For transferring 10-20% Tricine gels
Xcell SureLock Mini-Cell Life Technologies EI0001 Electrophoresis aparatus for running 10-20% Tricine gels
GenTeal Lubricant Eye Gel Novartis not available For keeping the mouse eyes moist during surgery; can be found in local pharmacy stores
Refresh Optive Lubricant Eye Drops Allergan not available For keeping the mouse eyes moist during surgery; can be found in local pharmacy stores; Can be used in place of GenTeal
Betadine Stoelting 50998 For sanitizing and disinfecting
Round/Tapered Spatula  VWR 82027-490 For opening animal mouth
Bulldog Serrefines Clamps (Jaw Dims. 9X1.6mm; Length 28mm) Fine Science Tools 18050-28 Optional; For keeping scalp skin apart during injection
Straight Fine Scissors (Cutting edge 25mm; Length 11.5cm) Fine Science Tools 14060-11 For cutting scalp
#3 Scalpel Handle Fine Science Tools 10003-12
#11 Surgical Blade Fine Science Tools 10011-00 For making scalp incision
Student Standard Pattern Forcep (Tip Dims. 2.5×1.5mm; Length 11.5cm) Fine Science Tools 91100-12 For holding scalp closed during suturing
Trimmer Combo Kit Kent Scientific CL9990-1201 For shaving hair
T/Pump Warm Water Recirculator  Kent Scientific  TP-700 For warming animal during surgery
Resusable Warmining Pad (5" x 10") Kent Scientific  TPZ-0510FEA For attaching it to the T/Pump warm water recirculator to warm the animal during surgery
Cordless Micro Drill Stoelting 58610 Use 0.8mm steel burrs to drill holes in the skull
Lab Standard Stereotaxic Instrument with Mouse & Neonatal Rat Adaptor Stoelting 51615
Just for Mouse Stereotaxic Instrument Stoelting 51730 Can use this in place of Stoelting Cat. #51615
Quintessential Stereotaxic Injector Stoelting 53311
Dry Glass Bead Sterilizer Stoelting 50287 For sterilizing stainless steel instruments
Sterile Surgical Drape (18" x 26") Stoelting 50981
Hamilton Syringe 50 ml, Model 705 RN SYR, NDL Hamilton Company 7637-01 For brain injection; use different syringes for different solutions
29 Gauge Needle, Small Hub RN NDL Hamilton Company 7803-06 For attaching to the Hamilton syringe for brain injection
1 ml BD Tuberculin Syringes VWR BD309659 For administering anesthesia and saline
30 Gauge Needle (0.5") VWR BD305106 For administering anesthesia and saline
Portable Electronic CS Series Scale (Ohaus) VWR 65500-202 For weighing animals to determine anesthesia dose
Hot plate (Top Plate Dims. 7.25×7.25in) VWR 47751-148 For warming animals post-surgery
Sofsilk Silk Suture C-1 Cutting 3/8, 12 mm Covidien S1173 For closing wound
Vetbond Tissue Adhesive (3M) Santa Cruz Biotechnology sc-361931 Optional: for aiding in wound closure; Use with suture.
Cotton-Tipped Wooden-Shaft Sterile Applicators Fisher scientific 22-029-488 For cleaning and drying surgical wound
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides Fisher Scientific  12-550-15 For collecting brain sections
VWR Micro Cover Glass 24 X 50 mm VWR 48393241 For mounting microscope slides
Thermo Scientific Nalgene Syringe Filter 0.2 μm Fisher Scientific 194-2520 For sterilizing saline solution
Sterile dual tip skin markers by Viscot Medical Medline VIS1422SRL91 For marking coordinates on the skull

References

  1. Baleriola, J., et al. Axonally Synthesized ATF4 Transmits a Neurodegenerative Signal across Brain Regions. Cell. 158 (5), 1159-1172 (2014).
  2. Haass, C., Selkoe, D. J. Soluble protein oligomers in neurodegeneration: lessons from the Alzheimer’s amyloid beta-peptide. Nature reviews. Molecular cell biology. 8 (2), 101-112 (2007).
  3. Knowles, J. K., et al. The p75 neurotrophin receptor promotes amyloid-beta(1-42)-induced neuritic dystrophy in vitro and in vivo. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 29 (34), 10627-10637 (2009).
  4. Troy, C. M., et al. beta-Amyloid-induced neuronal apoptosis requires c-Jun N-terminal kinase activation. Journal of neurochemistry. 77 (1), 157-164 (2001).
  5. Crews, L., Rockenstein, E., Masliah, E. APP transgenic modeling of Alzheimer’s disease: mechanisms of neurodegeneration and aberrant neurogenesis. Brain structure & function. 214 (2-3), 111-126 (2010).
  6. Gotz, J., Ittner, L. M. Animal models of Alzheimer’s disease and frontotemporal dementia. Nature reviews. Neuroscience. 9 (7), 532-544 (2008).
  7. Calhoun, M. E., et al. Neuron loss in APP transgenic mice. Nature. 395 (6704), 755-756 (1998).
  8. Oakley, H., et al. Intraneuronal beta-amyloid aggregates, neurodegeneration, and neuron loss in transgenic mice with five familial Alzheimer’s disease mutations: potential factors in amyloid plaque formation. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 26 (40), 10129-10140 (2006).
  9. Jean, Y. Y., et al. Caspase-2 is essential for c-Jun transcriptional activation and Bim induction in neuron death. The Biochemical journal. 455 (1), 15-25 (2013).
  10. Sotthibundhu, A., et al. Beta-amyloid(1-42) induces neuronal death through the p75 neurotrophin receptor. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 28 (15), 3941-3946 (2008).
  11. Kar, S., Quirion, R. Amyloid beta peptides and central cholinergic neurons: functional interrelationship and relevance to Alzheimer’s disease pathology. Progress in brain research. 145, 261-274 (2004).
  12. Leranth, C., Frotscher, M. Organization of the septal region in the rat brain: cholinergic-GABAergic interconnections and the termination of hippocampo-septal fibers. The Journal of comparative neurology. 289 (2), 304-314 (1989).
  13. Fa, M., et al. Preparation of oligomeric beta-amyloid 1-42 and induction of synaptic plasticity impairment on hippocampal slices. Journal of visualized experiments : JoVE. (41), (2010).
  14. Paxinos, G., Franklin, K. B. J. . The Mouse Brain in Stereotaxic Coordinates. , (2001).
  15. Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. Whole animal perfusion fixation for rodents. Journal of visualized experiments : JoVE. (65), (2012).
  16. Currle, D. S., Monuki, E. S. Flash freezing and cryosectioning E12.5 mouse brain. Journal of visualized experiments : JoVE. (4), (2007).
  17. Jin, M., et al. Soluble amyloid beta-protein dimers isolated from Alzheimer cortex directly induce Tau hyperphosphorylation and neuritic degeneration. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (14), 5819-5824 (2011).
  18. Lambert, M. P., et al. Diffusible, nonfibrillar ligands derived from Abeta1-42 are potent central nervous system neurotoxins. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 95 (11), 6448-6453 (1998).
  19. Masters, C. L., Selkoe, D. J. Biochemistry of amyloid beta-protein and amyloid deposits in Alzheimer disease. Cold Spring Harbor perspectives in medicine. 2 (6), a006262 (2012).
  20. Chakrabarti, M., et al. Estrogen receptor agonists for attenuation of neuroinflammation and neurodegeneration. Brain research bulletin. 109C, 22-31 (2014).
  21. Cirrito, J. R., et al. In vivo assessment of brain interstitial fluid with microdialysis reveals plaque-associated changes in amyloid-beta metabolism and half-life. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 23 (26), 8844-8853 (2003).
  22. Puzzo, D., et al. Picomolar amyloid-beta positively modulates synaptic plasticity and memory in hippocampus. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 28 (53), 14537-14545 (2008).
  23. Puzzo, D., et al. Endogenous amyloid-beta is necessary for hippocampal synaptic plasticity and memory. Annals of. 69 (5), 819-830 (2011).
  24. Akpan, N., et al. Intranasal delivery of caspase-9 inhibitor reduces caspase-6-dependent axon/neuron loss and improves neurological function after stroke. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 31 (24), 8894-8904 (2011).
  25. Fulmer, C. G., et al. Astrocyte-derived BDNF supports myelin protein synthesis after cuprizone-induced demyelination. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 34 (24), 8186-8196 (2014).
  26. Thakker-Varia, S., et al. The neuropeptide VGF is reduced in human bipolar postmortem brain and contributes to some of the behavioral and molecular effects of lithium. The Journal of neuroscience : the official journal of the Society for Neuroscience. 30 (28), 9368-9380 (2010).
  27. Greferath, U., et al. Enlarged cholinergic forebrain neurons and improved spatial learning in p75 knockout mice. The European journal of neuroscience. 12 (3), 885-893 (2000).
  28. Brashear, H. R., Zaborszky, L., Heimer, L. Distribution of GABAergic and cholinergic neurons in the rat diagonal band. 神经科学. 17 (2), 439-451 (1986).
  29. Clarke, D. J. Cholinergic innervation of the rat dentate gyrus: an immunocytochemical and electron microscopical study. Brain research. 360 (1-2), 349-354 (1985).
  30. Garcia-Osta, A., Alberini, C. M. Amyloid beta mediates memory formation. Learning & memory. 16 (4), 267-272 (2009).
check_url/cn/52805?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Jean, Y. Y., Baleriola, J., Fà, M., Hengst, U., Troy, C. M. Stereotaxic Infusion of Oligomeric Amyloid-beta into the Mouse Hippocampus. J. Vis. Exp. (100), e52805, doi:10.3791/52805 (2015).

View Video