קריו-סעיף-ניתוח מאפשר הכנה טרייה, קפואה של הנישה הנוירוגנית הגדולה ביותר במוח מורין לניתוח פרוטאום כמותי עמוק. השיטה מדויקת, יעילה וגורמת להפרעה מינימלית לרקמות. לכן, הוא מתאים באופן אידיאלי לחקר המיקרו-סביבה המולקולרית של נישה זו, כמו גם איברים, אזורים ומינים אחרים.
הנישה הנוירוגנית התת-פננדימלית מורכבת מרצועת מפרקים של קיר החדר לרוחב של החדר הצדדי. האזור התת-קרקעי (SEZ) הוא אזור דק ומובחן החשוף לחדרים ולנוזל השדרתי. הבידוד של נישה זו מאפשר ניתוח של מיקרו-סביבה נוירוגנית של תאי גזע. עם זאת, מיצוי של רקמות קטנות לניתוח פרוטאום הוא מאתגר, במיוחד לשמירה על עומק מדידה ניכר והשגת חוסן אמין. שיטה חדשה המכונה cryo-סעיף-ניתוח (CSD), המשלב דיוק גבוה עם הפרעת רקמות מינימלית, פותחה כדי להתמודד עם אתגרים אלה. השיטה תואמת לשיטות ספקטרומטריית מסה (MS) חדישות המאפשרות זיהוי של רגולטורים נישה בשפע נמוך. מחקר זה השווה את ה- CSD ואת נתוני הפרוטאום שלו לשיטה ולנתונים המתקבלים על ידי מיקרודיסקציה של לכידת לייזר (LCM) וחתך סטנדרטי שלם. שיטת ה- CSD הביאה לעומק כימות כפול בפחות ממחצית זמן ההכנה בהשוואה ל- LCM ובו זמנית עלתה בבירור על דיוק הניתוח של הניתוח כולו. לפיכך, CSD היא שיטה מעולה לאיסוף SEZ לניתוח פרוטאום.
כמו neurogenesis מוגבל במוח הבוגר, אסטרטגיות שונות לתיקון מערכת העצבים המרכזית ייהנו מאוד הבנה מוגברת של היסודות של תחליף עצבי למבוגרים. מכרסמים עזרו לנו להבין את המנגנונים הבסיסיים של נוירוגנזה לאחר הלידה, אם כי יש לציין כי נוירוגנזה בוגרת תלויה מאוד במינים. בעכברים, יש שלוש נישות של תאי גזע עצביים בוגרים (NSC). ההיפותלמוס הוא נישה בוגרת של המועצה לביטחון לאומי עם פוטנציאל נוירוגני 1,2, בעוד נוירוגנזה בוגרת מתמשכת מוגבלת בעיקר להיפוקמפוס3 ול– SEZ של הקירות הצדדיים של החדרים לרוחב4,5,6. ה- SEZ הוא אזור הנבטים הגדול ביותר המכיל NSCs (תאי סוג B) המתפתחים לנוירובלסטים (תאים מסוג A) באמצעות תאי אב מגבירי מעבר (תאי C מסוג C). ה-SEZ מכיל 20-35% מתאי סוג B, 1-15% מתאי סוג C, 1-30% מתאי סוג A ו-25-50% מתאי אפנדימאל7. ה- SEZ כולל מיקרו-ארכיטקטורה מורכבת, עם תאי אנדותל, תאים מיקרוגליאליים ותאים אפנדימליים המתגוררים ומשפיעים על נישה של תאי הגזע8,9,10. למרות נוירונים נדירים SEZ, אקסונים הנובעים ממקורות רחוקים כגון סטריאטום, אזור הטגמנטום הגחוני, או ההיפותלמוס להגיע ולהשפיע על סוג B תאים4. מאפיין ייחודי של נישה זו של תאי גזע הוא ההפרדה בין אתר ההתפשטות לבין אתר הבידול. לאחר התפשטות, האבות העצביים נודדים כמה מילימטרים מה- SEZ לנורת הריח, שם הם מתבדלים באופן סופני לנוירונים ומשתלבים במעגלים עצביים קיימים. חקירות של תוכניות תאי-מהותיות הקשורות נוירוגנזה כבר סיפקו ידע חשוב עבור תכנות מחדש של תאים טיפוליים ניסיוניים ואסטרטגיות השתלה15,16,17,17,18,19,20. עם זאת, אותות חיצוניים של תאים גם לווסת neurogenesis, סביבות רקמות יכול לקבוע את הגורל הנוירוגני של תאי גזע11,12,14,21,22,23. כתוצאה מכך, חקירת המיקרו-סביבה של הגומחות הנוירוגניות והאינטראקציה שלה עם תאי הגזע היא בעלת חשיבות מכרעת.
המטריצה החוץ-תאית (ECM) וחלבונים מופרשים אחרים הם חלק גדול מהמיקרו-סביבה. לזיהוי וכימות מדויקים, גישה פרוטאומית מתאימה יותר מגישה תמלולית לקביעת הרכב ECM בשל המתאם הנמוך בין התמלול לרמות החלבון עבור ECM24,25. יתר על כן, יש ראיות משמעותיות כי רגולטורים נישה SEZ אינם מיוצרים באופן בלעדי על ידי תאים המאכלסים את הנישה עצמה. במקומות מרוחקים יותר, כגון מקלעת הכורואידים, מפרישים אותות אפנון המועברים לתאי הגזע באמצעות הנוזל השדרתי22,23. חקירת פרוטאום נישה יכול לעזור לזהות רגולטורים נישה נוכח נישה עצמאית של אתר הייצור שלהם, בהתחשב בכך חלק ניכר של microenvironment חוץ תאי מורכב על ידי חלבונים.
כדי לאסוף את אזור חדרי המורין לניתוח פרוטאומי לא משוחד, נדרשת שיטה עם דיוק גבוה, לכידת סרט paraventricular דק כ -50 מיקרומטר המכיל תאי גזע תוך אי הכללת הרקמה של הסטריאטום הסמוך. יתר על כן, הפרעה רקמות במהלך הניתוח חייב להיות מינימלי לניתוח microenvironment חוץ תאי כי חלבונים מסיסים, כולל גורמי גדילה או ציטוקינים, ניתן לשטוף בקלות. למרות שניתן לנתח את ספקטרום המסה של רקמה קבועה, הסוכן הנדרש, כגון paraformaldehyde, יפחית את עומק זיהוי החלבון ועשוי לגרום לשינויים פוסט-טרנסלנטיים. ניתוח SEZ שלם נפוץ, למשל, עבור אוסף של תאים לניתוח מיון תאים המופעל על ידי פלואורסצנטיות, מסיר את כל ה- SEZ עם מספריים26. ביתור סטנדרטי זה הוא מהיר עם הפרעה מינימלית לרקמות. עם זאת, זיהום striatal של הדגימות לא ניתן להימנע. לעומת זאת, ל- LCM יש את היתרון יוצא הדופן של דיוק ניתוח מעולה. עם זאת, LCM עשוי להציג הפרעות רקמות, למשל, עקב כתמי רקע או denaturation חלבון שנגרם בלייזר. כדי לשלב את נקודות החוזק של הניתוח כולו ו- LCM, פותחה שיטה חדשנית התואמת לטרשת נפוצה, המכונה קריו-קטע-חתך (CSD), (איור 1A-D). ה- CSD מאפשר את החילוץ של SEZ ואת הניתוח של SEZ של הקירות המדיאליים של החדרים לרוחב (MEZ), שהוא אזור בקרה אידיאלי, בעיקר לא נוירוגני עבור SEZ (ראה הפרוטוקול). פרוטאום הנישה שהושג על ידי השילוב של CSD ושיטות MS חדישות הוכיח להיות שימושי עבור אפיון וזיהוי של רגולטורים חדשים בנישה זו NSC למבוגרים 25. לפיכך, שיטה זו תהיה שימושית לקביעת הרכב חלבון רקמת SEZ.
שיטת CSD אפשרה לחלץ במדויק רקמת SEZ וליצור פרוטאום אמין עם עומק משמעותי באמצעות MS. CSD מציג יתרון ברור בהשוואה לחיתוך מלא במונחים של זיהום סטריאטלי מופחת מאוד של דגימות SEZ והעשרת חלבונים חוץ תאיים. כפי שניתן גם לזהות מספר דומה של חלבונים בדגימות בודדות (~ 6,500 חלבונים לדגימה) עם CSD וחיתוך מלא, הזמן הנוסף עבור CSD שווה את המאמץ. LCM מספק ניתוח SEZ מדויק יותר אך הגיע לעומק פרוטאום נמוך יותר, עם רק 3,500 חלבונים לדגימה למרות שהשתמש באותו פרוטוקול MS כמו CSD (התאמת ספריה וכימות ללא תוויות). חשוב לציין שהשונות הייתה גדולה בהרבה, כנראה בגלל זמן ההכנה הארוך פי שמונה לדגימה. PCA של הדגימות שהושגו על ידי LCM ו- CSD חושף הפרדה ברורה של שתי השיטות עם אשכולות הדוקים ספציפיים לאזור המופרדים בחוזקה זה מזה. לעומת זאת, דגימות LCM הציגו התפלגות מפוזרת יותר, אשר כנראה בחלקה בשל אורך ההכנה. לא ברור אם איסוף דגימות רבות יותר על פני תקופה ארוכה יותר היה מניב פרוטאום של חוסן ועומק שווים עם LCM. חישוב הערכה, איסוף נפח מדגם דומה כפי שנעשה עבור CSD ייקח 5-8 פעמים יותר עם LCM, אפילו עד פי 15 יותר אם דגימות שסופקו עבור ספריות ספקטרום פפטיד נכללו, וחלק גדול ממנו בתנאים מופשרים. יתר על כן, בהתחשב בהפרעות הנוספות של הרקמה הדרושה ל- LCM (כתמי רקע, ניתוח לייזר), LCM סיפק מעט, אם בכלל, רווח על פני CSD. לפיכך, CSD יכול להיחשב מתאים יותר למחקר פרוטאום חוץ תאי, במיוחד עבור SEZ.
ראוי לציין, אם אזור העניין קטן יותר מאשר SEZ (למשל, חוקר רק את שכבת התא ependymal), גישה חופשית נופלת מאחורי הדיוק של LCM. לדוגמה, השימוש ב- CSD להפרדת האפנדימלי לשכבה התת-קרקעית קשה מכיוון שהשכבה האפנדימלית היא רק קוטר תא רחב, והתיחום כלפי השכבה התת-כספית אינו גלוי לעין בלתי ברקמה קפואה טרייה. לפיכך, LCM יהיה בחירה טובה יותר מאשר CSD אם ניתוח מדויק בקנה מידה מתחת 50 מיקרומטר חשוב יותר מאשר רקמה ללא הפרעה או שמירה על זמן הניתוח קצר. עבור אזורים עם רוחב של 50 מיקרומטר ויותר, עם זאת, הדיוק של CSD דומה לזה של LCM לניתוח חלבון ECM.
CSD כבר הוכיח להיות שימושי על ידי תרומה לחקירה של התפקיד התפקודי של ECM בנישה neurogenic25. לפיכך, המשך היישום של CSD ב- SEZ עבור חקירות חלבון ופרוטום שונים (או אפילו רצף RNA גרעין יחיד) עשוי להוביל לאיתור של ויסות נוירוגנזה נוספים, סמני הפעלת תאי גזע, והבנה עמוקה יותר של פיזיולוגיית נישה של תאי גזע SEZ. בהתחשב בירידה של neurogenesis בהזדקנות SEZ37, ניתוח תמציתי של שינויים ECM של SEZ של עכברים בגיל לעומת צעירים עשוי לקדם את ההבנה של מנגנוני נישה מדויקים טיפוח פיתוח ותחזוקה NSC38,39. יתר על כן, ההשפעה של דלקת ופציעה על נוירוגנזה SEZ מבוססת היטב40,41,42,43. ההעשרה של פיברינוגן שמקורו בדם ב- SEZ לאחר פגיעה מוחית בקליפת המוח והשפעתה על אסטרוגלוגנזה SEZ והיווצרות צלקת44 מדגישה את ההשפעה הפוטנציאלית של שינויי מיקרו-סביבה הנגרמים מטראומה על הפיזיולוגיה של תאי הגזע SEZ. לפיכך, חקירת פרוטאום SEZ-ECM בשיתוף עם פגיעה מוחית באמצעות CSD יכול לעזור להבהיר את המנגנונים שבאמצעותם פגיעה ודלקת להשפיע על neurogenesis. חשוב לציין, השיטה יכולה להיות ישימה גם נישות neurogenic המוח האנושי בבריאות ומחלות כמו רקמה קפואה טרי לעתים קרובות ניתן להשיג מניתוחים. יתר על כן, בהתחשב בהבדלים המינים נוירוגנזה בוגרת, זה יהיה גם מרתק ליישם את שיטת CSD על מינים אחרים, למשל, בשיתוף נוירוגנזה striatal. יתר על כן, עם שיטות אחרות לזיהוי חלבונים, הבדלים בגורמי גדילה המיוצרים באופן מקומי ניתן לחקור במדויק וביעילות באמצעות CSD עבור SEZ ו- MEZ (למשל, ELISA).
לבסוף, הליך הניתוח יכול להיות שונה באופן פוטנציאלי עבור מיצוי מדויק של אזורי מוח אחרים, גם עבור שאלות מחקר שאינן קשורות neurogenesis. לדוגמה, CSD כולל צעד הפשרה למחצה קצר, שבמהלכו מיאלין קומפקטי נראה כאזורים לבנים הנבדלים מרקמת המוח השיורית השקוף יותר. עם שינוי פשוט של השיטה, תכונה זו תאפשר את הניתוח המדויק של רקמת מיאלין קומפקטית קורפוס callosum בלבד, אשר יכול להיות נתון לניתוח פרוטאומי של שינויים הקשורים לפציעה. הצעה לשינוי פרוטוקול שיאפשר את הניתוח הקשוח של הקורפוס היא להשמיט את שלבים 1.5-1.9 של הפרוטוקול ולהמשיך ישירות להכנת קטעי הקורונה במקום לפתוח את החדרים כדי להפוך את SEZ ו MEZ נגישים. לאחר מכן, מניחים את החלקים על קרח יבש, להרים לזמן קצר ולהפשיר למחצה את הפרוסות, ופשוט להסיר את קורפוס callosum עם אזמל. הכנה זו צריכה להיות מוכנה כעת לכל ניתוח הדורש ניתוח יעיל של רקמת קורפוס קאלוזום מקומית.
לסיכום, מחקר זה מציג שיטת מיקרו-ניתוח שיכולה לשמש לניתוח פרוטאום נישה נוירוגנית חדרית אמינה. הנתונים מדגישים את התאימות והתועלת של שיטת CSD יחד עם ניתוח פרוטאומי מבוסס MS של מיקרו-סביבה SEZ. השילוב של דיוק, יעילות וסטירת רקמות מינימלית הופכים את ה- CSD להרחבה רבת ערך של שיטות קיימות.
The authors have nothing to disclose.
אנו מבקשים להודות בכנות למתיאס מאן על שאיפשר לנו לבצע חלקים גדולים מהניסויים במעבדה שלו, פביאן קוסיה על העזרה עם LCM וניתוח פרוטאום, טטיאנה סימון-אברט על ניתוחים מלאים, וקורביניאן מאייר ואיגור פארון על עזרתם הטכנית. אנו מודים על מימון ממועצת המחקר הגרמנית ל- MG (SFB870, TFR274), האיחוד האירופי (Eranet S-700982-5008-001), ה- ERC (aERC “NeuroCentro” ל- MG), האגודה השבדית למחקר רפואי (SSMF, ל- JK) מענק פוסט-דוקטורט, וקרנות KI וקרנות (2020-01351, ל- JK).
Cryostat CM3050S | Leica | ||
Dissecting microscope | Leica | ||
Dumont no. 5SF forceps, Inox super fine tip | Fine Science Tools | cat. no. 11252-00 | |
Hank’s Balanced Salt Solution with CaCl2 and MgCl2 | Invitrogen | cat. no. 24020 | |
HEPES buffer solution (1 M) | Invitrogen | cat. no. 15630 | |
Microscope slides | RS France | cat. no. BPB018 | |
Safe-lock tubes, PCR clean 2.0 mL | Eppendorf | cat. no. 0030123344 | |
Spring scissors, Vannas-Tubingen 5 mm | Fine Science Tools | cat. no. 15003-08 | |
Surgical disposable scalpels | B. Braun | cat. no. 5518083 | |
Tissue culture dishes 60 mm | Greiner Bio-One | cat. no. 633180 | |
Antibodies | |||
Alexa Fluor secondary antibodies (488, 555) (1/1,000) | ThermoFisher Scientific | cat. no. A-11001 | |
DAPI | Sigma | cat. no. D9542 | |
guinea pig polyclonal anti-DCX 1:500 | Millipore | cat. no. AB2253, | |
mouse monoclonal anti-GFAP 1:500 | Sigma | cat. no. G3893 | |
mouse monoclonal anti-MAG 1:400 | Millipore | cat. no. MAB1567 | |
Software | |||
GraphPad Prism version 9 | GraphPad Software, San Diego California USA | www.graphpad.com | |
Perseus Version 1.6.10.50 | Max-Planck Institute for Biochemistry, Munich Bavaria Germany | https://maxquant.net/perseus/ | |
ZEN imaging software | Carl Zeiss |