Burada in vitro Ca 2+ akıları orta beyin nöronlar ve caspase-3 üzerinde downstream etkilerini birincil fare orta beyin kültürleri kullanarak ölçmek için bir protokol sokuldu. Bu model, orta beyin nöronlarında anormal Ca2+ aktivitesi ile ilgili patofizyolojik değişiklikleri incelemek ve anti-apoptotik özellikler için yeni terapötikleri taramak için kullanılabilir.
Parkinson hastalığı (PH) dopaminerjik dejenerasyonu neden yıkıcı bir nörodejeneratif hastalıktır (DA) nöronlar. Glutamat reseptörlerinin anormal aktivasyonuna bağlı aşırı Ca2+ akını DA eksitotoksisite ile sonuçlanır ve DA nöron kaybı için önemli bir mekanizma olarak tanımlanmışlardır. Bu çalışmada, ED14 fare embriyolarının fare ventral mesensefalonundan (VM) orta beyin nöronlarını izole ediyoruz, ayrıştırıyoruz ve kültürümüz var. Daha sonra bir adeno-ilişkili virüs ile uzun vadeli birincil fare orta beyin kültürleri enfekte (AAV) genetik olarak kodlanmış kalsiyum göstergesi ifade, GCaMP6f insan nöron özgü sinapsin organizatörü kontrolü altında, hSyn. Canlı konfokal görüntüleme kullanarak, kültürlü fare orta beyin nöronların AAV-hSyn-GCaMP6f tarafından saptanır spontan Ca2+ akıları gösterdiğini gösteriyoruz. Orta beyin kültürleri glutamat Banyo uygulaması nöronlar içinde hücre içi Ca2 + anormal yükselmelere neden olur ve bu DA nöronlarda kaspas-3 aktivasyonu eşlik eder, immünboyama ile gösterildiği gibi. Primer fare DA nöronlarında glutamat aracılı apoptozu belirleme teknikleri, DA nöron sağlığını koruyan ilaçların yüksek içerikli taraması için önemli uygulamalara sahiptir.
Parkinson Hastalığı (PH) bilinen bir tedavisi ile, dünya çapında ikinci en yaygın nörodejeneratif bozukluktur. Tahminler, PD yaygınlığının artmaya devam edeceğini ve sadece AMERIKA BirleşikDevletleri’nde2030 yılına kadar 1 milyon tanıyı aşacağını göstermektedir 1. Ph ile mücadele için şu anda mevcut birkaç etkili tedaviler ile, daha etkili tedaviler geliştirmek için acil bir ihtiyaç vardır. PH orta beyin dopamin hızlı ve ilerleyici kaybı ile karakterizedir (DA) nöronlar2. PH’de nörodejenerasyonun altında yatan mekanizmalar tam olarak anlaşılamamıştır. Kanıtlar oksidatif stres ve mitokondriyal disfonksiyon, vb apoptotic sinyal basamaklar ve nihai hücre ölümü başlatılmasına katkıda gibi birden fazla mekanizma, olası bir yakınsama göstermektedir3.
Böyle bir yakınsak mekanizma, glutamat aracılı eksitotoksisite pd4dahil olmak üzere birden fazla nörodejeneratif hastalıklar, karıştığı olmuştur. Glutamat aracılı eksitotoksisite hücre içi Ca2 + konsantrasyonu ve apoptoz nihai inisiyasyon aşırı bir artış yoluyla NMDA reseptörlerinin uyarılması yoluyla esas olarak çalışmak için düşünülse de, Ca2 +-geçirgen AMPA reseptörleri de eksitotoksik yanıt karıştığı olmuştur5,6,7. Bu nedenle, bir PD modeli içinde glutamat aracılı apoptosis AMPA reseptörlerinin katkısını belirlemek için ilgi çekicidir. Bu NBQX kullanılarak elde edilebilir, Bir AMPA ve kainate bloker, hangi mikromolar konsantrasyonlarda AMPAreseptörleriiçin seçici 8 . Glutamat aracılı eksitotoksisite ve apoptotik sinyal basamakları hücre ölümünün derecesini ölçmek için ideal bir aşağı akım hedef ve terapötik müdahale için potansiyel bir hedeftir. Bu nedenle, kalsiyum aktivitesi nin glutamat aracılı modülasyonunun değerlendirilmesi için yüksek içerikli bir yöntem geliştirmek ve primer ventral mesensefalik (VM) nöronlarda ilişkili downstream sinyalizasyonu nöronal sağlığı koruma yetenekleri ne kadar yeni tedavi yöntemlerinin taranması açısından değerli olacaktır.
Burada, fizyolojik ve moleküler düzeyde ölçülebilen glutamat uygulamasına yanıt olarak fare VM primer nöronların Ca2+ aktivitesini ölçmek için insan sinapsin (hSyn) promotörü ile AAV2/5 kullanarak genetik olarak kodlanmış kalsiyum indikatörü (GECI), GCaMP6f’ı ifade ettiğimiz bir protokol geliştirdik. Bu yüksek içerikli tarama, VM nöronların sağlığını korumak için Ca2+ aktivitesini modüle eden ilaç veya tedavileri keşfetmek için uyarlanabilir. Bu birincil kültür modelinin, VM nöronların sağlığını koruma ve PH’nin ilerlemesini azaltma yeteneklerine dayalı yeni PD müdahaleleri için etkili bir yol olduğunu öneriyoruz.
Biz nöronlarda glutamat aracılı apoptoz un yüksek içerikli analizi için uzun vadeli primer ventral mesensefalik (VM) hücre kültür sistemi açıklar. Çalışmalar PD modelleri bağlamında eksitotoksik mekanizmaları açıklamak için birincil orta beyin dopaminerjik kültürler istihdam var11,12. Bu çalışmada, Ca2+ aktivitesini ölçmek ve bu aktiviteyi apoptotik sinyal basamaklarının başlatılması gibi aşağı moleküler değişikliklerle ilişkilendirmek için Genetik Olarak Kodlanmış Kalsiyum Göstergeleri (GECIs) kullanarak kombinatoryal bir yaklaşım kullanıyoruz4. Yöntemin diğer benzer hücre kültür sistemlerine birden çok avantajı vardır. Parkinson hastalığı bağlamında eksitotoksisiteye özel bir ilgi miz olduğu için primer VM hücre kültürlerini kullanmak idealdir. Gridded coverslips veya th immünboyama ile birlikte motorlu XY mikroskop aşaması gibi farklı alan tehcir teknikleri kullanarak, doğrudan ventral orta beyin nöronlarda glutamat aracılı apoptoz hücre tipi özel etkileri inceleyebilirsiniz. Ayrıca, 3 haftalık hücre kültürü modeli nöronların tam geliştirmek için izin verir, olgun moleküler profil, yetişkin DA nöronlar yansıtan9. Önceki yöntemler ağırlıklı olarak glutamat aracılı eksitotoksisite13,,14aşağıdaki moleküler değişiklikler üzerinde duruldu. Model tanımlanan hücre tiplerinde downstream moleküler olaylar ile nöronal fizyolojisi akut değişiklikler ilişkilendirmek için yeteneği benzersizdir. Birincil kültür modelinin bir sınırlama diseksiyon tekniği tüm ventral orta beyin yakalar olduğunu, DA ve GABAerjik nöronlar yanı sıra SNc ve VTA gelen nöronlar da dahil olmak üzere. Kanıtlar şimdi SNc DA nöronlar komşu VTA DA nöronlar ile karşılaştırıldığında kalsiyum ve nihai hücre ölümüne seçici güvenlik açığı olduğunu göstermektedir15. Ne yazık ki, embriyonik kültürlerde VTA nöronlar SNc ayırt embriyonik beyinde bu yapıları tanımlamak için birkaç anatomik işaretleri ile zor kanıtlamıştır.
Birincil kültür tekniğinin heterojen spontan Ca2+ aktivitesinin sayısallaştırılmasına olanak sağladığını göstermişiz (Şekil 1). Bu nedenle, bu tonik aktif hücreleri incelemek için ideal bir hücre kültürü sistemi modeli, orta beyin pacemaking dopaminerjik nöronlar gibi, neokortikal nöronlar, ve suprachiasmatic çekirdek GABAerjik nöronlar (SCN)16,17. Çoğu uygulamada, Ca2+ görüntüleme elektrofizyoloji ile aynı zamansal çözünürlüğe ulaşmaz. Bu nedenle, tek bir Ca2 + olay nöronal eylem potansiyelleri bir patlama benzer olması muhtemeldir. Bu, Ca2+ görüntülemenin hız yapma hücrelerinde anormal patlama aktivitesinin nispeten doğru ölçütlerine izin verdiği ve bu nedenle Ca2+aracılıeksitotoksik hücre ölümünün yüksek içerikli ekranı için uygun olduğu şeklinde yorumlanabilir.
Spontan Ca2+ etkinliğini elde etmek ve sürdürmek için protokoldeki iki önemli noktayı ele almak önemlidir. Birincisi, diseksiyondan sonra hücrelerin kaplama yoğunluğudur. Primer VM nöronlar için, önceki çalışmalarda yaklaşık 100.000 hücre/ cm29,,10kullandık. Protokolü 200.000 hücre/cm2yoğunluklu bir yoğunluk tabakasına uyarladık, bu da heterojen bir spontan aktivite aralığı oluşturur ve her kapak kaymasında bulunan dopaminerjik VM nöronların sayısını artırır. Farklı pacemaking nöronlar farklı ateşleme özellikleri olduğundan16, kaplama yoğunluğu çalışılan hücre tipine özelleştirilmiş ve spontan aktivite ideal düzeyde elde etmek için optimize edilmesi gerekir. İkinci atv viral enfeksiyon aşağıdaki kuluçka süresi. Kaplama yoğunluğu gibi, bu araştırma sorusu ve kullanılan AAV türü belirli bağlamına bağlı olacaktır. Burada kullanılan özel AAV için, viral enfeksiyon sonrası 5 günlük kuluçka, Ca2+ aktivitesini kaydetmek için GCaMP floresansında dinamik değişikliklere olanak tanıyan istenilen protein ekspresyonu seviyelerini elde etmek için idealdir. Birçok faktör ne kadar hızlı ve verimli bir AAV kargo ifade edeceğini belirlemek, çok bu yöntemin kapsamı dışında, ama kısaca, bu organizatör aktivitesi ve kargo proteinolgunve kıvrımlar oranı dikkate almak önemlidir.
Yöntemin bir diğer avantajı da formatta, ifade vektörlerinde, görüntüleme ekipmanlarının kullanımına ve ele alınabilecek bilimsel soruların çeşitliliğine önemli ölçüde esneklik sağlamasıdır. Buna ek olarak, yöntem PH glutamat aracılı eksitotoksisite çevreleyen özel soruların geniş bir yelpazede içine soruşturma sağlar, ve sinir sistemi disfonksiyon diğer modeller. Örneğin, glutamat aracılı eksitotoksisite birden fazla reseptör ve sinyal basamaklariçerir 5. Yöntemi kullanarak ve ŞEKIL 1’dekiNBQX AMPAR blokeri ile gösterildiği gibi, eksitotoksik glutamat yanıtının spesifik bileşenlerini fizyolojik ve moleküler düzeyde incelemek mümkündür. İkinci haberci sistemlerinin inhibitörlerini kullanan benzer bir yaklaşım, eksitotoksisiteye olan katkılarını belirlemek için kullanılabilir. Ayrıca, burada kullanılan AAVs hücre özel organizatörleri veya nörotransmitter salınımı gibi diğer parametreleri ölçmek için kullanılabilecek AAV ifade optogenetik sensörler ile GECIs ifade adapte edilebilir.
Birincil embriyonik diseksiyonlar ve konfokal görüntüleme dışında, protokolün büyük bir kısmı özel eğitim gerektirmeyen temel laboratuvar becerilerini kullanır. Bu nedenle, modeliçin sınırlamalar embriyonik diseksiyon tekniğinin zorluk içerir, hücrelerin olgunluğa ulaşmak için kültürlü zaman uzunluğu, ve bir konfokal mikroskop erişim, ya da benzer görüntüleme cihazları. Yöntemin birçok faydası ve esnekliği bu sınırlamalara ağır basar, bu da sinir sistemi bozukluklarında glutamat aracılı eksitotoksisite rolünü incelemek için ideal bir modeldir. Son olarak, Bu model anti-apoptotik etkileri ve DA nöron sağlığını korumak için yeteneklerini yeni bileşikler ekraniçin etkili bir araç olabilir.
The authors have nothing to disclose.
Amerikan Parkinson Hastalığı Derneği (APDA) ve NIH R01NS115809-01 RS hibe tarafından desteklenir. Texas A&M Genomik Tıp Enstitüsü’ne (TIGM) birincil dopaminerjik kültürler oluşturmak için zamanlanmış hamile fareler sağladığı için teşekkür ederiz.
10% Formalin/PBS | VWR | 100496-506 | |
10X NA 0.3 water-immersion objective | Olympus | UMPLFLN10XW | |
12 mm circular cover glass No. 1 | Phenix Research Products | MS20-121 | |
20X NA 0.85 oil-immersion objective | Olympus | UPLSAPO20XO | |
35 mm uncoated plastic cell culture dishes | VWR | 25382-348 | |
40X NA 0.3 water-immersion objective | Olympus | LUMPLFLN40XW | |
60X NA 1.35 oil-immersion objective | Olympus | UPLSAPO60XO | |
Ampicillin (sodium) | Gold Bio | A-301-25 | |
B-27 supplement | ThermoFisher | 17504044 | 50x stock |
Binolcular Microscope | Kent Scientific | KSCXTS-1121 | |
Bovine serum albumin (BSA) | Sigma-Aldrich | A7030 | |
Calcium Chloride (CaCl2), anhydrous | Sigma-Aldrich | 746495 | |
Chicken polyclonal anti-Tyrosine Hydroxylase | Abcam | ab76442 | |
Deoxyribonuclease I (DNase) | Sigma-Aldrich | DN25 | |
D-glucose, andydrous | Sigma-Aldrich | RDD016 | |
DMEM + GlutaMAX medium | ThermoFisher | 10569010 | 500 mL |
Equine serum | ThermoFisher | 26050088 | heat-inactivated |
Fiber Optic Illuminator, 100V | Kent Scientific | KSC5410 | |
Filter System, PES 22UM 250ML | VWR | 28199-764 | |
Fluoview 1000 confocal microscope | Olympus | ||
Fluoview 1200 confocal microscope | Olympus | ||
GlutaMAX supplement | ThermoFisher | 35050061 | |
Goat polyclonal anti-chicken Alexa Fluor 594 | Abcam | ab150176 | |
Goat polyclonal anti-rabbit Alexa Fluor 594 | Abcam | ab150077 | |
Hanks-balanced Salt Solution (HBSS) 1x | ThermoFisher | 14175095 | 500 mL |
HEPES | VWR | 101170-478 | |
HeraCell 150 CO2 incubator | Heraeus (ThermoFisher) | ||
ImageJ v1.52e | NIH | ||
IRIS-Fine Scissors (Round Type)-S/S Str/31*8mm/13cm | RWD | S12014-13 | |
Kanamycin monosulfate | Gold Bio | K-120-25 | |
Laminin | Sigma-Aldrich | L2020 | |
L-Ascorbic acid | Sigma-Aldrich | A7506 | |
L-glutamic acid | VWR | 97061-634 | |
Magnesium Chloride (MgCl2), andydrous | Sigma-Aldrich | M8266 | |
MPII Mini-Peristaltic Pump, 115/230 VAC, 50/60 Hz | Harvard Apparatus | 70-2027 | |
MULLER Micro Forceps-Str, 0.15mm Tips, 11cm | RWD | F11014-11 | |
NBQX | Hello Bio | HB0443 | |
Neurobasal medium | ThermoFisher | 21103049 | 500 mL |
Normal goat serum (NGS) | Abcam | ab7481 | |
Origin 2020 | OriginLab | ||
pAAV.Syn.GCaMP6f.WPRE.SV40 | Addgene | 100837-AAV1 | Titer: 1.00E+13 gc/ml |
Papain | Worthington Biomedical Corporation | LS003126 | |
Penicillin streptomycin | ThermoFisher | 15140122 | 10,000 U/mL |
Phosphate-buffered saline (PBS) 1x | ThermoFisher | 10010049 | 500 mL |
Poly-L-lysine | Sigma-Aldrich | P4832 | |
Poly-L-ornithine | Sigma-Aldrich | P4957 | |
Potassium Chloride (KCl), anhydrous | Sigma-Aldrich | 746436 | |
Pump Head Tubing Pieces For MPII | Harvard Apparatus | 55-4148 | |
Rabbit monoclonal anti-caspase-3 | Abcam | ab32351 | |
Sodium Chloride (NaCl), anhydrous | Sigma-Aldrich | 746398 | |
Sucrose | Sigma-Aldrich | S7903 | BioXtra, ≥99.5% (GC) |
Time-pregnant female C57BL/6 mice | Texas A&M Institue for Genomic Medicine | ||
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | 500 mL |
Wide-bore blue pipette tips P1000 | VWR | 83007-380 |