Представлен удобный гравитационный перфузионный метод гистологического анализа центральной нервной системы мыши. Иммунофлуоресцентное обнаружение фосфорилированного α-синуклеина продемонстрировано на мышиной модели болезни Паркинсона. Эта работа также всесторонне описывает этапы транскардиальной перфузии, рассечения, замораживания / встраивания тканей и замороженного сечения.
Гистологический анализ образцов головного и спинного мозга, выделенных у мышей, является обычной практикой для оценки патологии в этой модельной системе. Для поддержания морфологии этих деликатных тканей обычно вводят химический фиксатор, такой как параформальдегид, через канюляцию сердца у анестезированных животных (транскардиальная перфузия). Транскардиальная перфузия сердца мыши традиционно полагалась на использование перистальтических насосов или давления воздуха для доставки как физиологических, так и фиксирующих растворов, необходимых для этого процесса. В качестве легкодоступной альтернативы этим методам эта работа демонстрирует использование гравитационного метода доставки перфусата, в котором используются материалы, доступные в большинстве хозяйственных магазинов.
Чтобы подтвердить этот новый метод перфузии, эта работа демонстрирует все последующие шаги, необходимые для чувствительного обнаружения фосфорилированного α-синуклеина как в головном, так и в спинном мозге. В эти этапы входит рассечение неподвижных тканей головного и спинного мозга, быстрое замораживание/встраивание и криосечение тканей, а также иммунофлуоресцентное окрашивание. Поскольку этот метод приводит к доставке фиксатора по всему телу, он также может быть использован для подготовки других ненейрональных тканей к гистологическому анализу.
Гистологическая характеристика патологии в центральной нервной системе (ЦНС) мышей является рутинной методикой, используемой в исследованиях нейродегенерации. Поскольку нейронные ткани быстро деградируют после смерти, обычной практикой является доставка химического фиксатора, такого как параформальдегид, в ткани ЦНС для сохранения их морфологии 1,2. Химическая фиксация может быть выполнена либо через перфузию всего тела фиксирующим раствором, либо через выделение тканей и погружение их в фиксирующий раствор (так называемая «фиксация капли»). Перфузия является предпочтительным методом фиксаторной доставки, так как капельная фиксация может не допускать быстрого проникновения фиксирующего раствора в глубокие структуры ЦНС 3,4,5. Кроме того, поскольку трудно удалить нефиксированный спинной мозг из позвоночного столба, доставка фиксирующего раствора посредством перфузии позволяет сохранить in situ микроскопическую и грубую анатомию спинного мозга и укрепляет ткань, чтобы свести к минимуму повреждение во время удаления.
Доставка буферных и фиксирующих растворов, необходимых для фиксации, обычно осуществляется с использованием коммерчески доступных насосов или давления воздуха. Гравитационная подача перфусата может служить альтернативой подаче насоса по следующим причинам: (1) Подача насоса или давления воздуха может в некоторых случаях потребовать от пользователя ручного поддержания давления в системе на протяжении всей перфузии. Гравитационная доставка перфузата может поддерживаться без вмешательства пользователя. (2) Перфусатный аппарат с гравитационной доставкой может быть изготовлен по низкой цене для пользователя путем получения материалов, доступных у стандартных научных поставщиков. В этой работе описывается, как построить простое гравитационное перфузионное устройство с использованием бутылок для мойки и виниловых трубок. Используя мышиную модель болезни Паркинсона, эта работа демонстрирует эффективность этой системы в перфузии тканей головного и спинного мозга до их выделения для замороженного сечения. Эта работа всесторонне описывает все этапы, методы и материалы, необходимые для рассечения фиксированной ткани животного, быстрого замораживания / встраивания и криосекции ткани и обнаружения присутствия фосфорилированного α-синуклеина как в головном, так и в спинном мозге с помощью непрямой иммунофлуоресцентной микроскопии.
В этой работе описываются критические шаги для выполнения транскардиальной перфузии. При построении перфузионного аппарата (протокол раздела 1) важно использовать трубки, которые достаточно гибкие, чтобы быть полностью закупоренным гемостатом. Некоторые жесткие трубки могут быть недостаточно закрыты гемостатом и могут по-прежнему позволять PFA просачиваться в основную линию во время начальной перфузии PBS. При приготовлении 4% раствора PFA важно убедиться, что рН физиологичен (7,4). Поскольку приготовление раствора PFA включает в себя нагрев его до 65 °C, раствор должен быть охлажден до 25 °C до измерения pH, поскольку это температура, при которой pH калибруется на измерителе.
При проведении начального разреза в брюшную полость необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать разрыва органов брюшной полости (протокол раздела 2). При рассечении преимущественно по направлению к диафрагме важно избегать разрыва печени, так как печень обычно прилипает к передней брюшной стенке. Чтобы преодолеть это, печень осторожно и тупо рассекают от передней стенки, прежде чем продолжить разрез в сторону диафрагмы. При проникновении в грудную полость через диафрагму важно избегать рваных ран сердца, магистральных сосудов, легких. Чтобы этого избежать, кончик ножниц держат поверхностно и под острым углом с грудной клеткой.
Первоначальное рассечение для обнажения сердца занимает примерно 2 мин от начального разреза. Ожидается, что за это время на кончик иглы бабочки поступило немного воздуха. Введение этого воздуха в циркуляцию мыши даст некачественную перфузию. Поэтому очень важно, чтобы основная линия была открыта, и PBS промывали через иглу непосредственно перед канюляцией сердца, чтобы удалить пузырьки воздуха. В идеале сердце канюлируется, в то время как небольшая струйка PBS течет через кончик иглы, чтобы обеспечить полное отсутствие воздуха при прокалывании РН.
Когда игла входит в ЛЖ, она не должна уходить так глубоко, чтобы вводить наконечник иглы в правый желудочек (RV). Размещение иглы либо в RV, либо за пределами митрального клапана приведет к немедленной «инфляции» легких при начале перфузии. Это нежелательно, и иглу необходимо слегка отобрать, чтобы обеспечить размещение РН. Если игла размещена правильно, легкие останутся плоскими на протяжении всей перфузии. Когда начинается перфузия, иногда наблюдается, что из открытой пасти животного выходит прозрачная жидкость. Обычно это происходит из-за слишком высокого давления перфузии или из-за неправильного размещения иглы в сердце. Авторы предполагают, что повышенное перфузионное давление приводит к экстравазации перфузата из артериолярного капиллярного русла и ретроградному потоку PBS через бронхиальное дерево в пищевод и ротовую полость.
Перфузионное давление должно быть снижено либо путем снижения уровня PBS в бутылке PBS, либо путем снижения высоты бутылки PBS. В качестве альтернативы, если игла помещена слишком глубоко в левый желудочек, она может пройти через митральный клапан и доставить перфусат в левое предсердие. Это может привести к ретроградному потоку через легочные вены и экстравазации перфузата в артериолы, как описано выше. Тщательный клиренс крови из кровеносной системы с PBS особенно важен, чтобы избежать фиксаторно-индуцированного сшивания компонентов крови, приводящего к окклюзии сосудов при последующей фиксирующей перфузии. Клиренс эффективно оценивается изменением цвета печени и потока PBS из разреза в вентральном основании хвоста. Клиренс крови обычно завершается к 3 мин перфузии с PBS; однако, если визуальные признаки клиренса возникают в более короткие сроки, то фиксатор вводится раньше, чем через 3 мин. Более длительное время зазора не рекомендуется, так как отсроченная фиксирующая перфузия приводит к артефактам в тонкой структуреЦНС 1.
Когда вводится PFA, важно контролировать уровень раствора PFA во флаконе PFA. Наполните флакон PFA, если уровень PFA падает менее чем на 4 см выше горлышка флакона PFA. После того, как перфузия была завершена, перфузионный аппарат необходимо тщательно промыть дистиллированной водой. Это важно, поскольку остаточный PFA в основной линии загрязнит первоначальную перфузию PBS PFA и приведет к некачественной перфузии. Наконец, иглы бабочки 25 г обычно рекомендуются для взрослых мышей среднего размера в диапазоне 20-30 г. Тем не менее, большим или меньшим мышам могут потребоваться немного большие или меньшие калибровочные иглы в дополнение к регулировке фиксирующих бутылок для обеспечения оптимальной скорости потока.
Для рассечения ЦНС и встраивания ОКТ (раздел протокола 3) ткани спинного мозга обычно не полностью погружаются в 30% сахарозы. Поэтому эти ткани оставляют в сахарозе на 2 дня, а затем встраивают в ОКТ, независимо от того, тонут они или нет. При замораживании тканей в ОКТ возможно, что некоторые ткани могут треснуть при помещении в охлажденный 2-метилбутан. Это чаще встречается с мозгом и обычно происходит, когда слишком много ОКТ помещается на ткань. Чтобы избежать этого, поместите только достаточно ОКТ, чтобы покрыть поверхности тканей до немедленного замораживания. В некоторых протоколах взлом встречается реже, несмотря на полное погружение в OCT. Обычно это связано с более медленным методом замораживания, например, при использовании 2-метилбутана, охлаждаемого сухим льдом, или при размещении криомольда непосредственно на блоке сухого льда. Жидко-азотно-охлажденный 2-метилбутан является предпочтительным в этой работе, поскольку скорость замораживания значительно быстрее и может лучше сохранять морфологию тканей, чем более медленные методы замораживания.
При криосекции ткани (раздел протокола 4) важно избегать многократных циклов замораживания-оттаивания. Поэтому оптимально вырезать все участки из одного блока OCT, чтобы получить определенную область мозга для анализа вместо размораживания и повторного замораживания выбранных областей. Если это нежизнеспособно, после получения нескольких секций пользователи могут повторно заморозить и хранить блоки OCT в глубокой морозильной камере -80 °C еще 1-2 раза для будущего использования.
Основные преимущества этого метода по сравнению с более традиционным насосом или подачей перфусата под давлением воздуха заключаются в следующем: (1) низкая стоимость и доступность перфузионного аппарата. (2) Пользователям не нужно вручную поддерживать давление в перфузионном аппарате на протяжении всей перфузии. (3) Более низкое и более постоянное перфузионное давление, чем другие недорогие альтернативы перфузии, такие как доставка шприцем. Используя уравнение Бернулли, подсчитывается, что перфузионный аппарат с гравитационной подачей, построенный здесь, будет поддерживать перфузионное давление примерно 73 мм рт. ст., когда бутылки с перфусатом размещаются на высоте 1 м относительно иглы. Учитывая, что это значительно ниже систолического артериального давления этих животных, это перфузионное давление, вероятно, достаточно низкое, чтобы избежать разрыва сосудов12.
До сих пор авторы успешно использовали эту перфузионную систему для обнаружения присутствия фосфорилированного α-синуклеина в мышиной модели болезни Паркинсона. В течение этого времени не было обнаружено значительных ограничений с этим методом перфузии, которые не присутствуют при методе доставки перфузии насоса. Основным ограничением этого метода является трудоемкий характер перфузии по сравнению с фиксацией капли. Этот метод предпочтительнее для отбрасывания фиксации, так как перфузия приводит к более глубокому проникновению фиксатора в структуры ЦНС. Вторым ограничением этой техники является то, что она требует некоторых хирургических навыков для выполнения, так как сердце должно быть быстро каннулировано после входа в грудную полость. Тем не менее, с опытом, обученные пользователи могут регулярно канулировать сердце в течение 1 минуты после первоначального разреза в брюшную полость.
The authors have nothing to disclose.
Авторы благодарят Xiaowen Wang, Liam Coyne и Jason Grullon за помощь в разработке этого протокола. Эта работа была поддержана грантами NIH AG061204 и AG063499.
2-Methylbutane (Certified ACS), Fisher Chemical | Fisher Scientific | 03551-4 | |
Andwin Scientific Tissue-Tek O.C.T Compound | Fisher Scientific | NC1029572 | |
Artman Instruments 4.5" Straight Castroveijo Spring Action Scissors | Amazon | B0752XHK2X | "fine scissors" |
BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 18 G | Fisher Scientific | 14-826-5D | |
BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 22 G | Fisher Scientific | 14-826B | |
Corning PES Syringe Filters | Fisher Scientific | 09-754-29 | |
Cytiva HyClone Phosphate Buffered Saline (PBS), 10x | Fisher Scientific | SH30258 | |
Falcon 50 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
Fisher BioReagents Bovine Serum Albumin (BSA) Protease-free Powder | Fisher Scientific | BP9703100 | |
Fisherbrand Curved Medium Point General Purpose Forceps | Fisher Scientific | 16-100-110 | "curved fenestrated forceps" |
Fisherbrand Curved Very Fine Precision Tip Forceps | Fisher Scientific | 16-100-123 | "curved fine forceps" |
Fisherbrand Disposable Graduated Transfer Pipettes | Fisher Scientific | 13-711-9AM | |
Fisherbrand High Precision Straight Tapered Ultra Fine Point Tweezers/Forceps | Fisher Scientific | 12-000-122 | "straight fine forceps" |
Fisherbrand Micro Spatulas with Rounded Ends | Fisher Scientific | 21-401-5 | |
Fisherbrand Porcelain Buchner Funnels with Fixed Perforated Plates | Fisher Scientific | FB966J | |
Fisherbrand Premium Cover Glass, 24 x 50 | Fisher Scientific | 12-548-5M | |
Fisherbrand Premium Tissue Forceps 1X2 Teeth 5 in. German Steel | Fisher Scientific | 13-820-074 | "skin forceps" |
Fisherbrand Reusable Heavy-Wall Filter Flasks | Fisher Scientific | FB3002000 | |
Fisherbrand Standard Dissecting Scissors | Fisher Scientific | 08-951-20 | "dissecting scissors" |
Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use | Fisher Scientific | 14-955-464 | |
Fisherbrand Straight Locking Hemostats | Fisher Scientific | 16-100-115 | |
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Fisherbrand Vinyl Tubing and Connector Kits, 1/4 in. | Fisher Scientific | 14-174-1C | |
Fisherbrand Wet-Strengthened Qualitative Filter Paper Circles | Fisher Scientific | 09-790-12F | |
Fisherbrand Y Connector with 1/4 in. ID – Polypropylene – QC | Fisher Scientific | 01-000-686 | |
Garvey Economy Single Edge Cutter Blade | Amazon | B001GXFAEQ | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, DyLight 488 | ThermoFisher Scientific | 35552 | |
Ideal Clamp Stant High-Pressure Clamps | Fisher Scientific | 14-198-5A | "hose clamps" |
IMEB, Inc Sakura Accu-Edge Low Profile Microtome Blades, Dispoisable | Fisher Scientific | NC9822467 | |
Kawasumi 25 Gauge Standard Winged Blood Collection Set | Fisher Scientific | 22-010-137 | "butterfly needle" |
Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply | Fisher Scientific | 06-666 | |
Molecular Probes ProLong Diamond Antifade Mountant with DAPI | Fisher Scientific | P36962 | |
Nalgene Narrow-Mouth Right-to-Know LDPE Wash Bottles | ThermoFisher Scientific | 2425-0506 | "buffer bottles" |
PAP pen | abcam | ab2601 | |
Paraformaldehyde Granular | Electron Microscopy Systems | 19210 | |
Pyrex Glass Drying Dishes, 34.9 x 24.9 x 6 cm | Fisher Scientific | 15-242D | |
Recombinant Anti-Alpha-synuclein (phospho S129) antibody [EP1536Y] | abcam | ab51253 | |
Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | 221465-2.5kg | |
Stainless Steel Drinking Cup 18-oz | amazon | B0039PPO9U | |
Sucrose for Molecular Biology CAS: 57-50-1 | Us Biological | S8010 | |
Triton X-100 | Us Biological | T8655 | |
Vetone Fluriso Isoflurane USP | MWI Animal Health | 502017 |