Kapalı Kafatası Travmatik Beyin Hasarı ve Kraniyal Penceresi Olan Farelerde Floresan Protein Ekspresyonunun İki Foton Mikroskobu Kullanılarak İntravital Görüntülenmesi
Summary
Bu çalışma, farelere tekrarlayan bir travmatik beyin hasarının verilmesini ve iki foton mikroskobu kullanılarak nöron eksprese edilen bir EGFP’nin daha sonraki intravital görüntülemesi için bir kraniyal pencerenin eşzamanlı implantasyonunu göstermektedir.
Abstract
Bu protokolün amacı, eksojen uyaranlara maruz kaldıktan sonra, bir hayvanın beyninin belirli hücre tipleri içinde ilgilenilen bir proteinin ekspresyonunun ve lokalizasyonunun uzunlamasına nasıl görselleştirileceğini göstermektir. Burada, kapalı kafatası travmatik beyin hasarının (TBI) uygulanması ve farelerde müteakip uzunlamasına intravital görüntüleme için bir kraniyal pencerenin eşzamanlı implantasyonu gösterilmektedir. Farelere intrakraniyal olarak, nöronal spesifik bir promotör altında gelişmiş yeşil floresan proteini (EGFP) eksprese eden adeno-ilişkili bir virüs (AAV) enjekte edilir. 2 ila 4 hafta sonra, fareler, AAV enjeksiyon yeri üzerinde bir ağırlık düşürme cihazı kullanılarak tekrarlayan bir TBI’ya tabi tutulur. Aynı cerrahi seansta, farelere metal bir başlık ve daha sonra TBI etki bölgesi üzerine bir cam kraniyal pencere implante edilir. EGFP’nin ekspresyonu ve hücresel lokalizasyonu, aylar boyunca travmaya maruz kalan aynı beyin bölgesinde iki fotonlu bir mikroskop kullanılarak incelenir.
Introduction
Spor yaralanmaları, araç çarpışmaları ve askeri savaştan kaynaklanabilen travmatik beyin hasarı (TBI), dünya çapında bir sağlık sorunudur. TBH fizyolojik, bilişsel ve davranışsal eksikliklere ve yaşam boyu sakatlık veya mortaliteye yol açabilir 1,2. TBH şiddeti hafif, orta ve şiddetli olarak sınıflandırılabilir, büyük çoğunluğu hafif TBH’dir (%75-%90)3. TBH’nin, özellikle tekrarlayan TBH oluşumlarının, nöronal dejenerasyonu teşvik edebileceği ve Alzheimer hastalığı (AD), amyotrofik lateral skleroz (ALS), frontotemporal demans (FTD) ve kronik travmatik ensefalopati (CTE) dahil olmak üzere çeşitli nörodejeneratif hastalıklar için risk faktörleri olarak hizmet edebileceği giderek daha fazla kabul edilmektedir4,5,6. Bununla birlikte, TBH kaynaklı nörodejenerasyonun altında yatan moleküler mekanizmalar belirsizliğini korumaktadır ve bu nedenle aktif bir çalışma alanını temsil etmektedir. Nöronların TBH’ye nasıl tepki verdiği ve TBH’den nasıl kurtulduğu hakkında fikir edinmek için, TBH’den sonra farelerde uzunlamasına intravital görüntüleme ile, özellikle nöronlar içinde, floresan etiketli proteinlerin izlenmesi için bir yöntem burada açıklanmaktadır.
Bu amaçla, bu çalışma, daha öncebildirilenlere benzer kapalı kafatası TBH’sinin uygulanması için cerrahi bir prosedürün nasıl birleştirileceğini göstermektedir 7,8 Goldey ve ark.9 tarafından tanımlandığı gibi, aşağı akış intravital görüntüleme için bir kraniyal pencerenin implantasyonu için cerrahi bir prosedür. Özellikle, TBI’yı indükleyen ağırlık düşüşünün etkisinin pencereye zarar vermesi ve fareye onarılamaz bir zarar vermesi muhtemel olduğundan, önce bir kraniyal pencere implante etmek ve ardından aynı bölgede bir TBI gerçekleştirmek mümkün değildir. Bu nedenle, bu protokol TBH’yi uygulamak ve daha sonra kraniyal pencereyi doğrudan etki bölgesine implante etmek için tasarlanmıştır. Hem TBI hem de kraniyal pencere implantasyonunu tek bir cerrahi seansta birleştirmenin bir avantajı, bir farenin ameliyata maruz kalma sayısındaki azalmadır. Ayrıca, pencereyi daha sonraki bir cerrahi seansta implante etmek yerine (yani, TBI sonrası günlerin zaman ölçeğinde başlayan ilk görüntüleme) TBI’ya anında yanıtı (yani, saatlerin zaman ölçeğinde) izlemesine izin verir. Kraniyal pencere ve intravital görüntüleme platformu, sabit dokuların immün boyanması gibi geleneksel yöntemlerle nöronal proteinlerin izlenmesine göre de avantajlar sunar. Örneğin, intravital görüntüleme için daha az fare gerekir, çünkü aynı fare, ayrı zaman noktaları için gereken ayrı fare kohortlarının aksine, birden fazla zaman noktasında incelenebilir. Ayrıca, aynı nöronlar zaman içinde izlenebilir ve aynı hücre içindeki belirli biyolojik veya patolojik olayların izlenmesine izin verilir.
Kavramın bir kanıtı olarak, sinapsin promotörü altında gelişmiş yeşil floresan proteinin (EGFP) nörona özgü ekspresyonu burada gösterilmiştir10. Bu yaklaşım, 1) oligodendrositler için miyelin bazik protein (MBP) promotörü ve astrositler için glial fibriler asidik protein (GFAP) promotörü gibi diğer hücre tipine özgü promotörleri kullanarak farklı beyin hücresi tiplerine genişletilebilir11, 2) genlerini EGFP geni ile kaynaştırarak ilgilenilen farklı hedef proteinler ve 3) farklı floroforlara kaynaşmış çoklu proteinleri birlikte eksprese etmek. Burada EGFP, intrakraniyal enjeksiyon yoluyla adeno-ilişkili virüs (AAV) iletimi yoluyla paketlenir ve eksprese edilir. Kapalı bir kafatası TBI, bir ağırlık düşürme cihazı kullanılarak uygulanır ve ardından bir kraniyal pencerenin implantasyonu yapılır. Nöronal EGFP’nin görselleştirilmesi, in vivo EGFP floresansını tespit etmek için iki foton mikroskobu kullanılarak kraniyal pencereden elde edilir. İki fotonlu lazer ile, minimum foto hasarı ile kortikal dokuya daha derine nüfuz etmek mümkündür, bu da tek bir fare içinde aynı kortikal bölgelerin günlerce veaylara kadar tekrarlanan uzunlamasına görüntülenmesine izin verir 12,13,14,15. Özetle, TBH cerrahisini intravital görüntüleme ile birleştiren bu yaklaşım, TBH’nin neden olduğu hastalık patolojisine katkıda bulunan moleküler olayların anlaşılmasını ilerletmeyi amaçlamaktadır16,17.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu çalışmada, TBH’nin kortikal nöronlar üzerindeki etkilerini gözlemlemek için fare beyin korteksi (katman IV ve V) içindeki EGFP etiketli nöronların uzunlamasına görüntüleme analizi için AAV enjeksiyonu, TBI uygulaması ve kraniyal pencere implantasyonu olan bir başlık birleştirildi. Bu çalışma, burada seçilen TBI bölgesinin, hipokampusun üstünde, kraniyal pencerenin implantasyonu için nispeten düz ve geniş bir yüzey sağladığını belirtmektedir. Tersine, kafatası bu bölgenin önünde n…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Massachusetts Üniversitesi Chan Tıp Fakültesi’nden Dr. Miguel Sena-Esteves’e AAV(PHP.eB)-Syn1-EGFP virüsünü hediye ettiği için ve Massachusetts Üniversitesi Chan Tıp Fakültesi’nden Debra Cameron’a farelerin kafatası taslağını çizdiği için teşekkür ederiz. Ayrıca Bosco, Schafer ve Henninger laboratuvarlarının mevcut ve geçmiş üyelerine önerileri ve destekleri için teşekkür ederiz. Bu çalışma, Savunma Bakanlığı (W81XWH202071/PRARP) tarafından DAB, DS ve NH’ye finanse edildi.
Materials
| Adjustable Precision Applicator Brushes | Parkell | S379 | |
| BD insulin syringe | BD | NDC/HRI#08290-3284-38 | 5/16" x 31G |
| Betadine | Purdue | NDC67618-151-17 | including 7.5% povidone iodine |
| Buprenorphine | PAR Pharmaceutical | NDC 42023-179-05 | |
| Cefazolin | HIKMA Pharmaceutical | NDC 0143-9924-90 | |
| Ceramic Mixing Dish | Parkell | SKU: S387 | For dental cement preparation |
| Cotton Tipped Applicators | ZORO | catlog #: G9531702 | |
| Catalyst | Parkell | S371 | full name: "C" Universal TBB Catalyst |
| Dental cement powder | Parkell | S396 | Radiopaque L-Powder for C&B Metabond |
| Dental drill | Foredom | H.MH-130 | |
| Dental drill controller | Foredom | HP4-310 | |
| Dexamethasone | Phoenix | NDC 57319-519-05 | |
| EF4 carbide bit | Microcopy | Lot# C150113 | Head Dia/Lgth/mm 1.0/4.2 |
| Ethonal | Fisher Scientific | 04355223EA | 75% |
| FG1/4 carbide bit | Microcopy | Lot# C150413 | Head Dia/Lgth/mm 0.5/0.4 |
| FG4 carbide bit | Microcopy | Lot# C150309 | Head Dia/Lgth/mm 1.4/1.1 |
| Headpost | N/A | N/A | Custom-manufactured |
| Heating apparatus | CWE | TC-1000 Mouse | equiped with the stereotaxic instrument and be used while operating surgery |
| Heating blanket | CVS pharmacy | E12107 | extra heating device and be used after surgery |
| Isoflurane | Pivetal | NDC 46066-755-03 | |
| Isoflurane induction chamber | Vetequip | 89012-688 | induction chamber for short |
| Isoflurane volatilizing machine | Vetequip | 911103 | |
| Isoflurane volatilizing machine holder | Vetequip | 901801 | |
| Leica surgical microscope | Leica | LEICA 10450243 | |
| Lubricant ophthalmic ointment | Picetal | NDC 46066-753-55 | |
| Marker pen | Delasco | SMP-BK | |
| Meloxicam | Norbrook | NDC 55529-040-10 | |
| Microinjection pump and its controller | World Precision Instruments | micro4 and UMP3 | |
| Microliter syringe | Hamilton | Hamilton 80014 | 1701 RN, 10 μL gauge for syringe and 32 gauge for needle, 2 in, point style 3 |
| Mosquito forceps | CAROLINA | Item #:625314 | Stainless Steel, Curved, 5 in |
| Depilatory agent | McKesson Corporation | N/A | Nair Hair Aloe & Lanolin Hair Removal Lotion |
| Microscope 1 | Nikon | SMZ745 | Nikon microscope for cranial window preparation |
| Microscope 2 | Zeiss | LSM 7 MP | two-photon microscope |
| Multiphoton laser | Coherent | Chameleon Ultra II, Model: MRU X1, VERDI 18W | laser for two-photon microscopy |
| Non-absorbable surgical suture | Harvard Apparatus | catlog# 59-6860 | 6-0, with round needle |
| Norland Optical Adhesive 81 | Norland Products | NOA 81 | |
| No-Snag Needle Holder | CAROLINA | Item #: 567912 | |
| Quick base liquid | Parkell | S398 | "B" Quick Base For C&B Metabond |
| Regular scissor 1 | Eurostat | eurostat es5-300 | |
| Regular scissor 2 | World Precision Instruments | No. 501759-G | |
| Round cover glass 1 | Warner instruments | CS-5R Cat# 64-0700 | for 5 mm of diameter |
| Round cover glass 2 | Warner instruments | CS-3R Cat# 64-0720 | for 3 mm of diameter |
| Rubber rings | Orings-Online | Item # OO-014-70-50 | O-Rings |
| Saline | Bioworld | L19102411PR | |
| Spring scissor 1 | World Precision Instruments | No. 91500-09 | tip straight |
| Spring scissor 2 | World Precision Instruments | No. 91501-09 | tip curved |
| Stereotaxic platform | KOPF | Model 900LS | |
| Super glue | Henkel | Item #: 1647358 | |
| surgical Caliper | World Precision Instruments | No. 501200 | |
| Surgical forceps 1 | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | Catlog# 0508-5/45-PO | style 5/45, curved |
| Surgical forceps 2 | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | catlog# 0103-5-PO | style 5, straight |
| Surgical forceps 3 | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | catlog# 72912 | |
| Surgical forceps 4 | ELECTRON MICROSCOPY SCIENCES | Catlog# 0508-5/45-PO | style 5/45, curved |
| Surgical gauze | ZORO | catlog #: G0593801 | |
| Surgical lamp | Leica | Leica KL300 LED | |
| UV box | Spectrolinker | XL-1000 | also called UV crosslinker |
| Vaporguard | Vetequip | 931401 | |
| Vetbond Tissue Adhesive | 3M Animal Care | Part Number:014006 |
References
- Bowman, K., Matney, C., Berwick, D. M. Improving traumatic brain injury care and research: a report from the National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. JAMA. 327 (5), 419-420 (2022).
- National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. . Traumatic Brain Injury: A Roadmap for Accelerating Progress. , (2022).
- Xu, X., et al. Repetitive mild traumatic brain injury in mice triggers a slowly developing cascade of long-term and persistent behavioral deficits and pathological changes. Acta Neuropathologica Communications. 9 (1), 60 (2021).
- Chen-Plotkin, A. S., Lee, V. M. Y., Trojanowski, J. Q. TAR DNA-binding protein 43 in neurodegenerative disease. Nature Reviews Neurology. 6 (4), 211-220 (2010).
- Mackenzie, I. R., Rademakers, R., Neumann, M. TDP-43 and FUS in amyotrophic lateral sclerosis and frontotemporal dementia. The Lancet. Neurology. 9 (10), 995-1007 (2010).
- McKee, A. C., et al. The first NINDS/NIBIB consensus meeting to define neuropathological criteria for the diagnosis of chronic traumatic encephalopathy. Acta Neuropathologica. 131 (1), 75-86 (2016).
- Henninger, N., et al. Attenuated traumatic axonal injury and improved functional outcome after traumatic brain injury in mice lacking Sarm1. Brain. 139, 1094-1105 (2016).
- Bouley, J., Chung, D. Y., Ayata, C., Brown, R. H., Henninger, N. Cortical spreading depression denotes concussion injury. Journal of Neurotrauma. 36 (7), 1008-1017 (2019).
- Goldey, G. J., et al. Removable cranial windows for long-term imaging in awake mice. Nature Protocols. 9 (11), 2515-2538 (2014).
- Kugler, S., et al. Neuron-specific expression of therapeutic proteins: evaluation of different cellular promoters in recombinant adenoviral vectors. Molecular and Cellular Neurosciences. 17 (1), 78-96 (2001).
- von Jonquieres, G., et al. Glial promoter selectivity following AAV-delivery to the immature brain. PLoS One. 8 (6), 65646 (2013).
- Trachtenberg, J. T., et al. Long-term in vivo imaging of experience-dependent synaptic plasticity in adult cortex. Nature. 420 (6917), 788-794 (2002).
- Mostany, R., et al. Altered synaptic dynamics during normal brain aging. The Journal of Neuroscience. 33 (9), 4094-4104 (2013).
- Yang, Q., Vazquez, A. L., Cui, X. T. Long-term in vivo two-photon imaging of the neuroinflammatory response to intracortical implants and micro-vessel disruptions in awake mice. Biomaterials. 276, 121060 (2021).
- Stosiek, C., Garaschuk, O., Holthoff, K., Konnerth, A. In vivo two-photon calcium imaging of neuronal networks. Proceedings of the National Academy of Sciences. 100 (12), 7319-7324 (2003).
- Grutzendler, J., Gan, W. B. Two-photon imaging of synaptic plasticity and pathology in the living mouse brain. NeuroRx. 3 (4), 489-496 (2006).
- Isshiki, M., et al. Enhanced synapse remodelling as a common phenotype in mouse models of autism. Nature Communications. 5, 4742 (2014).
- Mondo, E., et al. A developmental analysis of juxtavascular microglia dynamics and interactions with the vasculature. The Journal of Neuroscience. 40 (34), 6503-6521 (2020).
- White, M. A., et al. TDP-43 gains function due to perturbed autoregulation in a Tardbp knock-in mouse model of ALS-FTD. Nature Neuroscience. 21 (4), 552-563 (2018).
- Chou, A., et al. Inhibition of the integrated stress response reverses cognitive deficits after traumatic brain injury. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (31), 6420-6426 (2017).
- Padmashri, R., Tyner, K., Dunaevsky, A. Implantation of a cranial window for repeated in vivo imaging in awake mice. Journal of Visualized Experiments. (172), e62633 (2021).
- Foda, M. A., Marmarou, A. A new model of diffuse brain injury in rats. Part II: Morphological characterization. Journal of Neurosurgery. 80 (2), 301-313 (1994).
- Flierl, M. A., et al. Mouse closed head injury model induced by a weight-drop device. Nature Protocols. 4 (9), 1328-1337 (2009).
- Sun, W., et al. In vivo two-photon imaging of anesthesia-specific alterations in microglial surveillance and photodamage-directed motility in mouse cortex. Frontiers in Neuroscience. 13, 421 (2019).
- Li, D., et al. A Through-Intact-Skull (TIS) chronic window technique for cortical structure and function observation in mice. eLight. 2 (1), 1-18 (2022).
- Paveliev, M., et al. Acute brain trauma in mice followed by longitudinal two-photon imaging. Journal of Visualized Experiments. (86), e51559 (2014).
- Han, X., et al. In vivo two-photon imaging reveals acute cerebral vascular spasm and microthrombosis after mild traumatic brain injury in mice. Frontiers in Neuroscience. 14, 210 (2020).
- Jang, S. H., Kwon, Y. H., Lee, S. J. Contrecoup injury of the prefronto-thalamic tract in a patient with mild traumatic brain injury: A case report. Médecine. 99 (32), 21601 (2020).
- Courville, C. B. The mechanism of coup-contrecoup injuries of the brain; a critical review of recent experimental studies in the light of clinical observations. Bulletin of the Los Angeles Neurological Society. 15 (2), 72-86 (1950).
- Drew, L. B., Drew, W. E. The contrecoup-coup phenomenon: a new understanding of the mechanism of closed head injury. Neurocritical Care. 1 (3), 385-390 (2004).
