Hier presenteren we een protocol om in vitro Ca2+ fluxen in midbrain neuronen en hun downstream effecten op caspase-3 met behulp van primaire muis midbrain culturen te meten. Dit model kan worden gebruikt om pathofysiologische veranderingen in verband met abnormale Ca2 + activiteit in midbrain neuronen te bestuderen, en om nieuwe therapieën voor anti-apoptotische eigenschappen te screenen.
De ziekte van Parkinson (PD) is een verwoestende neurodegeneratieve aandoening veroorzaakt door de degeneratie van dopaminerge (DA) neuronen. Overmatige Ca2 + instroom als gevolg van de abnormale activering van glutamaat receptoren resulteert in DA excitotoxiciteit en is geïdentificeerd als een belangrijk mechanisme voor DA neuron verlies. In deze studie isoleren, scheiden en cultuur midbrain neuronen van de muis ventrale mesencephalon (VM) van ED14 muisembryo’s. Vervolgens infecteren we de lange termijn primaire muis midbrain culturen met een adeno-geassocieerd virus (AAV) uitdrukken van een genetisch gecodeerde calcium indicator, GCaMP6f onder controle van de menselijke neuron-specifieke synapsin promotor, hSyn. Met behulp van live confocale beeldvorming, tonen we aan dat gekweekte muis midbrain neuronen tonen spontane Ca2 + fluxen gedetecteerd door AAV-hSyn-GCaMP6f. Badtoepassing van glutamaat op midbrainculturen veroorzaakt abnormale verhogingen in intracellulaire Ca2+ binnen neuronen en dit gaat gepaard met caspase-3-activering in DA-neuronen, zoals aangetoond door immunostaining. De technieken om glutamaat-gemedieerde apoptose in primaire muis DA neuronen te identificeren hebben belangrijke toepassingen voor de hoge inhoud screening van geneesmiddelen die DA neuron gezondheid te behouden.
De ziekte van Parkinson (PD) is de tweede meest voorkomende neurodegeneratieve aandoening wereldwijd, zonder bekende genezing. Schattingen suggereren dat pd prevalentie zal blijven toenemen en zal naar verwachting meer dan 1 miljoen diagnoses tegen het jaar 2030 in de Verenigde Staten alleenal 1. Met weinig effectieve behandelingen die momenteel beschikbaar zijn om PD te bestrijden, is er een dringende noodzaak om effectievere therapieën te ontwikkelen. PD wordt gekenmerkt door een snel en progressief verlies van midbrain dopamine (DA) neuronen2. De mechanismen die ten grondslag liggen aan neurodegeneratie in PD zijn slecht begrepen. Bewijs suggereert een waarschijnlijke convergentie van meerdere mechanismen, zoals oxidatieve stress en mitochondriale disfunctie, enz.3
Een dergelijk convergent mechanisme, glutamaat-gemedieerde excitotoxiciteit is betrokken bij meerdere neurodegeneratieve ziekten, waaronder PD4. Terwijl glutamaat-gemedieerde excitotoxiciteit wordt gedacht om vooral te werken door middel van stimulatie van NMDA receptoren via een overmatige toename van intracellulaire Ca2 + concentratie en uiteindelijke initiatie van apoptose, Ca2 +-doorlatende AMPA receptoren zijn ook betrokken bij de excitotoxische respons5,6,7. Daarom is het van belang om de bijdrage van AMPA-receptoren aan glutamaat-gemedieerde apoptose binnen een PD-model te bepalen. Dit kan worden bereikt met NBQX, een AMPA en kainate blocker, die bij micromolar concentraties selectief is voor AMPA receptoren8. Glutamaat-gemedieerde excitotoxiciteit en apoptotische signalering cascades zijn een ideaal downstream doel om de omvang van celdood te meten, en een potentieel doelwit voor therapeutische interventie. Daarom zou het ontwikkelen van een hoog-gehalte methode voor het beoordelen van glutamaat-gemedieerde modulatie van calciumactiviteit en bijbehorende downstream signalering in primaire ventrale mesencephalic (VM) neuronen waardevol zijn voor het screenen van nieuwe behandelingsmethoden op hun vermogen om neuronale gezondheid te behouden.
Hier hebben we een protocol ontwikkeld waarin we de genetisch gecodeerde calciumindicator (GECI), GCaMP6f uitdrukken, met behulp van AAV2/5 met de menselijke synapsine (hSyn) promotor om de Ca2+ activiteit van muis VM primaire neuronen te meten in reactie op glutamaattoepassing die kan worden gemeten op fysiologisch en moleculair niveau. Deze high-content screening kan worden aangepast voor het ontdekken van geneesmiddelen of behandelingen die Ca2 + activiteit moduleren om de gezondheid van VM neuronen te behouden. Wij stellen voor dat dit primaire cultuurmodel een effectieve manier is om nieuwe PD-interventies te screenen, gebaseerd op hun vermogen om de gezondheid van VM-neuronen te behouden en de progressie van PD te beperken.
We beschrijven een lange termijn primaire ventrale mesencephalic (VM) celkweeksysteem voor high-content analyse van glutamaat-gemedieerde apoptose in neuronen. Studies hebben primaire midbrain dopaminergische culturen gebruikt om excitotoxische mechanismen op te helderen in de context van PD-modellen11,12. In deze studie hanteren we een combinatorische benadering met behulp van genetisch gecodeerde calciumindicatoren (GECI’s) om Ca2+ activiteit te meten en deze activiteit verder te associëren met downstream moleculaire veranderingen, zoals het initiëren van apoptotische signaleringscascade’s4. De methode heeft meerdere voordelen voor andere soortgelijke celkweeksystemen. Aangezien we vooral geïnteresseerd zijn in excitotoxiciteit binnen de context van de ziekte van Parkinson, is het gebruik van primaire VM-celculturen ideaal. Door gebruik te maken van verschillende veldverplaatsingstechnieken, zoals geraste coverslips of een gemotoriseerde XY-microscoopfase in combinatie met TH-immunostaining, kunnen we de specifieke effecten van glutamaat-gemediteerde apoptose in ventrale midbrainneuronen direct bestuderen. Bovendien, de 3-weekse cel cultuur model maakt het mogelijk voor neuronen om hun volledige, volwassen moleculaire profiel te ontwikkelen, als gevolg van volwassen DA neuronen9. Eerdere methoden waren voornamelijk gericht op moleculaire veranderingen na glutamaat-gemedieerde excitotoxiciteit13,14. Het model is uniek in zijn vermogen om acute veranderingen in de neuronale fysiologie te correleren met downstream moleculaire gebeurtenissen in geïdentificeerde celtypen. Een beperking van het primaire cultuurmodel is dat de dissectietechniek de gehele ventrale midbrain vangt, inclusief DA- en GABAergic-neuronen en neuronen van de SNc en VTA. Bewijs suggereert nu dat DA neuronen van de SNc hebben selectieve kwetsbaarheid voor calcium en uiteindelijke celdood in vergelijking met DA neuronen van de naburige VTA15. Helaas, differentiërende SNc van VTA neuronen in embryonale culturen heeft bewezen moeilijk met weinig anatomische oriëntatiepunten om deze structuren te definiëren in de embryonale hersenen.
We tonen aan dat de primaire cultuurtechniek het mogelijk maakt om heterogene spontane Ca2+ activiteit te kwantificeren(figuur 1). Daarom is dit een ideaal celcultuursysteemmodel om tonisch actieve cellen te bestuderen, zoals pacemaking dopaminerge neuronen van de midbrain, neocorticale neuronen en GABAergic neuronen van de suprachiasmatische kern (SCN)16,17. In de meeste toepassingen bereikt Ca2+ imaging niet dezelfde temporele resolutie als elektrofysiologie. Daarom is het waarschijnlijk dat een enkele Ca2 + gebeurtenis is analoog aan een uitbarsting van neuronale actie potentialen. Dit kan worden geïnterpreteerd om te betekenen dat Ca2 + imaging zorgt voor relatief nauwkeurige metingen van abnormale bursting activiteit in pacemaking cellen en is daarom geschikt voor een hoog gehalte scherm van Ca2 +-gemedieerde excitotoxische celdood.
Om spontane Ca2+ activiteit te bereiken en te onderhouden, is het belangrijk om twee belangrijke punten in het protocol aan te pakken. Ten eerste is de beplatingsdichtheid van de cellen na dissectie. Voor primaire VM-neuronen hebben eerdere studies ongeveer 100.000 cellen/cm29,10gebruikt. We hebben het protocol aangepast om een dichtheid van 200.000 cellen/cm2te plaaten, wat een heterogene reeks spontane activiteit creëert en het aantal dopaminerge VM-neuronen op elke coverslip verhoogt. Aangezien verschillende pacemaking neuronen hebben verschillende vuren eigenschappen16, de beplating dichtheid moet worden aangepast aan het celtype wordt bestudeerd en geoptimaliseerd om ideale niveaus van spontane activiteit te bereiken. Ten tweede is de incubatietijd na virale infectie van AAV’s. Net als plating dichtheid, zal dit afhangen van de specifieke context van het onderzoek vraag en het type van AAV wordt gebruikt. Voor de specifieke AAV die hier wordt gebruikt, is 5 dagen incubatie na virale infectie ideaal om de gewenste eiwitexpressieniveaus te bereiken, wat dynamische veranderingen in GCaMP-fluorescentie mogelijk maakt om Ca2+ activiteit op te nemen. Veel factoren bepalen hoe snel en efficiënt een AAV zijn lading zal uitdrukken, waarvan een groot deel buiten het toepassingsgebied van deze methode valt, maar kortom, het is belangrijk om de promotoractiviteit en de snelheid waarmee het ladingeiwit rijpt en plooien heeft, te overwegen.
Een ander voordeel van de methode is dat het zorgt voor een aanzienlijke flexibiliteit in formaat, expressie vectoren, het gebruik van beeldvormingsapparatuur, en het bereik van wetenschappelijke vragen die kunnen worden aangepakt. Bovendien maakt de methode onderzoek mogelijk naar een breed scala aan specifieke vragen die glutamaat-gemedieerde excitotoxiciteit in PD en andere modellen van zenuwsfunctie omringen. Bijvoorbeeld, glutamaat-gemedieerde excitotoxiciteit omvat meerdere receptoren en signalering cascades5. Door de methode te gebruiken, en zoals aangetoond met de AMPAR-blokker, NBQX in figuur 1,is het mogelijk om specifieke componenten van de excitotoxische glutamaatrespons op fysiologisch en moleculair niveau te ontleden. Denkbaar, een soortgelijke aanpak met behulp van remmers van tweede boodschapper systemen kunnen worden gebruikt om hun bijdrage aan excitotoxiciteit te bepalen. Bovendien kunnen de AAV’s die hier worden gebruikt worden aangepast om GECI’s uit te drukken met celspecifieke promotors of AAV-uitgedrukte optogenetische sensoren die kunnen worden gebruikt om andere parameters te meten, zoals neurotransmitter-release.
Afgezien van primaire embryonale dissecties en confocale beeldvorming, veel van het protocol maakt gebruik van elementaire laboratoriumvaardigheden die geen gespecialiseerde opleiding vereisen. Daarom zijn de beperkingen van het model onder meer de moeilijkheid van de embryonale dissectietechniek, de lengte van de tijd dat de cellen moeten worden gekweekt om volwassenheid te bereiken, en toegang tot een confocale microscoop, of soortgelijke beeldvormingsapparatuur. De vele voordelen en flexibiliteit van de methode weegt op tegen deze beperkingen, waardoor dit een ideaal model is om de rol glutamaat-gemedieerde excitotoxiciteit in aandoeningen van het zenuwstelsel te bestuderen. Ten slotte kan dit model een effectief hulpmiddel zijn om nieuwe verbindingen te screenen op anti-apoptotische effecten en hun vermogen om de gezondheid van DA-neuronen te behouden.
The authors have nothing to disclose.
Ondersteund door subsidies van de American Parkinson Disease Association (APDA) en NIH R01NS15809-01 aan RS. Wij danken het Texas A&M Institute for Genomic Medicine (TIGM) voor het verstrekken van getimede zwangere muizen om primaire dopaminerge culturen te genereren.
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 |