Ici, nous présentons un protocole pour mesurer in vitro Ca2 + flux dans les neurones midbrain et leurs effets en aval sur caspase-3 en utilisant les cultures primaires de la souris midbrain. Ce modèle peut être employé pour étudier les changements pathophysiologiques liés à l’activité anormale de Ca2+ dans les neurones midbrain, et pour dépister de nouvelles thérapies pour des propriétés anti-apoptotiques.
La maladie de Parkinson (MP) est une maladie neurodégénérative dévastatrice causée par la dégénérescence des neurones dopaminergiques (DA). L’afflux excessif de Ca2+ dû à l’activation anormale des récepteurs de glutamate a des résultats dans l’excitotoxicité de DA et a été identifié comme un mécanisme important pour la perte de neurone de DA. Dans cette étude, nous isolons, dissocions, et culture neurones midbrain du mésencéphalon ventral de souris (VM) des embryons de souris ED14. Nous infectons ensuite les cultures primaires à long terme de la souris midbrain avec un virus adéno-associé (AAV) exprimant un indicateur génétiquement codé de calcium, GCaMP6f sous le contrôle du promoteur humain de synapsine neurone-spécifique, hSyn. En utilisant l’imagerie confocale vivante, nous montrons que les neurones de midbrain de souris cultivées affichent des flux spontanés de Ca2+ détectés par AAV-hSyn-GCaMP6f. L’application de bain des cultures de glutamate à midbrain cause des élévations anormales dans le Ca2+ intracellulaire dans les neurones et ceci est accompagné de l’activation de caspase-3 dans les neurones de DA, comme démontré par immunostaining. Les techniques pour identifier l’apoptose médiée par le glutamate dans les neurones DA de souris primaires ont des applications importantes pour le dépistage à haute teneur des médicaments qui préservent la santé des neurones DA.
La maladie de Parkinson (MP) est la deuxième maladie neurodégénérative la plus courante dans le monde, sans traitement connu. Les estimations suggèrent que la prévalence de la MP continuera d’augmenter et devrait dépasser le million de diagnostics d’ici 2030 rien qu’aux États-Unis1. Avec peu de traitements efficaces actuellement disponibles pour lutter contre la MP, il est urgent de développer des thérapies plus efficaces. La MP se caractérise par une perte rapide et progressive des neurones de dopamine de midbrain (DA)2. Les mécanismes qui sous-tendent la neurodégénérescence dans la MP sont mal compris. Les preuves suggèrent une convergence probable de mécanismes multiples, tels que le stress oxydatif et le dysfonctionnement mitochondrial, etc. qui contribuent à l’initiation des cascades de signalisation apoptotique et la mort cellulaire éventuelle3.
Un tel mécanisme convergent, l’excitotoxicité glutamate-médiée a été impliqué dans de multiples maladies neurodégénératives, y compris4. Alors que l’exctotoxicité médiée par le glutamate est pensé pour fonctionner principalement par la stimulation des récepteurs NMDA via une augmentation excessive de la concentration intracellulaire Ca2 + et l’initiation éventuelle de l’apoptose, Ca2 +-perméables récepteurs AMPA ont également été impliqués dans la réponse excitototoxique5,6,7. Par conséquent, il est intéressant de déterminer la contribution des récepteurs AMPA à l’apoptose médiée par le glutamate dans un modèle de. Ceci peut être réalisé à l’aide de NBQX, un bloqueur AMPA et kainate, qui à des concentrations micromolaires est sélectif pour les récepteurs AMPA8. L’excitotoxicité médiée par le glutamate et les cascades de signalisation apoptotique sont une cible idéale en aval pour mesurer l’étendue de la mort cellulaire, et une cible potentielle pour l’intervention thérapeutique. Par conséquent, le développement d’une méthode à forte teneur pour évaluer la modulation médiée par le glutamate de l’activité du calcium et la signalisation en aval associée dans les neurones mésencéphaliques ventrals primaires (VM) serait utile pour le dépistage de nouvelles méthodes de traitement sur leur capacité à préserver la santé neuronale.
Ici, nous avons développé un protocole dans lequel nous exprimons l’indicateur de calcium génétiquement codé (GECI), GCaMP6f, en utilisant AAV2/5 avec le promoteur de synapsine humaine (hSyn) pour mesurer l’activité Ca2+ des neurones primaires VM de souris en réponse à l’application de glutamate qui peut être mesurée au niveau physiologique et moléculaire. Ce dépistage à haute teneur peut être adapté pour la découverte de produits pharmaceutiques ou de traitements qui modulent l’activité de Ca2+ afin de préserver la santé des neurones VM. Nous proposons que ce modèle de culture primaire soit un moyen efficace de dépister de nouvelles interventions de, basée sur leur capacité à préserver la santé des neurones VM et à atténuer la progression de la MP.
Nous décrivons un système de culture cellulaire mésencéphale ventral (VM) à long terme pour l’analyse à haute teneur de l’apoptose à médiation glutamate dans les neurones. Des études ont employé les cultures dopaminergiques primaires de midbrain pour élucider les mécanismes excitotoxiques dans le contexte des modèles de11,12. Dans cette étude, nous utilisons une approche combinatoire utilisant des indicateurs de calcium génétiquement codés (GECI) pour mesurer l’activité de Ca2+ et associer davantage cette activité aux changements moléculaires en aval, tels que l’initiation des cascades de signalisation apoptotique4. La méthode présente de multiples avantages par rapport à d’autres systèmes de culture cellulaire similaires. Comme nous avons un intérêt particulier pour l’excitotoxicité dans le contexte de la maladie de Parkinson, l’utilisation des cultures primaires de cellules VM est idéal. En utilisant différentes techniques de relocalisation sur le terrain, telles que des couvercles quadrrés ou un stade de microscope XY motorisé combiné à l’immunostaining TH, nous pouvons étudier directement les effets spécifiques du type cellulaire de l’apoptose pédiée par le glutamate dans les neurones ventrals de la midbraine. En outre, le modèle de culture cellulaire de 3 semaines permet aux neurones de développer leur profil moléculaire complet et mature, reflétant les neurones DA adultes9. Les méthodes précédentes se sont principalement concentrées sur les changements moléculaires suite à l’excitotoxicité médiée par le glutamate13,14. Le modèle est unique dans sa capacité à corréler les changements aigus dans la physiologie neuronale avec les événements moléculaires en aval dans les types de cellules identifiés. Une limitation du modèle de culture primaire est que la technique de dissection capture l’ensemble du midbrain ventral, y compris les neurones DA et GABAergic ainsi que les neurones de la SNC et VTA. Les preuves suggèrent maintenant que les neurones DA de la SNC ont une vulnérabilité sélective au calcium et à la mort cellulaire éventuelle par rapport aux neurones DA du VTA15voisin . Malheureusement, différencier le Snc des neurones VTA dans les cultures embryonnaires s’est avéré difficile avec peu de repères anatomiques pour définir ces structures dans le cerveau embryonnaire.
Nous démontrons que la technique de culture primaire permet la quantification de l’activité hétérogène spontanée ca2+ (Figure 1). Par conséquent, il s’agit d’un modèle idéal de système de culture cellulaire pour étudier les cellules toniques actives, telles que les neurones dopaminergiques de la midbrain, les neurones néocortiques et les neurones GABAergic du noyau suprachiasmatique (SCN)16,17. Dans la plupart des applications, l’imagerie Ca2+ n’atteint pas la même résolution temporelle que l’électrophysiologie. Par conséquent, il est probable qu’un seul événement Ca2+ est analogue à une explosion de potentiels d’action neuronale. Cela peut être interprété comme signifiant que l’imagerie Ca2+ permet des mesures relativement précises de l’activité anormale d’éclatement dans les cellules de pacemaking et est donc appropriée pour un écran à contenu élevé de la mort des cellules excitotoxiques à médiation Ca2+.
Pour atteindre et maintenir l’activité spontanée ca2+, il est important d’aborder deux points clés du protocole. La première est la densité de placage des cellules suivant la dissection. Pour les neurones VM primaires, des études antérieures ont utilisé environ 100.000 cellules/cm29,10. Nous avons adapté le protocole pour plaquer une densité de 200.000 cellules/cm2, ce qui crée une gamme hétérogène d’activité spontanée et augmente le nombre de neurones dopaminergiques VM présents sur chaque couvercle. Puisque les différents neurones de pacemaking ont des propriétés de cuisson distinctes16, la densité de placage doit être personnalisée au type de cellule étudié et optimisé afin d’atteindre des niveaux idéaux d’activité spontanée. Deuxièmement, le temps d’incubation suivant l’infection virale des AAV. Comme la densité de placage, cela dépendra du contexte spécifique de la question de recherche et du type d’AAV utilisé. Pour l’AAV spécifique utilisé ici, 5 jours d’incubation suivant l’infection virale est idéal pour atteindre les niveaux d’expression des protéines souhaités, ce qui permet des changements dynamiques dans la fluorescence GCaMP afin d’enregistrer l’activité de Ca2+ . De nombreux facteurs déterminent la rapidité et l’efficacité avec laquelle un AAV exprimera sa cargaison, dont une grande partie n’est pas du champ d’application de cette méthode, mais brièvement, il est important de tenir compte de l’activité du promoteur et de la vitesse à laquelle la protéine cargo mûrit et se plie.
Un autre avantage de la méthode est qu’elle permet une flexibilité considérable dans le format, les vecteurs d’expression, l’utilisation de l’équipement d’imagerie, et la gamme de questions scientifiques qui peuvent être abordées. En outre, la méthode permet l’enquête sur un large éventail de questions spécifiques qui entourent l’exctotoxicité de glutamate-médiée dans, et d’autres modèles de dysfonctionnement du système nerveux. Par exemple, l’excitotoxicité médiée par le glutamate implique de multiples récepteurs et des cascades de signalisation5. En utilisant la méthode, et comme démontré avec le bloqueur AMPAR, NBQX dans la figure 1, il est possible de disséquer des composants spécifiques de la réponse excitototoxique glutamate à un niveau physiologique et moléculaire. Il est concevable qu’une approche similaire utilisant des inhibiteurs des systèmes de second messager puisse être utilisée pour déterminer leur contribution à l’excitotoxicité. En outre, les AAV utilisés ici pourraient être adaptés pour exprimer les GECIs avec des promoteurs spécifiques aux cellules ou des capteurs optogénétiques exprimés par AAV qui pourraient être utilisés pour mesurer d’autres paramètres tels que la libération de neurotransmetteurs.
Outre les dissections embryonnaires primaires et l’imagerie confocale, une grande partie du protocole utilise des compétences de laboratoire de base qui ne nécessitent pas de formation spécialisée. Par conséquent, les limites du modèle comprennent la difficulté de la technique de dissection embryonnaire, la durée pendant la culture des cellules pour atteindre la maturité, et l’accès à un microscope confocal, ou un appareil d’imagerie similaire. Les nombreux avantages et la flexibilité de la méthode l’emportent sur ces limitations, ce qui en fait un modèle idéal pour étudier le rôle de l’excitotoxicité médiée par le glutamate dans les troubles du système nerveux. Enfin, ce modèle pourrait être un outil efficace pour dépister de nouveaux composés pour les effets anti-apoptotiques et leur capacité à préserver la santé des neurones DA.
The authors have nothing to disclose.
Soutenu par des subventions de l’American Parkinson Disease Association (APDA) et nih R01NS115809-01 à RS. Nous remercions le Texas A & M Institute for Genomic Medicine (TIGM) pour fournir des souris enceintes chronométrées pour générer des cultures dopaminergiques primaires.
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 |