Aqui apresentamos um protocolo para medir fluxos in vitro ca2+ em neurônios de cérebro médio e seus efeitos a jusante no caspase-3 usando culturas primárias de cérebro médio do rato. Este modelo pode ser empregado para estudar alterações fisiosiopatológicas relacionadas à atividade anormal do Ca2+ em neurônios do cérebro médio, e para tela de novas terapêuticas para propriedades anti-apoptóticas.
A doença de Parkinson (DP) é uma devastadora doença neurodegenerativa causada pela degeneração de neurônios dopaminérgicos (DA). O fluxo excessivo de Ca2+ devido à ativação anormal dos receptores de glutamato resulta em excitoxicidade da DA e foi identificado como um importante mecanismo para a perda de neurônios da DA. Neste estudo, isolamos, dissociamos e cultura neurônios de cérebro médio do messenencefalon ventral do camundongo (VM) de embriões de camundongos ED14. Em seguida, infectamos as culturas primárias do cérebro do camundongo de longo prazo com um vírus associado ao adeno (AAV) expressando um indicador de cálcio geneticamente codificado, GCaMP6f sob controle do promotor de sinápsia específico do neurônio humano, hSyn. Usando imagens confocal ao vivo, mostramos que neurônios de cérebro médio cultivados exibem fluxos ca2+ espontâneos detectados por AAV-hSyn-GCaMP6f. A aplicação do banho de glutamato às culturas do cérebro médio causa elevações anormais no Ca2+ intracelular dentro dos neurônios e isso é acompanhado pela ativação caspase-3 em neurônios da DA, como demonstrado pela imunostaining. As técnicas para identificar apoptose mediada por glutamato nos neurônios principais da DA do camundongo têm aplicações importantes para a triagem de alto conteúdo de drogas que preservam a saúde dos neurônios da DA.
A Doença de Parkinson (DP) é a segunda doença neurodegenerativa mais comum em todo o mundo, sem cura conhecida. Estimativas sugerem que a prevalência de DP continuará aumentando e deverá superar 1 milhão de diagnósticos até o ano de 2030 apenas nos Estados Unidos1. Com poucos tratamentos eficazes atualmente disponíveis para combater a DP, há uma necessidade premente de desenvolver terapias mais eficazes. PD é caracterizada por uma perda rápida e progressiva de neurônios de dopamina de cérebro médio (DA)2. Os mecanismos que fundamentam a neurodegeneração em DP são mal compreendidos. As evidências sugerem uma provável convergência de múltiplos mecanismos, como estresse oxidativo e disfunção mitocondrial, etc. que contribuem para o início de cascatas de sinalização apoptótica e eventual morte celular3.
Um desses mecanismos convergentes, a excitotoxicidade mediada pelo glutamato tem sido implicada em múltiplas doenças neurodegenerativas, incluindo a DP4. Embora a excitotoxicidade mediada pelo glutamato seja pensada para funcionar principalmente através da estimulação de receptores NMDA através de um aumento excessivo na concentração intracelular Ca2+ e eventual iniciação da apoptose, os receptores AMPA ca2+-permeáveis também foram implicados na resposta excitotóxica5,,6,7. Portanto, é de interesse determinar a contribuição dos receptores AMPA para a apoptose mediada por glutamato dentro de um modelo de DP. Isso pode ser conseguido usando nBQX, um bloqueador AMPA e kainate, que em concentrações de micromolar é seletivo para receptores AMPA8. Excitotoxicidade mediada por glutamato e cascatas de sinalização apoptótica são um alvo a jusante ideal para medir a extensão da morte celular, e um alvo potencial para intervenção terapêutica. Portanto, desenvolver um método de alto teor para avaliar a modulação mediada por glutamato da atividade de cálcio e a sinalização a jusante associada em neurônios messencéceicos ventral primários (VM) seria valioso para a triagem de novos métodos de tratamento sobre sua capacidade de preservar a saúde neuronal.
Aqui, desenvolvemos um protocolo no qual expressamos o indicador de cálcio geneticamente codificado (GECI), GCaMP6f, utilizando AAV2/5 com a sinapsina humana (hSyn) promotor para medir a atividade Ca2+ dos neurônios primários VM do rato em resposta à aplicação do glutamato que pode ser medido no nível fisiológico e molecular. Este rastreamento de alto teor pode ser adaptado para descobrir produtos farmacêuticos ou tratamentos que modulam a atividade ca2+ para preservar a saúde dos neurônios VM. Propomos que este modelo de cultura primária seja uma forma eficaz de triagem de novas intervenções em DP, baseadas em sua capacidade de preservar a saúde dos neurônios VM e mitigar a progressão da DP.
Descrevemos um sistema de cultura celular de longo prazo de mesencéfalia ventral (VM) para análise de alto teor de apoptose mediada por glutamato em neurônios. Estudos têm utilizado culturas dopaminérgicas primárias de cérebro médio para elucidar mecanismos excitotóxicos no contexto dos modelos de DP11,12. Neste estudo, utilizamos uma abordagem combinatória utilizando Indicadores de Cálcio Codificados Geneticamente (GECIs) para medir a atividade do Ca2+ e associar ainda mais essa atividade a alterações moleculares a jusante, como o início das cascatas de sinalização apoptótica4. O método tem múltiplas vantagens para outros sistemas de cultura celular semelhantes. Como temos um interesse particular na excitotoxicidade dentro do contexto da doença de Parkinson, usar culturas primárias de células VM é ideal. Usando diferentes técnicas de realocação de campo, como tampas gridded ou um estágio de microscópio XY motorizado combinado com imunostaining TH, podemos estudar diretamente os efeitos específicos do tipo celular da apoptose mediada por glutamato em neurônios de cérebro médio ventral. Além disso, o modelo de cultura celular de 3 semanas permite que os neurônios desenvolvam seu perfil molecular completo e maduro, refletindo os neurônios da DAadultos 9. Métodos anteriores se concentraram principalmente em mudanças moleculares após a excitotoxicidade mediada pelo glutamato13,14. O modelo é único em sua capacidade de correlacionar alterações agudas na fisiologia neuronal com eventos moleculares a jusante em tipos celulares identificados. Uma limitação do modelo de cultura primária é que a técnica de dissecção captura todo o cérebro médio ventral, incluindo neurônios DA e GABAérgic, bem como neurônios do SNc e VTA. Evidências sugerem agora que os neurônios da DA da SNc têm vulnerabilidade seletiva ao cálcio e eventual morte celular em comparação com os neurônios da DA do vizinho VTA15. Infelizmente, diferenciar os neurônios VTA dos neurônios VTA em culturas embrionárias tem se mostrado difícil com poucos marcos anatômicos para definir essas estruturas no cérebro embrionário.
Demonstramos que a técnica de cultura primária permite quantificação da atividade espontâneo heterogênio Ca2+ (Figura 1). Portanto, este é um modelo ideal do sistema de cultura celular para estudar células tonicamente ativas, como o pacemaking neurônios dopaminérgicos do cérebro médio, neurônios neocorticais e neurônios GABAérgicos do núcleo supraciasmático (SCN)16,17. Na maioria das aplicações, a imagem Ca2+ não atinge a mesma resolução temporal que a eletrofisiologia. Portanto, é provável que um único evento Ca2+ seja análogo a uma explosão de potenciais de ação neuronal. Isso pode ser interpretado para significar que a imagem Ca2+ permite medidas relativamente precisas de atividade anormal de estouro em células de marcação de passo e, portanto, é apropriada para uma tela de alto conteúdo de Ca2+-mediada morte celular excitotóxica.
Para alcançar e manter a atividade espontânea ca2+, é importante abordar dois pontos-chave no protocolo. A primeira é a densidade de revestimento das células após a dissecação. Para neurônios VM primários, estudos anteriores utilizaram cerca de 100.000 células/cm29,10. Adaptamos o protocolo para emplacar uma densidade de 200.000 células/cm2,o que cria uma faixa heterogedróia de atividade espontânea e aumenta o número de neurônios VM dopaminérgicos presentes em cada deslizamento de cobertura. Uma vez que diferentes neurônios de marcação de passo possuem propriedades distintas de disparo16,a densidade de revestimento precisa ser personalizada para o tipo celular que está sendo estudado e otimizado para alcançar níveis ideais de atividade espontânea. Em segundo lugar está o tempo de incubação após a infecção viral de AAVs. Como a densidade de revestimento, isso dependerá do contexto específico da questão da pesquisa e do tipo de AAV que está sendo utilizado. Para o AAV específico utilizado aqui, 5 dias de incubação após infecção viral é ideal para alcançar os níveis de expressão proteica desejados, o que permite mudanças dinâmicas na fluorescência GCaMP, a fim de registrar a atividade ca2+. Muitos fatores determinam a rapidez e eficiência que um AAV expressará sua carga, muito do que está fora do escopo deste método, mas brevemente, é importante considerar a atividade do promotor e a taxa em que a proteína de carga amadurece e dobra.
Outra vantagem do método é que ele permite uma flexibilidade considerável no formato, vetores de expressão, uso de equipamentos de imagem e a gama de questões científicas que podem ser abordadas. Além disso, o método permite a investigação de uma ampla gama de questões específicas que envolvem excitotoxicidade mediada por glutamato em DP, e outros modelos de disfunção do sistema nervoso. Por exemplo, a excitotoxicidade mediada pelo glutamato envolve múltiplos receptores e cascatas de sinalização5. Utilizando o método, e como demonstrado com o bloqueador AMPAR, NBQX na Figura 1,é possível dissecar componentes específicos da resposta de glutamato excitotóxico a um nível fisiológico e molecular. Possivelmente, uma abordagem semelhante usando inibidores de sistemas de segundo mensageiro poderia ser usada para determinar sua contribuição à excitoxicidade. Além disso, os AAVs usados aqui poderiam ser adaptados para expressar GECIs com promotores específicos de células ou sensores optogenéticos expressos por AAV que poderiam ser usados para medir outros parâmetros, como a liberação de neurotransmissores.
Além das dissecções embrionárias primárias e imagens confocal, grande parte do protocolo utiliza habilidades básicas de laboratório que não exigem treinamento especializado. Portanto, as limitações ao modelo incluem a dificuldade da técnica de dissecção embrionária, o tempo que as células devem ser cultivadas para atingir a maturidade, e acesso a um microscópio confocal, ou aparelho de imagem semelhante. Os muitos benefícios e flexibilidade do método superam essas limitações, tornando este um modelo ideal para estudar o papel da excitotoxicidade mediada pelo glutamato em distúrbios do sistema nervoso. Finalmente, este modelo pode ser uma ferramenta eficaz para tela de novos compostos para efeitos anti-apoptóticos e sua capacidade de preservar a saúde dos neurônios da DA.
The authors have nothing to disclose.
Apoiado por subsídios da American Parkinson Disease Association (APDA) e NIH R01NS115809-01 ao RS. Agradecemos ao Instituto texas a&M de medicina genômica (TIGM) por fornecer camundongos grávidas cronometrados para gerar culturas dopaminérgicas primárias.
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 |