Aquí presentamos un protocolo para medir los flujos in vitro ca2+ en las neuronas de cerebro medio y sus efectos aguas abajo en la caspasa-3 utilizando cultivos primarios de cerebro medio ratón. Este modelo se puede emplear para estudiar los cambios fisiopatológicos relacionados con la actividad anormal de Ca2+ en las neuronas de cerebro medio, y para detectar nuevas terapias en busca de propiedades anti-apoptóticas.
La enfermedad de Parkinson es un trastorno neurodegenerativo devastador causado por la degeneración de las neuronas dopaminérgicas (DA). La afluencia excesiva de Ca2+ debido a la activación anormal de los receptores de glutamato da lugar a la excitotoxicidad da y se ha identificado como un mecanismo importante para la pérdida de neuronas DA. En este estudio, aislamos, disociamos y cultivamos neuronas de cerebro medio del mesencéfalo ventral (VM) del ED14 embriones de ratón. Luego infectamos los cultivos primarios de cerebro medio del ratón primario a largo plazo con un virus asociado a la adeno (AAV) que expresa un indicador de calcio genéticamente codificado, GCaMP6f bajo el control del promotor de sinapsina específico de la neurona humana, hSyn. Usando imágenes confocales en vivo, mostramos que las neuronas cultivadas de ratón de cerebro medio muestran flujos espontáneos de Ca2+ detectados por AAV-hSyn-GCaMP6f. La aplicación de baño de glutamato a cultivos de cerebro medio causa elevaciones anormales en Ca2+ intracelulares dentro de las neuronas y esto se acompaña de la activación de la caspasa-3 en las neuronas DA, como lo demuestra la inmunostaining. Las técnicas para identificar la apoptosis mediada por glutamato en las neuronas primarias de DA de ratón tienen aplicaciones importantes para el cribado de alto contenido de fármacos que preservan la salud de las neuronas DA.
La enfermedad de Parkinson es el segundo trastorno neurodegenerativo más común en todo el mundo, sin cura conocida. Las estimaciones sugieren que la prevalencia de los datos sobre el rendimiento seguirá aumentando y se prevé que supere los 1 millón de diagnósticos para el año 2030 solo en los Estados Unidos1. Con pocos tratamientos eficaces disponibles actualmente para combatir la DP, existe una necesidad apremiante de desarrollar terapias más eficaces. La DP se caracteriza por una pérdida rápida y progresiva de las neuronas de dopamina de cerebro medio (DA)2. Los mecanismos que subyacen a la neurodegeneración en la DP no se entienden bien. La evidencia sugiere una convergencia probable de múltiples mecanismos, tales como estrés oxidativo y disfunción mitocondrial, etc. que contribuyen al inicio de cascadas de señalización apoptótica y eventual muerte celular3.
Uno de estos mecanismos convergentes, la excitotoxicidad mediada por glutamato ha estado implicada en múltiples enfermedades neurodegenerativas, incluyendo PD4. Mientras que la excitotoxicidad mediada por glutamato se piensa para trabajar principalmente a través de la estimulación de los receptores NMDA a través de un aumento excesivo en la concentración intracelular Ca2 + y el inicio eventual de la apoptosis, Ca2 +receptores AMPA permeables también han estado implicados en la respuesta excitotóxica5,6,7. Por lo tanto, es de interés determinar la contribución de los receptores AMPA a la apoptosis mediada por glutamato dentro de un modelo de DP. Esto se puede lograr utilizando NBQX, un bloqueador ampañedor y kainato, que a concentraciones micromolares es selectivo para los receptores AMPA8. La excitotoxicidad mediada por glutamato y las cascadas de señalización apoptótica son un objetivo descendente ideal para medir el alcance de la muerte celular y un posible objetivo de intervención terapéutica. Por lo tanto, el desarrollo de un método de alto contenido para evaluar la modulación mediada por glutamato de la actividad de calcio y la señalización posterior asociada en las neuronas mesencéfalas (VM) ventrales primarias sería valioso para la detección de nuevos métodos de tratamiento sobre su capacidad para preservar la salud neuronal.
Aquí, hemos desarrollado un protocolo en el que expresamos el indicador de calcio genéticamente codificado (GECI), GCaMP6f, utilizando AAV2/5 con la sinapsis humana (hSyn) promotor para medir la actividad Ca2+ de las neuronas primarias VM de ratón en respuesta a la aplicación de glutamato que se puede medir a nivel fisiológico y molecular. Este cribado de alto contenido se puede adaptar para descubrir productos farmacéuticos o tratamientos que modulan la actividad de Ca2+ para preservar la salud de las neuronas VM. Proponemos que este modelo de cultivo primario es una manera eficaz de detectar nuevas intervenciones de DP, basada en su capacidad para preservar la salud de las neuronas vm y mitigar la progresión de la DP.
Describimos un sistema de cultivo celular mesencéfalo (VM) primario a largo plazo para el análisis de alto contenido de apoptosis mediada por glutamato en las neuronas. Los estudios han empleado cultivos dopaminérgicos primarios de cerebro medio para dilucidar los mecanismos excitotóxicos en el contexto de los modelos de DP11,12. En este estudio, empleamos un enfoque combinatorio utilizando Indicadores de Calcio Genéticamente Codificados (GECI) para medir la actividad de Ca2+ y asociar aún más esta actividad con cambios moleculares posteriores, como el inicio de cascadas de señalización apoptótica4. El método tiene múltiples ventajas para otros sistemas de cultivo celular similares. Como tenemos especial interés en la excitotoxicidad en el contexto de la enfermedad de Parkinson, el uso de cultivos celulares de VM primarias es ideal. Mediante el uso de diferentes técnicas de reubicación de campo, como cubreobjetos cuadriculados o una etapa motorizada del microscopio XY combinada con inmunosutención TH, podemos estudiar directamente los efectos específicos del tipo de célula de la apoptosis mediado con glutamato en las neuronas ventrales de cerebro medio. Además, el modelo de cultivo celular de 3 semanas permite que las neuronas desarrollen su perfil molecular completo y maduro, reflejando las neuronas adultas del DA9. Los métodos anteriores se han centrado principalmente en los cambios moleculares tras la excitotoxicidad mediada por glutamato13,14. El modelo es único en su capacidad para correlacionar cambios agudos en la fisiología neuronal con eventos moleculares posteriores en tipos celulares identificados. Una limitación del modelo de cultivo primario es que la técnica de disección captura todo el cerebro medio ventral, incluyendo DA y las neuronas GABAérgicas, así como las neuronas de la CS y VTA. La evidencia ahora sugiere que las neuronas DA de la SC tienen vulnerabilidad selectiva al calcio y eventual muerte celular en comparación con las neuronas DA de la vecina VTA15. Desafortunadamente, la diferenciación de SNc de las neuronas VTA en cultivos embrionarios ha resultado difícil con pocos puntos de referencia anatómicos para definir estas estructuras en el cerebro embrionario.
Demostramos que la técnica de cultivo primario permite cuantificar la actividad espontánea heterogénea de Ca2+ (Figura 1). Por lo tanto, este es un modelo de sistema de cultivo celular ideal para estudiar las células activas tonónicamente, como las neuronas dopaminérgicas de marca de ritmo del cerebro medio, las neuronas neocorticales, y las neuronas GABAérgicas del núcleo supraquiasmático (SCN)16,,17. En la mayoría de las aplicaciones, las imágenes Ca2+ no logran la misma resolución temporal que la electrofisiología. Por lo tanto, es probable que un solo evento de Ca2+ sea análogo a una ráfaga de potenciales de acción neuronal. Esto puede interpretarse en el punto de cual significa que las imágenes de Ca2+ permiten medidas relativamente precisas de la actividad de estallido anormal en las células de marca de ritmo y, por lo tanto, es apropiada para una pantalla de alto contenido de muerte celular excitotóxica mediada de Ca2+.
Para lograr y mantener la actividad espontánea de Ca2+, es importante abordar dos puntos clave en el protocolo. En primer lugar es la densidad de chapado de las células después de la disección. Para las neuronas VM primarias, estudios previos han utilizado alrededor de 100.000 células/cm29,10. Hemos adaptado el protocolo para placar una densidad de 200.000 células/cm2,lo que crea un rango heterogéneo de actividad espontánea y aumenta el número de neuronas VM dopaminérgicas presentes en cada cubierta. Dado que las diferentes neuronas de marcapasos tienen propiedades de disparo distintas16, la densidad de chapado debe ser personalizada al tipo de célula que se está estudiando y optimizando con el fin de lograr niveles ideales de actividad espontánea. En segundo lugar, el tiempo de incubación después de la infección viral de los AAV. Al igual que la densidad de chapado, esto dependerá del contexto específico de la pregunta de investigación y el tipo de AAV que se utiliza. Para el AAV específico utilizado aquí, 5 días de incubación después de la infección viral es ideal para lograr los niveles deseados de expresión de proteínas, lo que permite cambios dinámicos en la fluorescencia GCaMP con el fin de registrar la actividad de Ca2+. Muchos factores determinan la rapidez y eficiencia con la que un AAV expresará su carga, gran parte de la cual está fuera del alcance de este método, pero brevemente, es importante considerar la actividad promotora y la velocidad a la que la proteína de carga madura y se pliega.
Otra ventaja del método es que permite una flexibilidad considerable en el formato, los vectores de expresión, el uso de equipos de imágenes y la gama de cuestiones científicas que se pueden abordar. Además, el método permite la investigación de una amplia gama de preguntas específicas que rodean la excitotoxicidad mediada por glutamato en la DP, y otros modelos de disfunción del sistema nervioso. Por ejemplo, la excitotoxicidad mediada por glutamato implica múltiples receptores y cascadas de señalización5. Mediante el uso del método, y como se demuestra con el bloqueador AMPAR, NBQX en la Figura 1, es posible diseccionar componentes específicos de la respuesta glutamato excitotóxica a nivel fisiológico y molecular. Concebiblemente, un enfoque similar utilizando inhibidores de los segundos sistemas de mensajería podría utilizarse para determinar su contribución a la excitotoxicidad. Además, los AAV utilizados aquí podrían adaptarse para expresar los GECI con promotores específicos de la célula o sensores optogenéticos expresados por AAV que podrían utilizarse para medir otros parámetros como la liberación de neurotransmisores.
Aparte de las disecciones embrionarias primarias y las imágenes confocales, gran parte del protocolo utiliza habilidades básicas de laboratorio que no requieren entrenamiento especializado. Por lo tanto, las limitaciones al modelo incluyen la dificultad de la técnica de disección embrionaria, el tiempo que las células deben ser cultivadas para alcanzar la madurez, y el acceso a un microscopio confocal, o un aparato de imagen similar. Los muchos beneficios y flexibilidad del método superan estas limitaciones, lo que hace de este un modelo ideal para estudiar el papel de excitotoxicidad mediada por glutamato en trastornos del sistema nervioso. Por último, este modelo podría ser una herramienta eficaz para la pantalla de compuestos nuevos para efectos anti-apoptóticos y su capacidad para preservar la salud de las neuronas DA.
The authors have nothing to disclose.
Apoyado por subvenciones de la Asociación Americana de Enfermedad de Parkinson (APDA) y NIH R01NS115809-01 a RS. Agradecemos al Instituto texas A&M de Medicina Genómica (TIGM) por proporcionar ratones embarazadas cronomeptados para generar cultivos dopaminérgicos primarios.
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 |