Un paradigma danno usando il cavo larvale nervoso ventrale Drosophila per studiare la rigenerazione del sistema nervoso centrale e la riparazione è descritto. Stabbing seguito da scansione laser microscopia confocale in time-lapse e fissi campioni, combinata con l'analisi quantitativa con software volutamente sviluppato e genetica, sono utilizzati per studiare i meccanismi molecolari della rigenerazione e riparazione del SNC.
Un metodo sperimentale è stato sviluppato per studiare le risposte cellulari al sistema nervoso centrale (SNC) infortunio con il moscerino della frutta Drosophila. Comprensione riparazione e la rigenerazione negli animali è una questione fondamentale in biologia. La CNS danneggiati umani non si rigenera, e capire come promuovere la rigenerazione è uno degli obiettivi principali del medico neuroscienze. Il toolkit potente genetica della Drosophila può essere utilizzato per affrontare il problema della rigenerazione del SNC.
Una lesione al cordone nervoso ventrale CNS (VNC, equivalente al midollo spinale vertebrato) viene applicato manualmente con un ago di tungsteno. Il VNC può essere successivamente girato in time-lapse utilizzando la scansione microscopia confocale laser per un massimo di 24 ore per seguire lo sviluppo della lesione nel tempo. In alternativa, può essere coltivato, poi fissate e colorate con immunofluorescenza per visualizzare neuroni e cellule gliali con microscopia confocale. L'uso dei marcatori appropriati, chaNGES della morfologia cellulare e stato della cellula come risultato di lesioni può essere visualizzato. Con ImageJ e appositamente sviluppato plug-in, analisi quantitative e statistiche possono essere effettuati per misurare le variazioni di dimensione della ferita nel tempo e gli effetti di lesioni nella proliferazione cellulare e morte cellulare. Questi metodi consentono l'analisi di campioni di grandi dimensioni. Possono essere combinati con la genetica potenti di Drosophila per indagare i meccanismi molecolari alla base della rigenerazione del SNC e la riparazione.
Rigenerazione in animali rivela che le cellule percepire quando la crescita dell'organismo è ordinato e completo, e in che modo l'integrità strutturale di un organismo è raggiunto e mantenuto. La comprensione di queste misteriose capacità di cellule è di grande interesse per la biologia. Promuovere la rigenerazione è uno degli obiettivi chiave per medico neuroscienze. Negli esseri umani, il danneggiato sistema nervoso centrale (CNS) non rigenera. Modelli di roditori di lesioni del midollo spinale sono utilizzati per comprendere come le cellule rispondono al danno. Tuttavia, le questioni etiche, i costi elevati e il ciclo di vita degli animali lenta limitano il progresso.
Il moscerino della frutta Drosophila è un organismo modello molto utilizzato in biologia dello sviluppo e delle neuroscienze. Grazie ai suoi potenti strumenti genetici e ciclo di vita breve, Drosophila ha ripetutamente portato alla scoperta delle funzioni dei geni e delle reti di geni con rilevanza per la comprensione degli esseri umani e le malattie. Ci sono prove abbondanti di con evolutivaconservazione della funzione del gene dalle mosche per l'uomo.
Negli ultimi anni, diversi paradigmi per le lesioni del sistema nervoso sono stati stabiliti in Drosophila. Alcuni sono costituiti da danneggiare nervi periferici che corrono lungo l'ala o assotomia dei nervi periferici, di cui 1 sensoriali e motori assoni 2. Tuttavia, i sistemi nervoso centrale e periferico differiscono per molti aspetti, ed è ben noto che in molti animali il sistema nervoso periferico che può rigenerare il CNS non può. Così, per capire la rigenerazione del SNC, danno diretto al sistema nervoso centrale è più appropriato. Lesioni accoltellato con un ago è stato applicato con successo al cervello adulto Drosophila per studiare la risposta al danno 3,4. Utilizzando un metodo diverso, Ayaz et al. Assoni del sistema nervoso centrale mozzate nel cervello adulto in coltura con una potenza piezo microdissector, e analizzato la loro rigenerazione per 4 giorni 5. Il vantaggio di questi u set dopo sperimentaleps è che si concentrano sul cervello, che è senza dubbio di grande interesse. Lo svantaggio è che il cervello è molto più complesso rispetto al VNC, che si occupa solo di motore e di controllo sensoriale. Lavorare sul cervello adulto è anche più tempo. La larva è pronto per esperimenti in 4 giorni, mentre ci vogliono circa 10 giorni per eclosion adulti, e poi altri 5 giorni per la loro maturazione. Il cervello adulto è anche più difficile da gestire, perché è incapsulato in spessa cuticola, che è difficile da rimuovere. Il VNC ha l'attrazione ulteriore di essere funzionalmente equivalente al midollo spinale vertebrato.
La larva di Drosophila è ampiamente utilizzato come organismo modello per le neuroscienze 6-9. Sebbene strettamente parlando la larva è in una fase di sviluppo, può anche essere considerato un animale completamente funzionale. La larva ha locomozione, dei sensi multiple, tra cui l'olfatto, il gusto e nocicezione, e l'apprendimento e la memoria. Così, il larvale VNC wa scelta come il modello ideale per le lesioni del SNC.
VNCs larvali e di pupa può essere sezionato e coltivate in piatto, mantenendo l'integrità cellulare per un massimo di 24 ore 10. Questo suggerisce che il pregiudizio potrebbe essere applicato al VNC, che potrebbe quindi essere registrate in time-lapse per questo periodo di tempo, o coltivati e fissato in qualsiasi punto di tempo desiderato entro questo periodo.
Qui, presentiamo un paradigma sperimentale per le lesioni del SNC utilizzando la Drosophila larvale VNC. Il VNC viene prima sezionato dalla larva, e lesioni lancinante si applica manualmente con un ago di tungsteno. Il VNC è poi posto su un fondo di vetro coprioggetto, e girato con time-lapse microscopia confocale a scansione laser. In alternativa, i VNCs possono essere coltivate per un periodo di tempo desiderato, e gli effetti cellulari di lesioni possono essere analizzati in campioni fissati mediante immunocolorazione e microscopia confocale. L'area della ferita può essere misurata, e l'analisi quantitativa di cellule number (proliferazione cellulare e morte cellulare) può essere effettuata con il software appositamente sviluppato. Dimensioni del campione di grandi dimensioni possono essere facilmente gestiti, con conseguente risultati statisticamente convalidati. Questi metodi sono stati con successo in combinazione con la genetica potenti di Drosophila per scoprire una rete gene alla base della risposta gliale rigenerativa a lesioni del SNC 11.
Abbiamo stabilito un protocollo per accoltellamento lesioni al sistema nervoso centrale larvali di Drosophila di indagare le risposte cellulari al danno, la riparazione e la rigenerazione. VNCs larvali sono sezionati e accoltellato, dopo di che sono realizzati con il time-lapse microscopia o fissato per immunostaining fluorescenza di visualizzare glia e neuroni, l'apoptosi o la divisione cellulare. La progressione della lesione nel tempo può essere misurato. Questo metodo è accompagnato da un software appositamente sviluppato per l'analisi quantitativa e statistica del numero cambia cellulare dopo lesioni e durante la riparazione.
Abbiamo pugnalato 96 ore larve AEL (e questi sono stati fissa o permesso di sviluppare ulteriormente), una fase di sviluppo prima del passaggio alla pupa e poi mosca adulta. A 96 ore, VNCs sono abbastanza grandi per accoltellamento, sono nel mezzo del terzo stadio instar, e quindi non sono sottoposti pupation ancora, e il sistema nervoso è già pienamente funzionale simile a quella dell'annuncioUlt. Potrebbe essere possibile per pugnalare un po 'più avanti in larve e la tempistica precisa deve essere scelto in funzione della domanda di ricerca. Tuttavia, a seconda delle questioni affrontate, sarà generalmente necessario per coltivare le VNCs per qualche tempo per osservare le risposte cellulari al danno. Qualche tempo dopo 120 ore inizio ninfosi AEL, un periodo in cui il sistema nervoso centrale è ristrutturato ed è quindi meglio evitare. Così la finestra temporale per aver accoltellato la cultura più nella larva è piuttosto limitato. Usando una larva ha ancora un grande vantaggio tecnico rispetto all'utilizzo di adulti: mentre, allo stesso modo per l'adulto, il sistema nervoso è già perfettamente funzionante, analizzando la risposta al danno è molto più facile e più veloce in larve.
Quando si confrontano le dimensioni e la morfologia del cervello e VNCs sezionati e coltivate in un piatto di VNCs che sono sezionate in un punto equivalente momento senza coltura in un piatto, sembra che lo sviluppo è più lento in coltura che in vivo. Sotto altri aspetti,sviluppo svolge normalmente in coltura, l'integrità dei tessuti viene conservato e le cellule sono vive mostrando risposte multiple. Espansione della ferita, la riparazione e la proliferazione gliale neuropile avvenire entro 22 ore post-accoltellamento. Questo dimostra che le risposte cellulari ad lesioni avvengono nella cultura e probabilmente esiste alcuna necessità di mantenere gli espianti per più di un giorno. Se la cultura a più lungo termine sono stati desiderati, il protocollo può richiedere un'ulteriore ottimizzazione come l'utilizzo di un inserto piastra di coltura 5.
È importante identificare i campioni di buona qualità da quelli degenerazione. Ottimizzazione questo protocollo richiede un po 'di abilità e, inevitabilmente, la degenerazione si verifica in alcuni esemplari. Il VNC può acquisire un aspetto 'cavolfiore' che riflette una ripartizione di integrità dei tessuti (Figura 5B). Degenerazione è riconosciuto anche dalla vacuolizzazione del VNC indipendentemente dal lancinante, che può essere presente in intatte, non accoltellati campioni (Figura 5C </strong>). Questi campioni devono essere scartati. La degenerazione è molto probabilmente causato da dissezione ruvida, che può strappare i nervi e lo strato protettivo della glia superficie. Così grande cura deve essere presa per analizzare delicatamente. Altri fattori che influenzano sono il terreno di coltura, che deve essere tenuto pulito e con gli antibiotici, attenendosi strettamente ai lavaggi e tempi come indicato nel protocollo. Infine, la lunghezza del supporto dell'ago e l'ago, la dimensione e la nitidezza dell'ago sono molto importanti. Il supporto dell'ago può contaminare il terreno di coltura e un ago smussato può causare lesioni di grandi dimensioni che non si ripara e porterà alla degenerazione. È importante mantenere normalmente l'ago appuntito.
In questo protocollo, abbiamo approfittato di una linea proteina trappola di mosche per visualizzare il neuropile in parallelo alla visualizzazione dei processi gliali con il tradizionale GAL4-UAS sistema. Questi strumenti possono anche essere combinati con altri sistemi di espressione binari come il LexA 19 e Q-system 20, che sono indipendenti GAL4. Ciò consentirebbe l'analisi delle interazioni per esempio tra assoni e processi gliali, in risposta al danno. Con ulteriormente combinazione con altri strumenti genetici come reporter per dendriti 21 o afflusso di calcio 22, questo metodo fornisce una grande opportunità per analizzare la biologia cellulare dietro la risposta lesione delle cellule gliali, gli assoni e dendriti neuronali nel SNC. Infine, questo metodo può essere combinato con standard di genetica, mutazioni e sovra-espressione di geni, per testare la funzione genica in risposta alle ferite e rigenerazione.
Questo protocollo è successo portato alla scoperta di una rete gene sottostante la risposta rigenerativa gliale a lesioni CNS 11. Data la conservazione evolutiva della funzione del gene, dipanando questi eventi cellulari e funzioni geniche in frutta mosche è tale da offrire spunti significativi nella comprensione della maCNS mmalian risposta al danno e la rigenerazione.
The authors have nothing to disclose.
Ringraziamo Ann Mei Lim per la lettura critica del manoscritto e di altri membri del nostro laboratorio per le loro discussioni in tutto il corso di questo lavoro. Questo lavoro è stato finanziato dalla Yamada Science Foundation e la Royal Society Borse Visita brevi e UE Marie Curie International Fellowship GRR arrivo per KK, e BBSRC Progetto Grant (BB/H002278/1) e Wellcome Trust attrezzature Grant (073228/Z/03/Z) a AH
Equipment | |||
Staining block | Brunel Microscope | ||
Forceps No. 5 | e.g. Fine Science Tools | e.g. 11251-20 | |
Tungsten needle: rod diameter, 0.5 mm; tip size, 1 μm; length, 2 inch | Roboz Surgical Instrument | RS-6065 | |
Needle holder | Roboz Surgical Instrument | RS-6060 | |
Arkansans stones: Repair Kit for Dumont Forceps | Fine Science Tools | 29000-00 | |
35 mm Petri dish with 27 mm glass base | Iwaki | 3930-035 | |
Leica SP2-AOBS confocal inverted microscope with environment chamber | Leica | ||
Reagent | |||
Shield and Sang M3 insect medium (ecdysone free) | Sigma | S3652-500 ml | |
Penicillin and streptomycin | Invitrogen | 15070-063 | |
Phosphate-buffered saline (PBS) | See 12 | ||
FBS | Sigma | F7524 | |
Poly-L-lysin | Sigma | P1399-25mg | |
Formaldehyde, 10%, methanol free, Ultra Pure | Polysciences | 04018-1 | |
Mouse anti-glutamine synthetase antibodies | Millipore | MAB302 | |
Rabbit anti-GFP antibodies | Life technologies | A11122 | |
Mouse anti-REPO antibodies | Developmental Studies Hybridoma bank | 8D12 | |
Rat anti-ELAV antibodies | Developmental Studies Hybridoma bank | 7E8A10 | |
Rabbit anti-active caspase 3 antibodies | Abcam | ab13847 | |
Normal goat serum | Vector Laboratories | S-1000 | |
Anti-rabbit Alexa Fluor 488 | Life technologies | A11034 | |
Anti-mouse Alexa Fluor 647 | Life technologies | A21236 | |
Anti-rat Alexa Fluor 647 | Life technologies | A21247 |