Organotypic Hippocampal Slice culturen als een Model voor de studie neuroprotectie en invasiviteit van tumorcellen
Summary
Organotypic hippocampal segment culturen (OHSC) vormen een in vitro model dat de in vivo situatie heel goed simuleert. Hier beschrijven we een op vibratome gebaseerde verbeterd snijden protocol om te verkrijgen van hoge kwaliteit segmenten voor gebruik bij de beoordeling van het neuroprotectieve potentieel van nieuwe stoffen of het biologisch gedrag van de tumorcellen.
Abstract
In organotypic hippocampal segment culturen (OHSC) zijn de morfologische en functionele kenmerken van zowel zenuwcellen en gliacellen goed bewaard. Dit model is geschikt voor het aanpakken van verschillende onderzoeksvragen die betrekking hebben op onderzoek naar neuroprotectie, elektrofysiologische experimenten op neuronen, neuronale netwerken of tumor invasie. De hippocampal architectuur en neuronale activiteit in multisynaptic circuits zijn goed bewaard in OHSC, hoewel de segmenteringshulplijnen procedure zelf in eerste instantie laesies en leidt tot de vorming van een gliale litteken. De littekenvorming verandert vermoedelijk de mechanische eigenschappen en diffusive gedrag van kleine molecules, enz. Segmenten kunnen nagaan van tijd-afhankelijke processen na hersenletsel zonder dierlijke chirurgie, en studies over de interacties tussen de verschillende soorten van de hersenen-afgeleide cellen, namelijk astrocyten, microglia en neuronen onder zowel fysiologische en pathologische voorwaarden. Een ambivalente aspect van dit model is het ontbreken van de bloedstroom en bloed immuuncellen. Tijdens de progressie van de neuronale schade, migreren immuuncellen uit het bloed spelen een belangrijke rol. Als deze cellen in plakjes ontbreken, kunnen de intrinsieke processen in de cultuur worden waargenomen zonder buitenlandse inmenging. Bovendien, in OHSC wordt de samenstelling van het medium-externe milieu precies geregeld. Een ander voordeel van deze methode is het lagere aantal geofferde dieren in vergelijking met standaard preparaten. Verschillende OHSC kan worden verkregen van het ene dier gelijktijdige studies met meerdere behandelingen in één dier mogelijk te maken. Om deze redenen, OHSC zijn zeer geschikt voor het analyseren van de gevolgen van nieuwe beschermende therapeutics na weefselbeschadiging of tijdens de invasie van de tumor.
Het protocol gepresenteerd hier beschrijft een methode van de voorbereiding van OHSC waarmee genereren zeer reproduceerbaar, goed bewaard gebleven segmenten die kunnen worden gebruikt voor een verscheidenheid van experimenteel onderzoek, zoals neuroprotectie of tumor invasie studies.
Introduction
OHSC zijn een goed gekarakteriseerd in vitro model om te studeren zowel fysiologische en pathologische eigenschappen van neuronen, astrocyten en microglia1. Het is gemakkelijk om te controleren de extracellulaire omgeving en controleren van de cellulaire en morfologische veranderingen na verschillende prikkels. De organisatie van de hippocampal neuronen en hun verbindingen zijn goed bewaard gebleven na voorbereiding2,3. Uit verschillende voordelen, OHSC toestaan controle van hersenen letsel en tumor invasie zonder dierlijke chirurgie. Zes tot acht OHSC kan worden verkregen van een enkele knaagdier hersenen. OHSC helpen daarom aanzienlijk verminderen van het aantal dieren en laten testen van meerdere drugs concentraties, genetische manipulaties of laesie van de verschillende modellen in hetzelfde dier. In segment gebaseerde testen, experimentele omstandigheden precies controleerbaar. Bovendien tijdsafhankelijke ontwikkelingsprocessen van pathologische condities als secundaire schade door time-lapse imaging gemakkelijk kunnen worden gecontroleerd.
In het gegeven protocol, oorspronkelijk opgericht door Stoppini et al. 4, de voorbereiding stappen worden beschreven en belangrijke morfologische bezienswaardigheden voor de selectie van passende segmenten worden gemarkeerd. Het is raadzaam de voorbereiding van postnatale dag 7-9 ratten of muizen postnatale dag 4-5. In deze periodes Toon OHSC een robuuste weerstand tegen mechanische trauma’s en een hoog potentieel voor reorganisatie van neuronale circuits. Daarentegen preparaten van embryonaal of volwassen ratten snel veranderen hun structuur en hun organotypic morfologie verliezen tijdens de teelt en zijn daarom minder geschikt voor de studie van langdurige processen in fundamenteel onderzoek5,6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 11. een ander kritisch punt voor de overlevingskansen van OHSC is de dikte van het segment zelf als de verspreiding en dus voedingsstoffen levering beperkte12,13,14 zijn.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit protocol beschrijft de bereiding van OHSC. Dit model kunnen testen van intrinsieke mogelijkheden en reacties van hersenweefsel na de toepassing van fysiologische en pathologische stimuli. Naast analyses van elektrofysiologische parameters, kan OHSC lesioned en de gevolgen van schade voor alle celtypes kunnen worden bepaald. Behandeling met verschillende stoffen en de gedetailleerde beschrijving van lesioning processen of genezing in de afwezigheid van macrofagen en lymfocyten is mogelijk.
…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs bedank Christine Auste voor haar steun met de video-opname en Chalid Ghadban voor zijn uitstekende technische hulp. Urszula Grabiec werd gesteund door de Roux Programm FKZ 29/18/EG.
Materials
| 6-Well | Falcon | 35-3046 | |
| Agar | Fluka | 5040 | |
| Autoclav | Systec | DX-45 | |
| CFDA | Thermo Fisher | V12883 | |
| Confocal laser scanning microscope (CLSM) LSM700 | Carl Zeiss | ||
| Eagle´s Minimal Essential Medium | Invitrogen | 32360-034 | |
| Fluorescein labeled Griffonia (Bandeiraea) Simplicifolia Lectin I | Vector Labs | FL-1101 | |
| Fluorescein labeled GSL I – isolectin B4 | Vector Labs | FL-1201 | |
| Glucose | Merk | 1083371000 | |
| Glutamin | Invitrogen | 25030-024 | |
| Hank´s Balanced Salt Solution (with Ca2+ and Mg2+) | Invitrogen | 24020-133 | |
| Hank´s Balanced Salt Solution (without Ca2+ and Mg2+) | Invitrogen | 14170-138 | |
| Insulin | Sigma Aldrich | I5500 | |
| L-ascorbic acid | Sigma Aldrich | A5960 | |
| L-Glutamin | Invitrogen | 25030-024 | |
| LN229 | Cell-Lines-Service | 300363 | |
| Medical cyanoacrylate glue (Histoacryl glue) | B.Braun | 1050052 | |
| Millicell Culture Inserts | Millipore | PICMORG50 | |
| NMDA N-methyl-D-aspartic acid | Sigma Aldrich | M3262 | |
| Normal Horse Seum | Invitrogen | 26050-088 | |
| Penicillin Streptomycin | Invitrogen | 15140-122 | |
| Petri dishes (all sizes) | Greiner | 627160/664160/628160 | |
| PFA | Roth | 0335.1 | toxic |
| Propidium iodid (PI) | Sigma Aldrich | 81845-25MG | toxic |
| U138 | ATCC | HTB-14 | |
| Vibratome | Leica | Leica VT 1200 |
References
- Gähwiler, B. Organotypic slice cultures: a technique has come of age. Trends Neurosci. 20 (10), 471-477 (1997).
- Bahr, B. A. Long-Term Hippocampal Slices: A Model System for Investigating Synaptic Mechanisms and Pathologic Processes. J Neurosci Res. 42 (3), 294-305 (1995).
- Dailey, M. E., Eyo, U., Fuller, L., Hass, J., Kurpius, D. Imaging microglia in brain slices and slice cultures. Cold Spring Harbor Protoc. 2013 (12), 1142-1148 (2013).
- Stoppini, L., Buchs, P. A., Muller, D. A simple method for organotypic cultures of nervous tissue. Journal of Neurosci Methods. 37 (2), 173-182 (1991).
- Kleinberger-Doron, N., Schramm, M. Culture of mature hippocampus slices for 4 days in a newly developed medium: preservation of transmitter release and leucine incorporation into protein. Brain Res. 533 (2), 239-247 (1990).
- Legradi, A., Varszegi, S., Szigeti, C., Gulya, K. Adult rat hippocampal slices as in vitro models for neurodegeneration Studies on cell viability and apoptotic processes. Brain Res Bull. 84 (1), 39-44 (2011).
- Gähwiler, B. H. Organotypic Monolayer Cultures of Nervous Tissue. J Neurosci Methods. 4, 329-342 (1981).
- Gähwiler, B. H. Organotypic cultures of neural tissue. Trends Neurosci. 11 (11), 484-489 (1988).
- Leutgeb, J. K., Frey, J. U., Behnisch, T. LTP in cultured hippocampal-entorhinal cortex slices from young adult (P25-30) rats. J Neurosci Methods. 130 (1), 19-32 (2003).
- Kim, H., Kim, E., Park, M., Lee, E., Namkoong, K. Organotypic hippocamal slice culture from the adult mouse brain: A versatile tool for translational neuropsychopharmacology. Prog Neuropsychopharmacol Biol Psychiatry. 41, 36-43 (2013).
- Xiang, Z., Hrabetova, S., et al. Long-term maintenance of mature hippocampal slices in vitro. J Neurosci Methods. 98, 145-154 (2000).
- Adamchik, Y., Frantseva, M. V., Weisspapir, M., Carlen, P. L., Perez Velazquez, J. L. Methods to induce primary and secondary traumatic damage in organotypic hippocampal slice cultures. Brain rRes Brain Res Protoc. 5, 153-158 (2000).
- Cho, S., Wood, A., Bowlby, M. R. Brain slices as models for neurodegenerative disease and screening platforms to identify novel therapeutics. Curr Neuropharmacol. 5 (1), 19-33 (2007).
- Noraberg, J., Poulsen, F. R., et al. Organotypic hippocampal slice cultures for studies of brain damage, neuroprotection and neurorepair. Curr Drug Targets CNS Neurol Disord. 4 (4), 435-452 (2005).
- De Simoni, A., Griesinger, C. B., Edwards, F. a Development of rat CA1 neurones in acute versus organotypic slices: role of experience in synaptic morphology and activity. J Physiol. 550 (Pt 1), 135-147 (2003).
- Poindrom, P., Piguet, P., Förster, E. . New Methods for Culturing Cells from Nervous Tissues. , (2005).
- Berger, T., Frotscher, M. Distribution and morphological characteristics of oligodendrocytes in the rat hippocampus in situ and in vitro: An immunocytochemical study with the monoclonal Rip antibody. J Neurocytol. 23 (1), 61-74 (1994).
- Haber, M., Vautrin, S., Fry, E. J., Murai, K. K. Subtype-specific oligodendrocyte dynamics in organotypic culture. Glia. 57 (9), 1000-1013 (2009).
- Bonde, C., Sarup, A., Schousboe, A., Gegelashvili, G., Zimmer, J., Noraberg, J. Neurotoxic and neuroprotective effects of the glutamate transporter inhibitor DL-threo-beta-benzyloxyaspartate (DL-TBOA) during physiological and ischemia-like conditions. Neurochem Int. 43 (4-5), 371-380 (2003).
- Derouiche, A., Heimrich, B., Frotscher, M. Loss of layer-specific astrocytic glutamine synthetase immunoreactivity in slice cultures of hippocampus. Eur J Neurosci. 5 (2), 122-127 (1993).
- Hailer, N. P., Jarhult, J. D., Nitsch, R. Resting microglial cells in vitro: analysis of morphology and adhesion molecule expression in organotypic hippocampal slice cultures. Glia. 18 (4), 319-331 (1996).
- Hailer, N. P., Wirjatijasa, F., Roser, N., Hischebeth, G. T. R., Korf, H. W., Dehghani, F. Astrocytic factors protect neuronal integrity and reduce microglial activation in an in vitro model of N-methyl-D-aspartate-induced excitotoxic injury in organotypic hippocampal slice cultures. Eur J Neurosci. 14 (2), 315-326 (2001).
- Bahr, B. A., Kessler, M., et al. Stable maintenance of glutamate receptors and other synaptic components in long-term hippocampal slices. Hippocampus. 5 (5), 425-439 (1995).
- Holopainen, I. E. Organotypic hippocampal slice cultures: A model system to study basic cellular and molecular mechanisms of neuronal cell death, neuroprotection, and synaptic plasticity. Neurochem Res. 30 (12), 1521-1528 (2005).
- Guy, Y., Rupert, A. E., Sandberg, M., Weber, S. G. A simple method for measuring organotypic tissue slice culture thickness. J Neurosci Methods. 199 (1), 78-81 (2011).
- Grabiec, U., Koch, M., et al. The endocannabinoid N-arachidonoyldopamine (NADA) exerts neuroprotective effects after excitotoxic neuronal damage via cannabinoid receptor 1 (CB 1). Neuropharmacology. 64 (4), 1797-1807 (2012).
- Daviaud, N., Garbayo, E., Schiller, P. C., Perez-Pinzon, M., Montero-Menei, C. N. Organotypic cultures as tools for optimizing central nervous system cell therapies. Exp Neurol. 248, 429-440 (2013).
- Ebrahimi, F., Hezel, M., Koch, M., Ghadban, C., Korf, H. W., Dehghani, F. Analyses of neuronal damage in excitotoxically lesioned organotypic hippocampal slice cultures. Ann Anat. 192 (4), 199-204 (2010).
- He, S., Shao, L. R., Wang, Y., Bausch, S. B. Synaptic and extrasynaptic plasticity in glutamatergic circuits involving dentate granule cells following chronic N-methyl-D-aspartate receptor inhibition. J Neurophysiol. 109 (6), 1535-1547 (2013).
- Kann, O., Taubenberger, N., et al. Muscarinic receptor activation determines the effects of store-operated Ca2+-entry on excitability and energy metabolism in pyramidal neurons. Cell Calcium. 51 (1), 40-50 (2012).
- Pérez-Gómez, A., Tasker, R. A. Enhanced neurogenesis in organotypic cultures of rat hippocampus after transient subfield-selective excitotoxic insult induced by domoic acid. Neuroscience. 208, 97-108 (2012).
- Raineteau, O., Rietschin, L., Gradwohl, G., Guillemot, F., Gähwiler, B. H. Neurogenesis in hippocampal slice cultures. Mol Cell Neurosc. 26 (2), 241-250 (2004).
- Pozzo Miller, L. D., Mahanty, N. K., Connor, J. A., Landist, D. M. D. Pyramidal Cell Death in Slice Cultures From Rat Hippocampus Is Prevented By Glutamate Receptor Antagonists. Neuroscience. 63 (2), (1994).
- Koch, M., Kreutz, S., et al. The cannabinoid WIN 55,212-2-mediated protection of dentate gyrus granule cells is driven by CB 1 receptors and modulated by TRPA1 and Ca v2.2 channels. Hippocampus. 21 (5), 554-564 (2011).
- Pukrop, T., Dehghani, F., et al. Microglia promote colonization of brain tissue by breast cancer cells in a Wnt-dependent way. Glia. 58 (12), 1477-1489 (2010).
- Kohl, A., Dehghani, F., Korf, H. W., Hailer, N. P. The bisphosphonate clodronate depletes microglial cells in excitotoxically injured organotypic hippocampal slice cultures. Exp Neurol. 181 (1), 1-11 (2003).
- Matsumura, H., Ohnishi, T., Kanemura, Y., Maruno, M., Yoshimine, T. Quantitative analysis of glioma cell invasion by confocal laser scanning microscopy in a novel brain slice model. Biochem Biophys Res Commun. 269 (2), 513-520 (2000).
- Aaberg-Jessen, C., Nørregaard, A., Christensen, K., Pedersen, C. B., Andersen, C., Kristensen, B. W. Invasion of primary glioma- and cell line-derived spheroids implanted into corticostriatal slice cultures. Int J Clin Exp Pathol. 6 (4), 546-560 (2013).
- Vinci, M., Box, C., Eccles, S. A. Three-dimensional (3D) tumor spheroid invasion assay. J Vis Exp. (99), e52686 (2015).
- Hagemann, C., Fuchs, S., et al. Impact of MACC1 on human malignant glioma progression and patients ‘ unfavorable prognosis. Neuro Oncol. 15 (12), 1696-1709 (2013).
- Hohmann, T., Grabiec, U., Ghadban, C., Feese, K., Dehghani, F. The Influence of Biomechanical Properties and Cannabinoids on Tumor Invasion. Cell Adh Migr. 11 (1), 54-67 (2016).
