Generazione di idrogel 3D basati su collagene per analizzare la crescita e il comportamento assonali durante lo sviluppo del sistema nervoso
Summary
Qui, forniamo un metodo per analizzare il comportamento degli assoni in crescita in matrici 3D, imitando il loro sviluppo naturale.
Abstract
Questo protocollo utilizza collagene di tipo naturale I per generare idrogel tridimensionale (3D) per il monitoraggio e l’analisi della crescita assonale. Il protocollo è incentrato sulla coltura di piccoli pezzi di cervelli embrionali o postnatali di roditori all’interno di un idrogel 3D formato dal tipo iderivato derivato dal tendine della coda di ratto con porosità specifica. I pezzi di tessuto sono coltivati all’interno dell’idrogel e confrontati con specifici frammenti cerebrali o aggregati cellulari geneticamente modificati per produrre e secernere molecole adatte per creare un gradiente all’interno della matrice porosa. I passaggi di questo protocollo sono semplici e riproducibili, ma includono passaggi critici da considerare attentamente durante il suo sviluppo. Inoltre, il comportamento degli assoni in crescita può essere monitorato e analizzato direttamente utilizzando un microscopio a contrasto di fase o un microscopio a fluorescenza mono/multifotonico dopo la fissazione mediante metodi immunocitochimici.
Introduction
Gli assoni neuronali, che terminano con coni di crescita assonale, migrano lunghe distanze attraverso la matrice extracellulare (ECM) dell’embrione su percorsi specifici per raggiungere i loro obiettivi appropriati. Il cono di crescita è la porzione distale dell’assone ed è specializzato per percepire l’ambiente fisico e molecolare della cellula1,2. Da un punto di vista molecolare, i coni di crescita sono guidati da almeno quattro diversi meccanismi molecolari: attrazione del contatto, chemioattrazione, repulsione del contatto e chemorepulsione innescata da diversi segnali di guida assonali3,4 , 5 Del numero 3( , 6. I processi mediati dal contatto possono essere parzialmente monitorati in colture bidimensionali (2D) su substrati micromodellati (ad esempio, con strisce7,8 o macchie9 contenenti le molecole). Tuttavia, gli assoni possono navigare verso il loro bersaglio in modo non diffuso rilevando diverse molecole attraenti e ripugnanti dalle cellule guidepost nell’ambiente4,5,10. Qui, descriviamo un metodo semplice della coltura 3D per verificare se una molecola secreta induce effetti chemorepulsivi o chemioattraenti sullo sviluppo degli assoni.
I primi studi miravano a determinare gli effetti dei segnali di guida assonati utilizzavano colture espiante in matrici tridimensionali (3D) per generare gradienti che simulano condizioni in vivo11,12. Questo approccio, insieme agli esperimenti in vivo, ha permesso l’identificazione di quattro grandi famiglie di spunti di orientamento: Netrins, Slits, Semaphorins ed Ephrins4,5,6. Questi segnali molecolari e altri fattori13 sono integrati dagli assoni in crescita, innescando la dinamica dei complessi di adesione e trasducindo le forze meccaniche attraverso il citoscheletro14,15,16. Per generare gradienti molecolari in colture 3D per la navigazione assonale, ricercatori pionieri hanno usato17substrati di coaguli di plasma, che è stato utilizzato anche per preparazioni di fette organotipiche18. Tuttavia, nel 1958, un nuovo protocollo per generare idrogel di collagene 3D è stato segnalato per lo studio con i dispositivi di Maximow19, una piattaforma di coltura, utilizzata in diversi studi adatti per osservazioni microscopiche20. Un altro studio pionieristico ha riportato il gel di collagene come strumento per incorporare i fibroblasti umani per studiare la differenziazione dei fibroblasti nei miofibroblasti nei processi di guarigione delle ferite21. Parallelamente, Lumsden e Davies hanno applicato il collagene dal derma bovino per analizzare l’effetto putativo del fattore di crescita del nervo (NGF) sulla guida delle fibre nervose sensoriali22. Con lo sviluppo di nuove piattaforme di cultura (ad esempio, piatti multi-pozzi) da diverse aziende e laboratori, le colture di collagene sono state adattate a questi nuovi dispositivi6,23,24,25 ,26. Parallelamente, un estratto di materiale ECM derivato dalla linea di cellule tumorali Engelbreth-Holm-Swarm è stato reso disponibile in commercio per espandere questi studi27.
Recentemente, sono stati sviluppati diversi protocolli per generare gradienti molecolari con ruoli putativi nella guida degli assa utilizzando idrogel 3D (ad esempio, collagene, fibrina, ecc.) 28.In alternativa, la molecola candidata può essere immobilizzata a concentrazione diversa in una matrice porosa (ad esempio, NGF29) o generata dalla coltura in una piccola regione degli aggregati di cellule idrogel 3D che secerneno la molecola per generare un gradiente4,23,24,25,26. L’ultima possibilità sarà spiegata in questo protocollo.
La procedura qui presentata è un metodo facile, veloce e altamente riproducibile basato sull’analisi della crescita assonale nelle colture di idrogel 3D del cervello embrionale del topo. Rispetto ad altri metodi, il protocollo è adatto per i ricercatori non addestrati e può essere completamente sviluppato dopo una breve formazione (1-2 settimane). In questo protocollo, isoliamo prima il collagene dalle code di ratto adulto per generare ulteriormente matrici 3D in cui gli aggregati cellulari geneticamente modificati vengono coltivati davanti al tessuto neuronale embrionale. Questi aggregati cellulari formano gradienti chimici radiali di una molecola candidata che suscita una risposta per gli assoni in crescita. Infine, la valutazione degli effetti della molecola sugli assoni in crescita può essere facilmente eseguita utilizzando una microscopia a contrasto di fase o, in alternativa, metodi immunocitochimici.
Protocol
Representative Results
Discussion
La crescita degli assoni in via di sviluppo è principalmente invasiva e comprende la degradazione e il rimodellamento dell’ECM. Utilizzando la procedura qui presentata, i ricercatori possono ottenere una matrice omogenea 3D formata dal collagene di tipo naturale I in cui gli assoni (o le cellule) possono rispondere a un gradiente chimico secreto da cellule geneticamente modificate come fanno in vivo. Diverse risposte assonali a gradienti di segnali attraenti o inibitori (proteine, lipidi, ecc.) possono essere facilmente…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori ringraziano Tom Yohannan per la consulenza editoriale e M. Segura-Feliu per l’assistenza tecnica. Questo lavoro è stato finanziato dal programma CERCA e dalla Commissione per le Università e la Ricerca del Dipartimento di Innovazione, Università ed Impresa della Generalitat de Catalunya (SGR2017-648). Questo lavoro è stato finanziato dal Ministero spagnolo della ricerca, dell’innovazione e dell’Università (MEICO) attraverso BFU2015-67777-R e rti2018-099773-B-100, la rete prione spagnola (Prionet Spagna AGL2017-90665-REDT), e l’Istituto Carlos III, CIBERNED ( PRY-2018-2).
Materials
| Material | |||
| 3,3′-Diaminobenzidine tetrahydrochloride 10 mg tablets (DAB) | Sigma | D5905 | |
| Adult Sprague-Dawley rats (8 to 9 weeks old) | Criffa-Credo, Lyon, France | ||
| Avidin-biotin-peroxidase complex (ABC) | Vector Labs | PK-4000 | |
| B27 serum-free supplement 50x | Invitrogen | 17504-044 | |
| Bicinchoninic acid (BCA) protein assay kit | Pierce | 23225 | |
| cDNA plasmid vectors | |||
| COS1 cell lines | ATTC | CRL-1570 | |
| D-(+)-Glucose | Sigma | 16325 | |
| D-(+)-glucose (45% solution in water) for complete Neurobasal medium | Sigma | G8769 | |
| D-MEM (Dulbecco's Modified Eagle Medium 1x ) for COS1 culture medium | Invitrogen | 41966-029 | |
| Dulbecco’s phosphate buffered saline 10x (without Ca2+ and Mg2+) (D-PBS) for cultures | Invitrogen | 14200 | |
| Ethanol | merck | 108543 | |
| Ethylenediaminetetraacetic acid dihydrate disodium salt (EDTA) | Sigma | E5134 | |
| Fluorescence mounting media (e.g., Fluoromount-G or similar) | Electron Microscopy Sciences (EMS) | 17984-25 | |
| Gelatin powder | Sigma | G1890 | |
| Glacial acetic acid (Panreac, cat. no. 211008) | Panreac | 211008 | |
| Hank’s balanced salt solution | Invitrogen | 24020083 | |
| Heat-inactivated foetal bovine serum | Invitrogen | 10108-165 | |
| Heat-inactivated horse serum | Invitrogen | 26050-088 | |
| Hydrogen peroxide (H2O2, 32 to 33% in water) | Sigma | 316989 | |
| L-glutamine 200 mM solution (100x) for complete Neurobasal and COS1 medium | Invitrogen | 25030-024 | |
| Lipofectamine 2000 Reagent | Invitrogen | 11668-019 | |
| Mice pregnant female (embryonic day 12.5 to 16.5; E12.5-16.5) | Criffa-Credo, Lyon, France | ||
| Modified Minimum Essential Medium Eagle (MEM) | Invitrogen | 11012-044 | |
| Monoclonal antibody against class III β-tubulin (clone TUJ-1) | Biolegend | 801201 | |
| N-2 supplement 100x | Invitrogen | 17502-048 | |
| Neurobasal medium | Invitrogen | 21103049 | |
| Paraformaldehyde | Merck | 1,040,051,000 | |
| Penicillin/streptomycin solution 100x | Invitrogen | 15140-22 | |
| Phosphate buffered saline 10x (PBS) for immunocytochemistry | Invitrogen | AM9624 | |
| Secondary antibody: biotinylated horse anti-mouse | Vector Labs | BA-2000 | |
| Serum-free medium (Opti-MEM) | Invitrogen | 11058-021 | |
| Sodium azide | Panreac | 162712 | |
| Sodium bicarbonate solution 7.5% | Invitrogen | 25080-094 | |
| Sterile culture grade H2O | Sigma | W3500 | |
| TritonTM X-100 | Sigma | X100 | |
| Trizma base | Sigma | T1503 | |
| Trypsin-EDTA (Trypsin (0.05% (wt/vol) with EDTA (1x) | Invitrogen | 25300-054 | |
| Equipment | |||
| 1 large and 1 small curved scissors for dissection | Fine tools Instruments or similar | ||
| 1.5-ml conical centrifuge tubes | Eppendorf or similar | ||
| 15-ml conical centrifuge tubes | Corning or similar | ||
| 2 haemostats | Fine tools Instruments or similar | ||
| 2 small straight dissecting scissors | Fine tools Instruments or similar | ||
| 200-ml centrifuge tubes for centrifugation | Nalgene or similar | ||
| 200-ml sterile glass conical flasks | |||
| 2-litre glass beaker | |||
| 4- and 6-well culture plates | Nunc | 176740 and 140675 | |
| Automatic pipette pumps and disposable 10 ml and 25 ml filter-containing sterile plastic pipettes. | Gilson, Brand, Eppendorf or similar | ||
| Automatic pipettes, sterile filter tips and current sterile tips | Gilson, Eppendorf or similar | ||
| Bench top microcentrifuge with angle fixed rotor | Eppendorf, Beckman Coulter or similar | ||
| Bench top refrigerated centrifuge with swing-bucket rotor (with 1.5, 15 and 50 ml tube adaptors) | Eppendorf, Beckman Coulter or similar | ||
| Cell culture incubator at 37 ºC, 5% CO2 and 95% air | |||
| Dialysis tubing cellulose membrane | Sigma | D9402 | |
| Dialysis tubing closures | Sigma | Z37101-7 | |
| Disposable glass pipettes | |||
| Dissecting microscope with dark field optics | Olympus SZ51 or similar | ||
| High-speed refrigerated Beckman Coulter centrifuge or similar with angle fixed rotor | |||
| Laminar flow hood | |||
| Large 100-mm, 60-mm and small 35-mm Ø cell culture dishes | Nunc | 150679 , 150288 and 150318, respectively | |
| Magnetic stirrer and magnetic spin bars | IKA or similar | ||
| McIlwain tissue chopper | Mickle Laboratory Engineering | ||
| One pair of fine straight forceps and one pair of curved forceps | Fine tools Instruments or similar | ||
| Razor blades for the tissue chopper | |||
| Scalpels (number 15 and 11) | |||
| Two pairs of fine spatulas for transferring collagen and tissue pieces | Fine tools Instruments or similar | ||
References
- Ramón y Cajal, S. . Les nouvelles idées sur la structure du système nerveux chez l’homme et chez les vertébrés. , (1894).
- Ramón y Cajal, S. . Nuevo concepto de la histología de los centros nerviosos. , (1893).
- Marin, O., Valiente, M., Ge, X., Tsai, L. H. Guiding neuronal cell migrations. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 2 (2), 001834 (2010).
- Tessier-Lavigne, M., Goodman, C. S. The molecular biology of axon guidance. Science. 274 (5290), 1123-1133 (1996).
- Dickson, B. J. Molecular mechanisms of axon guidance. Science. 298 (5600), 1959-1964 (2002).
- Kolodkin, A. L., Tessier-Lavigne, M. Mechanisms and molecules of neuronal wiring: a primer. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 3 (6), 001727 (2011).
- Rosentreter, S. M., et al. Response of retinal ganglion cell axons to striped linear gradients of repellent guidance molecules. Journal of Neurobiology. 37 (4), 541-562 (1998).
- Knoll, B., Weinl, C., Nordheim, A., Bonhoeffer, F. Stripe assay to examine axonal guidance and cell migration. Nature Protocols. 2 (5), 1216-1224 (2007).
- von Philipsborn, A. C., et al. Growth cone navigation in substrate-bound ephrin gradients. Development. 133 (13), 2487-2495 (2006).
- Chen, H., He, Z., Tessier-Lavigne, M. Axon guidance mechanisms: semaphorins as simultaneous repellents and anti-repellents. Nature Neuroscience. 1 (6), 436-439 (1998).
- Jessell, T. M., Sanes, J. R. Development. The decade of the developing brain. Current Opinion in Neurobiology. 10 (5), 599-611 (2000).
- Serafini, T., et al. The netrins define a family of axon outgrowth-promoting proteins homologous to C. elegans UNC-6. Cell. 78 (3), 409-424 (1994).
- Charron, F., Tessier-Lavigne, M. Novel brain wiring functions for classical morphogens: a role as graded positional cues in axon guidance. Development. 132 (10), 2251-2262 (2005).
- Fournier, M. F., Sauser, R., Ambrosi, D., Meister, J. J., Verkhovsky, A. B. Force transmission in migrating cells. Journal of Cell Biology. 188 (2), 287-297 (2010).
- Dent, E. W., Gertler, F. B. Cytoskeletal dynamics and transport in growth cone motility and axon guidance. Neuron. 40 (2), 209-227 (2003).
- Lowery, L. A., Van Vactor, D. The trip of the tip: understanding the growth cone machinery. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 10 (5), 332-343 (2009).
- Castellani, V. B. . Protocols for Neuronal Cell Culture. , (2001).
- Gahwiler, B. H. Organotypic monolayer cultures of nervous tissue. Journal of Neuroscience Methods. 4 (4), 329-342 (1981).
- Bornstein, M. B. Reconstituted rattail collagen used as substrate for tissue cultures on coverslips in Maximow slides and roller tubes. Laboratory Investigation. 7 (2), 134-137 (1958).
- Billings-Gagliardi, S., Wolf, M. K. A simple method for examining organotypic CNS cultures with Nomarski optics. In Vitro. 13 (6), 371-377 (1977).
- Bell, E., Ivarsson, B., Merrill, C. Production of a tissue-like structure by contraction of collagen lattices by human fibroblasts of different proliferative potential in vitro. Proceedings of the National Academy of Science. 76 (3), 1274-1278 (1979).
- Lumsden, A. G., Davies, A. M. Earliest sensory nerve fibres are guided to peripheral targets by attractants other than nerve growth factor. Nature. 306 (5945), 786-788 (1983).
- Chedotal, A., et al. Semaphorins III and IV repel hippocampal axons via two distinct receptors. Development. 125 (21), 4313-4323 (1998).
- Kennedy, T. E., Serafini, T., de la Torre, J. R., Tessier-Lavigne, M. Netrins are diffusible chemotropic factors for commissural axons in the embryonic spinal cord. Cell. 78 (3), 425-435 (1994).
- Klein, R. Eph/ephrin signaling in morphogenesis, neural development and plasticity. Current Opinion in Cell Biology. 16 (5), 580-589 (2004).
- Wang, K. H., et al. Biochemical purification of a mammalian slit protein as a positive regulator of sensory axon elongation and branching. Cell. 96 (6), 771-784 (1999).
- Emonard, H., Grimaud, J. A., Nusgens, B., Lapiere, C. M., Foidart, J. M. Reconstituted basement-membrane matrix modulates fibroblast activities in vitro. Journal of Cell Physiology. 133 (1), 95-102 (1987).
- Knapp, D. M., Helou, E. F., Tranquillo, R. T. A fibrin or collagen gel assay for tissue cell chemotaxis: assessment of fibroblast chemotaxis to GRGDSP. Experimental Cell Research. 247 (2), 543-553 (1999).
- Kapur, T. A., Shoichet, M. S. Immobilized concentration gradients of nerve growth factor guide neurite outgrowth. Journal of Biomedical Materials Research Part A. 68 (2), 235-243 (2004).
- Torres-Espin, A., Santos, D., Gonzalez-Perez, F., del Valle, J., Navarro, X. Neurite-J: an image-J plug-in for axonal growth analysis in organotypic cultures. Journal of Neuroscience Methods. 236, 26-39 (2014).
- Balestrini, J. L., et al. Comparative biology of decellularized lung matrix: Implications of species mismatch in regenerative medicine. Biomaterials. 102, 220-230 (2016).
- Qian, J., et al. Kinetic Analysis of the Digestion of Bovine Type I Collagen Telopeptides with Porcine Pepsin. Journal of Food Science. 81 (1), 27-34 (2016).
- Eyre, D. R., Weis, M., Hudson, D. M., Wu, J. J., Kim, L. A novel 3-hydroxyproline (3Hyp)-rich motif marks the triple-helical C terminus of tendon type I collagen. Journal of Biological Chemistry. 286 (10), 7732-7736 (2011).
- Garnotel, R., et al. Human blood monocytes interact with type I collagen through alpha x beta 2 integrin (CD11c-CD18, gp150-95). Journal of Immunology. 164 (11), 5928-5934 (2000).
- Montolio, M., et al. A semaphorin 3A inhibitor blocks axonal chemorepulsion and enhances axon regeneration. Chemistry and Biology. 16 (7), 691-701 (2009).
- Garcia-Gareta, E. Collagen gels and the ‘Bornstein legacy’: from a substrate for tissue culture to cell culture systems and biomaterials for tissue regeneration. Experimental Dermatology. 23 (7), 473-474 (2014).
