Summary

Investigação da interação espacial entre astrócitos e neurônios em cérebros limpos

Published: March 31, 2022
doi:

Summary

A combinação de transdução vetorial viral e limpeza cerebral usando o método CLARITY permite a investigação de um grande número de neurônios e astrócitos simultaneamente.

Abstract

A combinação de transdução vetorial viral e limpeza tecidual usando o método CLARITY torna possível investigar simultaneamente vários tipos de células cerebrais e suas interações. A transdução vetorial viral permite a marcação de diversos tipos de células em diferentes cores de fluorescência dentro do mesmo tecido. As células podem ser identificadas geneticamente por atividade ou projeção. Usando um protocolo CLARITY modificado, o tamanho potencial da amostra de astrócitos e neurônios cresceu em 2-3 ordens de magnitude. O uso do CLARITY permite a imagem de astrócitos completos, que são muito grandes para caber em sua totalidade em fatias, e o exame do somata com todos os seus processos. Além disso, oferece a oportunidade de investigar a interação espacial entre astrócitos e diferentes tipos de células neuronais, ou seja, o número de neurônios piramihários em cada domínio astrócito ou a proximidade entre astrócitos e populações específicas de neurônios inibitórios. Este artigo descreve, em detalhes, como esses métodos devem ser aplicados.

Introduction

Nos últimos anos, o conhecimento da função astrócito e como eles interagem com circuitos neuronais aumentaram drasticamente. Os astrócitos podem influenciar a plasticidade 1,2, auxiliar na recuperação neuronal da lesãopós-lesão 3,4, e até induzir a potencialização neuronal de novo, com estudos recentes mostrando a importância dos astrócitos na aquisição e recompensa da memória, antes consideradas como funções puramente neuronais 5,6,7 . Uma característica de particular interesse na pesquisa de astrócito é o arranjo espacial das células, que mantêm organizações espaciais únicas no hipocampo e outras estruturas cerebrais 8,9,10. Ao contrário dos dendritos neuronais que se entrelaçam entre somata celular, os astrócitos hipocampais habitam territórios visualmente distinguíveis com ligeira sobreposição entre seus processos, criando domínios distintos 8,11,12,13. As evidências que sustentam a participação de astrócitos em circuitos neuronais não suportam a falta de descrição anatômica detalhada dessas populações e dos neurônios em seus domínios14.

Os procedimentos de transdução de vetores virais, juntamente com animais transgênicos (TG), têm sido popularizados como um acessório para investigar estruturas cerebrais, funções e interações celulares15,16. A utilização de diferentes promotores permite o direcionamento de células específicas de acordo com suas propriedades genéticas, níveis de ativação17,18 ou alvos de projeção. Diferentes vírus podem expressar diferentes fluoroforos coloridos em diferentes populações. Um vírus pode ser combinado com a expressão endógena de fluoroforos em TG, ou animais TG podem ser usados sem a necessidade de vírus. Essas técnicas são amplamente utilizadas para marcação neuronal, e alguns laboratórios começaram a usá-las com modificações especializadas para atingir outros tipos de células, como os astrócitos 5,9,19.

A técnica CLARITY, descrita pela primeira vez em2013 20,21, permite o estudo de fatias cerebrais grossas, tornando todo o cérebro transparente, deixando intactas as estruturas microscópicas. Combinando os dois métodos de transdução vetorial viral e limpeza tecidual- a opção de examinar as interações espaciais entre diferentes populações do tipo celular está agora disponível. A maioria dos estudos de interação astrócito-neurônio foram realizados em finas fatias cerebrais, resultando em imagens de astrócitos incompletos devido a seus grandes domínios, restringindo radicalmente o número de células analisadas. O uso da técnica CLARITY permite a caracterização de resolução unicelular de populações celulares em volumes em larga escala simultaneamente. Imagens fluorescentes marcadas populações de células em cérebros claros não fornecem resolução sináptica, mas permite uma caracterização completa das interações espaciais entre astrócitos e uma variedade de tipos de células neuronais.

Por essa razão, aproveitamos essas técnicas de última geração para investigar as propriedades dos astrócitos em todo o CA1 dorsal, imagens de toda lamina (Estrato Radiatum, camada piramimal e Stratum Oriens). Medimos dezenas de milhares de astrócitos (com penetração viral de >96%5), analisando assim as informações de toda a população astróctica em torno do CA1. Com penetração eficiente dos marcadores neuronais, pudemos registrar as interações entre toda a população de astrócitos ca1 e os quatro tipos de células neuronais-parvalbumina (PV), somatostatina (SST), neurônios inibitórios VIP e células piramipelais excitatórias9.

Vários experimentos foram realizados usando uma combinação de fluorescência de animais TG e vetores virais de cores diferentes (todas as células inibitórias), enquanto outros (excitatório) utilizaram dois vetores virais expressando fluoroforos diferentes sob diferentes promotores9. Este artigo apresenta um protocolo detalhado, incluindo a marcação das células desejadas no cérebro, tornando o cérebro transparente usando um procedimento de CLARIDADE modificado, bem como imagens e análises de estruturas cerebrais completas, utilizando vários procedimentos e softwares.

Protocol

Os protocolos experimentais foram aprovados pelo Comitê de Cuidado e Uso de Animais da Universidade Hebraica e atenderam às diretrizes do Guia Nacional de Saúde para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório. 1. Transdução de vetor viral NOTA: A transdução vetorial viral é usada para expressar fluoroforos no cérebro. Use um atlas (por exemplo, Allen Brain Atlas) para localizar a coordenação relevante da área alvo.NOTA: Atl…

Representative Results

A limpeza bem sucedida de fatias de tecido cerebral espessa resulta em uma nova gama de perguntas que podem ser feitas sobre as propriedades de grandes populações celulares em oposição às propriedades de células únicas ou grupos vizinhos de células. Para alcançar resultados bem-sucedidos, deve-se aderir rigorosamente ao protocolo CLARITY, pois há uma ampla gama de parâmetros que precisam ser considerados para reduzir a variância entre as amostras (por exemplo, percentual de clareza, informações de fluoresc?…

Discussion

Os métodos de limpeza de tecidos apresentam uma ferramenta revolucionária na pesquisa cerebral, convidando perguntas que não poderiam ter sido feitas anteriormente. A partir do direcionamento das propriedades de um pequeno grupo de células, uma única célula, ou mesmo uma única sinapse, a CLARITY agora permite o direcionamento de populações celulares totais ou recursos de conectividade de longo alcance usando fluoroforos relevantes.

O resultado da combinação de procedimentos fluorfor…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Este projeto recebeu financiamento do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) no âmbito do programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia (acordo de subvenção nº 803589), da Fundação Israelenta (isf grant nº 1815/18) e das bolsas Canadá-Israel (CIHR-ISF, conceder nº 2591/18). Agradecemos a Nechama Novick por comentar todo o manuscrito.

Materials

AAV1-GFAP::TdTomato ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect astrocytes
AAV5-CaMKII::eGFP ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect neurons
AAV5-CaMKII::H2B-eGFP ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect neuronal nuclei
AAV5-CaMKII::TdTomato ELSC Vector Core Facility (EVCF) viral vector used to detect neurons
Acrylamide (40%) Bio-rad #161-0140
Bisacrylamide (2%) Bio-rad #161-0142
Boric acid Sigma #B7901 Molecular weight – 61.83 g/mol
Confocal microscope, scanning, FV1000 Olympus 4x objective (UPlanSApo, 0.16 NA)
Imaris software Bitplane, UK A software that allows 3D analysis of images
NaOH Sigma #S5881
PBS
PFA 4% EMS #15710
RapiClear SunJin lab #RC147002
RapiClear CS SunJin lab #RCCS002
SDS Sigma #L3771
SyGlass software A software that allows 3D analysis of images using virtual reality
Tris base 1 M Bio-rad #002009239100 Molecular weight – 121.14 g/mol
Triton X-100 ChemCruz #sc-29112A
Two photon microscope Neurolabware Ti:sapphire laser (Chameleon Discovery TPC, Coherent), GaAsP photo-multiplier tubes (Hamamatsu, H10770-40) , bandpass filter (Semrock), water immersion 16x objective (Nikon, 0.8 NA) 
VA-044 Initiator Wako #011-19365

References

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Cite This Article
Refaeli, R., Goshen, I. Investigation of Spatial Interaction Between Astrocytes and Neurons in Cleared Brains. J. Vis. Exp. (181), e63679, doi:10.3791/63679 (2022).

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