طريقة قابلة للتخصيص لإعطاء البروتينات المناعية المفرزة في دماغ الفأر الحي للتوصيف الزماني والمكاني للتفاعلات المناعية العصبية.
مقالة منهجية
طريقة قابلة للتخصيص لإعطاء البروتينات المناعية المفرزة في دماغ الفأر الحي للتوصيف الزماني والمكاني للتفاعلات المناعية العصبية.
على الرغم من الاعتراف المتزايد بتأثير البروتينات المناعية المفرزة على وظائف الجهاز العصبي، إلا أن هناك عوائق تقنية لا تزال قائمة في تحديد ديناميكياتها الزمانية والمكانية ضمن البيئة المعقدة للدماغ. فعلى سبيل المثال، تفرز الخلايا الدبقية الصغيرة، وهي مجموعة من الخلايا المناعية الرئيسية في الدماغ، مجموعة متنوعة من العوامل التي تتفاعل مع العديد من الأهداف الخلوية المتنوعة. ويمكن للبروتينات المشتقة من الخلايا الدبقية الصغيرة أن ترسل إشارات إلى أنواع أخرى من الخلايا via آليات مثل الارتباط بمستقبلات السطح دون استيعاب داخلي، أو النقل الغشائي السلبي، أو الالتقام الخلوي، أو الاستيعاب بوساطة الإدخال الخلوي. نُقدم هنا طريقة للتوصيل الموضعي لبروتين مفرز مشتق من الخلايا الدبقية الصغيرة لتحليل آليات التفاعل الخلوي والنتائج الوظيفية اللاحقة in vivo. ونشرح كيفية تحضير عينات البروتين للتوصيل، وكيفية إجراء الإعطاء بالتوجيه التجسيمي للبروتين في مناطق الدماغ المستهدفة، وأفضل الممارسات لجمع وتحضير أنسجة الدماغ لتصور البروتينات الحساسة للتثبيت عن طريق الكيمياء النسيجية المناعية. يوفر هذا النهج إطاراً متعدد الاستخدامات للدراسات التي يتم التحكم فيها زمانياً ومكانياً للتواصل العصبي المناعي، مما يتيح الاستكشاف الميكانيكي لكيفية تنظيم البروتينات المشتقة من الجهاز المناعي لوظائف العصبونات والدماغ بشكل ديناميكي.
لقد ثبت مؤخراً فقط أن التواصل العصبي المناعي، أو الحوار الجزيئي بين الجهازين العصبي والمناعي، أمر أساسي لفهم الصحة والمرض. فالدماغ، الذي كان يُعتقد سابقاً أنه محمي إلى حد كبير من نشاط الجهاز المناعي1,2، يُعترف به الآن على أنه يحتوي على مناطق مناعية ديناميكية للغاية، مما يسمح للجهاز العصبي بإرسال واستقبال الإشارات المناعية في جميع أنحاء الجسم3. وغالباً ما يتم هذا التفاعل المتبادل والقوي ثنائي الاتجاه عبر خلايا ذات كفاءة مناعية تعيش إما في الدماغ أو عند واجهات الجهاز العصبي، مثل الضفيرة المشيمية، والسحايا، والمساحات حول الأوعية الدموية4. أما في نسيج الدماغ ذاته، فإن الإشارات المناعية يتم نقلها بشكل أساسي بواسطة الخلايا الدبقية الصغيرة، وهي البلاعم المقيمة في الأنسجة وطويلة العمر التي تستوطن الدماغ لأول مرة خلال التطور الجنيني. ورغم أنها غالباً ما تُدرس تجريبياً مع إيلاء اهتمام خاص لوظائفها في البلعمة، إلا أن الخلايا الدبقية الصغيرة تتفاعل أيضاً مع بيئاتها المباشرة وعبر مسافات طويلة من خلال إفراز مجموعة واسعة من العوامل المناعية5.
إن نمذجة الحالات المعقدة ومتعددة العوامل مثل العدوى والإصابات والأمراض in vivo، رغم فائدتها في توفير فهم شامل للجهاز العصبي تحت تأثير الإجهاد، تؤدي إلى سلسلة من العوامل ذات عواقب واسعة ومتنوعة قد يصعب فك الارتباط بينها. علاوة على ذلك، ونظراً للتغاير العالي بين الخلايا في مناطق الدماغ المختلفة، لا يزال تحديد الإطلاق المسبب والتأثيرات المرتبطة بعوامل فردية أمراً صعباً. وبينما مكنت أدوات مثل النواقل الفيروسية البطيئة والنواقل الفيروسية المرتبطة بالأدينو، والتي تسمح بالإفراط في التعبير عن عوامل محددة بعد عدوى دقيقة الموقع، من استقصاء أدوار العوامل المفرزة من خلايا الدماغ الأخرى، مثل العصبونات والخلايا النجمية، في سياقات متنوعة، إلا أن الخلايا الدبقية الصغيرة لا تزال صعبة التعديل بشكل محدد وقوي بهذه الطريقة6. وبناءً على ذلك، فإن القدرة على إيصال جزيئات الإشارة المشتقة من الخلايا الدبقية الصغيرة إلى موقع محدد في الدماغ توفر طريقة مفيدة لفصل أدوارها الدقيقة وعواقبها في سياقات مختلفة.
الهدف من هذه الطريقة هو إيصال العوامل المشتقة من الخلايا الدبقية الصغيرة إلى دماغ فأر حي مكانياً وزمانياً، وذلك للسماح بالاستقصاء اللاحق للتأثيرات الوظيفية لبروتين أو جزيء معين. علاوة على ذلك، فإن طريقة الإعطاء داخل القحف هذه قابلة للتكيف مع العديد من السياقات والتساؤلات الأخرى، مثل عبر الإعطاء المشترك لعوامل متعددة، مثل العوامل المناعية المتفاعلة أو المثبطات، أو استقصاء استجابات الأنسجة عبر المدى الزمني المراد دراسته. وبينما يصف هذا البروتوكول جمع الأنسجة وتحضيرها للنقاط النهائية الكيميائية النسيجية المناعية، يمكن اقتران مجموعة متنوعة من النقاط النهائية الدماغية الأخرى بطريقة الإعطاء هذه، مثل جمع عينات نسيجية مثقوبة مجمدة طازجة من منطقة دماغية معينة لإجراء تفاعل البوليميراز المتسلسل الكمي (qPCR) أو قياس وفرة البروتين. عبر أو إجراء تحليل اللطخة الغربية (Western blot) أو مقايسة الامتصاص المناعي المرتبط بالإنزيم (ELISA)، أو تسجيل النشاط الفيزيولوجي الكهربائي للعصبونات في منطقة محقونة من الدماغ.
تُجرى جميع الإجراءات التي تشمل الحيوانات وفقًا لدليل المعاهد الوطنية للصحة لرعاية واستخدام حيوانات المختبر، وبموجب بروتوكولات معتمدة من قبل اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدام الحيوانات (IACUC) في المؤسسة البحثية. وقد تمت مراجعة جميع الإجراءات الموضحة هنا والموافقة عليها من قبل لجنة IACUC في جامعة Duke. والمواد والكواشف والمعدات المستخدمة مدرجة في جدول المواد.
1. (اختياري) تحضير المادة المحقونة مع العلامة المطلوبة
2. تجهيز المعدات للإجراء الجراحي
3. الإجراء الجراحي بالتوجيه المجسم
ملاحظة: أُجريت جميع العمليات الجراحية في جناح جراحي جيد التهوية، وارتدى جميع الموظفين معدات الوقاية الشخصية المكونة من القفازات، وأقنعة الوجه، وأغطية الشعر، وأغطية الأحذية، والمآزر الجراحية. يشكل التعرض لغاز Isoflurane خطراً صحياً، وبالتالي يتطلب نظاماً لسحب الغازات، مثل عبوات الفحم المنشط، والتي يجب وزنها قبل وبعد استخدام isoflurane. تأكد من أن جميع المعدات، مثل مبخر التخدير، وأنظمة التهوية، ومعدات سحب الغازات، معتمدة ومعايرة بشكل صحيح قبل الاستخدام.
4. حقن البروتين المستهدف والتعافي الجراحي
5. تحضير النسيج لإجراء الكيمياء النسيجية المناعية
6. إجراء الكيمياء النسيجية المناعية للبروتين المحقون
يعد C1q بروتيناً كبيراً (~450 kD) يتم التعبير عنه بدرجة عالية في جميع أنحاء الجسم، وله أدوار محددة جيداً في الجهاز المناعي الفطري كعضو رئيسي في المسار الكلاسيكي للمتممة. ومع ذلك، لا تزال الأدوار الوظيفية لـ C1q في الدماغ قيد البحث. يتم إنتاج C1q في الدماغ وإفرازه بشكل أساسي من الخلايا الدبقية الصغيرة، وهي مجموعة الخلايا المناعية المقيمة في الدماغ9. وقد تم إثبات دور C1q بشكل متكرر في عمليات مثل الإزالة التشابكية خلال التطور الطبيعي للدماغ، والتعلم والذاكرة، وفي سياقات المرض10,11,12,13,14. كما لوحظ تراكم C1q داخل الهياكل العصبية أو بجوارها مباشرة مع تقدم الدماغ في السن، وذلك في كل من القوارض والرئيسيات غير البشرية9,15,16. يهتم مختبرنا بالتبعات الوظيفية لتراكم C1q في الدماغ أثناء الشيخوخة. وقد اكتشفت هذه الدراسة أن C1q يتفاعل مع البروتينات داخل الخلوية العصبية في القوارض البالغة والمسنة، بما في ذلك البروتينات المرتبطة بـ RNA8. ونظراً لأنه قد تم إثبات قيام الخلايا التائية سابقاً بامتصاص C1q المشتق من أنواع خلوية أخرى17، فقد قمنا بتحديد ما إذا كانت الخلايا العصبية قادرة أيضاً على امتصاص C1q خارجي المنشأ in vivo.
أُجريت في هذه الدراسة أولاً حقنات أحادية الجانب داخل البطينات الدماغية (ICV) بـ 2 µL من بروتين C1q في ذكور فئران تبلغ من العمر 3 أشهر. ونظراً لأن بروتين C1q يُعبر عنه في دماغ البالغين من النوع البري، فقد اتبعنا نهجين: الأول، حقن بروتين C1q في فأر من نوع C1q -/- (معطل جينياً)، والثاني، وسم بروتين C1q فلوريسنتياً عن طريق الاقتران بـ 594-maleimide للتمكن من التمييز بين بروتين C1q الأصلي والخارجي في حيوان من نوع C1q +/+ (النوع البري). تم إعطاء البروتين بتركيز 1 mg/mL، معلقاً في محلول منظم مكون من 10 mM HEPES و 300 mM NaCl و pH 7.2. استُخدمت الإحداثيات التجسيمية التالية للحقن داخل البطينات الدماغية في نصف الكرة المخية الأيسر: X = +1.0 mm و Y = -0.4 mm و Z = -2.5 mm، وحُقن الحجم بمعدل 500 nL/min. ولتقليل الارتجاع، تُرِكت الإبرة الزجاجية المسحوبة المستخدمة في الحقن في مكانها لمدة 5 min بعد توقف الحقن قبل إزالتها. جُمعت الأنسجة بعد ساعة واحدة من الحقن وعولجت للتحليل الكيميائي النسيجي المناعي في مقاطع سهمية. ويجب أن يؤدي الحقن الناجح إلى ظهور فلورية موضعية في المنطقة المستهدفة تجسيمياً.
أولاً، في الفئران من سلالة C1q -/-، قمنا بتصوير مقاطع سهمية بسمك 30 µm من نصف الكرة المخية الأيسر (الشكل 3A) والأيمن (الشكل 3B) بعد إتمام إجراءات الكيمياء النسيجية المناعية بالكامل (الخطوات 6.1–6.17). استُخدم جسم مضاد لـ NeuN لتصوير أجسام العصبونات (اللون السماوي)، وجسم مضاد لـ C1q (اللون الأحمر) لتصوير بروتين C1q غير المسمى الذي تم حقنه قبل ساعة واحدة في البطين الأيسر. ويُلاحظ وجود C1q بوفرة في نصف الكرة المخية الأيسر في المتن العضلي المحيط بالبطينات، وتمركز مشترك عالٍ بين أجسام الخلايا العصبونية وC1q في منطقة CA3 في الحصين (الشكل 3A)، وهو ما يشبه ما نلاحظه في الفئران من النوع البري ذات التعبير الداخلي لـ C1q. وكما هو متوقع، لا يُلاحظ وجود C1q المحقون حول البطينات (أو في أي مكان في المتن العضلي) في نصف الكرة المخية المقابل بعد ساعة واحدة من الحقن (الشكل 3B). بعد ذلك، تم تصوير أدمغة فئران من النوع البري C1q +/+ (سلالة C57BL/6J) التي حُقنت داخل البطينات الدماغية (ICV) ببروتين C1q-594. وهنا، تم التأكد من إمكانية تصوير C1q-594 (اللون الأرجواني) في مقاطع سهمية بسمك 30 µm باستخدام إخماد الفلورة الذاتية فقط وتغطية العينات بصبغة DAPI (اللون الأزرق) (الخطوات 6.12–6.17). وفي نصف الكرة المخية الأيسر (المحقون)، يُلاحظ وجود C1q المحقون والمسمى فلورياً (اللون الأرجواني) في نفس التوزيع المحيط بالبطينات (الشكل 3C).
من أجل تأكيد التوضع المشترك العصبي، أُجريت تجربة ثانوية باستخدام ذكرين من الفئران من سلالة C1q -/- بعمر شهرين. في نصف الكرة المخية الواحد، تلقت الفئران حقناً داخل البطينات الدماغية (ICV) بـ 2 µL من C1q-594، وفي نصف الكرة الآخر، تلقت الفئران 2 µL من C1q-594 المثبط حرارياً (HI). أُجري التثبيط الحراري بعد الاقتران بـ 594-maleimide، حيث وُضع نصف البروتين المُحضّر في كتلة تسخين مضبوطة على 56 °C لمدة 30 min. وقد سبق أن أظهر التثبيط الحراري قدرته على تغيير البنية الأصلية لبروتين C1q وتعطيل التنشيط18. إن بروتين C1q الأصلي الطبيعي بتركيز 200 µg/mL في محلول تعليق (50 mM HEPES, 150 mM NaCl, pH 7.5) يكون قابلاً للذوبان في المحلول ولا يشكل أي تجمعات مرئية تحت مجهر الحقل المضيء (الشكل 4A). وفي المقابل، عند تسخين تحضير البروتين نفسه، لوحظت تجمعات مرئية تحت الحقل المضيء (الشكل 4B)، مما يشير إلى تغير في هيئة البروتين. بعد ذلك، تم تحديد ما إذا كان حقن HI-C1q in vivo سيغير من امتصاص العصبونات لبروتين C1q. جُمعت الأدمغة بعد ساعة واحدة من الحقن، وعولج كل نصف كرة مخية بشكل متماثل كما هو موضح في البروتوكول أعلاه. وفي مقاطع سهمية بسمك 20 µm، أُجري الكيمياء النسيجية المناعية لتحديد العصبونات. التُقطت صور بقوة تكبير 40x بإعدادات متماثلة لمنطقة CA3 في الحصين لرصد العصبونات NeuN+ (باللون السماوي) وC1q-594 (باللون الأحمر) (الشكل 5A,B). في نصف الكرة المخية المحقون بـ C1q-594 الطبيعي، لوحظ وسم قوي لـ C1q (الشكل 5A)، بينما في أنصاف الكرات المخية المحقونة بـ HI-C1q-594، لم يُلاحظ وجود C1q-594 في منطقة CA3، رغم أنه أمكن رصد البروتين الفلوري يتجمع حول حواف البطينات (الشكل 4C)، وهو ما يتفق مع حدوث تغير في الوظيفة الطبيعية لبروتين C1q فيما يتعلق بالامتصاص العصبي. وأظهر التكميم اليدوي لخلايا NeuN+ بواسطة باحث معمي في 8 حقول رؤية بتكبير 40x عدم وجود تغيرات في كثافة العصبونات في CA3 عبر أنصاف الكرات المخية (الشكل 5D)، ومع ذلك، انخفضت نسبة العصبونات التي كانت C1q+ بشكل ملحوظ في أنصاف الكرات المحقونة بـ HI-C1q-594 (الشكل 5C) وفقاً لاختبار t-test ذي الطرفين (p = 0.026, n = 2 حيوان، مع تحليل صورتين لكل نصف كرة مخية لكل حيوان).

الشكل 1: تجهيز الجراحة وإعداد المجال الجراحي المعقم. (A) المعدات الجراحية: 1. جهاز التوجيه المجسم (Stereotax)، 2. جهاز تدفئة القوارض، 3. مبخر الإيزوفلوران، 4. أسطوانة تجميع أبخرة الإيزوفلوران، 5. ذراع التوجيه المجسم الرقمي، 6. حاقن دقيق، 7. مثقاب، 8. مجهر ستيريو. (B) أدوات معقمة بجهاز الأوتوكلاف ومنشفة جراحية للمجال المعقم مع شريط مؤشر بخار لتأكيد التعقيم. (C) توضع الأدوات المعقمة بالأوتوكلاف بعناية بحيث تكون "الرؤوس للداخل" في المجال المعقم المحدد على المنشفة الجراحية المعقمة. تظل المقابض خارج المركز المعقم، ويجب ألا تلامس رؤوس الأدوات الحيوان إلا بعد التعقيم باستخدام betadine و 70% ethanol. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: معالجة الدماغ وتجميده لإجراء القطاعات السهمية. (أ) استخدم شفرة حلاقة لقطع الدماغ على طول الخط الناصف، ثم ضع كل نصف كرة دماغي بحيث يكون جانب الخط الناصف متجهًا لأسفل في قالب تجميد. (ب) املأ القوالب بمزيج بنسبة 50:50 من وسط التجميد والسكروز بتركيز 30% في PBS. (ج) جمد الأدمغة في القوالب على الثلج الجاف (يسار). ستصبح معتمة عندما تتجمد تمامًا (يمين). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 3: نتائج ممثلة للإعطاء داخل البطينات الدماغية (ICV) لبروتين C1q بعد ساعة واحدة من الحقن. (A) مقطع سهمي لبروتين C1q المحقون (باللون الأحمر) وأجسام عصبونية NeuN+ (باللون السماوي) في نصف الكرة المخية المحقون، مع صورة مكبرة لمنطقة CA3 في الحصين المجاورة للبطين. (B) مقطع سهمي لنصف الكرة المخية المقابل لموقع الحقن في نفس الحيوان، مع بروتين C1q المحقون (باللون الأحمر) وأجسام عصبونية NeuN+ (باللون السماوي)، مع صورة مكبرة لمنطقة CA3. (C) مقطع سهمي لحيوان من النوع البري (wild-type) تم حقنه داخل البطينات الدماغية بـ C1q الموسوم فلوروسنتياً باستخدام اقتران 594-maleimide (باللون الأرجواني)، دون تضخيم بواسطة الكيمياء النسيجية المناعية، ولكن مع تغطية بشرائح زجاجية باستخدام DAPI (باللون الأزرق)، مع صورة مكبرة لمنطقة CA3. أشرطة المقياس في الصور اليسرى = 1000 µm، وأشرطة المقياس في الصور اليمنى = 150 µm. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 4: التعطيل الحراري لبروتين C1q. (A) بروتين C1q الطبيعي، معلق في محلول منظم (50 mM HEPES، و150 mM NaCl، وpH 7.5) بتركيز 200 μg/mL مصور باستخدام مجهر الحقل المضيء. (B) نفس مصدر بروتين C1q، معلق في نفس المحلول المنظم وبنفس التركيز، ولكن تمت معالجته حرارياً عند 56 °C لمدة 30 min قبل التصوير بمجهر الحقل المضيء. (C) تموضع C1q-594 المعطل حرارياً (HI)- (باللون الأحمر) والخلايا NeuN+ (باللون السماوي) في مقطع سهمي بعد ساعة واحدة من الحقن داخل البطينات الدماغية (ICV). شريط المقياس العلوي = 10 µm، شريط المقياس السفلي = 1000 µm. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 5: التحديد الكمي لامتصاص بروتين C1q الطبيعي مقابل المعطل حرارياً في العصبونات الموجودة في الحصين. (A) مقطع سهمي لمنطقة CA3 في الحصين المجاورة للبطين، حيث حُقن C1q-594 قبل ساعة واحدة. أجسام العصبونات NeuN+ (باللون السماوي)، و C1q-594 (باللون الأحمر)، ودمج الصورتين. (B) مقطع سهمي لمنطقة CA3 في الحصين المجاورة للبطين، حيث حُقن C1q-594 المعطل حرارياً (HI) قبل ساعة واحدة. أجسام العصبونات NeuN+ (باللون السماوي)، و C1q-594 (باللون الأحمر)، ودمج الصورتين. (C) التحديد الكمي للنسبة المئوية للخلايا NeuN+ التي تكون C1q-594+ في مجال رؤية بقوة 40x، اختبار t-test ذا ذيلين. (D) التحديد الكمي لعدد الخلايا NeuN+ في مجال رؤية بقوة 40x، اختبار t-test ذا ذيلين. أشرطة المقياس = 50 µm. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
| وسم البروتين | جسم مضاد | |
| التصوير المرئي | مباشر، غير معتمد على جسم مضاد | قد يحدث تفاعل تبادلي مع بروتينات أخرى، اعتماداً على مدى توفر المستضد |
| التحضير | يتطلب البروتين المستهدف تحضيراً وتحققاً أطول وأكثر تقنية، حيث إن عملية الوسم قد تؤدي إلى تغيير بنية البروتين ووظيفته. كما قد تكون نواتج التفاعل ضعيفة وتتطلب كميات كبيرة من البروتين المستخدم. | لا يتطلب تحضيراً، حيث تتوفر العديد من الأجسام المضادة تجارياً وهي مُصادق عليها بالفعل. |
| المرونة التجريبية | إمكانية التتبع المباشر إذا رُغب في ذلك | يتطلب التثبيت |
| الحساسية | حساسية محدودة بسبب القياس المتكافئ (Stoichiometry) | يسمح بالتضخيم |
الجدول 1: مزايا وعيوب وسم البروتين مقابل الكشف باستخدام الأجسام المضادة.
تدعم الأدلة الناشئة وجود دور حيوي للخلايا الدبقية الصغيرة في التوازن الداخلي للجهاز العصبي المركزي، وهو دور يتوسطه مجموعة متزايدة التعقيد من العوامل المفرزة5. وتوفر القدرة على إيصال العوامل المشتقة من الخلايا الدبقية الصغيرة بطريقة زمانية ومكانية محددة أداة قيمة لفك تشابك الاتصالات العصبية المناعية المعقدة في ظل مجموعة متنوعة من الظروف البيئية والجينية.
يمكن تكييف هذه الطريقة بسهولة للإجابة على مجموعة متنوعة من الأسئلة البيولوجية. وبينما استُخدمت هذه الطريقة سابقاً لفهم أدوار C1q، وهو بروتين كبير جداً، في الوظيفة العصبية بشكل أفضل8، يمكن تطبيقها أيضاً لاستقصاء أدوار البروتينات الكبيرة الأخرى، وكذلك البروتينات الصغيرة مثل السيتوكينات والكيموكينات. وعلى الرغم من أن الأدوار المناعية للسيتوكينات والكيموكينات مفهومة جيداً إلى حد ما، إلا أن هذه العوامل تُفرز غالباً معاً، استجابةً لمؤثر إجهاد، وبطريقة واسعة النطاق in vivo. علاوة على ذلك، تزداد الأدوار غير المناعية/غير التقليدية، والتي غالباً ما تكون استتبابية، لمختلف العوامل المناعية ظهوراً ووضوحاً. ومن شأن استخدام هذه الطريقة أن يسمح باستقصاء عوامل محددة بشكل منعزل، وكذلك في مناطق محددة من الدماغ، وحتى أدوار هذه العوامل في الاستتباب. ومن التطبيقات المفيدة الأخرى لهذا البروتوكول إعطاء البروتينات المراد دراستها في سلالات الفئران المعدلة وراثياً، كما هو الحال في سلالات التعطيل الجيني (knockout) أو نماذج حالات مرضية محددة. إن القدرة على التحكم في التموضع الدقيق وكمية البروتين المراد دراسته في فأر لا يمتلك تعبيراً داخلياً لهذا البروتين يمكن استخدامها لتحديد ما إذا كان الإعطاء الموضعي والحاد للبروتين يحدث تأثيراً ما، مثل حدوث تغير سلوكي. وبدلاً من ذلك، يمكن الحقن في سلالة معدلة وراثياً تفتقر إلى مستقبل محدد أو بروتين تأشير يُفترض أنه مهم لوظيفة العامل المحقون.
بالإضافة إلى ذلك، يمكن إجراء الإعطاء داخل القحف للعوامل المشتقة من الخلايا الدبقية الصغيرة بالتزامن مع حقن عوامل أخرى لتحسين فهمنا الآلي لوظيفة بروتين ما. فعلى سبيل المثال، ومن أجل تحديد كيفية دخول C1q، وهو بروتين مشتق من الخلايا الدبقية الصغيرة، إلى العصبونات وتفاعله مع آليات الترجمة الخاصة بها، استخدمنا هذه التقنية سابقاً للإعطاء المشترك لمثبط عملية الالتقام الخلوي قبل 30 min من حقن C1q. وقد سمح لنا ذلك بتحديد أن C1q يمكنه دخول العصبونات عن طريق الالتقام الخلوي، حيث أدى التطبيق المشترك مع المثبط إلى انخفاض ملحوظ في مستويات C1q داخل العصبونات8. ويمكن إجراء تجارب مماثلة من خلال إعطاء أجسام مضادة حاجزة أو حتى عوامل ارتباط تنافسية مفترضة أخرى. كما يمكن تعديل تجارب الإعطاء المشترك هذه زمنياً عن طريق تمديد أو تقليل الفواصل الزمنية للحقن، على سبيل المثال، حقن عامل واحد قبل 30 min من الآخر، أو حقن عامل واحد قبل 5 min مقابل 1 h.
يجب مراعاة عدة عوامل عند تصميم التجارب باستخدام هذه المنهجية، بدءاً من استراتيجية الكشف عن البروتين المستهدف. وقد تم هنا توضيح نهجين نموذجيين: الوسم الفلوري المباشر للبروتين (الشكل 3C) والكشف الكيميائي النسيجي المناعي باستخدام الأجسام المضادة (الشكل 3A)، ولكل منهما مزايا وقيود محددة (الجدول 1). يتميز الكشف المعتمد على الأجسام المضادة بحساسية عالية ويسمح بتضخيم الإشارة، ولكنه يتطلب تثبيت الأنسجة، مما يجعله غير مناسب لتطبيقات مثل التصوير الحي لديناميكيات البروتين. أما الوسم الفلوري المباشر فيتجنب هذا القيد ولكنه يتطلب تعديل البروتين نفسه، وهو ما قد يؤثر على خصائصه وبالتالي يجب التحقق من صحته. وبغض النظر عن النهج المتبع، فإن التحقق الدقيق يعد أمراً أساسياً؛ فالأجسام المضادة التجارية متوفرة على نطاق واسع ولكنها قد تظهر ارتباطاً غير مستهدف أو تفاعلية متقاطعة، مما يجعل اختبار النوعية أمراً حاسماً. ويجب تأكيد أداء الأجسام المضادة كلما أمكن ذلك باستخدام ضوابط مناسبة، مثل مقارنة الصبغ في أنسجة النوع البري وأنسجة البروتين المعطل (knockout)، وهو ما يظل المعيار الذهبي للتحقق من صحة الأجسام المضادة.
في المقابل، يتطلب الوسم الفلوري المباشر تحضيراً وتحققاً قبل الاستخدام التجريبي. ورغم أن هذا النهج يتيح التصوير المباشر للبروتين دون الاعتماد على الأجسام المضادة، فمن الضروري التأكد من أن الوسم الفلوري لا يغير من بنية البروتين، أو تموضعه، أو تفاعلاته، أو وظيفته. ويعتمد التحقق المناسب على نوع البروتين، ولكن قد يشمل ذلك تأكيد الوزن الجزيئي المتوقع عن طريق لطخة ويسترن (Western blot)، أو التحقق من التموضع الخلوي أو تحت الخلوي الطبيعي، أو تقييم الحفاظ على تفاعلات البروتين-بروتين المعروفة من خلال فحوصات مثل الترسيب المناعي المشترك (co-immunoprecipitation). وفي نهاية المطاف، يمتلك كل من الكشف المعتمد على الأجسام المضادة والوسم البروتيني المباشر مزايا وقيوداً ذاتية، ويجب تحديد النهج الأكثر ملاءمة تجريبياً من خلال دراسات استطلاعية مصممة وفقاً للبروتين المستهدف والتوصيات المنشورة19.
لكي تكون هذه المنهجية موثوقة، من المهم أن يتم تحسين الإحداثيات المجسمة وتركيز البروتين المحقون اللذين يختارهما الباحث تجريبياً والتحقق من صحتهما مسبقاً. يمكن إتمام التحقق من صحة الإحداثيات من خلال الحقن التجريبي لصبغة، مثل Fast Green، ثم جمع الدماغ مباشرة بعد الحقن. سيتيح ذلك التأكيد البصري لتمركز الصبغة في المنطقة المستهدفة، بالإضافة إلى إتاحة الفرصة لتعديل الإحداثيات لضمان أدق حقن ممكن. يوصي المؤلفون بالرجوع إلى الأعمال المنشورة سابقاً لتحديد الإحداثيات المجسمة الدقيقة للمناطق المستهدفة، أو حساب الإحداثيات لاختبارها على الفئران الكبيرة أو الصغيرة بناءً على نسبة bregma-lambda، كما هو موضح في البروتوكول.
من أجل استخلاص استنتاجات تجريبية حول البروتين المحقون، هناك عدد من الضوابط الأساسية التي يجب مراعاتها وتضمينها في التجربة المصممة جيداً. توجد تحديات متأصلة في دراسة البروتينات المشتقة من الخلايا الدبقية الصغيرة عبر الإعطاء داخل الجمجمة. فإذا كان الباحث مهتماً بالاستجابة لبروتين معين في منطقة محددة من الدماغ، فإن الجراحة نفسها ستكون مسببة للالتهاب وقد تؤدي إلى تضارب النتائج. وعند النظر في البروتينات المرتبطة بالمناعة، فإن أسهل الضوابط تنفيذاً هي الضوابط الجراحية، حيث يتم إجراء جراحة وهمية (جميع الخطوات باستثناء حقن البروتين) أو إجراء حقن ضابط بالناقل (جميع الخطوات، ولكن بدلاً من حقن البروتين، يتم حقن نفس الحجم من محلول منظم البروتين فقط)، أو كليهما. وتساعد هذه الإجراءات في التمييز بين التأثيرات التي تعتمد على الجراحة أو تلف الأنسجة وبين تلك الناتجة عن البروتين نفسه. ومن الأكثر حسماً تضمين ضابط يتم فيه حقن بروتين غير نشط أو غير ذي صلة بنفس الحجم والتركيز. ومن المهم مراعاة الحجم النسبي للبروتين الضابط مقارنة بالبروتين التجريبي؛ فعلى سبيل المثال، يعد C1q بروتيناً كبيراً جداً (~450 kD)، لذا فإن حقن بروتين ضابط شائع مثل bovine serum albumin (~66 kD) قد لا يكون الخيار الأكثر ملاءمة. وبناءً على ذلك، تم استخدام C1q المثبط حرارياً كبروتين ضابط غير نشط. واعتماداً على مدى انتشار البروتين المحقون في الإطار الزمني المطلوب قبل الجمع، يمكن تنفيذ ذلك كضابط داخل الموضوع الواحد عن طريق تضمين أحد هذه الظروف الضابطة في النصف الكروي المقابل للنصف الكروي المحقون تجريبياً، كما هو موضح في النتائج التمثيلية (الشكل 4 و الشكل 5).
يُعد استراتيجية تثبيت الأنسجة اعتباراً هاماً في التصميم التجريبي، حيث يمكن لنوع التثبيت ومدته أن يؤثرا بشكل عميق على تصور البروتين، ومورفولوجيا الأنسجة، وفي بعض الحالات، وظيفة البروتين. توفر المثبتات المتقاطعة مثل paraformaldehyde (PFA) بشكل عام حفظاً فائقاً لبنية الأنسجة، ولكنها قد تقلل من اكتشاف الحواتم الحساسة للتثبيت بسبب التشابك البروتيني المفرط، وتزيد من الفلورة الذاتية، وتتطلب استعادة المستضدات. وفي المقابل، فإن المثبتات غير المتقاطعة مثل المحاليل القائمة على الكحول أو الأسيتون أو الميثانول غالباً ما تحافظ بشكل أفضل على البروتينات الحساسة للتثبيت، ولكن يمكن أن تؤثر سلباً على سلامة الأنسجة. ويمكن التخفيف من هذه المقايضات عن طريق تحسين مدة وطريقة التثبيت، بما في ذلك استخدام المقاطع المجمدة الطازجة مع التثبيت على الشريحة، أو التروية الملحية المتبوعة بغمر قصير في PFA، أو التثبيت بالتروية القياسية، اعتماداً على الأهداف التجريبية. ونظراً لعدم وجود استراتيجية تثبيت واحدة مثالية لجميع التطبيقات، يجب على الباحثين اختيار وتحسين ظروف التثبيت تجريبياً بناءً على نقاط النهاية التجريبية الأساسية لتحقيق أفضل توازن بين حفظ الأنسجة والكشف عن البروتين.
الغرض من هذا البروتوكول هو توحيد معايير توصيل البروتين بدلاً من وصف طرق لقياس النتائج التجريبية؛ ومع ذلك، قد تكون عدة مناهج مفيدة اعتماداً على أهداف الدراسة. في هذا المثال، يتم تقييم امتصاص البروتين النوعي حسب نوع الخلية عن طريق الوسم المناعي باستخدام أجسام مضادة ضد علامات خلوية (مثل NeuN للعصبونات) وقياس التوضع المشترك مع البروتين المستهدف (الشكل 5)، رغم أن سلالات الفئران ذات المراسل الفلوري توفر وسيلة بديلة لتحديد مجموعات خلوية محددة. وثمة نتيجة مهمة أخرى هي انتشار البروتين، والذي يتأثر بشدة بالخصائص الكيميائية الحيوية للبروتين المحقون. وعندما يكون التوصيف الدقيق لانتشار البروتين مطلوباً، نوصي بالحقن المشترك لمتتبع فلوري خامل، مثل الديكستران بأوزان جزيئية محددة، لتقدير توزيع الحقن والانتشار النسيجي في نقاط زمنية محددة بعد التوصيل داخل القحف. وقد قام المؤلفون سابقاً بإجراء هذه التجارب لتحديد المعايير التجريبية لقسم النتائج التمثيلية8.
أخيرًا، قد يكون من الضروري تحسين عملية الكشف عن البروتين وعملية التوصيل داخل القحف أثناء استكشاف الأخطاء وإصلاحها. أحد التحديات الشائعة هو الحصول على إشارة فلورية موثوقة من البروتين المستهدف. وكما نوقش سابقاً، تعد استراتيجية التثبيت محدداً رئيسياً لجودة الإشارة. إذا كانت الفلورة الذاتية العالية مصحوبة بإشارة فلورية حقيقية ضعيفة، فيوصى أولاً بتقليل مدة و/أو مدى تثبيت الأنسجة، حيث أن التثبيت المفرط أمر شائع ويمكن أن يسهم في زيادة الفلورة الذاتية وتقليل إشارة الهدف معاً. يتضمن هذا البروتوكول أيضاً محلولاً لإخماد الفلورة الذاتية، مما قد يحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء للفلورة المستهدفة. عند تنفيذ إجراء الحقن بشكل صحيح، يجب أن ينتج عن ذلك حد أدنى من تلف الأنسجة. ولا ينبغي ملاحظة حدوث تكهف أو تكون آفات في موقع دخول الحقن. وإذا حدث أي منهما، فقد يلزم تحسين تحضير الماصات المسحوبة زجاجياً لضمان اختراق الأنسجة بشكل نظيف. على سبيل المثال، تأكد من أن طرف الماصة صلب بما يكفي ولا ينثني عند ملامسة متن الدماغ، وقم بتعديل الشطب حسب الحاجة لإنتاج حافة حادة تسهل الدخول السلس. بالنسبة للحقن في مناطق الدماغ العميقة، قد يلزم أيضاً زيادة طول الماصة المسحوبة للسماح بالوصول إلى المنطقة المستهدفة دون أن يلامس الحقن سطح الدماغ. عند توصيل المادة المحقونة مباشرة في متن الدماغ بدلاً من البطين، يوصى باستخدام حجم حقن صغير (<1 µL) لتقليل الوذمة، ومنع التكهف في موقع الحقن، وتقليل التدفق العكسي للمادة المحقونة أثناء سحب الماصة. يوصى أيضاً بالحقن ببطء (<500 nL/min) والانتظار لمدة 5–10 min بعد إتمام الحقن قبل سحب الماصة للسماح للمادة المحقونة بالانتشار في الأنسجة المحيطة. إذا لوحظ تدفق السائل للخلف على طول مسار الحقن أثناء إزالة الماصة أو تم اكتشافه على طول مسار الحقن بعد المعالجة الكيميائية النسيجية المناعية، فيجب تقليل حجم الحقن و/أو معدل الحقن، وتمديد فترة الانتظار بعد الحقن.
يصرح المؤلفون بعدم وجود تضارب في المصالح.
تم دعم هذا العمل بتمويل من المركز الوطني لتنسيق أبحاث الزهايمر (NACC; NSH)، وجمعية الزهايمر (NSH)، وجائزة Germinator من معهد ديوك لعلوم الدماغ (DIBS) (JD).
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| محلول ملحي بتركيز 0.9% (درجة صيدلانية) | Cytiva | Z1376 | |
| محاقن سعة 30 مل | شركة بيكتون ديكنسون (BD) | 302832 | |
| إيثانول بتركيز 70% | Koptec | UN1170 | |
| Alexa Fluo 594 C5 Maleimide | Invitrogen | A10256 | |
| جهاز تبخير التخدير | بيانات العالم الحقيقي (RWD) | تايجي-آي إي (TAIJI-IE) | |
| جهاز تعقيم بالخرز | VWR | 75999-324 | |
| ألبومين المصل البقري (BSA) | Genessee Scientific | 25-529 | |
| إبرة الفراشة - Vacutainer Safety-Lok | شركة بيكتون ديكنسون (BD) | 367281 | |
| غطاءات شرائح - 50 مم رقم 1 | Avantor (VWR) | 48393-081 | |
| جهاز التثبيت المجسم الرقمي للقوارض | البيانات الواقعية (RWD) | 68803 | |
| قوالب تجميد صالحة للاستخدام مرة واحدة | علوم المجهر الإلكتروني | 70182 | 22 مم × 22 مم للمقاطع السهمية لدماغ الفأر البالغ |
| مجهر التشريح | Leica | MZ FLIII | |
| وسط التضمين - Tissue-Tek OCT | ساكورا | 4583 | |
| مرطب العين | Optixcare | OPX-4242 | |
| جهاز سحب الماصات الزجاجية | Sutter Instrument Co. | طراز P-30 | نستخدم 1.14 ملي مولار، 3.5" الحجم المناسب للمحقن الخاص بنا |
| ماصات زجاجية | World Precision Instruments | 504949 | |
| جسم مضاد ثانوي من الماعز مضاد للأرنب AF594 | Invitrogen | A-11012 | |
| جسم مضاد ثانوي من الماعز مضاد للجرذ AF488 | Invitrogen | A-11006 | |
| كريم إزالة الشعر | نير | 42016527 | |
| منصة تسخين - Rodent Warmer X1 | Stoelting | 53800M | |
| محرك دقيق دوراني عالي السرعة (مثقاب) مع لقم ثقب | Stoelting | 51449 | |
| إيزوفلوران | Dechra | إيزوسباير (Isospire) | |
| المحقن المجهري ووحدة التحكم | بروتين مصل اللبن المعزول | نانولتر 2020 | |
| شرائح المجهر | العرض الأول | 8348 | |
| زيت معدني، خفيف | فيشر ساينتيفيك إديوكيشن (Fisher Scientific Education) | S25439 | |
| أوساط التثبيت مع DAPI | Sigma-Aldrich | F6057 | |
| طلاء الأظافر | علوم المجهر الإلكتروني | 72180 | |
| بروتين المتممة C1q الطبيعي للفئران | Creative Biolabs | CTP-463 | قد تحتوي المنتجات من الشركات المصنعة الأخرى على ملوثات جزيئية تثبط ديناميكيات C1q الطبيعية في الدماغ |
| قلم تحديد Pap - قلم ImmEdge | Vector Laboratories | H-4000 | |
| بارافورمالدهيد - 16% | علوم المجهر الإلكتروني | 15710 | خفف إلى تركيز 4% |
| المحلول الملحي المخفف بالفوسفات (PBS) | Sigma-Aldrich | P3813 | |
| محلول بوفيدون-أيودين، 10% (وزن/حجم) | ريكا | 3955-16 | |
| جسم مضاد أولي من الأرنب مضاد لـ C1q | Abcam | ab182451 | |
| جسم مضاد أولي من الجرذات مضاد لـ NeuN (RBFOX3) | Biolegend | 608451 | |
| سابونين | Sigma-Aldrich | 47036 | |
| شفرات مشرط - رقم 10 | VWR | 76457-442 | |
| شرائط مؤشر البخار | Steris | 801010 | |
| مسحات Puritan القطنية المعقمة ذات الرؤوس القطنية | بيوريتان | 25-806 1WC | |
| السكروز | Sigma-Aldrich | 84097 | |
| مناشف جراحية | McKesson | 16-6006-B | |
| لاصق الأنسجة - Vetbond | 3M | 1469SB | |
| محلول ملحي منظم بالتريس | Sigma-Aldrich | T5941, S7653 | |
| TrueBlack | BIOTIUM | 23007 |
تم نشر هذه المقالة
الفيديو قريباً