我们描述了一种在小鼠前脑中进行神经元迁移实时视频成像的实验方案。通过在急性活体脑片中利用宽场荧光成像技术,并以相对较短的时间间隔快速采集图像,记录经病毒标记或移植的神经前体细胞的迁移过程,以研究细胞迁移的不同阶段,包括静止期和迁移期的持续时间以及迁移速度。
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我们描述了一种在小鼠前脑中进行神经元迁移实时视频成像的实验方案。通过在急性活体脑片中利用宽场荧光成像技术,并以相对较短的时间间隔快速采集图像,记录经病毒标记或移植的神经前体细胞的迁移过程,以研究细胞迁移的不同阶段,包括静止期和迁移期的持续时间以及迁移速度。
大量证据表明,成年哺乳动物大脑的特定区域存在内源性神经干细胞池,能够持续生成新的功能性神经元。源自脑室下区(SVZ)的新生神经母细胞沿吻侧迁移流(RMS)迁移到嗅球(OB)的最终位置1。在RMS中,神经母细胞以链状结构进行切向迁移,这些链状结构被星形胶质细胞突起包绕2,3,并以血管作为结构支撑以及迁移所需分子因子的来源4,5。到达OB后,神经母细胞脱离链状结构,转为径向迁移,进入嗅球的不同层次,在那里分化为中间神经元并整合到已有的神经网络中1,6。
本文中,我们描述了在啮齿类动物脑组织急性切片中监测细胞迁移的实验方法。利用急性切片可评估细胞在高度接近体内真实微环境条件下的迁移行为。 体内 条件以及难以触及的脑区中 体内 成像。此外,该方法避免了类器官和细胞培养所需的长期培养条件,而这些条件最终可能改变细胞的迁移特性。在急性脑片中,可使用微分干涉差(DIC)光学或荧光蛋白对神经前体细胞进行可视化。通过病毒标记侧脑室下区(SVZ)中的神经前体细胞、将报告基因小鼠的成神经细胞移植到野生型小鼠的SVZ中,或使用在成神经细胞中表达荧光蛋白的转基因小鼠,均为可视化成神经细胞并追踪其迁移的有效方法。然而,后一种方法由于标记细胞密度较高,难以对单个细胞进行长时间追踪。我们采用配备CCD相机的宽场荧光直立显微镜,以实现相对较快的图像采集间隔(每15或30秒采集一幅图像),从而可靠地识别静止期和迁移期。准确判定静止期与迁移期的持续时间,对于结果的明确解读至关重要。我们还进行了多步z轴采集,以在三维空间中监测成神经细胞的迁移。宽场荧光成像已被广泛用于可视化神经元迁移过程7-10在此,我们详细描述了标记神经母细胞、对成年小鼠前脑急性脑片中的神经母细胞迁移进行实时视频成像以及分析细胞迁移的方法。尽管本方案以成年小鼠喙侧迁移流(RMS)中神经母细胞的迁移为例进行说明,但该方法同样适用于胚胎期及出生后早期脑组织中细胞迁移的观察。
1. 标记神经前体细胞
可以利用转基因小鼠来观察神经母细胞,这些小鼠可在神经母细胞中特异性表达荧光蛋白(即,Dcx-GFP,Gad67-GFP),通过立体定位将编码荧光蛋白的病毒颗粒注射至侧脑室下区(SVZ)或喙侧迁移流(RMS),或移植报告基因小鼠的神经前体细胞即,Dcx-GFP,Gad67-GFP)注射至野生型小鼠的脑室下区(SVZ)。本文描述了神经前体细胞移植及病毒标记的操作步骤。
从报告基因小鼠的脑室下区(SVZ)分离神经母细胞
40倍浓缩液
10 ml 青霉素/链霉素(青霉素储存液 10,000 u/ml/链霉素 1,000 ug/ml)
10 ml 葡萄糖(储备液 200 mg/ml)
20 ml 丙酮酸钠(储存液 100 mM)
10 ml H2O
制备 1 ml 分装液
解剖液(100 ml)
HBSS 1× - 97.4 ml
HEPES(1 M)- 0.1 ml
40倍浓缩液 - 2.5 ml
DNase 溶液(20K 单位/毫升)
牛胰腺DNaseI,IV型
150,000 单位溶于 7.5 ml H2O
经 0.22 μm 滤膜过滤
制备1 ml等份试样
胰蛋白酶-DNase I 溶液(10 ml)
HBSS - 8.6 ml
DNaseI(20K 单位/ml)- 0.15 ml
胰蛋白酶-EDTA(0.5%)- 1 ml
40倍浓缩液 - 0.25 ml
重悬液(50 ml)
Neurobasal 培养基 - 47.5 ml
BSA(300 mg/ml)- 332.5 μl
40倍浓缩液 - 1.25 ml
DNaseI(20K 单位/ml)- 0.66 ml
使用下述方法将所需数量的细胞移植到脑室下区(SVZ)。
病毒的立体定位注射及解离细胞的移植
2. 制备急性切片
此操作应尽快完成,以确保获得最佳质量的切片。
3. 神经母细胞迁移的延时成像
迁移神经母细胞的成像应在脑片制备后6-8小时内进行,并在神经母细胞标记后3-10天内完成。为避免因立体定位注射可能引起脑组织损伤和胶质细胞活化而导致迁移参数改变,请使用尖端较细的玻璃微电极(1-2 μm以尽量减少脑损伤,并在注射部位远端区域进行成像(即 在将慢病毒颗粒注射至SVZ或RMS后,可在RMS或嗅球的RMS中观察到荧光信号。尽管在注射后21天内均可进行成像,但我们建议采用较短的注射后时间间隔(3–10天),因为这有助于在每个视野中观察和追踪到更多的细胞。
我们使用配备CCD相机(CoolSnapHQ2,Photometrics)和数值孔径为0.8的40倍水浸物镜(Olympus)的宽场荧光电动BX61WI显微镜(Olympus)。具有更高数值孔径的物镜可提供更高分辨率的图像。标记的成神经细胞(来自报告基因供体小鼠或病毒标记)通过配备175 W氙灯(Sutter Instruments)的Lambda DG-4激发,每次z轴图像采集的曝光时间为30–100毫秒。也可使用适当的滤光片组(Chroma)进行多波长成像,以追踪成神经细胞沿嗅侧脑室下区(RMS)其他细胞成分(如荧光标记的星形胶质细胞或血管)的迁移过程。显微镜、CCD相机和DG-4均由MetaMorph软件(Molecular Device)控制,该软件可用于设置延时成像程序的各项参数(见下文)。将脑片转移至安装在显微镜上的PH1系列20型超静音成像腔室(Harvard Apparatus)。腔室连接自动加热系统(TC-344B,Harvard Apparatus),并持续灌注含氧人工脑脊液(ACSF)(图1D)。腔室内温度维持在31–33 °C,ACSF灌注流速为1–2 ml/min。
4. 分析神经母细胞迁移
我们使用 Imaris 软件(Bitplane)分析数据,该软件可实现对新生细胞在三维空间中迁移的自动追踪。Imaris 7.0F1 版本包含 MeasurementsPro、Imaris Tracking、ImarisColoc、ImarisXT、Filament Tracer 和 InPress 模块。
5. 代表性结果
我们测试并优化了宽场延时成像技术以观察神经母细胞的迁移。通过病毒标记或移植荧光标记的神经母细胞至脑室下区(SVZ),可在迁移细胞中实现稳定的GFP表达(图2)。多波长成像可用于观察神经母细胞沿纹状体迁移路径(RMS)中其他细胞结构的迁移过程,例如用TexasRed标记的葡聚糖填充的血管4(图3和视频1)、通过立体定位注射携带胶质细胞特异性启动子的病毒对星形胶质细胞进行荧光标记(图2B)12,或在转基因动物中特异性标记的星形胶质细胞。
在急性脑片中进行的宽场视频成像揭示了神经母细胞迁移的跳跃式行为,该行为由两个不同阶段组成:神经元胞体向 Leading Process 方向发生位移的迁移阶段,以及其间的静止阶段(图3,影片1和2)。为了可靠地识别静止期和迁移期的持续时间,并获取其他细胞迁移参数(例如仅在迁移阶段计算的位移速率),实验采用短时间间隔(每15或30秒一次)进行三维成像。精确判定静止期和迁移期的持续时间对于数据的明确解读至关重要。例如,在特定时间段内迁移距离的差异,可能由迁移速率的改变引起,也可能由迁移期或静止期的持续时间或周期性变化所致。若使用较长的成像时间间隔,则无法区分这些不同的可能性。
使用 Imaris 软件分析神经母细胞在三维环境中的迁移,并计算细胞迁移的其他参数,如轨迹持续时间、轨迹长度以及轨迹位移长度(即位移矢量)。通过将轨迹长度除以轨迹位移长度,还可计算轨迹直线性,该参数反映单个神经母细胞迁移路径的直线程度。

图 1. 急性活体脑切片制备的示意图。 A) 一次尾侧、一次半球内及两次矢状切口的示意图。B) 将小鼠脑组织置于振动切片机琼脂块及平台上的示意图。C) 急性脑切片孵育装置的示意图。D) 在直立显微镜上构建的成像装置的示意图。

图 2. RMS 中成神经细胞的标记。 A) 低倍镜图像显示成年小鼠RMS中成神经细胞和血管的强效标记。将编码GFP的逆转录病毒注射至SVZ区域,3天后可在RMS中检测到表达GFP的细胞(绿色,左图)。通过向小鼠心脏注射德克萨斯红标记的葡聚糖对血管进行标记(红色,右图)。插图为与血管相关的血管结构及病毒标记的成神经细胞的高倍镜图像。B) 成年小鼠RMS中不同细胞成分的标记。通过向SVZ区域注射编码mCherry的慢病毒标记成神经细胞(红色),通过向RMS区域注射在GFAP启动子控制下编码GFP的慢病毒标记星形胶质细胞(绿色),并通过向心脏注射德克萨斯蓝标记的葡聚糖标记血管(蓝色)。C) 将从GAD67-GFP转基因小鼠SVZ区解离得到的GAD67-GFP细胞注射到成年野生型小鼠SVZ区的示意图。D) 移植后7天在RMS中检测到移植的GAD67-GFP细胞(绿色)。RMS组织经GFAP免疫染色(蓝色)。E) 移植的GAD67-GFP细胞(绿色)对Dcx呈免疫阳性(红色),但对GFAP呈免疫阴性(蓝色)。 点击此处查看高清大图。

图 3. 神经母细胞的延时成像。 神经母细胞(绿色)沿血管(红色)迁移的延时成像。箭头指示神经母细胞的迁移阶段,箭头末端指示静止阶段。

图 4. 神经母细胞迁移的分析。 (A-D)神经母细胞迁移分析的不同步骤。红色圆圈标示了文中提到的不同功能。 点击此处查看大图。
视频 1. 病毒标记的成神经细胞(绿色)沿葡聚糖-TexasRed 标记的血管(红色)迁移的时间推移成像。 点击此处查看视频。
视频 2. 使用 Imaris 软件追踪神经母细胞迁移。绿色点代表细胞体,轨迹线表示迁移距离。 点击此处观看视频。
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神经前体细胞正确迁移到相应脑区是神经环路正常组装和功能实现的基本过程。绝大多数细胞仅在胚胎发育期间发生迁移,而在出生后的脑组织中,只有少数区域(如嗅球、齿状回和小脑)仍存在神经元的迁移活动。然而,调控出生后脑内细胞迁移的机制目前仍不清楚。深入了解成熟神经系统中引导细胞迁移的相关机制和分子通路,将有助于我们更好地理解出生后脑内神经元的靶向定位,并可能为开发诱导神经元募集至脑部病变区域的新策略提供临床意义。
在本文中,我们描述了一种用于监测成年小鼠前脑急性脑片中细胞迁移的实验方案。尽管我们以成年小鼠的SVZ-OB通路作为模型系统,但该技术同样可用于追踪胚胎期及出生后早期脑组织中的细胞迁移,以及成年脑损伤后的细胞迁移过程。我们已利用该方案成功追踪了出生后早期喙侧迁移流(RMS)12、小脑以及成年卒中后纹状体中的细胞迁移(Eiriz, Grade, Malva 和 Saghatelyan,未发表数据)。
使用急性活体脑片进行神经母细胞迁移成像,该方法可在高度模拟体内微环境的条件下研究细胞迁移 体内
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未声明任何利益冲突。
本研究得到了加拿大卫生研究院(CIHR)向 A.S. 提供的资助。J.K. 获得了拉瓦尔大学博士后奖学金的部分支持。A.S. 获得了加拿大产后神经发生领域研究讲席职位。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 蔗糖 | Sigma | S9378 | |
| 葡萄糖(ACSF) | EMD | DX0145-3 | |
| NaCl | Sigma | S9625 | |
| KCI | Sigma | P9541 | |
| MgCI2x6H2O | Sigma-Aldrich | M2670 | |
| NaHCO₃3 | Sigma | S5761 | |
| NaH2PO4xH2O | EMD | SX0710-1 | |
| CaCI2x2H2O | Sigma-Aldrich | C3881 | |
| 德克萨斯红葡聚糖 | Invitrogen | D1864 | |
| Dextran CascadeBlue | Invitrogen | D1976 | |
| 葡萄糖(40倍溶液) | Sigma | G8769 | |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11360-070 | |
| HEPES | Sigma | H3375 | |
| HBSS | Gibco | 14170-112 | |
| DNase I | Sigma | D-5025 | |
| 胰蛋白酶-EDTA | Gibco | 25300-054 | |
| Neurobasal 培养基 | Gibco | 21103-049 | |
| BSA | EMD | 2930 | |
| 青霉素/链霉素 | Life Technologies | 15140-122 | |
| 氯胺酮/赛拉嗪 | CDMV | 5230 | |
| 巴斯德吸管 | VWR | 14672-380 | |
| 15 ml 锥形管 | Sarstedt | 62.553.205 | |
| 50 ml 离心管 | Sarstedt | 62.547.205 | |
| 玻璃毛细管(立体定位注射) | WPI | 4878 | |
| 石蜡油 | EMD | PX0045-3 | |
| 聚维酮碘 | Rougier | 65655-1370 | |
| 缝合 | 斯托尔廷 | 50487 | |
| Anafen | CDMV | 11508 | |
| 20 cc 注射器 | VWR | SS-20L2 | |
| 培养皿 | VWR | 25384-094 | |
| 琼脂 | 马特实验室 | AP-0108 | |
| 胶水 | Permabond | 910 | |
| 95% O2/5% CO₂2 | Linde | 24068835 | |
| 刀片 | WPI | 501901 | |
| 尼龙网 | Warner Instruments | 64-0198 | |
| 离心 | Eppendorf | 5702 000.019 | |
| 拉针仪 | Sutter Instrument | P-97 | |
| 纳升级注射器 | WPI | B203MC4 | |
| 立体定位注射装置 | WPI | 502900 | |
| 微型钻孔系统 | WPI | 501819 | |
| 振动切片机 | 赛默飞世尔科技 | 920110 | |
| 宽场荧光显微镜 | Olympus | BX61WIF | |
| CCD相机 | 光度测量 | CS-HQ2-D | |
| 超静音成像室 | 哈佛仪器公司 | 64-1487 | |
| PH-1 Series 20 加热平台 | 哈佛仪器公司 | 64-0284 | |
| 加热系统 | Warner Instruments | TC-344B | |
| 40倍水浸物镜 | 奥林巴斯 | 1-UM587 | |
| 10倍水浸物镜 | Olympus | 1-UM583 | |
| Lambda DG-4 | Sutter Instruments | DG-4/OF | |
| MetaMorph 软件 | Molecular Devices | 40000 | |
| Imaris 软件 | Bitplane | BPI-IM70-F1 |
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