本方案描述了一种生理相关、加压液体方法,用于在神经元中快速且可逆地诱导曲张体形成。
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本方案描述了一种生理相关、加压液体方法,用于在神经元中快速且可逆地诱导曲张体形成。
轴突曲张体是沿轴突主干分布的膨大结构,具有高度异质性。它们不仅存在于患有神经退行性疾病或脑损伤的脑组织中,也存在于正常脑组织内。本文介绍一种新建立的微机械系统,可快速、可靠且可逆地诱导轴突曲张体的形成,从而帮助我们理解调控曲张体生成及其蛋白质异质性组成的机制。该系统提供了一种新颖手段,用于评估压缩力和剪切应力对神经元不同亚细胞区室的影响,不同于其他主要关注拉伸效应的体外(in vitro)模型。尤为重要的是,得益于本系统的独特特性,我们近期取得了一项新发现:施加压力流体可通过激活瞬时受体电位通道,快速且可逆地诱导轴突曲张体的形成。我们的生物力学系统可方便地与药物灌注、活细胞成像、钙成像以及膜片钳记录技术联合使用。因此,该方法可用于研究机械敏感性离子通道、轴突运输调控、轴突细胞骨架动态、钙信号传导以及与创伤性脑损伤相关的形态学变化。
轴突沿线出现的串珠样变性或肿胀/成结,是中枢神经系统多种疾病和损伤中观察到的神经退行性变的显著特征,包括多发性硬化症、阿尔茨海默病、帕金森病和创伤性脑损伤。1,2尽管轴突串珠样膨大对动作电位传导和突触传递具有显著的生理影响3,但其产生机制仍不清楚。最近,利用新建立的微生物力学检测方法对啮齿类动物培养的海马神经元进行研究,我们发现机械刺激可诱导这些神经元产生具有高度引人注目特征的串珠样膨大。首先,串珠样膨大的诱导过程迅速(<10秒),且该过程出乎意料地可逆。其次,串珠状突起的形成依赖于吹流压力的强度:压力越高,串珠状突起的形成速度越快。第三,串珠状突起的形成与神经元的年龄有关。相较于较老的神经元,年轻神经元的轴突对机械应力表现出更高的敏感性。第四,串珠状突起出现在海马神经元的轴突上,而在相同的吹流条件下,这些神经元的树突和轴突起始段则未发生明显变化。因此,本研究揭示了神经元极性的一种新特征。这些发现结合 体外 系统具有生理相关性。使用一种 体内 轻度创伤性脑损伤(mTBI)模型显示,小鼠在颅骨闭合状态下受到冲击后,体感皮层中的轴突发生多灶性串珠样膨大,与我们的结果一致 体外 结果4需要注意的是,我们对轻度创伤性脑损伤小鼠的染色和成像仅能提供神经元形态变化的瞬时快照,因为进行 体内 在机械冲击过程中对神经元形态进行延时成像仍然不可行。
该流体喷射系统不仅使我们能够捕捉与机械应力诱导的轴突曲张体形成相关的独特特征,还能确定其潜在机制。通过测试不同的细胞外溶液、多种机械敏感性离子通道候选分子的阻断剂和激活剂,并结合细胞电生理学方法,我们发现瞬时受体电位阳离子通道亚家族V成员4(TRPV4)通道在喷射刺激下被激活,对Ca2+和Na+具有通透性,主要负责在轴突曲张体形成初期感知机械应力4。这一结论进一步通过siRNA基因敲除方法得到验证。综上所述,我们建立的这一新型检测系统结合海马神经元培养,对于研究中枢神经元的微观力学特性具有重要价值,尤其适用于与其他技术联合使用。
我们建立的这种微机械系统具有独特性,在多个主要方面不同于以往已有的系统。首先,在该系统中,神经元会受到垂直于平面方向的机械应力,表现为压缩和剪切力。在机械冲击过程中,神经元突起仍附着在盖玻片表面,不会发生移动。这一点不同于其他主要涉及弯曲和平面内拉伸(或张力)的实验系统,例如成束轴突像振动的弦一样发生偏转5,6,或生长在微图案化通道和可拉伸膜上的轴突被拉伸7,8。此外,尽管在这些实验体系中也能诱导出轴突串珠样变性,类似于我们的液体喷射系统,但该过程所需时间显著更长(从10分钟到数小时不等6,7,8),且表现为不可逆。最后,我们的局部液体喷射系统除了可研究串珠形成的时序特征外,还能分析其空间特征(e.g.,树突、树突棘、胞体、轴突起始段、轴突末梢)。利用该系统,我们发现了轴突串珠形成的若干出乎意料且独特的特征,特别是快速起始、缓慢可逆性以及轴突-树突极性差异。
本文所讨论的系统可与多种分子生物学和细胞生物学技术兼容。例如,为研究机械应力对神经元形态和功能的影响,该系统可与髓鞘共培养、荧光共振能量转移(FRET)和全内反射荧光(TIRF)的时间延时成像、钙成像以及膜片钳记录技术联合使用。本文重点介绍该系统的核心组成部分。以下将逐步说明海马神经元培养、液体脉冲施加装置、用于轴突运输的高分辨率时间延时成像以及钙成像的具体操作步骤。
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以下所述所有方法均已获得俄亥俄州立大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)的批准。
1. 盖玻片准备
2. 孕鼠/大鼠海马神经元的分离、解离与培养
3. 设置喷射移液装置
注意:该装置包含五个基本组件:玻璃移液管、管路、注射器、显微操作器和缓冲液(Hank's)。任何具有生理相关盐浓度的缓冲液均可用于此装置中。
4. 利用可拉伸膜系统校准移液管压力
5. 诱导曲张体形成的吹泡法
6. 补充方法
注意:喷射实验可与引言部分讨论的多种不同技术结合使用。本文重点介绍最常与喷射实验联合使用的几种核心技术,包括高分辨率荧光延时成像、钙成像以及恢复实验。以下将对这些技术进行详细说明。
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在施加喷射压力之前,轴突通常很少出现串珠样膨大。在使用标准压力(190 mmH2O 高度)进行喷射后,轴突开始形成大量珠状的串珠样膨大。串珠样膨大的形成具有部分可逆性,如轴突某些区域在恢复10分钟后可回到喷射前的状态(图2A-B)。经过更长时间的恢复(>20 分钟),部分轴突可完全恢复。若喷射移液管位置欠佳,或注射器未能准确置于载物台上方190 mm处,则可能无法快速诱导串珠样膨大的形成。在最佳条件下,年轻神经元(约7天体外培养,7 DIV)的轴突应在约5秒内出现串珠样膨大4。
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该微生物力学检测实验的操作流程简单直接。只要严格按照各个步骤进行,即可获得可靠的结果。其中若干关键步骤若操作不当,将会影响数据的顺利采集。关键步骤始于施加喷射刺激之前。仔细地解剖、培养以及妥善维护原代神经元培养物至关重要。如果培养的神经元状态不健康,则其反应将不一致,因为这些神经元可能已处于应激预激活状态。在培养之后,需耐心完成喷射装置的初始设置与校准,以提供稳定的压力——该压力应足以诱导神经末梢膨大(varicosities),但又不会导致细胞从盖玻片表面脱落。由于移液管堵塞、管路或阀门问题,准确校准整个系统可能需要约1小时。在将细胞放入培养皿并定位移液管尖端之前,必须确保液体能够以最小阻力从移液管中顺畅流出。关于装置的改进,可将喷射装置与灌流系统、膜片钳以及其他基于显微镜的仪器联用,主要取决于显微镜两侧可用的物理空间。
该系统存在两个需要关注的内在局限性。通过向细胞吹入液体,该装置能够持续诱导培养的海马神经元轴突中可逆性串珠样肿胀的形成。然而,需要注意的是,在同一吹液区域内,不同神经元所受到的确切压力值并不完全相同。作用于细胞的流体压力是基于微加工硅胶膜的压力负荷测量计算得出的...
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作者无任何利益冲突需要披露。
所有动物实验均按照美国国立卫生研究院动物使用指南进行。本工作部分由美国国立卫生研究院向 C. Gu 提供的基金资助(项目编号:R01NS093073 和 R21AA024873)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 12 mm 盖玻片 | Warner Instruments | 64-0702 | 用于 24 孔板 |
| 25 mm 盖玻片 | Fisher Scientific | 12-545-102 | 用于 6 孔板 |
| 乙酸 | Fisher Scientific | A38-212 | |
| 聚-D-赖氨酸 | Sigma | P6407 | |
| 大鼠尾胶原蛋白 | Roche | 11 179 179 001 | |
| 10X PBS | National Diagnostics | CL-253 | |
| Na2SO4 | Fisher Scientific | S373-500 | |
| K2SO4 | Fisher Scientific | P304-500 | |
| HEPES | Fisher Scientific | BP410-500 | |
| D-葡萄糖 | Fisher Scientific | D16-500 | |
| MgCl2 | Fisher Scientific | BP214-500 | |
| NaOH | Fisher Scientific | SS255-1 | |
| 蛋白酶 | Sigma | P4032 | |
| FBS | Gibco | 26140 | |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11360-070 | |
| L-谷氨酰胺 | Gibco | 25030081 | |
| 青霉素/链霉素 100 倍溶液 (P/S) | Gibco | 15140122 | |
| MEM Earle's 盐溶液 | Gibco | 11090 | |
| B27 添加剂 | Gibco | 17504-044 | |
| Neurobasal 培养基 | Gibco | 21103-049 | |
| 阿糖胞苷 (Ara-C) | Sigma | 147-94-4 | |
| Opti-MEM 培养基 | Gibco | 31985-070 | |
| Lipofectamine 2000 | Invitrogen | 1854313 | 转染试剂 |
| 硼硅酸盐玻璃棒 | World Precision Instruments Inc. | PG52151-4 | 用于吹液移液管 |
| 橡胶管 | Fisher Scientific | 14-169-1A | |
| 10 cc 塑料注射器及推杆 | Becton Dickinson | ||
| 显微操作器 | Sutter Instruments | ||
| NaCl | Fisher Scientific | S640-3 | |
| KCl | Fisher Scientific | BP366-500 | |
| CaCl2 | Fisher Scientific | C70-500 | |
| 细胞培养皿 (35 mm × 10 mm) | Corning | 3294 | |
| Fluo-4 AM | Molecular Probes | F14201 | 用于钙成像 |
| Mito-YFP 质粒 | Takara Bio Inc. | 用于细胞转染 | |
| YFP-N1 质粒 | Takara Bio Inc. | 用于细胞转染 | |
| Model P-1000 Flaming/Brown 微量移液管拉制仪 | Sutter Instruments | ||
| Eclipse TE2000-U 显微镜 | Nikon | ||
| Plan Fluor ELWD 20x 物镜 | Nikon | 062933 | 物镜 |
| Apo TIRF 100x/1.49 油镜 | Nikon | MRD01991 | 物镜 |
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