本文提供了一种低成本且可靠的方法,可从小鼠胚胎制备适用于共聚焦显微镜和活体成像技术的电穿孔脑组织切片培养物。
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本文提供了一种低成本且可靠的方法,可从小鼠胚胎制备适用于共聚焦显微镜和活体成像技术的电穿孔脑组织切片培养物。
GABA能中间神经元(INs)是驱动认知与行为的神经网络中的关键组分。这些最终定位于大脑皮层的中间神经元,会从端脑腹侧区域(包括内侧和尾侧神经节隆起(MGE、CGE))起源处沿切线方向迁移至背侧皮层板,此过程受到多种内在与外在信号的调控。多年来,研究人员已开发出多种方法,用于在基因水平上操控特定通路,并探究其如何调控中间神经元正常迁移所必需的动态细胞骨架变化。在体电穿孔技术已被广泛用于研究基因抑制或过表达对特定中间神经元亚型的影响,同时评估其对细胞形态及最终定位的作用。然而,尽管该方法常用于改造径向迁移的锥体细胞,但在靶向中间神经元时技术难度更高。在体电穿孔的效率较低,尤其在胚胎发育14.5天前(e14.5)进行操作时,幼鼠存活率下降,而研究MGE来源的中间神经元通常需要在此时间点之前进行电穿孔。另一种替代方法是使用MGE组织块培养,该方法便于获取MGE组织,并利于对基因修饰的中间神经元进行成像观察。然而,在此类组织块中,中间神经元迁移进入的是人工基质,缺乏内源性引导信号和丘脑输入。因此,我们致力于优化一种方法,使中间神经元能够在更接近自然的环境中迁移,同时规避在体操作的技术难题。本文中,我们描述了一种结合体外电穿孔与器官型脑片培养的技术流程,可便捷地追踪、成像并重建沿天然路径迁移的基因修饰中间神经元,这些迁移过程响应于内源性信号。该方法不仅可通过共聚焦延时成像对中间神经元迁移的动态特征进行定量分析,还可通过对固定后免疫标记组织的神经元形态重建,详细分析多种形态学参数。
皮层GABA能中间神经元(INs)在生化特性、生理特性和连接方式上具有高度多样性,其在成熟神经网络中介导不同的功能1,2,3,4,5。不同亚型皮层INs的特化过程受到遗传级联机制的严格调控,该机制已被广泛研究1,2。大多数(70%)皮层GABA能INs起源于位于腹侧的胚胎结构——内侧神经节隆起(MGE)中的前体细胞,必须经过较长距离迁移才能到达皮层板1,2,6。与沿着放射状胶质支架从脑室区(VZ)向皮层板进行径向迁移的皮层锥体细胞不同,中间神经元的切向迁移并不依赖此类支架,因此需要多种内在和外在信号引导其朝向皮层板迁移,同时使其远离非皮层结构2,7,8。当中间神经元退出细胞周期后,MGE脑室区表达的化学排斥信号使其受到排斥,从而启动向皮层板方向的切向迁移9,10。迁移中的中间神经元在多种排斥信号的帮助下避开纹状体11,在到达皮层板后,由切向迁移转换为径向迁移模式,并最终到达其所在的皮层层级位置,这一过程部分响应于锥体细胞12及其他细胞群体提供的信号13。与其他神经元群体类似,中间神经元的迁移涉及多种动态形态学变化,以实现神经元的实际移动。这种所谓的神经元运动特征为重复性的三个连续步骤循环: Leading process的延伸、细胞核的主动前向运动(核移),以及尾随突起的回缩14。中间神经元的迁移受到众多内在和外在信号的调控,这些信号驱动Leading process的分支及主动重塑,从而引导中间神经元向正确方向迁移,并决定其迁移的方向和速度14,15,16。
近年来,调控皮层中间神经元迁移的因素已被广泛研究1,2,7,17,18,19,20,而这些分子作用因子中的某些成分若发生紊乱,被认为可能导致神经发育障碍,例如小儿难治性癫痫或自闭症谱系障碍1,2,21,22,23,24因此,各种 体外 和 体内 已采用多种方法显著提升我们研究这一动态过程的能力,如先前综述所述25. 体外 方法,包括Boyden小室实验和条带选择实验,可在排除其他因素干扰的情况下,快速且最可重复地评估特定基因或蛋白质在神经元迁移过程中的必要性及其细胞自主性影响25这些检测方法若与活体成像结合使用,尤其具有实用价值8,26,27利用这些技术,可轻松从e13.5 MGE中获取中间神经元,并通过酶解和机械解离进行分离,随后可研究不同的信号通路和导向线索,如前所述。8,28然而,这些检测是在缺乏三维组织结构的人工细胞外基质中进行的,这可能会改变神经元的行为和细胞特性,进而影响细胞迁移和/或存活25. 为克服这些局限性, 离体 MGE外植体已被开发为一种替代工具,用于量化迁移过程中发生的动态形态变化,以及迁移速度和方向等参数14,29生成MGE外植体相对简单,且已在其他文献中被广泛描述。30将MGE的小量提取物接种于混合皮层细胞的单层培养物上,或在存在趋化吸引或趋化排斥信号的情况下,接种于Matrigel与胶原的混合物中。25,尽管后者为可选项31MGE外植体可实现对稀疏标记细胞的高分辨率成像,从而简化对细胞内过程的研究,例如如前所述的前导突起分支过程中的细胞骨架重塑32,33,34 在本研究中,MGE外植体已成功用于评估在二维环境中IN迁移期间的动态细胞骨架变化,例如在特定的药理学或趋化性干预后(参见例如Tielens) 等 201633然而,采用这种方法时,中间神经元会在人工基质中迁移,这可能改变中间神经元的行为,并影响实验结果的可重复性与科学意义。
相比之下,in utero 电穿孔技术能够在内侧神经元(INs)的天然环境中对其进行遗传操作,是一种广泛使用的方法,可快速高效地评估基因功能获得与缺失的影响,同时避免了成本高昂且耗时的基因敲除和基因敲入策略的局限性25,35。通过使用细胞类型特异性启动子,并将电极定位至包括MGE在内的腹内侧结构,可使in utero 电穿孔偏向于IN前体细胞36。此外,与使用病毒载体所需的7–10天相比,in utero 电穿孔可在1–2天内实现实验载体的及时表达25。然而,对IN前体细胞进行in utero 电穿孔的产率通常较低。事实上,尽管位于背侧脑室区的锥体细胞前体可通过in utero 电穿孔实现高效转染,但靶向位置更靠腹侧的结构(如MGE)在技术上更具挑战性,尤其是在体积较小的e13.5胚胎中,且较高的胚胎死亡率进一步降低了实验产出25。
为了克服与某些技术限制相关的问题 体外 MGE 外植体实验及 体内宫内 电穿孔 离体 器官型脑片培养技术已得到开发8,37,38,39脑类器官切片培养具有模拟 体内 条件,同时比构建动物模型更经济且耗时更少25事实上,这些制备方法能够便捷地进入内侧神经节隆起(MGE),并实现对中间神经元(INs)的特异性可视化,还可与局灶性电穿孔技术结合,用于研究在更接近生理环境中的迁移中间神经元内特定的分子通路。8,39,40,41因此,我们优化了一种用于器官型培养的方法38,我们将其与 子宫外 电穿孔与延时共聚焦成像,以进一步评估MGE-INs在切向迁移过程中发生的形态学及动态变化。本实验方案是在已有研究基础上进行改进和优化的,这些研究曾采用 子宫外 或 在子宫内 大脑电穿孔与脑片组织培养技术用于研究锥体细胞的迁移42,43 皮层中间神经元36,39,44具体而言,小鼠胚胎被断头后,对内侧神经节隆起(MGE)进行电穿孔 离体 在实验性质粒脑室内注射后,可比传统方法更高效、更精确地靶向MGE前体细胞 在子宫内 电穿孔。随后取出大脑并切制为完整的冠状脑片,这些脑片可培养数天,从而实现对转染的中间神经元(INs)进行持续追踪和成像。该方法通常每脑片可标记5–20个沿切向迁移的INs,既减少了达到统计显著性所需的实验重复次数,又保证了神经元标记的稀疏性,便于对单个神经元进行分离、重建及精细形态学评估。此外,与MGE外植体相比,器官型培养能确保迁移中的INs暴露于更接近生理的环境,包括局部分泌的趋化因子以及丘脑传入纤维的输入。因此,该方法非常适合定量分析转染INs的迁移方向性和迁移路径,同时提供足够的解剖学细节,以表征更精细的动态过程,如 Leading process 分支、核移动(nucleokinesis)和尾随突起回缩。
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所有涉及动物的实验均经CHU Sainte-Justine研究中心动物研究伦理实践委员会(CIBPAR)批准,并依照加拿大动物护理委员会《实验动物护理与使用指南》(第2版)的规定进行。
本方案经过优化,适用于胚胎发育第13.5天(e13.5)的胚胎电穿孔,此时正处在MGE来源的中间神经元(INs)活跃生成、而CGE来源的INs尚未达到生成高峰的阶段45,46。此外,为了使电穿孔偏向于GABA能中间神经元,我们采用在中间神经元中特异性表达的启动子(例如带有最小增强子的Dlx5/6启动子)47。
1. 电穿孔与器官型脑片培养用溶液的制备
2. 注射质粒的制备
3. 从怀孕雌性小鼠中收集胚胎
4. 脑室内质粒注射及 离体 MGE的电穿孔
注意:以下步骤必须在先前准备好的生物安全柜内的无菌条件下进行。
5. 脑组织解剖与器官型脑片培养
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本部分展示了在 e13.5 小鼠胚胎的 MGE 中进行 ex utero 电穿孔转染对照质粒或靶向目的基因的实验质粒后,通过器官型脑片培养在 37 °C 下孵育 48 小时(用于延时成像)或 72 小时(用于固定和免疫组织化学标记)所获得的代表性结果(实验流程示意图见图1B)。同时展示了来自 MGE 外植体的中间神经元迁移的代表性示例(实验流程示意图见图1C),以与本文所述方法进行对比。在 MGE 前体细胞中进行质粒电穿孔似乎会延迟中间神经元从 MGE 的迁移,因此需相应调整培养时间。
在成功的实验中,活体组织切片在共聚焦显微镜下呈现健康状态,即在明场模式下皮质层清晰可辨,切片表面无可见污染(通过强烈的自发荧光及表层荧光细丝的存在,在落射荧光下可识别)。在健康的慢性活体组织切片中,约20%的细胞在培养72小时后发生凋...
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本文中,我们提供了一种可靠的执行方法 子宫外 在e13.5时期对小鼠MGE进行电穿孔并制备胚胎脑切片的器官型培养。尽管 体外 方法,如Boyden小室实验,操作相对简便,可用于评估不同基因和蛋白质的特定作用,且不受其他因素干扰,但无法用于研究IN迁移的动力学特征,包括迁移方向性和迁移路径。25MGE外植体为研究IN迁移过程中发生的动态细胞骨架变化提供了一种有效手段(如本研究所示),但其缺乏大多数内源性信号,通常需要添加导向信号以促进神经元迁移(尽管当MGE外植体培养在皮层饲养层上时,此情况可显著改善)。25,54然而,基于MGE外植体的检测方法可能无法发现参与较细微机制(如指导中间神经元特定方向性或迁移路径)的分子信号的作用29。这一问题最终通过以下方法得以解决: 在子宫内 电穿孔25,可在其原生环境中对源自MGE的迁移性中间...
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作者无任何利益冲突需要披露。本文所表达的观点不一定代表加拿大卫生部长或加拿大政府的观点。
本工作获得了萨沃伊基金会和CURE癫痫基金会的运营资助,以及加拿大创新基金会向E.R.(共聚焦显微镜)和G.H.(转盘共聚焦显微镜)提供的设备资助。E.R. 获得了职业奖项 魁北克卫生研究基金会 (FRQ-S;临床科学家奖)以及加拿大卫生研究院(CIHR;青年研究者奖)。G.H. 是 FRQ-S 的资深学者。L.E. 获得了萨沃伊基金会颁发的斯特里亚德-萨沃伊博士后培训奖、圣心大学医院中心基金会博士后培训奖以及 FRQ-S 博士后培训奖,后一项奖项由星辰基金会合作资助。本项目由 Brain Canada 通过加拿大脑研究基金资助,并获得加拿大卫生部的资金支持,该资助授予 L.E.
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Neurobasal 培养基 | 赛默飞世尔科技 | 21103049 | 市售的神经元特异性培养基。完整配方请见此网站:https://www.thermofisher.com/ca/en/home/technical-resources/media-formulation.251.html |
| B-27 无血清添加剂 | 赛默飞世尔科技 | 17504044 | 50倍无血清神经元专用添加剂 |
| 15 mL 无菌离心管 | Sarstedt | 62.554.002 | |
| Leibovitz (1X) L-15 培养基(含 L-谷氨酰胺) | 赛默飞世尔科技 | 11415064 | 市售的神经细胞培养基,添加了氨基酸、维生素和无机盐。完整配方见于经销商网站 |
| L-谷氨酰胺 | Invitrogen | 25030-081 | |
| 马血清,热灭活 | Millipore-Sigma | H1138-500ML | |
| 神经细胞培养补充剂 N-2 100X | Wisent | 305-016 | 博特斯坦N-2培养基配方 |
| VWR 方形 PETG 培养基瓶 125 mL | VWR | 89132-062 | |
| II类A型生物安全柜 | Nuaire | NU-540 | |
| 蔗糖 | BioShop | SUC700.1 | |
| 氯化钠 | BioShop | SOD001.1 | |
| 碳酸氢钠 | 赛默飞世尔科技 | S233-500 | |
| D+葡萄糖 | Millipore-Sigma | G7528-250G | |
| 氯化钾 | 赛默飞世尔科技 | P217-500 | |
| 无水磷酸二氢钠 | BioShop | SPM400.500 | |
| 二水合氯化钙 | 赛默飞世尔科技 | C79-500 | |
| 七水硫酸镁 | BiosShop | MAG522 | |
| 琼脂糖 | BioShop | AGA002.500 | |
| 50 mL 无菌离心管 | Sarstedt | 62.547.004 | |
| 1.5 mL 离心管 | Sarstedt | 72.690.001 | |
| P-97 Flaming/Brown 微量移液器拉制仪 | Sutter Instruments Co. | Model P-97 | |
| 内径0.4 mm × 75 mm毛细管 | Drummond Scientific | 1-000-800/12 | |
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| 5 mL 注射器 | Becton Dickinson & 公司 | 309646 | |
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| 持针器 | World Precision Instruments | 501217 | 12.5 cm,直型,带锯齿 |
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| 25G 1 1/2 | Becton Dickinson & 公司 | 305127 | |
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