本方案描述了使用塑料芯片培养和分隔原代小鼠神经元的方法。这些芯片为预组装设计,操作简便,且适用于高分辨率、活细胞及荧光成像。本方案详细说明了如何在这些芯片中接种大鼠海马神经元,并进行流体隔离、轴突切断和免疫染色操作。
本方案描述了使用塑料芯片培养和分隔原代小鼠神经元的方法。这些芯片为预组装设计,操作简便,且适用于高分辨率、活细胞及荧光成像。本方案详细说明了如何在这些芯片中接种大鼠海马神经元,并进行流体隔离、轴突切断和免疫染色操作。
用于神经元区室化培养的微加工技术已成为许多神经科学家必不可少的工具。本方案描述了如何使用一种 commercially available 的预组装塑料芯片,对培养的大鼠原代海马神经元进行区室化分离。这些塑料芯片的尺寸与标准显微镜载玻片一致,适用于高分辨率、活细胞及荧光成像。本方案演示了如何通过分离的轴突利用编码荧光蛋白的改良型狂犬病毒对神经元进行逆向标记,如何在一个区室内建立独立的微环境,以及如何在芯片上进行轴突切断(axotomy)和免疫细胞化学染色。神经元可在该塑料芯片中培养超过>3周,表明此类芯片适用于长期神经元培养。
传统的神经元培养方法会导致轴突和树突随机生长,从而无法研究神经元独特的极性形态。在过去10至15年中,微加工多区室装置已成为神经科学家广泛认可和使用的研究工具(部分高影响力出版物已引用1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17)。这些装置可将神经元进行区室化分离,并提供一种物理和化学手段,用于操控神经元的亚细胞区域,包括胞体、树突、轴突和突触18,19。此外,它们还实现了许多在随机培养体系中无法完成的实验范式,例如轴突运输、轴突内蛋白质合成、轴突损伤与再生以及轴突向胞体的信号传递研究。基本的双区室结构由两条平行的微流控通道组成,中间通过一系列较小的垂直微沟槽相连。将原代神经元或干细胞来源的神经元接种至其中一条微流控通道中,细胞会沉降并贴附在装置底部表面,并在数天内延伸出神经突。许多生长锥会进入微沟槽,而这些沟槽尺寸足够小,可阻止细胞体进入。由于生长锥在微沟槽内受到物理限制且无法调转方向,因此只能沿直线生长进入相邻的区室(即轴突区室),从而实现轴突的隔离。
传统上,这些装置是通过光刻法制备的母模,使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)浇铸成型,可由研究人员在实验室自行制备,也可直接购买商用产品。使用PDMS的主要缺点之一是其疏水性20。虽然PDMS可暂时变为亲水性,但在非水环境中数小时内会迅速恢复疏水性20。因此,这些装置在使用时必须固定在玻璃盖玻片或其他合适的基底上。目前已有商用的预组装塑料多腔室芯片(例如,XonaChips),采用注塑成型塑料制造。这些芯片具有永久亲水性,简化了装置的润湿过程,并允许芯片在底部通过一层环烯烃共聚物(COC)薄膜预先封装微流控通道。这些芯片由光学透明塑料制成,适用于高分辨率荧光成像。
本实验方案旨在演示使用预组装的塑料微流控芯片进行多种实验范式,适用于小鼠海马或皮层神经元。本方案描述了如何在芯片内利用改良的狂犬病毒对神经元进行逆行标记。同时介绍了用于轴突损伤与再生研究的轴突切断操作。最后,本方案展示了如何利用该装置进行荧光免疫染色。
注意:塑料多室芯片的示意图见图1A、B。该芯片大小与标准显微镜载玻片相同(75 mm × 25 mm)。芯片的结构特征,包括主通道或室、孔穴以及微沟槽均已标注,以供后续参考。图1C 为芯片照片,展示了各室之间的流体隔离效果。
1. 多区室芯片的制备与包被
2. 将神经元接种至多区室芯片中
3. 芯片内神经元的逆行标记
注意:逆行标记可通过多种技术实现,包括使用修饰的霍乱毒素和狂犬病毒。以下为使用G基因缺失型狂犬病毒-mCherry或-eGFP标记神经元的操作步骤。请根据当地机构的指南处理潜在感染性材料。可能需要接受额外培训。
4. 芯片内轴突区室的流体隔离
5. 在芯片内进行轴突切断
6. 芯片内的荧光免疫染色
神经元在芯片内生长约 5-7 天后,可明显观察到轴突生长。如图 3所示,芯片适用于相差成像,该图展示了神经元在 24 天时的生长情况。芯片也适用于荧光成像(图 4、图 5、图 6 和 图 7)。通过轴突室感染狂犬病毒三天后,在芯片中对轴突延伸至轴突室的 mCherry 阳性神经元进行了成像(图 4)。为证明芯片可实现流体隔离各室的能力,将一种低分子量荧光染料(Alexa Fluor 488 hydrazide)加入轴突室。这些结果与基于 PDMS 的室装置17相当,表明该塑料芯片适用于相差成像和荧光成像。
为了展示在塑料芯片和PDMS装置中神经元的生长情况,我们在两种平台上培养了神经元,并随时间监测其生长过程。图5显示了培养3至22天期间的神经元生长,这些结果代表了3次独立实验。在培养15天内,两种平台中的神经元生长情况相似;但在更长的培养时间(>21天)下,塑料芯片中的孤立轴突表现出更健康的形态,串珠样变性更少(图5A)。为了进一步可视化轴突室内的轴突,我们对β-tubulin III进行了免疫染色,结果显示在培养22天时,塑料芯片内轴突生长状态良好(图5B)。
使用微流控分隔装置进行轴突损伤与再生研究十分常见。为验证芯片适用于此类研究,本实验对逆行标记的神经元在轴切前和轴切后24小时进行了成像(图6)。轴切后可见回缩膨大和再生轴突。这些结果与使用基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)装置发表的数据相当14,17。
免疫细胞化学是一种在多室装置中常用的可视化蛋白定位的技术。培养24天后,对芯片中的神经元进行固定,并分别针对兴奋性和抑制性突触标志物vGlut1和vGat进行染色(图7)。同时对逆向标记的mCherry神经元进行了成像(图7C)。使用60×硅油浸没物镜的转盘共聚焦显微镜进行成像,证明了该系统可实现高分辨率成像。重要的是,在放大区域中可清晰观察到树突棘,表明芯片中培养的神经元形成了成熟的突触。

图1:一种预组装的塑料双区微流控芯片,用于神经元的区室化培养。 (A) 多区室芯片的示意图,显示上、下小室的位置。 (B) 芯片的放大示意图,显示主通道(或区室)以及连接各区室的微沟槽。主通道尺寸约为 1.5 mm × 7 mm × 0.060 mm(宽 × 长 × 高)。微沟槽的宽度和高度分别约为 0.01 mm × 0.005 mm。微沟槽的长度根据配置不同而变化,范围为 0.15 mm 至 0.9 mm。 (C) 一个典型的多区室芯片照片,其中各主通道或区室内含有食用染料,用以展示各通道之间可实现流体隔离。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:使用塑料多室芯片时所需的移液技术。(A)在添加或吸取洗涤液时,移液枪头应如图所示朝主通道入口相反方向倾斜。(B)在接种神经元或进行轴突切断操作时,移液枪头应朝向主通道入口方向倾斜。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3:培养 24 天后芯片内典型神经元生长的相差显微图像。 将胚胎海马神经元接种至右侧胞体区室中。在接种后第 5–7 天,可在轴突区室中观察到轴突生长。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:逆行标记的神经元表达 mCherry 荧光蛋白,并将轴突延伸至流体隔离的轴突区。(A) 融合荧光显微图像,显示通过改良的 mCherry 狂犬病毒短暂作用于轴突区后实现的活体逆行标记神经元。神经元在培养第21天、感染后第3天成像。通过施加低分子量染料 Alexa Fluor 488 肼,证明了在轴突区内创建隔离微环境的可行性。(B) (A) 的融合图像,包含微分干涉差(DIC)图像,用于观察芯片的微沟槽区域。图像使用30×/1.05 数值孔径硅油(ne = 1.406)物镜的激光扫描共聚焦显微镜采集。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:多区室PDMS装置与塑料芯片内神经元生长的并列比较。(A)两种平台在培养第3、7、15和22天时拍摄的相差显微图像。在底部,展示了第22天图像中的高倍放大区域,以说明在此时间点两种平台上轴突的生长情况。在该时间点,芯片内的轴突连续性更好,且外观比PDMS装置中的更健康。(B) 培养第22天时,对PDMS装置和塑料芯片的轴突区中β-tubulin III染色的轴突进行倒置免疫荧光显微成像。图像使用20倍/0.45数值孔径物镜的转盘共聚焦成像系统采集。所有比例尺均为100 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:塑料多区室芯片内海马神经元的轴突切断与再生。(上图)使用改良的mCherry狂犬病毒对神经元进行逆行标记,然后在培养第24天进行轴突切断前成像。图像使用“Fire”颜色查找表进行伪彩处理。(下图)上图中同一神经元在轴突切断后24小时的成像结果。白色虚线显示微沟槽屏障的边缘。轴突切断发生在左侧虚线位置。白色箭头指示回缩膨大(retraction bulb)。白色箭头指示正在再生的轴突。图像使用转盘共聚焦成像系统采集,物镜为20×/0.45 N.A。请点击此处查看该图的放大版本。

图7:海马神经元在塑料多区室芯片内培养后形成突触。 在培养24天后进行免疫染色,并使用60×硅油浸没镜头在胞体区室内成像。神经元表达 (A) 兴奋性突触标志物vGlut1(绿色)和 (B) 抑制性突触标志物vGAT(蓝色)。(C) 通过将改造的狂犬病毒施加于轴突区室,使逆行标记的mCherry神经元(红色)被感染。(D) vGlut1、vGAT和mCherry的合并荧光显微图像。(E) (D) 中白色框标示的放大区域,显示树突棘,即接收来自其他神经元突触输入的部位。图像使用配备60×/1.3 N.A. 硅油(ne = 1.406)物镜的转盘共聚焦成像系统采集。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 塑料多区室芯片 | PDMS多区室装置 |
| 分离轴突 | 分离轴突 |
| 建立微环境 | 建立微环境 |
| 轴突切断神经元 | 轴突切断神经元 |
| 光学透明 | 光学透明 |
| 适用于高分辨率成像 | 适用于高分辨率成像 |
| 兼容荧光显微镜 | 兼容荧光显微镜 |
| 完全组装好 | 需将装置组装至基底 |
| 健康轴突 >21 天 | 健康轴突 >14 天 |
| 亲水性培养表面 | 疏水性 |
| 气体不透过 | 气体可透过 |
| 圆形微沟槽和通道 | 直线型微沟槽 |
| 制备步骤较少 | 顶部可拆卸,便于在微沟槽内染色 |
| 不兼容激光消融 | 吸收小分子和有机溶剂 |
| 不兼容矿物油基浸油(硅油基浸油无影响) |
表1:用于神经元培养的塑料与PDMS多区室平台的比较。
塑料多室芯片为神经元的分隔培养提供了简便的方案,可实现长期神经元培养(>3周)。本方案详细介绍了如何在这些芯片中培养小鼠皮层和海马神经元。同时讨论了可溶性微环境的建立、神经元逆行标记、轴突切断以及免疫细胞化学染色的操作方法。重要的是,这些芯片适用于高分辨率成像、荧光成像和活细胞成像。
塑料多室芯片提供了与基于聚二甲基硅氧烷(PDMS)的分隔装置相似的多种功能,但具有其独特的优缺点和特征。表1对塑料芯片和基于PDMS的装置的特性进行了比较。首先,这些芯片为预组装结构,并永久具有亲水性,有利于润湿,使其更易于使用。与PDMS不同,塑料材料不具有透气性,因此如果通道内意外形成气泡,气泡无法轻易逸出,必须手动清除。一种主要含有乙醇及其他一些专有成分的预包被溶液可有效消除气泡的形成。
在芯片内对转导荧光蛋白后的投射结构进行活体成像(图4),未检测到塑料材料的自发荧光。需要注意的是,芯片配合高数值孔径物镜使用时,浸油必须基于硅油,而不能使用矿物油;矿物油可能与环烯烃共聚物发生不良反应。进行明场成像时需注意,芯片中的微沟槽末端呈圆弧形,且主通道在Z方向朝微沟槽屏障处逐渐变细,导致明场成像过程中微沟槽两端出现一定程度的光线折射(图3)。由于芯片为预组装结构,抗体向微米级微沟槽内的渗透可能不均匀(类似于永久键合的PDMS器件),因此免疫染色后的定量分析应在通道或区室中进行。通过在不同区室之间建立体积差,促进抗体和荧光染料流入微沟槽,可改善微沟槽内神经元投射的免疫染色效果。
A.M.T. 是微流控腔室/芯片(美国专利 7419822 B2)的发明人,并且是 Xona Microfluidics, LLC 的成员。V.P. 是 Xona Microfluidics, LLC 的员工。J.H. 是 Xona Microfluidics, LLC 的成员。T.N. 声明不存在竞争性财务利益。 本文的开放获取出版由 Xona Microfluidics 资助。
作者感谢 Taylor Wilt(Xona)、Smita Paranjape(UNC-Chapel Hill)、Joyce Ciechanowski(Xona)和 Brad Taylor(Xona)提供的技术或编辑协助。本研究得到 Xona Microfluidics, LLC 和美国国家心理健康研究所(R42 MH097377)的资助。成像工作部分由美国国家神经疾病与卒中研究所中心资助项目 P30 NS045892 和美国国家儿童健康与人类发育研究所中心资助项目(U54 HD079124)的共聚焦与多光子成像核心设施支持。本内容仅由作者负责,不代表美国国立卫生研究院的官方观点。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| XonaChip | Xona Microfluidics, LLC | XC150 | 150 µ微沟槽屏障,长度为 m |
| Xona Microfluidics, LLC | XC450 | 450 µ微沟槽屏障,长度为 m | |
| Xona Microfluidics, LLC | XC900 | 900 µ微沟槽屏障,长度为 m | |
| XC预包被 | Xona Microfluidics, LLC | XC预包被 | 随 XonaChips 提供 |
| XonaPDL | Xona Microfluidics, LLC | XonaPDL | |
| E17/E18期定时妊娠的Sprague Dawley大鼠 | 查尔斯河实验室 | 24100564 | |
| 神经元培养基 | |||
| - 神经基础培养基 | 赛默飞世尔科技 | 21103049 | |
| B-27 Plus 增强补充剂(50倍) | 赛默飞世尔科技 | A3582801 | |
| -谷氨酰胺补充剂 | 赛默飞世尔科技 | 35050061 | |
| - 抗生素-抗真菌素(100倍浓度) | 赛默飞世尔科技 | 15240112 | |
| 氟化乙烯丙烯薄膜 | American Durafilm | 50A | 0.5 mil 厚度 |
| 改良型狂犬病病毒 | 索尔克生物研究所 | 缺失G蛋白的狂犬病毒-eGFP | 需要材料转让协议 |
| 索尔克生物研究所 | 缺失G蛋白的狂犬病毒-mCherry | 需要材料转让协议 | |
| Alexa Fluor 肼 488 | 赛默飞世尔科技 | A10436 | |
| Fluoromount G | 赛默飞世尔科技 | 00-4958-02 | |
| 玻璃巴斯德吸管 | Sigma-Aldrich | CLS7095D5X SIGMA | 5.75 英寸长度 |
| hibernate-E 培养基 | 赛默飞世尔科技 | A1247601 | |
| Pierce 16% 甲醛 | 赛默飞世尔科技 | 28906 | |
| PBS(10倍浓缩液) | 赛默飞世尔科技 | QVC0508 | |
| 正常山羊血清 | 赛默飞世尔科技 | 16210064 | |
| Triton X-100 | 赛默飞世尔科技 | 28314 | |
| 抗vGlut1抗体 | NeuroMab | 75-066 | 克隆 N28/9,1:100 |
| 抗vGAT抗体 | Synaptic Systems | 131 003 | 1:1000 |
| 抗β-微管蛋白III | 鸟纲 | TUJ | 1:1000 |
| Alexa Fluor 二抗 | 赛默飞世尔科技 | 1:1000 | |
| 培养箱,5% CO₂2 37 °C | |||
| 落射荧光成像系统 | EVOS 荧光成像系统 | AMF4300 | 10倍物镜 |
| 转盘共聚焦成像系统 | Andor Technology | CSU-X1,iXon X3 EMCCD | 60x 硅油 &和 20倍物镜 |
| 激光扫描共聚焦成像系统 | Olympus | FV3000RS | 30x 硅油物镜 |