本文提供了一种在三维基质中分析生长轴突行为的方法,以模拟其自然发育过程。
本文提供了一种在三维基质中分析生长轴突行为的方法,以模拟其自然发育过程。
本方案利用天然I型胶原蛋白制备三维(3-D)水凝胶,用于监测和分析轴突生长。该方案的核心是将胚胎期或出生后早期啮齿类动物脑组织的小片段培养在由大鼠尾腱来源的I型胶原蛋白形成的三维水凝胶中,该水凝胶具有特定的孔隙率。将组织片段培养于水凝胶内,并与特定的脑组织片段或经基因修饰的细胞聚集体相对置,使其产生并分泌可在多孔基质中形成浓度梯度的分子。本方案步骤简单且可重复,但在实施过程中需谨慎考虑若干关键步骤。此外,在通过免疫细胞化学方法固定后,可直接利用相差显微镜或单光子/多光子荧光显微镜对生长中轴突的行为进行实时监测与分析。
神经元的轴突以轴突生长锥为末端,通过胚胎的细胞外基质(ECM)沿特定路径长距离迁移,以到达其正确的靶点。生长锥位于轴突的远端,具有感知细胞所处物理和分子环境的特化功能1,2。从分子角度来看,生长锥的导向至少依赖于四种不同的分子机制:由不同轴突导向信号分子触发的接触性吸引、化学吸引、接触性排斥和化学排斥3,4,5,6。接触介导的过程可在二维(2D)微图案化基底(例如含有分子的条带7,8或斑点9)的培养体系中部分观察到。然而,轴突还可通过感知环境中引导细胞释放的多种吸引性和排斥性分子,以非扩散方式导航至其靶点4,5,10。本文中,我们介绍一种简便的三维(3D)培养方法,用于检测某种分泌型分子是否对发育中的轴突产生化学排斥或化学吸引效应。
最早的研究所采用的轴突导向线索旨在利用三维(3-D)基质中的组织块培养来生成模拟体内条件的浓度梯度11,12。该方法结合体内实验,使得研究人员得以鉴定出四类主要的导向分子家族:Netrin、Slit、Semaphorin 和 Ephrin4,5,6。生长中的轴突整合这些分子信号及其他因素13,从而触发黏附复合物的动态变化,并通过细胞骨架转导机械力14,15,16。为了在三维培养体系中建立用于轴突导航的分子浓度梯度,早期研究者使用了血浆凝块基质17,该方法也曾用于器官型脑片制备18。然而,1958年,有研究报道了一种新的制备三维胶原蛋白水凝胶的方案,可用于Maximow装置19——一种适用于多种显微观察研究的培养平台20。另一项先驱性研究则报道了使用胶原凝胶包埋人成纤维细胞,以研究在伤口愈合过程中成纤维细胞向肌成纤维细胞的分化21。与此同时,Lumsden和Davies应用牛皮来源的胶原蛋白分析神经生长因子(NGF)对感觉神经纤维导向的潜在作用22。随着不同公司和实验室开发出新的培养平台(例如多孔板),胶原蛋白培养体系也被适配于这些新型设备6,23,24,25,26。与此同时,源自Engelbreth-Holm-Swarm肿瘤细胞系的细胞外基质(ECM)提取物也被商业化提供,以进一步拓展此类研究27。
近年来,已开发出多种利用三维水凝胶(如胶原蛋白、纤维蛋白等)生成具有轴突导向潜在作用的分子梯度的技术方案28。另一种方法是将候选分子以不同浓度固定在多孔基质中(例如NGF29),或通过在三维水凝胶的局部区域培养分泌该分子的细胞聚集体,从而形成径向梯度4,23,24,25,26。本实验方案将详细阐述最后一种方法。
本文介绍的方法是一种基于小鼠胚胎脑组织三维水凝胶培养中轴突生长分析的简便、快速且高度可重复的技术。与其他方法相比,该方案特别适合未经专门训练的研究人员,经过短期培训(1-2周)即可完全掌握。在本方案中,我们首先从成年大鼠尾部提取胶原蛋白,用于制备三维基质,随后将基因修饰的细胞聚集体与胚胎神经组织相对放置并进行共培养。这些细胞聚集体可形成候选分子的径向化学浓度梯度,从而诱导生长中轴突产生响应。最后,可通过相差显微镜直接观察,或 alternatively 采用免疫细胞化学方法,便捷地评估该分子对生长轴突的影响。
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所有动物实验均在巴塞罗那大学动物实验伦理委员会(CEEA)的指南和规程下进行,本研究中啮齿类动物使用的方案已通过巴塞罗那大学动物实验伦理委员会(CEEA)的审查和批准(CEEA批准编号 #276/16 和 141/15)。
1. 大鼠尾部胶原蛋白的纯化
2. 在三维胶原蛋白水凝胶中制备可分泌候选分子的基因修饰细胞(COS1)聚集体
3. 胚胎外植体的制备与培养
4. 胶原蛋白水凝胶中三维共培养的制备
5. 外植体-细胞团共培养物的固定及免疫细胞化学操作
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本文介绍了一种易于推广的方法,用于研究小鼠胚胎神经系统在三维水凝胶胶原培养体系中的轴突生长。为此,我们从成年大鼠尾部提取胶原蛋白,构建三维胶原基质,并在其中共培养经基因修饰、表达Netrin-1或Sema3E的细胞聚集体与胚胎神经组织(例如海马CA区组织)。这些细胞聚集体可在胶原基质内形成候选分子的径向浓度梯度。最后,为评估神经元对不同分子的反应,我们采用免疫细胞化学方法(如α-TUJ-1染色)对培养样本进行标记,并结合一种简便易行的定量分析方法,获得了足够数据以确定候选分子对轴突行为的影响。
在我们的实验中,当海马体轴突遇到Netrin-1时,这些轴突优先朝向Netrin-1的来源生长,表明Netrin-1对该类轴突具有化学吸引作用(图1B)。相反,当海马体轴突遇到分泌Sema3E的细胞时,大多数轴突背向细胞团生长,表明Sema3E对这些轴突具有化学排斥作用(图1C)。在对照条件(空载体转染)下...
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发育中轴突的生长主要具有侵袭性,包括细胞外基质(ECM)的降解与重塑。通过本文所述方法,研究人员可以获得由天然I型胶原蛋白构成的均一三维基质,其中轴突(或细胞)能够对经基因修饰细胞分泌的化学梯度产生反应,如同在体内环境中的行为。可轻松比较轴突对吸引性或抑制性信号分子(蛋白质、脂类等)梯度的不同反应,并与特定对照(空载体转染细胞)进行比较。该方法的优势在于,肌腱易于分离,且通常可作为动物实验的残留组织而获得。此外,与其他组织(如皮肤或肺)相比,肌腱中I型胶原蛋白的浓度极高31。
尽管本文介绍的方法操作简单,但在实验过程中仍有一些步骤需要特别注意。在胶原蛋白提取过程中,必须彻底清除尾腱上的血管和皮肤碎片,以提高胶原蛋白的纯度和凝胶质量。此外,必须保持无菌条件,部分操作应在无菌超净工作台中进行,并在使用前对所有手术器械进行灭菌处理。同时,应严格控制溶液的pH值和温度条件。例如,若MEM 10x和碳酸氢盐溶液未达到最佳状态,胶原基质将无法均匀聚合,从而对轴突生长及实验结果产生不利影响。此外,若胶原原液浓度过高或过低,基质均不能正常凝胶化。根据...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Tom Yohannan 提供的编辑建议以及 M. Segura-Feliu 提供的技术支持。本工作由 CERCA 计划以及加泰罗尼亚自治区创新、大学与企业部的大学与科研委员会(SGR2017-648)资助。本工作还获得了西班牙科研、创新与大学部(MEICO)通过项目 BFU2015-67777-R 和 RTI2018-099773-B-100、西班牙朊病毒网络(Prionet Spain AGL2017-90665-REDT)以及卡洛斯三世研究所 CIBERNED(PRY-2018-2)的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 材料 | |||
| 3,3′-四盐酸二氨基联苯胺10 mg片剂(DAB) | Sigma | D5905 | |
| 成年Sprague-Dawley大鼠(8至9周龄) | Criffa-Credo,里昂,法国 | ||
| 亲和素-生物素-过氧化物酶复合物(ABC) | Vector Labs | PK-4000 | |
| B27无血清添加剂50倍浓缩液 | Invitrogen | 17504-044 | |
| 双辛可宁酸(BCA)蛋白检测试剂盒 | Pierce | 23225 | |
| cDNA质粒载体 | |||
| COS1细胞系 | ATTC | CRL-1570 | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma | 16325 | |
| 用于完全Neurobasal培养基的D-(+)-葡萄糖(水中45%溶液) | Sigma | G8769 | |
| 用于COS1培养基的D-MEM(Dulbecco改良Eagle培养基1倍) | Invitrogen | 41966-029 | |
| 用于细胞培养的Dulbecco’s磷酸盐缓冲液10倍浓缩液(不含Ca2+和Mg2+)(D-PBS) | Invitrogen | 14200 | |
| 乙醇 | Merck | 108543 | |
| 乙二胺四乙酸二钠盐二水合物(EDTA) | Sigma | E5134 | |
| 荧光封片介质(例如Fluoromount-G或类似产品) | Electron Microscopy Sciences (EMS) | 17984-25 | |
| 明胶粉末 | Sigma | G1890 | |
| 冰乙酸(Panreac,货号211008) | Panreac | 211008 | |
| Hank’s平衡盐溶液 | Invitrogen | 24020083 | |
| 热灭活胎牛血清 | Invitrogen | 10108-165 | |
| 热灭活马血清 | Invitrogen | 26050-088 | |
| 过氧化氢(H2O2,水中32至33%) | Sigma | 316989 | |
| 用于完全Neurobasal和COS1培养基的L-谷氨酰胺200 mM溶液(100倍浓缩) | Invitrogen | 25030-024 | |
| Lipofectamine 2000试剂 | Invitrogen | 11668-019 | |
| 怀孕雌性小鼠(胚胎期12.5至16.5天;E12.5-16.5) | Criffa-Credo,里昂,法国 | ||
| 改良Eagle最低必需培养基(MEM) | Invitrogen | 11012-044 | |
| 抗III类β-微管蛋白单克隆抗体(克隆TUJ-1) | Biolegend | 801201 | |
| N-2添加剂100倍浓缩液 | Invitrogen | 17502-048 | |
| Neurobasal培养基 | Invitrogen | 21103049 | |
| 多聚甲醛 | Merck | 1,040,051,000 | |
| 青霉素/链霉素溶液100倍浓缩液 | Invitrogen | 15140-22 | |
| 用于免疫细胞化学的磷酸盐缓冲液10倍浓缩液(PBS) | Invitrogen | AM9624 | |
| 二抗:生物素化马抗小鼠抗体 | Vector Labs | BA-2000 | |
| 无血清培养基(Opti-MEM) | Invitrogen | 11058-021 | |
| 叠氮化钠 | Panreac | 162712 | |
| 7.5%碳酸氢钠溶液 | Invitrogen | 25080-094 | |
| 无菌培养级H2O | Sigma | W3500 | |
| TritonTM X-100 | Sigma | X100 | |
| Trizma碱 | Sigma | T1503 | |
| 胰蛋白酶-EDTA(含EDTA(1倍)的0.05%(wt/vol)胰蛋白酶) | Invitrogen | 25300-054 | |
| 设备 | |||
| 1把大号和1把小号弯剪用于解剖 | Fine Tools Instruments或类似产品 | ||
| 1.5 mL锥形离心管 | Eppendorf或类似产品 | ||
| 15 mL锥形离心管 | Corning或类似产品 | ||
| 2把止血钳 | Fine Tools Instruments或类似产品 | ||
| 2把小号直头解剖剪 | Fine Tools Instruments或类似产品 | ||
| 用于离心的200 mL离心管 | Nalgene或类似产品 | ||
| 200 mL无菌玻璃锥形瓶 | |||
| 2 L玻璃烧杯 | |||
| 4孔和6孔培养板 | Nunc | 176740 和 140675 | |
| 自动移液泵及一次性含滤膜的10 mL和25 mL无菌塑料移液管 | Gilson、Brand、Eppendorf或类似产品 | ||
| 自动移液器、无菌滤芯吸头和当前使用的无菌吸头 | Gilson、Eppendorf或类似产品 | ||
| 带固定角转子的台式微量离心机 | Eppendorf、Beckman Coulter或类似产品 | ||
| 带摆桶转子的台式制冷离心机(配有1.5、15和50 mL试管适配器) | Eppendorf、Beckman Coulter或类似产品 | ||
| 37 °C、5% CO2和95%空气的细胞培养箱 | |||
| 透析管纤维素膜 | Sigma | D9402 | |
| 透析管封口夹 | Sigma | Z37101-7 | |
| 一次性玻璃移液管 | |||
| 带暗场光学系统的解剖显微镜 | Olympus SZ51或类似产品 | ||
| 高速制冷Beckman Coulter离心机或类似设备,带固定角转子 | |||
| 层流罩 | |||
| 大号100 mm、60 mm和小号35 mm Ø细胞培养皿 | Nunc | 150679、150288 和 150318,分别对应 | |
| 磁力搅拌器和磁力搅拌子 | IKA或类似产品 | ||
| McIlwain组织切片机 | Mickle Laboratory Engineering | ||
| 一对精细直头镊子和一对弯头镊子 | Fine Tools Instruments或类似产品 | ||
| 组织切片机用刀片 | |||
| 手术刀(15号和11号) | |||
| 两对精细刮勺,用于转移胶原蛋白和组织块 | Fine Tools Instruments或类似产品 |
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