斑马鱼幼虫研究出血性脑卒中的病理后果

摘要

在这里, 我们提出了一个程序来量化脑损伤, 运动缺陷和神经炎症出血后, 脑出血的斑马鱼幼虫, 在人的脑出血 (ICH) 的情况下。

摘要

尽管是全球死亡率较高的中风最严重的亚型, 但没有针对脑出血 (ICH) 患者的具体治疗方法。临床上对 ICH 进行建模已被证明是困难的, 目前的啮齿类动物模型不能很好地概括人类 ICH 的自发性质。因此, 迫切需要替代临床前方法来研究 ICH 的疾病机制和潜在的药物发现。

斑马鱼的使用是一种越来越流行的转化研究方法, 主要原因是它们比哺乳动物的疾病模型具有许多优势, 包括繁殖率和允许存活的幼虫透明度成像。其他研究小组已经确定, 斑马鱼幼虫在脑血管发育的遗传或化学破坏后, 可以表现出自发的 ICH。该方法的目的是利用这些模型, 在临床前 ich 研究的背景下, 研究脑出血的病理后果。通过使用实时成像和动力检测, 可以评估和量化 ich 之后的脑损伤、神经炎症和运动功能。

本研究表明, 斑马鱼幼虫对人类脑出血的关键病理后果是保守的, 突出表明模型生物是一种有价值的体内系统, 可用于 ICH 的临床前研究。该方法的目的是使临床前中风社区能够采用斑马鱼幼虫模型作为啮齿类动物的替代补充模型系统。

引言

脑出血 (ICH) 是与自发性脑血管破裂和出血有关的最严重的脑卒中亚型, 导致脑损伤、身体残疾和经常死亡¹。尽管与 ICH^{2 相关}的死亡率和发病率很高, 但对其基础病因和出血后病理的了解仍然缺乏。因此, 没有具体的治疗方法来预防 ICH 或改善患者的结果。我们对疾病生物学的理解大多来自于 ich³的临床前啮齿类动物模型, 然而, 到目前为止, 这些模型中的研究未能将任何成功的治疗方法转化为^{4,5 临床}。这种失败的部分原因可能是由于这些临床前模型的一些局限性, 包括无法轻易重述人类疾病的自发性质, 以及需要侵入性手术来生成哺乳动物的模型.此外, 啮齿类动物在观察完整组织中细胞对 ICH 反应的快速发生方面也存在实际问题。鉴于缺乏啮齿类动物模型的翻译, 如果我们要克服这些实际问题并帮助确定新的药物靶点, 就必须开发自发 ICH 的替代模型。

在包括斑马鱼 (daio rerio)⁷在内的脊椎动物中, 血管发育的分子机制得到了很好的保护。因此, 这种模型生物体的采用正在成为研究脑血管病的一种越来越有用的力学策略.已经生成了一些斑马鱼模型, 这些模型重述了与中风相关条件^{9、10、11、12 相关的}表型。与哺乳动物8号模型相比, 利用斑马鱼幼虫研究疾病发病机制具有实用和科学的优势.这包括高繁殖率、快速发展和幼虫透明度, 允许在没有与啮齿类动物相关的侵入性约束的情况下进行体内成像。将这些优势与斑马鱼研究社区内广泛的转基因记者线结合起来, 相当于一种强有力的体内研究疾病生物学的方法, 尚未用于病理研究ICH 的后果。

大脑对血液的损伤反应为双相 13;主要的侮辱导致神经元死亡和细胞坏死, 然后引发由先天免疫激活引起的继发性损伤波。脑损伤的第二阶段, 特别是神经炎症成分, 被认为是未来药物治疗的现实目标 1³。在斑马鱼^幼虫中描述了自发性和脑性出血,^以前有14, 15, 16^{,17, 18,19}。两种模型是在受精后24小时使用阿托伐他汀 (atv) 来抑制 HMGCR 途径和胆固醇生物合成¹⁴, 以及一个气泡 (bbh) 突变体, 表达在arhgef7基因β pix 中表达低纯突变,并随后抑制紧血管内连接物18的肌动蛋白重塑。这些模型表现为自发性脑特异性血管破裂在循环开始时 (~ 33 hpf)。最近, 我们进一步描述了这些模型, 以揭示脑损伤反应的关键方面是保守的人和斑马鱼^幼虫20。这项研究展示了获得和可视化斑马鱼幼虫自发性脑出血所需的方法, 以及如何量化脑损伤, 以及与人类疾病有关的运动和神经炎症表型。这些数据和技术支持使用这种模型物种作为临床前 ich 研究的宝贵补充系统。

方案

斑马鱼是在曼彻斯特大学生物服务股的标准条件下饲养和维持的, 如上文^所述, 21。成人斑马鱼养殖获得曼彻斯特大学动物福利和伦理审查委员会的批准。所有实验都是根据英国内政部条例 (PPL:P132EB6D7) 进行的。

注: 本研究中使用的转基因线包括巨噬细胞特异性谱系 mpeg1:mcherry(如上文^{所述的 22}所述内部建造), 中性粒细胞特异性mpo: gfp²³, 红素特异性网关 1:dsred²⁴和泛型:secannexinv-mvenus, 记者的细胞死亡 (在^{房子 25}重新获得) 野生类型, nacre (mitfa^w2/w2)和突变 (bbh^m292) 背景。图 1显示了实验时间线。

图 1: 描述脑损伤、运动和神经炎症结果的实验时间表图.ICH, 脑出血;bbh, 泡泡头。在获得知识共享许可的许可下, 从 Crilly 等^人. 20 复制了图。请点击这里查看此图的较大版本.

1. 第0天: 鸡蛋生产和收集

1. 在1个雄性和1-2 头雌性成年斑马鱼生产的繁育箱中收集自然产卵的受精卵。
   注: 对于阿托伐他汀协议, 任何野生类型/转基因动物都可以使用, 但不同菌株之间的出血率略有不同。
2. 根据标准^{指南 26}, 在28°c 下, 在标准的 e3 胚胎培养基中, 在每个培养皿和阶段培养100个胚胎。
3. 在受精后的大约 6小时, 用巴斯德移液器将死胚胎和未受精的胚胎从盘子中取出。

2. 第1天: 阿托伐他汀治疗在 24 hpf

1. 使用锐利超薄解剖钳27治疗阿托伐他汀的胚胎.实验所需的数字可以相应地进行调整。
2. 在两个干净的 Petri 培养皿中加入30毫升的 E3 胚培养基。用一道菜治疗100个胚胎。
   注: 如果板材是为细胞培养而设计的, 那么在这个早期阶段, 对斑马鱼的研究往往会粘在底部。为避免这种情况, 请在使用前在干净的水中彻底冲洗板材。
3. 从处理板上取出60Μl 的胚胎水, 加入60μl 的 0.5 mM 阿托伐他汀 (ATV)。在 0.5 mM 的库存浓度下, 上述稀释将导致最终浓度为 1Μm, 从而导致约20% 的未出血幼虫 (ICH-E) 和约80% 的幼虫出血 (ICH +)。使用其他板进行未经处理的控制
   注: 阿托伐他汀溶解在蒸馏水中 (3 毫克至10毫升), 形成 0.5 mM 的库存溶液。在室温下在黑暗中过夜, 搅拌, 因为增溶需要一些时间。完全增溶可能需要长达1周的时间。不要使用 DMSO。解决方案是在20°C 上引用和存储的。不要冻结解冻。
4. 使用巴斯德移液器, 在尽可能少的水中将100个胚胎转移到处理板。
5. 在28°c 下培育板材。
   注: ICH 将发生在33到 48 hpf 之间。阿托伐他汀不需要去除, 因为孵育时间超过24小时不会导致任何进一步的发育问题。

3. 第2天: 在 50 hpf 分离 ich-和 ICH + 种群

1. 将 ICH + 鱼与 ich 种群分开, 并转移到新的菜肴, 以方便。
   1. 如果在1μm 浓度下使用 ATV 模型, 75-100 的幼虫在这个时候会出现出血 (ICH +)。
      注: 幼虫的反应因株而异, 如果幼虫未在所需频率出血, 请使用新的阿托伐他汀或更高浓度。如果幼虫在 48 hpf 之前没有出血, 那么考虑它们的 ich。
   2. 如果使用 bbh 模型, 所有纯合突变体都会出现 48 hpf 出血。如果使用杂合的内结, ichh-杂合子和野生类型的兄弟姐妹可以作为控制动物的实验。
2. 如有必要, 在 E3 培养基中加入 0.02% MS222, 对幼虫进行麻醉。使用巴斯德移液器, 将幼虫的头部血液分为新鲜的 E3 培养基。请参见图 2。
   注: 头部的血液可能出现在前脑、中脑或后脑部或合并, 而出血量可能因动物而异。在 bbh 突变体中, ICH 通常与较大的头部、眼睛之间更大的空间和更分散的出血可识别的严重水肿有关。然而, 并不是所有的 ICH + bbh 幼虫都表现出水肿。

图 2: Ich + 脑出血表型.幼虫 ich 表型的例子保持在转基因 gata1:DsRed 记者 nacre 背景观察与明亮场立体显微镜 (顶部板) 和荧光 (底部板) 在大约48小时后。在 ich 幼虫 (左板) 中没有观察到出血。在 ICH + 幼虫 (右板) 中观察到前脑和后脑 (箭头) 中的红血球明显积累。刻度条代表250微米. 图是在知识共享许可下获得许可的, 从 Crilly 等^人20 复制的。请点击这里查看此图的较大版本.

4. 第3天:72 hpf 的细胞死亡和白细胞分析

1. 用荧光显微镜筛查幼虫, 以确保荧光蛋白的表达。
   注: 在本研究中, 双星泛型:秒前克辛 v-mvenus 幼虫被用来报告脑细胞死亡和双转基因mpo:gfp;mpeg1:mserry或泛素: secannexinv-mvenus;mpeg1:mchery用于白细胞分析。
2. 用含有 0.02% MS222 的 E3 介质填充灯片安装室。
3. 使用 0.02% MS222 麻醉幼虫。将幼虫转移 (n = 1-6) 到干燥的 Petri 培养皿表面的一个液滴中。去除尽可能多的液体。
   注: 1.5% 的低熔体琼脂糖是用 0.15 g 低熔体琼脂在10毫升的 E3 介质中制备的, 在没有亚甲蓝的情况下, 在微波中保持在 45°c, 直至使用。
4. 在幼虫中加入1.5% 的低熔体琼脂糖 (在45°C 的热块中保持为液体), 并使用800μm 的安装毛细管, 首先将幼虫吸起来。如果定位不准确, 可以将幼虫从琼脂糖中排出并重新安装。在插入光片室之前, 让毛细管冷却。
   注: 或者, 也可以使用共聚焦显微镜进行此过程。为此, 幼虫应侧朝安装在玻璃底盘上。
5. 获取眼睛镜片 (~ 300μm) 之间头部的 z 堆栈图像, 并将其处理到最大强度投影图像。
   1. 从收集到的荧光细胞总数和总强度荧光^{20 的图像中}分析大脑区域。
6. 创建超过18-24 的多个投影复合材料的延时视频, 以跟踪白细胞的流动性和与垂死细胞的相互作用。
   注: 如果进行长期的实时成像, 只有一个幼虫安装在毛细血管。
7. 当成像完成后, 将幼虫从安装毛细管中排出 4% MS222 的致命过量来安乐死。

5. 第3天: 选择幼虫进行 72 hpf 的运动试验

1. 用 0.02% MS222 麻醉培养皿中的幼虫。
2. 随机选择 n = 24个幼虫进行动力试验, 并转移到新鲜的 E3 培养基中, 让动物从麻醉中恢复。
   注: 此时的麻醉剂消除了慢速游泳者容易捕捉到的选择偏差。

6. 第3-5 天: 在72、96和 120 hpf 进行运动检测

1. 将 72 hpf 选择的幼虫转移到 E3 培养基中, 不含亚甲蓝。
   注: 在 3 dpf 处进行检测, 让幼虫有充足的时间从麻醉 (& gt;1 h) 中恢复。
2. 用移液器将24孔板的一个幼虫在每口1毫升中。
   注: 切下移液器尖端的末端, 以避免损坏幼虫。板材尺寸可根据实验设计进行改变。
3. 将板加载到摄像室, 并使用白光惊吓常规进行10分钟的分析, 以增加自发游泳。
   注: 使用摄像室和跟踪软件跟踪游泳行为 (请参阅材料表)。
4. 在96和 120 hpf 对相同的幼虫重复实验。将幼虫从检测板中的单个外壳转移到培养皿中, 并在检测之间28°c 孵育。
5. 在检测完成时, 安乐死幼虫的致命过量为 4% MS222。

结果

使用双源泛素评估脑细胞死亡: Secanexinv-mvenus 在 atv 和 bbh 模型中产生明显的结论性死亡细胞簇, 而这些模型在所有 ich-vae 中都不存在 (图 3)。集群在 96 hpf 之前退去。通过图像分析, 出血与大脑中荧光信号的总强度显著增加两倍有关, 这表明细胞死亡明显。

通过大脑中mpeg1阳性巨噬细胞的显著增加, 在 ich + 幼虫中发现了神经炎症反应。总的 mpo阳性中性粒细胞的数量也增加了, 但这没有达到统计意义 (图 4)。Mpeg1阳性巨噬细胞的形态也可以在 ich + 幼虫中发生变化, 因为细胞采用活性的、圆形的、阿米体状。这些激活的圆形细胞也可以随着时间的推移进行监测, 以显示泛素的吞噬反应增加: SECANNEXINV-MVENUS 在 ich + 幼虫中表达死亡细胞 (图 5)。mpeg1显示成熟过程的阳性巨噬细胞被归类为非活性巨噬细胞。

与 bbh 和 ATV 模型中的 ichb 兄弟姐妹对照相比, 脑出血与72和 96 hpf 的运动力显著下降有关 (图 6)。120 hpf 的动力恢复到接近基线水平。鸡蛋离合器和菌株之间的基线运动往往存在差异, 因此每次都应与 ichh 控制进行比较。

图 3: 斑马鱼幼虫的脑出血 (ich) 导致可量化的脑损伤.(A) 与 ich + 幼虫 (右板) 相比, ich + 幼虫 (右板) 脑损伤表型的代表性图像, 为 72 hpf。明亮的场图像 (底部面板, 刻度杆 = 250μm) 显示了在 ICH + 幼虫中存在脑出血 (箭头)。进行荧光显微镜观察, 以可视化细胞死亡在泛素:秒前克辛 v-mvenus 记者行 (顶板, 刻度杆 = 100μm)。在血肿周围区域观察到死亡细胞群。图像被裁剪到大脑专用区域, 并使用补充文件 1中的宏对直径大于30像素 (白线) 的圆形粒子中的总绿色荧光强度进行了分析。(B) 对通过 atv 模型 (n = 每组 12; 3个独立复制) 获得的未经处理的 ich-和 ich + 幼虫大脑中的荧光信号进行定量, 时间为 72 hpf。将 ICH + 与未经治疗 (* * p = 0.004) 和 ich-(* p = 0.03) 兄弟姐妹进行比较时, 观察到显著差异。(C) 对荧光信号进行量化, 以便在 72 hpf 时, 在 72 hpf 时, 将通过泡泡头 (bbh) 模型 (n = 12; 2个独立复制) 获得的附件五结合在 ICHH 和 ich + 幼虫大脑中的附件新病毒进行定量。图形显示平均值中的 SD。ICH + 和 ICH-H 年龄匹配的兄弟姐妹 (* * * p = 0.002) 在 mVenus 荧光上存在显著差异。在获得知识共享许可的许可下, 从 Crilly 等^人. 20 复制了图。请点击这里查看此图的较大版本.

图 4: 脑出血 (ich) 在斑马鱼幼虫脑内引发先天细胞免疫反应.在 72 hpf 时, 在大脑区域内量化的白细胞数量 mpo:GFP;mpeg1:dsRed 双转基因幼虫 (n = 8 个, 2个独立复制) 显示巨噬细胞显著增加 (* p = 0.01), 但不是中性粒细胞 (p= 0.5), 响应 ICH。在获得知识共享许可的许可下, 从 Crilly 等^人. 20 复制了图。请点击这里查看此图的较大版本.

图 5:活化巨噬细胞对脑损伤表现出吞噬反应.(A) 代表性延时静止不动的第20显示巨噬细胞迁移到环素 v 阳性细胞 (i-vi)。史迪尔斯是从使用20x 目标拍摄的一系列整个大脑的图像中获得的。刻度杆代表50微米。巨噬细胞在吞噬环素 v 阳性细胞 (vi, vii) 之前获得了变形虫形态 (v)。吞噬后, 巨噬细胞恢复了一个缓慢的形态, 并迁移, 环素 v 阳性细胞已无法再看到 (八)。外露巨噬细胞 (#)、环心细胞 (箭头)、阿米体巨噬细胞 (*)。(B) ICHH 和 ich + 幼虫脑中mpeg1阳性细胞的代表性图像, 显示出变形和稀疏形态。与 ich + 兄弟姐妹相比, 在ich + 脑中观察到的阿米奥比德 (吞噬细胞) 的比例增加, 巨噬细胞的比例降低。在获得知识共享许可的许可下, 从 Crilly 等^人. 20 复制了图。请点击这里查看此图的较大版本. 

图 6: Ich 引起的脑损伤导致斑马鱼幼虫的运动缺陷可量化.(A) 72、96和 120 hpf 的 ich-和 ich + bbh 幼虫游泳道的代表性例子。(B) ich + 幼虫在72和 96 hpf 的10分钟记录期间的累计移动时间显著减少。意义在 120 hpf 时间点失去, 可能暗指脑损伤后的恢复 (n = 每组24个幼虫; 3个独立复制; * * * p = 0.006; * * p = 0.003; ns:p = 0.08)。(C) 在 120 hpf 的未经处理和 atv 处理的 ichr-和 ich + 幼虫中累计移动所花费的时间的量化。ICH + 幼虫在10分钟的记录期间的累计移动时间显著减少。使用了3个技术复制 (n = 每组24个幼虫) 从平均值 (* * * p = 0.004, * * p = 0.0003) 计算 SD。在获得知识共享许可的许可下, 从 Crilly 等^人. 20 复制了图。请点击这里查看此图的较大版本.

补充文件 1.请点击此处下载此文件.

讨论

这项研究表明, 水鱼幼虫的 ICH 诱导脑损伤反应, 重述了人类状况的关键方面, 可以系统地进行检测和量化。斑马鱼提供了一个一致和可重复的自发 ich 模型, 这将有助于未来的药物干预研究, 重点是针对血液引起的脑损伤, 而不是防止血管破裂^17,28.事实上, 考虑到类似于临床情况的疾病发病的快速性质, 这种方法为未来成功翻译提供了令人兴奋的前景。

斑马鱼幼虫的使用有一些局限性, 例如使用开发系统和分类等级, 但必须考虑这一模式的实际和科学优势, 以便对 ICH 提供新的见解。不需要手术就可以开始出血或监测受伤后长时间的细胞过程。斑马鱼对的高繁殖力产生容易获得和大样本大小, 由于幼虫的快速发展, 与啮齿类动物研究 29^,30 相比, 实验时间线显著缩短。

目前, 这些模型适合用于阐明活完整动物大脑中自发性 ICH 的直接病理和免疫反应。有可能, 这种模式可以适应中高通量的药物屏幕的 ich 疗法, 无论是预防或恢复促进。因此, 本研究中提出的 ich 后病变是临床前 ich 研究的一个替代的补充平台。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
24 孔板	Sigma-Aldrich	CLS3527
28 °C 培养箱	LMS	210
阿托伐他汀	Sigma-Aldrich	PZ0001-5mg
繁殖箱	Thoren Aquatics 系统	10011
Daniovision 观察室	诺达思	n/a
E3 培养基 1x			4% Instant Ocean，500 µL 亚甲蓝在 1 L dH2O
动物运动轨迹跟踪系统软件	诺达思	版本 11
加热块	Grant-Bio	PHMT-PSC18
即时海洋	即时海洋	SS15-10
光片显微镜	蔡	Z.1
光片显微镜安装毛细管	蔡	402100-9320-000
低熔点琼脂糖	Promega	V2111
亚甲蓝	Sigma-Aldrich	319112-100ML
显微镜	徕卡	MZ95	解剖显微镜
	徕卡	M165FC	荧光显微镜
MS222			4 克三卡因粉，500 mL dH2O，10 mL 1 M Tris （pH 9）。将 pH 值调节至 ~7
P1000 移液器	Gilson	F144059M
P1000 移液器吸头	Starlab	S1122-1830
巴斯德移液器	Starlab	E1414-0300
培养皿	康宁	101VR20
Pipetboy	Integra Biosciences	PIPETBOY
Stripette 25ml	康宁	CLS3527
三卡因粉末	Sigma-Aldrich	A5040-25G
Tris Base	Fisher BioReagents	BP152-1
超细解剖钳	脂科学	AGT502
Zen 软件	Zeiss	版本 2.3