本文介绍了一种从大鼠大脑皮层分离胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞以建立原代培养的实验方案,用于在hSOD1G93A大鼠模型中研究肌萎缩侧索硬化症病理生理机制时,进行细胞内Ca2+动态变化的延时视频成像。
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本文介绍了一种从大鼠大脑皮层分离胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞以建立原代培养的实验方案,用于在hSOD1G93A大鼠模型中研究肌萎缩侧索硬化症病理生理机制时,进行细胞内Ca2+动态变化的延时视频成像。
本方案演示了如何从 Sprague Dawley 大鼠的大脑皮层中分离培养原代胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞,并利用这些细胞研究大鼠 hSOD1G93A 模型中肌萎缩侧索硬化症(ALS)的病理生理机制。首先,本方案展示了如何从新生大鼠大脑皮层中分离并培养星形胶质细胞和小胶质细胞,随后通过免疫细胞化学方法,利用星形胶质细胞标志物胶质纤维酸性蛋白(GFAP)和小胶质细胞标志物离子化钙结合接头分子1(Iba1)对培养细胞进行鉴定和纯度检测。在下一阶段,介绍了对培养细胞进行染料负载(使用钙敏感性染料 Fluo 4-AM)的方法,以及在活细胞上通过视频成像实验记录 Ca2+ 变化的技术。
视频记录示例包括:(1)Ca2+ 对培养的星形胶质细胞急性暴露于自肌萎缩侧索硬化症(ALS)患者分离的免疫球蛋白G(IgG)进行成像,结果显示其产生特征性且特异性的反应,与同一实验中三磷酸腺苷(ATP)诱导的反应相比具有明显差异。示例还显示,在表达人源突变SOD1(hSOD1)的细胞中,ALS IgG诱发的细胞内钙离子浓度瞬时升高更为显著。G93A 星形胶质细胞与非转基因对照组相比;(2)Ca2+ 使用毒胡萝卜素(Thg)耗竭钙库过程中对培养星形胶质细胞进行成像,Thg 是内质网 Ca²⁺-ATP 酶的非竞争性抑制剂2+ ATP酶,随后通过在记录液中添加钙以诱导促发的钙库操纵性钙内流,表明了Ca之间的差异2+ hSOD1中的储存操作G93A 以及在非转基因星形胶质细胞中;(3)Ca2+ 培养的小胶质细胞成像显示,其对ALS IgG主要无反应,而ATP刺激则引起Ca2+ 变化。本文还强调了关于细胞密度和培养纯度的关键注意事项,以及选择正确浓度的 Ca2+ 染料及染料负载技术
细胞培养技术在健康与疾病状态下的细胞神经生理学多个领域推动了众多进展。特别是从实验动物的神经组织中新分离出的原代细胞培养,可使实验人员在不同的生化培养基和生理条件下深入研究多种细胞的行为。结合使用不同的荧光生理指示剂(如对Ca2+敏感的染料)和延时视频显微镜技术,能够实时更清晰地揭示细胞的生物物理和生化过程。
肌萎缩侧索硬化症(ALS)是一种破坏性的神经退行性疾病,影响上运动神经元和下运动神经元1。该疾病在家族性类型中具有复杂的发病机制,但大多数为散发型(占病例的90%)2。已知非细胞自主性机制参与了ALS的病理生理过程,这主要归因于胶质细胞的重要作用3。ALS也被明确定义为一种神经炎症性疾病,涉及体液和细胞炎症因子的参与。
免疫球蛋白G(IgG)被广泛用作肌萎缩侧索硬化症(ALS)及其他神经退行性疾病的分子标志物。研究该标志物的血清水平可提示疾病中神经炎症的存在及阶段4,5,6,而其在脑脊液中的出现则可能提示血脑屏障的破坏7。此外,IgG还被发现在ALS患者脊髓运动神经元中形成沉积物7。然而,该方法在IgG水平与疾病阶段及特征之间的相关性方面仍显示出一定的不一致性6。
从肌萎缩侧索硬化症(ALS)患者血清中分离的IgG(ALS IgG)可诱导正常星形胶质细胞产生钙反应8,并引起神经元释放谷氨酸,提示其具有兴奋毒性作用——这是ALS病理的典型特征9。然而,针对携带人类SOD1突变基因多拷贝的hSOD1G93A ALS大鼠模型的研究10表明,在培养的神经胶质细胞11、组织12,13,14或活体动物13中均存在多种氧化应激标志物。值得注意的是,与非转基因同窝对照动物来源的星形胶质细胞相比,源自ALS大鼠模型的星形胶质细胞在过氧化氢诱导下更易发生氧化应激11。
在培养条件下,ALS IgG 对小胶质细胞的影响不甚明显。具体而言,仅在施加11份ALS患者IgG样本中的4份后,BV-2小胶质细胞系才显示出氧化应激荧光标记物信号的升高15。众所周知,小胶质细胞参与多种神经炎症性疾病,在ALS的非细胞自主性机制中加剧氧化应激,并促进疾病晚期的进展16,17。然而,针对ALS IgG的研究数据表明,相较于星形胶质细胞,这些细胞对ALS炎症相关的体液因子反应性可能较低。已有多个研究利用ALS小鼠模型的原代星形胶质细胞开展实验,不仅取自幼鼠,也取自出现症状的动物,且分离部位既包括脑组织也包括脊髓18,19,20,21。对于原代培养的小胶质细胞而言,类似研究也已开展,但其研究程度不及星形胶质细胞,且多数来源于胚胎期的脑区组织22,23,24。
我们采用钙离子(Ca²⁺)的时间推移视频成像2+ 在培养细胞中,主要通过该方法追踪细胞内这种离子的瞬时变化,以此作为兴奋性毒性的生理标志物。因此,通过对这些瞬时变化的生物物理特征(如幅度、瞬时曲线下面积、上升时间、频率)进行表征,研究者可以从多种神经退行性疾病的细胞模型中获得实验性诊断参数。该技术因而为定量评估免疫球蛋白G(IgG)作为疾病生物标志物提供了优势。目前已有大量文献报道了IgG和Ca2+ 在ALS的诱导过程中,大多数研究是通过将患者IgG注射到实验动物体内来诱导ALS的25,26,27,28,29,随后显示出细胞内Ca2+ 升高及IgG沉积。一系列研究探讨了肌萎缩侧索硬化症(ALS)患者IgG对运动突触的影响 体外30,31,32在上述背景下,本文介绍的技术将重点放在胶质细胞上,强调其在肌萎缩侧索硬化症非细胞自主性机制中的重要作用,并量化其对IgG作为神经炎症体液因子的潜在兴奋性毒性反应。该方法可进一步应用于其他体液因子(如全血清、脑脊液或细胞因子)在不同细胞培养系统及一般炎症细胞模型中的检测。
本文介绍了如何从 Sprague Dawley 大鼠的皮层中分离培养胶质细胞、星形胶质细胞和小胶质细胞的原代培养物,并进一步利用这些细胞通过患者血清来源的 IgG 研究肌萎缩侧索硬化症(ALS)的病理生理机制。文中详细描述了细胞染料加载的实验方案(图1)以及在时间推移视频成像实验中记录 Ca2+ 动态变化的方法。视频记录示例将展示胶质细胞对 ALS IgG 的反应,并与三磷酸腺苷(ATP)的作用进行比较,后者可激活嘌呤能膜受体。本文首次展示了来自 hSOD1G93A ALS 大鼠脑组织的星形胶质细胞相较于非转基因对照组对 ALS IgG 产生更显著的 Ca2+ 反应,并阐述了该现象与 Ca2+ 储存机制差异之间的关联。此外,还展示了小胶质细胞在急性暴露于 ALS IgG 时的钙成像结果,其胞内钙反应较轻微。
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所有实验均依照欧盟关于科学实验用途动物保护的指令,并经贝尔格莱德大学生物学院伦理委员会批准(批准编号 EK-BF-2016/08)后进行。关于患者样本(用于IgG检测的血清),其采集已获得患者知情同意,符合《世界医学协会伦理准则》(赫尔辛基宣言)中涉及人类实验的规定。该方案已获塞尔维亚临床中心伦理委员会批准(编号 850/6)。
1. 原代细胞培养的制备
2. 免疫细胞化学
3. 时间序列视频成像
注意:含有荧光染料的溶液应避免直接光照。在开始成像实验前,请确保开启灌流时玻璃盖玻片不会发生移动。
4. 数据分析
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培养物中不同类型胶质细胞的鉴定
通常需要 15–21 天培养星形胶质细胞用于实验,而小胶质细胞的生长需要 10–15 天。通过免疫染色评估培养物的细胞纯度。图 1 显示了在各自的培养物中星形胶质细胞标志物 GFAP 与小胶质细胞标志物 Iba1 的双标表达情况。
钙成像技术可用于揭示健康星形胶质细胞与病变星形胶质细胞在细胞生理学上的差异。此前在野生型星形胶质细胞中,我们已证明肌萎缩侧索硬化症(ALS)患者的IgG可通过动员胞内和胞外钙库,使细胞质中Ca2+浓度升高8。本实验方案旨在确定在急性暴露于ALS患者IgG样本后,hSOD1G93A转基因与非转基因培养星形胶质细胞之间的钙瞬变是否存在差异。实验中,将负载Fluo4-AM的星形胶质细胞用ECS灌流3分钟,以获得稳定的基线信号;随后,在浴液中加入100 µg/mL的ALS IgG,持续5分钟;接着用ECS冲洗细胞,最后在每次记录结束时加入1...
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本文介绍了一种快速且高效的原代细胞培养方法 "在预算方面" 研究细胞(病理)生理学不同方面的工具,例如大鼠hSOD1中的肌萎缩侧索硬化症(ALS)G93A 模型。因此,该技术适用于在单细胞水平上开展研究,并可将结果外推至更高组织层次(如组织切片或活体动物)进行进一步探究。然而,细胞培养作为一种技术手段也存在一些注意事项。最关键的是,脑组织的分离及细胞解离必须在冰上操作,并尽可能缩短从组织分离到后续制备各步骤的总时间。污染是始终存在的障碍,可通过使用充分灭菌的器械并在层流罩内谨慎操作组织解离步骤来有效避免。37接种细胞时,细胞密度的控制也至关重要。若接种的细胞数量低于所需密度,将无法支持细胞在培养皿中的生长与增殖;反之,若细胞密度过高,则细胞间会因争夺培养基中的营养物质而产生竞争,从而导致更多的细胞死亡。因此,在接种前对解离后的细胞进行计数是十分必要的,尤其是在尚未积累关于起始组织量与解离体积之间恰当比例的足够经验之前。
GFAP 是一种广泛使用的星形胶质细胞标志物,常用于评估细胞培养的纯度
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作者声明无利益冲突。
本工作得到塞尔维亚共和国教育部科学技术发展合同编号451-03-9/2021-14/200178、FENS-NENS教育与培训集群项目"神经炎症中的胶质细胞三方课程"以及欧盟“地平线2020”计划MSCA RISE资助号#778405的支持。我们感谢Marija Adžić和Mina Perić提供免疫组织化学图像,以及Danijela Bataveljić在论文撰写过程中提供的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 15 mL 离心管 | Sarstedt, Germany | 62 554 502 | |
| 2 mL 离心管 | Sarstedt, Germany | 72.691 | |
| 21 G 针头 | Nipro, Japan | HN-2138-ET | |
| 23 G 针头 | Nipro, Japan | HN-2338-ET | |
| 5 mL 注射器 | Nipro, Japan | SY3-5SC-EC | |
| 6 mm 圆形玻璃盖玻片 | Menzel Glasser, Germany | 630-2113 | |
| 60 mm 培养皿 | ThermoFisher Scientific, USA | 130181 | |
| ATP | Sigma-Aldrich, Germany | A9062 | |
| AxioObserver A1 | Carl Zeiss, Germany | ||
| 牛血清白蛋白 | Sigma-Aldrich, Germany | B6917 | |
| 氯化钙 | Sigma-Aldrich, Germany | 2110 | |
| 离心机 | Eppendorf, Germany | ||
| DAPI | Sigma-Aldrich, Germany | 10236276001 | |
| D-葡萄糖 | Sigma-Aldrich, Germany | 158968 | |
| DMEM | Sigma-Aldrich, Germany | D5648 | |
| 驴抗山羊 AlexaFluor 647 IgG 抗体 | Invitrogen, USA | A-21447 | |
| 驴抗小鼠 AlexaFluor 488 IgG 抗体 | Invitrogen, USA | A-21202 | |
| EDTA | Sigma-Aldrich, Germany | EDS-100G | |
| EGTA | Sigma-Aldrich, Germany | E4378 | |
| ”evolve”-EM 512 数字相机系统 | Photometrics, USA | ||
| 胎牛血清(FBS) | Gibco, ThermoFisher Scientific, USA | 10500064 | |
| Fiji ImageJ 软件 | 在 GNU 通用公共许可证下的开源软件 | ||
| FITC 滤光片组 | Chroma Technology Inc., USA | ||
| Fluo-4 AM | Molecular Probes, USA | F14201 | |
| 山羊抗 Iba1 抗体 | Fujifilm Wako Chemicals, USA | 011-27991 | |
| HEPES | Biowest, France | P5455 | |
| 高速溶液交换系统 | ALA Scientific Instruments, USA | ||
| 培养箱 | Memmert GmbH + Co. KG, Germany | ||
| 氯化镁 | Sigma-Aldrich, Germany | M2393 | |
| Matlab 软件 | Math Works, USA | ||
| 小鼠抗 GFAP 抗体 | Merck Millipore, USA | MAB360 | |
| Mowiol 40-88 | Sigma-Aldrich, Germany | 324590 | |
| 正常驴血清 | Sigma-Aldrich, Germany | D9663 | |
| 多聚甲醛 | Sigma-Aldrich, Germany | 158127 | |
| 青霉素和链霉素 | ThermoFisher Scientific, USA | 15140122 | |
| 多聚-L-赖氨酸 | Sigma-Aldrich, Germany | P5899 | |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich, Germany | P5405 | |
| 磷酸二氢钾 | Carlo Erba Reagents, Spain | 471686 | |
| DELFIA PlateShake 摇床 | PerkinElmer Life Sciences, USA | ||
| 碳酸氢钠 | Sigma-Aldrich, Germany | S3817 | |
| 氯化钠 | Sigma-Aldrich, Germany | S5886 | |
| 七水合磷酸氢二钠 | Carl ROTH GmbH | X987.2 | |
| 丙酮酸钠 | Sigma-Aldrich, Germany | P5280 | |
| 毒胡萝卜素 | Tocris Bioscience, UK | 1138 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich, Germany | T8787 | |
| 胰蛋白酶 | Sigma-Aldrich, Germany | T4799 | |
| Vapro 蒸气压渗透压计 5520 | Wescor, ELITechGroup Inc., USA | ||
| ViiFluor 成像系统 | Visitron System Gmbh, Germany | ||
| VisiChrome 多色仪系统 | Visitron System Gmbh, Germany | ||
| VisiView 高性能配置 | Visitron System Gmbh, Germany | ||
| 氙短弧灯 | Ushio, Japan |
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