在大脑皮层发育过程中,神经元和胶质细胞起源于衬于脑室壁的室管膜区,并向脑表面迁移。许多基因参与了这一过程。本方案介绍了对迁移中的神经元和胶质前体细胞进行活细胞延时成像的技术。
在大脑皮层发育过程中,神经元和胶质细胞起源于衬于脑室壁的室管膜区,并向脑表面迁移。许多基因参与了这一过程。本方案介绍了对迁移中的神经元和胶质前体细胞进行活细胞延时成像的技术。
在大脑皮层发育过程中,神经元和胶质细胞起源于衬于脑室壁的室管膜区,并向脑表面迁移。这一过程对大脑正常功能至关重要,其调控异常可导致出生后的神经发育障碍和精神疾病。事实上,许多与这些疾病相关的基因已被发现参与了该过程,因此揭示这些基因突变如何影响细胞动态变化,对于理解相关疾病的发病机制具有重要意义。本实验方案介绍了一种对小鼠胚胎脑切片中迁移的神经元和胶质前体细胞进行活体延时成像的技术。通过使用荧光蛋白对细胞进行标记,结合 在子宫内 电穿孔技术,可利用高信噪比对从脑室区迁移的单个细胞进行可视化观察。此外,该方法 体内 基因转移系统使我们能够通过共电穿孔其表达载体或敲低/敲除载体,轻松地对目标基因进行功能获得或功能缺失实验。利用本方案,可分析单个细胞的迁移行为和迁移速度,而这些信息是通过固定脑组织无法获得的。
在大脑皮层发育过程中,位于侧脑室壁的脑室区(VZ)中的(顶端)放射状胶质细胞首先产生神经元,随后产生胶质前体细胞,这两个过程存在部分重叠时期1。神经元也可由紧邻VZ的室下区(SVZ)中的中间前体细胞或基底放射状胶质细胞生成,而这些细胞均起源于(顶端)放射状胶质细胞2,3。在小鼠中,放射状胶质细胞在胚胎期(E)12–14天仅产生神经元,在E15–16天同时产生神经元和胶质前体细胞,从E17开始则主要产生胶质前体细胞4。在这些胚胎阶段产生的主要胶质前体细胞群体倾向于分化为星形胶质细胞,尽管其中也有部分细胞分化为少突胶质细胞5。在这些阶段生成的神经元和星形胶质前体细胞向脑表面迁移并进入皮层板(未来的皮层灰质)。神经元从VZ向皮层板的迁移经历多个阶段。神经元首先在多极细胞聚集区(MAZ)上方转变为多极形态,在该区域(与SVZ或中间区重叠)中,神经元剧烈地伸出和回缩多个细小突起,并缓慢迁移(称为多极迁移)6,7。大约24小时后,神经元转变为双极形态,伸展出一个粗大的朝向脑表面的 leading process 和一个向后的细长 trailing process,并沿着放射状胶质细胞延伸至软脑膜表面的放射状突起作为支架,呈直线向脑表面迁移,这一模式称为运动模式(locomotion mode)2,8。由于处于运动模式的神经元总是能够到达皮层板的最外层表面,并穿过位于边缘区下方的早期出生神经元,因此神经元在皮层板中按照出生时间呈现出由内向外的顺序排列9,10,11。
相比之下,星形胶质细胞前体细胞会快速迁移至中间带和皮层板,并频繁改变迁移方向。这种迁移行为与神经元迁移完全不同,被称为“不规则迁移”5。星形胶质细胞前体细胞还会沿着血管迁移,这一过程称为“血管导向迁移”。这些前体细胞可在上述两种迁移模式之间转换,并最终到达皮层板5,12。尽管星形胶质细胞的定位并非严格由其生成时间决定,但已有研究观察到早期生成的星形胶质细胞倾向于定位于皮层板的浅层区域5。有趣的是,定位于皮层板的星形胶质细胞是在胚胎期产生的,并最终分化为原浆型星形胶质细胞;而出生后产生的星形胶质细胞则不进行主动迁移,停留在白质中,并分化为纤维状星形胶质细胞5。这种依赖发育阶段的星形胶质细胞亚型特化机制目前尚不清楚。
越来越多参与神经元迁移的基因已被发现,其中包括与神经发育障碍和精神疾病相关的基因13,14。因此,阐明这些基因突变对迁移中神经元行为的影响至关重要。如前所述,神经元迁移包含多个阶段。通过延时成像观察可直接确定受主要影响的阶段(细胞周期退出、多极-双极转换、运动迁移速度等)。然而,星形胶质细胞在命运决定、迁移及定位过程中的分子机制仍 largely unknown。鉴于星形胶质细胞在突触形成15以及脑发育过程中血脑屏障构建16中发挥关键作用,其发育缺陷可能导致神经发育障碍。对星形胶质前体细胞的延时研究有助于阐明这些分子机制及其与精神疾病的关系。
本方案提供了一种对皮层室下区来源细胞进行延时观察的方法。类似的用于观察神经元迁移的视频方案已有发表。17在此,我们描述了迁移神经元和星形胶质细胞前体的标记方法。为了用荧光蛋白(如绿色荧光蛋白和红色荧光蛋白,GFP 和 RFP)标记这些细胞,将含有适当组分的质粒混合物导入大脑皮层室下区(VZ) 在子宫内 在适当阶段进行电穿孔18,19,20,21在目标阶段取出经处理的胚胎,切片后利用激光扫描显微镜进行活体延时观察。该方法可用于分析细胞迁移速度、方向及其他行为特征,而这些参数无法通过固定脑组织样本进行研究。利用 在子宫内 电穿孔、表达和敲低/敲除载体可与荧光蛋白载体同时转移,使我们能够对特定基因进行功能获得和功能缺失研究。
本研究经爱知发育障碍中心发育研究研究所动物护理与使用委员会(#2019-013)和庆应义塾大学(A2021-030)批准,并遵循其相关指南进行。 定时妊娠的ICR(野生型)小鼠通过商业途径获得(见材料表)。为观察迁移细胞与血管之间的关系,使用了Flt1-DsRed小鼠,其内皮细胞表达DsRed22。将雄性Flt1-DsRed小鼠与雌性ICR小鼠(均为8–24周龄)交配。所有动物在采样前均饲养和操作于特定病原体阴性(SPF)环境中。本研究中使用的试剂和设备列于材料表中。
1. 在子宫内 电穿孔
2. 切片的制备
注意:切片的新鲜度是本实验成功的关键。切片必须在2小时内完成制备(从步骤2.5至2.12)。
3. 时间序列成像
4. 成像分析
大脑皮层室下区的放射状胶质细胞在E14之前仅产生神经元,在E15和E16则同时产生神经元和胶质细胞。为了同时观察神经元和胶质细胞的迁移行为,我们分别利用神经元特异性启动子T,通过增强型绿色荧光蛋白(EGFP)和红色荧光蛋白(RFP)对它们进行标记。α1 启动子27以及人胶质纤维酸性蛋白(hGFAP)启动子28,该系统在星形胶质细胞中优先激活。星形胶质细胞前体在迁移过程中会重复进行细胞分裂,导致质粒在细胞中被稀释。为避免这一问题,采用了转座子载体系统,包括供体质粒(pPB)和转座酶表达载体(pCAG-hyPBase)。29,30使用的供体质粒(pPB-CAG-LNL-RFP)含有loxP-neo-loxP(LNL)表达盒,并可根据Cre重组酶的表达情况表达RFP。将指定质粒电转至ICR小鼠(野生型;WT)中 图 2A 在E15时取材,3天后制备脑片。在此期间,第一群EGFP+ 神经元到达皮质板表面(图2B),但许多EGFP+ 神经元仍在迁移。进行了持续24小时的延时观察。在此期间,具有粗大 Leading Process 的神经元以相对恒定的速度沿皮层板直线迁移至脑表面(19.54 ± 6.21 µm/h,均值±标准差,70个细胞)。迁移轨迹通过使用TrackMate软件自动追踪(图中品红色线条) 图2B)。在同一目标视野中,使用RFP对星形胶质细胞前体进行可视化观察(图 2C)。由于hGFAP启动子在胚胎晚期的放射状胶质细胞中也具有活性,因此部分由这些放射状胶质细胞衍生的神经元也表达RFP(图中蓝色箭头所示) 图2B, C)。这些神经元几乎总是转染了EGFP表达载体。因此,星形胶质细胞前体被鉴定为RFP单阳性细胞。
与神经元不同,星形胶质细胞前体细胞在中间带和皮层板内迁移迅速且随机,方向频繁改变(不规则迁移)5。通过MTrackJ软件手动追踪星形胶质细胞前体细胞的迁移路径(图2C中的品红色线条),结果显示其具有高度运动性(88.37 ± 33.61 µm/h,5个细胞)。为了观察星形胶质细胞前体细胞与血管之间的关系,采用了Flt1-DsRed小鼠,该小鼠的内皮细胞表达DsRed(一种RFP)。在本实验中,星形胶质细胞前体细胞仅通过EGFP进行识别。为此,开发了rDIO系统5,该系统利用Dcx启动子(一种早期神经元特异性启动子)31驱动另一套DNA重组酶及其识别序列(Dre-rox),从而在神经元中消除依赖hGFAP-Cre的EGFP表达(图2D,pPB-CAG-rDIO-EGFP序列见补充文件1)32,33。通过子宫内电穿孔将rDIO系统于E15时期导入Flt1-DsRed小鼠,24小时后制备脑切片。结果观察到EGFP阳性的星形胶质细胞前体细胞沿血管主动迁移(血管导向迁移)5(图2E)。

图1:通过宫内电穿孔标记细胞的延时观察流程。(A)将处于适当发育阶段的怀孕小鼠麻醉后,切开腹腔。手术区域用无菌塑料膜和无菌纸巾覆盖。暴露子宫角,向胚胎注射1 µL质粒混合物,并施加电脉冲。缝合腹壁和皮肤后,将操作后的小鼠放回饲养笼中。(B)将电穿孔后脑组织制备的切片置于玻璃底培养皿中的细胞培养插件滤膜上(最多6片)。将含有切片的玻璃底培养皿安装到培养腔内。该延时成像系统配有丙烯酸罩,覆盖整个显微镜,以维持37 °C的恒温环境。在罩内,培养腔内部设有显微镜载物台,并持续供给加湿的混合气体。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:神经元与星形胶质前体细胞的延时观察。(A)神经元(EGFP,绿色)与星形胶质前体细胞(RFP,红色)差异标记方法,以及电穿孔后2天、延时成像开始后2小时制备的脑片代表性图像(右侧)。(B,C)在(A)右侧所示同一视野下,EGFP+(B)和 RFP+ 细胞(C)从2小时到21小时的延时图像。(B)由 TrackMate 软件自动检测的 EGFP+ 迁移细胞轨迹以品红色显示。(C)使用 MTrackJ 软件手动追踪 RFP+ 细胞的轨迹。推测为神经元的 EGFP/RFP 双阳性细胞以蓝色箭头标示。(D)在 Flt1-DsRed 小鼠胚胎中利用 rDIO 系统标记星形胶质前体细胞的策略。(E)血管引导迁移的代表性结果。一个细胞(箭头)伸出前导突起(箭头所示尖端),并沿表达 DsRed 的血管(品红色)向软脑膜表面迁移。CP;皮层板。IZ;中间带。VZ;室管膜区。比例尺:200 µm(A–C),50 µm(E)。本图改编自 Tabata H. 等人5。请点击此处查看该图的放大版本。
| 神经元(II/III层) | 星形胶质细胞前体细胞 | rDIO系统 (星形胶质细胞特异性标记) | |||
| pCAG-EGFP | 0.5 µg/µL | pPB-CAG-LNL-EGFP | 0.5 µg/µL | pPB-CAG-rDIO-EGFP | 0.5 µg/µL |
| 或 Ta1-EGFP(对神经元更具特异性) | 0.5 µg/µL | hGFAP-Cre | 0.75 µg/µL | hGFAP-Cre | 0.75 µg/µL |
| pCAG-hyPBase | 0.5 µg/µL | pDcx-Dre | 0.5 µg/µL | ||
| pCAG-hyPBase | 0.5 µg/µL | ||||
表1:针对每个靶点的质粒混合物的代表性组分。 EGFP载体可替换为相应的RFP或其他荧光蛋白表达载体。为标记星形胶质细胞前体细胞,采用转座子载体系统。pPB载体是用于基因组整合的PiggyBac转座子载体。pCAG-hyPBase是PiggyBac转座酶表达载体。LNL是用于Cre依赖性表达的loxP-neo-loxP盒。rDIO-EGFP是EGFP表达的Cre-loxP和Dre-roxP依赖型开关盒。为观察目的基因的功能获得或功能缺失表型,可在体系中加入1 µg/µL的表达载体或敲低载体。这些载体的浓度应根据具体情况调整。
补充文件1:质粒序列。 请点击此处下载该文件。
本方案介绍了一种对源自脑室带(皮层)VZ的细胞进行延时观察的方法。为了标记从VZ迁移的细胞,我们采用了 在子宫内 电穿孔,其中单个细胞的标记信噪比较高,优于病毒载体介导的标记。使用 在子宫内 电穿孔技术可将任意类型、任意组合的载体轻松导入活体胚胎中的放射状胶质细胞(神经干细胞)。利用不同的启动子可选择性地标记神经元和胶质前体细胞。由于质粒的拷贝数由电穿孔导入 在子宫内 电穿孔效率高,可通过共电穿孔GFP表达载体与多种目的基因相关载体(如过表达载体及基因敲低/敲除载体),便捷地开展功能获得性与功能缺失性研究。此外, 在子宫内 电穿孔可用于将质粒载体导入除大脑皮层室下区以外的其他脑区室下区,从而使得我们能够观察来自神经节隆起的抑制性神经元、少突胶质细胞前体等其他细胞类型的迁移过程34,35,36 海马锥体神经元37.
在延时成像研究中,可利用 TrackMate 和 MTrackJ 软件评估基因获得功能和缺失功能实验对细胞行为的影响。许多基因,包括那些与神经发育障碍和智力障碍相关的基因,均参与神经元迁移过程。延时成像研究能够直接揭示这些基因如何调控细胞行为。与神经元迁移相比,胶质细胞迁移的分子机制尚不明确。该方法不仅可能揭示胶质细胞的正常发育过程,还可能揭示影响胶质细胞发育的遗传和环境因素及其与精神疾病的关系。
该方法的局限性在于其不可避免地依赖于 体外 切片培养法。有趣的是,即使在培养的切片中,迁移的神经元也不会失去向脑表面迁移的方向性信号 体外然而,研究者必须注意可能产生的假象。靠近表面的细胞会附着在滤膜上,且脑片边缘的细胞容易发生形变,这些细胞应排除在分析之外。若条件允许,应设置对照实验。需要注意的是,脑片在制备后约24小时内可重现正常的发育过程。因此,电转后制备脑片的时间应根据所要观察的事件是否发生在此时间窗口内来确定。若要观察多极-双极转化过程,应在电转后2天制备脑片;若分析运动模式下的迁移过程,则以电转后3天制备脑片为宜。观察血管引导的迁移比其他实验更具挑战性,因为缺乏血流的情况下,脑片中的内皮细胞容易降解。为最大限度减少血管降解,脑片应尽快制备,并维持在含有20%血清和40% O₂的培养基中2 气体。其他补充实验,例如固定脑组织的组织学分析或 体内 使用双光子显微镜进行活体成像,可加强在脑片延时分析中获得的观察结果。
总之,该方法是观察细胞行为长达24小时的唯一选择。随着新型质粒载体的开发,该方法的应用范围在未来将进一步扩大。
Tα1 启动子由 P. Barker 和 F.D. Miller 惠赠。Dcx 启动子由 Q. Lu 惠赠。hGFAP-Cre 由 Albee Messing 惠赠。PiggyBac 转座子载体系统由桑格研究所提供。Flt1-DsRed 小鼠由 M. Ema(滋贺大学)提供。本工作得到日本学术振兴会科研费(JSPS KAKENHI,H. Tabata 项目编号 JP21K07309,K. Nakajima 项目编号 JP20H05688 和 JP22K19365)、武田科学振兴财团、庆应义塾藤泽纪念教育与科研振兴基金以及庆应义塾学术发展基金对 K. Nakajima 的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 吸液管组件 | 德拉蒙德 | 2-040-000 | |
| 阿替美唑(5 mg/mL) | 明治 | Mepatia | |
| 自动切片机 | Becton Dickinson | 427630 | 9 mm |
| B27添加剂 | Gibco | 17504-044 | |
| 布托啡诺(5 mg/mL) | 明治 | Vetorphale | |
| 细胞培养小室 | Millipore | PICM ORG 50 | |
| 共聚焦显微镜 | Nikon | A1RHD25 | 配备长工作距离物镜(S Plan Fluor ELWD 20XC) |
| 冷冻模具 | Tissue-Tek | 4566 | |
| 培养室 | Tokken | TK-NBCMP | 定制 |
| 电穿孔仪 | NEPA基因 | NEPA21 | |
| 快绿 | Sigma-Aldrich | F7258 | |
| 气体混合器 | 托肯 | TK-MIGM01-02 | |
| 玻璃底培养皿 | 岩木 | 3910-035 | 玻璃底直径为27 mm |
| 玻璃毛细管 | Narishige | GD-1 | |
| HBS(2倍浓度) | Sigma-Aldrich | 51558 | |
| HBSS(-) | 和光 | 084-08345 | |
| 加热单元 | Tokken | TK-0003HU20 | 定制款,包括罩子和加热器 |
| hGFAP-Cre | Addgene | #40591 | Albee Messing 惠赠 |
| ImageJ | https://imagej.net/ij/ | ||
| L-谷氨酰胺(200 mM) | Gibco | 25030 | |
| 低熔点琼脂糖 | Lonza | 50100 | |
| 右美托咪定(1 mg/mL) | 明治 | Medetomin | |
| 显微注射仪 | Narishige | IM-300 | |
| 咪达唑仑(5 mg/mL) | Sandoz | 咪达唑仑 | |
| MTrackJ | https://imagescience.org/meijering/software/mtrackj/ | ||
| Neurobasal 培养基 | Gibco | 21103-049 | |
| pCAG-hyPBase | 将来自 pCMV-hyPBase(由 Sanger 研究所惠赠)的 hyPBase cDNA 插入 pCAGGS(由 J. Miyazaki 惠赠)中 CAG 启动子的下游。 | ||
| pDcx-Dre | 将 Dcx4kbEGFP70(Q. Lu 惠赠)中的 Dcx 启动子替换为 pCAG-NLS-HA-Dre34(Pawel Pelczar 惠赠,Addgene #51272)中的 CAG 启动子。 | ||
| 青霉素 + 链霉素 | Gibco | 15140122 | |
| 质粒纯化试剂盒 | Invitrogen | PureLink HiPure 质粒中量提取试剂盒 (K210005) | |
| pPB-CAG-LNL-RFP | 将来自 pCALNL-DsRed(Connie Cepko 惠赠,Addgene #13769)的 CAG-LNL 插入片段和 TurboRFP cDNA(Evrogen,FP232)插入至 pPB-CAG.EBNXN(Sanger Institute 惠赠)的克隆位点中。 | ||
| pPB-CAG-rDIO-EGFP | 包含合成 rox 位点、合成 DIO 磁带以及反向的 pEGFP-N1(Clontech,U55762)来源的 EGFP cDNA 的序列 被插入到 pPB-CAG.EBNXN(由桑格研究所惠赠)的克隆位点中。序列信息见补充文件。 | ||
| 拉力器 | Narishige | PN-31 | |
| StackRed | ImageJ 的一个插件 | http://bigwww.epfl.ch/thevenaz/stackreg/ | |
| 缝合针 | 纳兹梅 | C-24-521-R 编号1 | 1/2 圆,长度 14 mm |
| 缝合线 | 纳兹梅 | C-23-B2 | 丝线,5-0号 |
| ICR(野生型)孕鼠(定时交配) | 日本SLC | ICR 小鼠 | |
| TrackMate | https://imagej.net/plugins/trackmate/index | ||
| 镊子型电极 | BEX 或 NEPA 基因 | CUY650P5 | |
| Tα1-EGFP | 将 pEGFP-N1(Clontech,U55762)中的 EGFP cDNA 插入到 T 的下游α质粒253中的1号启动子(由P. Barker和F.D. Miller惠赠) | ||
| 振动切片机 | 徕卡或蔡司 | 振动切片机 VT1000S 或 Hyrax V50 |
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