我们建立了一种原代大鼠星形胶质细胞模型,该模型为研究 Alexander 病(AxD)提供了一个具有生理相关性的体系,可用于探究 GFAP 聚集、病理学修饰以及星形胶质细胞功能障碍。该体系弥合了体外(in vitro)与体内(in vivo)研究之间的差距,为探索 AxD 的病理机制以及发现神经退行性疾病的治疗靶点提供了一个可靠的平台。
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我们建立了一种原代大鼠星形胶质细胞模型,该模型为研究 Alexander 病(AxD)提供了一个具有生理相关性的体系,可用于探究 GFAP 聚集、病理学修饰以及星形胶质细胞功能障碍。该体系弥合了体外(in vitro)与体内(in vivo)研究之间的差距,为探索 AxD 的病理机制以及发现神经退行性疾病的治疗靶点提供了一个可靠的平台。
星形胶质细胞在维持中枢神经系统稳态、支持神经元功能以及应对损伤或疾病方面发挥着至关重要的作用。星形胶质细胞功能障碍 increasingly 被认为是神经退行性疾病的关键致病因素,其中包括 Alexander 病(AxD)——一种由胶质纤维酸性蛋白(GFAP)基因突变引起的罕见且致命的疾病。这些突变导致 GFAP 蛋白聚集、Rosenthal 纤维形成以及进行性星形胶质细胞功能障碍。尽管 in vivo 动物模型提供了复杂的细胞环境,但现有的 in vitro 和 in vivo 模型在准确模拟星形胶质细胞复杂的细胞背景和功能方面仍存在局限性。为解决这一问题,我们建立了一种细胞模型,利用来自野生型(WT)和 AxD 模型大鼠的原代星形胶质细胞,以研究 GFAP 突变的功能性影响。该具有生理相关性的系统可深入探究星形胶质细胞特异性的机制,包括 GFAP 聚集、氧化应激反应以及病理学修饰。对于无法获得 AxD 模型大鼠的研究人员,慢病毒转导提供了一种替代方法,可将与 AxD 相关的 GFAP 突变引入正常大鼠来源的星形胶质细胞中,从而拓宽该方法的适用性。与永生化星形胶质细胞系或使用重组蛋白的 in vitro 研究相比,原代星形胶质细胞能更好地保留天然的细胞结构和分子特征,为研究 GFAP 的动态变化、溶解性以及星形胶质细胞对氧化损伤和病理修饰等应激因素的反应提供了可靠的实验平台。该细胞模型弥合了分子水平与系统水平研究之间的鸿沟,为探索 AxD 中星形胶质细胞功能障碍提供了一个可控的实验框架。通过补充现有研究方法,原代星形胶质细胞培养加深了我们对 AxD 病理机制的理解,并为识别神经退行性疾病的潜在治疗靶点提供了有价值的工具。
星形胶质细胞是一类特化的胶质细胞,遍布整个中枢神经系统(CNS),在维持脑内环境稳态、调控神经元活动以及应对损伤或疾病方面发挥关键作用1。其功能包括神经递质的清除与再循环、细胞外离子和水的稳态调节,以及对神经环路功能的支持。星形胶质细胞分泌的分子对成年大脑中突触的发育和突触可塑性至关重要2。当中枢神经系统受到损伤或发生疾病时,星形胶质细胞会发生反应性改变,介导促炎或抗炎信号通路,从而在特定情况下发挥神经保护作用,但也可能促进中枢神经系统病理进程3。星形胶质细胞功能的失调正日益被认识到是影响中枢神经系统健康与疾病的关键因素4,5。
胶质纤维酸性蛋白(GFAP)是一种III型中间丝(IF)蛋白,是星形胶质细胞的主要细胞骨架成分,大多数但并非全部星形胶质细胞均表达GFAP。在中枢神经系统(CNS)损伤后,GFAP表达上调,可作为组织损伤严重程度的标志物。6尽管GFAP传统上被认为与结构功能相关7,其功能意义仍鲜有研究。GFAP 基因突变可导致 Alexander 病(AxD)8,一种罕见的神经退行性疾病,其特征为GFAP聚集、Rosenthal纤维形成以及进行性星形胶质细胞功能障碍。尽管 体外 生化研究9,10,11 和 体内 动物模型12,13 尽管为AxD病理提供了见解,但未能捕捉到星形胶质细胞功能的复杂细胞环境14.
为了克服这些局限性,我们建立了一种细胞模型,该模型使用来自野生型(WT)和AxD模型大鼠的原代星形胶质细胞13。该系统保留了星形胶质细胞固有的细胞结构和分子特征,可用于研究GFAP聚集、氧化应激反应以及与AxD相关的病理改变。对于无法获得AxD模型大鼠的研究人员,慢病毒转导提供了一种替代方法,可将与AxD相关的GFAP突变导入来自正常大鼠的星形胶质细胞中10。
与永生化细胞系相比,原代星形胶质细胞保留了星形胶质细胞群体的异质性和复杂性 体内,为研究星形胶质细胞特异性机制提供了一个生理学上相关联的平台15。与 体外 使用重组蛋白的研究9原代星形胶质细胞天然表达GFAP及其他星形胶质细胞特异性标志物,可在天然细胞环境中研究与疾病相关的变异10,16,17此外,原代星形胶质细胞有助于研究其对氧化损伤等应激刺激的功能性反应18 和炎症19,这在简化的模型中难以复制 体外 系统
在轴索性营养不良症(AxD)研究中,原代星形胶质细胞通过弥合分子水平与系统水平研究之间的鸿沟,补充了生化分析和体内研究方法。尽管生化检测聚焦于GFAP突变的分子特性,但缺乏细胞层面的复杂性;而体内模型虽能捕捉系统性效应,却不适用于深入的细胞机制研究。原代星形胶质细胞提供了一个兼具细胞复杂性和实验可控性的中间体系,符合当前神经退行性疾病研究的趋势,即强调利用细胞模型来阐明疾病机制并识别潜在治疗靶点20。
本论文介绍了原代大鼠星形胶质细胞作为 Alexander 病(AxD)研究的细胞模型的建立与应用。通过实现野生型(WT)与 AxD 星形胶质细胞之间的直接比较,该方法克服了其他技术的关键局限性,并通过慢病毒转导提高了实验的可及性。这些发现有助于深入理解 AxD 中星形胶质细胞的功能障碍,并为神经退行性疾病的治疗研究提供了有价值的工具。
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本方案所使用的动物实验已获得国立清华大学生命科学与医学学院动物实验委员会(NTHU IACUC 批准号:109088 和 111060)的批准,并遵循《实验室动物照护与使用指南》的相关规定。
1. 培养基、盖玻片、培养皿和培养板的准备
2. 原代星形胶质细胞培养的制备
注意:示意图见图1。
3. 慢病毒颗粒的制备与转导
注意:示意图见图2。
4. 免疫荧光显微镜
5. 免疫印迹
6. 共培养用原代神经元的制备
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不同时间点分离后原代星形胶质细胞培养的形态学概述如下所示 图3皮质细胞悬液接种后,部分星形胶质细胞在最初24小时内即贴附于培养皿表面。图 3A)。在最初的3到5天内,培养物中含有细胞碎片和正在死亡的神经元(图 3B),因为培养基已优化,可支持星形胶质细胞的存活与生长。接种后7天,星形胶质细胞开始形成单层,表明培养已成功建立图3C)。在培养中维持的离解神经元会经历明确的分化阶段,最终发育出清晰的神经突图3D–F)。这些神经元可培养在玻璃盖玻片上形成单层,或接种于原代星形胶质细胞之上以进行共培养实验,从而为研究星形胶质细胞-神经元相互作用提供了一个多功能平台。
按照本方案制备来自正常大鼠的原代星形胶质细胞后,我们研究了与 Alexander 病(AxD)相关...
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原代星形胶质细胞培养已显著推动了我们对星形胶质细胞在健康与疾病中作用的理解。在McCarthy和de Vellis21开创性工作的基础上,这些培养体系对于研究Alexander病(AxD)至关重要,因其能够深入探究星形胶质细胞特异性过程,特别是AxD突变对GFAP组装及聚集体形成的影响。
原代星形胶质细胞的成功分离与培养依赖于多个关键步骤,这些步骤影响细胞的存活率、纯度和可重复性。脑组织的快速而精确的解剖,结合对胰蛋白酶浓度和消化时间的仔细优化,对于防止组织降解并确保完全解离为单细胞悬液至关重要。轻柔吹打及使用无菌细胞筛网可进一步提高细胞纯度,去除碎片和细胞团块。随后进行低速离心,并用新鲜培养基小心重悬细胞,有助于维持较高的细胞活力和生长状态,同时减少实验变异性和污染风险。细胞分离后,表面包被材料的选择对于确保细胞牢固贴壁并实现实验目标至关重要。聚-L-赖氨酸(PLL)因其成本效益高且能有效促进细胞强粘附而常被使用,但其他包被材料如层粘连蛋白22,
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作者无任何利益冲突需要披露。
感谢 Tracy Hagemann 博士(美国威斯康星大学麦迪逊分校怀斯曼中心)提供 R237H 基因敲入大鼠。本研究由国家科学与技术委员会资助(项目编号:111-2320-B-007-008 和 112-2320-B-007-006,授予 N.-H. L. 和 M.-D. P.)。作者感谢中国台湾国立清华大学共聚焦成像核心实验室的支持,该实验室由国家科学与技术委员会(NSTC-114-2740-M-007-001)资助。我们还感谢中国台湾国立清华大学仪器中心提供电子显微镜的使用权限。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 M HEPES,pH 7.4 | Gibco | 15630-080 | |
| 100× 青霉素-链霉素溶液 | Gibco | 15140-122 | |
| 10× 亨克氏平衡盐溶液(HBSS) | Gibco | 14180-046 | |
| 2.5% 胰蛋白酶 | Gibco | 15090046 | |
| 30% 丙烯酰胺/双丙烯酰胺溶液 37.5:1 | Biorad | 1610158 | |
| 抗GFAP抗体 | Cell Signaling Technology | 12389 | |
| 抗人GFAP抗体 | Biolegend | 837202 | 克隆号 SMI21 |
| 抗panGFAP抗体 | Agilent | GA524 | |
| 抗泛素抗体 | Millipore | ST 1200 | 克隆号 FK2 |
| 抗波形蛋白抗体 | Sigma-Aldrich | V6389 | 克隆号 V9 |
| 抗-β III 微管蛋白抗体 | Biolegend | 801201 | |
| B27添加剂 | Gibco | 17504044 | |
| 氯化钙(CaCl2) | Arcos | 34961 | |
| 细胞培养相关试剂 | |||
| ChemiDoc成像系统 | BioRad | NA | |
| 考马斯亮蓝染料 | USB | 32826 | |
| 半胱氨酸 | Sigma-Aldrich | C1276 | |
| 二硫苏糖醇(DTT) | UR | DTT | |
| DNase I | Sigma-Aldrich | D5025 | |
| 达恩斯匀浆器 | Wheaton | ||
| 杜尔贝科改良伊格尔培养基(DMEM) | Corning | 10-013-CM | |
| 无内毒素质粒DNA提取试剂盒 | Qiagen | 12943 | |
| 增强型化学发光(ECL)试剂 | PerkinElmer | NEL 105001 | |
| 乙二胺四乙酸(EDTA) | USB | 15699 | |
| 胎牛血清 | Gibco | A5209401 | |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| GlutaMax | Gibco | 35050-061 | |
| 最低必需培养基(MEM) | Corning | 10-010-CVR | |
| NaCl | Honeywell | 31434S | |
| Neurobasal培养基 | Gibco | 21103049 | |
| Optima XE-90 超速离心机 | Beckman | NA | |
| 木瓜蛋白酶 | Worthington | LS003126 | |
| 苯甲基磺酰氟(PMSF) | ACROS ORGANICS | 215740050 | |
| 聚乙烯亚胺 | Sigma-Aldrich | P3143 | |
| 聚-L-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P6516 | |
| 氯化钾(KCl) | Honeywell | 12636 | |
| 罗丹明抗肌动蛋白抗体 | BioRad | 12004164 | |
| 十二烷基硫酸钠(SDS) | USB | 75819 | |
| 丙酮酸钠 | Gibco | 11360070 | |
| StarBright Blue 520 山羊抗小鼠IgG | Biorad | 12005867 | |
| StarBright Blue 700 山羊抗兔IgG | BioRad | 12004161 | |
| 蔗糖 | Sigma-Aldrich | S5391 | |
| SW-28 转子 | Beckman | NA | |
| TansIT-LT1 转染试剂 | Mirus | MR-MIR-2300 | |
| TEMED | USB | 76320 | |
| 三(羟甲基)氨基甲烷(Tris) | USB | 75825 | |
| 吐温X-100 | Sigma-Aldrich | T9284 | |
| β-巯基乙醇 | Sigma-Aldrich | M3148 |
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