Waiting
Login-Verarbeitung ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Neuroscience

一种基于板的测定法,用于测量急性脑切片中内源性单胺释放

Published: August 11, 2021 doi: 10.3791/62127
* These authors contributed equally

Summary

该方法引入了一种使用急性脑切片检测内源性单胺释放的简单技术。该装置使用含有组织支架的48孔板进行单胺释放。释放的单胺通过HPLC结合电化学检测进行分析。此外,该技术还为药物发现提供了一种筛选方法。

Abstract

单胺类神经递质与许多神经系统和精神疾病有关。这些条件的动物模型已经显示出单胺神经递质释放和摄取动力学的改变。技术上复杂的方法,如电生理学,快速扫描循环伏安法(FSCV),成像,体内微透析,光遗传学或使用放射性是研究单胺功能所必需的。这里介绍的方法是一种优化的两步法,用于检测急性脑切片中的单胺释放,使用含有组织支架的48孔板来检测单胺释放,并使用高效液相色谱联用电化学检测(HPLC-ECD)进行单胺释放测量。简而言之,使用组织切片器或振动器获得包含感兴趣区域的大鼠脑切片,包括前额叶皮层,海马体和背纹状体。从整个大脑中解剖这些感兴趣的区域,并在含氧的生理缓冲液中孵育。在整个实验过程中,通过3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物(MTT)测定法检查了活力。急性解剖的大脑区域在不同的药物条件下孵育,已知这些药物条件通过转运蛋白(苯丙胺)或通过活化胞细胞囊泡释放(KCl)诱导单胺释放。孵育后,收集上清液中释放的产物并通过HPLC-ECD系统进行分析。在这里,通过HPLC从急性脑切片中检测到基础单胺释放。该数据支持先前的体内和体外结果,表明AMPH和KCl诱导单胺释放。该方法对于研究与单胺转运蛋白依赖性释放相关的机制特别有用,并且提供了以快速和低成本的方式筛选影响单胺释放的化合物的机会。

Introduction

过多的神经系统和精神疾病与单胺类神经递质(多巴胺[DA],5-羟色胺[5-HT],去甲肾上腺素[NE])稳态的失调或维持不足有关123。这些疾病包括但不限于抑郁症12,精神分裂症2,焦虑症2,成瘾4,更年期567,疼痛8和帕金森病3例如,几种更年期大鼠模型表明,海马体、前额叶皮层和纹状体内单胺失调或减少可能与抑郁和认知能力下降有关,这在经历更年期的女性中可见。这些模型中单胺的失调已经使用HPLC-ECD进行了广泛的检查,尽管这些研究没有区分测量的神经递质含量与神经递质释放567。单胺通过Ca2 +依赖性囊泡释放9经典地释放到细胞外空间,并通过其各自的质膜再摄取系统(多巴胺转运蛋白,DAT;血清素转运蛋白,SERT;去甲肾上腺素转运蛋白,NET)1011循环。相反,数据表明,这些转运蛋白能够释放或排出单胺,因为已知苯丙胺(AMPH)和3,4-亚甲二氧基甲基苯丙胺(MDMA)等滥用药物分别通过其转运蛋白系统释放DA和5-HT121314151617.因此,对单胺释放动力学的正确机制理解对于开发特定和靶向的药物治疗至关重要。

已经采用了广泛的技术来研究单胺释放,例如快速扫描循环伏安法(FSCV)18,体内微透析13,成像19,放射性标记的单胺预孵育20,光遗传学,以及最近的遗传编码荧光传感器和光度测定法2122.FSCV和体内微透析是用于研究单胺释放的主要技术。FSCV用于研究刺激的DA在急性脑切片和体内的胞吐释放23由于FSCV使用电极来刺激或唤起释放,因此神经递质释放的主要来源是Ca2 +依赖性囊泡释放182425262728293031.体内微透析与HPLC相结合,使用放置在感兴趣大脑区域的探针测量细胞外神经递质水平的变化1332。与FSCV类似,体内微透析的一个主要限制是难以确定神经递质释放的来源:Ca2 +依赖性囊泡释放或转运蛋白依赖性。值得注意的是,这两种方法都可以直接测量单胺释放。通过光遗传学的最新进展,研究表明,在短时间内检测到5-HT和DA释放,具有精致的细胞类型特异性2122。然而,这些策略需要复杂而昂贵的技术和设备,并间接测量单胺释放,特别是通过单胺与受体结合。此外,放射性标记的单胺也用于研究单胺动力学。放射性标记的单胺可以预加载到各种模型系统中,例如异源细胞过度表达每个单胺转运蛋白2033,34353637383940,原代神经元20,突触体33394142,和急性脑切片4344。然而,放射性对实验者造成潜在的伤害,并且氚标记的分析物可能无法忠实地概括内源性单胺动力学4546。超聚变系统与HPLC-ECD等离线检测方法相结合,允许从多个组织来源检测单胺。在这里,该协议提供了一种优化和低成本,简单和精确的方法,使用急性脑切片直接测量内源性基底和刺激的单胺释放。

急性脑切片允许测试机械假设,主要是因为它们保留了体内解剖学微环境,并保持完整的突触474849505152在一些研究中,急性脑切片或切碎的脑组织已与使用KCl刺激Ca2 +介导的释放的超融合技术结合使用53545556。超聚变系统对于推进该领域对神经递质释放机制(包括单胺)的理解至关重要。然而,这些系统相对昂贵,可用于组织分析的腔室数量从4-12不等。相比之下,这里介绍的方法价格低廉,可以测量48个组织样品,并且可以改进以使用多达96个组织样品。48孔板内的每个孔都包含组织支架,这些组织支架使用过滤器将释放的产物从组织中分离出来,然后通过HPLC-ECD收集和分析释放的单胺。重要的是,该方法允许在用调节单胺释放的药理剂治疗后,同时测量来自不同大脑区域(如前额叶皮层,海马体和背纹状体)的5-HT,DA和NE释放。因此,实验者可以使用廉价的多孔系统回答多个问题,该系统增加了测试样品的数量,从而减少了使用的动物数量。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

所有实验,包括动物处理和组织收集,都是根据佛罗里达大学和纽约城市学院机构动物护理和使用委员会(IACUC)按照批准的协议201508873(UF)和1071(CCNY)进行的。有关试剂和缓冲液,请参阅 补充文件

1. 准备急性大鼠脑切片

注意:在该实验中,使用成年雄性大鼠(250-350g)。然而,这种设置对于不同的发育点,雌性大鼠和其他物种是有效的。如果使用较小的动物,如小鼠,实验者可以通过在每个条件下使用不同数量的大脑切片或拳头来调整以优化方案。解剖缓冲液将被称为缓冲液1;外排缓冲液将称为缓冲液 2。

  1. 准备补充 文件中提到的缓冲区 1。通过在冰上用95%/5%(O2 / CO2)冒泡20分钟,使缓冲液1充满氧气。取出 50 mL 缓冲液 1,在小烧杯或培养皿中冰镇冷却。该缓冲液用于保持急性收获的整个大脑。
  2. 用1%-2%异氟醚麻醉一到两只成年大鼠(250-350克),用断头台将其斩首,然后迅速取出它们的大脑。立即将大脑置于步骤1.1中容器中的冰冷含氧缓冲液1中。
    注意:确保安全使用异氟醚和断头台。在通风橱下打开异氟醚。
  3. 使用振动切片机或压缩切片机,从每个感兴趣的区域切割300μm日冕脑切片(图1)。在制作截面时,冒泡缓冲区 1 必须存在。使用不锈钢刮刀,小心并立即将脑切片转移到充满冰冷含氧缓冲液1的新培养皿中(图2)。
  4. 通过使用大鼠脑图谱57小心地将切片移动到载玻片(图1G)上,进一步解剖脑切片(例如,打孔,切出)。例如,根据其黑暗的条纹结构识别背纹状体,并根据其与皮层的接近程度和独特的螺旋结构来识别海马体。可以将左右半球分开用作对照和实验切片(图2G - H)。在这里,将背纹状体进一步解剖成2mm打孔(图1G)。
  5. 使用截断尖端的塑料转移移液器,将切片或脑冲头转移到小容器中,浸入含氧冰冷的缓冲液1中,并冒氧。这些容器可以是不锈钢网,也可以是装有缓冲液的小培养皿(图1H)。

2. 从脑切片或冲孔中释放出体外内源性单胺

注:用于本节的设备由一个48孔板和一个由六个微量离心机过滤装置制成的组织支架组成,没有连接到碳原管路的插入过滤器(图2)。要制作支架,请使用坚固的塑料棒(例如,来自电池刮刀)并将微量离心机过滤装置超级胶水,而无需插入过滤器。让它干燥1-2天。内源性单胺释放实验所需的时间和苯丙胺、氟西汀和可卡因的浓度基于当前文献和先前的方案132058

  1. 组织活化
    1. 将脑组织从步骤1.1.5转移到流出室的每个孔中,并在37°C下在0.5-1mL含氧缓冲液2的玻片加热器上恢复30-50分钟,具有恒定,温和的气泡(图2B1)。
    2. 在此孵育过程中,将药物稀释至实验所需的浓度。所有药物必须溶解在缓冲液2中,浓度基于当前文献。
  2. 首次孵化
    1. 将带有脑组织的组织支架移至含有500μL含氧缓冲液2的孔中,并在37°C下孵育20分钟。 通过敲击孔边缘的支架,确保将最少或没有缓冲液输送过来,直到支架中没有多余的缓冲液。
    2. 在使用单胺转运蛋白抑制剂等药理学药物的实验中,用在含氧缓冲液2中稀释的药物(例如,10μM氟西汀,40μM可卡因;见 图2B2)孵育组织样品。每个孔中的最终体积为500μL。
  3. 第二次孵化
    1. 将带有组织的支架移动到一组含有500μL总缓冲液2的新孔中,无论是否具有每种药物的所需浓度。确保没有多余的缓冲区残留。对于实验条件,每个孔表示 n = 1。每个实验条件一式三份进行。
    2. 一个孔包括一个含氧缓冲液2,下一个10-30μM AMPH,最后一个孔包括10-30μM AMPH加单胺转运蛋白抑制剂。将每种药物溶解在含氧缓冲液2中。
    3. 在37°C下用500μL药物条件孵育组织20分钟。
      注意:额外的孔可能包括含氧高K +缓冲液2,带或不带单胺转运蛋白抑制剂。将每种药物溶解在含氧缓冲液2(500μL)中。
    4. 在20分钟的第二次孵育期间,从步骤2.2.1中第一次孵育的孔中收集溶液,并转移到含有50μL1 N高氯酸或磷酸(取决于HPLC的类型,终浓度0.1 N)的微量离心管中。样品的最终体积为550μL,将微量离心管保持在冰上,并标记管#1。
    5. 在第二次孵育20分钟后,将带有脑切片或冲孔的组织支架移动到空孔中,并将板保持在冰上。将上清液转移到含有50μL高氯酸或磷酸的微量离心管中。样品的最终体积为550μL,将微量离心管保持在冰上,并标记管#2。
    6. 向每个含有组织的孔中加入1 mL冰冷缓冲液1。使用小镊子收集所有组织,并转移到清洁的微量离心管中。
    7. 将脑组织管保持在-80°C。 弃去缓冲液1的1mL(图2B4)。
    8. 使用微量离心过滤器管(0.22μm)在2,500× g 下从每个孵育中获得的过滤溶液2分钟。使用滤液使用HPLC和电化学检测来确定单胺含量(图2B5)。

3. 组织活力

  1. MTT 检测
    注意:关于这种实验设置的一个重大问题是组织活力,因为组织可以使用长达数小时59。MTT测定6061 用于在实验结束时确定组织活力。该测定基于黄色四唑盐MTT(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物)通过具有足够代谢的活细胞转化为紫色甲腈晶体。
    1. 实验后保持一组单独的组织样本,并将它们分成两组。
    2. 将一组在37°C下在溶解在缓冲液2中的Triton X-100(1%)中孵育20分钟作为对照。Triton X-100治疗导致细胞死亡。将第二组维持在缓冲液2中,并且不要在Triton X-100(组织活力对照)中孵育。
    3. 将MTT(储备溶液5mg / mL在PBS中,pH 7.4)加入含氧缓冲液2中的两组至终浓度为0.5mg / mL。
    4. 将组织样品在37°C下孵育20分钟,用PBS洗涤,然后转移到含有250μLS(10%,w / v),DMF(25%,v / v)和水的微量离心管中以溶解甲舐晶体。
    5. 将样品孵育24小时。
    6. 将试管以10,000×g离心10分钟,并使用酶标仪测量上清液(200μL)在562nm和690nm处的吸光度。组织活力计算如下:(A562-A690)/组织重量。

4. 单胺的高效液相色谱分析

  1. 使用HPLC-ECD根据先前的方案1344,使用反相柱定量每个实验条件下的单胺释放。
    1. 准备检测所需的流动相。这包括100 mM磷酸,100 mM柠檬酸,0.1 mM EDTA-Na2,600 mg / L辛烷磺酸,8%v / v乙腈(最终pH值6.0)。流动相的组成取决于所用HPLC的类型和色谱柱。
    2. 将电化学检测器(2 mm玻碳电极)的电位设置为0.46 V,并将流速设置为0.05 mL/min。
    3. 将5μL每个样品(包括神经递质标准品)加载到HPLC中,用于自动注射和检测。每个样品的添加量取决于所用HPLC的类型。
    4. HPLC完成运行后,使用给定的HPLC分析软件获取和分析色谱仪数据。
    5. 使用由每种单胺组成的标准曲线分析单胺含量(多巴胺:DA,去甲肾上腺素:NE和血清素:5-HT; 图 2C)。根据制造商的指南,使用生成的色谱图获得曲线下面积 (AUC)。

5. 制备用于蛋白质定量的组织裂解物

  1. 蛋白质测定
    1. 将冰冷的裂解缓冲液和蛋白酶抑制剂(0.1 g / 1 mL)加入每个含有脑切片/冲头的微量离心管中,并使用研杵均质器进行均质。微量离心管在均质时必须保持在冰上,以防止蛋白质降解。
    2. 在4°C下孵育组织匀浆1小时,轻轻旋转。
    3. 在4°C下以16,000× g 离心组织匀浆15分钟并回收上清液。
    4. 测定上清液中的蛋白质浓度,以牛血清白蛋白(BSA)为标准品。
    5. 将每个脑样品中的单胺含量归一化为在250μL裂解的脑组织中测量的蛋白质总含量(μg)。使用下面的公式来确定nmol单胺/ g蛋白。df = 稀释因子。

Equation 1

6. 统计分析

  1. 使用单因素方差分析单胺释放(nmol/g),然后进行Sidak的多重比较检验,以进行事后比较。
  2. 使用独立组的不成对学生 t检验分析组织活力(对照组与1%Triton X-100)。
  3. 对于所有统计分析,请将 alpha 水平设置为 ≤ 0.05。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

该技术描述了使用脑切片来测量内源性单胺的释放,使用HPLC和基于具有内部组织支架的48孔板的电化学检测。实验设置如图 1图2所示。最初,为了确保在实验结束时的组织活力,进行了MTT(3-(4,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物,四氮唑)测定。经过功能实验后,与与1%Triton X-100(细胞死亡条件)孵育的急性脑切片相比,急性脑切片具有代谢活性并保持活力(图3)。

急性,20分钟,用AMPH治疗海马和前额叶皮层脑切片可诱导每种单胺的细胞外水平显着增加(图4A,B)。AMPH(30μM)使海马切片和前额叶皮层切片的细胞外5-HT水平分别增加了220倍和64倍,细胞外NE增加了19倍和8倍,细胞外DA水平分别提高了8倍和7倍。在氟西汀(10μM)存在下进行类似的实验,氟西汀是一种选择性5-羟色胺再摄取抑制剂。用氟西汀抑制SERT可防止AMPH在海马体和前额叶皮层中诱导的细胞外5-HT的增加。相反,氟西汀不影响AMPH对同一大脑区域细胞外DA或NE的影响,与其对SERT的选择性一致(图4A,B)。所有实验条件一式三份进行。

接下来测量2mm背纹状体冲孔释放的单胺。急性,20分钟,用AMPH(10μM)治疗背纹状体穿孔诱导DA的细胞外水平比基础水平增加35倍(图4C)。DA检测集中在背纹状体,因为该区域先前报道的5-HT和NE的基础水平较低6263。因此,与AMPH诱导的细胞外DA水平相比,AMPH诱导细胞外5-HT的微小剂量依赖性增加(数据未显示)。与仅用AMPH孵育的穿孔相比,用可卡因(40μM)孵育背纹状体(40μM)导致AMPH诱导的细胞外DA的显着抑制(图4C)。该数据进一步支持先前的发现,表明AMPH通过DAT16诱导DA流出。

最后,为了证明单胺的胞吐释放,将脑切片与KCl(40mM)孵育。与对照条件相比,增加细胞外KCl的浓度以通过孵育40mM KCl来引起膜去极化足以诱导单胺的胞吐释放(图5)。氟西汀和可卡因都不会阻止KCl膜去极化诱导的单胺细胞外水平的增加。

Figure 1
图1:急性大鼠脑切片和切片准备。A)将大鼠脑置于脑基质中。高级切口表示视交叉的顶部;下切口位于下丘脑基部后方 3 mm 处。进行切割以去除海马体和纹状体,并确保在切片之前将标本牢固地粘在压缩器或振动切片机上的水平底座。(B-D)超级胶水铺在舞台的底部周围,将大脑粘在上面,立即用琼脂糖覆盖,并使用(D)中的冷冻钳固化琼脂糖。(E-F)使用压缩切片机为大鼠大脑制作300μm切片,并将切片置于含氧缓冲液中直至使用。(G)将切片放置在载玻片上,并进行背纹状体的2毫米冲孔。(G)在开始功能实验之前,将背纹状体(顶部),海马体切口(中)和皮层切口(底部)的冲孔保持在4°C的含氧解剖缓冲液中。请点击此处查看此图的放大版本。

Figure 2
图2:外排实验的实验设置。A)外排室由48孔组织培养板和连接到碳原管路的组织支架托盘组成。(B) 显示内源性单胺外排实验的实验设计的图表,其中介绍了组织活化(B1),使用/不使用单胺转运蛋白抑制剂的预孵育(B2),外排实验(B3)和最终样品处理(B4-B5)。(C)左侧面板描绘了一名实验者将香水装入HPLC中,为自动注射做准备。右侧面板显示了表示单胺标准峰的代表性色谱图。测量每个单胺标准品和脑样本的曲线下面积(AUC)。校准后,为每个脑样本测量的AUC转换为nM浓度。请点击此处查看此图的放大版本。

Figure 3
图3:在实验结束时,急性脑切片是可行的。 进行MTT测定以确定组织活力,并与Triton X-100进行比较1%,后者诱导细胞死亡。MTT测定的结果表明,到6小时结束时,组织样品仍然存活。结果表示为SEM±平均值(N = 6)。P < 0.0001,未成对 t 检验。 请点击此处查看此图的放大版本。

Figure 4
图 4:安非他明在海马体、前额叶皮层和背纹状体的打孔的急性脑切片中诱导单胺释放。A-B) 在 30 μM AMPH 中孵育的海马和前额叶皮层切片导致 5-HT、DA 和 NE 释放显著增加。氟西汀显著抑制 5-HT 释放,但对这些区域的 DA 或 NE 释放没有影响。(C)将2mm背纹状体打孔物在可卡因(40μM)或AMPH(30μM)中孵育。AMPH刺激的DA释放和可卡因预处理导致AMPH诱导的DA释放显着减少。所有测量值均以 nmol/g 蛋白质为单位。统计学表示单因素方差分析,后跟 Sidak 多重比较检验。结果表示为SEM±平均值(N = 6)。统计量表示具有 Sidak 多重比较检验的单因素方差分析(** p = 0.01,*** p = 0.001,**** p = 0.0001)。请点击此处查看此图的放大版本。

Figure 5
图5:高细胞外K+导致单胺通过膜去极化释放。(A-B)KCl(40mM)诱导膜去极化和HPC和PFC中所有三种单胺的释放.在两个脑部区域,用氟西汀(10μM)预处理不影响KCl对细胞外单胺释放的影响。(C)KCl(40mM)诱导膜去极化和背纹状体中DA的释放,用可卡因(40μM)预处理不影响KCl对DA释放的影响。统计学表示单因素方差分析,后跟 Sidak 多重比较检验。结果表示为SEM±平均值(N = 6)。统计量表示具有 Sidak 多重比较检验的单因素方差分析(***p < 0.001,****p < 0.0001)。请点击此处查看此图的放大版本。

补充文件:缓冲液和溶液的配方。 请点击此处下载此文件。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

多年来,单胺释放测量已经在许多系统中进行,例如异源细胞,神经元培养物,脑突触体,离体急性脑切片和整个动物13204142586465666768.这些制剂使神经科学领域能够探索基本的神经递质释放机制,这些机制可能导致发现用于单胺起作用的神经系统和精神疾病的新型药理学药物。尽管广泛使用了这些方法,但在内源性单胺释放的来源和/或数量方面存在某些限制,特别是在放射性程序中。此外,离体急性脑切片制剂已广泛用于电生理学、药理学、遗传学、分子学、免疫细胞化学等方法1824254750515970,因为它们保留了组织结构,并保留了神经元活动和突触连接。因此,与其他体外模型(如异源系统,原代培养神经元和突触体)相比,脑切片具有显着的优势。在很大程度上,它们的优点是这些系统可以再现体内环境的许多方面。

电生理学、光遗传学、荧光传感器和伏安法方法提供了精确的时间和空间分辨率,以检查与单胺释放相关的机制,特别是DA。然而,使用这些方法的基本前提是神经元的电或光诱导刺激诱导经典的,并且有充分记录的钙依赖性胞吐性囊泡释放神经递质182122,242730。这些方法更明显的局限性之一是,这些技术无法检测到通过替代机制(即非囊泡释放)释放的单胺。放射性标记的神经递质分子也用于研究单胺释放,但这种方法具有显着的局限性。细胞或组织样品中装载了非生理浓度的标记神经递质,这些递质不能忠实地概括天然环境204246。有趣的是,一些研究记录了在超融合系统中使用脑切片来检查内源性单胺释放535456。然而,这些研究使用放射性神经递质,而那些检查内源性神经递质的研究仅关注K +和非生理条件以诱导神经递质释放。

目前提出的方法可用于检查转运蛋白介导的单胺从天然组织中释放。这使得实验者能够克服经三联神经递质的局限性。此外,这种方法提供了一种简单的设置,通过使用荧光传感器或放射性标记的单胺,通过直接检测单胺而不是间接测量来更准确地测量内源性单胺释放。众所周知,苯丙胺在前额叶皮质71、背纹状体5672和海马39 脑区域中作为单胺转运蛋白释放剂。这些发现是使用这个48孔板系统证实的。此外,该方法可能被证明是目前使用的方法的补充,这些方法使用HPLC-ECD测量总单胺含量,但尚未检查单胺释放567。该方法提供了一种新型曝气器,旨在使用HPLC结合电化学检测来测量急性脑切片中单胺的内源性释放。

在使用这种方法时,在实验过程中将脑组织保持在含氧缓冲液中是至关重要的,以防止恶化。此外,至关重要的是,所使用的组织在含有Pargyline的缓冲液中激活以防止单胺降解。此外,实验者可能必须对此方法的多个方面进行故障排除。首先,根据动物的发育时间点或种类,可能需要创建更小或更大的部分,或者根据条件使用或多或少的切片,切片或冲孔。其次,根据感兴趣的大脑区域,每种神经递质的数量会有所不同。第三,虽然在注意到氧气时确保氧气的一致冒泡至关重要,但实验者必须小心不要提供过量的氧合,因为这可能导致意外地从孔中取出组织。最后,由于有各种类型的HPLC设备和不同的分离柱,实验者必须根据文献确定哪种设备或色谱柱最适合他们的实验。

尽管这种方法使实验者能够快速准确地获得有关内源性单胺释放的离体数据,但必须牢记一些局限性。由于这是一种离体方法,网络和连接被切断,因此切片或冲头不能代表完整的系统。这种方法的另一个重要局限性是缺乏时间和空间分辨率,因为单胺释放是在几分钟的时间尺度上测量的,并且来自释放地点的人群。今后对这一方法的改进可能允许时间和空间分辨率的优化。其他实验还将检查与发布事件相关的机制。在证明了当前方法的有效性之后,未来的实验将需要剖析导致单胺释放的分子事件。其他实验将包括无Ca2 +游离缓冲液和选择性囊泡释放抑制剂作为附加对照。由于单胺及其转运蛋白的区域分布是三个独立的事件,未来的实验必须包括更广泛的药理学和时间过程研究,因为不同的药物条件可能需要更短或更长的潜伏时间。例如,根据所用组织的区域分布或类型,进一步的实验可能分别使用更具体的NET,SERT或DAT的药理学阻滞剂,如地昔帕明,氟西汀和GBR12909。此外,尽管组织在整个实验过程中保持活力,但实验者无法排除单胺转运蛋白功能在整个过程中可能受到影响的可能性。这种方法所需的设备是低成本的,但是,需要获得昂贵的HPLC-ECD。这可以通过核心设施来缓解,因为许多设施目前可以使用HPLC-ECD供公共使用。尽管有这些局限性,但目前的方法提供了一种基本程序,可以进一步操纵该程序来研究单胺释放。

通常,该方法提供了一种简单,高通量和低成本的两步程序,以使用来自不同大脑区域的离体急性脑切片来评估成年啮齿动物神经元中单胺同时释放的情况。理想情况下,该方法可以与体内方案相结合,并且它提供初步数据,从而允许实验者减少体内模型中所需的动物数量,如动物福利的"三个R"(替换,减少和改进)中所建议的那样。因此,实现这种离体平台来筛选潜在的治疗性分子是可行的,目的是发现用于治疗与单胺稳态中放松调节相关的病症的新型药理学药物。

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

作者没有披露。

Acknowledgments

这项工作得到了基金会发起基金N 11191049 J.A.P.和NIH赠款DA038598对G.E.T.的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
48 Well plate NA NA Assay
Acetonitrile Fischer Scientific A998-1 Mobile Phase
Calcium Chloride Ahydrous Sigma Aldrich C1016 Modified Artifical Cerebrospinal Fluid OR Efflux Buffer
Clarity Software Anetc
Citric Acid Sigma Aldrich Mobile Phase
D-(+)-Glucose Sigma 1002608421 Dissection Buffer
DMF Sigma Aldrich D4551 MTT Assay
EDTA-Na2 Sigma Aldrich Mobile Phase
GraphPad Software Graphpad Software, Inc Statistical Analysis
Glycerol Sigma Aldrich G5516 Lysis buffer
HEPES Sigma Aldrich H3375 Lysis buffer
HPLC, Decade Amperometric Anetc HPLC, LC-EC system
HPLC Amuza HPLC HTEC-510.
L-Asrobic Acid Sigma Aldrich A5960 Dissection Buffer
Magnesium Sulfate Sigma 7487-88-9 KH Buffer
Microcentrifuge Filter Units UltraFree Millipore C7554 Assay - 6 to fit in 48 well plate
MTT Thermo Fisher M6494 MTT Assay
Nanosep VWR 29300-606 Assay; protein assay
Octanesulfonic acid Sigma Aldrich V800010 Mobile Phase
Pargyline Clorohydrate Sigma Aldrich P8013 Modified Artifical Cerebrospinal Fluid OR Efflux Buffer
Phosphoric Acid Sigma Aldrich Mobile Phase
Potassium Chloride Sigma 12636 KH Buffer
Potassium Phosphate Monobasic Sigma 1001655559 KH Buffer
Precisonary VF-21-0Z Precissonary Compresstome
Protease Inhibitor Cocktail Sigma Aldrich P2714 Lysis buffer.
Sodium Bicarbonate Sigma S5761 Dissection Buffer
Sodium Bicarbonate Sigma Aldrich S5761 Dissection Buffer
Sodium Chloride Sigma S3014 KH Buffer
Sodium Dodecyl Sulfate Sigma Aldrich L3771 Lysis buffer
Triton X-100 Sigma Aldrich T8787 MTT Assay / Lysis buffer

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jesulola, E., Micalos, P., Baguley, I. J. Understanding the pathophysiology of depression: From monoamines to the neurogenesis hypothesis model - are we there yet. Behavioural Brain Research. 341, 79-90 (2018).
  2. Krystal, J. H., D'Souza, D. C., Sanacora, G., Goddard, A. W., Charney, D. S. Current perspectives on the pathophysiology of schizophrenia, depression, and anxiety disorders. Medical Clinics of North America. 85 (3), 559-577 (2001).
  3. Barone, P. Neurotransmission in Parkinson's disease: beyond dopamine. European Journal of Neurology. 17 (3), 364-376 (2010).
  4. Howell, L. L., Kimmel, H. L. Monoamine transporters and psychostimulant addiction. Biochemical Pharmacology. 75 (1), 196-217 (2008).
  5. Kirshner, Z. Z., et al. Impact of estrogen receptor agonists and model of menopause on enzymes involved in brain metabolism, acetyl-CoA production and cholinergic function. Life Sciences. 256, 117975 (2020).
  6. Long, T., et al. Comparison of transitional vs surgical menopause on monoamine and amino acid levels in the rat brain. Molecular and Cellular Endocrinology. 476, 139-147 (2018).
  7. Long, T., et al. Estradiol and selective estrogen receptor agonists differentially affect brain monoamines and amino acids levels in transitional and surgical menopausal rat models. Molecular and Cellular Endocrinology. 496, 110533 (2019).
  8. Burke, N. N., et al. Enhanced nociceptive responding in two rat models of depression is associated with alterations in monoamine levels in discrete brain regions. Neuroscience. 171 (4), 1300-1313 (2010).
  9. Lane, J. D., Aprison, M. H. Calciumm-dependent release of endogenous serotonin, dopamine and norepinephrine from nerve endings. Life Sciences. 20 (4), 665-671 (1977).
  10. Ramamoorthy, S., Shippenberg, T. S., Jayanthi, L. D. Regulation of monoamine transporters: Role of transporter phosphorylation. Pharmacology and Therapeutics. 129 (2), 220-238 (2011).
  11. Torres, G. E., Gainetdinov, R. R., Caron, M. G. Plasma membrane monoamine transporters: structure, regulation and function. Nature Reviews. Neuroscience. 4 (1), 13-25 (2003).
  12. Hilber, B., et al. Serotonin-transporter mediated efflux: A pharmacological analysis of amphetamines and non-amphetamines. Neuropharmacology. 49 (6), 811-819 (2005).
  13. Mauna, J. C., et al. G protein βγ subunits play a critical role in the actions of amphetamine. Translational Psychiatry. 9 (1), 81 (2019).
  14. Sitte, H. H., Freissmuth, M. Amphetamines, new psychoactive drugs and the monoamine transporter cycle. Trends in Pharmacological Sciences. 36 (1), 41-50 (2015).
  15. Johnson, L. A., Guptaroy, B., Lund, D., Shamban, S., Gnegy, M. E. Regulation of amphetamine-stimulated dopamine efflux by protein kinase C β. Journal of Biological Chemistry. 280 (12), 10914-10919 (2005).
  16. Kahlig, K. M., et al. Amphetamine induces dopamine efflux through a dopamine transporter channel. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (9), 3495-3500 (2005).
  17. Kantor, L., Hewlett, G. H. K., Gnegy, M. E. Enhanced amphetamine- and K+ -mediated dopamine release in rat striatum after repeated amphetamine: differential requirements for Ca 2+ - and calmodulin-dependent phosphorylation and synaptic vesicles. The Journal of Neuroscience. 19 (10), 3801-3808 (2018).
  18. Brodnik, Z. D., et al. Susceptibility to traumatic stress sensitizes the dopaminergic response to cocaine and increases motivation for cocaine. Neuropharmacology. 125, 295-307 (2017).
  19. Henke, A., et al. Toward serotonin fluorescent false neurotransmitters: development of fluorescent dual serotonin and vesicular monoamine transporter substrates for visualizing serotonin neurons. ACS Chemical Neuroscience. 9 (5), 925-934 (2018).
  20. Garcia-Olivares, J., et al. Gβγ subunit activation promotes dopamine efflux through the dopamine transporter. Molecular Psychiatry. 22 (12), 1673-1679 (2017).
  21. Xiao, N., Privman, E., Venton, B. J. Optogenetic control of serotonin and dopamine release in Drosophila larvae. ACS Chemical Neuroscience. 5 (8), 666-673 (2014).
  22. Bass, C. E., et al. Optogenetic control of striatal dopamine release in rats. Journal of Neurochemistry. 114 (5), 1344-1352 (2010).
  23. Stamford, J. A. Fast cyclic voltammetry: measuring transmitter release in "real time". Journal of Neuroscience Methods. 34 (1-3), 67-72 (1990).
  24. Brodnik, Z. D., Ferris, M. J., Jones, S. R., España, R. A. Reinforcing doses of intravenous cocaine produce only modest dopamine uptake inhibition. ACS Chemical Neuroscience. 8 (2), 281-289 (2017).
  25. Brodnik, Z. D., España, R. A. Dopamine uptake dynamics are preserved under isoflurane anesthesia. Neuroscience Letters. 606, 129-134 (2015).
  26. Ferris, M. J., Calipari, E. S., Yorgason, J. T., Jones, S. R. Examining the complex regulation and drug-induced plasticity of dopamine release and uptake using voltammetry in brain slices. ACS Chemical Neuroscience. 4 (5), 693-703 (2013).
  27. Siciliano, C. A., Calipari, E. S., Ferris, M. J., Jones, S. R. Biphasic mechanisms of amphetamine action at the dopamine terminal. The Journal of Neuroscience The Official Journal of the Society for Neuroscience. 34 (16), 5575-5582 (2014).
  28. Rice, M. E., et al. Direct monitoring of dopamine and 5-HT release in substantia nigra and ventral tegmental area in vitro. Experimental Brain Research. 100 (3), 395-406 (1994).
  29. Bunin, M. A., Prioleau, C., Mailman, R. B., Wightman, R. M. Release and uptake rates of 5-hydroxytryptamine in the dorsal raphe and substantia nigra reticulata of the rat brain. Journal of Neurochemistry. 70 (3), 1077-1087 (1998).
  30. Park, J., Takmakov, P., Wightman, R. M. In vivo comparison of norepinephrine and dopamine release in rat brain by simultaneous measurements with fast-scan cyclic voltammetry. Journal of Neurochemistry. 119 (5), 932-944 (2011).
  31. Park, J., Bhimani, R. V., Bass, C. E. In vivo electrochemical measurements of norepinephrine in the brain: current status and remaining challenges. Journal of the Electrochemical Society. 165 (12), 3051-3056 (2018).
  32. Butcher, S. P., Fairbrother, I. S., Kelly, J. S., Arbuthnott, G. W. Amphetamine-induced dopamine release in the rat striatum: an in vivo microdialysis study. Journal of Neurochemistry. 50 (2), 346-355 (1988).
  33. Garcia-Olivares, J., et al. Inhibition of dopamine transporter activity by G protein βγ subunits. PLoS One. 8 (3), 1-9 (2013).
  34. Carneiro, A. M. D., Blakely, R. D. Serotonin-, protein kinase C-, and Hic-5-associated redistribution of the platelet serotonin transporter. Journal of Biological Chemistry. 281 (34), 24769-24780 (2006).
  35. Rajamanickam, J., et al. Akt-mediated regulation of antidepressant-sensitive serotonin transporter function, cell-surface expression and phosphorylation. The Biochemical Journal. 468 (1), 177-190 (2015).
  36. Egaña, L. A., et al. Physical and functional interaction between the dopamine transporter and the synaptic vesicle protein synaptogyrin-3. The Journal of Neuroscience The Official Journal of the Society for Neuroscience. 29 (14), 4592-4604 (2009).
  37. Guptaroy, B., Fraser, R., Desai, A., Zhang, M., Gnegy, M. E. Site-directed mutations near transmembrane domain 1 alter conformation and function of norepinephrine and dopamine transporters. Molecular Pharmacology. 79 (3), 520-532 (2011).
  38. Ordway, G. A., et al. Norepinephrine transporter function and desipramine: Residual drug effects versus short-term regulation. Journal of Neuroscience Methods. 143 (2), 217-225 (2005).
  39. Steinkellner, T., et al. Amphetamine action at the cocaine- and antidepressant-sensitive serotonin transporter is modulated by CaMKII. Journal of Neuroscience. 35 (21), 8258-8271 (2015).
  40. Guptaroy, B., et al. A juxtamembrane mutation in the N terminus of the dopamine transporter induces preference for an inward-facing conformation. Molecular Pharmacology. 75 (3), 514-524 (2009).
  41. Carpenter, C., et al. Direct and systemic administration of a CNS-permeant tamoxifen analog reduces amphetamine-induced dopamine release and reinforcing effects. Neuropsychopharmacology. 42 (10), 1940-1949 (2017).
  42. Aquino-Miranda, G., Escamilla-Sánchez, J., González-Pantoja, R., Bueno-Nava, A., Arias-Montaño, J. -A. Histamine H3 receptor activation inhibits dopamine synthesis but not release or uptake in rat nucleus accumbens. Neuropharmacology. 106, 91-101 (2016).
  43. Reddy, I. A., et al. Glucagon-like peptide 1 receptor activation regulates cocaine actions and dopamine homeostasis in the lateral septum by decreasing arachidonic acid levels. Translational Psychiatry. 6 (5), 809 (2016).
  44. Koutzoumis, D. N., et al. Alterations of the gut microbiota with antibiotics protects dopamine neuron loss and improve motor deficits in a pharmacological rodent model of Parkinson's disease. Experimental Neurology. 325, 113159 (2020).
  45. Herdon, H., Strupish, J., Nahorski, S. R. Differences between the release of radiolabelled and endogenous dopamine from superfused rat brain slices: Effects of depolarizing stimuli, amphetamine and synthesis inhibition. Brain Research. 348 (2), 309-320 (1985).
  46. Thongsaard, W., Kendall, D. A., Bennett, G. W., Marsden, C. A. A simple method for measuring dopamine release from rat brain slices. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 37 (3), 143-148 (1997).
  47. Dorris, D. M., Hauser, C. A., Minnehan, C. E., Meitzen, J. An aerator for brain slice experiments in individual cell culture plate wells. Journal of Neuroscience Methods. 238, 1-10 (2014).
  48. Humpel, C. Organotypic brain slice cultures: a review. Neuroscience. 305, 86-98 (2015).
  49. Papouin, T., Haydon, P. Obtaining acute brain slices. BIO-PROTOCOL. 8 (2), 477-491 (2018).
  50. Collingridge, G. L. The brain slice preparation: a tribute to the pioneer Henry McIlwain. Journal of Neuroscience Methods. 59 (1), 5-9 (1995).
  51. Yamamoto, C., McIlwain, H. Electrical activities in thin sections from the mammalian brain maintained in chemically-defined media in vitro. Journal of Neurochemistry. 13 (12), 1333-1343 (1966).
  52. Buskila, Y., et al. Extending the viability of acute brain slices. Scientific Reports. 4, 4-10 (2014).
  53. Kako, H., Fukumoto, S., Kobayashi, Y., Yokogoshi, H. Effects of direct exposure of green odour components on dopamine release from rat brain striatal slices and PC12 cells. Brain Research Bulletin. 75 (5), 706-712 (2008).
  54. McBride, W. J., Murphy, J. M., Lumeng, L., Li, T. -K. Effects of ethanol on monoamine and amino acid release from cerebral cortical slices of the alcohol-preferring P line of rats. Alcoholism: Clinical and Experimental Research. 10 (2), 205-208 (1986).
  55. Chen, J. C., Turiak, G., Galler, J., Volicer, L. Effect of prenatal malnutrition on release of monoamines from hippocampal slices. Life Sciences. 57 (16), 1467-1475 (1995).
  56. Becker, J. B., Castañeda, E., Robinson, T. E., Beer, M. E. A simple in vitro technique to measure the release of endogenous dopamine and dihydroxyphenylacetic acid from striatal tissue using high performance liquid chromatography with electrochemical detection. Journal of Neuroscience Methods. 11 (1), 19-28 (1984).
  57. Paxinos, G., Watson, C. The Rat Brain in Stereotaxic Coordinates. , Academic Press. London. (2007).
  58. Dailey, J. W., Reith, M. E. A., Steidley, K. R., Milbrandt, J. C., Jobe, P. C. Carbamazepine-induced release of serotonin from rat hippocampus in vitro. Epilepsia. 39 (10), 1054-1063 (1998).
  59. Buskila, Y., et al. Extending the viability of acute brain slices. Scientific Reports. 4, 5309 (2014).
  60. Mewes, A., Franke, H., Singer, D. Organotypic brain slice cultures of adult transgenic P301S mice-A model for tauopathy studies. PLoS One. 7 (9), (2012).
  61. Rönicke, R., et al. AB mediated diminution of MTT reduction - An artefact of single cell culture. PLoS One. 3 (9), (2008).
  62. Ihalainen, J. A., Riekkinen, P., Feenstra, M. G. P. Comparison of dopamine and noradrenaline release in mouse prefrontal cortex, striatum and hippocampus using microdialysis. Neuroscience Letters. 277 (2), 71-74 (1999).
  63. Richards, D. A., Obrenovitch, T. P., Symon, L., Curzon, G. Extracellular dopamine and serotonin in the rat striatum during transient ischaemia of different severities: a microdialysis study. Journal of Neurochemistry. 60 (1), 128-136 (1993).
  64. Fog, J. U., et al. Calmodulin kinase II interacts with the dopamine transporter C terminus to regulate amphetamine-induced reverse transport. Neuron. 51 (4), 417-429 (2006).
  65. Balázsa, T., Bíró, J., Gullai, N., Ledent, C., Sperlágh, B. CB1-cannabinoid receptors are involved in the modulation of non-synaptic [3H]serotonin release from the rat hippocampus. Neurochemistry International. 52 (1), 95-102 (2008).
  66. Schechter, L. E. The potassium channel blockers 4-aminopyridine and tetraethylammonium increase the spontaneous basal release of [3H]5-hydroxytryptamine in rat hippocampal slices. The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 282 (1), 262-270 (1997).
  67. Boudanova, E., Navaroli, D. M., Stevens, Z., Melikian, H. E. Dopamine transporter endocytic determinants: carboxy terminal residues critical for basal and PKC-stimulated internalization. Molecular and Cellular Neuroscience. 39 (2), 211-217 (2008).
  68. Bowyer, J. F., et al. Interactions of MK-801 with glutamate-, glutamine- and methamphetamine-evoked release of [3H]dopamine from striatal slices. The Journal of Pharmacology and Experimental Therapeutics. 257 (1), 262-270 (1991).
  69. Perszyk, R. E., et al. GluN2D-containing N-methyl-D-aspartate receptors mediate synaptic transmission in hippocampal interneurons and regulate interneuron activity. Molecular Pharmacology. 90 (6), 689-702 (2016).
  70. Jones, S. R., et al. Profound neuronal plasticity in response to inactivation of the dopamine transporter. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 95 (7), 4029-4034 (1998).
  71. Jedema, H. P., Narendran, R., Bradberry, C. W. Amphetamine-induced release of dopamine in primate prefrontal cortex and striatum: striking differences in magnitude and timecourse. Journal of Neurochemistry. 130, 490-497 (2014).
  72. Buchmayer, F., et al. Amphetamine actions at the serotonin transporter rely on the availability of phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate. Proceedings of the National Academy of Sciences. 110 (28), 11642-11647 (2013).

Tags

神经科学,第174期,单胺释放,急性脑切片,单胺,多巴胺,去甲肾上腺素,血清素,神经传递
一种基于板的测定法,用于测量急性脑切片中内源性单胺释放
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pino, J. A., Awadallah, N., Norris,More

Pino, J. A., Awadallah, N., Norris, A. M., Torres, G. E. A Plate-Based Assay for the Measurement of Endogenous Monoamine Release in Acute Brain Slices. J. Vis. Exp. (174), e62127, doi:10.3791/62127 (2021).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter