Dieses Protokoll beschreibt die Vorbereitung von ganzem Ischiasnervengewebe der Ratte für die elektrophysiologische Stimulation ex vivo und die Aufzeichnung in einem umweltregulierten, durchbluteten Salzbad mit zwei Kompartimenten.
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Methodenartikel
Dieses Protokoll beschreibt die Vorbereitung von ganzem Ischiasnervengewebe der Ratte für die elektrophysiologische Stimulation ex vivo und die Aufzeichnung in einem umweltregulierten, durchbluteten Salzbad mit zwei Kompartimenten.
Ex-vivo-Präparate ermöglichen es, viele neurophysiologische Prozesse isoliert vom Rest des Körpers zu untersuchen und gleichzeitig die lokale Gewebestruktur zu erhalten. Diese Arbeit beschreibt die Vorbereitung von Rattenischiasnerven für die Ex-vivo-Neurophysiologie , einschließlich Puffervorbereitung, Tierverfahren, Geräteaufbau und neurophysiologische Aufzeichnung. Diese Arbeit gibt einen Überblick über die verschiedenen Arten von Experimenten, die mit dieser Methode möglich sind. Die skizzierte Methode zielt darauf ab, 6 h Stimulation und Aufzeichnung auf extrahiertem peripherem Nervengewebe unter streng kontrollierten Bedingungen für eine optimale Konsistenz der Ergebnisse bereitzustellen. Die mit dieser Methode erzielten Ergebnisse sind A-Faserverbindungswirkungspotentiale (CAP) mit Peak-to-Peak-Amplituden im Millivoltbereich über die gesamte Dauer des Experiments. CAP-Amplituden und -Formen sind konsistent und zuverlässig, was sie nützlich macht, um neue Elektroden mit bestehenden Modellen zu testen und zu vergleichen, oder die Auswirkungen von Eingriffen auf das Gewebe, wie die Verwendung von Chemikalien, chirurgische Veränderungen oder neuromodulatorische Stimulationstechniken. Sowohl herkömmliche handelsübliche Manschettenelektroden mit Platin-Iridium-Kontakten als auch maßgeschneiderte leitfähige Elastomerelektroden wurden getestet und lieferten ähnliche Ergebnisse in Bezug auf die Nervenreizstärke-Dauer-Reaktion.
Das derzeitige Verständnis der grundlegenden Nervenfunktion, wie sie in silico modelliert wird, fehlt in mehreren Aspekten, insbesondere in Bezug auf die Auswirkungen der Kompartimentierung von Nervengewebe außerhalb des Somas, Axons und der Dendriten. Axon-Myelin-Wechselwirkungen sind immer noch wenig verstanden, wie die Tatsache zeigt, dass selbst detaillierte Computernervenmodelle wie MRG1 (für Säugetiernerven), die die konventionelle elektrische Stimulationsreaktion angemessen erfassen, andere experimentell beobachtete Verhaltensweisen wie Hochfrequenz-Blockübertragung2 oder sekundäre Beginnantwort3 nicht erfassen.
Dieses Protokoll bietet eine Methode, um neurophysiologische Prozesse auf Nervenebene in einem akuten Kleinlabortiermodell effizient zu untersuchen, wobei ein standardisiertes Vorbereitungsprotokoll verwendet wird, um den Nerv zu isolieren, seine Umgebung zu kontrollieren und ihn aus einem In-vivo-Kontext in einen Ex-vivo-Kontext zu entfernen. Dies verhindert andere Körperprozesse oder Anästhetika, die von In-vivo-Nervenstimulationsprotokollen verwendet werden, um das Nervenverhalten zu verändern und die Messergebnisse oder deren Interpretation zu verfälschen 4,5. Dies ermöglicht die Entwicklung realistischerer Modelle, die sich ausschließlich auf Effekte konzentrieren, die für Nervengewebe spezifisch sind und kaum verstanden werden. Dieses Protokoll ist auch als Testumgebung für neue Nervenstimulation und Aufzeichnung von Elektrodenmaterialien und -geometrien sowie für neue Stimulationsparadigmen wie Hochfrequenzblock 2,3 nützlich. Variationen dieser Technik wurden zuvor verwendet, um die Nervenphysiologie unter streng kontrollierten Bedingungen zu untersuchen6, zum Beispiel um die Dynamik und Eigenschaften von Ionenkanälen oder die Auswirkungen von Lokalanästhetika zu messen7.
Diese Technik bietet mehrere Vorteile im Vergleich zu Alternativen wie akuten In-vivo-Kleintierversuchen 8. Die Technik macht es überflüssig, die Anästhesietiefe aufrechtzuerhalten, da das Gewebe aus dem Körper extrahiert wurde, wodurch die erforderliche Ausrüstung wie ein Anästhesiediffusor, ein Sauerstoffkonzentrator und ein Heizkissen reduziert werden. Dies vereinfacht das experimentelle Protokoll und reduziert das Risiko von Fehlern. Da Anästhetika möglicherweise die Nervenfunktion4 verändern können, stellt diese Technik sicher, dass die Maßnahmen nicht durch Nebenwirkungen dieser Anästhesieverbindungen beeinträchtigt werden. Schließlich ist diese Technik besser geeignet als akute In-vivo-Experimente , wenn die Auswirkungen neurotoxischer Verbindungen wie Tetrodotoxin untersucht werden, die ein betäubtes Tier durch Lähmung töten würden.
Periphere Nervenabschnitte sind ein einzigartiges Ex-vivo-System , da eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass die Fasern, die für aufgezeichnete neuronale Signale verantwortlich sind, kein Soma enthalten. Da sich diese normalerweise für Motoneuronen in der Wirbelsäule und für sensorische Neuronen in den dorsalen Wurzelganglien neben der Wirbelsäule befinden würden, kann die Vorbereitung eines Abschnitts des Säugetiernervs grob als eine Ansammlung von röhrenförmigen Membranen mit Ionenkanälen modelliert werden, die an beiden Enden offen sind9. Der Stoffwechsel wird durch die Mitochondrien aufrechterhalten, die sich zum Zeitpunkt der Gewebedissektion10 im Axon befinden. Das Nähen der offenen Enden des Axolemmas wird nach der Extraktion angeregt, um sie zu schließen und dadurch dazu beizutragen, bestehende ionische Gradienten über die Membran aufrechtzuerhalten, die für eine normale Nervenfunktion unerlässlich sind.
Um die Gewebehomöostase außerhalb des Körpers aufrechtzuerhalten, müssen mehrere Umweltvariablen streng kontrolliert werden. Dies sind Temperatur 11, Sauerstoffversorgung12, Osmolarität, pH13,14 und Zugang zu Glukose, um den Stoffwechsel aufrechtzuerhalten. Für dieses Protokoll besteht der Ansatz darin, einen modifizierten Krebs-Henseleit-Puffer15,16 (mKHB) zu verwenden, der kontinuierlich mit einer Mischung aus Sauerstoff und Kohlendioxid belüftet wird. Das mKHB gehört zur Familie der kardioplegikaischen Puffer 6,17, die zur Konservierung von seziertem Gewebe außerhalb des Körpers verwendet werden, beispielsweise in Ex-vivo-Experimenten. Diese Puffer enthalten kein Hämoglobin, keine Antibiotika oder Antimykotika und eignen sich daher nur für Präparate, bei denen kleine Gewebemengen für eine begrenzte Zeit verwendet werden. Die pH-Kontrolle wurde mit dem Karbonat- und Kohlendioxid-Redoxpaar erreicht, was eine ständige Belüftung des Puffers mit Kohlendioxid erfordert, um das pH-Gleichgewicht aufrechtzuerhalten. Dies dient dazu, die Verwendung anderer gängiger Puffermittel wie HEPES zu vermeiden, die die Nervenzellfunktion18 modifizieren können. Um den Puffer mit Sauerstoff zu versorgen und den pH-Wert zu kontrollieren, wurde eine Mischung aus 5% Kohlendioxid in Sauerstoff namens Carbogen (95%O2, 5% CO2) verwendet. Ein Heizrührer wurde zur Temperaturregelung eines Pufferbehälters verwendet, und der Puffer wurde durch ein Nervenbad perfundiert und dann in den Startbehälter zurückgeführt. Ein typisches Experiment würde 6-8 Stunden dauern, bevor der Nerv seine Lebensfähigkeit verliert und nicht mehr ausreichend auf die Stimulation anspricht, um Maßnahmen zu ergreifen, die für gesundes Gewebe repräsentativ sind.
Zur Optimierung des Signal-Rausch-Verhältnisses wurden für die Aufzeichnung Silberchlorid-Elektroden verwendet, die nach zuvor beschriebenen Verfahren19 hergestellt wurden. Zur Stimulation kann eine Kombination aus handelsüblichen Platin-Manschettenelektroden und maßgeschneiderten leitfähigen Polymer-Manschettenelektroden verwendet werden. Leitfähige Polymermanschettenelektroden haben deutlich höhere Ladungskapazitäten, die bei der Stimulation des Nervs mit Wellenformen mit hoher Amplitudenützlich sind 20.
Der in diesem Protokoll verwendete Stimulator wurde zuvorbeschrieben 20. Dokumentation, Entwurfsdateien und Softwareskripte für die Verwendung sind öffentlich verfügbar21. Andere Stimulatoren können verwendet werden, um dieses Protokoll auszuführen; Der kundenspezifische Stimulator ist jedoch auch in der Lage, den HFAC-Block 2,20 (High Frequency Alternative Current) zu bilden, was ein breiteres Spektrum an neurophysiologischen Experimenten ermöglicht. Um HFAC-Block zu verwenden, werden leitfähige Elastomermanschetten empfohlen, um eine Schädigung des Nervs zu vermeiden. Leitfähige Elastomer-Nervenmanschetten sind weiche und vollständig polymere Elektrodenarrays, die aus leitfähigen Elastomeren als leitfähige Komponente und Polydimethylsiloxan als Isolierung22 hergestellt werden. Die Geräte wurden in einer bipolaren Konfiguration unter Verwendung herkömmlicher Laser-Mikrofabrikationstechniken hergestellt.
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Alle Tierpflege und -verfahren wurden unter entsprechenden Lizenzen durchgeführt, die vom britischen Innenministerium gemäß dem Animals (Scientific Procedures) Act (1986) ausgestellt und vom Animal Welfare and Ethical Review Board des Imperial College London genehmigt wurden.
1. Vorbereitung von Puffern
HINWEIS: Dieser Teil des Protokolls kann weit vor dem Rest des Protokolls durchgeführt werden, mit Ausnahme der letzten Schritte, die die Herstellung eines modifizierten Krebs-Henseleit-Puffers (mKHB) bei 1x-Konzentration beinhalten.
2. Vorbereitungen vor der Dissektion
HINWEIS: Mit diesem Schritt wird das Experiment gestartet. Die folgenden Schritte müssen am selben Tag in dieser Reihenfolge durchgeführt werden.
3. Tieranästhesie und Euthanasie
HINWEIS: Für die Studien wurden weibliche Ratten zwischen 250 und 330 g (Tabelle der Materialien) verwendet.
4. Sezierprotokoll
HINWEIS: Legen Sie das Tier mit seinem Bauch nach unten auf den Seziertisch. Wiederholen Sie die folgenden Schritte für beide Beine. Typischerweise wird das rechte Bein zuerst seziert.
5. Nervenreinigungsverfahren
6. Einrichtung der Ausrüstung
HINWEIS: Der Geräteaufbau zur Durchführung von Experimenten ist in Abbildung 1 dargestellt. Kurz gesagt, es besteht aus einem Doppelkompartiment-Nervenbad, einer 2-L-Flasche, die auf einem Heizrührer platziert wird, einer Carbogenquelle für die Pufferbelüftung und einem Schlauch, damit der Puffer von der Flasche zum Bad und mit einer Peristaltikpumpe zurück zur Flasche fließen kann. Das Bad kann aus Plexiglas gefräst oder aus wasserdichten Materialien in 3D gedruckt werden. Es hat eine Tiefe von ca. 2 cm, und die Trennwand, die die beiden Kammern des Bades trennt, verfügt über ein Loch mit einem Durchmesser von 1,5 mm, um das Einfädeln eines peripheren Nervs über beide Kammern zu ermöglichen. Eine Kammer ist groß, muss mindestens 4 oder 5 cm lang sein und wird mit Puffer gefüllt. Die andere Kammer sollte mindestens 3 cm lang sein und mit Silikon oder Mineralöl gefüllt werden. Das Bad darf nicht zu groß gemacht werden, da dies die Kontrolle über Perfusion, Temperatur und pH-Wert beeinträchtigt. Je nach Größe des untersuchten Nervengewebes können unterschiedliche Badgrößen erforderlich sein.
7. Elektrodenimplantation auf den Nerv im Bad
8. Stimulation und Aufzeichnung
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Repräsentative Ergebnisse, die mit diesem Protokoll erhalten werden können, sind die konsistenten zusammengesetzten Aktionspotentiale aus A-Typ-Nervenfasern innerhalb des Ischiasnervs. Diese Aktionspotentiale haben typischerweise eine Spitze-zu-Spitze-Amplitude von etwa 1 mV an der Elektrode und damit 100 mV einmal verstärkt (Abbildung 2). Ähnliche Stimulationsamplituden und Pulsbreiten sollten ähnliche CAP-Amplituden ergeben. Leitfähige Elastomer-Manschettenelektroden erfordern im Allgemein...
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In dieser Arbeit beschrieben wir ein Protokoll zur Vorbereitung von Rattenischiasnerven für die Ex-vivo-Neurophysiologie. Die Gewebeextraktion dauert ungefähr 30 Minuten, einschließlich Tierhandhabung, Anästhesie, Keulung und Dissektion, während die Nervenreinigung, die Platzierung im Bad und die Elektrodenimplantation zusätzliche 30 Minuten dauern sollten, bevor mit der Aufzeichnung begonnen werden kann. Die Puffervorbereitung kann in 30 min durchgeführt werden, obwohl dies vor dem Rest des Experiments erfolgen...
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Die Autoren haben keine Interessenkonflikte.
OPEN-ACCESS-ERKLÄRUNG:
Zum Zwecke des offenen Zugangs hat der Autor eine Creative Common Attribution (CC BY) -Lizenz (sofern dies nach UKRI zulässig ist, kann stattdessen die "Open Government License" oder die "Creative Commons Attribution No-derivatives (CC BY-ND) -Lizenz angegeben werden) auf jede vom Autor akzeptierte Manuskriptversion angewendet.
GEMEINSAME DATENNUTZUNG:
Die in den Abbildungen dieses Artikels verwendeten Rohdaten werden von den Autoren ohne unnötigen Vorbehalt zur Verfügung gestellt.
Die Autoren danken Dr. Gerald Hunsberger von GlaxoSmithKline Pharmaceuticals, King of Prussia, PA, USA, und Galvani Bioelectronics (Stevenage, UK) dafür, dass sie ihre ursprüngliche Nervenvorbereitungstechnik mit uns geteilt haben. Die Autoren danken Robert Toth für das Zweikammer-Nervenbaddesign. Die Autoren würdigen die Finanzierung durch die Healthcare Technologies Challenge Awards (HTCA) des Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC). Die Autoren würdigen das High Performance Embedded and Distributed Systems Centre for Doctoral Training (HiPEDS CDT) des Imperial College London für die Förderung von Adrien Rapeaux (EP/L016796/1). Adrien Rapeaux wird derzeit vom UK Dementia Research Institute, Care Research and Technology Centre, finanziert. Die Autoren danken Zack Bailey vom Imperial College im Department of Bioengineering für die Hilfe bei Experimenten und den Zugang zu tierischem Gewebe während der Produktion des JoVE-Videoartikels.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 1 L Glasflasche | VWR International Ltd | 215-1595 | Borosilikatglas |
| 1 L Glas-Messkolben | VWR International Ltd | 612-3626 | Borosilikatglas |
| 2 L Glasflasche | VWR International Ltd | 215-1596 | Borosilikatglas |
| 2 L Glas-Messkolben | VWR International Ltd | BRND937254 | Borosilikatglas |
| Adapter, pneumatisch, 8 mm auf 1/4 NPT | RS UK | 536-2599 | Push-to-Fit-Adapter zwischen Sauerstoffschlauch und Gasdispersionsröhrchen |
| Alkoxy-Schutzbeschichtung | Farnell | 1971829 | ACC15 Alkoxy-Schutzbeschichtung für die Zubereitung von Petrischalen zum Sezieren |
| Anästhetikum | Chanelle | N/A | Isofluran-Inhalationsanästhetikum, 250 mL Flaschenbecher |
| 2 L | VWR International Ltd | 213-0469 | Borosilikatglas |
| Bipolare Nervenmanschette | Cortec GMBH | N/ | A 800 μm Innendurchmesser, senkrechte Ableitung, kein Steckeranschluss |
| Messköpfe | N/A | N/A | Standard Nasslabor-Messköpfe zur Befestigung von Greifern an |
| Stäben Calciumchlorid-Dihydrat | Sigma Aldrich | C7902-500g | 500 g in Plastikflasche |
| Carbogen Kanister | BOC | N/A | F-Größe |
| , 15 mL Volumen | VWR International Ltd | 734-0451 | Falcon-Röhrchen |
| Leitfähige Elastomer-Nervenmanschette | N/A | N/A | Nervenmanschette mit hoher Ladungskapazität für die Stimulation, siehe Protokoll für die Herstellung Referenz |
| Konnektor, Termimate | Mouser UK | 538-505073-1100-LP | Diese sollten an Draht gelötet werden, der mit Krokodilklemmen abgeschlossen ist (siehe Eintrag 11) |
| Krokodilklemmen-Steckverbinder | RS UK | 212-1203 | Diese sollten an einen Draht gelötet werden, der mit TermiMate-Steckverbindern abgeschlossen ist (siehe Eintrag 10) |
| Deionisiertes Wasser | N/A | N/A | Gewonnen aus einem deionisierten Wasserspender |
| Pinzetten abgewinkelt 45 Grad | InterFocus Ltd | 91110-10 | Feine Pinzetten, Studentenbereich |
| Pinzettenstandard Dumont #7 | InterFocus Ltd | 91197-00 | Zange für Studenten |
| Gasdisperson Tube, Porosität 3 | Merck | 12547866 | N/A |
| Glucose wasserfrei, Pulver | VWR International Ltd | 101174Y | 500 g in Plastikflasche |
| Greifer | N/A | N/A | Standard Nasslabor Stabmontierte Greifer |
| Heizrührer | RS UK | 768-9672 | Stuart US152 |
| Hämostate | N/A | N/A | Jeder hämostatische Computer mit einer Länge von >12 cm ist geeignet |
| Insektenstifte, Edelstahl, Größe 2 | InterFocus Ltd | 26001-45 | N/A |
| Laptop-Computer | N/A | N/A | Jeder laborsichere tragbare Computer mit mindestens 2 ungenutzten USB-Anschlüssen ist geeignet |
| Leitungsrauschfilter | Digitimer | N/A | Humbug-Rauschunterdrückung (50 Hz Leitungsrauschfilter) |
| Geräuscharm Vorverstärker, SR560 | Stanford Research Systems | SR560 | Rauscharmer Spannungsvorverstärker |
| Magnesiumsulfatsalz | VWR International Ltd | 291184P | 500 g in Plastikflasche |
| MATLAB-Skripte | Github | https://github.com/Next-Generation-Neural-Interfaces/HFAC_Stimulator_4ch | Initialisierungs-, Kalibrierungs- und Stimulationsskripte für den benutzerdefinierten Stimulator |
| MATLAB-Software | Mathworks | N/A | Standardgehäuse |
| Mikroskopleuchte, PL-2000 | Photonische | N/A | Lichtquelle mit Schwanenhals. Das Produkt ist erhältlich bei einem Drittanbieter |
| Mikroskop, SMZ 745 | Nikon | SM745 | Stereoskopisches Mikroskop |
| Mineralöl, ungiftig | VWR International Ltd | 31911.A1 | Öl für Nervenbad |
| Nervenbad | N/A | N/A | Nervenbad aus Plexiglas, siehe Protokoll für Details. |
| Oszilloskop | LeCroy | N/A | 434 Wavesurfer. Das Produkt kann von Drittanbietern bezogen werden |
| Sauerstoffschlauch, 1 Meter | BOC | N/A | 1/4" NPT-Anschlüsse |
| Sauerstoffregler | BOC | C106X / 2B: 3,5BAR-BS3-1/4" NPTF 230Bar | N/A |
| Peristaltikpumpe P-1 | Pharmacia Biotech | N/A | Das Produkt kann von einem Drittanbieter bezogen werden |
| Petrischale, Glas | VWR International Ltd | 391-0580 | N/A |
| Kaliumchloridsalz | Sigma Aldrich | P5405-250g | 250 g in Plastikflasche |
| Kaliumdihydrogensulfatsalz | Merck | 1.04873.0250 | 250 g in Plastikflasche |
| Rat | Charles River Laboratories | N/A | Sprague Dawley, 250-330 Gramm, weiblich |
| Referenzelektrode, ET072 | eDaQ (Australien) | ET072-1 | Silber-Silberchlorid-Referenzelektrode |
| Stab | N/A | N/A | Standard Nass-Laborstäbe mit Anschlüssen für Ständer |
| Waage | Sartorius | N/A | M-Power Waage, zum Wiegen von Pulvern. Produkt kann von Drittanbietern bezogen werden |
| Schere gerade 12 cm Kante | InterFocus Ltd | 91400-12 | stumpf-stumpfer Abschluss, Studentenbereich |
| Signalerfassungsgerät | Cambridge Electronic Design | Micro3-1401 | Micro3-1401 Mehrkanal-ADC |
| Silikonfett, ungiftig | Farnell | 3821559 | zur Abdichtung der Badewannentrennwand |
| Silikonschlauch, 2 mm innen Durchmesser | N/A | N/A | N/A |
| Silikonschlauch, 5 mm Innendurchmesser | N/ | A N/A | N/A Silberdraht |
| Alfa Aesar | 41390 | 0,5 mm, geglüht | |
| Natriumbicarbonatsalz | Sigma Aldrich | S5761-500g | 500 g in Plastikflasche |
| Natriumchloridsalz | VWR International Ltd | 27810.295 | 1 kg in Plastikflasche |
| Federschere abgewinkelt 2 mm Kante | InterFocus Ltd | 15010-09 | N/A |
| Stativ | N/A | N/A | Standard Nasslaborständer mit Steckdosen für Stäbchen |
| Stimulator | Digitimer | DS3 | DS3 oder Custom Stimulator (siehe Referenzen) |
| Rührfloh | VWR International Ltd | 442-0270 | Zur Verwendung mit dem Heizrührer |
| Spritzenspitze, stumpf, 1 mm | Durchmesser N/ A | N/A | N/A |
| Spritzenspitze, stumpf, 2 mm Durchmesser | N | /A N/A | N/A |
| Spritze, Kunststoff, 10 mL Volumen | N/A | N/A | Spritze sollte mit Luer-Lock-Anschluss versehen |
| sein Klebeband, wasserfest | N/A | N/A | Zur Befestigung von Schläuchen und Kabeln an der Werkbank |
| Thermometer | VWR International Ltd | 620-0806 | Glasthermometer |
| USB Stromversorgung Bank | RS UK | 135-1000 | Custom Stimulator Netzteil, vor dem Experiment vollständig aufladen. Nicht erforderlich bei Verwendung von DS3-Ventil |
| , Leuer-Lock, 3-Wege-VWR | International Ltd | 229-7440 | Zum Befestigen der Spritze an einem Badewannenrohr und einem Ansaugsiphon |
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