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Lo scopo del protocollo descritto di seguito è isolare singoli tipi di cellule da una popolazione eterogenea di tessuto neurale per la successiva analisi dell'espressione genica specifica del tipo di cellula, dell'espressione proteica o persino dei marcatori epigenetici. Il cervello è composto da molti tipi di cellule che derivano da cellule progenitrici distinte e che hanno proprietà e funzioni specifiche del tipo di cellula. Nonostante queste differenze, questi distinti tipi di cellule neurali possono esprimere recettori simili e molecole di segnalazione intracellulare che rendono l'analisi di queste proteine più ubiquitarie difficile da misurare o interpretare in modo specifico per tipo di cellula utilizzando metodi convenzionali. I neuroscienziati devono identificare la funzione e l'attivazione di questi tipi di cellule distinte nel cervello e come possono influenzare individualmente il comportamento, poiché questo sarà in definitiva il primo passo per identificare farmaci più specifici e bersagli terapeutici per malattie neurologiche e neuropsichiatriche. Nonostante questo obiettivo generale della ricerca neuroscientifica, può essere difficile isolare singoli tipi di cellule neurali dal cervello per l'analisi dell'espressione genica o proteica, l'attivazione di molecole di segnalazione o la modifica di marcatori epigenetici sul DNA. Tra le tecniche attualmente utilizzate, l'immunoistochimica può identificare l'espressione delle proteine in modo specifico per il tipo di cellula se combinata con l'ulteriore colorazione di un marcatore specifico per il tipo di cellula, sebbene ciò si basi su anticorpi specifici che possono colorare correttamente per le proteine di interesse e può essere difficile da quantificare. L'ibridazione in situ può identificare la localizzazione specifica dell'acido ribonucleico messaggero (mRNA) in singole cellule del cervello, ma questo è un processo laborioso che limita anche la co-analisi di specifici tipi di cellule e consente solo l'analisi di uno o forse di pochi geni di interesse. La micro-dissezione a cattura laser utilizza un laser per isolare sottopopolazioni di cellule che vengono visualizzate tramite microscopia; tuttavia, la natura dispendiosa in termini di tempo di questo processo e la resa relativamente bassa possono limitare significativamente la successiva analisi delle proteine o dei livelli di mRNA, in particolare se l'espressione di queste molecole è bassa fin dall'inizio. Il cell sorting attivato dalla fluorescenza (FACS) è una tecnica relativamente nuova nel campo delle neuroscienze per isolare singoli tipi di cellule dal cervello per la successiva analisi dell'espressione genica1 e/o dei bersagli epigenetici2. Questo processo può essere utilizzato anche per ordinare tipi specifici di cellule neurali per la successiva analisi dell'espressione genica specifica del tipo di cellula, dell'espressione proteica o dei marcatori epigenetici. La FACS è stata utilizzata per decenni in una serie di campi di ricerca medica come il cancro e l'immunologia per contare e ordinare diverse cellule in base a caratteristiche fisiche o biochimiche3. Inoltre, la citometria a flusso è stata classicamente utilizzata per analizzare l'espressione proteica su base cellulare, utilizzando anticorpi specifici. La procedura descritta di seguito sfrutta le classiche tecniche di citometria a flusso per isolare i singoli tipi di cellule per la successiva analisi degli endpoint di biologia molecolare. Il citometro a flusso può analizzare diverse migliaia di cellule in un secondo, il che lo rende un'alternativa rapida ed efficiente alle tecniche sopra descritte. Inoltre, le cellule possono essere isolate in base all'espressione cellulare di una specifica proteina (ad esempio un recettore del neurotrasmettitore) o a una combinazione di due o più proteine (colocalizzazione di più proteine in un tipo di cellula specifico). Ciò consente all'utente di isolare tipi di cellule neurali molto selettive in base alle loro proprietà molecolari per identificare la loro funzione nel cervello.
Per eseguire il FACS, le cellule neurali vengono preparate in una sospensione a singola cellula che viene fatta passare attraverso una cella a flusso che trasporta e allinea le cellule in modo che passino in fila singola attraverso un raggio di luce e laser per l'analisi. Un computer acquisisce i dati da ogni cella e li traccia su un istogramma per l'analisi dei parametri specificati (dimensioni, granularità e fluorescenza). Sulla base di questi parametri, le cellule possono essere immediatamente ordinate in provette separate per il loro ricordo e la successiva analisi di qualsiasi punto finale desiderato. Il protocollo descritto di seguito utilizza tre anticorpi per selezionare i neuroni (utilizzando un antigene 1 del timocita, un anticorpo Thy1), gli astrociti (utilizzando un trasportatore gliale del glutammato, l'anticorpo GLT1) e la microglia (utilizzando un cluster di molecole di differenziazione 11B, anticorpi CD11b). Questo protocollo può essere utilizzato come descritto di seguito o modificato con anticorpi diversi a seconda del tipo di cellula che si desidera isolare per i propri esperimenti.
Ci sono alcuni avvertimenti da considerare quando si determina se questo protocollo è appropriato per esperimenti specifici. Un avvertimento importante può riguardare il tipo specifico di cellula che si desidera isolare. In questo protocollo, i tre anticorpi che vengono utilizzati sono anticorpi extracellulari, che permettono allo sperimentatore di mantenere intatti i tipi di cellule durante la procedura di colorazione, preservando così l'integrità dell'RNA, del DNA e delle proteine all'interno. È possibile che si desideri isolare uno specifico tipo di cellula neurale utilizzando un anticorpo che identifica una proteina che è espressa solo all'interno di quella particolare cellula. Ad esempio, si potrebbero voler isolare i neuroni dopaminergici usando un anticorpo contro la tirosina idrossilasi o isolare i neuroni dell'acetilcolina usando un anticorpo per la colina acetiltransferasi. Queste proteine sono intracellulari e quindi richiederebbero la fissazione e la permeabilizzazione della membrana cellulare per la successiva colorazione con gli anticorpi appropriati. Sebbene ciò sia stato fatto prima del 4,5, questo processo può ridurre significativamente la resa di RNA o DNA da queste cellule permeabili. Un altro avvertimento potrebbe essere che non tutti gli anticorpi sono appropriati per la FACS. Ad esempio, attualmente si può utilizzare un anticorpo che funziona molto bene per il western blot, una tecnica che richiede la denaturazione delle proteine. Questo anticorpo potrebbe non essere necessariamente adatto per l'identificazione di questi tipi di cellule utilizzando FACS, dato che le proteine non sono denaturate in nessun punto di questo protocollo e quindi l'anticorpo potrebbe non avere modo di legarsi al suo antigene intrinseco. Le aziende forniscono schede tecniche che identificano le applicazioni per le quali un anticorpo è stato approvato. Se un anticorpo non è stato approvato per la citometria a flusso, non dovrebbe scoraggiare dal provare questo protocollo con un particolare anticorpo; tuttavia, bisogna essere consapevoli del fatto che non è garantito che funzioni per FACS. Un terzo avvertimento di questo protocollo ha a che fare con il numero di cellule che si sta cercando di isolare. La FACS è una tecnica eccellente per produrre il maggior numero possibile di cellule anche da un piccolo pezzo di tessuto, ma è anche possibile che se si desidera isolare una popolazione relativamente sparsa di cellule da una regione cerebrale relativamente piccola, la resa di un animale sarà intrinsecamente bassa. In questo caso, può essere necessario raggruppare il tessuto cerebrale di alcuni animali nello stesso gruppo di trattamento al fine di ottenere il numero di cellule necessarie per l'analisi successiva; tuttavia, una recente pubblicazione ha utilizzato la pre-amplificazione del cDNA mirata ai geni per la successiva analisi dell'espressione genica da un piccolo numero di neuroni attivati (5-6%) da un insieme più ampio di neuroni ordinati, indicando che è possibile analizzare l'espressione genica anche da piccoli sottogruppi di cellule neurali senza raggruppare un gran numero di animali6Un ultimo avvertimento di questa tecnica è che si dovrebbe avere accesso a un selezionatore di cellule che non sia troppo lontano. La selezionatrice cellulare è una macchina complicata che richiede una formazione significativa per essere utilizzata correttamente. Pertanto, queste macchine sono spesso gestite da un tecnico qualificato in una struttura principale. Inoltre, l'obiettivo di questa procedura è dissociare il tessuto neurale, colorarlo per anticorpi specifici e portare immediatamente quei campioni a uno smistatore entro un breve periodo di tempo (forse mezza giornata). Questo lasso di tempo contribuirà ad aumentare la sopravvivenza e la resa delle cellule isolate e a mantenere l'integrità delle cellule per la successiva elaborazione e analisi. Se tutti questi parametri sopra descritti sono soddisfatti, il FACS è un metodo eccellente per analizzare l'espressione specifica del tipo di cellula di geni e proteine dal tessuto neurale.
Tutti gli esperimenti sono stati eseguiti in conformità con l'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) dell'Università del Delaware e la National Institutes of Health Guide for the Care and Use of Laboratory Animals.