Questa procedura descrive come avviare rapidamente, estendere e collegare neuriti organizzati in camere microfluidiche utilizzando perline poli-D-lisina fissate a micropipette che guidano l'allungamento del neurite.
Articolo metodologico
Questa procedura descrive come avviare rapidamente, estendere e collegare neuriti organizzati in camere microfluidiche utilizzando perline poli-D-lisina fissate a micropipette che guidano l'allungamento del neurite.
La lesione del cervello e del midollo spinale può portare a disabilità permanente e alla morte perché non è ancora possibile rigenerare i neuroni per lunghe distanze e ricollegarle con un bersaglio adeguato. Qui viene descritta una procedura per iniziare, allungare e collegare rapidamente nuovi circuiti neuronali funzionali a lunghe distanze. I tassi di estensione raggiunti raggiungono oltre 1,2 mm / h, 30-60 volte più velocemente rispetto ai tassi in vivo degli assoni in crescita più veloci del sistema nervoso periferico (0,02 a 0,04 mm / h) 28 e 10 volte più veloci di quanto riportato in precedenza per gli stessi Tipo neuronale in una fase precedente dello sviluppo 4 . In primo luogo, le popolazioni isolate di neuroni ippocampali del ratto vengono coltivate per 2-3 settimane in dispositivi microfluidici per posizionare le cellule in modo preciso, consentendo una facile micromanipolazione e una riproducibilità sperimentale. Successivamente, le perle ricoperte di poli-D-lisina (PDL) vengono poste sulle neurite per formare cont. AdesiveGli atti e la micromanipolazione pipettata vengono utilizzati per spostare il complesso bead-neurite risultante. Mentre il tallone viene spostato, estrae un nuovo neurite che può essere esteso su centinaia di micrometri e collegato funzionalmente a una cellula bersaglio in meno di 1 h. Questo processo consente la riproducibilità sperimentale e la facilità di manipolazione, escludendo strategie chimiche più lente per indurre la crescita del neurite. Le misure preliminari presentate qui dimostrano un tasso di crescita neuronale molto superiore a quelle fisiologiche. Combinando queste innovazioni permette la precisa creazione di reti neuronali nella cultura con un grado di controllo senza precedenti. È un metodo nuovo che apre la porta ad una pletora di informazioni e approfondimenti sulla trasmissione del segnale e sulla comunicazione all'interno della rete neuronale, nonché come un parco giochi in cui esplorare i limiti della crescita neuronale. Le potenziali applicazioni e gli esperimenti sono diffusi con implicazioni dirette per terapie che mirano a ricollegare la neuronaL circuiti dopo trauma o in malattie neurodegenerative.
Le lesioni al sistema nervoso centrale adulto (CNS) possono portare a disabilità permanente a causa di meccanismi multipli che limitano la ricrescita assonale 1 . Dopo l'infortunio, molti assoni CNS non formano un nuovo cono di crescita e non riescono a montare una risposta efficace rigenerativa 2 . Inoltre, i danni e il tessuto delle cicatrici che circondano lesioni del CNS inibiscono significativamente la crescita axonica 1 , 2 , 3 . Le terapie correnti per promuovere la rigenerazione del SNC dopo lesioni sono state focalizzate sul miglioramento del potenziale di crescita intrinseco del neurone danneggiato e sulla mascheratura degli inibitori dell'estensione assonica associata a detriti di mielina e la cicatrice gliale 1 , 3 . Nonostante ciò la capacità di rigenerare gli assi lunghi a obiettivi lontani e di formare appropriate sinapsi funzionali rimane gravemente limitata 4 , 5 , 6 , 7 .
Nell'attuale lavoro, microbeads, micromanipolazione pipettata e dispositivi microfluidici vengono utilizzati per avviare, allungare e collegare rapidamente nuovi circuiti neuronali funzionali a lunghe distanze. Precedenti lavori hanno dimostrato che le perline ricoperte da poli-D-lisina inducono l'adesione della membrana seguita dal clustering dei complessi di vescicole sinaptici e la formazione di bouton presinaptici funzionali 8 . È stato inoltre dimostrato che quando il PDL-bead viene tirato meccanicamente dopo la differenziazione presinaptica, il cluster proteico sinaptico segue il branco, innescando un nuovo neurite 9 . La seguente procedura sfrutta questo fatto insieme alla capacità di coltivare i neuroni ippocampali embrionali di ratti in regioni organizzate su una copertura con dispositivi microfluidici polidimetilsilossano (PDMS) per ricreare con precisione un neuronecircuito.
Questi dispositivi microfluidici PDMS sono non tossici, otticamente trasparenti e sono costituiti da due camere collegate da un sistema di microchannel. Una volta assemblati su una copertura, ogni apparecchio serve come uno stampo per guidare la crescita neuronale e mantenere sani le culture neuronali su modelli precisi per più di 4 settimane in vitro .
Qui viene presentato un quadro per studiare i limiti di estensione e funzionalità del nuovo neurite. Nuove funzionalità neurite vengono create e posizionate per controllare (re) le reti neuronali. I tassi di estensione raggiunti sono più veloci di 20 μm / min su distanze di millimetro e sono stabilite le connessioni funzionali. Questi risultati mostrano inaspettatamente che la capacità intrinseca di queste neuriti per allungamento è molto più veloce di quanto precedentemente pensato. Questo approccio meccanico proposto supera strategie chimiche lente e consente la connessione controllata ad un target specifico. thÈ la tecnica apre nuove vie per lo studio in vitro di nuove terapie per ripristinare la connettività neuronale dopo il danno. Permette inoltre la manipolazione e il riavvolgimento delle reti neuronali per indagare aspetti fondamentali dell'elaborazione dei segnali neuronali e della funzione neuronale in vitro .
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Tutte le procedure descritte di seguito sono state approvate dalla McGill University Animal Care Committee e sono conformi alle linee guida del Consiglio canadese di Animal Care.
1. Standardizzazione delle culture neuronali usando dispositivi microfluidici: Assemblaggio di apparecchiature
2. Neuroni di placcatura nei sistemi microfluidici
3. Manutenzione delle culture neuronali
4. Rimozione dei dispositivi microfluidici
5. Preparazione dei branelli rivestiti in PDL
6. Preparazione delle micropipette
7. Adesione ai Neuroni di PDL-bead
8. Preparazione della soluzione fisiologica salina (per esperimenti sulla temperatura ambiente)
9. Micromanipolazione di perline
10. Tirare i Neuriti
11. Collegamento dei neuroni
12. Verifica della funzionalità della nuova connessione mediante le registrazioni delle morsetti di patch a coppie intere
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I neuroni ippocampali del ratto embrionale vengono coltivati in dispositivi microfluidici per consentire un posizionamento preciso di cellule, PDL-perle e micromanipulatori. Il primo passo è quello di montare correttamente il dispositivo microfluidico su una copertura o un piatto di vetro. È essenziale che il dispositivo microfluidico sia ben attaccato al substrato per evitare che le cellule esca dalle camere e che si muovano sotto le parti del dispositivo che dovrebbero essere sigilla...
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Grazie alla micromanipolazione standard e ai dispositivi innovativi microfluidici, è stata sviluppata una nuova tecnica per avviare, allungare e collegare rapidamente nuovi circuiti neuronali funzionali a grandi distanze. La micromanipolazione della pipetta è uno strumento comune nella maggior parte dei laboratori neuroscienze 4 , 13 . La vera sfida per ottenere risultati riproducibili e affidabili è stata la standardizzazione di culture neuronali sane e posizio...
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L'autore Margaret H Magdesian è il CEO di Ananda Devices che produce gli strumenti utilizzati in questo articolo.
Vorremmo ringraziare Yoichi Miyahara per molte discussioni e approfondimenti utili. MA e PG riconoscono il finanziamento da NSERC.
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| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Dispositivi di co-coltura | Dispositivi Ananda Disponibili | in commercio presso http://www.anandadevices.com | |
| Neuro dispositivi Dispositivi | Disponibili in commercio presso http://www.anandadevices.com | ||
| n. 1 Vetrino coprioggetti rotondo da 25 mm | Warner Instruments | 64-0705 | |
| Piatti con fondo in vetro da 35 mm #0, non rivestiti, irradiati con raggi gamma | Incorporazione MatTex | P35G-0-20-C | |
| Piastra per colture cellulari da 35 mm, non pirogena, sterile | Corning Inc | 430165 | |
| Piastra Petri da 95 mm x 15 mm, coperchio scorrevole, polistirene sterile | Fisherbrand | FB0875714G | |
| Provette da centrifuga da 50 mL con graduazioni stampate e tappi piatti VWR | 89039-656 | ||
| Provetta conica in polipropilene da 15 mL, modello 17 x 120 mm, non pirogena, falco sterile | |||
| Neurobasal Medium | Life Technologies | 21103-049 | Soluzione extracellulare |
| Integratore B-27 (50X), | Integratore B-27 senza siero (50X), 17504044 senza siero | Soluzione extracellulare | |
| Pennicilina, Streptomiozina, Glutammina | Thermo Fisher Scientific | 11995-065 | Soluzione extracellulare |
| 200 μ L Pipettatori | VWR | 89079-458 | |
| 2 - 20 μ L Pipettors | Puntali resistenti agli aerosol | 2149P | |
| BD Falcon 3mL Pipette di trasferimento [Non sterili] | BD Falcon | 357524 | |
| Glucosio | Gibco | 15023-021 | Soluzione extracellulare |
| HEPES | Sigma | 7365-45-9 | Soluzione extracellulare/Perline |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 7647-14-5 | Soluzione |
| extracellulareKCl | Sigma-Aldrich | 7447-40-7 | Soluzione extracellulare |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | Soluzione extracellulare |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | 7786-30-3 | Soluzione extracellulare |
| #5 Dumont Dumostar Pinzette 11 cm | World Precision Instruments | 500233 | |
| Strumenti di dissezione | Braun, Aesculap | ||
| Po-D-lisina bromidrato | Sigma-Aldrich | P6407 | |
| Micro particelle a base di polistirene, 10 μ m | Sigma-Aldrich | 72986 | |
| Tubi in borosilicato | King Precision Glass, Inc. | 14696-2 | |
| Estrattore di pipette orizzontale | Sutter Instruments | P-97 | |
| , serie PCS-5000 | SD Instruments | MC7600R | |
| Siringa da 1 mL | BD Luer-Lok | 309628 | |
| Microscopio invertito | Olympus | IX71 | |
| Obiettivo | Olympus | UIS2, LUCPLFLN 40X | |
| CCD | Camera Photometrics | Cascade II: 512 | |
| Leibovitz's (1x) L-15 Medium | Life Technologies | 11415-064 | Dissezione di ratto |
| Typsin-EDTA (0,05%), Phenol red | Life Technologies | 25300054 | Dissezione |
| di rattoDMEM (1x) Dulbecco's Modified Eagle Medium [+4,5 g/L D-glucosio, + L-glutammina, + 110 mg/L di piruvato di sodio] | Life Technologies | 11995-065 | Dissezione di ratto |
| HBSS (1x) Soluzione salina bilanciata di Hank [- Cloruro di calcio, - Cloruro di magnesio, - Solfato | Life Technologies | 14170-112 | Dissezione di ratto |
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