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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Questo protocollo fornisce una tecnica per raccogliere e coltivare il ganglio radicale dorsale (DRG) espiantato da ratti Sprague Dawley adulti in un dispositivo multicompartimentale (MC).
La caratteristica neuronale periferica più comune del dolore è una soglia di stimolazione abbassata o ipersensibilità dei nervi terminali dai gangli della radice dorsale (DRG). Una delle cause proposte di questa ipersensibilità è associata all'interazione tra le cellule immunitarie nel tessuto periferico e i neuroni. I modelli in vitro hanno fornito conoscenze fondamentali per comprendere come questi meccanismi determinano l'ipersensibilità ai nocicettori. Tuttavia, i modelli in vitro devono affrontare la sfida di tradurre l'efficacia nell'uomo. Per affrontare questa sfida, è stato sviluppato un modello in vitro fisiologicamente e anatomicamente rilevante per la coltura di gangli della radice dorsale intatti (DRG) in tre compartimenti isolati in una piastra a 48 pozzetti. I DRG primari vengono raccolti da ratti Sprague Dawley adulti dopo l'eutanasia umana. Le radici nervose in eccesso vengono tagliate e il DRG viene tagliato in dimensioni appropriate per la coltura. I DRG vengono poi coltivati in idrogel naturali, consentendo una crescita robusta in tutti i compartimenti. Questo sistema multicompartimentale offre un isolamento anatomicamente rilevante dei corpi cellulari DRG dai neuriti, tipi di cellule fisiologicamente rilevanti e proprietà meccaniche per studiare le interazioni tra cellule neurali e immunitarie. Pertanto, questa piattaforma di coltura fornisce uno strumento prezioso per studiare le strategie di isolamento del trattamento, portando in ultima analisi a un migliore approccio di screening per la previsione del dolore.
Il dolore cronico è la principale causa di disabilità e perdita del lavoro a livello globale1. Il dolore cronico colpisce circa il 20% degli adulti a livello globale e impone un onere sociale ed economico significativo2, con costi totali stimati tra i 560 e i 635 miliardi di dollari ogni anno negli Stati Uniti3.
La principale caratteristica periferica esibita dai pazienti con dolore cronico è una soglia di stimolazione dei nervi abbassata, che porta il sistema nervoso ad essere più reattivo agli stimoli 4,5. L'abbassamento della soglia di stimolazione può provocare una risposta dolorosa a uno stimolo precedentemente non doloroso (allodinia) o una risposta aumentata a uno stimolo doloroso (iperalgesia)6. Gli attuali trattamenti per il dolore cronico hanno un'efficacia limitata e i trattamenti che hanno successo nei modelli animali spesso falliscono negli studi sull'uomo a causa delle differenze meccanicistiche nella manifestazione del dolore7. I modelli in vitro in grado di imitare più accuratamente i meccanismi di sensibilizzazione periferica hanno il potenziale per aumentare la traduzione di nuove terapie 8,9. Inoltre, modellando gli aspetti chiave dei nervi sensibilizzati in un sistema di coltura, i ricercatori potrebbero sviluppare una comprensione più profonda dei meccanismi che guidano le soglie abbassate e identificare nuovi bersagli terapeuticiche le invertono.
Le piattaforme in vitro ideali o i sistemi microfisiologici incorporerebbero la separazione fisica dei neuriti distali e del corpo cellulare dei gangli della radice dorsale (DRG), un ambiente cellulare tridimensionale (3D) e la presenza di cellule di supporto native per imitare da vicino le condizioni in vivo . Tuttavia, un recente articolo di Caparaso et al.11 mostra che le attuali piattaforme di coltura DRG mancano di una o più di queste caratteristiche chiave, il che le rende insufficienti nel replicare le condizioni in vivo . Anche se queste piattaforme sono facili da configurare, non imitano le basi biologiche della sensibilizzazione periferica e quindi potrebbero non tradursi in efficacia in vivo . Per affrontare questa limitazione, è stato sviluppato un modello in vitro fisiologicamente rilevante per la coltura dei gangli delle radici dorsali (DRG) all'interno di una matrice di idrogel con tre compartimenti isolati per consentire l'isolamento fluidico temporale dei neuriti e dei corpi cellulari DRG11. Questo modello offre rilevanza sia fisiologica che anatomica, che ha il potenziale per studiare la sensibilizzazione periferica dei neuroni in vitro.
Il crescente interesse per l'uso di espianti di DRG in una coltura 3D è dovuto alla loro capacità di facilitare una robusta crescita dei neuriti, che funge da indicatore indiretto della vitalità dei DRG12. Mentre gli espianti primari di DRG neonatali o embrionali sono prevalentemente utilizzati nelle attuali piattaforme di coltura in vitro 13,14, l'utilizzo di espianti da roditori adulti fornisce un modello migliore di fisiologia neuronale matura, che imita da vicino la fisiologia umana del DRG rispetto agli espianti da roditori neonatali o embrionali15. I DRG di espiantazione si riferiscono alla conservazione del tessuto cellulare e molecolare del tessuto DRG nativo, principalmente mantenendo le cellule di supporto non neuronali native. In questo documento, questo protocollo descrive la metodologia per raccogliere e coltivare espianti di DRG da ratti adulti Sprague Dawley in un dispositivo multicompartimento (MC) (Figura 1).
L'efficacia è stata dimostrata nella coltura di DRG dalla colonna cervicale, toracica e lombare senza differenze osservabili nella crescita dei neuriti. Per questa applicazione, l'obiettivo era quello di suscitare la crescita di neuriti nei compartimenti esterni del dispositivo; pertanto, questo articolo non ha discriminato tra i livelli di DRG. Tuttavia, se necessario per un esperimento specifico, il livello DRG può essere personalizzato per soddisfare le esigenze degli sperimentatori. Attualmente esistono altri modelli di coltura compartimentati per la coltura 3D di DRGs16, tuttavia, questi dispositivi non contengono cellule di supporto non neuronali native conservate, il che può limitare la traduzione. Preservare la struttura nativa dei DRG raccolti è importante perché garantisce la ritenzione delle cellule di supporto non neuronali, le cui interazioni con i neuroni DRG sono essenziali per mantenere le proprietà funzionali di questi neuroni. Diversi studi hanno co-coltivato DRG dissociati con cellule neuronali non native come le cellule di Schwann per promuovere la mielinizzazione dei neuroni 17,18,19.
La raccolta del DRG è stata eseguita in conformità con l'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) dell'Università del Nebraska-Lincoln. Per lo studio sono state utilizzate femmine di ratti Sprague Dawley di 12 settimane (~250 g). I dettagli degli animali, dei reagenti e delle attrezzature utilizzate nello studio sono elencati nella Tabella dei materiali.
1. Fabbricazione e assemblaggio di dispositivi multiscomparto
2. Preparazione dell'idrogel
3. Preparazione della soluzione fotoiniziatrice
NOTA: È necessario un fotoiniziatore per reticolare il MAHA sotto luce UV. È comunemente usato in percentuali dallo 0,3% allo 0,6%.
4. Dissoluzione dell'acido ialuronico metacrilato
5. Assemblaggio del dispositivo
6. Preparazione degli animali
7. Raccolta dei gangli della radice dorsale (DRG)
8. Rifilatura e taglio DRG
9. Neutralizzazione del collagene
10. Fabbricazione di idrogel
11. Incorporamento DRG
12. Controllare l'incorporamento di DRG
13. Imaging DRG
14. Quantificazione dei neuriti DRG
Il presente protocollo descrive una tecnica per raccogliere e coltivare DRG da ratti adulti Sprague Dawley in un dispositivo multicompartimentale (MC). Come mostrato nella Figura 1, il DRG raccolto da ratti adulti è stato tagliato e tagliato in ~0,5 mm. I DRG tagliati e tagliati sono stati quindi incorporati in un idrogel nella regione soma del dispositivo MC (Figura 2) e coltivati per 27 giorni prima della quantificazione dei neuriti. Il DRG è stato coltivato in gel semplice per fungere da controllo. La concentrazione della formulazione di idrogel utilizzata per questo esperimento era di 4,5/1,25 mg/mL di collagene: MAHA. Nei giorni 27 e 21 rispettivamente per i gel multicompartimentali e semplici, c'è stata una robusta crescita di neuriti (Figura 3). La lunghezza media dei neuriti in MC (894,22 μm ± 308,75 μm) era paragonabile alla lunghezza dei neuriti nei gel semplici di controllo (864,26 μm ± 362,84 μm) (Figura 4). Ciò dimostra la capacità del dispositivo MC di supportare la coltura DRG e la crescita dei neuriti. Le lunghezze dei neuriti sono state quantificate utilizzando il software ImageJ.

Figura 1: Diagramma schematico che mostra la procedura sperimentale. (A) Raccolta dei gangli radicali dorsali (DRG) da ratti Sprague Dawley adulti. (B) Rifilatura e taglio dei DRG raccolti. (C) Formulazione dell'idrogel, inclusione di DRG e coltura in idrogel all'interno di MC inseriti in una piastra a 48 pozzetti. (D) Crescita dei neuriti DRG dopo 21-30 giorni di coltura. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Multiscomparto stampato con tre scomparti isolati e può essere utilizzato in una piastra a 48 pozzetti. (A) Un'immagine rappresentativa che mostra la vista dall'alto del dispositivo MC stampato mostra i compartimenti DRG e neurite (linee rosse) e l'area di inclusione DRG (verde). (B) Vista laterale di MC. (C) Un'immagine di MC inserita in una piastra a 48 pozzetti. Barra della scala = 10 mm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Crescita della neurite in un dispositivo multicompartimentale (MC) e gel semplici di controllo. (A) Un'immagine rappresentativa che mostra la crescita di neuriti tracciata in un dispositivo multicompartimentale (MC) in campo chiaro. (Sotto) I neuriti che sono cresciuti attraverso i tunnel di MC sono indicati con frecce. (B) Immagine della crescita dei neuriti in gel semplici di controllo (senza MC). (C) Un'immagine rappresentativa che mostra il tracciamento dei neuriti di dodici neuriti lunghi in gel semplici di controllo (linee viola). Sei neuriti lunghi su entrambi i lati del DRG sono stati quantificati per ottenere la lunghezza media dei neuriti. Le immagini sono state catturate con un imager a lastra fluorescente con ingrandimento 4x e i neuriti sono stati quantificati utilizzando FIJI (ImageJ). Barre di scala = 1000 μm. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Lunghezza della neurite nel multicompartimento (MC) rispetto a quella del gel semplice (PG). Grafico a dispersione che mostra le lunghezze dei singoli neuriti con medie e deviazioni standard rappresentate da barre di errore. La lunghezza media dei neuriti in MC era di 1204,40 μm ± 690,43 μm (media ± DS) rispetto a 864,26 μm ± 362,84 μm (media ± SD) nel gel semplice, indicando la crescita dei neuriti di supporto MC. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
File di codifica supplementare 1: file STL di un dispositivo multiscomparto (MC) generato utilizzando un software di progettazione assistita da computer. Clicca qui per scaricare questo file.
Gli autori di questo studio dichiarano di non avere alcun conflitto di interessi.
Questo protocollo fornisce una tecnica per raccogliere e coltivare il ganglio radicale dorsale (DRG) espiantato da ratti Sprague Dawley adulti in un dispositivo multicompartimentale (MC).
Questo lavoro è stato sostenuto da un NSF Grant (2152065) e da un NSF CAREER Award (1846857). Gli autori desiderano ringraziare tutti i membri attuali e passati del Wachs Lab per aver contribuito a questo protocollo. I diagrammi nella Figura 1 sono stati realizzati in Biorender.
| #5 pinze | Fine Science Tools | 11252-00 | Per rifilare e tagliare DRG |
| 10x DMEM | MilliporeSigma | D2429 | |
| 1x PBS (autoclavato) | Preparato in laboratorio | 7,3 - 7,5 pH | |
| 24 piastre a pozzetti | VWR | 82050-892 | Per conservare temporaneamente DRG raccolti e tagliati |
| 3 mL Siringa sterile e monouso | BD | 309657 | |
| Piastre a 48 pozzetti | Greiner Bio-One | 677180 | |
| Piastra di Petri da 60 mm | Fisher | Scientific FB0875713A | Per contenere terreni per rifilare e tagliare |
| Foglio di alluminio | Fisherbrand | 01-213-104 | |
| B27 Plus 50x | ThermoFisher | 17504044 | Per terreni DRG |
| Collagene tipo I | Ibidi | 50205 | |
| Curvo tazza Friedman Pearson Rongeur | Fine Science Tools | 16221-14 | Per la dissezione |
| Dumont #3 pinze | Fine Science Tools | 11293-00 | Per la dissezione |
| Siero fetale bovino (FBS) | ThermoFisher | 16000044 | Per terreni DRG |
| Form cure | Form Labs agente polimerizzante | FormLabs | |
| Lavaggio della forma | Form Labs | Per lavare via le resine in eccesso MC | |
| Sterilizzatore a microsfere di vetro | Fisher Scientific | NC9531961 | |
| Fiale di vetro (8 mL) | DWK Life Sciences (Wheaton) | 224724 | |
| GlutaMax | ThermoFisher | 35050-061 | Per terreni DRG |
| HEPES (1M) | Millipore Sigma | H0887 | |
| Resina V2 ad alta temperatura | FormLabs | FLHTAM02 | |
| Acido ialuronico Sale sodico | MilliporeSigma | 53747 | Utilizzato per realizzare MAHA |
| Irgacure | MilliporeSigma | 410896 | |
| Laminin | R& D Systems | 344600501 | |
| Forbici a naso smussato grandi | Militex | EG5-26 | Per la dissezione |
| Pinza grande (punte seghettate) | Militex | 9538797 | Per la dissezione |
| Forbici grandi a naso affilato | Fine Science Tools | 14010-15 | Per la dissezione |
| Puntali per pipette a bassa ritenzione | Fisher Scientific | 02-707-017 | Per il pipettaggio di collagene e MAHA |
| Acido ialuronico metacrilato (MAHA) | Preparato in laboratorio | N/A | 85 - 115 % metacrilazione |
| Nerve Growth Factor (NGF) | R& D Systems | 556-NG-100 | Per terreni DRG |
| Neurobasal A Media | ThermoFisher | 10888022 | Per terreni DRG |
| Parafilm | Bemis | PM996 | |
| Parafilm | Bemis | PM996 | |
| Penicillina/Streptomicina (PS) | EMD Millipore | 516106 | Per terreni DRG |
| Strisce reattive per pH | VWR International | BDH35309.606 | |
| Puntali per pipette (1000 & micro; L) | USA Scientific | 1111-2021 | |
| Preform 3.23.1 software | Formslab | Per caricare il file STL | |
| Rat | Charles River | ||
| Stampante 3D in resina | Form Labs | Form 3L | Dispositivo MC per la stampa 3D |
| Piccole forbici dal naso affilato | Strumenti per lascienza fine | 14094-11 | Per la dissezione |
| Bicarbonato | di sodioMilliporeSigma | S6014 | |
| Rongeur a tazza diritta | Strumenti per la scienza | fine16004-16 | Per la dissezione |
| Forbici a molla a lama dritta | Fine Science Tools | 15024-10 | Per la dissezione |
| Lama per scaplel chirurgica (n. 10) | Fisher Scientific | 22-079-690 | |
| Filtri a siringa, PES (0,22 &; m) | Celltreat | 229747 | |
| Minuscole forbici a molla | World Precision Instruments | 14003 | Per rifilare e tagliare la |
| lampada UV | DRGAnalytik Jena US | To photocrosslink hydrogel (15 - 18 mW/cm2) |