ここで提示される単細胞エレクトロポレーションのためのプロトコルは、体外海馬スライス培養年代の範囲にわたって興奮性および阻害性ニューロンの両方の遺伝子を送達することができる。このアプローチは、細胞自律機能や細胞間機能を調べるために使用できる個々の細胞内の遺伝子の正確かつ効率的な発現を提供します。
方法論記事
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ここで提示される単細胞エレクトロポレーションのためのプロトコルは、体外海馬スライス培養年代の範囲にわたって興奮性および阻害性ニューロンの両方の遺伝子を送達することができる。このアプローチは、細胞自律機能や細胞間機能を調べるために使用できる個々の細胞内の遺伝子の正確かつ効率的な発現を提供します。
エレクトロポレーションは、特定の遺伝子を細胞に移してその機能を理解するための重要な方法としての確立を確立しました。ここでは、マウスの組織性海馬スライス培養における興奮性およびクラス特異的阻害ニューロンにおけるインビトロ遺伝子トランスフェクションの効率(約80%)を最大化する単細胞エレクトロポレーション技術について述べている。大きなガラス電極、テトロドトキシン含有人工脳脊髄液および軽度の電気パルスを用いて、培養海馬CA1錐体ニューロンおよび阻害性インターニューロンに関心のある遺伝子を送達した。さらに、エレクトロポレーションは、トランスフェクション効率の低下を伴う21日間までの培養海馬スライスで行うことができ、様々なスライス培養の発達段階の研究を可能にする。多様な細胞型にわたって遺伝子の分子機能を調べることに関心が高まる中、既存の電気生理学装置や技術で行うことができるマウス脳組織におけるインビトロ遺伝子トランスフェクションに対する信頼できる簡単なアプローチを実証しています。
分子生物学では、研究者にとって最も重要な考慮事項の1つは、その機能を解明するために細胞または細胞の集団に関心のある遺伝子を送達する方法です。異なる送達方法は、生物学的(例えば、ウイルスベクター)、化学的(例えば、リン酸カルシウムまたは脂質)、または物理的(例えば、エレクトロポレーション、マイクロインジェクション、またはバイオリストクス)1、2のいずれかに分類することができる。生物学的方法は高効率で、細胞種に特異的であるが、特定の遺伝的ツールの開発によって制限される。化学アプローチは、インビトロでは非常に強力ですが、トランスフェクションは一般的にランダムです。さらに、これらのアプローチは主にプライマリセル専用です。物理的アプローチの中で、バイオリスティクスは技術的な観点から最も簡単で最も簡単ですが、再び比較的低い効率でランダムトランスフェクション結果を生成します。遺伝的ツールを開発する必要なく特定の細胞への転送を必要とするアプリケーションについては、単一細胞エレクトロポレーション3、4に目を向けます。
エレクトロポレーションはフィールドエレクトロポレーションのみを指していたのに対し、過去20年間に、特異性と効率を向上させるために複数のin vitroおよびin vivo単一細胞エレクトロポレーションプロトコルが開発され、エレクトロポレーションが遺伝子を個々の細胞に移すことができることを実証し、したがって、非常に正確であることが実証されています。しかし、この手順は技術的に要求が厳しく、時間がかかり、比較的非効率的です。実際、最近の論文では、機械化されたエレクトロポレーションリグ8,9の実現可能性を調査しており、このようなロボット工学の設置に興味を持つ研究者にとってこれらの障壁のいくつかを排除するのに役立ちます。しかし、より単純な手段を探している人にとって、エレクトロポレーション、すなわち細胞死、トランスフェクション障害、ピペット詰まりの問題は依然として懸念される。
我々は最近、より大きな先端ガラスピペット、穏やかな電気パルスパラメータ、および以前の方法よりもはるかに高い経道ニューロンのトランスフェクション効率を生成するユニークな圧力サイクリングステップを使用するエレクトロポレーション法を開発し、ソマトスタチン発現阻害性インターニューロンを含む阻害ニューロンインターニューロンの遺伝子を初めてトランスフェクトすることを可能にした。しかしながら、異なる阻害性インターニューロン型および神経細胞発生段階におけるこのエレクトロポレーション法の信頼性は取り上げられていない。ここでは、このエレクトロポレーション技術が、興奮性ニューロンおよび異なるクラスのインターニューロンの両方に遺伝子をトランスフェクトできることを実証した。重要なことに、試験したインビトロ(DIV)スライス培養年齢に関係なく、トランスフェクション効率が高かった。この確立されたユーザーフレンドリーな技術は、インビトロマウス脳組織の文脈で異なる細胞タイプの単細胞エレクトロポレーションを使用することに興味のある研究者に強くお勧めします。
すべての動物の議定書は、マサチューセッツ大学医学部の施設動物管理および使用委員会(IACUC)によって見直され、承認されました。スライス培養製剤、プラスミド調製、およびエレクトロポレーションも以前に公開された方法で詳述されており、追加情報10について参照することができる。
1. スライス文化の準備
2. プラスミド製剤
3. ガラスピペットの準備
4. エレクトロポレーションリグのセットアップ
5. エレクトロポレーションの準備
6. 目的のセルを電気ポレート
7. 組織の海馬スライス培養物の固定、染色、イメージング
当社の単細胞エレクトロポレーションは、視覚に同定された興奮性および抑制性ニューロンに遺伝子を正確に送達することができる。3つの異なる時間ポイントで3つの異なるニューロン細胞タイプを電気ポポレートしました。パーブアルブミン(Pv)またはベシキュラーグルタミン酸3型(VGT3)発現ニューロンを、それぞれPv/TdTomatoとVGT3/TdTomatoラインと呼ばれるTdTomato(赤蛍光タンパク質の変種)レポーターライン(Jax#007905)との間でPv cre(JAX#008069)またはVGT3クレイン(JAX#018147)ラインを交配することによって可視化した。C57BL/6J、Pv/TdTomato、およびVGT3/TdTomatoマウスから、オルガノミピックスライス培養を調製した。
まず、CA1錐体ニューロン(Py)で7、14、または21日間のインビトロ(DIV)のいずれかでエレクトロポレーションを行った。EGFPは、これらのスライス培養年代にわたって海馬CA1領域の5-20錐体ニューロンにトランスフェクションした(図2B-D)。CA1錐体ニューロンは、差動干渉コントラスト(DIC)を用いて同定した。スライス培養における錐体ニューロンと阻害性インターニューロンの解剖学的分布と形態学的相違を実証するために、CA1錐体ニューロンをDIV7 Pv/TdTomatoマウスでEGFPで電気ポポレートし、核反染色を行い、CA1錐体細胞層におけるEGFP陽性ニューロンの明確な位置を示す(図2A)。
次に、このプロトコルはTdTomato陽性PvおよびVGT3インターニューロンにも適用された。EGFPエレクトロポレーションは、1〜10蛍光標識インターニューロンで行った。TdTomato陽性Pv(図3)およびVGT3(図4)は、海馬CA1領域でニューロンを正常に電気泳動した。興味深いことに、これらの阻害性ニューロンタイプの全てにおいて関心のあるEGFP遺伝子のトランスフェクションは、DIVの影響を大きく受けず、CA1錐型ニューロンで観察されたトランスフェクション効率(〜80%)とは異ならなかった(図5)。

図1:2つの代表的なガラスピペット画像。
(A)このプロトコルで使用される低抵抗(6.5 MΩ)ピペットを表示し、(B)エレクトロポレーションプロトコルに典型的な高抵抗(10.4 MΩ)ピペットを表示します。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図2:オルガノピス海馬スライス培養物を、3つの異なるタイムポイントでEGFP(緑色)で電気ポポレートした。
(A)代表の組織性海馬スライス培養中のDIV7 Pv/TdTomatoマウスCA1ピラミッド型ニューロンはEGFP(緑色、白い矢印)で電気ポポレートされ、TdTomato(TdT)陽性Pvインターニューロン(赤、黄色の矢印)との重複は示さなかった。DAPI核対抗(青色)を行った。DG:デンテート回。(B-D)CA1錐体ニューロンは、EGFPを用いて、(B)DIV7、(C)DIV14、(D)DIV21の3つの異なる時点で電気ポレートされた。オルガノチピックスライス培養物を4%スクロース、4%パラホルムアルデヒド/1x PBSで固定し、さらなる断面化を行わずに画像化した。左上、海馬CA1エリアの低倍率画像。矢印は、エレクトロポレーションを対象とした個々のCA1ピラミッド型ニューロンを表します。黄色の矢印を持つトランスフェクトされたニューロンは、下部のパネルでズームされます。白い矢印は、高倍率のビューの外側に追加の電気ポレートされたニューロンを意味します。右上、重ね合わせ(Sup)蛍光画像とノマルスキー画像の低倍率画像。スケールバー:500、50、100、20μmそれぞれ。この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図3:Pv/TdTomatoの組織性海馬スライス培養物を、3つの異なる時点でEGFP(緑色)で電気ポポレートした。
(A) DIV7、 (B) DIV14 および (C) DIV21。Pv標識TdTomato(TdT)陽性細胞(赤)との重なり合いは、海馬CA1錐体細胞層およびオリエンで観察された。低倍率インセット(上段)では、黄色の矢印はエレクトロポレーションを対象とする個々のPvインターニューロンを表します。白い矢印は、高倍率のビューの外側に電気ポレートされた追加のTdTomato陽性Pvインターニューロンを意味します。スケールバー:50、20 μm。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図4:VGT3/TdTomatoの組織性海馬スライス培養物を、3つの異なる時点でEGFP(緑色)で電気ポポレートした。
(A) DIV7、 (B) DIV14 および (C) DIV21。VGT3標識TdTomato(TdT)陽性細胞(赤)との重複は、海馬CA1錐体細胞層およびオリエンにおいて観察された。低倍率インセット(上段)では、黄色の矢印はエレクトロポレーションを対象とする個々のVGT3インターニューロンを表します。白い矢印は、高倍率のビューの外側に電気ポレートされた追加のTdTomato陽性VGT3インターニューロンを意味します。スケールバー:50、20 μm。 この図の大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

図5:3つの異なるイン ビトロ スライス培養年代におけるCA1錐体ニューロン、Pv/TdTomato、およびVGT3/TdTomatoインターニューロンにおけるトランスフェクション効率の同等のレベル。
DIV7 (左)、DIV14 (中央)、DIV21 (右) の 3 つの異なるスライス カルチャの要約棒グラフ。各シンボルは、1つのorganotypicスライス培養CA1 Py:DIV7(2匹のマウスから12スライス培養)、DIV14(8/2)、DIV21(8/2)から得られたトランスフェクション効率を表します。Pv: DIV7 (5/2), DIV14 (6/2), DIV21 (6/2);VGT3: DIV7 (6/2), DIV14 (7/2), DIV21 (6/2).一方向の分散分析。n.s. (重要ではありません)。表示されるデータはSEM±意味 です。
ここでは、励起性ニューロンと阻害性ニューロンの両方を高効率かつ高精度にトランスフェクトするエレクトロポレーション法について説明する。当社の最適化エレクトロポレーションプロトコルは、高効率遺伝子トランスフェクションを実現するための3つの革新的なブレークスルーを有しています。私たちの最初の変更は、以前に公開されたプロトコル3、5、6と比較してピペットサイズを大きくすることでした。この変更により、ピペットの詰まりなしに多くのニューロンを電気ポポレートすることができました。さらに、低抵抗ピペットは、所望の結果3を達成しながら、以前の方法と比較して穏やかな電気パルスパラメータの使用を可能にすることができる。次に、エレクトロポレーション前に繰り返し圧力サイクルが顕著に減少細胞死10。電解前に負圧の単一パルスを適用すると、細胞膜がピペット先端の内側にくっつき、細胞に損傷を与えることがよく分かりました。圧力サイクルは、ピペットへのはるかに少ない血漿膜スティックを助け、これは、手順10の間に細胞の生存と回復を改善した。最後に、TTXをaCSFに添加すると、阻害ニューロン10におけるエレクトロポレーションの成功が大幅に向上した。エレクトロポレーションは、TTXによって防ぐことができる致死的な細胞過励起を引き起こす可能性があると考えています。とりわけ、これらの重要な改善は、興奮性ニューロンと阻害性ニューロンの両方にエレクトロポレーションにおいて著しく高い成功率を提供する(図5)。標的細胞内のこの方法10でトランスフェクションした後のニューロンに電気生理学的異常は見つからなかったが、エレクトロポレーション中の局所pH変化は細胞の生存率を低下させ、エレクトロポレーションパラメータの最適化は他の遺伝子トランスフェクション法13,14と比較して比較的困難であることが報告されている。したがって、エレクトロポレーションの予期せぬ副作用を考慮し、必要に応じて電気的パラメータを再最適化して、特定の用途に対して高いトランスフェクション効率を達成することが重要です。
マイクロインジェクション技術は、細胞2、15、16にトランス遺伝子を送達するための強力なアプローチとしても使用されています。しかし、このアプローチは一般的にトランスフェクションの低収率を生み出し、高いレベルのスキルを必要とします。対照的に、我々の方法は、日常的に全細胞電気生理学の研究を行う実験室に相対的に容易かつ最小限のコストで使用することができます。
最近、我々は、複数の遺伝子が、電気生理学的特性に副作用のない抑制性ニューロンを発現する興奮性およびソマトスタチンの両方にトランスフェクトできることを示した。本研究では、このエレクトロポレーション法がCA1錐体ニューロン(図2)およびPv(図3)およびVGT3(図4)阻害性インターニューロンにおいて高効率であることを実証した。さらに、このエレクトロポレーション技術により、細胞の種類やインビトロの日数に関係なく、興味のある遺伝子を約80%の成功率でトランスフェクトすることができます(図5)。この技術はインビトロでのみテストされているが、我々がテストしたのと同じDIV時点での組織的海馬スライス培養は、急性に調製された海馬スライス17に見られるように、生体内シナプス形態および活性に従う年齢に一致することが示されている。さらに、海馬ニューロンでこの方法をテストしただけなので、この技術を他の脳領域のニューロンに適用する際に予期せぬ課題が生じ得る可能性があります。この方法は、シナプス伝達および密度が時間の経過とともに変化する、組織語性スライス培養の開発中に遺伝子の探索を招く。
このプロトコルは、低コストで技術的に挑戦的で、単一ニューロン遺伝子トランスフェクション5、6、7、8、9を同時に生成する際により効率的であるという点で、以前に確立されたものよりも改善されています。また、処置後に細胞の約80%が正常にトランスフェクションされ、健康であることが観察されたので、細胞損傷または死亡率の低下という点で以前の方法よりも改善されたようです。したがって、この方法は、蛍光マウスモデルを使用して、複数の神経細胞タイプにおける遺伝子の役割を調べる新しい機会を提供する。この方法を用いた今後の研究では、細胞間のタンパク質間相互作用に焦点を当て、トランスシナプスタンパク質相互作用を含む特定の分子または生理機能を調べることができます。
著者らは、利益相反はないと宣言している。
この研究は、国立衛生補助金研究所(K.F.、T32 GM107000、F30MH122146からA.C.)によって支援されました。著者らは、渡辺直e氏に対し、技術面の技術支援に対し、感謝の気持ちを伝える。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| Plasmid preparation | |||
| Plasmid Purification Kit | Qiagen | 12362 | |
| Organotypic slice culture preparation6 | |||
| Well Plates | GREINER BIO-ONE | 657160 | |
| Dumont #5/45 鉗子 | FST | #5/45 | 器官型スライス培養調製用角度付き解剖鉗子 |
| フラスコフィルターユニット | ミリポア | SCHVU02RE | 培地のろ過と保管 |
| インキュベータ | ー バインダー | BD C150-UL | |
| マキルウェイン ティッシュチョッパー | TED PELLA, INC. | 10180 | 器官型スライス培養調製用組織チョッパー |
| ミリセル細胞培養インサート、30 mm | ミリポア | PIHP03050 | 有機型スライス培養インサート |
| 浸透圧計 | 精密システム | OSMETTE II | |
| PTFE コーティングヘラ | コールパーマー | SK-06369-11 | |
| はさみ | FST | 14958-09 | |
| ステレオ顕微鏡 | リンパス | SZ61 | |
| 真空ろ過システム | ミリポア | SCGPT01RE | aCSF |
| 電極調製 | |||
| キャピラリーグラスの | ワーナーインスツルメンツ | 640796 | |
| マイクロピペッタープーラー | サッター | 装置P-1000 | プーラー |
| オーブン | バインダー | BD (E2) | |
| プーラーフィラメント | サッター装置 | FB330B | プーラー |
| <ストロング>シングルセルエレクトロポレーション&蛍光イメージング #1 | |||
| 3.5mm ファルコンシャーレ | BD ファルコン | 353001 | |
| エアテーブル | TMC | 63-7512E | |
| CCDカメラ | Q イメージング | Retiga-2000DC | カメラ |
| エレクトロポレーションシステム | 分子デバイス | アクソポレーター 800A | エレクトロポレーター |
| 蛍光照明システム | プライアー | メン 200 | |
| マニピュレーター | サッター装置 | MPC-385 | マニピュレーター |
| メタモルフソフトウェア | 分子デバイス | 画像取得 | |
| 蠕動ポンプ | レイニン | ダイナマックス、RP-2 | 灌流ポンプ |
| シフティングテーブル | Luigs &Neuman | 240 XY | |
| スピーカー | 不明なスピーカー エレクトロポレーターに接続 | ||
| 実体顕微鏡 | オリンパス | SZ30 | |
| 卓上インキュベーター | サーモサイエンティフィック | MIDI 40 | |
| 直立顕微鏡 | オリンパス | BX61WI | |
| strong>蛍光イメージング #2 | |||
| オールインワン蛍光顕微鏡 | Keyence | BZ-X710 |
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