이 프로토콜은 패치 클램프를 사용하여 높은 시공간 분해능으로 척수 자극(SCS)에 대한 운동 뉴런의 전기적 반응을 연구하는 방법을 설명하며, 이를 통해 연구자들은 척수를 분리하고 세포 생존력을 동시에 유지하는 기술을 향상시킬 수 있습니다.
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이 프로토콜은 패치 클램프를 사용하여 높은 시공간 분해능으로 척수 자극(SCS)에 대한 운동 뉴런의 전기적 반응을 연구하는 방법을 설명하며, 이를 통해 연구자들은 척수를 분리하고 세포 생존력을 동시에 유지하는 기술을 향상시킬 수 있습니다.
척수 자극술(SCS)은 척수 손상(SCI) 후 운동 기능을 효과적으로 회복할 수 있습니다. 운동 뉴런은 감각 운동 행동을 실행하는 최종 단위이기 때문에 SCS로 운동 뉴런의 전기 반응을 직접 연구하면 척추 운동 조절의 기본 논리를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다. 다양한 자극 특성과 세포 반응을 동시에 기록하기 위해 패치 클램프는 단일 세포 규모에서 전기생리학적 특성을 연구하는 좋은 방법입니다. 그러나 이 목표를 달성하는 데에는 세포 생존력 유지, 뼈 구조에서 척수를 빠르게 분리, SCS를 사용하여 활동 전위를 성공적으로 유도하는 등 몇 가지 복잡한 어려움이 여전히 있습니다. 여기에서는 패치 클램프를 사용하여 높은 시공간 해상도로 SCS에 대한 운동 뉴런의 전기적 반응을 연구하는 상세한 프로토콜을 제시하며, 이를 통해 연구자가 척수 분리 및 세포 생존력 유지 기술을 향상시켜 운동 뉴런에 대한 SCS의 전기적 메커니즘을 원활하게 연구하고 불필요한 시행착오를 피할 수 있습니다.
척수 자극술(SCS)은 척수 손상(SCI) 후 운동 기능을 효과적으로 회복할 수 있습니다. 안드레아스 로왈드(Andreas Rowald) 등은 SCS가 단 하루 만에 하지 운동과 몸통 기능을 가능하게 한다고 보고했다1. 운동 회복을 위한 SCS의 생물학적 메커니즘을 탐구하는 것은 보다 정확한 SCS 전략을 개발하기 위한 중요하고 추세적인 연구 분야입니다. 예를 들어, 그레구아르 쿠르틴(Grégoire Courtine)의 연구팀은 척수의 흥분성 Vsx2 인터뉴런과 Hoxa10 뉴런이 SCS에 반응하는 핵심 뉴런이며, SCI2 이후 쥐의 보행 능력을 회복하기 위해 세포 특이적 신경조절이 가능하다는 것을 입증했습니다. 그러나 단일 셀 규모에서 SCS의 전기적 메커니즘에 초점을 맞춘 연구는 거의 없습니다. 고전적인 오징어 실험 3,4,5에서 초임계 직류 자극이 활동 전위(AP)를 유도할 수 있다는 것은 잘 알려져 있지만, SCS와 같은 펄스 교류 전기 자극이 모터 신호 생성에 어떤 영향을 미치는지는 여전히 불분명합니다.
척추 내 신경 회로의 복잡성을 감안할 때, 세포 집단에 대한 적절한 선택은 SCS의 전기적 메커니즘을 조사하는 데 중요합니다. SCS는 고유수용성 경로(proprioceptive pathway)6를 활성화시킴으로써 운동기능을 회복시키지만, 운동뉴런(motor neuron)은 고유수용감각 정보 구심성 입력(affrioception information afferent input)7의 통합으로부터 유도된 운동 명령을 실행하는 최종 단위이다. 따라서 SCS를 사용하여 운동 뉴런의 전기적 특성을 직접 연구하면 척추 운동 조절의 기본 논리를 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.
아시다시피, 패치 클램프는 매우 높은 시공간 분해능(spatiotemporal resolution)8을 가진 세포 전기생리학적 기록을 위한 황금 표준 방법입니다. 따라서 본 연구에서는 SCS에 대한 운동 뉴런의 전기적 반응을 연구하기 위해 패치 클램프를 사용하는 방법을 설명합니다. 뇌 패치-클램프(9)와 비교했을 때, 척수 패치-클램프는 다음과 같은 이유로 더 어렵다: (1) 척수는 아주 작은 부피의 척추관에 의해 보호되며, 이는 더 나은 세포 생존력을 얻기 위해 매우 미세한 미세 조작과 엄격한 얼음처럼 차가운 유지가 필요하다. (2) 척수가 너무 가늘어서 절단 트레이에 고정할 수 없기 때문에 저융점 아가로스에 담그고 응고 후 다듬어야 합니다.
따라서 이 방법은 척수를 해부하고 동시에 세포 생존력을 유지하는 데 있어 운동 뉴런에 대한 SCS의 전기적 메커니즘을 원활하게 연구하고 불필요한 시행착오를 피할 수 있는 기술적 세부 사항을 제공합니다.
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기관 동물 관리 및 사용 위원회는 모든 동물 실험을 승인했으며 연구는 관련 동물 복지 규정에 따라 수행되었습니다.
1. 동물 준비
2. SCS를 사용한 패치 클램프 기록(그림 2)
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미세 작동 중 엄격한 저온 유지 덕분에(보충 그림 1, 보충 그림 2 및 그림 1) 세포 생존율은 후속 전기생리학적 기록을 수행하기에 충분했습니다. 임상 시나리오를 최대한 시뮬레이션하기 위해 미세 조작을 사용하여 SCS 음극과 양극을 각각 등쪽 정중선과 DREZ 근처에 배치했으며(그림 2), 등쪽 뿔에서 신경 신호를 시작하여 운동 기둥의 배외측 영역에 있는 운동 뉴런으로 전파할 수 있었습니다. 이 연구에서 우리는 FG를 사용하여 직경이 20-50μm인 운동 뉴런을 찾았습니다. 그림 2D,G에서 볼 수 있듯이 건강한 FG+ 뉴런을 척추 회로의 말단인 운동 뉴런으로 자신 있게 확인했습니다. 이 라벨링 방법은 SCS가 발사 패턴에 미치는 영향을 연구하는 길을 열었습니다. 지연 및 즉시 발화 운동 뉴런의 전기생리학적 ...
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SCS에 의해 조절된 운동 정보는 최종적으로 운동 뉴런으로 수렴됩니다. 따라서 운동 뉴런을 연구 목표로 삼으면 연구 설계를 단순화하고 SCS의 신경 조절 메커니즘을 보다 직접적으로 밝힐 수 있습니다. 다양한 자극 특성과 세포 반응을 동시에 기록하기 위해 패치 클램프는 단일 세포 규모에서 전기생리학적 특성을 연구하는 좋은 방법입니다. 그러나 세포 생존력을 유지하는 방법, 뼈 구조에서 척수를 빠르게 분리하는 방법, SCS를 사용하여 AP를 성공적으로 유도하는 방법 등 여전히 몇 가지 어려움이 있습니다. 따라서 본 연구는 연구자가 필수 수술 기술을 빠르게 파악하고, 몇 가지 가능한 함정을 피하고, 가능한 한 빨리 방법론이 아닌 연구 설계에 집중할 수 있도록 돕는 것을 목표로 합니다.
좋은 세포 생존력을 얻기 위해서는 항상 다음과 같은 세부 사항에 주의를 기울여야 합니다: (1) 척수를 얼음처럼 차가운 온도로 유지하는 것은 매우 중요한데, 그 이유는 저온이 세포 사멸을 억제하고 신진대사...
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이 연구는 중국 국립 자연 과학 재단 젊은 학자(52207254 및 82301657)와 중국 박사후 과학 기금(2022M711833)의 지원을 받았습니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 아데노신 5'-트리포스페이트 마그네슘 염 | 시그마 | A9187 | |
| 아스코르브산 | 시그마 | A4034 | |
| CaCl2· 2H2O | Sigma | C5080 | |
| 염화콜린 | Sigma | C7527 | |
| 커버 슬라이드 핀셋 | VETUS | 36A-SA | 클립 |
| 슬라이스 D-Glucose | Sigma | G8270 | |
| EGTA | Sigma | E4378 | |
| 미세 가위 | RWD Life Science | S12006-10 | 다이어프램 절단 |
| 형광 광원 | Olympus | U-HGLGPS | |
| 오로 골드 | 플루오로 크롬 | 플루오로 크롬 | 라벨 모터 뉴런 |
| 구아노신 5′-triphosphate sodium salt hydrate | 시그마 | G8877 | |
| HEPES | 시그마 | H3375 | |
| 적외선 CCD 카메라 | Dage-MTI | IR-1000E | |
| KCl | 시그마 | P5405 | |
| K-글루코네이 | 시그마 | P1847 | |
| 저융점 아가로스 | 시그마 | A9414 | |
| MgSO4· 7H2O | 시그마 | M2773 | |
| 마이크로매니퓰레이터 | 셔터 기기 | MP-200 | |
| 마이크로피펫 풀러 | 셔터 기구 | P1000 | |
| 마이크로-가위 | Jinzhong | wa1020 | Laminectomy |
| 현미경 | SZX10 | ||
| 전극 영양 생리학 현미경 | Olympus | BX51WI | |
| 마이크로 톱니 핀셋 | RWD Life Science | F11008-09 | 절단 척추체 들어 올리 |
| NaCl | Sigma | S5886 | |
| NaH2PO4 | Sigma | S8282 | |
| NaHCO3 | Sigma | V900182 | |
| Na-Phosphocreatine | Sigma | P7936 | |
| ecletrophysiology를 위한 대물 렌즈 | Olympus | LUMPLFLN60XW | 작동 거리 2 mm |
| 삼투압계 | 고급 | FISKE 210 | |
| 패치 클램프 앰프 | 축삭 | 멀티클램프 700B | |
| 패치클램프 디지타이저 | Axon | Digidata 1550B | |
| pH 측정기 | 메틀러 톨레도 | FE28 | |
| 슬라이스 앵커 | 멀티채널 시스템 | SHD-27H | |
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| Vibratome | Leica | VT1200S | |
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