본 프로토콜은 성체 마우스에서 1차 해마 미세아교세포를 분리 및 정제하는 방법을 설명한 다음, 이러한 급성으로 분리된 세포에서 전체 세포 패치 클램프 기록을 수행하기 위한 지침을 설명합니다.
방법 논문
본 프로토콜은 성체 마우스에서 1차 해마 미세아교세포를 분리 및 정제하는 방법을 설명한 다음, 이러한 급성으로 분리된 세포에서 전체 세포 패치 클램프 기록을 수행하기 위한 지침을 설명합니다.
미세아교세포(Microglia)는 중추신경계(CNS)의 항상성을 유지하기 위해 뉴런과 상호 작용하는 뇌에 상주하는 면역 세포입니다. 연구에 따르면 미세아교세포 표면은 미세아교세포 활성화를 조절하는 칼륨 채널을 발현하는 반면, 이러한 칼륨 채널의 이상은 신경 질환으로 이어질 수 있습니다. 현재 미세아교세포의 전세포 패치 클램프 기록은 급성 고립된 미세아교세포에 대한 전기생리학적 평가를 수행하는 데 어려움이 있기 때문에 태아 또는 신생아 마우스의 배양된 1차 미세아교세포에서 대부분 수행됩니다. 이 연구는 성체 마우스에서 해마 미세아교세포를 분리하고 분리된 세포에서 전체 세포 패치 클램프 기록을 수행하기 위한 따르기 쉬운 프로토콜을 소개합니다. 간단히 말해서, 참수 후 마우스에서 뇌를 제거하고, 해마를 양측으로 절개하고, 성체 마우스 뇌 해리 키트를 사용하여 미세아교세포를 분리했습니다. 그런 다음 미세아교세포를 MACS(magnetic-activated cell sorting) 방법을 사용하여 정제하고 커버슬립에 파종했습니다. 성공적인 미세아교세포 분리는 항-CD11 및 항-IBA1 항체를 사용한 면역형광 염색에 의해 확인되었습니다. 커버 슬립을 기록실에 넣고 급성으로 분리된 미세아교세포의 전체 세포 칼륨 전류를 전압 클램프 조건에서 기록했습니다.
원시 난황낭의 골수성 전구 세포에서 유래한 미세아교세포는 중추신경계에 상주하며 전체 신경 세포의 약 10%에서 15%를 차지합니다 1,2. 기능적으로, 국소 환경을 감시하고, 면역 방어 기능을 수행하고, 뉴런에 영양을 공급하고 지원하는 것 외에도 3,4, 미세아교세포는 뉴런과 직접 접촉하여 뉴런 표면 수용체와 해당 리간드 결합을 조절할 수 있으며, 사이토카인 분비를 통해 뉴런과 간접적으로 상호 작용할 수 있습니다5. 시험관 내 및 생체 내 연구는 미세아교세포가 다양한 유형의 칼륨 채널을 발현한다는 것을 입증했으며, 이는 음성 막 전위6 유지에 기여하고 미세아교세포 활성화를 조절합니다. 다양한 뇌 질환에서 비정상적인 미세아교세포 칼륨 채널이 관찰되었다는 점을 감안할 때7, 연구자들은 이러한 칼륨 채널을 표적으로 하는 잠재적 약물을 식별하고 미세아교세포 기능을 조절하기 위한 전략을 개발하는 것이 중요합니다.
미세아교세포에 대한 전통적인 소화 및 정제 방법은 종종 뇌 전체를 사용하는데, 이는 서로 다른 뇌 영역에 걸친 미세아교세포의 이질성을 간과합니다8. 혈청 함유 배지의 시험관 내 해리 및 장기 배양은 미세아교세포를 활성 상태9로 두는데, 이는 생리학적 특성과 실제 상태를 정확하게 반영하지 못할 수 있습니다.
또한, 외향 정류기 칼륨 전류는 1차 배양된 신생아 미세아교세포와 세포주에서 기록되었지만10, 태아 또는 신생아 마우스 뇌 조직의 장기 배양 데이터는 성숙한 미세아교세포의 데이터와 다를 수 있습니다. 본 프로토콜은 미세아교세포를 급성으로 분리하고 성체 마우스 뇌 조직을 사용하여 미세아교세포의 칼륨 전류에 대한 전체 세포 기록을 즉시 수행하는 것을 목표로 합니다.
생화학적 및 칼륨 채널 특성은 작은 조직 11,12,13,14,15에서 미세아교세포의 분리 및 정제에 적합한 방법을 사용하여 검사되었습니다. 따라서 이 프로토콜은 연구자가 생리학적 및 질병 조건에서 미세아교세포의 생화학적 및 기능적 특성을 규명할 수 있는 지침을 제공합니다. 이 프로토콜은 해마와 칼륨 채널을 예로 사용하지만, 다른 뇌 영역과 채널/세포 전기생리학적 특성에 대한 연구에도 적용할 수 있습니다.
모든 실험은 화남사범대학교 생명과학 동물관리 및 이용위원회의 승인을 받았으며 적절한 동물복지 기준이 유지되었습니다(윤리적 승인: SCNU-SLS-2023-048). 이 연구에는 수컷 또는 암컷 3-5개월 된 C57BL/6J 마우스가 사용되었습니다. 사용된 시약 및 장비에 대한 자세한 내용은 재료 표에 나열되어 있습니다.
1. 솔루션 준비
2. 뇌 조직으로부터 단세포 현탁액의 준비
3. 미세아교세포의 급성 분리
4. 면역형광
5. 미세아교세포(microglia)에서 칼륨 전류의 전체 세포 패치 클램프 기록
간단히 말해서, 이 과정에는 성체 쥐의 뇌에서 해마 미세아교세포를 분리한 다음 이러한 세포를 전체 세포 패치 클램프 기록하는 것이 포함됩니다(그림 1). 이 절차는 3-5개월 된 C57BL/6J 성체 쥐의 해마를 해부하는 것으로 시작됩니다. 구체적으로 말하자면, 관류 후 뇌 전체를 제거하고 얼음처럼 차가운 PBS가 들어 있는 배양 접시에 넣습니다(그림 2A). 해마에서 세포를 급성으로 분리하기 위해 대뇌 피질을 제거하고 초승달 모양의 해마 조직을 그대로 분리합니다(그림 2B).
최적의 세포 품질과 그에 따른 고품질 전체 세포 패치 클램프 기록을 위해서는 단일 세포 현탁액을 준비하는 동안 분해 시간을 제어하는 것이 중요합니다. 이 연구는 효소 혼합물의 해마 조직을 일관되게 수동으로 교반하고 소화 시간을 15분 이하로 엄격하게 제한했습니다(그림 3). 그런 다음 MACS 방법을 사용하여 세포를 분리하여 86.20% ± 0.68%19,20의 순도를 달성했습니다. 이렇게 분류된 세포가 미세아교세포임을 확인하기 위해 미세아교세포18을 검출하는 데 널리 사용되는 anti-Iba1 및 anti-CD11b 항체를 사용하여 면역형광으로 미세아교세포 표면 마커를 테스트했습니다. 그 결과 분리된 세포가 CD11b 및 Iba1 양성임을 나타내어 미세아교세포의 성공적인 분리를 확인했습니다(그림 4).
마지막으로, 급성으로 분리된 미세아교세포가 후속 실험을 위한 고품질인지 여부를 평가하기 위해 미세아교세포칼륨 전류를 평가하기 위해 전체 세포 패치 클램프 기록을 수행하는 방법을 설명합니다. 기록된 미세아교세포의 평균 멤브레인 커패시턴스는 10.42 ± 2.05였습니다(그림 5). 그 결과 미세아교세포(microglial potassium) 전류가 기록될 수 있음을 보여주었으며, 이는 급성으로 고립된 미세아교세포가 신경생물학적 연구에 적합하다는 것을 나타냅니다.

그림 1: 실험 절차의 개요. 네 가지 주요 단계가 있습니다: 뇌 조직을 조심스럽게 추출하고 해마를 양측으로 절개합니다. 해마 조직을 절단하여 프로토콜 섹션에 자세히 설명된 대로 효소 혼합물을 사용하여 단일 세포 현탁액을 제조합니다. 표적 세포는 자기 활성화 세포 분류 방법에 의해 격리됩니다. 그리고 급성으로 고립된 세포의 칼륨 전류는 전체 세포 패치-클램프 기록에 의해 분석됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2: 해마 해부 절개. (A) 생후 3-5개월 된 쥐의 뇌 전체. (B) 고립된 양측 해마. 눈금 막대: 0.5cm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3: 해마 조직의 소화를 보여주는 개략도. 중요한 실험 단계의 그림으로, 최대 15분 동안 연속 진탕하면서 37°C에서 효소 혼합물을 추가하여 해마 조직이 단일 세포 현탁액으로 소화되도록 합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 4: 급성으로 분리된 해마 미세아교세포의 식별. 해마에서 정제된 CD11b(녹색) 및 Iba1(빨간색) 양성 세포를 보여주는 대표적인 컨포칼 이미지로, 분리된 세포가 미세아교세포임을 확인합니다. 눈금 막대 : 10 μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 5: 전체 세포 미세아교세포 칼륨 전류의 기록. (A) 기록 전극은 고립된 해마 미세아교세포의 표면에 위치합니다. 스케일 바 : 20 μm. (B) 전압 클램프 조건에서 급성으로 분리 된 해마 미세 아교 세포의 대표적인 칼륨 전류. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
태아 또는 신생아 마우스에서 배양된 미세아교세포는 성인 미세아교세포를 연구하기에 분명히 적합하지 않습니다. 추가적으로, 상이한 뇌 영역에 걸친 미세아교세포의 이질성을 감안할 때21, 전체 뇌에서 분리된 미세아교세포는 특정 뇌 구조에서 미세아교세포의 특성을 정확하게 나타내지 않을 수 있다. 이 프로토콜은 이러한 세포의 전기적 특성을 평가하기 위해 특히 해마 미세아교세포를 분리하는 방법을 제공합니다. 여기에는 미세아교세포칼륨 채널에 의해 지배되는 전류를 기록하는 방법이 포함됩니다.
1차 세포 배양 및 후속 실험 중에 이러한 세포의 특성이 손상되지 않도록 단일 세포 현탁액을 준비할 때 조직 소화를 엄격하게 제어해야 한다는 것은 잘 알려져 있습니다. 일반적으로 단세포 현탁액은 췌장 효소 소화와 물리적 균질화를 통해 전체 뇌에서 얻습니다. 그러나 해마와 같은 특정 뇌 영역에서 미세아교세포를 분리할 때 물리적 균질화만으로는 의미 있는 실험을 위한 충분한 양의 세포를 얻을 수 없습니다. 또한 췌장 효소는 활발한 소화 활동을 하여 세포 생존력에 영향을 미칠 수 있습니다.
이러한 문제를 해결하기 위해 이 연구는 비교적 가벼운 해리 절차를 채택하고 성인 쥐의 뇌 해리 키트를 사용하여 소화 시간을 15분 이하로 수동으로 제어했습니다. 이 접근법은 미세아교세포를 활성 상태로 유지하며, 이는 후속 전체 세포 패치 클램프 기록에 중요합니다. 가벼운 해리 절차는 속도와 비용 효율성 측면에서도 이점을 제공합니다.
1 차 마이크로 아교 세포의 정제 방법에는 성층 진탕 방법 (SSM) 22, 밀도 구배 원심 분리 방법 (DGCM) 23 , 형광 활성화 세포 분류 방법 (FACS) 11 , 24 가 포함됩니다. 이 중 SSM은 뉴런 또는 신경교세포의 정제에 널리 사용됩니다. 그러나 SSM의 주요 한계는 높은 수준의 순도25를 달성할 수 없다는 것입니다. 마찬가지로, DGCM은 순도 수준도 낮습니다. FACS 방법은 15분에서 1시간 동안 세포를 염색한 후 고속 세포 분류기로 분류해야 하는데, 이는 세포 생존력을 손상시킬 수 있습니다. 대조적으로, 이 프로토콜은 MACS 방법을 사용하여 분리 시간을 단축하고 반복적이고 시간이 많이 소요되는 기기 및 염색 절차를 피할 수 있습니다. 결과적으로, 고순도 미세아교세포가 얻어지지만, 일부 대체 방법에 비해 잠재적으로 더 적은 양입니다.
이 기술에는 제한 사항이 있습니다. 예를 들어, MACS(magnetic-activated cell sorting) 방법은 상대적으로 적은 수의 미세아교세포를 생성하며, 급성으로 분리된 미세아교세포는 장기간 배양할 수 없습니다. 그러나 이 접근 방식은 장기간 배양된 세포에 의존하지 않고 성체 마우스 해마에서 갓 제조된 미세아교세포의 전기생리학적 특성을 조사할 수 있기 때문에 가치가 있습니다.
전체 세포 패치 클램프 기법은 신경과학, 약리학, 세포생물학과 같은 분야에서 세포, 특히 신경세포, 전기생리학적 특성을 연구하는 데 중요하고 널리 사용되는 도구입니다26. 전체 세포 패치 클램프 기록은 급성으로 절개된 뇌 절편, 1차 배양 및 세포주의 특성을 조사하기 위해 수많은 연구에서 사용되었습니다. 그러나 성체 쥐의 뇌에서 급성으로 분리된 미세아교세포에 대한 전세포 패치 클램프 기록은 우리의 조사가 있기 전까지 부족했습니다.
이 연구는 성체 해마 미세아교세포를 분리하기 위한 프로토콜을 제공할 뿐만 아니라 이러한 분리된 미세아교세포에서 칼륨 전류를 성공적으로 기록하는 것을 보여줍니다. 특히, 이 프로토콜은 해마 이외의 뇌 구조에서 미세아교세포의 연구에 적용될 가능성이 높습니다.
저자는 공개할 내용이 없습니다.
이 연구는 중국 국립자연과학재단(32170950, 32371065), 광둥성 자연과학재단(Nos. 2023A1515010899 및 2021A1515010804)의 보조금으로 지원되었습니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 100mm 페트리 접시 | Corning | 353003 | |
| 15mL Falcon 튜브 | BD 352096 | ||
| 24웰 플레이트 | BD | 353047 | |
| 35mm 페트리 접시 | Corning | ||
| 353001-50mL Falcon 튜브 | BD | 352070 | |
| 70 μ m 세포 스크리닝 | Miltenyi | 130-095-823 | 세포 분류 전에 세포 덩어리를 제거하기 위해 |
| 성인 마우스 뇌 해리 키트 | Miltenyi | 130-107-677 | |
| 항-CD11b 항체 | Bio-Rad | MCA74 | 염소 항마우스 IgG도 사용할 수 있습니다. 내인성 면역글로불린 차단용. |
| 항-Iba 1 항체 | SYSY | 234308 | 염소 항기니피그 IgG)도 사용할 수 있습니다. 내인성 면역글로불린 차단용. |
| Axon Digidata 1440A | 미국 | ||
| Axon MultiClamp 700B 증폭기 | 미국 | ||
| BSA 알부민 분획 V | BioFrox | 4240GR500 | 혈청 |
| C57BL/6 마우스 | 광동 의료 실험실 동물 센터 | ||
| CD11 b/c MicroBeads | Miltenyi | 130-105-634 | |
| 클로랄 수화물 | 압신 abs47051394 | 마우스의 마취로 널리 사용 | |
| Clampfit 10.6 | 미국 | ||
| 공초점 현미경 | Zeiss | LSM 800 | |
| 배양 배지 | 피셔 사이언티픽 | C11995500BT-DAPI | |
| 염료 | 비요타임 | C1002 | |
| 전극 풀러 | 나리시게 | PC-10 | |
| HBSS | Servicebio | G4203 | |
| 수평 셰이커 | SCILOGEX | SLK-O3000-S | |
| 이미지 분석 소프트웨어 | 피지 | ||
| MACS 컬럼 | Miltenyi | 130-042-201 | |
| MACS 분리기 | Miltenyi | 130-042-102 | |
| 파라포름알데히드 | Fisher Scientific | T353-500 | 1X PBS, pH 7.2-7.4. 에 신선한 4% 용액을 사용합니다. |
| 폴리-L-라이신 | 비요타임 | C0313 | 커버슬립 코팅 |
| Triton X-100 | 시그마 | X100 |
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