1. Przygotowanie roztworów
- Pożywka hodowlana o zdolności do buforowania powietrznego
- Napełnić butelkę o pojemności 1 litra około 80 mL sterylnej H2O (autoklawowanej wody milliQ H2O).
- Podczas mieszania dodać i wymieszać następujące substancje: 1 opakowanie proszku DMEM o niskiej zawartości glukozy, bez surowicy, 2902, bez wodorowęglanu sodu i czerwieni fenolowej (czerwień fenolowa zakłóca sygnał bioluminescencji), 20 mL suplementu B27 50x, 4,7 mL 7,5% roztworu NaHCO3 (lub 0,35 g NaHCO3), 10 mL HEPES 1M, 2,5 mL PenStrep 10 0 U/mL oraz 3,5 g D-glukozy. Mieszać pożywkę do całkowitego rozpuszczenia składników.
Końcowa pożywka (1 litr) będzie zawierać:
1x DMEM, 1x suplement B27, 4,2 mM NaHCO3, 10 mM HEPES, 25 U/mL penicyliny, 25 U/mL streptomycyny oraz 19 mM D-glukozy.
- Dostosować pH do wartości 7,2, używając NaOH do obniżenia lub HCl do podwyższenia pH, a następnie dopełnić objętość do 1 litra sterylną H2O.
- Dostosować osmolalność za pomocą H2O (obniżenie osmolalności) lub D-glukozy (podwyższenie osmolalności). Osmolalność musi mieścić się w zakresie 285-315 mOsm/Kg, jednak optymalny zakres to 30-310 mOsm/Kg. Nie rozcieńczać pożywki bardziej niż o 5%.
- Przefiltrować pożywkę hodowlaną, używając sterylnych zestawów do filtracji próżniowej Corning (np. 2 x 50 mL z rozmiarem porów 0,2 μm) w sterylnej komorze z laminarnym przepływem powietrza. Przechowywać pożywkę w temperaturze 4°C i chronić przed światłem za pomocą folii aluminiowej. Zaleca się zużycie pożywki w ciągu 3 miesięcy.
- Bufor HBSS (zrównoważony roztwór soli Hank'a) z suplementami (do wycinania plastrów)
- Napełnić szklaną butelkę o pojemności 1 litra około 60 mL sterylnej (autoklawowanej milliQ) H2O i dodać następujące substancje: 10 mL roztworu stokowego HBSS 10x, 10 mL Penicyliny-Streptomycyny 10 0 U/mL, 5 mL 7,5% roztworu NaHCO3 oraz 10 mL HEPES 1M.
Końcowy roztwór do wycinania będzie zawierać:
1x HBSS, 10 mM HEPES, 4,5 mM NaHCO3, 10 U/mL penicyliny i 10 U/mL streptomycyny.
- Sprawdzić pH i w razie potrzeby dostosować je do wartości 7,2, a następnie dopełnić objętość do 1 litra sterylną H2O.
- Sprawdzić osmolalność, która musi mieścić się w zakresie 285-315 mOsm/Kg.
- Schłodzić HBSS do 4°C. Bufor HBSS musi być bardzo zimny (4°C) podczas procedury wycinania plastrów, aby spowolnić metabolizm i zachować żywotność tkanki.
2. Przygotowania przed cięciem i hodowlą plastrów
- Tkanki hoduje się w ciepłej, suchej komorze bez CO2. Aby zapobiec wysychaniu, hodowle należy uszczelnić szkiełkami nakrywkowymi przymocowanymi do naczyń za pomocą smaru. W tym celu należy napełnić strzykawki 5 mL smarem próżniowym na bazie silikonu. Końcówki strzykawek należy przykryć małymi kawałkami folii aluminiowej i poddać autoklawowaniu. Należy również autoklawować papierki filtracyjne (używane podczas procedury krojenia).
- Bezpośrednio przed procedurą krojenia należy nałożyć autoklawowany smar próżniowy na górną krawędź 35 mm szalek Petriego. Dla każdej hodowli plastrów należy przygotować osobną szalkę Petriego.
- Przed rozpoczęciem procedury krojenia wszystkie nienasterylizowane narzędzia, żyletki, ostrza do wibratomu, szkiełka nakrywkowe i inne materiały używane do przygotowania plastrów i hodowli muszą zostać wysterylizowane. Wszystkie nienasterylizowane sprzęty należy spryskać 70% etanolem. Narzędzia oraz wysmarowane szalki Petriego należy naświetlać promieniami UV w komorze z laminarnym przepływem powietrza przez co najmniej 30 minut przed rozpoczęciem hodowli.
- W tym samym czasie należy napełnić probówkę typu Falcon pożywką hodowlaną z buforem powietrznym (obliczyć 1,2 mL na każdą hodowlę; np. dla 8 hodowli przygotować 10 mL pożywki) i dodać świeżo rozmrożoną lucyferynę (roztwór zapasowy 0,1 M; Promega, Madison, WI) (10 μL lucyferyny na 10 mL pożywki; stężenie końcowe 0,1 mM).
- Lucyferyna jest światłoczuła, dlatego zarówno roztwory zapasowe, jak i pożywka zawierająca lucyferynę muszą być chronione przed światłem. Probówkę typu Falcon z pożywką z lucyferyną należy umieścić w ciemnej komorze grzewczej o temperaturze 36-37°C. W razie potrzeby lucyferynę można dodać bezpośrednio do naczyń hodowlanych w momencie krojenia. Jeśli nie dodano lucyferyny, nie zajdzie reakcja świetlna między lucyferazą a lucyferyną, a w konsekwencji nie pojawi się sygnał z tkanki.
- Po naświetlaniu promieniami UV do wibratomu należy przymocować sterylne ostrze.
3. Procedura krojenia SCN
Poniższa procedura opisuje przygotowanie plastrów tkanek z dorosłych myszy C57/BL6, zazwyczaj w wieku od 2 do 4 miesięcy. Uwaga: procedura cięcia, jak i ekspozycja zwierzęcia na światło w nocy, mogą w różny sposób zresetować fazę SCN. Aby tego uniknąć, cięcie i hodowla powinny być wykonywane w godzinach świetlnych, najlepiej między ZT 6-12, kiedy nie dochodzi do istotnych przesunięć fazowych wywołanych procedurą 12. Jeśli pobranie próbek SCN musi odbyć się w ciemności, etapy 3.1 i 3.2 należy przeprowadzić w czerwonym świetle lub w goglach nocnych, aby uniknąć przesunięć fazowych indukowanych światłem.
- Uśpić mysz, najlepiej izofluranem (Baxter) w szklanej komorze. Gdy zwierzę straci odruchy bólowe (sprawdzić poprzez uszczypnięcie paznokci w łapie), ale nie przestanie jeszcze oddychać (aby jak najdłużej utrzymać dopływ tlenu), szybko oddzielić głowę za pomocą nożyczek lub podobnego narzędzia.
Uwaga: w niektórych krajach ekspozycja na CO2 (hiperkapnia) jest nadal dopuszczalna jako metoda anestezji, choć zgłaszano, że może ona nasilać lęk u zwierząt. Dodatkowo przed dekapitacją może być wymagane zwichnięcie karku. Podczas uśmiercania zwierząt należy przestrzegać lokalnych przepisów prawnych.
- Usunąć oczy z głowy za pomocą nożyczek, aby zapobiec naprężeniu i dalszemu pobudzeniu nerwów wzrokowych, co mogłoby uszkodzić SCN.
- Jeśli nadal są przytwierdzone, usunąć ostatni kręg szyjny nożyczkami, usunąć skórę (Ryc. 1a) i wykonać dwa cięcia precyzyjnymi nożyczkami (np. nożyczkami do tęczówki) – jedno cięcie z każdej strony czaszki wzdłuż boków, tworząc w ten sposób usuwalną „klapkę”.
- Otworzyć czaszkę za pomocą mikro kleszczyków kostnych (u myszy można również użyć precyzyjnych nożyczek do dyssekcji) i usunąć całą kość, aż do momentu, gdy będą widoczne cebulki węchowe. Pracować od góry, nigdy nie naciskając narzędziem na mózg, aby zapobiec uszkodzeniu brzusznej części SCN (Ryc. 1b).
- Ostrożnie przeciąć nerw wzrokowy między cebulkami węchowymi a półkulami, używając precyzyjnych mikro nożyczek dyssekcyjnych z blaszką. Należy upewnić się, że nerw został całkowicie przecięty, ponieważ rozciąganie nerwu wzrokowego może prowadzić do uszkodzeń w SCN i rozerwania skrawków.
- Odwrócić głowę do góry dnem i pozwolić nienaruszonemu mózgowi wypaść (jeśli mózg jest nadal przytwierdzony, może być konieczne przecięcie innych nerwów czaszkowych zaściankowo w stosunku do nerwu wzrokowego) do naczynia (np. szklanej szalki Petriego o średnicy ≈ 10 cm) wypełnionego 50-10 mL zimnego HBSS, co umożliwi szybkie schłodzenie mózgu. Idealnie oba nerwy wzrokowe powinny pozostać nienaruszone (Ryc. 1c). Trzymać mózg w HBSS przez 30-60 sekund, aby upewnić się, że został schłodzony.
- Za pomocą łyżeczki lub podobnego narzędzia umieścić schłodzony mózg powierzchnią grzbietową do góry na sterylnej powierzchni do cięcia (np. odwróconej do góry dnem pokrywce szalki Petriego). Aby przygotować cięcie koronarne, wykonać cięcie prostopadłe sterylnymi żyletkami lub skalpelami między półkulami mózgu a móżdżkiem, usuwając w ten sposób móżdżek.
- Nanieść superglue na suchą platformę wibroslicera/wibratomu.
- Podnieść mózg (półkule mózgu bez móżdżku i bez cebulek węchowych), wprowadzając ostrą, zakrzywioną pęsetę w część rostralną, i ostrożnie osuszyć HBSS na sterylnym papierze filtracyjnym, wciąż trzymając mózg pęsetą. (Zamiast pęsety można użyć małego kawałka sterylnego papieru filtracyjnego do przymocowania i przeniesienia mózgu).
- Zamocować półkule na przyklejonej platformie końcem rostralnym do góry i powierzchnią brzuszną najbliżej ostrza tnącego. Zamocować platformę w uchwycie wibratomu (np. firmy Campden Instruments, UK) i natychmiast wypełnić ją zimnym HBSS. Jeśli cięcie prostopadłe zostało wykonane prawidłowo, półkule powinny stać prosto, zapewniając odpowiedni kąt niezbędny do wykonania cięcia koronarnego zawierającego obustronne SCN.
- Aby dotrzeć do docelowego obszaru SCN, rozpocząć od odcinania grubszych sekcji (50-80 μm) półkul przy wysokiej lub maksymalnej prędkości wibratomu. Ruch ostrza na początku, przed dotarciem do podwzgórza, może być dość szybki, ale należy go spowolnić, gdy pojawi się skrzyżowanie wzrokowe (wysoka częstotliwość drgań ostrza i powolny ruch poziomy zmniejszają uszkodzenia komórek podczas cięcia, zwiększając tym samym żywotność skrawka). Zredukować grubość sekcji do 10 μm, gdy skrzyżowanie wzrokowe stanie się większe (szersze), a komisura przednia mniejsza. Aby uzyskać sekcję środkową SCN, przesuwać się „w dół” (w kierunku kaudalnym), aż zaczną pojawiać się dwa jądra SCN. Do wizualizacji jąder może być potrzebna lupa. Uwaga: w mózgu myszy SCN znajduje się bardziej kaudalnie od skrzyżowania wzrokowego w porównaniu do mózgu szczura.
- Po osiągnięciu pożądanego poziomu SCN (w tym punkcie SCN będzie widoczny jako bardziej zdefiniowane struktury o kształcie okrągłym lub migdałowatym; Ryc. 1d; około Bregma -0,46- -0,70 mm dla regionu centralnego SCN u myszy 13, Bregma -0,92- -1,40 mm dla szczura 14), wyciąć sekcję SCN (Ryc. 1e). Odpowiednia grubość skrawka wynosi 250 ± 50 μm dla myszy oraz 350 ± 50 μm dla szczura.
- Używając miękkiego pędzla, podnieść i przenieść skrawka SCN na pokrywkę od średniej szalki Petriego wypełnionej zimnym HBSS, umieszczoną pod mikroskopem sekcyjnym lub stereomikroskopem. Sprawdzić pod powiększeniem, czy obustronne SCN są wyraźnie widoczne. Jeśli wybrano region środkowy SCN (który niekoniecznie musi być jedynym „optymalnym” poziomem cięcia, ale uważamy go za najprostszy sposób standaryzacji procedury cięcia i ograniczenia zmienności), powinien on być wyraźnie widoczny co najmniej po jednej stronie sekcji skrawka. Jeśli cięcie było zbyt rostralne, wykonać kolejną sekcję i ponownie sprawdzić obecność SCN pod powiększeniem.
4. Organotypowa hodowla SCN
- W pokrywce szalki Petriego wypełnionej HBSS, pod mikroskopem dissectingowym i za pomocą pary sterylnych skalpeli, wyciąć obustronne SCN w formie kwadratowego fragmentu tkanki (o boku ok. 1,5 mm). Do eksplantu powinien pozostać przytwierdzony mały fragment skrzyżowania wzrokowego, jednak nie należy dołączyć żadnych innych jąder. Cięcie należy wykonać jak najbliżej SCN, tak aby nie usunąć jego tkanki.
- Jeśli jest to odpowiednie dla planowanego eksperymentu, obustronne SCN można następnie przeciąć na pół, aby uzyskać dwa jednostronne SCN. Jedno jednostronne SCN może być wówczas wykorzystane jako kontrola (Rys. 2a).
- Wypełnij 1200 μL pożywki z lucyferyną do szalki Petriego o średnicy ≈ 35 mm i umieść membranę hodowlaną (Milli-CM- 0.4 μm, Millipore, Bedford, MA) na powierzchni cieczy (2b). Objętość pożywki jest kluczowa, ponieważ membrana hodowlana powinna stabilnie spoczywać na dnie naczynia hodowlanego, a nie pływać ani kołysać się w pożywce 11Upewnij się, że pod membraną nie ma pęcherzyków powietrza. Podczas pracy z lucyferyną unikaj niepotrzebnej ekspozycji na światło.
- Eksplanty są małe i trudne do podniesienia, dlatego należy użyć 1000 μL pipeta z końcówką do zassania eksplantu SCN do końcówki i naniesienia go na membranę. W przypadku, gdy eksplant jest zbyt duży, aby łatwo zmieścić się w 1000 μL końcówka do pipety (np. szczurze SCN oraz mysie obustronne SCN); końcówkę można odciąć sterylnym narzędziem, aby uzyskać szerszy otwór. Za pomocą pipety usunąć nadmiar HBSS z błony. W przypadku pomiaru lucyferazy umieścić tylko jedno SCN/szalkę (Rys. 2b), ponieważ probówki pomiarowe wykrywają wszystkie fotony emitowane z szalki i nie rozróżniają sygnałów pochodzących z różnych tkanek.
- Uszczel naczynie za pomocą szkiełka zakrywkowe (≈ 40 mm, Menzel-Gläser, Niemcy) i smaru próżniowego (Dow Corning Corp, USA)11Upewnij się, że uszczelnienie jest szczelne (Rys. 2c). W przeciwnym razie zastosuj więcej smaru w celu uszczelnienia.
- Przenieś naczynia do 36-37°C umieścić w komorze światłoszczelnej i niezwłocznie rozpocząć rejestrację sygnałów z PMT.
5. Pomiar aktywności lucyferazy poprzez rejestrację bioluminescencji
Sygnały bioluminescencji indukowanej lucyferazą z niewielkiej tkanki SCN są wykrywane i wzmacniane za pomocą zestawów detektorów z fotopowielaczem (PMT) zamontowanych wewnątrz komory światłoszczelnej. Fotopowielacze są zazwyczaj umieszczone na wysokości ~ 1-2 cm nad naczyniami hodowlanymi 8. Układy rejestracyjne PMT mogą być wykonane na zamówienie lub są dostępne w sprzedaży 11.
- Umieść naczynie pod PMT (ciepło generowane przez PMT usunie kondensację z szkiełka nakrywkowego) i zamknij komorę. Upewnij się, że komora jest w 100% szczelna pod względem świetlnym, ponieważ ciemny prąd PMT stosowanych do tkanek SCN jest bardzo niski (mniej niż 20 fotonów/min). PMT wykrywają nawet najsłabsze wycieki światła.
- Rozpocznij akwizycję danych za pomocą oprogramowania (na przykład LumiCycle; Actimetrics Inc., Wilmette, IL, USA). Liczba fotonów jest całkowana w odstępach 1-10 min, aby uzyskać wysoką rozdzielczość ekspresji genu/białka.
- Po zakończeniu rejestracji uzyskaną okołodobową ekspresję genu/białka można przeanalizować za pomocą odpowiedniego oprogramowania (Origin, OriginLab, Northampton, MA, USA; ClockLab, Actimetrics; LumiCycle, Actimetrics Inc; Chrono, Till Roenneberg, University of Munich, Munich, Germany), aby wyznaczyć fazę, okres (czas jednego cyklu) oraz amplitudę rytmu. Szczytowa ekspresja genu lub białka jest najczęściej wykorzystywana jako punkt odniesienia i definiowana jest jako najwyższa liczba fotonów w ciągu jednego cyklu. Dane można wygładzić przed analizą fazy, okresu i amplitudy, szczególnie jeśli stosunek sygnału do szumu jest niski. Linia bazowa czasami ulega zmianie i musi zostać odjęta przed przeprowadzeniem analiz.
6. Reprezentatywne wyniki:
Przedstawiamy tutaj oscylacyjną ekspresję PER2::LUC jako wskaźnik żywotności i stanu hodowanej tkanki. W optymalnych warunkach, jeżeli tkanka jest żywa, ekspresja PER2::LUC oscyluje w rytmie okołodobowym, co pokazano na rysunku 3. PER2 w SCN wykazuje maksymalną ekspresję zazwyczaj około 12-13 czasu Zeitgeber (gdzie ZT 12 oznacza wyłączenie światła w cyklu światło:ciemność 12:12 h). Im większy rozmiar żywej tkanki, tym wyższa jest liczba zliczonych fotonów. Jednakże rozmiar i grubość tkanki hodowanej organotypowo powinny być niewielkie, aby zachować jej żywotność, najlepiej nie większe niż 15 mm2 11 i nie grubsze niż 50 μm 7. SCN, jeśli zostanie wypreparowany zgodnie z opisem, zazwyczaj wykazuje liczbę fotonów w zakresie 10.0-40.00/min, jeżeli tkanka pochodzi od zwierzęcia homozygotycznego PER2::LUC. Amplituda oscylacji w organotypowych kulturach SCN jest zazwyczaj bardzo wysoka podczas pierwszego cyklu w porównaniu z cyklami następnymi. Nie jest do końca jasne, dlaczego pierwszy cykl charakteryzuje się tak wysoką amplitudą. Jednym z możliwych wyjaśnień jest fakt, że znaczna część komórek w tkance może obumrzeć krótko po początkowym cięciu i posadzeniu w hodowli, przez co nie wykorzystują one lucyferyny po pierwszym cyklu. Procedura cięcia może również powodować nadmierne pobudzenie, co mogłoby wzmocnić sygnał lucyferazy podczas pierwszego cyklu.
Rycina 3 przedstawia przebiegi luminescencji z przekrojów SCN i zawiera jeden przebieg (czerwony) uzyskany z przekroju, który początkowo nie był zdrowy. Martwe lub niezdrowe tkanki charakteryzują się niskimi poziomami bazowymi liczby fotonów. (Ponadto martwe tkanki często ulegają dysocjacji w naczyniu i nie mogą zostać usunięte z membrany w jednym kawałku).
Technika opisana w niniejszym raporcie może znaleźć zastosowanie w eksperymentach farmakologicznych. Rycina 4 przedstawia zapis z hodowli, którą traktowano między 1. a 2. dniem blokerem kanałów HCN (ZD728, 10 μM). Jak widać na rycinie oraz jak opublikowano wcześniej 15, bloker znacząco zredukował amplitudę oscylacji okołodobowych PER2; jednak po wypłukaniu zwykłą pożywką oscylacje powróciły, co dowodzi, że bloker wpłynął na zegar molekularny, lecz tkanka pozostała żywotna i zdrowa.

Rysunek 1. Procedura krojenia
A) Głowa uśpionej i zdekapitowanej myszy z usuniętymi oczami i skórą. B) Czaszkę usuwa się za pomocą mikrokleszczyków do kostek. Podczas korzystania z narzędzia należy pracować w kierunku góry i nigdy nie naciskać narzędziem na mózg. C) Mózg przedstawiony odwrócony (stroną brzuszna do góry) bez opuszki węchowych. Widoczny jest biały skrzyżowanie wzrokowe z dwoma nienaruszonymi nerwami wzrokowymi. Jądro nadskrzyżowaniowe (SCN, granice zaznaczone na czerwono) znajduje się blisko skrzyżowania wzrokowego. D) Mózg przecięty w płaszczyźnie czołowej, zamocowany na platformie vibroslicera na poziomie SCN. E) Przekrój mózgu w płaszczyźnie czołowej (250 μm (gruba) zawierająca skrzyżowanie wzrokowe (OC), trzecią komorę (3V) oraz obustronne jądra nadoczno-podwzgórzowe (SCN).

Rysunek 2. Organotypowe hodowle tkankowe.
A) Dwa jednostronne jądra SCN (wstawka) wypreparowane z przedstawionego skrawka. B) Naczynie hodowlane (szalka Petriego 35 mm) z membraną hodowlaną, pożywką i eksplantem, ale bez smaru próżniowego i szkiełka zakrywowego. Pożywka (1,2 ml) widoczna jest jako ciecz pomiędzy naczyniem a membraną. Na membranie hodowlanej umieszczono jedno jednostronne jądro nadskrzyżowalne (SCN). Najbielsza część niewielkiego fragmentu tkanki to fragment skrzyżowania wzrokowego (wstawka). C) Szalka hodowlana z membraną i tkanką SCN, uszczelniona smarem próżniowym i okryta okrągłym szkiełkiem nakrywką.

Rysunek 3. Rejestracje bioluminescencji z hodutek tkankowych jądra nadskrzyżowaniowego (SCN) zdrowych i niezdrowych.
Przykłady zapisów bioluminescencji ekspresji PERIOD2::LUCIFERASE (PER2::LUC) w skrawkach jąder nadskrzyżowaniowych (SCN) uzyskanych od myszy utrzymywanych w 12-godzinnym cyklu światło:ciemność. Białko PER2::LUC oscyluje z dobową zmiennością (~24 h), w której maksymalna ekspresja białka występuje w czasie Zeitgeber (ZT) 12–13. Zatem faza rytmu genowego zależy od harmonogramu cyklu światło:ciemność, w którym zwierzę było utrzymywane przed ubojem. Typowo bioluminescencja z jednostronnych tkanek SCN wypreparowanych zgodnie z opisem w protokole wykazuje liczbę fotonów w przedziale od ~10 0 do 40 0/minutę. Rysunek przedstawia przebiegi z jednej zdrowej kultury SCN (czarny), jednej niezdrowej kultury SCN (czerwony) oraz jednej kultury SCN, która wyschła (niebieski) po otwarciu szczelnej szalki hodowlanej w 4. dniu i nieprawidłowym ponownym zamknięciu naczynia (wskazane strzałką).

Rycina 4. Rejestracja bioluminescencji podczas i po ekspozycji na lek.
ekspresja PER2::LUC w hodowli przed, w trakcie i po działaniu blokera kanałów HCN (ZD7288, 10 μM). Pierwsza strzałka wskazuje moment dodania blokera. Druga strzałka wskazuje wypłukiwanie, które wykonano poprzez zastąpienie medium zawierającego lek medium kontrolnym. Zwrócono uwagę na zmniejszoną amplitudę po 2 dniach ekspozycji na lek, brak oscylacji w 4. dniu oraz szybki powrót rytmu białka po wypłukiwaniu.