Ten artykuł szczegółowo opisuje protokół elektroporacji w macicy kory mózgowej i hipokampa przy E14.5 u myszy. Pokazujemy również, że jest to cenna metoda badania dendrytów i kolców w tych dwóch regionach mózgu.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł szczegółowo opisuje protokół elektroporacji w macicy kory mózgowej i hipokampa przy E14.5 u myszy. Pokazujemy również, że jest to cenna metoda badania dendrytów i kolców w tych dwóch regionach mózgu.
Elektroporacja in utero (IUE) stała się potężną techniką do badania rozwoju różnych regionów embrionalnego układu nerwowego 1-5. Do tej pory narzędzie to było szeroko stosowane do badania regulacji proliferacji, różnicowania i migracji neuronów, zwłaszcza w rozwijającej się korze mózgowej 6-8. Tutaj szczegółowo opisujemy nasz protokół elektroporacji w macicy kory mózgowej i hipokampa oraz przedstawiamy dowody na to, że to podejście można wykorzystać do badania dendrytów i kolców w tych dwóch regionach mózgu.
Wizualizacja i manipulacja neuronami w kulturach pierwotnych przyczyniły się do lepszego zrozumienia procesów związanych z rozwojem dendrytów, kręgosłupów i synaps. Jednak neurony rosnące in vitro nie są narażone na wszystkie sygnały fizjologiczne, które mogą wpływać na tworzenie i utrzymanie dendrytów i/lub kręgosłupa podczas normalnego rozwoju. Nasza wiedza na temat struktur dendrytowych i kręgosłupowych in vivo u myszy typu dzikiego lub zmutowanego pochodzi głównie z obserwacji metodą Golgiego-Coxa 9. Jednak barwienie Golgiego jest uważane za nieprzewidywalne. Rzeczywiście, grupy komórek nerwowych i dróg włóknistych są oznaczane losowo, przy czym poszczególne obszary często wydają się całkowicie zabarwione, podczas gdy sąsiednie obszary są pozbawione barwienia. Ostatnie badania wykazały, że IUE konstruktów fluorescencyjnych stanowi atrakcyjną alternatywną metodę badania dendrytów, kolców, a także synaps u myszy zmutowanych / dzikich 10-11 (Figura 1A). Co więcej, w porównaniu z generowaniem nokautów myszy, IUE stanowi szybkie podejście do przeprowadzania badań przyrostu i utraty funkcji w określonej populacji komórek w określonym oknie czasowym. Ponadto IUE jest z powodzeniem stosowany z indukowalną ekspresją genów lub indukowalnymi metodami RNAi w celu udoskonalenia czasowej kontroli nad ekspresją genu lub shRNA 12. Te zalety IUE otworzyły zatem nowe wymiary do badania wpływu ekspresji/supresji genów na dendryty i kolce nie tylko w określonych strukturach mózgowych (Figura 1B), ale także w określonym punkcie czasowym rozwoju (Figura 1C).
Na koniec, IUE dostarcza użytecznego narzędzia do identyfikacji funkcjonalnych interakcji między genami zaangażowanymi w rozwój dendrytu, kręgosłupa i/lub synaps. Rzeczywiście, w przeciwieństwie do innych metod transferu genów, takich jak wirus, łatwo jest połączyć wiele RNAi lub transgenów w tej samej populacji komórek.
Podsumowując, IUE to potężna metoda, która już przyczyniła się do scharakteryzowania mechanizmów molekularnych leżących u podstaw funkcjonowania mózgu i choroby, a także powinna być przydatna w badaniu dendrytów i kolców.
W Wielkiej Brytanii myszy są hodowane, hodowane i leczone zgodnie z wytycznymi zatwierdzonymi przez Ministerstwo Spraw Wewnętrznych na mocy Ustawy o Zwierzętach (Procedury Naukowe) z 1986 roku.
1. Przygotowanie: roztwór DNA i igły
2. Przygotowanie do zabiegu
3. Operacja przed wstrzyknięciem DNA i elektroporacją
Do wizualizacji nie jest wymagany mikroskop.
4. Wstrzykiwanie DNA i elektroporacja
5. Zabieg chirurgiczny po elektroporacji
6. Po operacji
Sprawdź zachowanie myszy, aby ocenić ból, cierpienie lub niepokój i zważyć zwierzęta 24 godziny i 48 godzin po operacji. W razie potrzeby można podać leki przeciwbólowe, aby zminimalizować ból i dyskomfort.
7. Przetwarzanie tkanek
Zbierz elektropograficznie naelektryzowane zarodki lub młode w stadium embrionalnym lub posturodzeniowym wymaganym do eksperymentu.
- Do analizy w stadium embrionalnym (na przykład do badania proliferacji lub migracji komórek):
Poddaj matkę eutanazji poprzez zwichnięcie szyjki macicy i zbierz zarodki. Po dekapitacji wybierz mózgi, które zostały prawidłowo poddane elektroporacji, na co wskazuje ilość i lokalizacja sygnału fluorescencyjnego, uwidocznionego w całej czaszce za pomocą fluorescencyjnej lornetki. Wypreparuj mózg z czaszki i utrwal przez noc w 4% PFA, a następnie umieść na noc w 20% sacharozy / PBS. Zanurzyć w związku OCT, zamrozić w temperaturze -80 °C i przeciąć za pomocą kriostatu.
- Do analizy w okresie postnatalnym (na przykład do badania dendrytów i kolców):
Znieczulić szczenięta lub dorosłe myszy wstrzyknięciem dootrzewnowym pentobarbitonu (40-60 mg / kg) i wykonać perfuzję przezsercową za pomocą PBS, a następnie 4% PFA w PBS. Wypreparuj mózgi z czaszki i po naprawie w 4% PFA przez noc. Po przepłukaniu w PBS należy podzielić mózgi za pomocą wibratomu (skrawki 100 μm do analizy dendrytów). Zamontuj sekcje w Aqua Poly/zamontuj za pomocą szkiełek nakrywkowych o grubości 0,16-0,19 mm, aby zobrazować dendryty i grzbiety.
8. Reprezentatywne wyniki
Rysunek 3 pokazuje przykłady elektroporowanych komórek w korze mózgowej (Rysunki 3A, B), w CA1 (Rysunki 3C, D) i w zakręcie zębatym hipokampa (Rysunki 3E, F). Myszy typu dzikiego poddano elektropowadze w E14.5 za pomocą konstruktu GFP (tłumik pCA-b-EGFPm5 3), a mózgi pobrano w dniu pourodzeniowym (P) 14. Poprzez wstrzyknięcie niewielkiej objętości roztworu DNA (0,5 μl lub mniej roztworu o stężeniu 1 μg/μl), znakuje się kilka komórek, co pozwala na wizualizację arboryzacji dendrytycznej izolowanych komórek GFP+ (ryc. 3), a także ich kolców przy większym powiększeniu (ryc. 4).

Rysunek 1. Schematyczne przedstawienie protokołów elektroporacji, które można wykorzystać do badania dendrytów i kolców. (A) Elektroporacja konstruktu GFP w celu porównania dendrytów i kolców u myszy typu dzikiego i zmutowanego. (B) Elektroporacja GFP-shRNA (GFP ulega ekspresji z tego samego konstruktu) w celu porównania dendrytów i kolców u myszy poddanych elektroporacji konstruktem shRNA specyficznym dla genu będącego przedmiotem zainteresowania (X) lub kontrolnego shRNA. (C) IUE może być stosowany razem z systemem indukowalnym Cre w celu ograniczenia ekspresji shRNA do pożądanego okresu czasu. W tym eksperymencie wektor wyrażający formę rekombinazy Cre, która może być aktywowana przez 4-hydroksytamoksyfen (CAG-ERT2CreERT2; 1 μg/μl) 10, jest elektropostowany wraz z wektorem wyrażającym specyficzne shRNA w sposób zależny od Cre (1 μg/μl) oraz wskaźnikiem rekombinacji (konstrukt CALNL-GFP, ekspresja GFP indukowana przez Cre; 1 μg/μl) 10. Skuteczność knockdownu można poprawić, zwiększając stężenie shRNA, a także zwiększając stężenie CAG-ERT2CreERT2.

Rysunek 2. Przestrzenna kontrola elektroporacji. Ten rysunek pokazuje, gdzie należy ustawić elektrody łopatkowe w zależności od miejsca wstrzyknięcia DNA, aby celować w korę mózgową lub hipokamp.

Rysunek 3. Wizualizacja altany dendrytycznej komórek elektroporowanych in utero w korze mózgowej i hipokampie. (A, B) Przekroje koronalne pokazujące komórki piramidalne GFP+ w korze mózgowej, (C-D) komórki piramidalne w CA1 hipokampa i (E, F), komórki ziarniste w zakręcie zębatym w P14. Konstrukt GFP (tłumik pCA-b-EGFPm5 3) został poddany elektroporacji w temperaturze E14,5. Zdjęcia w większym powiększeniu (B, D, F) pokazują, że IUE jest skuteczną metodą wizualizacji dendrytów. Podziałka skali reprezentuje 50 μm (B, D i F), 150 μm (A, C, E).

Rysunek 4. Wizualizacja kolców dendrytycznych w neuronach P14, które zostały elektroporowane w macicy w E14.5 za pomocą konstruktu wyrażającego GFP. (A, B) Obrazy kolców w dużym powiększeniu z dendrytów podstawy neuronów piramidowych hipokampa. Podziałka liniowa reprezentuje 5 μm (A) i 2 μm (B).
IUE jest potężnym narzędziem do manipulowania ekspresją genów nie tylko w przestrzeni, ale także w czasie. Pokazujemy tutaj, że technika ta może być wykorzystana do wizualizacji i genetycznego manipulowania dendrytami i kolcami w korze mózgowej i hipokampie myszy. Oprócz wcześniej wymienionych zalet, warto zauważyć, że IUE, w przeciwieństwie do metody Golgiego, może być łączona z immunohistochemią lub hybrydyzacją in situ, co pozwala na przykład na fenotypowanie elektroporowanych komórek. Należy również wspomnieć, że procedura ta nie wywołuje widocznych wad rozwojowych mózgu pomimo swojej względnej inwazyjności. Ponadto, na poziomie komórkowym, IUE nie modyfikuje właściwości elektrofizjologicznych neuronów poddanych elektroporacji13. Podczas gdy nasza demonstracja koncentruje się na wizualizacji morfologii dendrytów i kręgosłupa, IUE neuronów korowych lub hipokampa w E14.5 może być również wykorzystana do badania innych zdarzeń rozwojowych, takich jak tworzenie aksonów i przewodnictwo. Ponadto ten sam rodzaj protokołu może być stosowany na innych etapach rozwoju embrionalnego, aby ukierunkowany na różne populacje. Na przykład, rozwojowo bardzo późny paradygmat elektroporacji korowej przy E18.5 może być wykonany w celu kierowania ekspresją u astrocytów progenitorowych 1. Podobnie, podczas gdy elektroporacja hipokampa w E14,5 pozwala na jednoczesne celowanie w progenitory neuronów piramidowych CA1-CA3 i prekursora komórek ziarnistych zębatki, późna elektroporacja hipokampa (E18,5 lub wczesna postnatalność) pozwoliłaby na celowanie w różne progenitory ziarnistości zębatej 14. W takim przypadku można zwiększyć objętość wstrzykniętego DNA, a także natężenie prądu.
Wydaje się, że transgeny wprowadzone przez IUE pozostają episomalne i dlatego są tracone z komórek po kolejnych podziałach komórkowych. Jednak w komórkach postmitotycznych, takich jak neurony, transgeny episomalne pozostają aktywne przez wiele miesięcy po elektroporacji, co pozwala na długoterminowe badania 13,15. W naszym badaniu zaobserwowaliśmy jasne komórki GFP+ do 7 tygodni po urodzeniu (ostatni analizowany przez nas punkt czasowy), co wskazuje, że embrionalne celowanie w prekursory neuronów korowych lub hipokampa za pomocą IUE powoduje trwałą ekspresję transgenu od wczesnych punktów rozwojowych aż do dorosłości.
Obecnym ograniczeniem tej techniki jest to, że trudno jest sprawować precyzyjną kontrolę nad całkowitą liczbą ogniw elektroporowanych. Jednak zmniejszając wstrzykiwaną objętość roztworu DNA, wykazaliśmy, że możliwe jest oznakowanie kilku komórek i wizualizacja arboryzacji dendrytycznej izolowanych komórek GFP+, a także ich kolców. Wymiar transfekowanego obszaru można również regulować, modyfikując parametry elektroporacji, takie jak natężenie prądu i liczba impulsów lub średnica łopatek elektroporacji.
Podsumowując, IUE jest metodą łatwą do wdrożenia, szybką i skuteczną do badania dendrytów i kolców in vivo.
Nie stwierdzono konfliktu interesów.
Autorzy chcieliby podziękować dr Kathleen Mathers, dr Jean-Philippe Mocho i dr Yolandzie Saavedra Torres za pomoc w przeprowadzeniu elektroporacji in utero pod nadzorem aseptycznym, a także Hayley Wood za pomoc w przygotowaniu rysunków.
E.P. był wspierany przez długoterminowe stypendium Federacji Europejskich Towarzystw Biochemicznych (FEBS) i stypendium Rozwoju kariery Rady Badań Medycznych (MRC), M.A.H. przez grant Wellcome Trust dla Elizabeth Fisher i Victora Tybulewicza (080174/B/06/Z), H.W. przez długoterminowe stypendium EMBO, a R.A. przez stypendium MRC. Prace te zostały wsparte grantem projektowym z Wellcome Trust (086947/Z/08/Z) oraz grantem z Rady ds. Badań Medycznych (U117570528) dla F.G.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Przygotowanie igieł i roztworu DNA do wstrzykiwań | |||
| Endofree Plasmid Maxi Kit | Qiagen | 12362 | |
| Fast Green | Sigma | F-7258 | |
| Kapilary ze szkła borokrzemianowego 1,0 mm średnica zewnętrzna x średnica zewnętrzna 0,58 mm | Harvard Apparatus | 30-0016 | |
| Końcówki do mikroładowarek | Eppendorf | 5242956003 | Do pipet Eppendorf 0,5 μ L-10 Μ L / 2-20 Μ l |
| Materiał do operacji | |||
| Bardzo cienkie nożyczki do irysów | Fine Science Tools | 14088-10 | |
| Kleszcze zakrzywione | Fine Science Tools | 91197-00 | |
| Kleszcze pierścieniowe | Fine Science Tools | 11103-09 | |
| Uchwyt na igły | Fine Science Tools | 12002-12 | |
| Kleszcze Graefe | Fine Science Tools | 11050-10 | |
| Nici wchłanialne Vicryl | Ethicon Inc (Johnson Johnson) | W9074 | |
| Sterylne serwety 30cm x 45 cm | Buster | 141765 | |
| Sterylne waciki | Shermond | HUBY-340 | |
| Patyczki kosmetyczne | Clean Cross Co., Ltd | 1860 | |
| Buprenorfina (Vetergesic) | Alstoe Zdrowie zwierząt | ||
| Clorhexidine | Vetasept | XHG007 | |
| Żel do oczu Viscotears | Novartis | ||
| Isoflurane | Abbott Laboratories | B506 | |
| Pentoject, Pentobarbiton Sód 20% | Animalcare | ||
| Electroporation | |||
| Electroporator | BTX | ECM830 | |
| Platinum Pęseta 5mm | BTX, Harvard Apparatus | 45-0489 | |
| Mikrowtryskiwacz Femtojet | Eppendorf | 5247000030 | |
| Sterownik nożny do mikrowtryskiwacza Femtojet | Eppendorf | 5247623002 | |
| Uchwyt kapilarny | Eppendorf | 5176190002 | |
| Przetwarzanie tkanek | |||
| Paraformaldehyd | Sigma | P6148 | |
| Sacharoza | VWR (Prolabo) | 27480.294 | |
| Szkiełka mikroskopowe | ThermoScientific (Menzel-Glä ser) | J1800AMNZ | |
| Szkiełka nakrywkowe | Menzel-Glä ser | 22 x 50 mm #1,5 | |
| Aqua Poly/mocowanie | Polysciences, Inc | 18606 | |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie