Rozprzestrzenianie się patologii Lewy'ego, której głównym składnikiem jest pS129-αsyn, jest histopopatologicznym znakiem rozpoznawczym PD. Zatrzymanie lub spowolnienie akumulacji zagregowanego pS129-αsyn może spowolnić degenerację neuronów dopaminowych i postęp alfa-synukleinopatii. Jednak mechanistyczne zrozumienie, w jaki sposób agregacja pS129-αsyn przyczynia się do śmierci neuronów dopaminowych, nadal musi zostać ustalone. Dowody z ludzkich badań pośmiertnych na próbkach mózgu od pacjentów w różnych stadiach choroby, a także obserwacja dodatniej inkluzji pS129-αsyn w przeszczepionych neuronach płodowych silnie sugerują rozprzestrzenianie się patologii Lewy'ego między komórkami 16,17,33. W związku z tym podobne do prionów rozprzestrzenianie się pS129-αsyn zostało niedawno podsumowane za pomocą α-synukleiny PFF 9,10. Ustanowienie solidnego, opłacalnego i stosunkowo wysoko- lub średnioprzepustowego modelu rozprzestrzeniania i akumulacji pS129-αsyn, szczególnie w neuronach dopaminowych, może znacznie przyspieszyć poszukiwania nowych metod leczenia i związków modyfikujących ten proces.
Ponieważ utrata neuronów dopaminowych jest główną przyczyną objawów motorycznych w PD, a komórki te posiadają wiele unikalnych właściwości 2,34,35, modelowanie prionowego rozprzestrzeniania się pS129-αsyn w neuronach dopaminowych jest najbardziej odpowiednim typem modelu z perspektywy translacyjnej. Protokoły wykorzystujące mikrowyspy kultur embrionalnych neuronów śródmózgowia na 4-dołkowych płytkach i półautomatyczne oznaczanie ilościowe zostały opisane wcześniej18. Opisany tutaj protokół został dostosowany do płytek 96-dołkowych i zapewnia mniej pracochłonne przygotowanie mikrowysp, pozwalając na przygotowanie do czterech płytek zawierających po 60 dołków każda przez doświadczonego badacza w ciągu jednego dnia roboczego. Hodowla neuronów dopaminowych w 96-dołkowych płytkach pozwala na testowanie leków w mniejszych ilościach i umożliwia wysokie szybkości transdukcji z wektorami lentiwirusa. Możliwe jest również łączenie różnych zabiegów w celu przeprowadzenia bardziej złożonych eksperymentów.
Przed zastosowaniem jakichkolwiek zabiegów (w tym PFF) należy sprawdzić jakość hodowli za pomocą mikroskopii w jasnym polu. Jeśli system mikroskopowy nie wykorzystuje komory CO2 z ogrzewaniem, komórki nie powinny być trzymane poza inkubatorem dłużej niż kilka minut, ponieważ pierwotne neurony dopaminowe myszy są delikatne i łatwo się stresują. Z tego samego powodu zaleca się, aby pierwsze obrazowanie wykonać po 24 godzinach inkubacji (między DIV1-DIV3). Komórki powinny wydawać się żywe z obecnymi ciałami komórkowymi i jednorodnie rozmieszczone wewnątrz mikrowyspy. Neurony pierwotne osiadłyby na ziemi pokrytej PO i zaczęłyby tworzyć projekcje neuronalne. Możliwe jest zaobserwowanie małych skupisk komórek (tj. o średnicy mniejszej niż 150–200 μm), które mogą powstać, jeśli proces rozcierania nie zostanie przeprowadzony prawidłowo lub gęstość posiewu jest wyższa niż zalecana. Te małe grudki nie wpłynęłyby na eksperyment, chyba że jest ich więcej niż kilka na studzienkę i/lub więcej. Zbite komórki bardzo utrudniają identyfikację markerów immunohistochemicznych i poszczególnych komórek podczas analizy obrazu. Istotne jest, aby unikać takich grudek poprzez staranne powlekanie, trytuowanie i kontrolowanie gęstości poszycia. Jeśli nie można zaobserwować jednolitości tych warunków w niektórych studniach, nie należy uwzględniać tych wadliwych studni w eksperymencie. Takiego wykluczenia należy dokonać przed wykonaniem jakichkolwiek zabiegów.
Co więcej, zastosowanie 96-dołkowych płytek pozwala na wygodne korzystanie z wielokanałowych pipet podczas procedur barwienia i bezpośrednią wizualizację za pomocą automatycznych mikroskopów płytkowych, co dodatkowo zwiększa przepustowość. Wykorzystanie zautomatyzowanej kwantyfikacji obrazu jest niezbędne do analizy danych z platform obrazowania o wysokiej zawartości. Oprócz możliwości przetwarzania tysięcy obrazów uzyskanych z każdego eksperymentu, zapewnia bezstronną, identyczną kwantyfikację wszystkich grup leczenia. Przepływ pracy zaproponowany do analizy obrazu opiera się na prostych zasadach segmentacji neuronów dopaminowych, filtrowania prawidłowo segmentowanych komórek przez nadzorowane uczenie maszynowe, a następnie kwantyfikacji fenotypów (pS129-αsyn dodatni i pS129-αsyn ujemny), ponownie przez nadzorowane uczenie maszynowe. Chociaż można sobie wyobrazić kilka różnych podejść do tego zadania, stwierdziliśmy, że połączenie segmentacji z uczeniem maszynowym jest najbardziej niezawodne w przypadku kultur dopaminy ze względu na wysoką gęstość posiewu, zróżnicowane kształty neuronów dopaminowych i obecność silnie zabarwionych neurytów. Zaproponowany algorytm analizy obrazu został zaimplementowany w CellProfiler i CellProfiler Analyst, ogólnodostępnym, ogólnodostępnym oprogramowaniu do analizy obrazów o wysokiej zawartości26,27. Algorytm może być również zaimplementowany za pomocą innego oprogramowania do analizy obrazu, zarówno open source (np. ImageJ/FIJI, KNIME), jak i zastrzeżonego. Jednak z naszego doświadczenia wynika, że często poświęcają one możliwości dostosowywania na rzecz łatwości użytkowania, a zatem mogą nie działać dobrze w skomplikowanych analizach. Odkryliśmy, że pakiety oprogramowania CellProfiler i CellProfiler Analyst dają szczególnie wiarygodne wyniki dzięki połączeniu znacznej liczby zaimplementowanych algorytmów, ekstremalnej elastyczności w projektowaniu przepływu pracy oraz jednoczesnej obsłudze i wydajnemu przetwarzaniu danych obrazowych o wysokiej zawartości.
Opisany protokół można również zaadaptować do oznaczania ilościowego innych fenotypów komórkowych charakteryzujących się barwieniem immunologicznym różnymi przeciwciałami, takimi jak markery innych populacji neuronów (np. DAT, GAD67, 5-HT itp.) oraz agregatów białkowych (np. fospo-Tau, ubikwityna). Można również połączyć wiele markerów fluorescencyjnych w celu rozróżnienia wielu fenotypów (np. komórek z inkluzjami na różnych etapach dojrzewania). Automatyczna klasyfikacja wielu fenotypów powinna być również łatwa do wdrożenia w opisanych potokach analizy obrazu, poprzez zwykłe dodanie kanału zawierającego obrazy immunofluorescencyjne dodatkowych markerów do etapów pomiaru i sortowanie komórek do wielu pojemników. Wykorzystanie wielu markerów w tym samym czasie wymagałoby jednak optymalizacji warunków barwienia immunologicznego i obrazowania. Dodatkowo, w celu uzyskania lepszej jakości obrazowania immunofluorescencyjnego, zaleca się stosowanie specjalnych czarnościennych 96-dołkowych płytek zaprojektowanych specjalnie dla mikroskopu fluorescencyjnego. Mogą one być jednak znacznie droższe niż standardowe płytki do hodowli komórkowych, które są wystarczające do analizy opisanej w naszym protokole.
Rodzaj i jakość zastosowanych PFF mają kluczowe znaczenie dla wyniku eksperymentów. PFF mogą mieć wpływ zarówno na rzetelność testu, jak i na interpretację wyników. Warunki przygotowania mogą mieć wpływ na efektywność wysiewu PFF i rzeczywiście odnotowano "szczepy" PFF o różnych właściwościach fizjologicznych36. Niemniej jednak przygotowanie i walidacja PFF wykraczają poza zakres niniejszego artykułu i zostały opisane w kilku publikacjach 11,28,29,30. Oprócz protokołu przygotowania należy wziąć pod uwagę gatunki pochodzenia α-synukleiny w PFF (np. mysz, człowiek) oraz zastosowanie białka typu dzikiego lub zmutowanego (np. ludzkiej A53T α-synukleiny), w zależności od szczególnych warunków doświadczalnych. Wykazano, że indukcja akumulacji pS129-αsyn przez PFF jest zależna od wieku hodowli (tj. dni in vitro), przy czym bardziej dojrzałe kultury wykazują wyraźniejszą indukcję11. Jest to prawdopodobnie spowodowane zwiększoną liczbą połączeń neuronalnych w bardziej dojrzałych kulturach i zwiększonym poziomem białka α-synukleiny. W naszych rękach leczenie PFF w DIV8 dało najbardziej wiarygodne wyniki, z wyraźną akumulacją pS129-αsyn w somie neuronów dopaminowych, nie zagrażając przy tym przeżyciu neuronów. Opisany protokół dobrze nadaje się do badania terapii modyfikujących wczesne zdarzenia prowadzące do agregacji endogennej α-synukleiny, ponieważ określamy ilościowo inkorpozycje pS129-αsyn dodatni w stosunkowo wczesnym punkcie czasowym, 7 dni po inokulacji PFF. W tym momencie inkluzje wewnątrzsomalne są obecne w znacznej części komórek i można je łatwo odróżnić za pomocą barwienia immunologicznego, podczas gdy nie obserwuje się śmierci komórek wywołanej przez PFF, co upraszcza interpretację wyników. Co ważne, ponieważ morfologia i skład inkluzji indukowanych przez PFF może zmieniać się w czasie12,13, opisany protokół można w zasadzie zmodyfikować w celu zbadania bardziej dojrzałych inkluzji poprzez utrwalenie i barwienie immunologiczne w późniejszych punktach czasowych. Jednak utrzymywanie neuronów dopaminowych w hodowli przez okres dłuższy niż 15 dni wymaga szczególnej ostrożności i może wywołać dodatkowe zmiany z powodu niezdolności komórek do przeżycia niezależnie od inokulacji PFF. Dodatkowo, bardziej rozszerzone posiewy komplikują harmonogramy leczenia farmakologicznego. Wiele związków ma ograniczoną lub źle scharakteryzowaną stabilność w pożywce do hodowli komórkowych, a uzupełnienie leku nie jest trywialne, ponieważ całkowita wymiana pożywki zagraża przetrwaniu kultur dopaminy.
Fosforylacja α-synukleiny w Ser129 jest konsekwentnie zgłaszana w modelach agregacji α-synukleiny opartych na PFF i kolokalizuje się z markerami nieprawidłowego fałdowania i agregacji, takimi jak tioflawina S, ubikwityna lub przeciwciała specyficzne dla konformacji11,12. W naszych rękach barwienie immunologiczne dla pS129-αsyn daje również najsilniejszy sygnał przy najniższym tle i jest najprostsze do analizy, dając solidne wyniki, gdy przeprowadza się wiele terapii. Co ważne, barwienie immunologiczne przeciwciałem pS129-αsyn nie wykrywa PFF, które pozostają poza komórkami, znacznie zmniejszając tło. Należy jednak pamiętać, że fosforylacja Ser129 jest prawdopodobnie jednym z najwcześniejszych procesów związanych z nieprawidłowym fałdowaniem α-synukleiny i może być różnie regulowana w określonych warunkach. Dlatego wszelkie wyniki, które wykazują pozytywny wpływ na pS129-αsyn, powinny być potwierdzone przez inne markery.
Analiza statystyczna powinna być dostosowana odpowiednio do projektu eksperymentalnego. Konieczne jest przeprowadzenie eksperymentów na co najmniej trzech niezależnych replikach biologicznych (tj. oddzielnych pierwotnych kulturach neuronalnych). Kontrpróby te powinny być posiane na różnych płytkach i poddawane niezależnej obróbce. Analizujemy dane uzyskane z powtórzeń na różnych płytkach z losową konstrukcją blokową ANOVA37 , aby uwzględnić parowanie danych dla różnych płytek eksperymentalnych.