-1::1
Simple Hit Counter
Skip to content

Products

Solutions

×
×
Sign In

PL

EN - EnglishCN - 简体中文DE - DeutschES - EspañolKR - 한국어IT - ItalianoFR - FrançaisPT - Português do BrasilPL - PolskiHE - עִבְרִיתRU - РусскийJA - 日本語TR - TürkçeAR - العربية
Sign In Start Free Trial

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

Behavior
Biochemistry
Bioengineering
Biology
Cancer Research
Chemistry
Developmental Biology
View All
JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

Biological Techniques
Biology
Cancer Research
Immunology
Neuroscience
Microbiology
JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

EDUCATION

JoVE Core

Video textbooks for undergraduate courses

Analytical Chemistry
Anatomy and Physiology
Biology
Cell Biology
Chemistry
Civil Engineering
Electrical Engineering
View All
JoVE Science Education

Visual demonstrations of key scientific experiments

Advanced Biology
Basic Biology
Chemistry
View All
JoVE Lab Manual

Videos of experiments for undergraduate lab courses

Biology
Chemistry

BUSINESS

JoVE Business

Video textbooks for business education

Accounting
Finance
Macroeconomics
Marketing
Microeconomics

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Authors

Teaching Faculty

Librarians

K12 Schools

Biopharma

Products

RESEARCH

JoVE Journal

Peer reviewed scientific video journal

JoVE Encyclopedia of Experiments

Video encyclopedia of advanced research methods

JoVE Visualize

Visualizing science through experiment videos

EDUCATION

JoVE Core

Video textbooks for undergraduates

JoVE Science Education

Visual demonstrations of key scientific experiments

JoVE Lab Manual

Videos of experiments for undergraduate lab courses

BUSINESS

JoVE Business

Video textbooks for business education

OTHERS

JoVE Quiz

Interactive video based quizzes for formative assessments

Solutions

Authors
Teaching Faculty
Librarians
<<<<<<< HEAD
K12 Schools
Biopharma
=======
K12 Schools
>>>>>>> dee1fd4 (fixed header link)

Language

pl_PL

EN

English

CN

简体中文

DE

Deutsch

ES

Español

KR

한국어

IT

Italiano

FR

Français

PT

Português do Brasil

PL

Polski

HE

עִבְרִית

RU

Русский

JA

日本語

TR

Türkçe

AR

العربية

    Menu

    JoVE Journal

    Behavior

    Biochemistry

    Bioengineering

    Biology

    Cancer Research

    Chemistry

    Developmental Biology

    Engineering

    Environment

    Genetics

    Immunology and Infection

    Medicine

    Neuroscience

    Menu

    JoVE Encyclopedia of Experiments

    Biological Techniques

    Biology

    Cancer Research

    Immunology

    Neuroscience

    Microbiology

    Menu

    JoVE Core

    Analytical Chemistry

    Anatomy and Physiology

    Biology

    Cell Biology

    Chemistry

    Civil Engineering

    Electrical Engineering

    Introduction to Psychology

    Mechanical Engineering

    Medical-Surgical Nursing

    View All

    Menu

    JoVE Science Education

    Advanced Biology

    Basic Biology

    Chemistry

    Clinical Skills

    Engineering

    Environmental Sciences

    Physics

    Psychology

    View All

    Menu

    JoVE Lab Manual

    Biology

    Chemistry

    Menu

    JoVE Business

    Accounting

    Finance

    Macroeconomics

    Marketing

    Microeconomics

Start Free Trial
Loading...
Home
JoVE Journal
Neuroscience
In Situ Wizualizacja wzrostu aksonów i dynamiki stożków wzrostu w ostrych kulturach embr...

Research Article

In Situ Wizualizacja wzrostu aksonów i dynamiki stożków wzrostu w ostrych kulturach embrionalnych wycinków mózgu ex vivo

DOI: 10.3791/63068

October 14, 2021

Eissa Alfadil1, Frank Bradke1, Sebastian Dupraz1

1Laboratory of Axon Growth and Regeneration,Deutsches Zentrum für Neurodegenerative Erkrankungen (DZNE)

Cite Watch Download PDF Download Material list
AI Banner

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

In This Article

Summary Abstract Introduction Protocol Representative Results Discussion Disclosures Acknowledgements Materials References Reprints and Permissions

Erratum Notice

Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice

Retraction Notice

The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice

Summary

Ten protokół demonstruje prostą i solidną metodę badania dynamiki wzrostu aksonów in situ i stożka wzrostu. Opisano w nim, w jaki sposób przygotować ex vivo fizjologicznie istotne ostre wycinki mózgu i przedstawiono przyjazny dla użytkownika potok analizy.

Abstract

Podczas rozwoju neuronów, aksony poruszają się po środowisku korowym, aby dotrzeć do swoich końcowych miejsc docelowych i ustanowić połączenia synaptyczne. Stożki wzrostu - struktury czuciowe znajdujące się na dystalnych końcach rozwijających się aksonów - wykonują ten proces. Badanie struktury i dynamiki stożka wzrostu ma kluczowe znaczenie dla zrozumienia rozwoju aksonów i interakcji z otaczającym ośrodkowym układem nerwowym (OUN), które umożliwiają mu tworzenie obwodów nerwowych. Ma to zasadnicze znaczenie przy opracowywaniu metod reintegracji aksonów z obwodami neuronalnymi po urazie w badaniach podstawowych i kontekstach przedklinicznych. Dotychczasowe ogólne zrozumienie dynamiki stożków wzrostu opiera się przede wszystkim na badaniach neuronów hodowanych w dwóch wymiarach (2D). Chociaż niewątpliwie ma to fundamentalne znaczenie dla obecnej wiedzy na temat dynamiki strukturalnej stożków wzrostu i reakcji na bodźce, badania 2D błędnie przedstawiają fizjologiczne trójwymiarowe (3D) środowisko, z którym spotykają się stożki wzrostu neuronów w nienaruszonej tkance OUN. Niedawno zastosowano żele kolagenowe w celu przezwyciężenia niektórych z tych ograniczeń, umożliwiając badanie rozwoju neuronów w 3D. Jednak zarówno syntetyczne środowiska 2D, jak i 3D nie mają wskazówek sygnalizacyjnych w tkance OUN, które kierują rozszerzaniem i odnajdywaniem ścieżki rozwijających się aksonów. Protokół ten zapewnia metodę badania aksonów i stożków wzrostu przy użyciu organotypowych wycinków mózgu, w których rozwijające się aksony napotykają fizjologicznie istotne wskazówki fizyczne i chemiczne. Łącząc precyzyjnie dostrojoną elektroporację in utero i ex utero w celu rzadkiego dostarczania fluorescencyjnych reporterów wraz z mikroskopią superrozdzielczą, protokół ten przedstawia metodologiczną linię produkcyjną do wizualizacji dynamiki aksonów i stożków wzrostu in situ. Ponadto dołączono szczegółowy opis zestawu narzędzi do analizy danych z obrazowania długoterminowego i żywych komórek.

Introduction

Neurony to wysoce spolaryzowane komórki, które reprezentują podstawową jednostkę obliczeniową w układzie nerwowym. Odbierają i emitują informacje, które opierają się na podziałach na miejsca wejściowe i wyjściowe: odpowiednio dendryty i aksony1. Podczas tworzenia aksony rozszerzają się, poruszając się w niewiarygodnie złożonym środowisku, aby dotrzeć do celu. Nawigacja w aksonach jest kierowana przez stożek wzrostu, strukturę czuciową znajdującą się na końcu rozwijającego się aksonu. Stożek wzrostu jest odpowiedzialny za wykrywanie sygnałów środowiskowych i przekształcanie ich w dynamiczną reorganizację przestrzenną swojego cytoszkieletu2,3. Powstałe w ten sposób reakcje morfomechaniczne instruują stożek wzrostu, aby wysunął się lub wycofał z sygnału wyzwalającego, co prowadzi do określonych manewrów aksonów.

Obecne zrozumienie dynamiki rozciągania aksonów i wzrostu wynika z badań oceniających wzrost aksonów na dwuwymiarowych (2D) podłożach2,4,5,6,7. Te pionierskie badania zidentyfikowały wyrafinowane wzajemne oddziaływanie między stożkami wzrostu a podłożami wzrostu i ujawniły uderzające różnice w zależności od cech podłoża, takich jak przyczepność i sztywność8,9. Na podstawie tych spostrzeżeń postawiono hipotezę, że zewnątrzkomórkowe sygnały środowiskowe dyktują wzrost aksonów, przy czym cytoszkielet stożka wzrostu wykonuje ten wzrost2,10,11,12. Warto zauważyć, że neurony mogą rozszerzać aksony w podłożach nieadhezyjnych (np. polilizyna, poliornityna)13. Co więcej, sztywność podłoża może wpływać na szybkość wzrostu aksonów niezależnie od kompleksów adhezyjnych komórek8. W związku z tym badanie dynamiki stożków wzrostu w samych substratach 2D nie może dokładnie modelować równowagi sił, które powstają w wyniku interakcji aksonalnych stożków wzrostu z fizjologicznie istotnymi środowiskami trójwymiarowymi (3D), takimi jak te występujące in vivo.

Aby przezwyciężyć ograniczenia testów 2D, wzrost aksonów i dynamika stożków wzrostu zostały zbadane w matrycach 3D8,9. Macierze te stanowią bardziej fizjologiczny kontekst, a jednocześnie pozwalają na badanie wewnętrznych mechanizmów wzrostu aksonów w komórce. Umożliwia badanie stożka wzrostu w sposób jednokomórkowy w różnych warunkach i zabiegach farmakologicznych9. W takich środowiskach 3D aksony wykazywały wyraźną dynamikę cytoszkieletu i rosły szybciej niż te obserwowane w neuronach hodowanych w 2D9. Te eleganckie badania wykazały wpływ dodatkowego wymiaru na reorganizację cytoszkieletu stożka wzrostu, a w konsekwencji na jego zachowanie.

Pomimo oczywistych zalet prezentowanych przez matryce 3D w porównaniu z powierzchniami 2D we wspieraniu natywnego rozwoju neuronów i wzrostu aksonów, pozostają one uproszczonym syntetycznym rusztowaniem, które nie jest w stanie odzwierciedlić złożoności dynamiki obserwowanej w tkance ośrodkowego układu nerwowego (OUN). W tym przypadku dostarczanie plazmidów reporterowych za pomocą elektroporacji ex utero i in utero połączono z organotypową hodowlą plastrów mózgu i obrazowaniem in situ w super rozdzielczości w celu analizy dynamiki stożków wzrostu w kontekście fizjologicznym. Metodologia ta pozwala na wizualizację rozwijających się aksonów przy jednoczesnym doświadczaniu trójwymiarowości środowisk in vivo i złożoności ich składu fizykochemicznego. Na koniec opisano przyjazne dla użytkownika procedury pomiaru wzrostu aksonów i dynamiki stożków wzrostu przy użyciu powszechnie licencjonowanego i publicznie dostępnego oprogramowania.

Protocol

Eksperymenty na zwierzętach muszą być zgodne z odpowiednimi przepisami instytucjonalnymi i federalnymi. W protokole tym wykorzystano embrionalne samice myszy C57BL / 6JRj w dniu 15,5 i 12,5 (E15,5 i E12,5). Doświadczenia przeprowadzono zgodnie z ustawą o dobrostanie zwierząt Krajowej Agencji Ochrony Środowiska Nadrenii Północnej-Westfalii (Landesamt für Natur, Umwelt und Verbraucherschutz (LANUV)).

1. Przygotowanie plazmidów do iniekcji

  1. Wyizoluj DNA za pomocą zestawu Maxiprep bez endotoksyn zgodnie z protokołem producenta (patrz tabela materiałów).
  2. Wymieszaj wybrane DNA w żądanym stężeniu (Tabela 1) i 10% roztwór Fast Green (patrz Tabela materiałów), aby zobrazować dostarczanie mieszaniny DNA do komór mózgu.
    UWAGA: Specyficzne plazmidy użyto do rzadkiego znakowania neuronów korowych (Figura 1A), nitkowatych struktur aktyny (F-aktyna) w stożku wzrostu (Figura 1B) oraz podwójnego znakowania stożków wzrostu w tej samej korze (Figura 1C). Wszystkie plazmidy (Tabela 1) użyte w tym protokole zostały zdeponowane w Addgene (patrz Tabela Materiałów).
  3. Przygotować szklane kapilary za pomocą ściągacza do elektrod kapilarnych zgodnie z następującym programem: ciśnienie: 500, ciepło: 800, ciągnięcie: 30 i prędkość: 40.
  4. Załaduj 15 μl mieszanki DNA/Fast Green do każdej szklanej kapilary za pomocą końcówek do pipet z mikroładowarką.
    UWAGA: Upewnij się, że nie tworzą się bąbelki.
  5. Przechowuj naczynia włosowate wypełnione DNA w 10-centymetrowym naczyniu z kawałkiem plasteliny w poprzek średnicy naczynia. Kapilary można ładować i przechowywać w temperaturze 4 °C na dzień przed eksperymentem. Uszczelnij tylny koniec kapilary elastyczną folią, aby zapobiec wysuszeniu.

2. Przygotowanie roztworów

  1. Przygotuj buforowany roztwór soli Hanka uzupełniony glukozą (HBSS-G).
    1. Dodaj 0,5% 20% bulionu glukozy do butelki 1x HBSS. Dobrze wymieszać i przechowywać w temperaturze 4 °C przez okres do 2 tygodni. W celu ekstrakcji zarodków należy na krótko przed pobraniem zarodków bąbelkować roztwór HBSS-G z karbogenem (95%O2 i 5%CO2) przy użyciu bulgoczącego kamienia.
  2. Rozwiązanie Slice Media
    1. Świeże plastry zawierające Neurobasal 1x, 5% surowicę końską, 5% surowicę płodową cielęcą, suplement B27 1:50, suplement L-glutaminy 1:400, penicylinę-streptomycynę 1:200 i suplement Neuropan-2 1:100 (przy pH = 7,3), należy przygotować w sterylnych warunkach (patrz tabela materiałów).
    2. Przygotuj 3 cm naczynia z 1 ml pożywki w plastrach każde. Umieścić w inkubatorze w temperaturze 35 °C z 5% CO2 przez co najmniej 1 godzinę przed eksperymentem w celu zrównoważenia pH podłoża poprzez wymianę gazową.
      UWAGA: Równowaga pH pożywki jest spowodowana zakwaszeniem pożywki przez CO2 z inkubatora. Nośniki Slice można przechowywać w temperaturze 4 °C do 1 tygodnia.
  3. Roztwór agarozy o niskiej temperaturze topnienia (3%)
    1. Odważ żądaną ilość proszku agarozy o niskiej temperaturze topnienia i rozpuść w odpowiedniej objętości 1x HBSS-G w szklanej butelce. Potrzeba około 7 ml roztworu agarozy na mózg.
    2. Umieść butelkę w kuchence mikrofalowej na 2-3 minuty, z luźno umieszczoną nakrętką i potrząsaj co 10-20 s.
    3. Po całkowitym rozpuszczeniu proszku umieścić butelkę w łaźni wodnej lub kąpieli perełkowej nastawionej na 37 °C co najmniej 1 godzinę przed eksperymentem, aby agaroza ostygła.
      UWAGA: Zaleca się dwukrotne podgrzanie agarozy w ciągu 15 minut, aby upewnić się, że proszek agarozy się rozpuścił. Ma to kluczowe znaczenie dla prawidłowego przylegania agarozy do tkanki mózgowej. Do pomiaru temperatury roztworu agarozy podczas osadzania mózgów należy użyć termometru, upewniając się, że wynosi ona 37-40 °C. Mózgi zwierząt w różnym wieku mają różną sztywność. Zaleca się badanie zakresu stężeń agarozy w celu znalezienia jednorodności między tkanką a agarozą.
    4. Przygotować sól fizjologiczną buforowaną fosforanami z 0,3% Triton X-100 (PBS-T).
    5. Przygotować sól fizjologiczną buforowaną fosforanami z 0,2% azydkiem sodu (PBS-NaN3).
      UWAGA: Roztwory opisane w krokach 2.4-2.5 są przeznaczone do stosowania w późniejszym etapie immunohistochemii.

3. Przygotowanie stanowiska chirurgicznego

  1. Oczyść stanowisko operacyjne 70%-96% etanolem i umieść podkład operacyjny na powierzchni stanowiska.
  2. Wysterylizuj narzędzia chirurgiczne, spłukując je 70%-96% etanolem, a następnie sterylizując na sucho w sterylizatorze z gorącymi kulkami.
  3. Wyczyść platynowe elektrody pęsety (patrz tabela materiałów) 70%-96% etanolu przed podłączeniem do generatora impulsów.
  4. Włóż szklaną kapilę wypełnioną DNA/Fast Green do uchwytu kapilary. Bezpośrednio przed użyciem delikatnie odłamać końcówkę kapilary za pomocą drobnych nożyczek i przebadać przepływ roztworu w probówce mikrowirówki o pojemności 1,5 ml wypełnionej wstępnie podgrzaną solą fizjologiczną lub wodą.
    UWAGA: Rysunek 2A,B pokazuje konfigurację stanowiska chirurgicznego i narzędzia używane do elektroporacji ex utero (EUE) i elektroporacji in utero (IUE).
  5. W przypadku IUE należy rozgrzać roztwór soli fizjologicznej do temperatury 37 °C w łaźni wodnej.

4. Ekstrakcja zarodków

  1. Umieść ciężarną mysz w komorze induktora znieczulenia z 5% izofluranem, aż mysz zostanie głęboko znieczulona. Potwierdź znieczulenie przez brak odruchu wycofania pedału.
  2. Przenieś mysz do podkładu operacyjnego i utrzymuj izofluran na poziomie 1,5%-2% przez stożek nosowy.
  3. Nałóż maść na oba oczy, aby zapobiec wysuszeniu rogówki.
  4. Ogol brzuch myszy, a następnie użyj gazy nasączonej etanolem o stężeniu 70%-96%, aby usunąć ogolone włosy. Oczyść obszar za pomocą betadyny.
  5. Za pomocą sterylnych małych nożyczek chirurgicznych wykonaj 2 cm nacięcie skóry wzdłuż linii środkowej brzucha, a następnie 1,5 cm nacięcie mięśni.
    UWAGA: Wielkość nacięcia zależy od wielkości zarodka. Rzeczywiście, większe zarodki będą wymagały większego nacięcia, aby umożliwić ich ekstrakcję.
  6. Wytnij otwór w środku gazy wystarczająco szeroki, aby zmieścił się w nacięciu skóry (o średnicy ~2 cm), nasącz go ciepłą solą fizjologiczną i umieść wokół otworu brzusznego.
  7. Wyciągnij oba rogi macicy za pomocą wacika nasączonego ciepłą solą fizjologiczną lub za pomocą kleszczy, ostrożnie chwytając przestrzenie między zarodkami, aby je wyciągnąć. Umieść zarodki na mokrej gazie (Rysunek 2C).
    UWAGA: Nawet niewielkie uszkodzenie naczyń krwionośnych i naczyń włosowatych wokół rogów macicy prawdopodobnie spowoduje obfite krwawienie. Dlatego należy zawsze unikać bezpośredniego dotykania tych unaczynionych obszarów.
  8. Rozetnij worek maciczny i usuń każdy zarodek (Rysunek 2D).
  9. Eutanazja każdego zarodka natychmiast po ekstrakcji za pomocą zstępującego cięcia ukośnego, zapewniającego całkowite przecięcie rdzenia kręgowego (Rysunek 2E).
  10. Umieścić zarodki w 10-centymetrowym naczyniu zawierającym HBSS-G na lodzie.
    UWAGA: Unika się ścinania zarodka, aby zapobiec wyciekowi DNA/mieszanki Fast Green z mózgu i ułatwić ustawienie zarodka w posiadaczu (patrz elektroporacja ex utero, krok 5).
  11. Złożyć ofiarę matki natychmiast po ekstrakcji zarodków, wykonując zwichnięcie szyjki macicy.
    UWAGA: W tym przypadku matka jest poddawana eutanazji pod narkozą, aby oszczędzić jej dalszego bólu lub cierpienia po zabiegu, zgodnie z protokołem zatwierdzonym przez ustawę o dobrostanie zwierząt Państwowej Agencji Ochrony Środowiska Nadrenii Północnej-Westfalii (LANUV).

5. Elektroporacja ex utero (EUE)

  1. Weź zarodek i umieść go w uchwycie.
    UWAGA: Nacięta końcówka pipety o pojemności 1 ml przymocowana do końca skrobaka do komórek służy jako uchwyt na zarodki. Istotne jest, aby podczas zabiegu trzymać ramiona zarodków na zewnątrz końcówki, aby zapobiec ich wsunięciu się do końcówki (Rysunek 2F-I). Średnicę końcówki pipety można łatwo regulować, aby pomieścić zarodki o różnych rozmiarach. Wytnij drugą końcówkę na długość, w której średnica końcówki odpowiada rozmiarowi zarodka i użyj jej jako wkładki adaptera do wspomnianego powyżej uchwytu.
  2. Ostrożnie wprowadzić szklaną kapilarnę wypełnioną DNA/Fast Green przez czaszkę zarodka do komory bocznej i wstrzyknąć 2-3 μl mieszanki plazmidu DNA (Rysunek 1A,B; Tabela 1) do każdej komory (Rysunek 2F).
    UWAGA: Użyj szwów lambdoidalnych i strzałkowych jako wskazówki do lokalizacji wstrzyknięcia DNA. Szwy lambdoidalne i strzałkowe to włókniste stawy łączące płytkę kostną czaszki. Pierwsza z nich łączy kość ciemieniową z kością potyliczną, a druga łączy dwie kości ciemieniowe.
  3. Trzymaj głowę zarodka między platynowymi elektrodami pęsety pod odpowiednim kątem, aby wycelować w żądany obszar mózgu (w tym przypadku kąt 60 °), z katodą skierowaną w stronę, w której planowany jest transfer DNA (Rysunek 2G-H).
  4. Zastosuj pięć impulsów przy napięciu 30 mV w odstępie 1 s i czasie trwania 50 ms za pomocą generatora impulsów o fali prostokątnej.
    UWAGA: Należy pamiętać, że mózgi w EUE doświadczają bardziej efektywnego pola elektrycznego niż te w IUE. W związku z tym, przy danym stężeniu DNA, EUE skutkuje wyższą efektywnością transferu DNA niż IUE, a stężenia DNA muszą być odpowiednio dostosowane.
  5. Jeśli pożądana jest obustronna elektroporacja, powtórz kroki 5.3-5.4 z katodą i anodą odzwierciedlającymi poprzednią pozycję, aby celować w korę przeciwległą.
    UWAGA: Ponieważ do obu komór wstrzyknięto DNA, kora obu półkul była celowana.
  6. Umieść elektropostowany zarodek w 6-centymetrowym naczyniu zawierającym lodowaty HBSS-G. Powtórzyć kroki 5.1-5.6 dla wszystkich wymaganych zarodków.

6. Elektroporacja in utero (IUE)

  1. Ciężarnej myszy wstrzyknąć środek przeciwbólowy; 50 μl buprenorfiny (0,1 mg/kg) (patrz tabela materiałów) podskórnie, 20 minut przed zabiegiem.
  2. Wykonaj kroki 4.1-4.8 z rozdziału dotyczącego ekstrakcji zarodków.
    UWAGA: Unikaj niepotrzebnego wystawiania zarodków na działanie promieni słonecznych, przykrywając je sterylną gazą nasączoną ciepłą solą fizjologiczną.
  3. Za pomocą opuszków palców delikatnie obróć zarodek wewnątrz macicy, aż zostaną zlokalizowane szwy lambdoidalne i strzałkowe (Ryc. 2J). Ostrożnie wprowadź naczynia włosowate DNA/Fast Green glass przez ścianę macicy i czaszkę zarodka do komory bocznej i wstrzyknij 2-3 μl mieszanki plazmidu DNA (Rysunek 1A, C) do jednej lub obu komór zgodnie z życzeniem ( Rysunek 2K-L).
    UWAGA: Nadmierny nacisk palca na rogi macicy może prowadzić do zapadnięcia się worka owodniowego.
  4. Trzymaj głowę zarodka między platynowymi elektrodami pęsety pod odpowiednim kątem, aby celować w żądany obszar mózgu (w tym przypadku pod kątem 60°), z katodą skierowaną w stronę, w której ma być przeprowadzony transfer DNA. Unikaj ściskania macicy, ponieważ może to spowodować zapadnięcie się worka owodniowego (Ryc. 2M).
  5. Zastosuj pięć impulsów o napięciu 35 mV w odstępie 600 ms i czasie trwania 50 ms za pomocą generatora impulsów fali prostokątnej.
  6. Jeśli wstrzyknięto obie komory boczne, powtórz kroki 6,5-6,6 z katodą i anodą odzwierciedlającymi poprzednią pozycję, aby celować w korę przeciwległą
  7. .
  8. Powtórzyć kroki 6.3-6.6 dla wszystkich wymaganych zarodków.
  9. Gdy wszystkie wymagane zarodki zostaną poddane elektroporacji, użyj wacika nasączonego solą fizjologiczną, aby delikatnie umieścić rogi macicy z powrotem w jamie brzusznej.
    UWAGA: Dodanie roztworu soli fizjologicznej do jamy otrzewnej pomoże rogom macicy przesunąć się z powrotem na miejsce.
  10. Zszyj nacięcia mięśni i skóry za pomocą materiału do szycia 5-0. Użyj klipsów do szwów, aby zabezpieczyć ranę i zdezynfekować ranę szwową, spryskując ją betadyną (Rysunek 2N-P).
  11. Wstrzyknąć myszowi 200 μl 5% glukozy podskórnie.
  12. Wstrzyknąć myszowi antybiotyk; 50 μl enrofloksacyny (5 mg/kg) podskórnie (patrz tabela materiałów).
  13. Umieść mysz z powrotem w klatce regeneracyjnej i utrzymuj ciepło za pomocą światła ocieplającego dalekiej podczerwieni lub poduszki grzewczej przez co najmniej 20 minut po zabiegu (Rysunek 2Q).
  14. Codziennie monitoruj mysz i wstrzyknij meloksykam po zabiegu w celu złagodzenia bólu zgodnie z wytycznymi instytucjonalnymi i federalnymi.
  15. Pobrać zarodki 2 dni po zabiegu (tj. E17.5) zgodnie z krokiem 4.

7. Ekstrakcja mózgu i osadzenie w agarozie

UWAGA: Zaleca się wykonanie następujących kroków pod mikroskopem preparacyjnym dla lepszej precyzji. Uniknięcie uszkodzenia mózgu ma kluczowe znaczenie dla powodzenia zabiegu.

  1. Ustaw narzędzia do ekstrakcji w sterylnej przestrzeni roboczej pod okapem preparacyjnym (Rysunek 3A).
  2. Oddziel głowę zarodka od reszty ciała za pomocą nożyczek do preparowania.
  3. Napraw głowę, jak pokazano na Rysunek 3C, a następnie usuń skórę i czaszkę, przecinając wzdłuż linii środkowej, zaczynając od podstawy głowy w kierunku nosa (Rysunek 3D).
  4. Obierz skórę i czaszkę z boku, tworząc wystarczająco dużą szczelinę (~1 cm), aby można było wyciąć mózg.
  5. Aby usunąć mózg, włóż zamkniętą końcówkę sterylnych nożyczek preparacyjnych, zaczynając od spodu opuszki węchowej przesuwającej się w kierunku pnia mózgu (Ryc. 3E).
  6. Odetnij pień mózgu i przytnij luźne kawałki opon mózgowych wokół mózgu (Rysunek 3F).
    UWAGA: Luźne opony mózgowe często powodują, że plastry pozostają przyczepione do bloku agarozy po pokrojeniu, co prowadzi do oderwania tkanki od agarozy podczas zbierania plastrów.
  7. Powtórzyć kroki 7.1-7.6 dla wszystkich zarodków i trzymać mózgi na lodzie (najlepiej nie dłużej niż 30 minut) aż do etapu osadzania.
    UWAGA: Poniższe kroki 7.7.1-7.7.4 odnoszą się do ekstrakcji mózgu E12.5.
    1. Odizoluj czubek głowy tuż pod okiem, jak pokazano na Rysunek 3G.
    2. Przetnij skórę i czaszkę na pniu mózgu, podążając za linią przerywaną, jak pokazano na Rysunek 3H, bez usuwania pnia mózgu.
    3. Wykonaj 2-milimetrowe nacięcie skóry i czaszki z tyłu głowy, jak pokazano na Rysunek 3I (patrz rysunki dla jasności).
      UWAGA: To nacięcie zapewnia początkowe punkty chwytania do odklejania warstw skóry i czaszki. Zazwyczaj schodzą jako jedna warstwa. Typowy rozmiar nacięcia wynosi 2 mm, co odpowiada długości krawędzi tnącej zastosowanych nożyczek z mikrosprężyną.
    4. Rozpocznij odklejanie warstw skóry i czaszki, zabezpieczając jedną stronę nacięcia i ostrożnie pociągając drugą. Z taką samą ostrożnością zakończ, odklejając podstawę głowy, aż do uwolnienia mózgu (Rysunek 3J).
      UWAGA: Należy to zrobić z wielką ostrożnością, obserwując, że mózg nie jest ciągnięty wzdłuż warstw tkanki. Naprzemiennie boki, aby usunąć tkankę pokrywającą mózg
    5. .
  8. Wlej ciepłą agarozę (w temperaturze 37-40 °C) do 3 cm naczynia
  9. .
  10. Podnieś mózg za pomocą perforowanej łyżki i usuń nadmiar płynu, wcierając spód łyżki o suchą bibułkę. Umieść mózg w naczyniu z agarozą.
    UWAGA: Konieczne jest usunięcie jak największej ilości płynu z okolic mózgu, aby umożliwić lepsze przyleganie agarozy do tkanki.
  11. Naczynie z płynną agarozą wyłożyć na lód. Za pomocą mniejszej łyżki mieszaj agarozę przez 10 sekund, aby równomiernie ostygła. Manewruj mózgiem do środka naczynia. Umieść mózg poziomo w naczyniu grzbietem do góry, upewniając się, że jest całkowicie pokryty agarozą ze wszystkich kierunków (Rysunek 3K).
    UWAGA: Mózgi często opadają na dno naczynia po umieszczeniu w agarozie; Podnieś mózg za pomocą małej łyżki, aż utworzy się szczelina 1-2 mm pod mózgiem.
  12. Powtórz kroki 7.8-7.10 dla wszystkich mózgów.
  13. Po polimeryzacji agarozy dodaj 500 μl HBSS-G na blok agarozy, aby zapobiec wysuszeniu. Następnie przykryj naczynie lodem.
    UWAGA: Trzymaj próbkę na lodzie przez 5 minut przed podziałem na sekcje, aby temperatura mózgu osiągnęła 4 °C.

8. Organotypowa kultura plastrów

UWAGA: Oczyść wibratom i otaczające go powierzchnie etanolem o stężeniu 70%-96%, aby uniknąć zanieczyszczenia plasterków. Konfiguracja stacji roboczej z wibratomem (patrz tabela materiałów) jest pokazana w Rysunek 3B.

  1. Napełnij tackę buforową wibratomu zimnym HBSS-G, a zewnętrzną tacę lodem, aby utrzymać HBSS-G w niskiej temperaturze przez cały czas trwania zabiegu.
  2. Stale zaopatrywać HBSS-G w tacę buforową w karbogen za pomocą bulgoczącego kamienia.
  3. Używając świeżego ostrza, wykonaj duże cięcie (~2 x 2 cm) wokół mózgu i usuń blok agarozy zawierający mózg, z wystarczającą ilością otaczającej agarozy, aby przyciąć agarozę do małego prostokątnego bloku.
    UWAGA: Ten krok umożliwia regulację kąta bloku tak, aby oś strzałkowa mózgu była prostopadła do płytki wibratomowej, a oś koronalna była wyrównana równolegle do ostrza. Pozostaw około 5 mm agarozy po grzbietowej stronie mózgu, aby ułatwić obchodzenie się z plastrami.
  4. Umieść małą kroplę szybkoprzylepnego, bezrozpuszczalnikowego kleju superglu na środku uchwytu próbki i rozprowadź w obszarze, który pokryje spód bloku agarozy.
  5. Delikatnie podnieś blok agarozy i osusz spód, wcierając w bibułę. Umieść klocek na sklejonym obszarze uchwytu na próbki, rostralną stroną mózgu do góry. Umieść uchwyt na próbkę na lodzie i pozostaw klej do wyschnięcia na 1 minutę.
  6. Po wyschnięciu kleju umieść uchwyt próbki w tacy buforowej.
  7. Pokrój mózg w plastry koronalne pod kątem 15°.
    UWAGA: Grubość plastrów może się różnić w zależności od zastosowania. Tutaj mózgi zostały pocięte na grubość 150 μm. Ustaw prędkość wibratomu na 1,0-1,5 mm/s, aby przyciąć nadmiar agarozy na wierzchu i przyciąć opuszki węchowe. Zmniejsz prędkość cięcia do 0,5 mm/s w celu zbierania wycinków kory mózgowej do analizy. Większość wibratomii można zatrzymać, aby zebrać każdy plasterek. Jeśli wystąpi obniżona jakość plastrów lub oderwanie tkanki od agarozy, pomocne może być zmniejszenie prędkości cięcia lub wymiana ostrza wibratomu.
  8. Za pomocą czystych szpatułek zbierz plastry mózgu i umieść je na membranie z politetrafluoroetylenu (PTFE), unieruchomione w naczyniu ze szklanym dnem o średnicy 35 mm przy użyciu parafiny (do pięciu plasterków mózgu / membrana) (Rysunek 3L-M).
    UWAGA: Zamocuj membranę PTFE w naczyniu ze szklanym dnem o średnicy 35 mm za pomocą wosku. To ustabilizuje błonę podczas dodawania pożywki do hodowli plastrów, a także podczas obrazowania.
  9. Za pomocą pipety o pojemności 200 μl usuń nadmiar HBSS-G z okolic plastrów na membranie PTFE, pozostawiając plastry do półsucha.
  10. Dodać 500 μl podłoża warstwowego (wstępnie podgrzanego do 35 °C) bezpośrednio do przestrzeni pod membraną PTFE.
    UWAGA: Podczas dodawania podłoża pod membraną nie mogą tworzyć się pęcherzyki. Spowoduje to pozostawienie całych lub częściowych plasterków bez wymiany mediów. Wymieniaj 200 μl pożywki co 2 dni w hodowli lub po każdej sesji obrazowania.
  11. Inkubować plastry w temperaturze 35 °C z 5% CO2 .

9. Immunohistochemia

  1. Utrwal plastry 1 ml 4% paraformaldehydu (PFA) uzupełnionego 4% sacharozą na naczynie. Inkubować w temperaturze pokojowej przez 30 min.
    UWAGA: Podczas obchodzenia się z PFA należy nosić fartuch laboratoryjny i rękawice. Wykonaj czynności utrwalające pod maską chemiczną i odpowiednio zutylizuj odpady PFA.
  2. Umyj plastry dwukrotnie 300 μl PBS przez 5 minut. Przenieś plastry na płytkę 24-dołkową.
    UWAGA: Na tym etapie eksperyment można wstrzymać. Dodać PBS-NaN3 do plastrów i przechowywać w temperaturze 4 °C. NaN3 jest związkiem toksycznym; Podczas obchodzenia się z roztworami należy nosić fartuch laboratoryjny i rękawice. Kroki 9.3-9.10 należy wykonać w wytrząsarce orbitalnej.
  3. Plastry zalać 300 μl 0,1 M glicyny w temperaturze 4 °C przez noc.
  4. Wypłukać glicynę za pomocą PBS w temperaturze RT 3x przez 10 min.
  5. Przepuszczać plastry za pomocą 300 μl PBS-T w temperaturze pokojowej przez 2 godziny.
  6. Blokuj przy użyciu 10% surowicy koziej w PBS-T w temperaturze pokojowej przez 2 godziny.
  7. Dodać 300 μl przeciwciała pierwszorzędowego (przeciwciało anty-wimentynowe w rozcieńczeniu 1:200; patrz tabela materiałów) rozcieńczonego w 10% surowicy koziej w roztworze PBS-T w temperaturze 4 °C przez noc.
    UWAGA: W krokach 9.8-9.12 plastry były chronione przed światłem, aby zapobiec utracie fluorescencji.
  8. Przemyć przeciwciało pierwszorzędowe PBS w temperaturze 3x RT przez 20 min.
    UWAGA: PBS został użyty zamiast PBS-T do wymywania Triton X-100.
  9. Dodać 300 μl przeciwciała drugorzędowego (Alexa Fluor 488 lub 647 w rozcieńczeniu 1:400; patrz tabela materiałów) w PBS w temperaturze RT przez 2 godz.
    UWAGA: DAPI dodaje się natychmiast po usunięciu przeciwciała drugorzędowego w rozcieńczeniu 1:10 000 przez 5 min.
  10. Przemyć przeciwciało drugorzędowe PBS w temperaturze 3x RT przez 20 min. Przemyć wodą destylowaną 2x przez 1 min.
  11. Za pomocą cienkiego pędzla przenieść plastry na szkiełko do szkiełka, a następnie wysuszyć w temperaturze 30 °C przez 20 minut.
  12. Zamontuj plastry za pomocą wodnego podłoża montażowego. Trzymaj slajdy w RT przez noc, aby nośnik montażowy mógł się zamocować.

10. Akwizycja obrazowania

UWAGA: Niezależnie od podejścia do dostarczania DNA (IUE lub EUE), wycinki były analizowane w tym samym przedziale wieku rozwojowego (E17.5-E18.5). IUE pozwala neuronalnym przodkom dzielić się i rozwijać przez kolejne dwa dni in vivo. Z drugiej strony EUE pozwala na śledzenie wczesnych zdarzeń rozwojowych.

  1. Włączyć inkubator komorowy i ustawić go na 35 °C z 5% CO2 - najlepiej 4 godziny przed obrazowaniem - aby umożliwić zrównoważenie elementów mikroskopu w temperaturze 35 °C.
  2. Do głębokiego obrazowania plastrów należy użyć obiektywów zanurzonych w wodzie, aby zmniejszyć niezgodność współczynnika załamania światła między tkanką a obiektywem.
    UWAGA: W tym przypadku zastosowano tryb obrazowania w super rozdzielczości. Obrazowanie przez membranę PTFE wymaga obiektywu o dużej odległości roboczej (~1 mm). Jeśli obiektyw o dużej odległości roboczej nie jest dostępny, plastry można przenieść do 8-dołkowego naczynia ze szklanym dnem. Aby przenieść plastry, dodaj 1 ml pożywki w plastrach na wierzch membrany, a następnie użyj szpatułki, aby podnieść plasterek i przenieść go do studzienki zawierającej 200 μl podłoża. Usuń nadmiar pożywki za pomocą końcówki pipety o pojemności 1 ml, pozostawiając plastry do półsuchości.
  3. Aby zobrazować wzrost aksonów, zlokalizuj obszar kory o niskiej lub średniej gęstości komórek. Aby zobrazować dynamikę stożka wzrostu, zlokalizuj stożek wzrostu w strefie pośredniej kory lub strefie podkomorowej.
  4. Zdefiniuj rozmiar stosu Z w oprogramowaniu do przetwarzania obrazu (patrz Tabela materiałów). W przypadku wzrostu aksonów w dużym stosie Z ustaw rozmiar kroku 2 μm. W przypadku stożków wzrostu w mniejszym stosie Z ustaw rozmiar kroku 1 μm.
    UWAGA: Zawsze uwzględniaj potencjalny ruch stożka wzrostu i aksonu przez płaszczyzny x, y i z. Aksony rosną znacznie szybciej w kulturach organotypowych niż w kulturach in vitro. W tym przypadku wystarczający był stos z o wielkości około 80 μm, aby zobrazować wzrost aksonów. Dla dynamiki stożka wzrostu odpowiedni był stos z wynoszący ~6 μm.
  5. Aby zobrazować wzrost aksonów neuronów na większym obszarze, zdefiniuj skan kafelkowy.
  6. Użyj najniższej możliwej mocy lasera, aby zminimalizować ryzyko bielenia stożków wzrostu podczas akwizycji.
  7. Aby zobrazować wzrost aksonów, należy wykonać filmy poklatkowe przez 2 godziny w odstępie 5 minut. Aby zobrazować dynamikę stożka wzrostu, należy wykonać zdjęcia poklatkowe przez 2-5 minut w odstępie 2,5-3 s.

11. Analiza danych

  1. Mierz szybkość wzrostu aksonów za pomocą kymografów
    1. Otwórz plik obrazu w Fiji14 za pomocą File > Open i wybierz obraz.
    2. Uzyskaj projekcję maksymalnej intensywności filmu poklatkowego za pomocą stosów obrazu > > projekcji Z > projekcji maksymalnej intensywności.
    3. Przejdź przez film poklatkowy i zlokalizuj rosnący akson.
    4. Po zlokalizowaniu narysuj linię przez rosnący akson. Zacznij od czubka aksonu w pierwszej klatce i podążaj za aksonem przez cały film poklatkowy.
    5. Wygeneruj kimograf za pomocą wtyczki KymoResliceWide.
    6. Ustaw skalę kimografu, przechodząc do Właściwości > obrazu. Ustaw odległość w μm w polu Szerokość piksela i ustaw czas w s lub min w polu Wysokość piksela.
    7. Przejdź do pozycji Analizuj > mierz.
      UWAGA: Podany zostanie kąt względem osi x.
    8. Oblicz prędkość wzrostu aksonów, podstawiając kąt w następującym równaniu: SIN(RADIANY(θ))/COS(RADIANY(θ)) w arkuszu kalkulacyjnym.
  2. Zmierz objętość stożka wzrostu za pomocą oprogramowania do analizy obrazu (patrz tabela materiałów).
    1. Otwórz plik obrazu w oprogramowaniu do analizy obrazu za pomocą opcji Plik > Otwórz i wybierz interesujący Cię plik.
    2. Wybierz Kreatora dodawania nowych powierzchni.
      UWAGA: W lewym dolnym rogu pojawi się sekcja z sześcioma krokami do ręcznej edycji.
    3. W kroku 1 - w obszarze Ustawienia algorytmu - wybierz opcję Segmentuj tylko region zainteresowania. W kroku 2 przytnij ramkę, aby zmieściła się w całym stożku wzrostu we wszystkich ramkach.
    4. Utrzymuj próg intensywności bezwzględnej w kroku 3 i upewnij się, że cały obszar stożka wzrostu jest progowany w kroku 4.
    5. W kroku 5 wybierz opcję Liczba wokseli lmg = 1 w obszarze Typ filtra.
      UWAGA: W ostatnim kroku może zostać utworzonych wiele zestawów pomiarów. W tym przypadku utworzono tylko jeden pomiar objętości.
    6. Wybierz przycisk Wykonaj, aby wykonać wszystkie kroki tworzenia i zakończyć działanie Kreatora dodawania nowych powierzchni.
    7. Na karcie Statystyki w górnej części okna kreatora wybierz pozycję Określone wartości i wolumin na karcie Szczegółowe.

Representative Results

Pokazane są reprezentatywne wyniki uzyskane za pomocą opisanej metody workflow. W niniejszej demonstracji wykorzystano myszy E15.5, chociaż protokół ten można łatwo dostosować do praktycznie wszystkich grup wiekowych embrionalnych, od E11 do późnego E17. W niniejszym protokole elektroporacja ex utero (EUE; Rysunek 2A, 2C-I) lub elektroporacja in utero (IUE; Rysunek 2B,C i 2J-Q) zostały użyte do dostarczenia plazmidów do neuronów progenitorowych wyściełających boczne komory. Te progenitory są źródłem przyszłych neuronów projekcyjnych kory mózgowej (CPN)15,16. Mieszanki plazmidowe przygotowano w celu stymulowania rzadkiej, specyficznej dla neuronów ekspresji ukierunkowanej na błonę (Lyn)-mNeonGreen (Figura 1A) lub wzmocnionej LifeAct (E)GFP (Figura 1B) w celu oceny ogólnego zachowania i dynamiki aktyny odpowiednio w stożkach wzrostu. Ponadto uwzględniono mieszankę plazmidów mającą na celu znakowanie pojedynczych neuronów za pomocą turbo(t)-RFP lub zoanthus sp. (Zs) zielonego białka fluorescencyjnego (ZsGreen) (Figura 1C). Ułatwia to monitorowanie zachowania stożków wzrostu z niezależnych sąsiednich neuronów.

Sekcja mózgu z elektroporowanych embrionów jest kluczowym krokiem, który musi być starannie wykonany, aby uzyskać wysokiej jakości plastry, zachowując natywną strukturę mózgu. Narzędzia do preparacji i wibratom zostały wcześniej przygotowane i starannie wysterylizowane etanolem (Rysunek 3A,B). Następnie głowy embrionów poddanych elektroporacji zostały starannie wypreparowane i pobrano mózgi. Pokazano tu reprezentatywną sekcję mózgów z embrionów poddanych EUE w E15 (Ryc. 3C-F) i E12.5 (Ryc. 3G-J). Mózgi są natychmiast zamykane w matrycy agarozowej, krojone w plastry i umieszczane na wkładkach membrany PTFE w naczyniu z dolnej szklanki w celu inkubacji (Rysunek 3K-M).

Stan zdrowia wycinków mózgu jest istotnym punktem dla kontroli, aby zapewnić wiarygodne wyniki. Codziennie przeprowadzana była kontrola wzrokowa pod kątem wszelkich zanieczyszczeń. Dodatkowo, po sfinalizowaniu hodowli, wycinki mózgu są utrwalane i poddawane immunohistochemii. Tutaj 4′,6-diamidino-2-fenyloindol (DAPI) został użyty do kontrolowania ogólnej organizacji komórkowej i barwienia wimentyny w celu ujawnienia organizacji gleju; w szczególności rusztowanie promieniste glejowe (RG). Zazwyczaj pomyślnie wyhodowane wycinki mózgu pochodzące z IUE lub EUE wykazują normalną dystrybucję komórkową, jak ujawniono za pomocą DAPI i nieco zorganizowanej tablicy RG z wierzchołkowo zorientowanymi procesami kontaktowymi z pial17 (Rysunek 4A,B odpowiednio). Od czasu do czasu obserwuje się wyraźne zaburzenia w rusztowaniu RG w hodowanych wycinkach mózgu, zwłaszcza w tych pochodzących z elektroporacji EUE (Rysunek 4C). Wycinki mózgu ze skrajnie zdezorganizowanym rusztowaniem RG wykazują upośledzoną migrację neuronów i wadliwy wzrost aksonów (nie pokazano). W związku z tym kontrolowanie rusztowania RG jest łatwą metodą post-hodowlaną do sortowania danych uzyskanych z wiarygodnych wycinków mózgu.

Wycinki mózgu pochodzące z IUE lub EUE z mieszanką plazmidu eksprymującego Lyn-mNeonGreen powodują podobnie rzadkie znakowanie neuronów. Reprezentatywny piramidalny CPN wyrażający Lyn-mNeonGreen i dynamiczne zachowanie jego stożka wzrostu jest pokazany jako przykład (Rysunek 5A i Dodatkowe wideo 1, u góry po lewej). Ponadto neurony znakowano za pomocą plazmidu wyrażającego sondę aktynową w celu analizy dynamiki aktyny w aksonalnych stożkach wzrostu in situ (Figura 5B i dodatkowe wideo 1, na dole po lewej). Eksperymenty in situ przeprowadzono również z podwójnym projektem plazmidu Cre/Dre z ekspresją fluoroforu (Rysunek 1C i Dodatkowe wideo 1, po prawej). Fluorofory tRFP lub ZsGreen w tym plazmidzie mogą być specyficznie i indywidualnie aktywowane odpowiednio przez rekombinazy Dre lub Cre w sąsiednich neuronach (Ryc. 5C). Ten eksperymentalny zestaw pozwala na równoległą analizę stożków wzrostu z neuronów kontrolnych z sąsiednimi zmodyfikowanymi neuronami (dowolna utrata lub zysk funkcji). Pozwala to uniknąć zmienności wynikającej z używania różnych wycinków do testowania warunków kontrolnych i eksperymentalnych.

Przeanalizowano kimografy wygenerowane z nagranego filmu, z których można łatwo uzyskać dynamiczne parametry wzrostu, takie jak aktywność wystająca w czasie i długość wzrostu (Rysunek 6A). Zauważ, że prosta regulacja rozdzielczości czasowej filmu poklatkowego pozwala na pomiar prędkości wydłużania aksonów przez 2 godziny (Rysunek 6A). Co więcej, zmienność objętości stożka wzrostu w czasie - miara ogólnej dynamicznej aktywności stożka wzrostu - może być łatwo uzyskana, w tym przypadku za pomocą licencjonowanego oprogramowania (Rysunek 6B i Rysunek 6E,F). Można to wykorzystać do oceny szybkości bieżni aktynowej i równowagi filopodiów/lamellipodiów podczas eksploracji stożków wzrostu.

Rysunek 1
Rysunek 1: Schematy plazmidów używanych w protokole. (A) pCAG-lox-STOP-lox-Lyn-mNeonGreen. (B) p-Tub-alfa-1-LifeAct-GFP. (C) pCAG-lox-rox-STOP-rox-tRFP-pA-lox-ZsGreen-pA. Istotne informacje dotyczące składników plazmidu i pochodzenia fluoroforu znajdują się w pudełkach. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2
Rysunek 2: Przebieg pracy elektroporacji ex utero i in utero myszy E15.5. (A) Ustawienie stanowiska chirurgicznego do elektroporacji ex utero. (B) Ustawienie stanowiska chirurgicznego do elektroporacji in utero. (C) Rogi macicy wyciągnięte na zewnątrz jamy brzusznej znieczulonej myszy. (D) Ekstrakcja zarodka z worka macicy. (E) Ofiarowanie zarodka poprzez całkowite przecięcie rdzenia kręgowego przez nacięcie ukośne; Zauważ, że uniknięto ścięcia. (F) Umieszczenie zarodka w posiadaczu i wstrzyknięcie mieszaniny DNA/Fast Green do lewej komory bocznej. (G,H) Umieść głowę zarodka między platynowymi elektrodami pęsety z katodą (czerwona strzałka) nad korą pod kątem 60°. (I) Umieszczenie ramion zarodka (czarne strzałki) na zewnątrz posiadacza, aby zapobiec przesuwaniu się zarodka podczas zabiegu. (J) Rotacja zarodka wewnątrz worka macicy w celu odsłonięcia głowy. (K,L) Wstrzyknięcie mieszaniny DNA/Fast Green do bocznych komór zarodka przez ścianę macicy. (M) Umieść głowę zarodka między platynowymi elektrodami pęsety z katodą (czerwona strzałka) nad korą pod kątem 60°. (N) Zszyte nacięcie mięśnia za pomocą biegnącego szwu blokującego. (O) Zszyte nacięcie skóry za pomocą przerwanego szwu. (P) Zabezpieczenie rany za pomocą klipsów chirurgicznych do ran i dezynfekcja za pomocą betadyny. (Q) Umieszczenie myszy w klatce regeneracyjnej ze światłem ocieplającym dalekiej podczerwieni. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3
Rysunek 3: Ekstrakcja mózgów E15.5 i E12.5 oraz procedura hodowli plastrów organotypowych. (A) Narzędzia używane do procedury ekstrakcji mózgu. (B) Założenie stacji hodowli organotypowych. (C-F) Ekstrakcja mózgu E15.5. (G-J) Ekstrakcja E12.5 mózgu. Przerywane linie podkreślają miejsce nacięć. Czerwone strzałki wskazują kierunek ciągnięcia kleszczami. (K) Umieszczenie mózgu w 3-centymetrowym naczyniu zawierającym 3% niskotopliwej agarozy, pozostawiając 1-2 mm odstępy między agarozą pod mózgiem. (L) Pobranie wycinka mózgu o grubości 150 μm. (M) Umieszczenie wycinków mózgu na wkładkach membrany PTFE unieruchomionych w naczyniu o średnicy 35 mm za pomocą filmu parafinowego (niebieska strzałka). Oznaczenie czerwoną gwiazdką oznacza pobranie danego wycinka mózgu z wibratomu (L) i jego przeniesienie do membrany PTFE (M). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4
Rysunek 4: Zachowana radialna struktura komórek glejowych w zdrowych warstwach organotypowych. Konfokalne obrazy wycinków mózgu E17.5 ujawniające macierz RG (wimentyna; zielony) i ogólna organizacja komórek (DAPI; magenta) po IUE (A) i EUE (B, C). Zwróć uwagę na silne zakłócenia w tablicy RG, które mogą czasami wynikać z EUE (C). Powiększenia odpowiadają czerwonym kropkowanym ramkom na głównym rysunku: podziałka skali, 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5
Rysunek 5: Wizualizacja in situ dynamiki stożka wzrostu w ostrych warstwach organotypowych. Panie przewodniczący, panie i panowie! Neurony i odpowiadające im stożki wzrostu oznaczone odpowiednio Lyn-mNeonGreen i LifeAct-GFP. Czerwona gwiazda oznaczająca stożek wzrostu neuronu wyrażającego Lyn-mNeonGreen. Niebieska gwiazdka oznaczająca stożek wzrostu neuronu wyrażającego LifeAct-GFP. (C) Sąsiednie neurony znakowane podwójnym systemem plazmidowym zawierającym tRFP (magenta) i ZsGreen (zielony) oraz odpowiadające im stożki wzrostu. Stożki wzrostu sfotografowane (po prawej) znajdowały się poza uchwyconym kadrem (po lewej), uzyskane wkrótce po uzyskaniu stożka wzrostu w trybie poklatkowym; podziałka skali, 5 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 6
Rysunek 6: Analiza szybkości wzrostu aksonów i objętości stożka wzrostu. (A) Śledzenie aksonów na neuronie wyrażającym Lyn-mNeonGreen (na górze) i odpowiadającym mu kymografie (poniżej) wygenerowanym za pomocą ImageJ. (B) Rekonstrukcja filmu stożka wzrostu ze stosem z użyciem oprogramowania do analizy obrazu (u góry) i tego samego stożka wzrostu podświetlonego za pomocą narzędzia do pomiaru powierzchni (poniżej). (C) Wykresy przedstawiające zmiany prędkości wzrostu w czasie dla kilku aksonów. (D) Średnia prędkość wzrostu aksonów jest określona ilościowo w (C). (E) Wykres przedstawiający zmiany objętości stożka wzrostu w czasie. (F) Średnia objętość stożków wzrostu jest określana ilościowo w (E); Podziałka skali, 5 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7
Rysunek 7: Migracja promieniowa i polaryzacja neuronów piramidowych w korze mózgowej. Diagram ilustrujący rozwój neuronów kory piramidowej (różowy) migrujących promieniście ze strefy komory rozrodczej (VZ) w kierunku powierzchni pia. Kierując się radialnymi procesami glejowymi (szary), migrujące spolaryzowane neurony ustanawiają proces wiodący, przyszły dendryt i proces końcowy, przyszły akson, które kontynuują rozciąganie się w dół w kierunku strefy pośredniej (IZ). Przerywane czerwone pola reprezentują obszary kory mózgowej, w których zobrazowano stożki wzrostu. Szczególnie w IZ, strefie podkomorowej (SVZ) lub łączeniu wiązek aksonów (zielony). Ilustracja została stworzona za pomocą narzędzia internetowego BioRender.com. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

pkt. pkt. pkt. pkt.
Plazmid Stężenie (μg/μL) Przeznaczenie
pCAG-lox-STOP-lox-Lyn-mNeonGreen 0,25Znakowanie białka błonowego (Lyn)
+ +
p-Wanna-alfa-1-iCre 0,08
p-Tub-alfa-1-LifeAct-GFP 0,125Znakowanie aktyny nitkowatej (F-aktyny) w stożkach wzrostu
pCAG-lox-rox-STOP-rox-tRFP-lox-Lyn-ZsGreen 1 Niezależne oznaczanie dwóch populacji sąsiadujących ze sobą neuronów
+ +
p-Wanna-alfa-1-iCre 0,004
+ +
p-Wanna-alfa-1-DRE 0,2

Tabela 1: Lista plazmidów używanych w Protokole. Nazwa, stężenie i przeznaczenie każdego użytego plazmidu.

Dodatkowe wideo 1: Wizualizacja in situ dynamiki stożka wzrostu w ostrych warstwach organotypowych. Dynamika wzrostu stożków oznaczonych Lyn-mNeonGreen (u góry po lewej) i LifeAct-GFP (u dołu po lewej). Sąsiednie stożki wzrostu są różnie oznaczone podwójnym systemem plazmidowym zawierającym tRFP (magenta; u góry po prawej) i ZsGreen (zielony; u dołu po prawej). Interwał obrazowania, 2,5 s. Podziałka liniowa, 5 μm. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.

Discussion

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Disclosures

Ten protokół demonstruje prostą i solidną metodę badania dynamiki wzrostu aksonów in situ i stożka wzrostu. Opisano w nim, w jaki sposób przygotować ex vivo fizjologicznie istotne ostre wycinki mózgu i przedstawiono przyjazny dla użytkownika potok analizy.

Acknowledgements

Chcielibyśmy podziękować Marii Eugenii Bernis za sfotografowanie zabiegów. Dziękujemy również Emily Burnside, Emily Handley, Thorben Pietralla, Maxowi Schelskiemu i Sinie Stern za przeczytanie i omówienie manuskryptu. Jesteśmy wdzięczni naszym znakomitym asystentkom technicznym, Jessice Gonyer, Blanci Randel i Anh-Tuan Pham. Doceniamy cenne wsparcie ze strony zakładu mikroskopów świetlnych i zakładu dla zwierząt DZNE. Prace te były wspierane przez Deutsche Forschungsgesellschaft (DFG), Międzynarodową Fundację Badań nad Paraplegią (IRP) oraz Wings for Life (przy FB). F.B. jest członkiem klastra doskonałości ImmunoSensation2, SFB 1089 i 1158 oraz laureatem Nagrody Rogera De Spoelbercha.

Materials

17504044
Adson KleszczeFine Science Tools11006-12
Alexa Fluor 488InvitrogenA21202Goat Anti-Mouse
Alexa Fluor 647InvitrogenA21236Goat Anti-Mouse
Anti-Vimentin przeciwciałosigma-AldrichV2258-.2MLMysz monoklonalna, klon LN-6, płyn wodobrzuszny
Suplement B27ThermoFisher Scientific
BetadineB. Braun3864154
Biozym Sieve GP AgaroseBiozyme850080
Braunol, Sprü hflascheB. Braun3864073
Buprenorfina (Temgesic)GEHE Pharma345928
DAPIsigma-AldrichD9542
Ściągacz elektrod DMZZeitzNA
Elektryczna maszynka do goleniaAndesNAModel ProClip UltraEdge Super 2-Speed
Enrofloksacyna (Baytril)Bayer35432382,5% (wt/vol)
Końcówki do pipet do mikroładowarek EppendorfFischerScientific10289651
Fast Green FCFSigma-AldrichF7252-5GZawartość barwnika > 85 %
Płodowa surowica bydlęcaThermoFisher Scientific10500064
Fiji 2.1.0NIHNAhttps://imagej.net/software/fiji/downloads
Drobne nożyczkiFine Science Tools14058-09ToughCut/Straight/9cm
FluoroDish Naczynie do hodowli komórkowychWorld Precision InstrumentsFD5040-100
Fluoromount Wodne mediummontażowe sigma-AldrichF4680-25ML
GlukozaMedPex3705391Suplement 5%
GlutaMAXThermoFisher Scientific35050061
GlycineSigma-AldrichG8898
HBSSLife Technologies14025092wapń, magnez, bez czerwieni fenolowej
Surowica dla koniPan-BiotechP30-0711
Imaris 9.7.2BitplaneNAhttps://imaris.oxinst.com/products/imaris-for-neuroscientists
IsofluraneVirbacNA
Sól fizjologiczna rozwiązanieB. Braun86092610.90%
Leica VT1200 S wibratomeLeica14048142066
LSM 880 z AiryscanMyszy ZeissNA
MetacamVenusberg 88902175 mg/ml
JanvierLabsNAC57BL/6JRj
Kleszcze Micro-AdsonNarzędzia do nauki11018-12
Słoik do przechowywania mikropipetWorld Precision InstrumentsE210  16.16.27
Microsoft ExcelMicrosoftNAhttps://www.microsoft.com/en-us/microsoft-365/p/excel/cfq7ttc0k7dx?activetab=pivot:overviewtab
Millicell Cell Culture InsertEMD MilliporePICM0RG5030  mm, hydrofilowy PTFE, 0.4  &mikro; m
Łyżki perforowane MoriaFine Science Tools10370-18
Moria SpoonFine Science Tools10321-08
Neurobasal Medium, minus czerwień fenolowaThermoFisher Scientific12348017
Suplement Neuropan-2Pan-BiotechP07-11010
Normalna surowica koziaAbcamab138478
Olsen-Hegar Uchwyt na igły z nożyczkamiFine Science Tools12002-12
p-Tub-alpha-1-DreAddgene133925
p-Tub-alpha-1-iCreAddgene133924
p-Tub-alpha-1-LifeAct-GFPAddgene175437
ParafilmVWR52858-000
Paraformaldehydsigma-AldrichP6148
PBSSigma-AldrichP3813-10PAK
pCAG-lox-rox-STOP-rox-tRFP-lox-Lyn-ZsGreenAddgene175438
pCAG-lox-STOP-lox-Lyn-mNeonGreenAddgene175257
Penicylina-StreptomycynaThermoFisher Scientific15140122
Zestaw dysz PicoNozzle v2World Precision Instruments5430-ALL
Platynowa pęsetaAparat Harvard45-04871 mm / 3 mm
Zestaw QIAGEN MaxiQIAGEN12162
Odblaskowe zamykanie ran ClipWorld Precision Instruments500344-107 mm
Sekundenkleber Pattex Mini TrioLyreco4722659
System elektroporacji fali prostokątnej ECM830Harvard AparatW3 45-0052
Sterylna gazaBraun Askina9031216
Sterylna lubrykantna maść do oczuBayer VitalPZN1578675
Sterylne rękawice chirurgiczneSempermed14C0451
SacharozaRoth4621.2
Supramid 5-0 jedwabne szwy chirurgiczneB. BraunNA
Cienkościenne szklane kapilaryWorld Precision InstrumentsTW100-4
Triton X-100Sigma-AldrichX100
Nożyczki sprężynowe VannasFine Science Tools15000-03
i mikro;-Slide 8 Well Szklane dnoIbidi80827

References

  1. Schelski, M., Bradke, F. Neuronal polarization: From spatiotemporal signaling to cytoskeletal dynamics. Molecular and Cellular Neurosciences. 84, 11-28 (2017).
  2. Lowery, L. A., Van Vactor, D. The trip of the tip: understanding the growth cone machinery. Nature Reviews: Molecular Cell Biology. 10 (5), 332-343 (2009).
  3. Stoeckli, E. T. Understanding axon guidance: are we nearly there yet. Development. 145 (10), (2018).
  4. Bradke, F., Dotti, C. G. The role of local actin instability in axon formation. Science. 283 (5409), 1931-1934 (1999).
  5. Neukirchen, D., Bradke, F. Cytoplasmic linker proteins regulate neuronal polarization through microtubule and growth cone dynamics. Journal of Neuroscience. 31 (4), 1528-1538 (2011).
  6. Witte, H., Bradke, F. The role of the cytoskeleton during neuronal polarization. Current Opinion in Neurobiology. 18 (5), 479-487 (2008).
  7. Witte, H., Neukirchen, D., Bradke, F. Microtubule stabilization specifies initial neuronal polarization. Journal of Cell Biology. 180 (3), 619-632 (2008).
  8. Nichol, R. H., Catlett, T. S., Onesto, M. M., Hollender, D., Gomez, T. M. Environmental elasticity regulates cell-type specific RHOA signaling and neuritogenesis of human neurons. Stem Cell Reports. 13 (6), 1006-1021 (2019).
  9. Santos, T. E., et al. Axon growth of CNS neurons in three dimensions is amoeboid and independent of adhesions. Cell Reports. 32 (3), 107907 (2020).
  10. Mitchison, T., Kirschner, M. Cytoskeletal dynamics and nerve growth. Neuron. 1 (9), 761-772 (1988).
  11. Lin, C. H., Thompson, C. A., Forscher, P. Cytoskeletal reorganization underlying growth cone motility. Current Opinion in Neurobiology. 4 (5), 640-647 (1994).
  12. Myers, J. P., Gomez, T. M. Focal adhesion kinase promotes integrin adhesion dynamics necessary for chemotropic turning of nerve growth cones. Journal of Neuroscience. 31 (38), 13585-13595 (2011).
  13. Turney, S. G., et al. Nerve growth factor stimulates axon outgrowth through negative regulation of growth cone actomyosin restraint of microtubule advance. Molecular Biology of the Cell. 27 (3), 500-517 (2016).
  14. Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nature Methods. 9 (7), 676-682 (2012).
  15. Noctor, S. C., Flint, A. C., Weissman, T. A., Dammerman, R. S., Kriegstein, A. R. Neurons derived from radial glial cells establish radial units in neocortex. Nature. 409 (6821), 714-720 (2001).
  16. Noctor, S. C., Martinez-Cerdeno, V., Ivic, L., Kriegstein, A. R. Cortical neurons arise in symmetric and asymmetric division zones and migrate through specific phases. Nature Neuroscience. 7 (2), 136-144 (2004).
  17. Ferent, J., Zaidi, D., Francis, F. Extracellular control of radial glia proliferation and scaffolding during cortical development and pathology. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 8, 578341 (2020).
  18. Dent, E. W., Gupton, S. L., Gertler, F. B. The growth cone cytoskeleton in axon outgrowth and guidance. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 3 (3), (2011).
  19. Dupraz, S., et al. RhoA controls axon extension independent of specification in the developing brain. Current Biology. 29 (22), 3874-3886 (2019).
  20. Azzarelli, R., Oleari, R., Lettieri, A., Andre, V., Cariboni, A. In vitro, ex vivo and in vivo techniques to study neuronal migration in the developing cerebral cortex. Brain Sciences. 7 (5), (2017).
  21. Humpel, C. Organotypic brain slice cultures: A review. Neuroscience. 305, 86-98 (2015).
  22. Namba, T., et al. Pioneering axons regulate neuronal polarization in the developing cerebral cortex. Neuron. 81 (4), 814-829 (2014).
  23. Shah, B., et al. Rap1 GTPases are master regulators of neural cell polarity in the developing neocortex. Cerebral Cortex. 27 (2), 1253-1269 (2017).
  24. Wiegreffe, C., Feldmann, S., Gaessler, S., Britsch, S. Time-lapse confocal imaging of migrating neurons in organotypic slice culture of embryonic mouse brain using in utero electroporation. Journal of Visualized Experiments: JoVE. (125), (2017).
  25. de Anda, F. C., Meletis, K., Ge, X., Rei, D., Tsai, L. H. Centrosome motility is essential for initial axon formation in the neocortex. Journal of Neuroscience. 30 (31), 10391-10406 (2010).
  26. Sakakibara, A., et al. Dynamics of centrosome translocation and microtubule organization in neocortical neurons during distinct modes of polarization. Cerebral Cortex. 24 (5), 1301-1310 (2014).
  27. Schatzle, P., Kapitein, L. C., Hoogenraad, C. C. Live imaging of microtubule dynamics in organotypic hippocampal slice cultures. Methods in Cell Biology. 131, 107-126 (2016).
  28. Qu, X., Kumar, A., Bartolini, F. Live imaging of microtubule dynamics at excitatory presynaptic boutons in primary hippocampal neurons and acute hippocampal slices. STAR Protocols. 2 (1), 100342 (2021).
  29. Tonnesen, J., Katona, G., Rozsa, B., Nagerl, U. V. Spine neck plasticity regulates compartmentalization of synapses. Nature Neuroscience. 17 (5), 678-685 (2014).
  30. Buchsbaum, I. Y., Cappello, S. Neuronal migration in the CNS during development and disease: insights from in vivo and in vitro models. Development. 146 (1), (2019).
  31. Rigby, M. J., Gomez, T. M., Puglielli, L. Glial cell-axonal growth cone interactions in neurodevelopment and regeneration. Frontiers in Neuroscience. 14, 203 (2020).
  32. Barnes, A. P., Polleux, F. Establishment of axon-dendrite polarity in developing neurons. Annual Review of Neuroscience. 32, 347-381 (2009).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission

Play Video

<em>In Situ</em> Wizualizacja wzrostu aksonów i dynamiki stożków wzrostu w ostrych kulturach embrionalnych <em>wycinków mózgu ex vivo</em>
JoVE logo
Contact Us Recommend to Library
Research
  • JoVE Journal
  • JoVE Encyclopedia of Experiments
  • JoVE Visualize
Business
  • JoVE Business
Education
  • JoVE Core
  • JoVE Science Education
  • JoVE Lab Manual
  • JoVE Quizzes
Solutions
  • Authors
  • Teaching Faculty
  • Librarians
  • K12 Schools
  • Biopharma
About JoVE
  • Overview
  • Leadership
Others
  • JoVE Newsletters
  • JoVE Help Center
  • Blogs
  • Site Maps
Contact Us Recommend to Library
JoVE logo

Copyright © 2026 MyJoVE Corporation. All rights reserved

Privacy Terms of Use Policies
WeChat QR code