Przecięcie rdzenia kręgowego kijanki Xenopus laevis jest odpowiednią metodą do badania uszkodzenia rdzenia kręgowego i regeneracji poprzez wykonanie poprzecznego cięcia, które całkowicie przecina rdzeń kręgowy na poziomie klatki piersiowej.
Artykuł metodologiczny
Przecięcie rdzenia kręgowego kijanki Xenopus laevis jest odpowiednią metodą do badania uszkodzenia rdzenia kręgowego i regeneracji poprzez wykonanie poprzecznego cięcia, które całkowicie przecina rdzeń kręgowy na poziomie klatki piersiowej.
Uraz rdzenia kręgowego (SCI) to trwała przypadłość, która wpływa na nerwy ruchowe i czuciowe ośrodkowego układu nerwowego (OUN), powodując paraliż poniżej miejsca urazu. Do tej pory nie ma funkcjonalnej terapii regeneracyjnej dla SCI i brakuje jasności co do wielu kompleksów i dynamicznych zdarzeń występujących po SCI. Wiele organizmów innych niż ssaki może się zregenerować po ciężkim SCI, takich jak ryby teleostowe, urodele i stadia larwalne bezogonowych, w tym kijanek Xenopus laevis. Są to prawdziwe organizmy modelowe do badania i zrozumienia reakcji na SCI oraz mechanizmów leżących u podstaw udanych procesów regeneracyjnych. Tego typu badania mogą prowadzić do identyfikacji potencjalnych celów interwencji terapeutycznej w przypadku SCI. W tym artykule opisano, jak wykonać przekrój kijanki kręgowej Xenopus laevis, w tym hodowlę, operację, opiekę pooperacyjną i ocenę testów funkcjonalnych. Ta metoda uszkodzenia może być zastosowana do wyjaśnienia różnych etapów regeneracji rdzenia kręgowego poprzez badanie mechanizmów komórkowych, molekularnych i genetycznych, a także ewolucji histologicznej i funkcjonalnej po SCI i podczas regeneracji rdzenia kręgowego.
Uraz rdzenia kręgowego (SCI) to przypadłość, która dotyka około 250 000-500 000 osób na całym świecie każdego roku1. Oprócz tej wysokiej częstości występowania, SCI wpływa na nerwy czuciowe i ruchowe, powodując paraliż poniżej miejsca urazu i odłączenie niektórych narządów wewnętrznych od kontroli OUN. Rdzeń kręgowy, będący częścią OUN, nie może się zregenerować, a ze względu na złożoność dolegliwości i brak pełnego zrozumienia wszystkich zaangażowanych procesów, nadal nie ma skutecznych terapii pozwalających na powrót do sprawności.
Organizmy niessaków, takie jak ryby teleoste, urodele i stadia larwalne bezogonowych, które mogą zregenerować rdzeń kręgowy po ciężkim SCI2,3,4, są doskonałymi organizmami modelowymi do badania procesów rządzących udanym zdarzeniem regeneracyjnym i zrozumienia niepowodzenia regeneracji ssaków. Wiedza ta jest bardzo interesująca, ponieważ może dostarczyć oryginalnych spostrzeżeń w celu opracowania nowych celów terapeutycznych i możliwych terapii SCI.
Żaba anurowa, Xenopus laevis, jest doskonałym organizmem modelowym do badania SCI. Ma doskonałe zdolności regeneracyjne w stadiach kijanki, które są stopniowo tracone podczas metamorfozy, co pozwala na eksperymentowanie w fazach regeneracyjnych i nieregeneracyjnych3,5. Ustaloną metodą badania SCI u kijanek Xenopus laevis jest amputacja ogona, w której usuwa się cały ogon, w tym tkanki takie jak mięśnie, struna grzbietowa i rdzeń kręgowy6. Podejście to odegrało zasadniczą rolę w zrozumieniu ogólnych mechanizmów procesów regeneracyjnych4,7,8,9,10.
Ponieważ amputacja ogona obejmuje wiele tkanek oprócz rdzenia kręgowego, co różni się od tego, co dzieje się po ludzkim SCI, potrzebny jest bardziej odpowiedni paradygmat urazów do badania SCI. Opieraliśmy się na badaniach używanych w przeszłości11 do generowania wyczerpujących opisów paradygmatów urazów5,12,13,14 oraz różnych metod badania SCI12,13,14,15,16,17,18. Po przecięciu rdzenia kręgowego część ogonową rdzenia kręgowego można wyizolować w celu ekspresji RNA i białka oraz analiz wysokoprzepustowych14,19,20,21. Dodatkowo, docelomiczne iniekcje leków i małych cząsteczek, a także elektroporacja cDNA, RNA lub morpholinos, przed lub po przecięciu rdzenia kręgowego, pozwalają na badanie wpływu tych cząsteczek na zapobieganie lub leczenie SCI lub określonych zdarzeń występujących po SCI i regeneracji rdzenia kręgowego13,14. Co więcej, ewolucję urazu i procesy regeneracyjne można badać w różnym czasie po urazie przy użyciu podejść biochemicznych, molekularnych, histologicznych i funkcjonalnych12,13,14,17,19,20,21,22,23.
Wreszcie, wszystkie wyżej wymienione techniki mogą być używane w etapach nieregeneracyjnych, podkreślając jedną z najważniejszych zalet wykorzystania Xenopus laevis jako organizmu modelowego do badania SCI, badań porównawczych mechanizmów regeneracyjnych i nieregeneracyjnych u tego samego gatunku13,19,20,21,22. W pracy przedstawiono protokół przecięcia kijanki kręgowej Xenopus laevis, rozpoczynając od oceny stopnia zaawansowania i selekcji regeneracyjnych kijanek Nieuwkoopa i Fabera (NF) w stadium 50. Po tym następuje opis procedur chirurgii rdzenia kręgowego w celu wytworzenia zwierząt pozorowanych i transektowanych, opieka pooperacyjna, a na końcu analiza powrotu do zdrowia funkcjonalnego poprzez pomiar wolnej odległości pływania kijanki.
Ten protokół dostarcza wystarczająco dużo informacji, aby pomyślnie przeprowadzić przecięcie rdzenia kręgowego. Warto zauważyć, że istnieją doskonałe szczegółowe protokoły tych technik opublikowane gdzie indziej14, które mogą uzupełniać ten przedstawiony tutaj. Wszystkie procedury na zwierzętach zostały zatwierdzone przez Komisję Bioetyki i Bezpieczeństwa Biologicznego z Wydziału Nauk Biologicznych Pontificia Universidad Católica de Chile.
1. Naturalne krycie żab
2. Hodowla
3. Inscenizacja
4. Chirurgia: przecięcie rdzenia kręgowego i pozorowane operowanie zwierząt
5. Opieka pooperacyjna
6. Test pływacki
7. Rozważania bioetyczne
UWAGA: Śmiertelność zwierząt po pozorowanej operacji i przecięciu wynosi odpowiednio 13% i 30%. Dodatkowo do analizy statystycznej niezbędne jest minimum 15-20 zwierząt w grupie. Dlatego zacznij od 23 zwierząt pozorowanych i 26 zwierząt transektowanych.
Opisany w niniejszym dokumencie protokół umożliwia badanie regeneracji rdzenia kręgowego u Xenopus laevis. Wpływ specyficznych zabiegów farmakologicznych oraz udział konkretnej ekspresji genów w regeneracji rdzenia kręgowego można ocenić, mierząc ich oddziaływanie na powrót zdolności do pływania. Całkowity dystans pływania jest zestawiony w stosunku do liczby dni po urazie, aby porównać zwierzęta kontrolne i leczone w określonym punkcie czasowym lub w wyznaczonym okresie. Przykład regeneracji funkcji motorycznych w czasie przedstawiono na Rysunku 3, który ukazuje dystans pływania w 5, 10, 15 i 20 dniach po przecięciu rdzenia. W 5. dniu po przecięciu zwierzęta przepłynęły średnio 0,7 m w 5 min, co wskazuje na obniżoną zdolność pływania. Zdolność ta wzrastała wraz z upływem dni – średnio 2,1 i 3,1 m/5 min zaobserwowano odpowiednio po 10 i 15 dniach od przecięcia – a całkowity powrót zdolności pływania odnotowano w 20. dniu po przecięciu, przy średnim wyniku 5,7 m/5 min.

Rysunek 1: Okresy rozwojowe kijanki Xenopus. Reprezentatywne obrazy etapów 49-51, przedstawiające kończyny przednie i tylne jako punkt odniesienia do określania stadium rozwoju zwierzęcia. Paski skali = 2 mm. Powiększenia obszarów zaznaczonych ramkami znajdują się w prawym dolnym rogu każdego obrazu. Paski skali = 1 mm. W etapie 49 kończyn przednich nie obserwuje się, natomiast kończyny tylne dopiero się pojawiają, wykazując kształt sferyczny. Etap 50 przedstawia pojawiające się kończyny przednie o kształcie sferycznym oraz wysuwające się kończyny tylne o kształcie sferycznym. W etapie 51 kończyny przednie mają wysuwający się kształt sferyczny, a kończyny tylne wysuwający się kształt wydłużony. Przerywane linie obrysowują kończyny przednie i tylne. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Przecięcie rdzenia kręgowego. (A) Reprezentatywny obraz pokazujący prawidłowe ułożenie zwierzęcia, stroną grzbietową do góry, do przeprowadzenia operacji. Pasek skali = 2 mm. (B) Powiększenie obrazu A pokazuje lokalizację i zakres urazu. Czerwony krzyżyk wskazuje dokładne miejsce urazu na poziomie piersiowym rdzenia kręgowego, a przerywana linia pokazuje zakres urazu. Pasek skali = 1 mm. (C) Reprezentatywny obraz pokazujący widok boczny poziomu piersiowego rdzenia kręgowego. Przedstawiono zasięg nacięcia pozorowanego oraz przecięcia. Linie przerywane wyznaczają granice rdzenia kręgowego. Pasek skali = 1 mm. (D) Reprezentatywny obraz pokazujący zwierzę w grupie pozorowanej z nienaruszonym rdzeniem kręgowym. Paski skali = 1 mm. (E) Reprezentatywny obraz pokazujący zwierzę po przecięciu z przerwanym rdzeniem kręgowym. Paski skali = 1 mm. Powiększenia obszaru w ramce znajdują się w prawym dolnym rogu każdego obrazu (D´ i E´). Paski skali = 1 mm. Skróty: S = nacięcie pozorowane; T = przecięcie. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 3: Powrót funkcji pływania w czasie. Reprezentatywny wykres punktowy odległości przepłyniętej przez zwierzęta po przekroju w ciągu 5 min w 5, 10, 15 i 20 dni po przekroju. Przykładowe trajektorie pływania przedstawiono u góry. Dane przedstawiono jako średnia ± SEM dla 10 kijanków. Skróty: dpT = dni po przekroju; SEM = standardowy błąd średniej. Prosimy kliknąć tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.
Opisany w niniejszym dokumencie protokół jest doskonałą metodą przeprowadzania SCI i oceny funkcjonalnego powrotu do zdrowia. Aby zapewnić powtarzalność, ważne jest, aby hodować zdrowe kijanki i wybierać zwierzęta o podobnej wielkości. Brak odpowiedniego żywienia generuje stres związany ze składnikami odżywczymi, co skutkuje słabymi zdolnościami regeneracyjnymi26; Dlatego należy zwrócić szczególną uwagę na karmienie kijanek. Ponieważ kijanki osiągają stadium 50 po 3-4 tygodniach, można je hodować w wyższych temperaturach, aby przyspieszyć proces wzrostu, przy czym optymalna jest 18-25 °C27. Jakość wody jest ważna, ponieważ zwierzęta są wrażliwe na warunki wodne i produkty chemiczne. Optymalne warunki wodne obejmują stosowanie wody filtrowanej węglem, bezchlorowej o następujących parametrach: pH (6,5-7,5), chlorek (<0,02 mg/L), przewodność wody (1,0 mS/cm ± 0,1 jednostki), miedź (<0,3 mg/L); twardość węglanowa (KH: 5-10 dKH); twardość ogólna (GH: 6-16 dGH); azotan (NR3: <20 mg/L); i azotyny (NO2: <0,1 mg/L)14,27,28. Dodatkowo, aby uniknąć zanieczyszczenia, plastikowe zbiorniki powinny być czyszczone raz w tygodniu w przypadku hodowli zwierząt lub co drugi dzień po operacji, dokładnie myjąc je wodą bez chlorków i gąbką; Należy unikać detergentów.
Aby uzyskać lepszą przeżywalność po operacji, kijanki nie mogą być poddawane znieczuleniu przez długi czas (nie dłużej niż 2 minuty). Ponadto zaleca się znieczulanie jednej kijanki na raz. Ponieważ zwierzęta muszą być nawodnione, utrzymuj je zanurzone w roztworze przez cały czas przed i po operacji, a przed rozpoczęciem operacji wylej roztwór łyżką na kijankę. Upewnij się, że uszkodzenie jest wystarczająco rozległe, aby objąć cały rdzeń kręgowy, ale nie za rozległe, ponieważ może to spowodować słabą regenerację funkcjonalną lub śmierć. Jeśli struna grzbietowa zostanie uszkodzona, zwierzę zostanie zgięte, co wpłynie na powrót do sprawności. Jeśli uszkodzenie wykracza poza strunę grzbietową, prawdopodobieństwo śmierci wzrasta14. Podczas testu pływania zapis uważa się za prawidłowy, jeśli oprogramowanie identyfikuje każde zwierzę za pomocą niebieskiego cienia; W przeciwnym razie nagranie należy powtórzyć. Ważne jest, aby unikać ruchu i zmian powietrza lub światła podczas procesu nagrywania, aby zapobiec błędom podczas nagrywania.
Wciąż istnieje wiele otwartych pytań dotyczących komórkowych i molekularnych mechanizmów leżących u podstaw uszkodzenia i regeneracji rdzenia kręgowego. Protokół opisany w tej pracy może być wykorzystany do badania wpływu różnych zdarzeń komórkowych, ekspresji genów i leczenia na regenerację funkcjonalną, określoną przez pomiar zdolności pływackich. Dodatkowo w przypadku operowanych zwierząt można zastosować wiele innych technik. Rdzeń kręgowy można wyizolować w celu przeprowadzenia ekstrakcji białka i/lub mRNA14 w celu zbadania profili ekspresji białek i genów po uszkodzeniu i leczeniu19,20. Operacja ta była również podstawą do zbadania odpowiedzi komórkowej rdzenia kręgowego22 i zachowania nerwowych komórek progenitorowych 12,13,22 po urazie rdzenia kręgowego. Kaskady sygnalizacyjne zaangażowane w regenerację rdzenia kręgowego były również badane przy użyciu paradygmatu uszkodzenia rdzenia kręgowego opisanego w niniejszymdokumencie 23. Podsumowując, opisany tutaj protokół jest doskonałym modelem do badania urazów i regeneracji rdzenia kręgowego i został wykorzystany w wielu badaniach, które przyczyniły się do istniejącej wiedzy na ten temat.
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
Ta praca została sfinansowana z grantów badawczych od: PG Slater: FONDECYT N° 3190820; J. Larraín: FONDECYT N° 1180429, CARE Chile UC-Centro de Envejecimiento y Regeneración (PFB 12/2007).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Pompa powietrza | Regent CALM | RC-006 | Do funkcji kamieni dyfuzora tlenu |
| Oprogramowanie ANY-labirynt | Stoelting | Test zachowania podczas pływania | |
| Ca(NO3)2· 4H2O | Sigma-Aldrich | 237124 | |
| CaCl2· 2H2O | Sigma-Aldrich | 223506 | |
| Camera | Stoelting | 60528 | Test zachowania podczas pływania |
| Komputerowy | test zachowania podczas pływania (minimalne zalecane specyfikacje: PC, Windows 7, Intel Core i3, 2 GB RAM, dysk 10 GB, 1 dostępny port USB, monitor 1,366 i 768) | ||
| Cysteina | Sigma-Aldrich | C7352 | |
| Preparacyjny mikroskop stereoskopowy | Nikon | SMZ745T | Chirurgia / inscenizacja |
| Szklane szalki | 100 x 20 mm | ||
| HEPES | Gibco | 11344-041 | |
| Ludzka gonadotropina | Można go znaleźć w różnych formatach w aptece | ||
| KCl | Merck Millipore | 104936 | |
| Light Box | na zamówienie wykonana | drewniana skrzynka: długość 55 cm, szerokość 34 cm, wysokość 9 cm, oświetlenie LED, przezroczysta płyta polistyrenu) | |
| MgSO4· 7H2O | Merck Millipore | 105886 | |
| do cięcia | Fine Science Tools | 15003-08 | Nożyczki sprężynowe do chirurgii |
| MS-222 | Sigma-Aldrich | E10521 | Znieczulenie; mezylan trikainy |
| NaCl | Merck Millipore | 106404 | |
| NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6014 | |
| Nasco Frog Brittle dla kijanki Xenopus | Nasco | SB09480(LM)MX | Pokarm dla kijanek Xenopus etap 44 do 60 |
| Kamienie dyfuzora tlenu | Pentair | AA1 | Hodowla zwierząt |
| Para kleszczy | Fine Science Tools | Dumont n° 5 kleszczy SF | do operacji |
| Penicylina | Sigma-Aldrich | P7794 | |
| pH-metr | |||
| Plastikowa pipeta Pasteura | Sigma-Aldrich | Z331740 | Do pobierania zarodków po kryciu |
| Plastikowe szalki Petriego | Sigma-Aldrich | P5981 | 150 x 15 mm |
| Plastikowy zbiornik/pudełko z pokrywką | o pojemności 4,5 litra; 20 cm i razy; 17 cm i razy; 15 cm lub podobne | ||
| Gaza | |||
| sterylizowanaStreptomycin | Sigma-Aldrich | S1277 | |
| Łyżka | |||
| Xenopus laevis wyspecjalizowane szczepy i linie | Krajowy zasób Xenopus Europejskie Centrum Zasobów Xenopus Centrum | Zasobów Badawczych Xenopus laevishttp://www.mbl.edu/xenopus https://xenopusresource.org/ | |
| https://www.urmc.rochester.edu/microbiology-immunology/xenopus-laevis.aspxXenopus laevis dziki typ | Xenopus 1 Xenopus Express | https://xenopus1.com http://www.xenopus.com |