Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Оценка микроглиального фагоцитоза миелиновых остатков in vitro при повторной магнитной стимуляции

1.6K просмотров

DOI:

10.3791/67642

17 июня 2025 г.

В этой статье

Краткое содержание

Настоящий протокол был разработан для оценки влияния повторяющейся магнитной стимуляции на способность микроглии фагоцитозировать миелиновый мусор. Для этого была создана система совместного культивирования микроглии и миелинового мусора in vitro .

Аннотация

Микроглия, резидентные фагоциты центральной нервной системы (ЦНС), играют ключевую роль в поддержании целостности и гомеостаза ЦНС, удаляя поврежденные клетки, клеточный мусор и остатки миелина. Накопление миелинового мусора связано с целым рядом заболеваний ЦНС, включая рассеянный склероз, болезнь Альцгеймера, черепно-мозговую травму и травму спинного мозга. Присутствие миелиновых остатков не только усугубляет нейровоспаление, но и препятствует регенеративному потенциалу миелина. Таким образом, повышение способности микроглии очищать миелиновый мусор посредством фагоцитоза представляет собой многообещающую терапевтическую стратегию. Магнитная стимуляция стала инновационным методом лечения заболеваний ЦНС, и все больше данных свидетельствуют о ее способности способствовать микроглиальному фагоцитозу и способствовать восстановлению ЦНС. Для дальнейшего выяснения влияния магнитной стимуляции на микроглиальный клиренс миелинового мусора мы разработали эксперимент in vitro , включающий совместное культивирование микроглии и миелинового мусора. Ко-культуре подвергали повторяющейся магнитной стимуляции для оценки ее влияния на микроглиальную фагоцитарную активность в контексте патологии ЦНС.

Введение

Миелин представляет собой стабильную трубчатую мембранную структуру, окружающую аксоны, вырабатываемые олигодендроцитами в центральной нервной системе (ЦНС). Эта миелиновая оболочка играет решающую роль в содействии быстрому и эффективному распространению потенциалов действия1. Тем не менее, различные неврологические расстройства, такие как рассеянный склероз (РС), инсульт и травматические повреждения, включая повреждение спинного мозга (ТСМ) и черепно-мозговую травму (ЧМТ), могут привести к потере целостности миелина. Это приводит к образованию миелиновых остатков из-за разрушения миелиновой оболочки и прямого повреждения миелиновых структур 2,3,4. Накопление остатков миелина не только препятствует ремиелинизации и функциональному восстановлению, но и усугубляет нейровоспаление 5,6. Таким образом, эффективное выведение миелинового мусора имеет важное значение для разрешения нейровоспаления, содействия регенерации аксонов и восстановления гомеостаза в нервной системе после неврологических заболеваний.

Миелиновый мусор в первую очередь выводится фагоцитами, такими как макрофаги и микроглия в центральной нервной системе (ЦНС). Микроглии, резидентные иммунные клетки ЦНС, постоянно исследуют окружающую среду на предмет потенциальных угроз и защищают ЦНС, удаляя поврежденный миелин и миелиновый мусор. Кроме того, микроглиальный фагоцитоз играет решающую роль в содействии нейрогенезу за счет выведения мусора 7,8. Все больше данных свидетельствуют о том, что усиление микроглиального фагоцитоза миелиновых остатков может смягчить вредные последствия воспаления, уменьшить повреждение ЦНС и способствовать регенерации аксонов после повреждения нерва. 4,9,10.

Магнитостимуляция, неинвазивный метод нейромодуляции, получил широкое применение в лечении различных неврологических расстройств11. Примечательно, что повторная транскраниальная магнитная стимуляция (рТМС) показала себя многообещающим в качестве терапевтического подхода при болезни Альцгеймера (БА), черепно-мозговой травме и инсульте 12,13,14. Недавнее исследование показало, что рТМС может усиливать микроглиальный фагоцитоз бета-амилоида (Aβ) и аполипопротеина Е (ApoE), тем самым ингибируя патологическое прогрессирование болезни Альцгеймера в животных моделях15. Аналогичным образом, наша недавняя работа показала, что повторная трансспинальная магнитная стимуляция (рТСМС) способствует микроглиальному фагоцитозу миелиновых остатков после повреждения спинного мозга у крыс16.

Тем не менее, влияние повторяющейся магнитной стимуляции на микроглию было преимущественно обосновано с помощью экспериментальных моделей на животных 17,18,19. Действительно, было продемонстрировано, что магнитная стимуляция модулирует возбудимость нейронов посредством индукции токов20. Следовательно, нельзя сбрасывать со счетов тот факт, что взаимодействие между нейронами и микроглией может влиять на функцию микроглии. Следовательно, эксперименты in vitro необходимы, чтобы установить, является ли воздействие магнитной стимуляции на микроглию независимым от изменения возбудимости нейронов. Недавние исследования выявили модулирующий эффект повторяющейся магнитной стимуляции на микроглию в экспериментальных моделях. Некоторые исследования показали, что повторяющаяся магнитная стимуляция может способствовать поляризации микроглии в сторону M2 19,21. Тем не менее, дальнейшее изучение функции микроглии еще предстоит выяснить. Примечательно, что Амели Эйхлер и др. вмешались в срезы тканей мозга in vitro с использованием магнитной стимуляции с частотой 10 Гц и обнаружили, что магнитная стимуляция с частотой 10 Гц способна способствовать высвобождению цитокинов из микроглии, что влияет на возбудимость ипластичность нервной системы. В то время как это исследование расширило понимание влияния магнитной стимуляции на микроглию, необходимы дальнейшие исследования на клеточном уровне, чтобы полностью выяснить ее механизмы.

Таким образом, мы разработали протокол для проверки того, может ли магнитная стимуляция способствовать фагоцитозу миелиновых остатков in vitro. В отличие от миелиновых обломков после болезни или повреждения тканей, которые являются продуктом травмы, миелиновый мусор, используемый в этом эксперименте, имеет форму миелиновой оболочки после ее разрушения. Кроме того, понятие миелинового мусора является продуктом распада миелина. Являясь основными фагоцитарными клетками головного мозга, микроглия играет ключевую роль в очищении поврежденных клеток и миелинового мусора23, что связано с такими заболеваниями, как рассеянный склероз и болезнь Альцгеймера. Было продемонстрировано, что накопление остатков миелина усугубляет нейровоспаление и препятствует регенерации26. Целью исследования является изучение потенциала магнитной стимуляции для усиления микроглиального фагоцитоза миелинового мусора, тем самым уменьшая нейровоспаление и способствуя восстановлению ЦНС при нейродегенеративных и травматических состояниях. Таким образом, в исследовании используется подход совместного культивирования, при котором микроглии культивируются совместно с миелиновыми остатками и выполняется повторная магнитная стимуляция с целью проверки влияния повторяющейся магнитной стимуляции на фагоцитарную способность микроглии.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Здесь три самки крыс SD (в возрасте 2-3 недель) были использованы для извлечения миелиновых остатков методом центрифугирования с сахарозным градиентом. Все крысы были приобретены в Animal Core Facility Nanjing Medical University, Нанкин, Китай (лицензия на животных: SYXK (Su) 2021-0023). Все крысы выращивались в контрольных условиях (температура 22 ± 2 °C, период света/темноты 12 ч/12 ч, относительная влажность 55% ± 5%). Все эксперименты на животных были одобрены Комитетом по уходу за животными и их использованию Нанкинским медицинским университетом (No. IACUC-1903031 и No. IACUC-2005001) и были направлены на минимизацию страданий и количества используемых животных.

1. Выделение миелина

ПРИМЕЧАНИЕ: Фрагменты миелина были извлечены, как описано ранее, и были сделаны некоторые модификации27. Убедитесь, что все шаги выполнялись при температуре 4 °C и в стерильных условиях.

  1. Выделение сырого миелина
    1. Экстракция тканей головного мозга
      1. После анестезии пентобарбиталом (50 мг/кг, внутрибрюшинное введение) оценивают глубину анестезии по реакции на защемление пальца ноги. Обезглавьте самок крыс. Рассеките всю голову на льду и рассеките череп пополам ножницами, чтобы полностью обнажить мозг и облегчить удаление всего мозга.
      2. Иссекайте мембраны, мозжечок и гиппокамп ножницами и щипцами скрупулезно и асептично, чтобы предотвратить загрязнение сахарозной смеси тканей мозга. Очистите мозг 3 раза с помощью PBS, чтобы удалить остатки крови или тканей.
      3. Перенесите очищенные мозги в 10 мл 0,32 М стерильного раствора сахарозы и разрежьте мозговую ткань микрохирургическими ножницами на5 мм по 3 штуки, чтобы получить смесь сахарозы мозговой ткани.
    2. Гомогенизация тканей головного мозга
      1. Перенесите смесь сахарозы из ткани мозга в стерильный гомогенизатор массой 50 мл и добавьте 30 мл 0,32 М стерильного раствора сахарозы. Используйте гомогенизатор из стекла объемом 50 мл для гомогенизации в течение 2 минут, чтобы получить гомогенат гладкой мозговой ткани.
      2. Гомогенат ткани мозга разбавить до 90 мл 0,32 М стерильным раствором сахарозы, перемешать и медленно дозировать в верхнюю часть шести 38,5 мл стерильных тонкостенных полипропиленовых ультрацентрифуговых пробирок, содержащих 20 мл 0,83 М стерильного раствора сахарозы. Добавьте 15 мл гомогената в каждую центрифужную пробирку, а затем разровняйте 0,32 М стерильным раствором сахарозы.
    3. Сбор остатков сырого миелина
      1. Предварительно охладите ротор ультрацентрифуги при 4 °C и центрифугируйте образец при 75 000 x g в течение 45 минут. После процесса центрифугирования соберите остатки миелина на границе раздела между двумя плотностями сахарозы с помощью стерильной пробирки Пастера.
        ПРИМЕЧАНИЕ: В процессе сбора крайне важно проявлять осторожность и избегать случайного сбора других компонентов загрязненного образца.
  2. Первая изотоническая сепарация и очистка
    1. Перелейте собранный раствор миелиновых остатков в центрифужную пробирку объемом 50 мл и отрегулируйте объем до 35 мл с помощью предварительно охлажденного стерильного буфера с фосфатно-солевым буфером (PBS). Перелейте раствор в новый стерильный гомогенизатор объемом 50 мл и гомогенизируйте в течение 2 мин до получения гомогената.
    2. Равномерно распределите гомогенат миелиновых остатков в шести стерильных тонкостенных полипропиленовых ультрацентрифужных пробирках объемом 38,5 мл, добавив стерильный буфер PBS. Подвергнуть пробирки центрифугированию при давлении 75 000 x g в течение 45 мин при 4 °C.
  3. Вторая изотоническая сепарация и очистка
    1. После центрифугирования отбраковать надосадочную жидкость и ресуспендировать твердую белую гранулу в 10 мл предварительно охлажденного стерильного буфера PBS с целью получения суспензии миелинового мусора. Равномерно распределите суспензию в двух стерильных тонкостенных полипропиленовых ультрацентрифужных пробирках объемом 38,5 мл, при этом объем сбалансирован добавлением стерильного буфера PBS.
    2. Центрифугируйте образцы при температуре 4 °C при 75 000 x g в течение 45 минут.
  4. Коллекция очищенного миелина
    1. После центрифугирования выбросьте надосадочную жидкость и повторно суспендируйте твердую белую гранулу в 6 мл стерильного буфера PBS. Разделите суспензию миелинового мусора на шесть центрифужных пробирок объемом 1,5 мл, а затем подвергнуть центрифугированию при 4 °C и 12 000 x g в течение 10 минут.
    2. После центрифугирования выбросьте надосадочную жидкость и ресуспендируйте твердую белую гранулу в 100 мкл предварительно охлажденного стерильного фосфатно-солевого буфера (PBS).
  5. Количественное определение миелинового мусора
    1. Возьмите 3 мкл суспензии миелиновых остатков для количественного определения содержания белка с помощью набора для количественного определения белка BCA. Храните оставшуюся суспензию миелинового мусора при температуре -80 °C.

2. Флуоресцентное мечение миелиновых остатков

  1. Инкубация N-сукцинимидилового эфира диацетата карбоксифлуоресцеина
    1. Разморозьте необходимые остатки миелина при 4 °C или ледяной воде и центрифугируйте при 12 000 x g в течение 10 минут при 4 °C. Удалите надосадочную жидкость и ресуспендируйте миелиновый мусор в 200 мкл раствора N-сукцинимидилэфира карбоксифлуоресцеина диацетата (CFSE; 50 мкМ).
    2. Выдерживать при комнатной температуре в темноте в течение 30 минут. После инкубационного периода центрифугировать при 12 000 x g в течение 10 минут при 4 °C.
    3. Выбросьте надосадочную жидкость и промойте образцы 3 раза 500 мкл стерильного буфера PBS. После процесса промывки ресуспендировать миелиновые остатки в 100 мкл предварительно охлажденного стерильного буфера PBS с целью получения суспензии флуоресцентно меченых миелиновых остатков, которые можно хранить при -80 °C.

3. Культура микроглии

  1. Культивировали клетки BV-2 в увлажненном 5%CO2 при 37 °C в модифицированной среде Eagle's Medium (DMEM) Dulbecco с добавлением 10% (v/v) FBS, пенициллина (100 Ед/мл) и стрептомицина (100 Ед/мл). Засейте почти 50% клеток Bv-2 в 12-луночный планшет и 24-луночный планшет для дальнейшего тестирования.

4. Повторная магнитная стимуляция in vitro

  1. Повторное вмешательство магнитной стимуляции in vitro выполняют со следующими настройками: частота обработки 20 Гц, интенсивность обработки 1% от максимальной выходной интенсивности (т.е. 0,035 Тесла), время стимуляции 5 с, период покоя 20 с. Вводите 600 импульсов с однократным временем обработки 2,5 минуты.
  2. Во время магнитной стимуляции расположите центр катушки на одной линии с центром культуральной пластины и убедитесь, что катушка плотно прилегает к нижней части культуральной пластины.
    1. Предопределить параметры магнитной стимуляции и зафиксировать направление катушки магнитного воздействия, чтобы оно было перпендикулярно земле и ориентировано вверх. Стерилизуйте катушку магнитной стимуляции спиртом, чтобы предотвратить загрязнение клеток.
    2. После этого извлеките планшет для культивирования клеток из инкубатора и расположите его над катушкой магнитной стимуляции для магнитной стимуляции. Простерилизуйте тарелку, распылив на нее спирт, а затем верните в инкубатор. Держите тарелку закрытой на протяжении всего процесса.

5. Тестирование микроглиального фагоцитоза миелиновых остатков

  1. Повторная магнитостимуляция в группе ЛПС+рМС
    1. Используйте CFSE (50 мкМ) для мечения миелиновых остатков для оценки фагоцитоза. Планшет 1 x 104 ячейки BV-2 в 24-луночных планшетах на ночь. Замените среду на среду без сыворотки и обрабатывайте клетки липополисахаридом (ЛПС; 1 мкг/мл) в течение 12 ч. Осторожно отсадите старую среду с помощью пипетки, а затем сразу же добавьте новую бессывороточную среду с помощью пипетки.
    2. После 12-часового периода вмешательства ЛПС добавьте миелиновый мусор (100 мкг/мл) в среду для совместного культивирования в условиях темноты. Подвергайте клетки повторным вмешательствам магнитной стимуляции, как описано в шаге 4.2.
  2. Иммунофлюоресценция и визуализация
    1. Неадсорбированный миелиновый мусор аккуратно промойте PBS и зафиксируйте клетки 4% PFA на 15 минут. Заблокируйте клетки PBS, содержащим 10% сывороточного альбумина осла и 0,3% Triton X-100, на 1 ч при комнатной температуре, затем промойте PBS и инкубируйте с первичным антителом (IBA-1, 1:200) при 4 °C в течение ночи.
    2. Инкубируйте клетки со вторичными антителами (1:300, мышь) в течение 2 ч при комнатной температуре. Получайте изображения с помощью конфокального микроскопа с 40-кратным и 20-кратным увеличением.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

В этом исследовании мы первоначально кормили клетки микроглии BV-2 in vitro путем извлечения миелинового мусора мозга и использования повторяющейся магнитной стимуляции для повышения их фагоцитарной способности. Впоследствии клетки микроглии BV-2 культивировали и подвергали вмешательству ЛПС перед магнитной стимуляцией, тем самым имитируя состояние микроглии in vivo при строгой неврологической валидации. В дальнейшем после стимуляции ЛПС применялось вмешательство rMS. Для валидации фагоцитоза клеток исп...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Повторяющаяся магнитная стимуляция (рМС) — это неинвазивный метод нейростимуляции, который широко применяется в лечении различных неврологических и психиатрических расстройств, включая когнитивные нарушения, болезнь Альцгеймера (БА), инсульт, черепно-мозговую травму и травму спинного мозга (ТСМ). rMS использует импульсное магнитное поле для модуляции мембранного потенциала нейронов, избирательно влияя на возбудимость нейронов в нервной системе11. В дополнение к св...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторам нечего раскрывать.

Благодарности

Эта работа была поддержана грантами Национального фонда естественных наук Китая (82302877, 82172541), Фонда естественных наук провинции Хунань (2023JJ30549).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Монтажная среда с защитой от выцветания с DAPIBeyotime, КитайP0131
BCA KitThermoFisher Scientific, Америка23227
Bv-2 клеткаATCCCBP60922
Клеточная культура 12-луночные планшетыBiofil, Китай
Клеточная культура 24-луночные планшетыBiofil, Китай
Конфокальное лазерное сканирование МикроскопZeiss, Германия800
Инкубатор постоянной температурыThermoFisher Scientific, Америка
CFSEMedChemExpress, АмерикаHY-158820
DMEM-Культуральная средаKeyGen, КитайKGL1202-500
FBSGibco, Америка16250078
Iba1Abcam, Америкаab48004
Аппарат магнитной стимуляцииYiruide, КитайCCY-IA
Катушка магнитной стимуляцииYiruide, Китай
ПараформальдегидBioSharp, Китай
PBSKeyGen, КитайKGL2210-500
Пенициллин-стрептомицинGibco, Америка15140-122
СахарозаMedChemExpress, АмерикаHY-B1779
ТрипсинKeyGen, КитайKGL2107-100
УльтрацентрифугаBeckman, АмерикаL-100XP

Ссылки

  1. Osso, L. A., Hughes, E. G. Dynamics of mature myelin. Nat Neurosci. 27 (8), 1449-1461 (2024).
  2. Gao, R., et al. Myelin debris phagocytosis in demyelinating disease. Glia. 72 (11), 1934-1954 (2024).
  3. Kopper, T. J., Gensel, J. C. Myelin as an inflammatory mediator: Myelin interactions with complement, macrophages, and microglia in spinal cord injury. J Neurosci Res. 96 (6), 969-977 (2018).
  4. Yu, F., et al. Phagocytic microglia and macrophages in brain injury and repair. CNS Neurosci Ther. 28 (9), 1279-1293 (2022).
  5. Filbin, M. T. Myelin-associated inhibitors of axonal regeneration in the adult mammalian CNS. Nat Rev Neurosci. 4 (9), 703-713 (2003).
  6. Sen, M. K., Mahns, D. A., Coorssen, J. R., Shortland, P. J. The roles of microglia and astrocytes in phagocytosis and myelination: Insights from the cuprizone model of multiple sclerosis. Glia. 70 (7), 1215-1250 (2022).
  7. Jia, J., et al. The role of microglial phagocytosis in ischemic stroke. Front Immunol. 12, 790201(2021).
  8. Kettenmann, H., Hanisch, U. K., Noda, M., Verkhratsky, A. Physiology of microglia. Physiol Rev. 91 (2), 461-553 (2011).
  9. Shen, S., et al. Neutrophil nanovesicle protects against experimental autoimmune encephalomyelitis through enhancing myelin clearance by microglia. ACS. 16 (11), 18886-18897 (2022).
  10. Cignarella, F., et al. TREM2 activation on microglia promotes myelin debris clearance and remyelination in a model of multiple sclerosis. Acta Neuropathol. 140 (4), 513-534 (2020).
  11. Dufor, T., Lohof, A. M., Sherrard, R. M. Magnetic stimulation as a therapeutic approach for brain modulation and repair: Underlying molecular and cellular mechanisms. Int J Mol Sci. 24 (22), 16456(2023).
  12. Martin, D. M., McClintock, S. M., Forster, J. J., Lo, T. Y., Loo, C. K. Cognitive enhancing effects of rTMS administered to the prefrontal cortex in patients with depression: A systematic review and meta-analysis of individual task effects. Depress Anxiety. 34 (11), 1029-1039 (2017).
  13. Kamo, T., et al. Repetitive peripheral magnetic stimulation for impairment and disability in people after stroke. Cochrane Database Syst Rev. 9 (9), CD011968(2022).
  14. Wang, Y., Wang, L., Ni, X., Jiang, M., Zhao, L. Efficacy of repetitive transcranial magnetic stimulation with different application parameters for post-stroke cognitive impairment: A systematic review. Fron Neurosci. 18, 1309736(2024).
  15. Chu, F., et al. Transcranial magneto-acoustic stimulation attenuates synaptic plasticity impairment through the activation of Piezo1 in alzheimer's disease mouse model. Research. 6, 0130(2023).
  16. Zhai, C., et al. Repeated trans-spinal magnetic stimulation promotes microglial phagocytosis of myelin debris after spinal cord injury through LRP-1. Exp Neurol. 379, 114844(2024).
  17. Qin, T., et al. Repetitive transcranial magnetic stimulation ameliorates cognitive deficits in mice with radiation-induced brain injury by attenuating microglial pyroptosis and promoting neurogenesis via BDNF pathway. Cell Comm Signal. 22 (1), 216(2024).
  18. Qian, F., et al. Microglia and astrocytes responses contribute to alleviating inflammatory damage by repetitive transcranial magnetic stimulation in rats with traumatic brain injury. Neurochem Res. 49 (9), 2636-2651 (2024).
  19. Luo, J., et al. Repetitive transcranial magnetic stimulation improves neurological function and promotes the anti-inflammatory polarization of microglia in ischemic rats. Front Cell Neurosci. 16, 878345(2022).
  20. Jannati, A., Oberman, L. M., Rotenberg, A., Pascual-Leone, A. Assessing the mechanisms of brain plasticity by transcranial magnetic stimulation. Neuropsychopharmacol. 48 (1), 191-208 (2023).
  21. Luo, L., et al. Intermittent theta-burst stimulation improves motor function by inhibiting neuronal pyroptosis and regulating microglial polarization via TLR4/NFκB/NLRP3 signaling pathway in cerebral ischemic mice. J Neuroinflammat. 19 (1), 141(2022).
  22. Eichler, A., et al. Microglial cytokines mediate plasticity induced by 10 Hz repetitive magnetic stimulation. J Neurosci. 43 (17), 3042-3060 (2023).
  23. Kent, S. A., Miron, V. E. Microglia regulation of central nervous system myelin health and regeneration. Nat Rev Immunol. 24 (1), 49-63 (2024).
  24. Yong, V. W. Microglia in multiple sclerosis: Protectors turn destroyers. Neuron. 110 (21), 3534-3548 (2022).
  25. Sarlus, H., Heneka, M. T. Microglia in Alzheimer's disease. J Clin Invest. 127 (9), 3240-3249 (2017).
  26. Cantuti-Castelvetri, L., et al. Defective cholesterol clearance limits remyelination in the aged central nervous system. Science. 359 (6376), 684-688 (2018).
  27. Norton, W. T., Poduslo, S. E. Myelination in rat brain: Method of myelin isolation. J Neurochem. 21 (4), 749-757 (1973).
  28. Gordon, S. Phagocytosis: An immunobiologic process. Immunity. 44 (3), 463-475 (2016).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Кокультивирование in vitroцентральная нервная системамикроглия BV-2конфокальная микроскопияобработка липополисахаридомвыделение миелинового детританейровоспаление