Se presenta un protocolo para crear reporteros de ingeniería a base de células fluorescentes (neurotransmisor CNiFERs) para la detección óptica de la liberación de neurotransmisores volumétrica.
Reporteros de ingeniería a base de células fluorescentes (neurotransmisor CNiFERs) proporcionan una nueva herramienta para los neurocientíficos para detectar ópticamente la liberación de neurotransmisores en el cerebro in vivo. Un CNiFER específica se crea a partir de una célula de riñón embrionario humano que expresa de forma estable una proteína G-receptor acoplado específica, que se acopla a G q / 11 proteínas G, y una basada en FRET Ca 2+ -detector, TN-XXL. La activación del receptor conduce a un aumento en la señal de FRET. CNiFERs tienen sensibilidad nM y una respuesta temporal de segundo porque un clon CNiFER utiliza el receptor nativo para un neurotransmisor particular, por ejemplo, D2R para la dopamina. CNiFERs se implantan directamente en el cerebro, lo que les permite detectar la liberación de neurotransmisores con una resolución espacial de menos de un centenar de micras, lo que es ideal para medir la transmisión de volumen in vivo. CNiFERs también se puede utilizar para detectar otros fármacos para el potencial de reactividad cruzada en vivo. Recientemente hemos ampliado la familia de CNiFERs para incluir los GPCR que se acoplan a G i / o proteínas G. CNiFERs están disponibles para la detección de la acetilcolina (ACh), dopamina (DA) y norepinefrina (NE). Teniendo en cuenta que cualquier GPCR puede ser utilizado para crear una novela CNiFER y que hay aproximadamente 800 GPCRs en el genoma humano, como se describe aquí el procedimiento general para diseñar, realizar, y probar cualquier tipo de CNiFER.
Para comprender completamente cómo se comunican las neuronas en el cerebro, es necesario disponer de un método para medir la liberación de neurotransmisores en vivo. Existen varias técnicas bien establecidas para la medición de los neurotransmisores en vivo. Una técnica comúnmente usada es de microdiálisis, en el que se inserta una cánula en el cerebro y un pequeño volumen de líquido cefalorraquídeo se recoge y se analizó mediante cromatografía líquida de alto rendimiento y detección electroquímica 1. La microdiálisis tiene una resolución espacial del orden de unos pocos diámetros de la sonda, por ejemplo, ~ 0,5 mm para una microsonda de 200 m de diámetro. La resolución temporal de esta técnica, sin embargo, es lento debido a los intervalos de muestreo que típicamente duran ~ 5 min o más 1. Por otra parte, los análisis no se realizan en tiempo real. Otra técnica es escaneado rápido voltametría cíclica (FSCV), que utiliza una sonda de fibra de carbono que se inserta en el cerebro. FSCV tiene una excelente tempresolución por vía oral (por debajo del segundo), alta sensibilidad (nanomolar), y la resolución espacial con diámetro de la sonda de 5 a 30 micras. Sin embargo, FSCV está limitada a los transmisores que producen una oxidación característica y el perfil de reducción con el voltaje en una sonda potenciométrica de carbono 2.
Una tercera técnica para medir los neurotransmisores es directamente a través de neurotransmisores codificado genéticamente biosensores (NT) 3. Con este método, se crea una proteína de fusión que contiene un dominio de unión a ligando para un transmisor acoplado a una transferencia de energía por resonancia de fluorescencia (FRET) par de fluoróforos con base 4 o una GFP permutado 5. A diferencia de los dos métodos anteriores, estos biosensores están genéticamente codificados y expresados en la superficie de una célula huésped, tal como una neurona, a través de la producción de animales transgénicos o de forma aguda con el uso de agentes virales para infectar las células. Hasta la fecha, los biosensores codificados genéticamente sólo se han desarrollado para detecting glutamato y GABA 3-5. Limitaciones con estas técnicas han sido la baja sensibilidad, en el rango nM, y la incapacidad para ampliar la detección al gran número de transmisores, por ejemplo, neurotransmisores clásicos, neuropéptidos y neuromoduladores, que señalan a través de receptores acoplados a proteínas G (GPCRs). De hecho, hay cerca de 800 GPCRs en el genoma humano.
Para hacer frente a estas deficiencias, hemos desarrollado una herramienta innovadora para la liberación medida ópticamente de cualquier neurotransmisor que las señales a través de un GPCR. (Reporteros ingeniería neurotransmisor fluorescentes basado en células) CNiFERs son células HEK293 clonales ingeniería genética para expresar un GPCR específico que, cuando se estimula, provoca un aumento de intracelular [Ca 2 +] que es detectada por un sensor de Ca2 + a base de FRET codificado genéticamente, TN-XXL. Por lo tanto, CNiFERs transformada de unión en un cambio en la fluorescencia, proporcionando un r óptica en tiempo real directa y receptor neurotransmisoread de salida de la actividad del neurotransmisor local. Mediante la utilización del receptor nativo para un neurotransmisor determinado, CNiFERs retienen la especificidad química, la afinidad y la dinámica temporal de los receptores expresados de forma endógena. Hasta la fecha, hemos creado tres tipos de CNiFERs, una para la detección de la acetilcolina mediante el receptor M1, uno para la detección de la dopamina usando el receptor D2, y uno para la detección de norepinefrina mediante el 6,7 receptor a1a. La tecnología CNiFER es fácilmente ampliable y escalable, por lo que es susceptible de cualquier tipo de GPCR. En este artículo JoVe, describimos e ilustramos la metodología para diseñar, realizar, y la prueba en vivo CNiFERs para cualquier aplicación.
La creación de CNiFERs proporciona una estrategia novedosa y única para medir ópticamente liberación de neurotransmisores en el cerebro in vivo. CNiFERs son ideales para la medición de la liberación extrasináptico, es decir, la conducción volumen, por neurotransmisores. Es importante destacar que cada CNiFER posee las propiedades de la GPCR nativo, proporcionando una medición óptica fisiológica de los cambios en los niveles de neurotransmisores en el cerebro. Hasta la fecha, se han creado CN…
The authors have nothing to disclose.
Agradecemos a B. Conklin (Universidad de California, San Francisco) para proporcionar los qi5 G y G QS5 ADNc, A. Schweitzer para obtener ayuda con la electrónica, N. Taylor para obtener ayuda con el análisis de clones, Ian y Robert Rifkin Glaaser para la corrección de pruebas y Olivier Griesbeck para TN-XXL. Este trabajo fue apoyado por becas de investigación a través del Instituto Nacional sobre Abuso de Drogas (NIDA) (DA029706; DA037170), el Instituto Nacional de Imágenes Biomédicas y Bioingeniería (NIBIB) (EB003832), Hoffman-La Roche (88610A) y el "Neurociencia relacionados con las drogas de abuso beca de formación "a través de NIDA (DA007315).
pCDH-CMV-MCS-EF1-Puro | System Biosciences | CD510B-1 | Cloning: for generating lentivirus |
12×75 *BD Falcon High Clarity Polypropylene Round Bottom Test Tube | BD Biosciences | 352063 | FACS |
BD 40 um Falcon cell strainers | BD Biosciences | 352340 | FACS |
0.05% Trypsin EDTA | Invitrogen | 25200056 | FACS |
96 Well Plate, flat bottom, clear | Corning | 3596 | FACS |
96 well cell culture plates | Corning | CLS3997 | Flexstation |
Optilux black clear bottom | Corning | 3603 | Flexstation |
Flexstation pipet tips | Molecular Devices | 9000-0911 | Flexstation |
Acetylcholine Chloride | SimgaAldrich | A2661 | Flexstation |
Norepinephrine | SimgaAldrich | A7256 | Flexstation |
Dopamine Hydrochloride | SimgaAldrich | PHR1090 | Flexstation |
GABA | SimgaAldrich | A2129 | Flexstation |
Histamine | SimgaAldrich | H7125 | Flexstation |
Glutamate | SimgaAldrich | 49621 | Flexstation |
Epinephrine | SimgaAldrich | E4642 | Flexstation |
Somatostatin | SimgaAldrich | S1763 | Flexstation |
5HT | SimgaAldrich | H9523 | Flexstation |
VIP | Alpha Diagnostics Inc. | SP-69627 | Flexstation |
Orexin A | Alpha Diagnostics Inc. | 12-p-01 | Flexstation |
Substance P | SimgaAldrich | S6883 | Flexstation |
Adenosine | SimgaAldrich | A4036 | Flexstation |
Melatonin | SimgaAldrich | M5250C | Flexstation |
Fluorescence Plate Reader & software | Molecular Devices | Flexstation 3 | Flexstation |
DMEM (high glucose) with Glutamax | Life Technologies | 10569-010 | Tissue culture |
Fetal bovine serum | Life Technologies | 10082-139 | Tissue culture |
Pen/Strep | Life Technologies | 15140-122 | Tissue culture |
Puromycin | InvivoGen | ant-pr-1 | Tissue culture |
Fibronectin | SimgaAldrich | F0895 | Tissue culture |
CoolCell LX Alcohol-free controlled-rate cell freezing box | Bioexpress | D-3508) | Tissue culture |
cyanoacrylate glue | Loctite | Loctite no. 495 | surgery and stereotaxic injection |
plastic paraffin film | VWR | Parafilm® | surgery and stereotaxic injection |
NANOINJECTOR | Drummond | 3-000-204 | surgery and stereotaxic injection |
GLASS ELECTRODES | Drummond | 3-000-203G | surgery and stereotaxic injection |
hand held drill | OSADA | Exl-M40 | surgery and stereotaxic injection |
Burrs for drill | Fine Scientific | 19007-05; 19007-07) | surgery and stereotaxic injection |
Sterilizing bath | FST | 18000-45, Hot Bead Sterilizer | surgery and stereotaxic injection |
isoflurane chamber/mask | Highland Medical Equipment | 564-0427, HME 109 Table Top Anesthetic Machine with Isoflurane Vaporizer, O2 Flowmeter, Gang Valve; 564-0852, Induction Chamber 16X7X7.5cm | surgery and stereotaxic injection |
3D scope with arm | Zeiss | surgery and stereotaxic injection | |
fiber optic light | surgery and stereotaxic injection | ||
Betadine | surgery and stereotaxic injection | ||
70 % (v/v) isopropyl alcohol | surgery and stereotaxic injection | ||
Povidone-Iodine Prep Pads | dynarex | 1108 | surgery and stereotaxic injection |
NaCl 0.9% (INJECTION, USP, 918610) | surgery and stereotaxic injection | ||
CYCLOSPORINE (INJECTION, USP) | surgery and stereotaxic injection | ||
Buprenex (INJECTION) buprenorphine (0.03 μg per g rodent) | Sigma | surgery and stereotaxic injection | |
Ophthalmic ointment | Akorn | NDC 17478-235-35 | surgery and stereotaxic injection |
Surgifoam | Ethicon | surgery and stereotaxic injection | |
Grip dental cement | Dentsply | #675571, 675572 | surgery and stereotaxic injection |
Instant SuperGlue | NDindustries | surgery and stereotaxic injection | |
LOCTITE 4041 | surgery and stereotaxic injection | ||
METABOND | C&B | surgery and stereotaxic injection | |
no. 0 cover glass | Fisher | surgery and stereotaxic injection | |
stereotaxic frame | Kopf | surgery and stereotaxic injection | |
Rectal probe and heating pad | FHC | 40-90-8D, DC Temperature Controller,40-90-2-06, 6.5X9.5cm Heating Pad40-90-5D-02, Rectal Thermistor Probe | surgery and stereotaxic injection |
optical breadboard for imaging | Thorlabs | surgery and stereotaxic injection | |
Mineral oil | Fisher | S55667 | surgery and stereotaxic injection |
Kwik-Cast (Silicone elastomer) | World Precision Instruments | surgery and stereotaxic injection | |
Suture | Ethicon | 18’’, 1667, 4-0 | surgery and stereotaxic injection |
Scissors | Fine Scientific Tools | 91500-09, 15018-10 | surgery and stereotaxic injection |
Forcepts | Fine Scientific Tools | 11252-30; #55, 11295-51; Grafe, 11050-10 | surgery and stereotaxic injection |
Student Halsted-Mosquito Hemostats | Fine Scientific Tools | 91308-12 | surgery and stereotaxic injection |
Small Vessel Cauterizer Kit | Fine Scientific Tools | 18000-00 | surgery and stereotaxic injection |
Hot Bead Sterilizers | Fine Scientific Tools | 18000-45 | surgery and stereotaxic injection |
Instrument Case with Silicone Mat | Fine Scientific Tools | 20311-21 | surgery and stereotaxic injection |
Plastic Sterilization Containers with Silicone Mat | Fine Scientific Tools | 20810-01 | surgery and stereotaxic injection |
2P fixed-stage fluorescence scope for in vivo imaging | Olympus | FV1200 MPE | in vivo imaging |
Multiphoton laser | SpectraPhysics | Mai Tai DeepSee | in vivo imaging |
Green Laser | Olympus | 473 nm Laser | in vivo imaging |
xy translation base | Scientifica | MMBP | in vivo imaging |
FRET filter cube for YFP and CFP | Olympus | in vivo imaging | |
25-X water immersion objective | Olympus | in vivo imaging | |
air table | Newport | in vivo imaging | |
custom built light-tight cage | Thorlab | in vivo imaging |