בזמן אמת Iontophoresis עם Tetramethylammonium כדי לכמת את נפח השבר ואת הצרות של המוח תאיים שטח

Summary

פרוטוקול זה מתאר בזמן אמת iontophoresis, שיטה המודדת פרמטרים פיזיים של המרחב החוץ תאי (ECS) של המוח. דיפוזיה של מולקולה אינרטי משוחרר לתוך ECS משמש לחישוב השבירה נפח ECS ו צרות. זה אידיאלי עבור חקר שינויים הפיך אקוטי למוח ECS.

Abstract

סקירה זו מתארת ​​את המושגים הבסיסיים ואת הפרוטוקול כדי לבצע בזמן אמת את יונתופורסיס (RTI) שיטה, תקן הזהב לחקור לכמת את החלל החיצוני (ECS) של המוח חי. ה- ECS מקיף את כל תאי המוח ומכיל גם נוזל אינטרסטיציאלי וגם מטריקס תאיים. הובלה של חומרים רבים הדרושים לפעילות המוח, כולל נוירוטרנסמיטורים, הורמונים, וחומרים מזינים, מתרחשת על ידי דיפוזיה באמצעות ECS. שינויים בנפח ובגיאומטריה של חלל זה מתרחשים במהלך תהליכי מוח נורמליים, כמו שינה ומצבים פתולוגיים, כמו איסכמיה. עם זאת, המבנה והרגולציה של ECS במוח, בייחוד במדינות חולות, עדיין לא נחקרו. שיטת ה- RTI מודדת שני פרמטרים פיזיים של המוח החיה: שברי נפח וצפי. נפח חלק הוא היחס של נפח רקמות שנכבשו על ידי ECS. הצב הוא מדד של הפרעה יחסית חומר נתקל בעת התפוצצות דרך המוח מוחGion לעומת בינוני ללא חסימות. ב RTI, מולקולה אינרטי הוא פעמו מן microelectrode מקור לתוך ECS המוח. כמו מולקולות מפוזרים מן המקור הזה, הריכוז המשתנה של יון נמדדת לאורך זמן באמצעות microelectrode סלקטיבי יון מיקומו בערך 100 מיקרומטר משם. מן עקומת דיפוזיה וכתוצאה מכך, הן נפח השבירה ואת הצרות ניתן לחשב. טכניקה זו כבר בשימוש פרוסות המוח ממספר מינים (כולל בני אדם) ו in vivo ללמוד שינויים חריפים כרוניים ECS. שלא כמו שיטות אחרות, RTI ניתן להשתמש כדי לבחון הן הפיך שינויים בלתי הפיך על ECS המוח בזמן אמת.

Introduction

החלל תאיים (ECS) היא רשת של ערוצי מחוברים החיצוני לכל תאי המוח ומכיל הן נוזל interstitial ו מטריקס תאיים ( איור 1 א ואיור 1b ). התפלגות של חומרים רבים הנדרשים לתפקוד תאי המוח, כולל חומרים מזינים, הורמונים, נוירוטרנסמיטורים, מתרחשת על ידי דיפוזיה באמצעות ECS. שינויים בפרמטרים הפיזיים של החלל הזה, כולל נפח, גיאומטריה, מטריקס תאיים, יכול להשפיע באופן דרסטי על דיפוזיה באמצעות ECS ו ריכוזי יונים מקומיים רחצה תאי המוח, אשר יש השפעה עמוקה על תפקוד המוח במוח ^{1 , 2} .

בזמן אמת iontophoresis (RTI) משמש כדי לקבוע שני מאפיינים מבניים של אזור המוח: נפח נפח ו צרות ^{3 , 4 ,}"Xref"> 5. נפח חלק ( α ) הוא היחס של נפח רקמות שנכבשו על ידי ECS ( V _ECS ) ביחס נפח הרקמה הכולל ( _רקמת V ) בנפח יסוד מייצג;

Tortuosity ( λ ) היא הפרעה היחסית שחומר נתקל כאשר מתפשט דרך אזור במוח לעומת בינוני ללא חסימות;

שם ^* D (ס"מ ² s ^-1) הוא מקדם הדיפוזיה יעילה של חומר במוח ו- D (ס"מ ² s ^-1) הוא מקדם הדיפוזיה חופשי של חומר במדיום חופשי, כגון לדלל agarose ג'ל.

כיום, חומר בדיקה הנפוץ ביותר עבור Rשיטת TI היא tetramethylammonium קטיון קטן (TMA). TMA יש משקל מולקולרי של 74 גרם / מול, לחלוטין disociates בפתרון, ויש לו חיוב אחד חיובי. מחקרים RTI עם יון זה הוכיחו כי α 0.2 ו λ 1.6 ^{1 , 2} . משמעות הדבר היא כי ECS הוא בערך 20% מכלל נפח המוח, וכי דיפוזיה של מולקולה קטנה אינרטית מתרחשת בערך פי 2.5 לאט יותר ב- ECS מאשר במדיום ללא חסימות ³ . עם זאת, הן α ו λ להשתנות עם גיל המוח, האזור, המדינה ובתנאים פתולוגיים ¹ . שינויים של הפרמטרים הללו נקשרו להתפתחות המוח, הזדקנות, שינה, אפילפסיה, ותהליכים בסיסיים רבים אחרים ומחלות של המוח ^{1, 6} . בעוד טכניקות אחרות למדוד α ו λ , RTI יכול למדוד הן באזורים מקומיים של רקמה חיה בזמן אמת. מסיבה זו, RTI הפך לכלי הכרחי לבדיקת שינויים ב- α ו- λ במהלך אתגרים חריפים ובלתי הפיכים.

התיאוריה תומכת RTI אושרה במקור על ידי ניקולסון ו פיליפס, ואת הטכניקה שימשה בהרחבה מאז אותו ^{4 , 7} . ניסויים המעסיקים RTI להתחיל עם שחרורו של הדופק של TMA מן microelectrode מקור על ידי יונתורזה לתוך ג'ל agarose לדלל. לאחר נפלט, היונים בחופשיות להתפזר מן המקור נקודה, בחירה מתוך מספר אינסופי של נתיבים אקראיים ( איור 1 ד ). הריכוז המשתנה של יון נמדדת לאורך זמן באמצעות microelectrode יון סלקטיבית (ISM) מיקומו בגסות100 מיקרומטר משם ( איור 1 ג ). השינויים בריכוז TMA הם graphed ו מצויד עקומה המאפשר חישוב של D והן את מספר התחבורה של microelectrode יון (פרמטרים הנדונים בפרוטוקול). עם ערכים אלה, הנוהל חוזר על עצמו באזור במוח של עניין כדי לקבל D ^* ולחשב הן α ו λ . שליטה של ​​microelectrode יון, איסוף נתונים, גרפים והתאמה של עקומת ריכוז TMA, וחישוב הפרמטרים הניסוייים נעשים בדרך כלל על ידי תוכניות וונדה וולטר, אשר תוכננו במיוחד למטרה זו (התוכנה המדריכים שלהם הם זמין באופן חופשי על ידי המחברים על פי בקשה).

סעיף הפרוטוקול של סקירה זו מתאר את ההליכים הבסיסיים הדרושים לתכנון וביצוע RTI בפרוסות מוח מכרסמים. הטכניקה יש גם נעשה שימוש ב-מוט לאמודלים אף אוזן גרון, כולל פרוסות מוח אנושיות ועל הכנות מוח vivo ^{1, 4, 6, 8, 9.} החלק נציג תוצאות מספק הן אידיאליים ולא אידיאלי תוצאות להדגיש ניואנסים בפרשנות נתונים. לבסוף, סעיף הדיון מכסה בקצרה טכניקות לפתרון בעיות, מגבלות RTI, טכניקות חלופיות המשמשות ללימוד ECS, ויישומים עתידיים של RTI.

איור 1: דיאגרמות של דיפוזיה באמצעות ECS. ( א ) תרשים של ECS: מדגים את הגודל והמיקום של ECS בחלק מוחי טיפוסי. צהוב מסמן את ECS בין תהליכי תא המוח האפור. נפח ECS הוא בערך 20% מכלל נפח הרקמה ( כלומר, נפח השבר = 0.2) בתנאים פיזיולוגיים. ( ב ) תרשים מוגדל של ECS: מדגיש פרמטרים פיזיים התורמים טרטו, כולל גיאומטריה התא במוח (אפור) ו מטריקס תאיים (תרשים כמו רשת של glycosaminoglycans רבגוניים ו proteoglycans). ( ג ) תרשים 3D של דיפוזיה ממקור נקודה: מדגים את התנועה נטו של מולקולות אינרטי ממקור iontophoretic ל- ISM. לא כולל מחסומי דיפוזיה ספיגת הסלולר, מולקולות מפוזרות החוצה לכל הכיוונים, לייצר חזית ריכוז כדורית. ה- ISM מכמת את הריכוז המקומי של המולקולות האינרטיות המשתחררות מהמקור האונטופורטי. ( ד ) הדמיית מחשב של דיפוזיה ב ECS של המוח: [רחוק משמאל] ההתקנה עבור סימולציה מונטה קרלו; כדורים ירוקים מייצגים תהליכים בתאי המוח והצלב האדום מייצג מקור נקודה. הגדרה זו מודלים של רקמות המוח תרשים diagrammed באיור 1a . תמונה 36 מולקולות ביצוע תנועות אקראיות כפי שהם מפוזרים דרך החלל החוץ תאי של המוח, שמוצג 2 ממדים. [ימין קיצוני] מסלולים אקראיים של מולקולות רבות שוחררו ממקור הנקודה. התנועה נטו של כל המולקולות ממקור הנקודה היא כלפי חוץ כפי שמתואר באיור 1 ג . המסלולים האקראיים המצטברים מתארים את החללים שבין התאים ( כלומר, ECS, ראו התייחסות ⁵ להסבר נוסף). אנא לחץ כאן כדי להציג גרסה גדולה יותר של דמות זו.

Protocol

כל ההליכים בבעלי חיים, המשמשים כדי לקבל דגימות רקמות, אושרו על ידי ועדת האתיקה של בעלי חיים במרכז הרפואי סוני דאונסטאט. 1. הכנת פתרונות וציוד הכן פתרון מילוי 150 מ"ל NaCl עבור חבית יי…

Representative Results

השירות של הטכניקה RTI הוא הוכיח בניסוי שנועד למדוד את השינויים α ובמהלך האתגר hypoosmolar ( איור 8 ו איור 9 ). הוכח בעבר כי הפחתת osmolarity של ECS על ידי שטיפה על ACSF hypotonic תייצר ירידה α עלייה λ 13 . <p class="jove_…

Discussion

איור 10: נתונים לא אידיאליים הממחישים בעיות טכניות נפוצות. ( א ) דיאגרמות של בעיות טכניות נפוצות עם microtlectrodes iontophoresis: השוואה של שחרור רגיל של TMA מ microelectrode iontophoresis תפקודית עם שלושה מקורות המפגינים בעיות ?…

Materials

A/D and D/A converter	National Instruments Corporation	NI USB-6221 DAQ	The NI USB-6221 is still sold as a 'Legacy' device by NI. They recommend using NI USB-6341 X Series DAQs for new installations, however we have not tested the newer units. We describe the use of the NI USB-6221 with MATLAB and Windows 7 (32-bit). Alternatives: the much older PCI-MIO-16E-4 A/D converter (Used under Windows XP or older OS only) with BNC-2090 BNC connector panel and SH68-68-EP cable. As noted in the Wanda Manual, an experimental MATLAB program to use Axon Binary Files is available.
agarose	Lonza	NuSieve GTG Agarose #50081	to prepare dilute agarose gel for RTI measurements
amplifier for ISM	Dagan	Model IX2-700 Dual Intracellular Preamplifier	ion and reference voltage amplifier with N=0.1 (for reference barrel) and N=0.001 (for ion barrel) headstages
biological compound miscroscope (with 4x and 10x objective)			for chipping the microelectrode tips and inspecting microelectrodes; various suppliers, e.g. AmScope
borosilicate theta capillary glass tubing	Harvard Apparatus	Warner Instruments model TG200-4; order #64-0811	double-barreled glass tubing for ion-selective microelectrodes and iontophoretic microelectrodes; O.D. 2.0 mm, I.D. 1.4 mm, septum 0.2 mm, length 10 cm
brush	Winsor & Newton	University Series 233, size 0	round shoft handle brush, available from Amazon
bunsen burner	Fisher
camera for visualizing micropipettes	Olympus	OLY-150	requires monitor, IR filter on substage illuminator is optional
chart recorder			to record continuously voltages on ion-selective microelectrode during calibration in tetramethylammonium standards and during RTI experiment; e.g. Kipp & Zonen type BD112 dual-cannel chart recorded, available refurbished
chlorotrimethylsilane, puriss., > 99%	Sigma-Aldrich	catalog # 92360	for silanization; CAUTION: flammable, acute toxicity (oral, dermal, inhalation), skin corrosion, eye damage, reacts violently with water, see Sigma-Aldrich Safety Information for full description
Commercial Software	The MathWorks	MATLAB, Data acquisition toolbox	for data acquisition and analysis using Wanda and Walter programs. Note that an academic license is available.
eye protective goggles	Fisher
fixed-stage compound microscope	Olympus	BX51WI	can use other compound microscopes with fixed stages
forceps	Fine Science Tools	#11251-10	to chip glass capillary; Dumond #5, preferably used and no longer needed for fine work
fume hood			for silanization and filling the tip of ion-selective barrel with liquid ion exchanger; various supliers, e.g. Captair with approriate filter sold by Erlab
glass microscope slide	Fisher	#12-550A	to chip microelectrode tips
heater/stirrer	Fisher	Corning PC-420D	to prepare dilute agarose gel and stir solutions
iontophoretic unit	Dagan	ION-100 and PS-100	ION-100 is a single channel iontophoresis unit +/- 130 V compliance; PS-100 is an external power supply; alternatives: e.g. Axoprobe-1A made by Axon Instruments (now Molecular Devices), out of production, check for availability of refurbished units (eBay and other sites)
liquid ion exchanger (LIX) for tetramethylammonium	World Precision Instruments	IE190 Potassium Ion Exchanger	Note: this is equivalent to the original Corning potassium exchanger 477317 based on tetraphenlyborate – do not confuse with neutral carrier potassium exchanger originating from the laboartory of Dr. Simon, ETH, Zurich, which does not sense tetramethylammonium, and is sold by Fluka. You can also make liquid ion exchanger for tetramethylammonium yourself: 3% by weight potassium tetrakis = (p-chlorophenyl) borate dissolved in 2,3-dimethylnitrobenzene. Buy chemicals from Fluka (now part of Sigma). See Oehme and Simon (1976) Anal. Chim. Acta 86: 21-25; CAUTION: The toxicological properties of this liquid ion exchanger have not been fully determined. Ingestion or contact with the human body may be harmful. Exercise due care! Liquid ion exchangers should be stored in a cool place out of direct sunlight.
microelectrode holder	WPI	M3301EH	to hold ion-selective microeletrode prefabricate for silanization and filling the tip of ion-selective barrel with liquid ion exchanger; WPI sells two versions of this holder, clear M3301EH and black M3301EH. In our experience, the clear M3301EH appears to be sturdier then the black M3301EH.
micromanipulator	Narishige	MM-3	to position ion-selective microelectrode prefabricate during silanization and filling the tip of ion-selective barrel with liquid ion exchanger; can be substituted with any three-axis micromanipulator in good working condition
micropipette puller	Sutter Instruments	Model P-97	to pull double-barreled glass tubing; other pullers can be used as long as they can accommodate large diameter double-barreled glass tubing
microprobe thermometer	Physiotemp	Model BAT-12R	fine probe of this thermometer is placed close to recording site
needle	BD	Syringes and Needles # 305122 (25 gauge)	for silanization; BD PrecisionGlide needles 25 G x 5/8 in (0.5mm x 16mm)
objective 5x dry	Olympus	MPlan N
objective 10x water immersion	Olympus	UMPlan FL N	10x objective is water immersion, numerical aperture is 0.3, working distance is 3.3 mm
plastic containers (with lids)	Fisher	#14-375-148	to store tetramethylammonium standard solutions and microelectrodes
platform and x-y translation stage for fixed-stage microscope	EXFO	Gibraltar Burleigh	platform holds slice chamber, micromanipulators and accesorries, x-y translational stage moves microscope without compromising recording stability
porous minicup			for RTI measurements in a dilute agarose gel; homemade
reusable adhesive	Bostik	Blu-Tack	for securing microelectrodes to holding vessel and other uses; various suppliers, available from Amazon
robotic micromanipulator with precise x,y,z positioning	Sutter Instruments	MP-285	two mircomanipulators are needed to hold separately ion-selective microelectrode and iontophoretic microelectrode. Also possible to glue micropipettes in a spaced array (see text).
signal conditioning unit with low-pass filter	Axon Instruments	CyberAmp 320 or 380	no longer available from the manufacturer but may be available from E-Bay; alternatives: e.g. FLA-01 Filter/Amplifier from Cygnus Technology. This is a single channel instrument with a minimum cutoff at 10 Hz using a multipole Bessel filter but the company may be willing to modify it for a lower cutoff frequency (2 Hz) if needed.
silver wire	A-M Systems	#7830	diameter 0.015", bare (no coating)
slice chamber	Harvard Apparatus	Warner Model RC-27L	this is submersion slice chamber; do not use interface slice chamber
stereomicroscope			for silanization and filling the tip of ion-selective barrel with liquid ion exchanger; horizontally mounted; various suppliers
syringe, 10 mL	BD	Syringes and Needles #309604	to backfill microelectrodes and for silanization; BD Luer-Lok tip
syringe filter 0.22µm pore	Whatman	#6780-1302	to filter backfill solutions; available from Fisher
syringe needle, 28 gauge, 97mm	World Precision Instruments	MicroFil MF28G-5	to backfill microelectrodes
Teflon (=PTFE) tubing	Component Supply	STT-28 PTFE tube light wall (28 gauge)	for silanization of ion-selective barrel; fits on BD PrecisionGlide needles 25 G x 5/8 in. Note: Teflon is essential, PVC tubing would melt by hot wax.
temperature control system	Harvard Apparatus	Warner Models TC-344B and SH-27A	TC-344B is a dual automatic temperature controller, SH-27A is an in-line heater; controller and heater work with Warner slice chambers
tetramethyammonium (TMA) chloride	Sigma-Aldrich	T-3411	5 M solution; CAUTION: acute toxicity (oral, dermal, inhalation), carcinogenicity, hazardous to the aquatic environment, see Sigma-Aldrich Safety Information for full description
vibrating blade microtome	Leica	VT1000S	to cut brain slices
xylenes	Fisher	X5-1	for silanization; CAUTION: flammable, acute toxicity (oral, dermal, inhalation), skin corrosion, eye damage, carcinogenicity, see Fisher Safety Information for full description