Summary

Tillförlitlig isolering av mikrokärl i centralanervsystemet över fem ryggradsdjur

Published: January 12, 2020
doi:

Summary

Målet med detta protokoll är att isolera mikrofartyg från flera regioner i det centralanervsystemet hos lissencephalic och gyrencephalic-ryggradsdjur.

Abstract

Isolering av mikrokärl från centralanervsystemet (CNS) utförs vanligen genom att kombinera kortikal vävnad från flera djur, oftast gnagare. Detta tillvägagångssätt begränsar förhör av blod-hjärnbarriären (BBB) egenskaper till cortex och tillåter inte för individuell jämförelse. Detta projekt fokuserar på utveckling av en isoleringsmetod som möjliggör jämförelse av neurovaskulär enhet (NVU) från flera CNS regioner: cortex, cerebellum, Optic Lobe, hypotalamus, hypofys, hjärnstammen, och ryggmärgen. Dessutom, detta protokoll, ursprungligen utvecklades för murina prover, framgångsrikt anpassats för användning på CNS-vävnader från små och stora ryggradsdjur som vi också kan isolera mikrofartyg från hjärnhalvan vit materia. Denna metod, när den paras ihop med immunolabeling, möjliggör kvantifiering av proteinuttryck och statistisk jämförelse mellan individer, vävnadstyp, eller behandling. Vi bevisade denna tillämplighet genom att utvärdera förändringar i proteinuttryck under experimentell autoimmun encefalomyelit (EAE), en murin modell av en neuroinflammatorisk sjukdom, multipel skleros. Dessutom kan mikrofartyg som isolerats med denna metod användas för nedströmsprogram som qPCR, RNA-SEQ och Western blot, bland annat. Även om detta inte är det första försöket att isolera CNS mikrofartyg utan användning av ultracentrifugering eller enzymatisk dissociation, det är unikt i sin adeptness för jämförelsen av enskilda individer och flera CNS regioner. Därför, det gör det möjligt för utredning av en rad skillnader som annars kan förbli oklara: CNS portioner (cortex, cerebellum, optisk LOB, hjärnstammen, hypotalamus, hypofys, och ryggmärgen), CNS vävnad typ (grå eller vit materia), individer, experimentella behandlingsgrupper och arter.

Introduction

Vår hjärna är den viktigaste orgeln i vår kropp. Av denna anledning, hålla hjärnan homeostas trots yttre faktorer som kan utlösa en avvikelse från normalitet är en prioritet. Enligt vissa forskare, cirka 400 – 500 miljoner år sedan1, ryggradsdjur utvecklat vad vi nu känner som blod-hjärnbarriären (BBB)2,3. Detta skyddande “staket” utövar det största inflytandet över centralanervsystemet (CNS) homeostas och funktioner genom att tätt reglera transporten av joner, molekyler, och celler mellan blod och CNS parenkymet. När BBB störs, hjärnan blir mottagliga för toxisk exponering, infektion, och inflammation. Därför är BBB dysfunktion förknippad med många, om inte alla, neurologiska och neurologiska utvecklingsstörningar4,5,6.

Den sofistikerade funktionen av BBB tillskrivs den unika CNS mikrovaskulatur formas av neurovaskulära enhet (NVU)2,3. Mycket specialiserade endotelceller, pericyter, och astrocytic slutet av fötterna är de cellulära komponenterna i NVU2,3. Den extracellulära matris som genereras av dessa celler är också viktigt att NVU och BBB fysiologi2,3. Även om viktiga cellulära och molekylära komponenter i NVU bevaras bland ryggradsdjur, rapporteras heterogenitet bland order och arter7,8. Men tekniska begränsningar hindrar vår förmåga att till fullo beakta dessa skillnader i neurobiologi, biomedicinsk eller translationell forskning.

På grund av detta utökade vi en CNS regionspecifika microvessel-isoleringsmetod för att göra den tillämplig på många arter från alla fem ryggradsdjur grupper: fisk, amfibier, reptiler, fåglar och däggdjur. Protokollet beskrivs för användning på små-lissencephalic och stora gyrencephalic-ryggradsdjur, inklusive arter med translationell relevans9. Dessutom, vi inkluderar andra regioner i CNS som inte undersökts tidigare i detta sammanhang, men relevant för neurofysiologi och med oerhörda kliniska konsekvenser: hypotalamus, hypofysen, och vit materia. Slutligen testade vi kapaciteten hos denna isoleringsmetod som ett pålitligt verktyg för att identifiera förändringar i proteinuttryck längs med NVU och/eller BBB9,10,11. Som ett proof-of-koncept, visade vi hur man bestämmer förändringar i VCAM-1 och JAM-B uttryck under EAE med isolerings metoden följt av immunofluorescens.

Protocol

Alla förfaranden i denna studie är i enlighet med de riktlinjer som fastställts av University of California (UC), Davis institutionella djuromsorg och användning kommittén (IACUC). Djuromsorg på UC Davis regleras av flera oberoende resurser och har ackrediterats fullt ut av föreningen för bedömning och ackreditering av laboratoriedjur omsorg International (AAALAC) sedan 1966. Svin CNS vävnader erhölls från UCD Institutionen för djur vetenskaper, kött vetenskap laboratorium. CNS-vävnader från Rhesus makake…

Representative Results

Mikrofartyg isolerade från murin CNS visade alla inneboende cellulära komponenter i neurovaskulär enhet2,3. Använda antingen trombocyt endotelcelladhesion molekyl-1 (PECAM, även känd som CD31) eller isolectin IB4 (ett glykoprotein som binder endotelcellglykocalyx) för endotelceller, trombocythärledd tillväxtfaktor-β (PDGFRβ) eller neuron-Glial antigen 2 (NG2) för pericyter och aquaporin-4 (AQP4) för astrocytiska änd …

Discussion

BBB innehåller de unika egenskaperna hos hjärnans mikrovaskulatur endotelceller i kombination med en sofistikerad arkitektur av tight-, anhängare-, “Peg-socket”-korsningar, och vidhäftning plack kritisk för CNS homeostas2,3,19. Endotelceller egenskaper induceras och upprätthålls av pericyter och den omgivande astroglia slutet fot processer2,3,<sup class…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Dr Cruz-Orengo stöddes av University of California, Davis, skolan för veterinärmedicin starta upp medel.

Materials

10X PBS ThermoFisher BP39920 Used for blocking and antibody diluent.
20% PFA Electron Microscopy Sciences 15713-S Used as fixative (4% PFA)
70,000 MW Dextran Millipore Sigma 9004-54-0 Used for MV-2 solution
Adson Forceps Fine Science Tools (FST) 11006-12 Used for removal of muscle and skin
Adson Forceps, student quality FST 91106-12 Same as above but cheaper
Bovine serum albumin (BSA) Millipore Sigma A7906-100G Used for MV-3 solution, blocking and antibody diluent
Corning 100 μm Cell strainer Millipore Sigma CLS431752-50EA
Corning 70 μm Cell strainer Millipore Sigma CLS431751-50EA
Corning Deskwork low-binding tips Millipore Sigma CLS4151 Same as below but cheaper.
Cultrex Poly-D-Lysine R&D 3439-100-01 Used for slide coating
Donkey anti-Goat IgG-ALEXA 555 Thermo A21432 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Mouse IgG-ALEXA 488 Thermo A21202 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Rabbit IgG-ALEXA 488 Thermo A21206 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Rabbit IgG-ALEXA 647 Thermo A31573 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Donkey anti-Rat IgG-DyLight 650 Thermo SA5-10029 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Double-Pronged Tissue Pick FST 18067-11 Used for removal of meninges and choroid plexus
Dumont #3c Forceps FST 11231-20 Used for more delicate and/or small CNS tissue handling (like pituitary)
Dumont #7 Forceps FST 11274-20 Used for CNS tisssue dissection and handling
Dumont #7 Forceps, student FST 91197-00 Same as above but cheaper
ep Dualfilter T.I.P.S. LoRetention Tips Eppendorf 22493008 Better quality than the tips above (more expensive).
Extra Fine Graefe Forceps, serrated FST 11151-10 Used for bone removal
Fine Scissors, sharp FST 14060-09 Used for removal of pig and macaque dural sac
Glass Pestle 1.5 mL Microcentrifuge Tube Tissue Grinder Homogenizer, Pack of 10 Chang Bioscience Inc. (eBay) GP1.5_10 Used for small vetebrate hypothalus and pituitary.
Goat anti-CXCL12, biotinylated PeproTech 500-P87BGBT Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution: 1:20.
Goat anti-JAM-B R&D AF1074 Used as primary antibody to assess neuroinflammation. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Goat anti-Mouse IgG-ALEXA 488 Thermo A11001 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-Mouse IgG-ALEXA 555 Thermo A21424 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-PDGFRβ R&D AF1042 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Goat anti-Rabbit IgG-ALEXA 555 Thermo A21249 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-Rabbit IgG-DyLight 488 Thermo 35552 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Goat anti-Rat IgG-DyLight 650 Thermo SA5-10021 Used as secondary antibody. Recommended dilution of 1:200.
Graefe Forceps, curved tip, 1X2 teeth FST 11054-10 Use for nylon filter net holding and shaking
HBSS, 1X buffer with calcium and magnesium Corning 21-022-CM Used for MV-1 solution
HEPES, 1M liquid buffer Corning 25-060-CI Used for MV-1 solution
Isolectin GS-IB4-Biotin-XX ThermoFisher Scientific (Thermo) I21414 Glycoprotein isolated from legume Griffonia simplicifolia that binds D-galactosyl residues of endothelial cell glycocalysx. Used for avian and porcine CNS microvessels. Recommended concentration: 5 μg/mL.
LaGrange Scissors, serrated FST 14173-12 Used for skull dissection and laminectomy (except pig and macaque)
Millicell EZ slide 8-well unit Millipore Sigma PEZGS0816
Mouse anti-CLDN5 Thermo 35-2500 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Mouse anti-GGT1 Abcam ab55138 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Mouse anti-Human CD31 R&D BBA7 Used as primary antibody on primate CNS microvessels. Recommended concentration: 16.5 μg/mL.
Mouse anti-NFM Thermo RMO-270 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Mouse anti-αSMA Thermo MA5-11547 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Nylon Filter Net, roll Millipore Sigma NY6000010 Laser-cut to 13 mm diameter filter net discs. Used for small vetebrate hypothalus and pituitary.
Nylon Filter Nets, 25 mm Millipore Sigma NY2002500 Used on most small vertebrates CNS tissues, except hypothalamus and pituitary. Used for macaque and pig hypothalamus and pituitary.
Nylon Filter Nets, 47 mm Millipore Sigma NY2004700 Used for macaque and pig CNS tissues, except hypothalamus and pituitary.
ProLong Gold antifade reagent with DAPI ThermoFisher P36935 Used to coverslip slides.
Rabbit anti-AQP4 Millipore Sigma A5971 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Rabbit anti-LSR Millipore Sigma SAB2107967 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rabbit anti-NG2 Millipore Sigma AB5320 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Rabbit anti-OSP Abcam ab53041 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 1 μg/mL.
Rabbit anti-VE-Cadherin Abcam ab33168 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rabbit anti-ZO-1 Thermo 61-7300 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rat anti-CD31 Becton Dickinson BD 550274 Used as primary antibody for murine CNS microvessels. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Rat anti-GFAP Thermo 13-0300 Used as primary antibody on CNS microvessels from all specimens. Recommended dilution of 1:200.
Rat anti-VCAM-1 Becton Dickinson BD 553329 Used as primary antibody to assess neuroinflammation. Recommended concentration: 5 μg/mL.
Sterile Ringer's Solution, Frog Aldon Corporation IS5066 Used for amfibian anesthesia
Streptavidin-ALEXA 555 Thermo S32355 Used as secondary antibody to label biotinylated primary antibodies. Recommended dilution of 1:500.
Streptavidin-ALEXA 647 Thermo S32357 Used as secondary antibody to label biotinylated primary antibodies. Recommended dilution of 1:500.
Surgical Scissors, sharp FST 14002-12 Used for removal of muscle and skin
Surgical Scissors, sharp-blunt FST 14001-16 Used for decapitation (except pig and macaque)
Swinnex Filter Holder, 13 mm Millipore Sigma SX0001300 Modified by laser-cut. Used for small vetebrate hypothalus and pituitary.
Swinnex Filter Holder, 25 mm Millipore Sigma SX0002500 Modified by laser-cut. Used on most small vertebrates CNS tissues, except hypothalamus and pituitary. Used for macaque and pig hypothalamus and pituitary.
Swinnex Filter Holder, 47 mm Millipore Sigma SX0004700 Modified by laser-cut. Used for macaque and pig CNS tissues, except hypothalamus and pituitary.
Triton X-100 ThermoFisher 50-165-7277 Used for blocking and antibody diluent.
Wheaton 120 Vac Overhead Stirrer VWR (Supplier DWK Life Sciences) 62400-904 (DWK #903475) Used for macaque and pig CNS tissues with 55 mL tissue grinder, except hypothalamus and pituitary.
Wheaton Potter-Elvehjem tissue grinder with PTFE pestle, 10 mL VWR (Supplier DWK Life Sciences) 14231-384 (DWK #357979) Used on most small vertebrates CNS tissues, except hypothalamus and pituitary. Used for macaque and pig hypothalamus and pituitary.
Wheaton Potter-Elvehjem tissue grinder with PTFE pestle, 55 mL VWR (Supplier DWK Life Sciences) 14231-372 (DWK #357994) Used for macaque and pig CNS tissues, except hypothalamus and pituitary.

References

  1. Bundgaard, M., Abbott, N. J. All vertebrates started out with a glial blood-brain barrier 4-500 million years ago. Glia. 56, 699-708 (2008).
  2. Daneman, R., Prat, A. The blood-brain barrier. Cold Spring Harbor Perspectives in Biology. 7, a020412 (2015).
  3. Obermeier, B., Verma, A., Ransohoff, R. M. The blood-brain barrier. Handbook of Clinical Neurology. 133, 39-59 (2016).
  4. Kealy, J., Greene, C., Campbell, M. Blood-brain barrier regulation in psychiatric disorders. Neuroscience Letters. , (2018).
  5. Sweeney, M. D., Kisler, K., Montagne, A., Toga, A. W., Zlokovic, B. V. The role of brain vasculature in neurodegenerative disorders. Nature Neuroscience. 21, 1318-1331 (2018).
  6. Sweeney, M. D., Zhao, Z., Montagne, A., Nelson, A. R., Zlokovic, B. V. Blood-Brain Barrier: From Physiology to Disease and Back. Physiological Reviews. 99, 21-78 (2019).
  7. Wilhelm, I., Nyul-Toth, A., Suciu, M., Hermenean, A., Krizbai, I. A. Heterogeneity of the blood-brain barrier. Tissue Barriers. 4, e1143544 (2016).
  8. O’Brown, N. M., Pfau, S. J., Gu, C. Bridging barriers: a comparative look at the blood-brain barrier across organisms. Genes & Development. 32, 466-478 (2018).
  9. Cruz-Orengo, L., et al. CXCR7 influences leukocyte entry into the CNS parenchyma by controlling abluminal CXCL12 abundance during autoimmunity. Journal of Experimental Medicine. 208, 327-339 (2011).
  10. Serres, S., et al. VCAM-1-targeted magnetic resonance imaging reveals subclinical disease in a mouse model of multiple sclerosis. FASEB Journal. 25, 4415-4422 (2011).
  11. Tietz, S., Engelhardt, B. Brain barriers: Crosstalk between complex tight junctions and adherens junctions. Journal of Cell Biology. 209, 493-506 (2015).
  12. Sohet, F., et al. LSR/angulin-1 is a tricellular tight junction protein involved in blood-brain barrier formation. Journal of Cell Biology. 208, 703-711 (2015).
  13. Cruz-Orengo, L., et al. Enhanced sphingosine-1-phosphate receptor 2 expression underlies female CNS autoimmunity susceptibility. Journal of Clinical Investigation. 124, 2571-2584 (2014).
  14. Dayton, J. R., Franke, M. C., Yuan, Y., Cruz-Orengo, L. Straightforward method for singularized and region-specific CNS microvessels isolation. Journal of Neuroscience Methods. 318, 17-33 (2019).
  15. Smyth, L. C. D., et al. Markers for human brain pericytes and smooth muscle cells. Journal of Chemical Neuroanatomy. 92, 48-60 (2018).
  16. Granberg, T., et al. In vivo characterization of cortical and white matter neuroaxonal pathology in early multiple sclerosis. Brain. 140, 2912-2926 (2017).
  17. Datta, G., et al. Neuroinflammation and its relationship to changes in brain volume and white matter lesions in multiple sclerosis. Brain. 140, 2927-2938 (2017).
  18. Tommasin, S., Gianni, C., De Giglio, L., Pantano, P. Neuroimaging Techniques to Assess Inflammation in Multiple Sclerosis. Neuroscience. 403, 4-16 (2019).
  19. Liebner, S., et al. Functional morphology of the blood-brain barrier in health and disease. Acta Neuropathologica. 135, 311-336 (2018).
  20. Cornford, E., Hyman, S. Localization of brain endothelial luminal and abluminal transporters with immunogold electron microscopy. NeuroRx. 2, 27-43 (2005).
  21. Boulay, A. C., Saubamea, B., Decleves, X., Cohen-Salmon, M. Purification of Mouse Brain Vessels. Journal of Visualized Experiments. , 53208 (2015).
  22. Paul, D., Cowan, A. E., Ge, S., Pachter, J. S. Novel 3D analysis of Claudin-5 reveals significant endothelial heterogeneity among CNS microvessels. Microvascular Research. , (2012).
  23. Munikoti, V. V., Hoang-Minh, L. B., Ormerod, B. K. Enzymatic digestion improves the purity of harvested cerebral microvessels. Journal of Neuroscience Methods. 207, 80-85 (2012).
  24. Yousif, S., Marie-Claire, C., Roux, F., Scherrmann, J. M., Decleves, X. Expression of drug transporters at the blood-brain barrier using an optimized isolated rat brain microvessel strategy. Brain Research. 1134, 1-11 (2007).
  25. Bourassa, P., Tremblay, C., Schneider, J. A., Bennett, D. A., Calon, F. Beta-amyloid pathology in human brain microvessel extracts from the parietal cortex: relation with cerebral amyloid angiopathy and Alzheimer’s disease. Acta Neuropathologica. 137, 801-823 (2019).
  26. Porte, B., et al. Proteomic and transcriptomic study of brain microvessels in neonatal and adult mice. PLoS One. 12, e0171048 (2017).

Play Video

Cite This Article
Yuan, Y., Dayton, J. R., Freese, M., Dorflinger, B. G., Cruz-Orengo, L. Reliable Isolation of Central Nervous System Microvessels Across Five Vertebrate Groups. J. Vis. Exp. (155), e60291, doi:10.3791/60291 (2020).

View Video