In dieser Arbeit werden zwei optimierte Protokolle für die Untersuchung von residenten und peripher abgeleiteten Immunzellen innerhalb des zentralen Nervensystems, einschließlich des Gehirns, des Rückenmarks und der Hirnhäute, vorgestellt. Jedes dieser Protokolle trägt dazu bei, die Funktion und Zusammensetzung der Zellen zu bestimmen, die diese Kompartimente unter stationären und entzündlichen Bedingungen besetzen.
Das zentrale Nervensystem (ZNS) besteht aus Gehirn und Rückenmark und wird von den Hirnhäuten umhüllt, membranösen Schichten, die als Barriere zwischen der Peripherie und dem ZNS dienen. Das ZNS ist eine immunologisch spezialisierte Stelle, und unter stationären Bedingungen ist das Immunprivileg im ZNS-Parenchym am deutlichsten. Im Gegensatz dazu beherbergen die Hirnhäute eine Vielzahl von residenten Zellen, darunter angeborene und adaptive Immunzellen. Bei entzündlichen Erkrankungen, die durch ZNS-Verletzungen, Autoimmunitäten, Infektionen oder sogar Neurodegeneration ausgelöst werden, können peripher gewonnene Immunzellen in das Parenchym eindringen und sich in den Hirnhäuten einnisten. Es wird angenommen, dass diese Zellen während der Pathogenese der ZNS-Erkrankung sowohl nützliche als auch schädliche Wirkungen ausüben. Trotz dieses Wissens werden die Hirnhäute bei der Analyse des ZNS-Kompartiments oft übersehen, da herkömmliche ZNS-Gewebeextraktionsmethoden die Hirnhautschichten auslassen. Dieses Protokoll stellt zwei unterschiedliche Methoden für die schnelle Isolierung von murinem ZNS-Gewebe (d. h. Gehirn, Rückenmark und Hirnhäute) vor, die für die nachgeschaltete Analyse mittels Einzelzelltechniken, Immunhistochemie und In-situ-Hybridisierungsmethoden geeignet sind. Die beschriebenen Methoden bieten eine umfassende Analyse von ZNS-Geweben, ideal für die Beurteilung des Phänotyps, der Funktion und der Lokalisation von Zellen, die das ZNS-Kompartiment unter homöostatischen Bedingungen und während der Krankheitspathogenese besetzen.
Das Zentralnervensystem (ZNS) ist ein immunologisch spezialisiertes Zentrum. Das ZNS-Parenchym, mit Ausnahme des Liquorraums, der Hirnhäute und des Gefäßsystems, wird klassischerweise als immunprivilegierte Stelle angesehen 1,2,3,4,5 und ist unter homöostatischen Bedingungen relativ frei von Immunzellen 2,6,7. Im Gegensatz dazu sind die Hirnhäute, bestehend aus Dura-, Arachnoidal- und Pia-Schichten, entscheidende Bestandteile des ZNS-Kompartiments und nehmen aktiv an der homöostatischen Immunüberwachung und an Entzündungsprozessen während der Krankheitspathogenese teil 3,6,7,8. Unter stationären Bedingungen unterstützen die Hirnhäute zahlreiche Immunwächterzellen, darunter angeborene lymphatische Zellen (ILC), Makrophagen, dendritische Zellen (DC), Mastzellen, T-Zellen und in geringerem Maße B-Zellen 9,10,11.
Die Hirnhäute sind stark vaskularisierte Strukturen und enthalten Lymphgefäße, die eine lymphatische Verbindung zwischen dem ZNS und seiner Peripherie herstellen 8,12,13,14. Bei entzündlichen Erkrankungen, die durch ZNS-Verletzungen, Infektionen, Autoimmunität oder sogar Neurodegeneration hervorgerufen werden, infiltrieren peripher gewonnene Immunzellen das Parenchym und verändern die Immunlandschaft innerhalb der Hirnhäute. Nach der Zellinfiltration können die Hirnhäute eine funktionelle Nische für peripher gewonnene Immunzellen darstellen, die die Aggregation von Immunzellen, die lokale Aktivierung von Immunzellen und das langfristige Überleben im ZNS-Kompartiment fördern. Eine ausgeprägte meningeale Entzündung wird bei mehreren Erkrankungen des ZNS beobachtet, darunter Multiple Sklerose (MS)15,16,17,18,19, Schlaganfall 20,21, sterile Verletzung 22,23 (d. h. Rückenmarksverletzung und Schädel-Hirn-Trauma), Migräne 24 und mikrobielle Infektion 25,26.27,28,29. Daher ist die Charakterisierung von residenten Zellen und peripher abgeleiteten Immunzellen im meningealen Kompartiment essentiell für das Verständnis der Rolle dieser Zellen unter stationären Bedingungen und der Krankheitspathogenese.
Die Entnahme von Gehirn, Rückenmark und Hirnhäuten aus Schädel und Wirbelkörpern ist technisch anspruchsvoll und zeitaufwendig. Derzeit gibt es keine Techniken für die schnelle Entnahme des Gehirns, bei dem alle drei Hirnhautschichten intakt sind. Während die Laminektomie eine hervorragende Morphologie des Rückenmarksgewebes ergibt und die Hirnhautschichten erhält, ist sie sowohl extrem zeitaufwändig als auch kompliziert30,31. Umgekehrt erleichtern konventionellere Extraktionsmethoden wie die Entfernung des Gehirns aus dem Schädel und die hydraulische Extrusion des Rückenmarks die schnelle Entnahme des ZNS-Gewebes, aber sowohl die Arachnoidal- als auch die Duralhirnhäute gehen bei diesen Techniken verloren30,31. Der Verzicht auf Dura- und Arachnoidalschichten bei der konventionellen Isolierung von Hirn- und Rückenmarksgewebe führt zu einer unvollständigen Analyse der Zellen innerhalb des ZNS-Kompartiments. Daher ist die Identifizierung neuer Techniken, die sich auf die schnelle Extraktion von ZNS-Gewebe mit intakten Hirnhäuten konzentrieren, entscheidend für die optimale Analyse des ZNS-Kompartiments.
In diesem Manuskript werden zwei Methoden zur schnellen Extraktion von Gehirn, Rückenmark und Hirnhäuten aus Mäusen vorgestellt, die die nachgeschaltete Analyse von residenten Zellen und peripher abgeleiteten Immunzellen im ZNS-Parenchym und in den Hirnhäuten erleichtern. Diese optimierten Protokolle konzentrieren sich auf 1) die Isolierung von Einzelzellsuspensionen für die nachgelagerte Analyse und 2) die Vorbereitung des Gewebes für die histologische Verarbeitung. Die Gewinnung von Einzelzellsuspensionen aus dem Gehirn, dem Rückenmarksgewebe und den Dural- und Arachnoidalmenhäuten32 ermöglicht die gleichzeitige Analyse von Zellen, die sich sowohl im Parenchym- als auch im Meningealkompartiment befinden. Einzelzellsuspensionen können in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden, darunter Zellkulturassays zur Durchführung von In-vitro-Stimulation 33, Enzyme-Linked Immunospot (ELISpot)28,34,35, Durchflusszytometrie 36,33 und Einzelzell- 37 oder Bulk-Transkriptomik. Darüber hinaus ermöglicht das optimierte Protokoll zur Entkalkung ganzer Gehirne und Rückenmarks mit intakten Schädeln bzw. Wirbelsäulen eine schonende Entkalkung des umgebenden Knochens, wobei die Hirnhäute intakt bleiben und die Gewebemorphologie erhalten bleibt. Diese Methode ermöglicht die selektive Identifizierung von Proteinen oder RNA mittels Immunhistochemie (IHC) oder In-situ-Hybridisierung (ISH) sowohl im Parenchym- als auch im Meningealraum. Die Charakterisierung des Phänotyps, des Aktivierungszustands und der Lokalisation von residenten Zellen und peripher abgeleiteten Immunzellen innerhalb des ZNS kann Informationen liefern, die für das Verständnis unerlässlich sind, wie einzelne Zelltypen im ZNS-Kompartiment zur Homöostase und Krankheitspathogenese beitragen.
Methoden zur Bewertung der zellulären Zusammensetzung im ZNS-Kompartiment während der Homöostase und Krankheit sind essentiell für das Verständnis der physiologischen und pathologischen Zustände des ZNS. Obwohl sie als wichtige Barriere im ZNS dienen und eine Vielzahl von Immunzellen beherbergen, werden die Hirnhäute oft von der Analyse ausgeschlossen, da viele herkömmliche Gewebeentnahmemethoden für Gehirn und Rückenmark die Entnahme dieser Membranen nicht zulassen. Diese Auslassung ist eine entscheidende Eins…
The authors have nothing to disclose.
Die Autoren danken den Mitarbeitern des Center for Comparative Medicine and Research (CCMR) in Dartmouth für die fachkundige Betreuung der Mäuse, die für diese Studien verwendet wurden. Der Bornstein Forschungsfonds förderte diese Forschung.
Aluminum foil | any | N/A | |
Bovine Serum Albumin | ThermoFisher Scientific | 37002D | |
Centrifuge | Beckman Coulter | Allegra X-12R centrifuge | |
Collagenase I | Worthington | LS004196 | |
Conical tube, 15 mL | VWR | 525-1069 | |
Conical tube, 50 mL | VWR | 89039-658 | |
Cover glass | Hauser Scientific | 5000 | |
Cryomold | VWR | 18000-128 | |
Curved forceps | Fine Science Tools | 11003-14 | |
Disposable polystyrene tube, 14 mL | Fisher Scientific | 14-959-1B | |
Disposable Scalpel | Fisher Scientific | NC0595256 | |
DNAse I | Worthington | LS002139 | |
Dry ice | Airgas | N/A | |
Durmont #7Forceps | Fine Science Tools | 11271-30 | |
EDTA disodium salt dihydrate | Amresco | 0105-500g | |
Ethanol, 100% | any | N/A | |
Fetal Bovine Serum (FBS) | Hyclone | SH30910.03 | |
Filter top tube, 5 mL | VWR | 352235 | |
Fixable viability stain 780 | Becton Dickinson | 565388 | |
Flow cytometer | Beckman Coulter | Gallios | |
Glucose | Fisher Chemical | D16-500 | |
Goat anti-mouse IgG (488 conjugate) | Jackson immunoresearch | 115-546-146 | |
Goat anti-mouse IgG (594 conjugate) | Jackson immunoresearch | 115-586-146 | |
Goat anti-rabbit 488 | Jackson immunoresearch | 111-545-144 | |
Goat anti-rat 594 | Jackson immunoresearch | 112-585-167 | |
Goat anti-rat 650 | Jackson immunoresearch | 112-605-167 | |
Hank's Balnced Salt Solution (HBSS) | Corning | 21-020-CV | |
Hemacytometer | Andwin Scientific | 02-671-51B | |
Hemostat | Fine Science Tools | 13004-14 | |
HEPES (N-2-hydroxyethylpiperazine-N-2-ethane sulfonic acid) | ThermoFisher Scientific | 15630080 | |
KCl | Fisher chemical | BP366-500 | |
KH2PO4 (anhydrous) | Sigma Aldrich | P5655-100G | |
Liquid Nitrogen | Airgas | N/A | |
Mouse FC block (CD16/32) | Becton Dickinson | 553141 | |
Na2HP04 (anhydrous) | Fisher Chemical | S374-500 | |
NaCl | Fisher chemical | S671-500 | |
Needle, 25 gauge | Becton Dickinson | 305122 | |
Normal mouse serum | ThermoFisher Scientific | 31881 | |
Nylon mesh strainer | VWR | 352350 | |
OCT | Sakura | 4583 | |
Paraformaldehyde, 20% | Electron Microscopy Sciences | 15713-S | Diluted to 4% using 1 x PBS |
Pasteur pipette, 9 inch, unplugged | Fisher Scientific | 13-678-20C | |
PBS (1x) | Corning | 21-040-CV | |
PE Rat Anti-Mouse CD4 | Becton Dickinson | 553730 | |
PE-CF594 Rat Anti-Mouse CD19 | Becton Dickinson | 562329 | |
Percoll density gradient media | GE healthcare | 17-0891-01 | |
PerCP-Cy5.5 Rat Anti-Mouse CD45 | Becton Dickinson | 550994 | |
Petri dish, 100 mm | VWR | 353003 | |
pH meter | Fisher Scientific | 13-636-AB150 | |
Pipet-Aid | Drummond Scientific Corporation | 4-000-101 | |
Pipette 200 µl | Gilson | FA10005M | |
Pipette tips, 1 mL | USA Scientific | 1111-2831 | |
Pipette tips, 200 µl | USA Scientific | 1111-1816 | |
Pipette, 1 mL | Gilson | FA10006M | |
Prolong Diamond mountant with DAPI | ThermoFisher Scientific | P36962 | |
Purified Rat Anti-Mouse CD16/CD32 | Becton Dickinson | 553141 | |
Rabbit anti-mouse CD3 (SP7 clone) | Abcam | ab16669 | |
Rabbit anti-mouse laminin | Abcam | ab11575 | |
Rat anti-mouse ERT-R7 | Abcam | ab51824 | |
RPMI 1640 | Corning | 10-040-CV | |
Serological pipet, 1 mL | VWR | 357521 | |
Serological pipet, 10 mL | VWR | 357551 | |
Serological pipet, 5 mL | VWR | 357543 | |
Sodium hydroxide | Fisher Scientific | S318-100 | |
Sucrose | Fisher chemical | S5-500 | |
Surgical scissors | Fine Science Tools | 14001-16 | |
Surgical scissors, extra fine | Roboz | RS-5882 | |
Syringe, 10 mL | Becton Dickinson | 302995 | |
Syringe, 5 mL | Becton Dickinson | 309646 | |
Trypan blue | Gibco | 15250-061 | |
Vacuum filter system | Millipore | 20207749 | |
Vacuum flask | Thomas Scientific | 5340-2L | |
Vacuum in-line filter | Pall Corporation | 4402 | |
Vacuum line | Cole Palmer | EW-06414-20 | |
Water bath | ThermoFisher Scientific | Versa bath |