神経細胞の初代培養

Primary Neuronal Cultures
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Primary Neuronal Cultures

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08:43 min
April 30, 2023

Overview

脳は非常に複雑な器官であるため、実験的操作や観察を行うにはよりシンプルなシステムが必要となります。その素晴らしいアプローチ法の一つが神経細胞の初代培養です。神経組織を切り出し、単一細胞へと単離してin vitroで育てるテクニックです。神経細胞やグリア細胞の初代培養を用いることで、遺伝子操作やタイムラプスイメージングなどのテクニックを利用した実験を容易に実施できます。これらの培養により、細胞間相互作用のような複雑な現象の研究も実施可能となります。

このビデオでは、神経細胞の初代培養法の主要ステップを紹介しています。まず目的組織を摘出し、機械的および化学的に組織を細かく分解し細胞を単離します。それから細胞を播種し適切な培養液を加えて育てていく手順をご覧いただけます。このビデオの最後では、培養細胞を利用したタンパク質輸送や形態変化の研究、さらに生きたニューロンを利用した電気生理学実験などの実験例を紹介しています。

Procedure

脳は体の中で最も複雑な器官といっても過言ではなく、実験をうまく進めるためにはシンプルなシステムが必要不可欠となります。細胞培養は、そんな実験系の一つであり、生きたニューロンへのアクセスを可能にします。一般に、培養液を用いて、無菌的に条件を整えたインキュベーターの中で育てていきます。初代培養とは、生物から切り出した組織の細胞を直接用いる培養法です。神経細胞の初代培養は多様な生物の様々な発生段階の神経組織を用いて行われます。

このビデオでは、神経細胞の初代培養法とこの培養法を用いた実験例を紹介していきます。

神経科学研究には欠かせない動物モデルの神経細胞が初代培養に用いられます。生物医学研究に最もよく利用されるのはマウスとラットで、これらの胎仔、赤ちゃん、大人の神経組織を培養します。胎仔と生まれたばかりの赤ちゃんの脳細胞は未成熟でストレスにも強いため培養により好まれます。

様々な神経系組織が単離され、いろいろな種類の神経細胞の初代培養が行われます。脳の特定部位、例えば小脳、大脳皮質、海馬などが単離されます。また、脊髄や末梢神経系の一部、例えば後根神経節などを培養して特定のニューロンを育てることもできます。

組織の由来にかかわらず、初代培養の手順は、通常大きく分けると次のステップで構成されます。摘出、細胞の単離、播種、メンテナンスです。

それでは手順を詳しく見ていきましょう。第一ステップは摘出です。培養のために組織を摘出するときは、コンタミネーションを防ぐために無菌状態を維持することが不可欠となります。器具はアルコールで消毒し、空気中の浮遊物を取り除くために通常クリーンベンチを利用します。齧歯類のニューロンを培養するには、安楽死させたばかりの動物から組織を取り出し、冷やした緩衝液に浸す必要があります。解剖顕微鏡を用いて海馬などの細かい組織を丁寧に切り出します。

次は、サンプルを処理し個々の細胞に単離する必須ステップです。まずはメス又はハサミで摘出組織を細かくします。その組織片を新しい容器に移します。そしてトリプシンやパパインなどのタンパク質分解酵素を加え、細胞に結合している細胞外マトリックスタンパク質を分解します。インキュベーター又はウォーターバスでインキュベーション後、組織片をバッファーで洗い酵素を除去します。

次は柔らかくなった組織片をバラバラにするトリチュレーションです。これはピペッティングを繰り返し組織から細胞を放出させる操作です

そのあと、トリパンブルーで染色して細胞をカウントし濃度と生存率を確認します。これは適切な細胞希釈倍率を設定するために役立ちます。

これでニューロンの培養準備が整いました。ここからは細胞を健康に維持するために重要な手順を確認しておきます。ニューロンを育てるには培養液の組成がポイントになります。ニューロンの生存と成長維持に必要な栄養分を培地に加えます。非神経細胞であるグリア細胞の増殖を阻止するために薬剤などを添加することもあります。

神経細胞懸濁液を培地と混合したら、播種するための容器を選択します。培養ディッシュやプレート又は容器の中にカバーガラスを設置して使用します。ニューロンはガラスの上で直接は成長できないため、カバーガラスは前もって細胞が接着し成長できるよう処理しておきます。それにはポリリジンとラミニンなどの合成細胞外マトリックスをコーティングする方法があります。また表面をザラザラにする酸腐食が使用されることもあります。

播種後は、温かく湿度を保てるインキュベーター内で培養します。数時間から数日後にニューロンの成長状態を確認します。培養を維持するために、1週間に1度は新しい培地に交換します。通常、初代培養の神経細胞は播種後数日から数週間のうちに実験に利用します。

それでは培養した神経細胞がどのような実験に利用されるのか見ていきましょう。

一般的なのはトランスフェクション又はウイルスによる形質導入です。例えば変移タンパク質をコードした遺伝子を培養神経細胞に導入し、神経機能を変化させることができます。また、二本鎖RNAのトランスフェクションはタンパク質発現を抑制するために効率的な手法です。遺伝子操作に利用できる方法と試薬は様々で、幅広く研究に利用することができます。

培養神経細胞にトランスフェクションすることで、特定のタンパク質又はタンパク質複合体が神経のどこに、そしてどうやって取り込まれるのか調べることができます。この実験ではGFPのような蛍光タンパク質で目的タンパク質が標識されるようコードしたDNAをニューロンに導入します。

そして蛍光標識タンパク質の移動パタンと局在性をライブイメージングを使って観察します。この手法は神経伝達物質受容体の細胞表面への輸送の研究などに利用されます。

さらに、神経細胞の初代培養は、単一細胞の電気的活動を微小電極で測定する電気生理学実験にも非常に有用です。培養ニューロンは単細胞層なので、一つの細胞を標的とし、薬剤などの刺激を素早く均等に加えることが容易になります。例えば、パッチクランプ法を利用して試験化合物が単一のニューロン活動に与える影響を調べることができます。

ここまで神経細胞の初代培養についてご覧いただきました。このビデオでは、細胞培養の手順と一般的な実験方法を紹介しました。神経細胞の初代培養には様々な組織が用いられます。細胞を単離したのちに培養液を加えてインキュベーター内で育てていく必須テクニックです。ご覧いただきありがとうございました。

Transcript

The brain is one of the most complex organs in the body, so neuroscientists often need a simpler system for experimental manipulations and observations. Cell culturing is one such system that enables easy access to living neurons. In general, culturing cells involves growing them in special solutions called culture media within a sterile, controllable environment – usually a warm incubator. A primary culture is one that is produced from tissue dissected from an organism. Different types of primary neuronal cultures can be made from a variety of animals, developmental stages and nervous system tissues.

This video will provide an introduction to the method of producing primary neuronal cultures and some of the experiments, which commonly use these cells.

Many of the animal models important to neuroscience research can be used to prepare primary neuronal cultures. With mice and rats – two of the most commonly used mammals in biomedical research – neuronal tissue from embryos, newborn pups, and adults can be dissected for culturing. Embryos and perinatal pups are typically preferred since the brain cells are immature and less susceptible to damage.

Various nervous system tissues can be isolated and used to produce different types of primary neuronal cultures. For example, specific parts of the brain can be dissected, such as the cerebellum, cortex and hippocampus. The spinal cord or components of the peripheral nervous system, such as the dorsal root ganglia, can also be dissected and cultured to grow specific types of neurons.

Regardless of the tissue source, the general method for producing primary neuronal cultures can be summarized in a few major steps: Dissection, dissociation, plating, and maintenance.

Let’s begin an in-depth review of these steps with the first one: Dissection. In preparing for the dissection and culturing steps, sterility is critical to prevent cultures from becoming contaminated. Tools must be sterilized with alcohol, and a laminar flow hood is often used to remove airborne contaminants.

For culturing rodent neurons, tissue should be removed from freshly euthanized animals into a cold, buffered salt solution. Using a dissecting microscope, smaller parts of the tissue – such as the hippocampi – can be carefully isolated for further processing.

Next, it’s necessary to break the sample down into its cellular components in a process known as dissociation. The dissected tissue is first minced using a scalpel or scissors. The resulting tissue pieces are then transferred to a new container. A proteolytic enzyme such as trypsin or papain is then added to digest the extracellular matrix proteins that bind the cells together. Following a short incubation in a warm incubator or water bath, the tissue pieces are gently washed with buffer to remove the enzymes.

The softened tissue pieces can now be dissociated by trituration, which involves passing the tissue through a pipet multiple times so that the cells are freed into a single cell suspension. At this point, the cells can be counted for concentration and checked for viability using stains like Trypan blue, which helps determine how much the suspension should be diluted for successful growth.

At last, the neurons are ready for culture! Let’s review some important measures that need to be taken in order to keep them alive and healthy. The composition of the culture media that is used to grow the neurons is very important. Special supplements that support neuronal survival and growth are usually added to the media. Other additives can include drugs that inhibit the division of non-neuronal cells such as glial cells.

After the neuronal cell suspension is mixed with the media, the cells are ready to be plated in the desired containers. These can include culture dishes and plates or glass coverslips placed inside these containers. Since neurons cannot grow directly on glass, the coverslips are treated beforehand to create better surfaces for cell attachment and growth. These treatments can include coating with synthetic extracellular matrix proteins; for example, poly-lysine and laminin; or acid etching to roughen the surface.

Once plated, the neurons are grown inside a warm, humidified incubator. The growth of neuronal processes can be observed within hours to days. To maintain the cultures, a portion of the culture media is replaced with fresh media about once a week. Typically, primary neuronal cultures are used for experiments anywhere from a few days to a few weeks after plating.

Now that you have neurons growing in cultures, what can you do with these cells?

One basic method commonly applied to neuronal cultures is genetic manipulation by transfection or viral transduction. Genetic material encoding, for example, a mutant protein, can be introduced into the cultured neurons to alter neuronal function. Alternatively, transfection with double stranded RNA is an effective technique for blocking protein expression. The availability of multiple methods and reagents for genetic manipulation make this a particularly valuable application for a wide variety of research questions.

An example question that can be addressed with transfections in neuronal cultures is: How and where are certain proteins or protein complexes trafficked to the neuron’s various morphological structures? To get at the answer, neurons are transfected with DNA encoding the protein of interest, which can be fused with a fluorescent protein such as green fluorescent protein or GFP. The movement patterns and localization of the fluorescently-tagged protein can then be monitored with live imaging. This method can be used to study, for example, the trafficking of neurotransmitter receptors to the cell surface.

Primary neuronal cultures are also very useful for electrophysiology studies, in which the electrical activity of single cells can be measured using microelectrodes. The single layer of neurons in a culture means that individual cells are easy to target, and manipulations such as pharmacological treatments are quickly and evenly applied. For example, the effect of a test compound on a single neuron’s activity can be measured with the patch clamp technique in cultured neurons.

You’ve just watched JoVE’s introduction to primary neuronal cultures. In this video, we’ve demonstrated how these cultures are prepared and the types of experiments for which they’re commonly used. Primary neuronal cultures can be made from a wide variety of tissue sources, typically using a method that involves dissection, dissociation into a cell suspension, and growing in culture media in incubators.

Thanks for watching!