Ein<em&gt; Ex-vivo-</em&gt; Modell eines Oligodendrozyten-gerichtete T-Cell Attack in akuten Hirnschnitten

Zusammenfassung

To address mechanisms of demyelination and neuronal apoptosis in cortical lesions of inflammatory demyelinating disorders, different animal models are used. We here describe an ex vivo approach by using oligodendrocyte-specific CD8⁺ T-cells on brain slices, resulting in oligodendroglial and neuronal death. Potential applications and limitations of the model are discussed.

Zusammenfassung

Death of oligodendrocytes accompanied by destruction of neurons and axons are typical histopathological findings in cortical and subcortical grey matter lesions in inflammatory demyelinating disorders like multiple sclerosis (MS). In these disorders, mainly CD8⁺ T-cells of putative specificity for myelin- and oligodendrocyte-related antigens are found, so that neuronal apoptosis in grey matter lesions may be a collateral effect of these cells. Different types of animal models are established to study the underlying mechanisms of the mentioned pathophysiological processes. However, although they mimic some aspects of MS, it is impossible to dissect the exact mechanism and time course of ‘‘collateral’’ neuronal cell death. To address this course, here we show a protocol to study the mechanisms and time response of neuronal damage following an oligodendrocyte-directed CD8⁺ T cell attack. To target only the myelin sheath and the oligodendrocytes, in vitro activated oligodendrocyte-specific CD8⁺ T-cells are transferred into acutely isolated brain slices. After a defined incubation period, myelin and neuronal damage can be analysed in different regions of interest. Potential applications and limitations of this model will be discussed.

Einleitung

Death of oligodendrocytes and destruction of the myelin sheath accompanied by loss of neurons and axons are typical pathological findings in grey matter lesions in individuals suffering from multiple sclerosis (MS)^1,2. Cortical lesions can be divided so far in three different subtypes²: subpial, intracortical and leukocortical lesions. In comparison to white matter plaques, infiltrates are characterized by a predominance of CD8⁺ T-cells, suggesting their possible decisive role in grey matter inflammation³. Furthermore, oligoclonal expansions in blood, cerebrospinal fluid (CSF) and within inflammatory lesions can be found for CD8⁺ T-cells themselves^4-6.

In line with this, it is assumed that CD8⁺ T-cells may be specific for different myelin proteins^7,8. Indeed, CD8⁺ T-cells are found near oligodendrocytes and myelin sheaths^9,10 that show MHC I expression¹¹ and might therefore be responsible for the loss of the myelin sheath. This process is often seen together with extensive ‘‘collateral’’ neuronal and axonal damage within the central nervous system (CNS) grey matter^1,2. In fact, direct and indirect death of oligodendrocytes and neurons is induced by CD8⁺ T-cells via two different mechanism: (i) cell membrane swelling and rupture due to the formation of cytotoxic granules following the release of perforins and granzymes and (ii) ligation to the Fas receptors or exposition of FasL on their surface^8,12,13.

Different types of animal models are established to study the underlying mechanism of the mentioned processes. In this respect, primed CD8⁺ T-cells specific for autoantigens with induced expression in CNS glial cells, like oligodendrocytes or astrocytes, can be adoptively transferred to analyse ‘‘collateral’’ neuronal and axonal death in grey matter subsequently^14,15. To perform such in vivo experiments is a big help to mimic some pathophysiological aspects of MS, however, this approach is not suited to resolve the underlying mechanism and kinetics of axonal damage and neuronal apoptosis.

To overcome these restrictions, an ex vivo approach was established to study the mechanisms and time course of neuronal cell death following a oligondendrocytes-directed CD8⁺ T-cell attack. Since only oligodendrocytes and therefore myelin sheath production should be targeted by immune cells, MHC class-I-restricted, ovalbumin (OVA)-reactive OT-I Tcells are used¹⁶. These cells are subsequently transferred into brain slices obtained from mice selectively expressing OVA in oligodendrocytes (ODC-OVA mice)¹⁷.

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Protokoll

Alle Versuche mit Mäusen sollte in Übereinstimmung mit den Richtlinien der jeweiligen institutionellen Tierpflege und Verwendung Ausschuss durchgeführt werden.

1. Allgemeine Kommentare zu Maus Experimente

1. Halten Sie die Maus unter pathogenfreien Bedingungen und ihnen Zugang zu Futter und Wasser ad libitum.
   HINWEIS: Es ist wichtig, Alter und Geschlecht abgestimmte Mäuse in Versuchsgruppen zu verwenden, da immunologische Muster können mit Alter und Geschlecht variieren.

2. Herstellung und Aktivierung von OVA-spezifischen CD8 ⁺ T-Zellen (OT-I)

1. Führen Stimulation der OT-I T-Zellen, wie unter 5 Tage vor der Vorbereitung Hirnschnitten beschrieben.
   HINWEIS: ⁵ × 10 5 aktiviert Effektor CD8 ⁺ OT-I T-Zellen (CD8 ⁺ T-Zellen von transgenen Mäusen, die Anerkennung nur die OVA _{257-264-Peptid} im Kontext der MHC-I-Moleküle) pro Schicht benötigt Die Konzentration 5 x 10 ⁵ wurde Experiment gewählteVerbündeter als optimal ein, um eine gute Zell-Zell-Interaktion einmal bevorzugen, dass die Zellen beginnen, in die Scheibe der Migration und, zur gleichen Zeit, ist die Menge der Zellen nicht zu hoch ist, um eine Überreaktion ermöglicht Einzelzellzählung ^8,18 induzieren.
2. Bereiten Sie das Medium zur Kultivierung OT-I T-Zellen. Supplement 500 ml DMEM mit 5% fötalem Kälberserum (FCS), 10 mM HEPES, 2 mM L-Glutamin, 50 uM 2-Mercaptoethanol, 1% nicht-essentielle Aminosäuren und 25 & mgr; g / ml Gentamicin. Lagern Sie das Medium bei 4 ° C bis zur Verwendung.
3. Entfernen Sie die Milz von OT-I transgenen Mäusen nach Referenz ^16. Übertragen Sie sie in die vorbereitete Medium.
4. Generieren Einzelzellsuspension durch Maischen Milzen durch ein 70 um-Sieb und Zentrifugen Suspension bei 300 xg für 5 min, 4 ° C.
5. Inkubieren Zellsuspension mit 5 ml Ammoniumchlorid-Kalium (ACK) Puffer (150 mM NH ₄ Cl, 10 mM KHCO _3, 0,1 mM EDTA, pH 7,3) für 5 min, um rote Blutkörperchen zu lysieren.
6. Stoppen incubatiauf 10 ml Medium und zentrifugiert erneut wie oben beschrieben.
7. Verdünnte Zellsuspension in mittleren und berechnen Zahlen. Platten Zellen in einer Dichte von 3 x 10 ⁷ Zellen / Vertiefung in eine Platte mit 12 Vertiefungen und prime sie durch Inkubation mit OVA _257-264 (SIINFEKL; 1 nM) und Interleukin 2 (IL-2) (500 IU / ml) 5 Tage.
8. Nach 4 Tagen hinzuzufügen IL-2 in einer Konzentration von 500 IU / ml wieder.
9. Nach Stimulation reinigen OT-I-T-Zellen aus der Zellsuspension durch die Verwendung eines negativen Selektion basierend Maus CD8 ⁺ T-Zellisolations-Kit den Anleitungen des Herstellers. Die Reinigung wird auf die Verringerung von allen nicht-CD8 ^{+ -Zellen} mit einem Cocktail von Antikörpern gegen CD4, CD11b, CD11c, CD19, CD45R (B220), CD49b (DX5), CD105, MHC Klasse II, Ter-119 und TCRγ basierend / δ welche dann durch Verwendung von Magnetspalten zur Elution der gereinigten CD8 ⁺ T-Zellen verworfen werden.
   HINWEIS: Kritische Schritte in diesem procedure werden von den Herstellern angegeben: Es ist wichtig, daß die Reaktion beinhaltet nur einzelne Zellen, weil die Anwesenheit von Klumpen könnten die Spalte während des Elutionsschritts zu blockieren; Zählen der Zellen vor der Zugabe des Byotin Cocktail ist wichtig für den Grad der Reinheit der Probe, und die Prozedur sollte auf Eis durchgeführt, um unspezifische Antikörperbindungen minimieren.

3. Vorbereitung der akuten Hirnschnitten und Co-Kultur mit OT-I T-Zellen

1. Vor der Herstellung des akuten Hirnschnitten ^19, bereiten placedine eiskalter physiologischer Kochsalzlösung mit 200 mM Saccharose, 20 mM PIPES, 2,5 mM KCl, 1,25 mM NaH ₂ PO _4, 10 mM MgSO _4, 0,5 CaCl ₂ und 10 mM Dextrose und künstlicher Zerebrospinalflüssigkeit (ACSF) durch Verwendung von 125 mM NaCl, 2,5 KCl, 1,25 NaH ₂ PO _4, 24 mM NaHCO _3, 2 mM MgSO _4, 2 mM CaCl _2, 10 mM Dextrose. Der pH-Wert jeder Lösung auf 7,35 durch using NaOH. Vor Einstellung des pH der ACSF müssen Lösung mit einer Mischung aus 95% O ₂ und 5% CO ₂ gesprudelt werden.
2. Vorkühlung des Lösungen.
3. Anesthetize 8 - 10 Wochen alten Mäusen (zB C57Bl / 6 als Kontrolle oder transgenen ODC-OVA Mäusen ¹⁷ mit der Inhalation mit 5,0% Isofluran, 5,0% Halothan oder injizieren 100 mg / kg Ketamin und 10 mg / kg Körpergewicht Xylazin über ip Wait für Anästhesie und verwenden eine Zehe Prise, um das Niveau der Anästhesie zu bewerten und zu enthaupten sie sofort. Euthanize die Mäuse nach institutionellen Tierpflege und verwenden Ausschuss Kriterien für Euthanasie.
4. Setzen Maus in Bauchlage. Desinfizieren und schneiden Kopfhaut sagittal. Öffnen Sie die Schädelknochen sagittal, entfernen Sie das Gehirn schnell mit Hilfe einer Schaufel und befestigen Sie es auf der Platte eines Vibratom mit Hilfe von Leim.
5. Füllen Sie den Teller mit der vorbereiteten placedine eiskalter physiologischer Kochsalzlösung.
6. Cut 300 um koronalen Scheiben mit dem Vibratom.
   Hinweis: Diese Vorgehensweise ist weißn, um lebensfähige intakte Gewebeproben für die funktionelle zelluläre Studien innerhalb eines Zeitintervalls von mindestens 8 h ^{19 bis 21} entsprechende ergeben. In der Tat, nach dieser Zeit, schon nach 6 Stunden ab der Zubereitung hat ergeben, verminderter Qualität, nämlich Veränderungen in einfachen und funktionalen Eigenschaften wie Aktionspotential Erzeugung und Ausbreitung.
7. Nach dem Schneiden, übertragen eine Scheibe sofort in jede Vertiefung einer 12-Well-Platte mit ACSF gefüllt.
8. Fügen Sie sorgfältig ⁵ × 10 5 OT-I T-Zellen pro Scheibe.
9. Scheiben Inkubieren für bis zu 8 h in einem Brutschrank (37 ° C, 5% CO _2).
10. Nach der Inkubationszeit, Ernte Scheiben schneiden und mit Hilfe OCT-Verbindung Tissue-Tek betten sie und frieren sie in flüssigem Stickstoff. Im Kühlschrank bei -20 ° C für die weitere histologische Untersuchungen zu Beispiel auszuwerten neuronale Struktur (zB unter Verwendung von Anti-MAPII oder Anti-Synaptophysin-Antikörper) oder Apoptose (zB mit Anti-Caspase-3-Antikörpern und Anti-Anti NeuNStellen) nach Standardverfahren.

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Ergebnisse

Nach einer Inkubation von Gehirnschnitten mit Oligodendrozyten gerichtete CD8 ⁺ T-Zellen, Oligodendrozyten und Neuronen Apoptose (2A bzw. 1C). Histologische Anzeichen von Apoptose (zB Caspase-3, Tunel) kann frühestens nach 3 h Inkubation nachgewiesen werden. Inkubationszeit sollte, um eine gute Qualität der Vorbereitung und reproduzierbare Ergebnisse garantieren nicht länger als 8 Stunden sein. Apoptotischen Zellen kann auf der ganzen Scheibe mit Übergewicht in m...

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Diskussion

Verschiedene Tiermodelle haben in den letzten Jahrzehnten, die pathologischen Merkmale der entzündlichen demyelinisierenden Erkrankungen wie MS-Adresse beschrieben. In-vivo-Maus- und Rattenmodelle sind weit verbreitet, um pathophysiologische Merkmale der Krankheit nachahmen, nämlich Analyse der Folgen der Demyelinisierung und Remyelinisierung Prozesse und der vermischten Episoden von Entzündungen und Neurodegeneration. Trotzdem nur eine ex vivo Ansatz erlaubt es, die genauen zugrunde liegenden Mecha...

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Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
12-Well plate	Corning	3513
2-Mercaptoethanol	Gibco	31350-010
2-Methylbutan	Roth	3927.1
70 µm strainer	Falcon	352350
CaCl2	Merck	1.02382.0500	calcium chloride
CD8+-isolation kit	Miltenyi Biotech	130-090-859
D(+)-glucose	Merck	1.08337.1000
DMEM	Gibco	31966-021	warm in 37 °C water bath before use
EDTA	Sigma	E5134
FCS	PAA Laboratories	A15-151	fetal calve serum
Gentamicin	Gibco	15750-060
HEPES 1 M	Gibco	15630-050
IL-2	Peprotech	212-12
Isofluran	Abbott	05260-05
KCl	Merck	1.04933.0500	potassium chloride
KHCO3	Sigma	P9144	potassium hydrogen carbonate
L-Glutamine	Gibco	35050-038
MgSO4	Merck	1.05886.0500	magnesium sulfate
NaCl	Sigma	31434	sodium chloride
NaH2PO4 * H2O	Merck	1.06346.0500	sodium hydrogen phosphate
NaHCO3	Merck	1.06329.0500	sodium hydrogen carbonate
NaOH	Merck	1.09137.1000	sodium hydroxide
NH4Cl	Sigma	213330	ammonium chloride
Non essential amino acid	Gibco	11140-050
OVA (257-264)	Genscript	RP10611	ovalbumin
PIPES	Sigma	P6757
Sucrose	Merck	1.07687.1000
Tissue-Tek OCT	Sakura	4583