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Die Xenopus laevis Kaulquappen-Rückenmarkstransektion ist eine relevante Verletzungsmethode, um Rückenmarksverletzungen und -regeneration zu untersuchen, indem ein Querschnitt vorgenommen wird, der das Rückenmark auf Thoraxebene vollständig durchtrennt.
Die Rückenmarksverletzung (SCI) ist ein dauerhaftes Leiden, das die motorischen und sensorischen Nerven des Zentralnervensystems (ZNS) betrifft und zu einer Lähmung unterhalb der Verletzungsstelle führt. Bis heute gibt es keine funktionelle Genesungstherapie für SCI, und es gibt einen Mangel an Klarheit über die vielen Komplexe und dynamischen Ereignisse, die nach der Rückenmarksverletzung auftreten. Viele Nicht-Säugetierorganismen können sich nach schwerer Rückenmarksverletzung regenerieren, wie Teleostfische, Urodele-Amphibien und Larvenstadien von Anuran-Amphibien, einschließlich Xenopus laevis Kaulquappen. Dies sind echte Modellorganismen, um die Reaktion auf SCI und die Mechanismen, die erfolgreichen regenerativen Prozessen zugrunde liegen, zu untersuchen und zu verstehen. Diese Art der Forschung kann zur Identifizierung potenzieller Ziele für die therapeutische Intervention von SCI führen. Dieser Artikel beschreibt, wie man Xenopus laevis Kaulquappen-Rückenmarkstransektion durchführt, einschließlich Haltung, Chirurgie, postoperative Pflege und funktionelle Testbewertung. Diese Verletzungsmethode kann zur Aufklärung der verschiedenen Schritte der Rückenmarksregeneration angewendet werden, indem die zellulären, molekularen und genetischen Mechanismen sowie die histologische und funktionelle Evolution nach SCI und während der Rückenmarksregeneration untersucht werden.
Rückenmarksverletzungen (SCI) sind ein Leiden, von dem jedes Jahr weltweit etwa 250.000 bis 500.000 Menschen betroffen sind1. Zusätzlich zu dieser hohen Prävalenz betrifft SCI sensorische und motorische Nerven, erzeugt Lähmungen unter der Verletzungsstelle und Trennung einiger innerer Organe von der Kontrolle des ZNS. Das Rückenmark, ein Teil des ZNS, kann sich nicht regenerieren, und aufgrund der Komplexität des Leidens und des fehlenden vollständigen Verständnisses aller beteiligten Prozesse gibt es immer noch keine effizienten Therapien, die eine funktionelle Genesung ermöglichen.
Nicht-Säugetierorganismen wie Teleostfische, Urodel-Amphibien und Larvenstadien von Anuran-Amphibien, die das Rückenmark nach schwerem SCI2,3,4 regenerieren können, sind ausgezeichnete Modellorganismen, um die Prozesse zu untersuchen, die ein erfolgreiches regeneratives Ereignis steuern und das Versagen der Regeneration von Säugetieren verstehen. Dieses Verständnis ist von großem Interesse, da es originelle Erkenntnisse liefern könnte, um neue therapeutische Ziele und mögliche Therapien für die Rückenmarksverletzung zu entwickeln.
Der Anuranfrosch, Xenopus laevis, ist ein ausgezeichneter Modellorganismus, um SCI zu studieren. Es verfügt über ausgezeichnete regenerative Fähigkeiten während der Kaulquappenstadien, die während der Metamorphose allmählich verloren gehen, was Experimente in den regenerativen und nichtregenerativen Stadien ermöglicht3,5. Die etablierte Verletzungsmethode zur Untersuchung der Rückenmarksverletzung bei Xenopus laevis-Kaulquappen besteht in der Schwanzamputation, bei der der gesamte Schwanz entfernt wird, einschließlich Gewebe wie Muskel, Notochord und Rückenmark6. Dieser Ansatz war maßgeblich am Verständnis der allgemeinen Mechanismen regenerativer Prozesse beteiligt4,7,8,9,10.
Da die Schwanzamputation neben dem Rückenmark mehrere Gewebe betrifft, was sich von dem unterscheidet, was nach menschlicher Rückenmarksverletzung geschieht, ist ein relevanteres Verletzungsparadigma für die Untersuchung von SCI erforderlich. Wir haben uns auf Studien gestützt, die in der Vergangenheit verwendet wurden11, um umfassende Beschreibungen von Verletzungsparadigmen zu erstellen5,12,13,14 und verschiedene Methoden für die Untersuchung von SCI12,13,14,15,16,17,18 . Nach der Rückenmarkstransektion kann der kaudale Teil des Rückenmarks für RNA- und Proteinexpression und Hochdurchsatzanalysen isoliert werden14,19,20,21. Darüber hinaus ermöglichen intrazerelomische Injektionen von Arzneimitteln und kleinen Molekülen sowie die Elektroporation von cDNA, RNA oder Morpholinos vor oder nach der Rückenmarkstransektion die Untersuchung der Auswirkungen dieser Moleküle bei der Prävention oder Behandlung von SCI oder von spezifischen Ereignissen, die nach SCI und Rückenmarksregeneration auftreten13,14 . Darüber hinaus können die Verletzungsentwicklung und die regenerativen Prozesse zu unterschiedlichen Zeitpunkten nach der Verletzung mit biochemischen, molekularen, histologischen und funktionellen Ansätzen untersucht werden12,13,14,17,19,20,21,22,23.
Schließlich können alle oben genannten Techniken in nicht-regenerativen Stadien verwendet werden, was einen der wichtigsten Vorteile der Verwendung von Xenopus laevis als Modellorganismus zur Untersuchung von SCI hervorhebt, die vergleichenden Studien von regenerativen und nicht-regenerativen Mechanismen bei derselben Spezies13,19,20,21,22. Dieser Artikel stellt ein Protokoll für die Xenopus laevis Kaulquappen-Rückenmarkstransektion vor, beginnend mit der Inszenierung und Auswahl von regenerativen Nieuwkoop- und Faber (NF) Stufe 50 Kaulquappen. Es folgt die Beschreibung der Verfahren für die Rückenmarkschirurgie zur Herstellung von Schein- und Transsekttieren, die postoperative Versorgung und schließlich die Analyse der funktionellen Erholung durch die Messung der freien Kaulquappenschwimmdistanz.
Dieses Protokoll liefert genügend Informationen, um eine Rückenmarkstransektion erfolgreich durchzuführen. Bemerkenswert ist, dass an anderer Stelle ausgezeichnete detaillierte Protokolle dieser Techniken veröffentlicht wurden14, die das hier vorgestellte ergänzen können. Alle Tierverfahren wurden vom Ausschuss für Bioethik und Biosicherheit der Fakultät für Biowissenschaften der Pontificia Universidad Católica de Chile genehmigt.
1. Natürliche Paarung der Frösche
2. Haltung
3. Inszenierung
4. Chirurgie: Rückenmarkstransektion und scheinoperierte Tiere
5. Nachchirurgische Betreuung
6. Schwimm-Assay
7. Bioethische Erwägungen
HINWEIS: Die Sterblichkeit von Tieren nach Scheinoperationen und Transsektion beträgt 13% bzw. 30%. Zusätzlich sind mindestens 15-20 Tiere pro Gruppe für die statistische Analyse erforderlich. Beginnen Sie daher mit 23 Schein- und 26 Transektieren.
Das hierin beschriebene Protokoll ermöglicht die Untersuchung der Rückenmarksregeneration bei Xenopus laevis. Die Auswirkungen spezifischer pharmakologischer Behandlungen und der Beitrag der spezifischen Genexpression zur Regeneration des Rückenmarks können bewertet werden, indem ihre Auswirkungen auf die Erholung des Schwimmens gemessen werden. Die Gesamtschwimmstrecke wird gegen die Tage nach der Verletzung aufgetragen, um die Kontroll- und behandelten Tiere zu einem bestimmten Zeitpunkt oder über einen bestimmten Zeitraum zu vergleichen. Die Wiederherstellung der motorischen Funktion im Laufe der Zeit wird in Abbildung 3 veranschaulicht, die die Schwimmstrecke 5, 10, 15 und 20 Tage nach der Transsektion zeigt. 5 Tage nach der Transsektion schwammen die Tiere durchschnittlich 0,7 m in 5 min, was eine reduzierte Schwimmkapazität zeigte. Diese Kapazität nahm mit den vergangenen Tagen zu, da nach 10 bzw. 15 Tagen nach der Transsektion durchschnittlich 2,1 und 3,1 m/5 min beobachtet wurden und eine vollständige Erholung der Schwimmkapazitäten 20 Tage nach der Transsektion mit einem Durchschnitt von 5,7 m/5 min beobachtet wurde.
Abbildung 1: Xenopus-Kaulquappen-Inszenierung. Repräsentative Bilder der Stufen 49-51, die Vorder- und Hinterbeine als Tierinszenierung zeigen. Maßstabsstäbe = 2 mm. Vergrößerungen des Boxed-Bereichs werden unten rechts in jedem Bild angezeigt. Maßstabsstäbe = 1 mm. Im Stadium 49 werden die Vordergliedmaßen nicht beobachtet, während die Hinterbeine nur erscheinen und eine kugelförmige Form zeigen. Stufe 50 zeigt gerade erscheinende Vordergliedmaßen, die eine sphärische Form und Hinterbeine zeigen, die mit einer kugelförmigen Form hervorstehen. In Stufe 51 weisen die Vordergliedmaßen eine hervorstehende kugelförmige Form und die Hinterbeine eine hervorstehende längliche Form auf. Gestrichelte Umrisse zeigen Vorder- und Hinterbeine. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: Querschnitt des Rückenmarks . (A) Repräsentatives Bild, das die korrekte Positionierung des Tieres, dorsale Seite nach oben, für die Durchführung der Operation zeigt. Maßstabsleiste = 2 mm. (B) Die Vergrößerung von A zeigt den Ort und das Ausmaß der Verletzung. Das rote Kreuz zeigt die genaue Lage der Verletzungsstelle auf der Brustebene des Rückenmarks, und die gestrichelte Linie zeigt das Ausmaß der Verletzung. Maßstabsleiste = 1 mm. (C) Repräsentatives Bild, das eine seitliche Ansicht der Thoraxebene des Rückenmarks zeigt. Die Ausdehnung der Scheininzision und der Transsektion werden gezeigt. Gestrichelte Linien beschreiben die Grenzen des Rückenmarks. Maßstabsleiste = 1 mm. (D) Repräsentatives Bild, das ein Scheintier mit einem intakten Rückenmark zeigt. Maßstabsstäbe = 1 mm. (E) Repräsentatives Bild, das ein transektiertes Tier mit einem unterbrochenen Rückenmark zeigt. Maßstabsstäbe = 1 mm. Vergrößerungen des geschachtelten Bereichs werden unten rechts in jedem Bild (D' und E') angezeigt. Maßstabsstäbe = 1 mm. Abkürzungen: S = Scheinschnitt; T = Transsektion. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Erholung der Schwimmfunktion im Laufe der Zeit. Repräsentatives Punktdiagramm der von transsektierten Tieren zurückgelegten Schwimmstrecke in 5 Minuten bei 5, 10, 15 und 20 Tagen nach der Transsektion. Beispiele von Schwimmbahnen sind oben gezeigt. Daten, die als Mittelwert ± SEM von 10 Kaulquappen dargestellt werden. Abkürzungen: dpT = Tage nach der Transsektion; SEM = Standardfehler des Mittelwerts. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Das hierin beschriebene Protokoll ist eine ausgezeichnete Methode zur Durchführung von SCI und zur Bewertung der funktionellen Wiederherstellung. Für die Reproduzierbarkeit ist es wichtig, gesunde Kaulquappen zu züchten und Tiere zu wählen, die in ihrer Größe ähnlich groß sind. Der Mangel an richtiger Fütterung erzeugt Nährstoffstress, der zu schlechten Regenerationskapazitäten führt26; Daher sollte der Kaulquappenfütterung besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Wenn Kaulquappen nach 3-4 Wochen Stadium 50 erreichen, können sie bei höheren Temperaturen aufgezogen werden, um den Wachstumsprozess zu beschleunigen, wobei 18-25 ° C optimal sind27. Die Wasserqualität ist wichtig, da Tiere empfindlich auf Wasserbedingungen und chemische Produkte reagieren. Zu den optimalen Wasserbedingungen gehört die Verwendung von kohlenstoffgefiltertem, chlorfreiem Wasser mit folgenden Parametern: pH-Wert (6,5-7,5), Chlorid (<0,02 mg / L), Leitfähigkeit von Wasser (1,0 mS / cm ± 0,1 Einheiten), Kupfer (<0,3 mg / L); Karbonathärte (KH: 5-10 dKH); allgemeine Härte (GH: 6-16 dGH); Nitrat (NO3: <20 mg/L); und Nitrit (NO2: <0,1 mg/L)14,27,28. Um eine Kontamination zu vermeiden, sollten Kunststofftanks einmal pro Woche für die Aufzucht von Tieren oder jeden zweiten Tag nach der Operation gereinigt werden, indem gründlich mit chloridfreiem Wasser und einem Schwamm gewaschen wird. Waschmittel müssen vermieden werden.
Für eine bessere Überlebensrate nach der Operation dürfen Kaulquappen nicht über einen längeren Zeitraum (nicht länger als 2 min) einer Anästhesie ausgesetzt werden. Darüber hinaus wird empfohlen, jeweils eine Kaulquappe zu betäuben. Da die Tiere hydratisiert bleiben müssen, halten Sie die Tiere vor und nach der Operation die ganze Zeit in Lösung und gießen Sie die Lösung mit einem Löffel auf die Kaulquappe, bevor Sie mit der Operation beginnen. Stellen Sie sicher, dass der Schaden umfangreich genug ist, um das gesamte Rückenmark zu bedecken, aber nicht zu umfangreich, da er zu einer schlechten funktionellen Genesung oder zum Tod führen kann. Wenn das Notochord beschädigt ist, wird das Tier gebogen und die funktionelle Genesung wird beeinträchtigt. Geht der Schaden über das Notochord hinaus, steigt die Wahrscheinlichkeit des Todes14. Während des Schwimmtests gilt die Aufzeichnung als korrekt, wenn die Software jedes Tier mit einem blauen Schatten identifiziert. Andernfalls sollte die Aufnahme wiederholt werden. Es ist wichtig, Bewegungen und Luft- oder Lichtveränderungen während des Aufnahmeprozesses zu vermeiden, um Aufnahmefehler zu vermeiden.
Es gibt immer noch viele offene Fragen zu den zellulären und molekularen Mechanismen, die der Schädigung und Regeneration des Rückenmarks zugrunde liegen. Das in dieser Arbeit beschriebene Protokoll kann verwendet werden, um den Beitrag verschiedener zellulärer Ereignisse, Genexpression und Behandlungen zur funktionellen Erholung zu untersuchen, die durch Messung der Schwimmkapazitäten bestimmt werden. Darüber hinaus können viele andere Techniken auf die operierten Tiere angewendet werden. Das Rückenmark kann isoliert werden, um eine Protein- und/oder mRNA-Extraktion14 durchzuführen, um Protein- und Genexpressionsprofile nach Schädigung und Behandlung zu untersuchen19,20. Diese Operation war auch die Grundlage für die Untersuchung der zellulären Reaktion des Rückenmarks22 und des Verhaltens von neuralen Stammvorläuferzellen12,13,22 nach einer Rückenmarksverletzung. Signalkaskaden, die an der Regeneration des Rückenmarks beteiligt sind, wurden ebenfalls unter Verwendung des hierin beschriebenen Paradigmas der Rückenmarksschädigung untersucht23. Zusammenfassend ist das hier beschriebene Protokoll ein hervorragendes Modell zur Untersuchung von Rückenmarksverletzungen und Regeneration und wurde für viele Studien verwendet, die zum vorhandenen Wissen über das Thema beigetragen haben.
Die Autoren haben keine Interessenkonflikte zu erklären.
Diese Arbeit wurde durch Forschungsstipendien finanziert von: PG Slater: FONDECYT N° 3190820; J. Larraín: FONDECYT N° 1180429, CARE Chile UC-Centro de Envejecimiento y Regeneración (PFB 12/2007).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Air pump | Regent CALM | RC-006 | For oxygen diffuser stones function |
ANY-maze software | Stoelting | Swimming behavior test | |
Ca(NO3)2·4H2O | Sigma-Aldrich | 237124 | |
CaCl2·2H2O | Sigma-Aldrich | 223506 | |
Camera | Stoelting | 60528 | Swimming behavior test |
Computer | Swimming behavior test (minimum recommended specifications: PC, Windows 7, Intel Core i3, 2 GB RAM, 10-GB drive disk, 1 available USB port, 1,366 × 768 monitor) | ||
Cysteine | Sigma-Aldrich | C7352 | |
Dissecting stereomicroscope | Nikon | SMZ745T | Surgery / staging |
Glass Petri dishes | 100 x 20 mm | ||
HEPES | Gibco | 11344-041 | |
Human chorionic gonadotropin | It can be found in different formats in the pharmacy | ||
KCl | Merck Millipore | 104936 | |
LED light box | custom made | wood box: 55-cm length, 34-cm width, 9-cm height, LED lights, transparent polystyrene sheet) | |
MgSO4·7H2O | Merck Millipore | 105886 | |
Microdissection scissors for transection | Fine Science Tools | 15003-08 | Spring Scissors for surgery |
MS-222 | Sigma-Aldrich | E10521 | Anesthetic; tricaine mesylate |
NaCl | Merck Millipore | 106404 | |
NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6014 | |
Nasco Frog Brittle for Tadpole Xenopus | Nasco | SB09480(LM)MX | Food for Xenopus tadpoles stage 44 to 60 |
Oxygen diffuser stones | Pentair | AA1 | Mantainance of animals |
Pair of forceps | Fine Science Tools | Dumont n° 5 SF forceps | For surgery |
Penicillin | Sigma-Aldrich | P7794 | |
pH meter | |||
Plastic Pasteur pipette | Sigma-Aldrich | Z331740 | For collecting embryos after mating |
Plastic Petri dishes | Sigma-Aldrich | P5981 | 150 x 15 mm |
Plastic tank/box with lid | 4.5 liter capacity; 20 cm × 17 cm × 15 cm or similar | ||
Sterilized gauze | |||
Streptomycin | Sigma-Aldrich | S1277 | |
Tablespoon | |||
Xenopus laevis specialized strains and lines | National Xenopus Resource European Xenopus Resource Centre Xenopus laevis Research Resource Centre | http://www.mbl.edu/xenopus https://xenopusresource.org/ https://www.urmc.rochester.edu/microbiology-immunology/xenopus-laevis.aspx | |
Xenopus laevis wild type | Xenopus 1 Xenopus Express | https://xenopus1.com http://www.xenopus.com |
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