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Se presenta un método de perfusión conveniente alimentado por gravedad para el análisis histológico del sistema nervioso central del ratón. La detección inmunofluorescente de α-sinucleína fosforilada se demuestra en un modelo de ratón de la enfermedad de Parkinson. Este trabajo también describe exhaustivamente los pasos de perfusión transcárdica, disección, congelación / incrustación de tejidos y seccionamiento congelado.
El análisis histológico de especímenes de cerebro y médula espinal aislados de ratones es una práctica común para la evaluación de la patología en este sistema modelo. Para mantener la morfología de estos delicados tejidos, es rutinario administrar un fijador químico como el paraformaldehído a través de la canulación del corazón en animales anestesiados (perfusión transcárdica). La perfusión transcárdica del corazón de ratón se ha basado tradicionalmente en el uso de bombas peristálticas o presión de aire para entregar soluciones salinas y fijadoras necesarias para este proceso. Como una alternativa de fácil acceso a estos métodos, este trabajo demuestra el uso de un método de entrega de perfusato alimentado por gravedad que utiliza materiales disponibles en la mayoría de las ferreterías.
Para validar este nuevo método de perfusión, este trabajo demuestra todos los pasos posteriores necesarios para la detección sensible de α-sinucleína fosforilada tanto en el cerebro como en la médula espinal. En estos pasos se incluyen la disección de los tejidos fijos del cerebro y la médula espinal, la congelación / incrustación rápida y la crioseccionación de los tejidos, y la tinción inmunofluorescente. Como este método da como resultado la administración de todo el cuerpo del fijador, también se puede usar para preparar otros tejidos no neuronales para el análisis histológico.
La caracterización histológica de la patología en el sistema nervioso central (SNC) del ratón es una técnica rutinaria utilizada en estudios de neurodegeneración. A medida que los tejidos neuronales se degradan rápidamente después de la muerte, es una práctica común administrar un fijador químico como el paraformaldehído a los tejidos del SNC para preservar su morfología 1,2. La fijación química se puede realizar a través de la perfusión de todo el cuerpo con una solución fijadora o mediante el aislamiento de los tejidos y su inmersión en una solución fijadora (denominada "fijación de gotas"). La perfusión es el método preferido de administración de fijadores, ya que la fijación por gota puede no permitir la penetración rápida de la solución fijadora en las estructuras profundas del SNC 3,4,5. Además, como es difícil eliminar la médula espinal no fija de la columna vertebral, la entrega de la solución fijadora a través de la perfusión permite la preservación in situ de la médula espinal de la anatomía microscópica y gruesa y endurece el tejido para minimizar el daño durante la extracción.
La entrega de las soluciones tampón y fijadoras necesarias para la fijación se realiza comúnmente utilizando bombas o presión de aire disponibles comercialmente. La entrega por gravedad de perfusato puede servir como una alternativa a la entrega de la bomba por las siguientes razones: (1) La entrega de bomba o presión de aire puede en algunos casos requerir que un usuario mantenga manualmente la presión en el sistema durante toda la perfusión. La entrega por gravedad del perfusato se puede mantener sin la intervención del usuario. (2) Un aparato de perfusato por gravedad puede construirse a bajo costo para el usuario mediante la obtención de materiales disponibles de proveedores científicos estándar. Este trabajo describe cómo construir un dispositivo de perfusión por gravedad simple utilizando botellas de lavado y tubos de vinilo. Utilizando un modelo de ratón de la enfermedad de Parkinson, este trabajo demuestra la eficacia de este sistema en la perfusión de los tejidos del cerebro y la médula espinal antes de su aislamiento para la sección congelada. Este trabajo describe exhaustivamente todos los pasos, técnicas y materiales necesarios para diseccionar el tejido fijo del animal, congelar / incrustar y crioseccionar rápidamente el tejido, y detectar la presencia de α-sinucleína fosforilada tanto en el cerebro como en la médula espinal a través de la microscopía de inmunofluorescencia indirecta.
Los datos y pasos experimentales presentados en este protocolo se generaron utilizando ratones C57BL/6J. Todos los métodos que involucran animales fueron aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad Estatal de Nueva York de la Universidad Médica del Norte del Estado.
1. Construcción de aparatos de perfusión y plataforma de disección
Figura 1: Diagrama que representa el aparato de perfusión ensamblado. Abreviaturas: PBS = solución salina tamponada con fosfato; PFA = paraformaldehído. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
2. Preparación de solución de paraformaldehído (PFA)
NOTA: La solución de PFA debe prepararse fresca el día de la perfusión y desecharse al final de la perfusión en un contenedor de desechos designado antes de su eliminación por personal capacitado. Este protocolo produce 1 L de solución de PFA al 4%, que es suficiente para perfundir aproximadamente 4 ratones. El PFA es altamente tóxico, y se debe tener cuidado para evitar la inhalación o el contacto directo con la piel, ya sea en forma de polvo o líquido. Por lo tanto, la mayoría de los pasos de preparación se realizan mientras se usan guantes, gafas protectoras y una bata de laboratorio debajo de una capucha de humos.
3. Perfusión transcárdica "sin bomba"
Figura 2: Preparación del aparato de perfusión para cirugía de perfusión. Primero, cierre el hemostático de la línea PFA y abra el hemostático en la línea PBS y la línea principal. Llene PBS y elimine las burbujas de la línea PBS y la línea principal. A continuación, llene la línea PFA con PBS abriendo el hemostático en la línea PFA y cerrando el hemostático en la línea principal. Retire las burbujas en la línea PFA. Finalmente, cierre el hemostático en la línea de PFA cuando el PBS llegue a la abertura de la botella de PFA. Llene la botella de PFA 1/3llena de PFA. Asegúrese de que el nivel de PBS en la botella de PBSesté lleno 1 /3 y llene con PBS o drene PBS abriendo el hemostático de la línea principal si es necesario. Abreviaturas: PBS = solución salina tamponada con fosfato; PFA = paraformaldehído. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Diagrama que representa la perfusión transcárdica. (A) Primero se corta la pared abdominal, seguida de dos incisiones que apuntan lateralmente hacia la axila formando una "Y". (B) Después de entrar en la cavidad torácica y exponer el corazón, la aguja se pasa al ventrículo izquierdo. A continuación, el IVC o aurícula derecha se transecta para permitir el drenaje de los perfusatos después de que hayan circulado por el cuerpo. El IVC se corta superior al diafragma. C) Procedimiento para la administración de perfusatos. Abreviatura = IVC = vena cava inferior. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. Disección del SNC
Figura 4: Extirpación del cerebro fijo. (A) Parte superior del cráneo. (B) Cerebro expuesto dentro del cráneo. (C) Cerebro aislado (aspecto dorsal). (D) Cerebro aislado (aspecto ventral). (E) Hemisferio izquierdo (aspecto lateral). (F) Hemisferio izquierdo (aspecto medial). Barras de escala = 1 cm (E y F). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 5: Extirpación de segmentos fijos de la médula espinal. (A) Corte inicial en la lámina de las vértebras cervicales. (B) Colocación de fórceps curvos para fracturar vértebras individuales. (C) La columna cervical expuesta. (D) Columna cervical, torácica y lumbar expuesta. (E) Extirpación de la columna cervical después de cortar los nervios espinales. (F) Corte de la columna sacra. (G) Columna cervical aislada. (H) Columna lumbar aislada. Barras de escala = 1 cm (G y H). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
5. Incrustación de OCT y almacenamiento de tejidos
6. Crioseccionación
7. Tinción inmunofluorescente
La perfusión de alta calidad está indicada por la ausencia de sangre en el hígado, la médula espinal y las estructuras profundas del SNC (Figura 4C y Figura 5G, H). La sangre retenida debajo de la duramadre (por ejemplo, dentro de los senos venosos) o entre la duramadre y el cráneo no ha sido problemática ya que esta sangre no está dentro del parénquima cerebral. La sangre observada en la Figura 4A se encuentra entre el cráneo y la materia dura y, por lo tanto, no es problemática o sugestiva de perfusión de mala calidad. El cerebro fresco y la médula espinal son bastante blandos y se dañan fácilmente durante la manipulación. Los tejidos adecuadamente fijos, en comparación, son firmes. Para evaluar la calidad del tejido y la preservación de la morfología de los tejidos mediante este método de perfusión, este trabajo demuestra la detección de α-sinucleína fosforilada en el mesencéfalo y la médula espinal lumbar de un ratón de 15 meses de edad y un ratón de 7 meses de edad que expresa A53T humano α-sinucleína (Figura 6).
La mutación A53T está sobrerrepresentada en pacientes con enfermedad de Parkinson (EP) autosómica dominante. Además, la α-sinucleína humana con la mutación A53T puede recapitular muchas de las características de la EP humana cuando se expresa en ratones 6,7. Se ha demostrado in vivo e in vitro que la fosforilación de α-sinucleína en el residuo de serina 129 induce la agregación de α-sinucleína8. Los cuerpos de Lewey son el hallazgo histológico clásico presente en pacientes con EP o demencia corporal de Lewey9. La mayoría de los α-sinucleína presentes en los cuerpos de Lewey se fosforilan en la serina 12910,11. Como resultado, la acumulación de α-sinucleína fosforilada se utiliza como marcador de la gravedad histológica de la patología de la EP. El presente estudio encuentra que la α-sinucleína fosforilada se acumula a un nivel significativamente mayor en ratones sintomáticos de 15,5 meses de edad en relación con ratones asintomáticos de 7 meses de edad que expresan A53T humano α-sinucleína. Esto es consistente con los informes que describen un enriquecimiento de la citopatología en los cuernos anteriores de la médula espinal y el mesencéfalo de estos ratones. 6 De esto se concluye que el método de perfusión simplificado descrito aquí proporciona una fijación de alta calidad de los tejidos del SNC para la caracterización histológica posterior.
Figura 6: Etiqueta para α-sinucleína fosforilada en tejidos de la médula espinal media y lumbar de un modelo de ratón de la enfermedad de Parkinson. El ratón paralizado de etapa final envejecido (15,5 meses de edad) se compara con el ratón sano de 7 meses de edad. Ambos ratones expresan una variante mutante propensa al plegamiento incorrecto (A53T) de α-sinucleína humana que induce una patología similar al Parkinson. Barras de escala = 100 μm (paneles superiores) y 50 μm (paneles inferiores). Abreviatura: α syn-A53T = A53T mutante de α-sinucleína; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenilindol; PS129 = serina fosforilada 129 de α-sinucleína. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Este trabajo describe los pasos críticos para realizar la perfusión transcárdica. Al construir el aparato de perfusión (sección 1 del protocolo), es importante utilizar tubos que sean lo suficientemente flexibles como para estar completamente ocluidos por un hemostático. Algunos tubos rígidos pueden no estar suficientemente ocluidos por un hemostático y aún pueden permitir que el PFA se filtre en la línea principal durante la perfusión inicial de PBS. Al preparar la solución de PFA al 4%, es importante asegurarse de que el pH sea fisiológico (7.4). Como la preparación de la solución de PFA implica calentarla a 65 ° C, la solución debe enfriarse de nuevo a 25 ° C antes de medir el pH, ya que esta es la temperatura a la que se calibra el pH en el medidor.
Al realizar la incisión inicial en el abdomen, se debe tener cuidado para evitar la laceración de los órganos abdominales (protocolo sección 2). Al diseccionar superiormente hacia el diafragma, es importante evitar la laceración del hígado, ya que es común que el hígado se adhiera a la pared abdominal anterior. Para superar esto, el hígado se disecciona cuidadosa y contundentemente lejos de la pared anterior antes de continuar una incisión hacia el diafragma. Al ingresar a la cavidad torácica a través del diafragma, es importante evitar la laceración del corazón, los grandes vasos y el pulmón. Para evitar esto, la punta de la tijera se mantiene superficialmente y en un ángulo agudo con la caja torácica.
La disección inicial para exponer el corazón toma aproximadamente 2 minutos desde la incisión inicial. Se espera que durante este tiempo, algo de aire haya entrado en la punta de la aguja de la mariposa. La introducción de este aire en la circulación del ratón producirá una perfusión de mala calidad. Por lo tanto, es fundamental que la línea principal se abra y el PBS se enjuague a través de la aguja inmediatamente antes de la canulación del corazón para eliminar las burbujas de aire. Idealmente, el corazón se canula mientras que un pequeño goteo de PBS fluye a través de la punta de la aguja para garantizar la ausencia completa de aire al perforar el VI.
Cuando la aguja entra en el VI, no debe ir tan profundo como para introducir la punta de la aguja en el ventrículo derecho (RV). La colocación de la aguja en el RV o más allá de la válvula mitral dará como resultado un "inflado" inmediato de los pulmones cuando se inicie la perfusión. Esto no es deseable, y la aguja debe retirarse ligeramente para garantizar la colocación del VI. Si la aguja se coloca correctamente, los pulmones permanecerán planos durante toda la perfusión. Cuando se inicia la perfusión, a veces se observa que un líquido transparente está emergiendo de la boca abierta del animal. Esto generalmente se debe a una presión de perfusión que es demasiado alta o debido a un extravío de la aguja dentro del corazón. Los autores especulan que las presiones de perfusión elevadas resultan en la extravasación del perfusato del lecho capilar arteriolar y el flujo retrógrado de PBS a través del árbol bronquial hacia el esófago y la cavidad oral.
La presión de perfusión debe reducirse disminuyendo el nivel de PBS en la botella de PBS o bajando la altura de la botella de PBS. Alternativamente, si la aguja se coloca demasiado profundamente en el ventrículo izquierdo, puede viajar a través de la válvula mitral y administrar perfusato a la aurícula izquierda. Esto puede resultar en flujo retrógrado a través de las venas pulmonares y extravasación de perfusato en las arteriolas, como se describió anteriormente. La eliminación completa de la sangre del sistema circulatorio con PBS es especialmente importante para evitar la reticulación inducida por fijadores de los componentes sanguíneos que resulta en la oclusión de los vasos en la posterior perfusión fijadora. El aclaramiento se evalúa efectivamente mediante un cambio de color del hígado y el flujo de PBS de una incisión en la base de la cola ventral. El aclaramiento sanguíneo generalmente se completa a los 3 minutos de perfusión con PBS; sin embargo, si los signos visuales de aclaramiento ocurren en tiempos más cortos, entonces el fijador se introduce antes de los 3 minutos. No se recomiendan tiempos de aclaramiento más largos, ya que la perfusión fija retardada conduce a artefactos en la estructura fina delSNC 1.
Cuando se administra PFA, es importante controlar el nivel de solución de PFA en el frasco de PFA. Llene la botella de PFA si el nivel de PFA desciende a menos de 4 cm por encima de la boca de la botella de PFA. Una vez completada la perfusión, el aparato de perfusión debe enjuagarse bien con agua destilada. Esto es importante ya que el PFA residual en la línea principal contaminará la perfusión inicial de PBS con PFA y dará como resultado una perfusión de mala calidad. Finalmente, las agujas de mariposa de 25 G generalmente se recomiendan para ratones adultos de tamaño promedio en el rango de 20-30 g. Sin embargo, los ratones más grandes o más pequeños pueden requerir agujas de calibre ligeramente más grandes o más pequeños, además del ajuste de las botellas fijadoras para proporcionar tasas de flujo óptimas.
Para la disección del SNC y la incrustación de OCT (sección 3 del protocolo), es común que los tejidos de la médula espinal no se hundan completamente en sacarosa al 30%. Por lo tanto, estos tejidos se dejan en sacarosa durante 2 días y luego se incrustan en oct, independientemente de si se hunden o no. Al congelar los tejidos en la OCT, es posible que ciertos tejidos se agrieten cuando se colocan en 2-metilbutano enfriado. Esto es más común con el cerebro y generalmente ocurre cuando se coloca demasiada OCT en el tejido. Para evitar esto, coloque solo suficiente OCT para cubrir las superficies del tejido antes de la congelación inmediata. En algunos protocolos, el agrietamiento es menos común a pesar de la inmersión completa en oct. Esto generalmente se debe a un método de congelación más lento, como cuando se usa 2-metilbutano enfriado por hielo seco o se coloca el criomold en un bloque de hielo seco directamente. El 2-metilbutano refrigerado por nitrógeno líquido es preferido en este trabajo, ya que la tasa de congelación es sustancialmente más rápida y puede preservar mejor la morfología del tejido que los métodos de congelación más lentos.
Al crioseccionar el tejido (sección 4 del protocolo), es importante evitar múltiples ciclos de congelación-descongelación. Por lo tanto, es óptimo cortar todas las secciones de un solo bloque de OCT para obtener una región cerebral específica para el análisis en lugar de descongelar y volver a congelar áreas seleccionadas. Si esto no es viable, después de obtener algunas secciones, los usuarios pueden volver a congelar y almacenar los bloques de OCT en el congelador profundo de -80 ° C 1-2 veces más para su uso futuro.
Los principales beneficios de este método sobre la bomba más tradicional o la entrega de perfusato a presión de aire son los siguientes: (1) bajo costo y accesibilidad del aparato de perfusión. (2) Los usuarios no necesitan mantener manualmente la presión en el aparato de perfusión durante toda la perfusión. (3) Presión de perfusión más baja y más consistente que otras alternativas de bajo costo para la perfusión, como a través de la administración de jeringas. Usando la ecuación de Bernoulli, se calcula que el aparato de perfusión alimentado por gravedad construido aquí mantendrá una presión de perfusión de aproximadamente 73 mm Hg cuando las botellas de perfusato se colocan a 1 m de elevación en relación con la aguja. Dado que esto está significativamente por debajo de la presión arterial sistólica de estos animales, es probable que esta presión de perfusión sea lo suficientemente baja como para evitar la ruptura vascular12.
Hasta ahora, los autores han utilizado con éxito este sistema de perfusión para detectar la presencia de α-sinucleína fosforilada en un modelo de ratón de la enfermedad de Parkinson. Durante este tiempo, no se han encontrado limitaciones significativas con este método de perfusión que no estén presentes con un método de administración de perfusión con bomba. La principal limitación de esta técnica es la naturaleza lenta de la perfusión frente a la fijación por gotas. Esta técnica es preferible a la fijación por caída, ya que la perfusión da como resultado una penetración más profunda del fijador en las estructuras del SNC. Una segunda limitación de esta técnica es que requiere cierta habilidad quirúrgica para realizarse, ya que el corazón debe ser canulado rápidamente después de la entrada en la cavidad torácica. Sin embargo, con la experiencia, los usuarios capacitados pueden canular rutinariamente el corazón dentro de 1 minuto de la incisión inicial en el abdomen.
Los autores no declaran intereses financieros contrapuestos.
Los autores agradecen a Xiaowen Wang, Liam Coyne y Jason Grullon por su ayuda en el desarrollo de este protocolo. Este trabajo fue apoyado por las subvenciones de los NIH AG061204 y AG063499.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2-Methylbutane (Certified ACS), Fisher Chemical | Fisher Scientific | 03551-4 | |
Andwin Scientific Tissue-Tek O.C.T Compound | Fisher Scientific | NC1029572 | |
Artman Instruments 4.5" Straight Castroveijo Spring Action Scissors | Amazon | B0752XHK2X | "fine scissors" |
BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 18 G | Fisher Scientific | 14-826-5D | |
BD General Use and PrecisionGlide Hypodermic Needles, 22 G | Fisher Scientific | 14-826B | |
Corning PES Syringe Filters | Fisher Scientific | 09-754-29 | |
Cytiva HyClone Phosphate Buffered Saline (PBS), 10x | Fisher Scientific | SH30258 | |
Falcon 50 mL Conical Centrifuge Tubes | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
Fisher BioReagents Bovine Serum Albumin (BSA) Protease-free Powder | Fisher Scientific | BP9703100 | |
Fisherbrand Curved Medium Point General Purpose Forceps | Fisher Scientific | 16-100-110 | "curved fenestrated forceps" |
Fisherbrand Curved Very Fine Precision Tip Forceps | Fisher Scientific | 16-100-123 | "curved fine forceps" |
Fisherbrand Disposable Graduated Transfer Pipettes | Fisher Scientific | 13-711-9AM | |
Fisherbrand High Precision Straight Tapered Ultra Fine Point Tweezers/Forceps | Fisher Scientific | 12-000-122 | "straight fine forceps" |
Fisherbrand Micro Spatulas with Rounded Ends | Fisher Scientific | 21-401-5 | |
Fisherbrand Porcelain Buchner Funnels with Fixed Perforated Plates | Fisher Scientific | FB966J | |
Fisherbrand Premium Cover Glass, 24 x 50 | Fisher Scientific | 12-548-5M | |
Fisherbrand Premium Tissue Forceps 1X2 Teeth 5 in. German Steel | Fisher Scientific | 13-820-074 | "skin forceps" |
Fisherbrand Reusable Heavy-Wall Filter Flasks | Fisher Scientific | FB3002000 | |
Fisherbrand Standard Dissecting Scissors | Fisher Scientific | 08-951-20 | "dissecting scissors" |
Fisherbrand Sterile Syringes for Single Use | Fisher Scientific | 14-955-464 | |
Fisherbrand Straight Locking Hemostats | Fisher Scientific | 16-100-115 | |
Fisherbrand Superfrost Plus Microscope Slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Fisherbrand Vinyl Tubing and Connector Kits, 1/4 in. | Fisher Scientific | 14-174-1C | |
Fisherbrand Wet-Strengthened Qualitative Filter Paper Circles | Fisher Scientific | 09-790-12F | |
Fisherbrand Y Connector with 1/4 in. ID - Polypropylene - QC | Fisher Scientific | 01-000-686 | |
Garvey Economy Single Edge Cutter Blade | Amazon | B001GXFAEQ | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Secondary Antibody, DyLight 488 | ThermoFisher Scientific | 35552 | |
Ideal Clamp Stant High-Pressure Clamps | Fisher Scientific | 14-198-5A | "hose clamps" |
IMEB, Inc Sakura Accu-Edge Low Profile Microtome Blades, Dispoisable | Fisher Scientific | NC9822467 | |
Kawasumi 25 Gauge Standard Winged Blood Collection Set | Fisher Scientific | 22-010-137 | "butterfly needle" |
Kimberly-Clark Professional Kimtech Science Kimwipes Delicate Task Wipers, 1-Ply | Fisher Scientific | 06-666 | |
Molecular Probes ProLong Diamond Antifade Mountant with DAPI | Fisher Scientific | P36962 | |
Nalgene Narrow-Mouth Right-to-Know LDPE Wash Bottles | ThermoFisher Scientific | 2425-0506 | "buffer bottles" |
PAP pen | abcam | ab2601 | |
Paraformaldehyde Granular | Electron Microscopy Systems | 19210 | |
Pyrex Glass Drying Dishes, 34.9 x 24.9 x 6 cm | Fisher Scientific | 15-242D | |
Recombinant Anti-Alpha-synuclein (phospho S129) antibody [EP1536Y] | abcam | ab51253 | |
Sodium Hydroxide | Sigma-Aldrich | 221465-2.5kg | |
Stainless Steel Drinking Cup 18-oz | amazon | B0039PPO9U | |
Sucrose for Molecular Biology CAS: 57-50-1 | Us Biological | S8010 | |
Triton X-100 | Us Biological | T8655 | |
Vetone Fluriso Isoflurane USP | MWI Animal Health | 502017 |
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