くも膜下出血後の脳切片におけるバイタルおよび非バイタル脳周皮細胞のイメージング

要約

予備調査では、くも膜下出血(SAH)が脳周皮細胞の死にを引き起こすことが確認されています。SAH後の周皮細胞の収縮性を評価するには、生存可能な脳周皮細胞と生存不可能な脳周皮細胞を区別する必要があります。そこで、高分解能共焦点顕微鏡を用いた観察を容易にするために、脳切片で生存可能な脳周皮細胞と非生存脳周皮細胞を同時に標識する手順が開発されました。

要約

周皮細胞は、脳の微小循環内に位置する重要な壁細胞であり、収縮性の調整を介して脳の血流を積極的に調節する上で極めて重要です。従来、それらの収縮性は、特定の状況下での形態学的変化と近くの毛細血管直径の変化を観察することによって測定されていました。しかし、組織固定後の活力の評価と、それに続く画像化された脳周皮細胞の周皮細胞の収縮性が損なわれます。同様に、脳周皮細胞の遺伝的標識は、特にくも膜下出血(SAH)などの神経学的状態において、生存可能な周皮細胞と生存不可能な周皮細胞を区別するのに不十分であり、予備調査で脳周皮細胞の死が検証されています。これらの制約を克服するために信頼性の高いプロトコルが考案され、脳切片の機能的および非機能的な脳周皮細胞の両方の蛍光タグ付けが可能になりました。この標識法により、高解像度の共焦点顕微鏡による可視化が可能になり、同時に脳スライスの微小血管系をマーキングすることができます。この革新的なプロトコルは、脳周皮細胞の収縮性、毛細血管径への影響、および周皮皮構造を評価する手段を提供します。SAHの文脈の中で脳周皮細胞の収縮性を調べることで、脳微小循環に対するその影響についての洞察に満ちた理解が得られます。

概要

脳周皮細胞は、細い隆起と突出した細胞体によって区別され、微小循環を取り囲んでいます^1,2。脳血流増強は主に毛細血管拡張によって引き起こされるが、細い動脈は拡張速度が^遅い3。ペリサイトの収縮性は、毛細血管径とペリサイトの形態に影響を与え、血管動態^{に影響を与えます4}。脳周皮細胞の収縮は毛細血管収縮につながり、病理学的シナリオでは、過度の収縮が赤血球の流れを妨げる可能性があります⁵。座骨髄から放出されるノルエピネフリンを含むさまざまな要因が、毛細血管内の脳周皮細胞の収縮を誘発する可能性があります⁶。ペリサイトは、脳血流の調節に関与し、20-HETE合成を示し、高^酸素症の際に酸素センサーとして機能します7。酸化的・硝化的ストレスによる脳周皮細胞の収縮は毛細血管に悪影響を及ぼす⁵.脳周皮細胞の収縮に関するin vivoおよびex vivoの両方の研究にもかかわらず⁸、脳スライス内の生存可能および非生存可能な脳周皮細胞のイメージングに関する限られた知識が残っています。

重要なことに、脳周皮細胞の組織固定後のイメージングは、それらの活力とその後の収縮性評価を損ないます。さらに、神経疾患(くも膜下出血など-SAH)などのシナリオでは、脳周皮細胞のトランスジェニック標識は、生存可能な周皮細胞と生存不可能な周皮細胞を区別できないことが、予備的なSAH誘発性脳周皮細胞死研究によって確認されています⁹。

これらの課題を克服するために、TO-PRO-3を使用して生きた周皮細胞を標識し、死亡したペリサイトはヨウ化プロピジウム(PI)で染色しました。高解像度の共焦点イメージング技術を使用して、イメージング中にスライス活性を維持しながら、脳スライス内の生存可能な脳周皮細胞と生存不可能な脳周皮細胞を視覚化しました。本稿は、SAH後の脳微小循環に対する脳周皮細胞の影響を調査するための貴重なツールとして役立つ、脳スライス中の生存可能および非生存の脳周皮細胞をイメージングするための再現性のある方法を提示することを目的としています。

プロトコル

実験プロトコルは、昆明医科大学の動物倫理および使用委員会(kmmu20220945)によって承認されました。本研究では、雌雄300〜350gのSprague-Dawley(SD)ラットを使用しました。

1. SAHモデルの誘導

1. 2%イソフルランと100%酸素を使用してラットを麻酔します。イソフルラン(1%〜3%)を連続吸入麻酔に供給することにより、麻酔を維持します。.脳定位固定装置を使用してラットの頭を固定します( 材料表を参照)。
2. 以下の手順に従って SAH モデルを作成します。
   1. マイクロインジェクションニードルを上槽に挿入します。次に、シリンジポンプを使用して、ラットの尾動脈(抗凝固剤なし)から自家血液を上槽槽に注入します( 材料表を参照)。
   2. 上記の座標を使用して、右外側脳室にマイクロ注射針を埋め込みます:ブレグマ、-0.8 mm;横方向、1.4 mm;奥行き、4 mm⁹。SAH群の場合、0.2 mLのラット尾動脈血を注入します。偽グループの場合、同じ量の等張生理食塩水を投与します(図1A)。

2.脳スライスの準備と安定化

1. 2%イソフルラン吸入を使用してラットに深く麻酔をかけます。.斬首後、脳全体を摘出し、氷冷した人工脳脊髄液(ACSF)に浸します。
   注:134 mM NaCl、2.8 mM KCl、29 mM NaHCO₃、1.1 mM NaH 2 PO 4、1.5 mM MgSO₄、2.5 mM CaCl₂、10.11 mM D-グルコースの組成で新たに調製したACSF溶液を使用してください(材料表を参照)。pHを7.3〜7.4に維持します。
2. ビブラトーム(材料表参照)を使用して、5%CO2および95%_O2で曝気した氷冷ACSF中のSDラットから厚さ200μmの急性脳スライスを調製します(図2)。
3. 厚さ200μmの急性脳スライスを、ACSFに浸したナイロンメッシュの保存チャンバーに入れます。ACSF溶液を95%O₂ および5%_CO2で平衡化し、35〜37°Cの温度範囲を維持します。 脳スライスを2時間安定させ、調整する時間を与えます(図3)。

3. TO-PRO-3による急性脳切片の周皮細胞の標識

注:急性脳切片由来の周皮細胞は、トレーサーTO-PRO-3¹⁰を用いて蛍光標識した。

1. 蛍光色素TO-PRO-3をACSFに添加し、最終濃度1 μMにします。 急性期の脳スライスを室温で、TO-PRO-3を含むACSFとともに暗所で20分間インキュベートします。
   注意: 保護のため、TO-PRO-3を取り扱うときは、ラテックス手袋を着用することを忘れないでください。
2. 脳スライスを運ぶナイロンメッシュストレーナーをローディングチャンバーから6ウェルプレートリンスチャンバーに移します( 材料表を参照)。脳スライスをすすぎチャンバーに10分間留置します(図4D)。
   注:このすすぎステップは、染色プロセスを終了し、バックグラウンド標識を減らし、非特異的染色を防ぎます。
3. 5% CO 2 と 95% O₂ の混合物で平衡化した ACSF 溶液を使用して、調製物を合計 15 分間すすぎます。このすすぎステップにより、色素の取り込みが停止され、バックグラウンド標識が最小限に抑えられます(図4C)。

4. 急性脳切片における脳微小循環の非生命周皮細胞の染色

1. TO-PRO-3をプレロードした脳スライスを、イソレクチンB4をAlexa Fluor 488(FITC-ISOB4;5 μg/mL、 材料表参照)に結合させた状態で37°Cで暗所で30分間インキュベートします。インキュベーション後、脳スライスをACSFで15分間すすぎます(図4E)。
2. 通常どおり、5%CO2および95%_O2でガス化したACSFで脳スライスをインキュベートします。37°Cで両方の溶液に37μMの濃度のヨウ化プロピジウム(PI)を加えます。 これにより、非重要な脳周皮細胞がラベル付けされます。このACSF溶液中で調製物を暗所で60分間インキュベートします(図4F)。
3. 次に、調製物をACSF溶液で15分間すすぎ、色素の取り込みを停止し、バックグラウンド標識を最小限に抑えます。

5. 急性期脳切片におけるバイタルおよび非バイタル脳周皮細胞のイメージング

1. プラスチック製のパスツールピペットを使用して、脳のスライスをガラス底の共焦点皿(材料表を参照)に静かに移します。5%CO2および95%_O2で事前に平衡化したACSF溶液を皿に充填します。鉄のメッシュを使用して、ラットの脳スライスを所定の位置に固定します。
2. ガラス底の共焦点ディッシュを共焦点顕微鏡のステージに移します。急性脳スライスを皿の底に配置し、共焦点顕微鏡イメージング中に95%O2と5%_CO2の混合物で平衡化したACSF溶液^で9を灌流します(図5Aおよび図5Ab')。
3. 大脳皮質微小血管系の壁細胞を40倍の対物レンズで可視化します。互換性のあるソフトウェアを使用して画像スタックをキャプチャします( 材料表を参照)。IB4(励起/発光 460 nm/520 nm)、PI(励起/発光 545 nm/595 nm)、TO-PRO-3(励起/発光 606 nm/666 nm)に適したフィルターを使用します(図5D)。
   注:40× DIC N1対物レンズ、3×12ビット:512×512ピクセル(0.22 × 0.22 mm)、キャリブレーション:0.42 μm / px。
4. 脳微小血管系と周皮細胞を、そのネットワークと形態に基づいて同定します。各脳スライス上の脳微小血管系ネットワークを含む特定の領域を特定し、画像をキャプチャします。
5. その後のキャプチャで一貫性を確保するために、イメージング位置を注意深くメモします(図5B、C)。さらなる処理と分析には、画像解析ソフトウェア(ImageJ)と写真編集ソフトウェア( 材料表を参照)を使用します。

結果

通常の生理学的条件下では、脳周皮細胞は一般に細胞死を経験しません。 図6 はこの現象を示しており、黄色は重要な脳周皮細胞の存在を示しています。脳周皮細胞はPIによる染色を示さず、生存率を示しています。細胞死後も周皮細胞が微小血管系に付着したままであるかどうかをさらに調べるために、SAHラットモデルで方法を採用し、その後のイメージングを実施?...

ディスカッション

重要な脳周皮細胞、非重要な脳周皮細胞、および脳スライスの微小血管系を視覚化するための高解像度共焦点イメージング技術を開発しました。急性ラットの脳切片では、このプロセスでは、TO-PRO-3¹¹による周皮細胞の最初の標識、続いてIB4¹²による微小血管内皮細胞の標識が伴います。その後、PIを用いて死亡した周皮細胞の同定を行います。このプロト?...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
6-well plate	ABC biochemistry	ABC703006	RT
Adobe Photoshop	Adobe	Adobe Illustrator CS6 16.0.0	RT
Aluminium foil	MIAOJIE	225 mm x 273 mm	RT
CaCl2·2H2O	Sigma-Aldrich	C3881	RT
Confocal imaging software	Nikon	NIS-Elements 4.10.00	RT
Confocal Laser Scanning Microscope	Nikon	N-SIM/C2si	RT
Gas tank (5% CO2, 95% O2)	PENGYIDA	40L	RT
Glass Bottom Confocal Dishes	Beyotime	FCFC020-10pcs	RT
Glucose	Sigma-Aldrich	G5767	RT
Glue	EVOBOND	KH-502	RT
Ice machine	XUEKE	IMS-20	RT
Image analysis software	National Institutes of Health	Image J	RT
Inhalation anesthesia system	SCIENCE	QAF700	RT
Isolectin B 4-FITC	SIGMA	L2895–2MG	Store aliquots at –20 °C
KCl	Sigma-Aldrich	7447–40–7	RT
KH2PO4	Sigma-Aldrich	P0662	RT
MgSO4	Sigma-Aldrich	M7506	RT
NaCl	Sigma-Aldrich	7647–14–5	RT
NaH2PO4·H2O	Sigma-Aldrich	10049–21–5	RT
NaHCO3	Sigma-Aldrich	S5761	RT
Pasteur pipette	NEST Biotechnology	318314	RT
Peristaltic Pump	Scientific Industries Inc	Model 203	RT
Propidium (Iodide)	Med Chem Express	HY-D0815/CS-7538	Store aliquots at –20 °C
Stereotaxic apparatus	SCIENCE	QA	RT
Syringe pump	Harvard PUMP	PUMP 11 ELITE Nanomite	RT
Thermostatic water bath	OLABO	HH-2	RT
Vibrating microtome	Leica	VT1200	RT