맥락총 상피 세포의 섬모 운동의 관측<em&gt; 전의 VIVO</em

요약

In this study, a detailed light microscopic technique was optimized for real-time observation and analysis of the motion of CPEC cilia ex vivo together with an electron microscopic method for ultrastructural analysis.

초록

The choroid plexus is located in the ventricular wall of the brain, the main function of which is believed to be production of cerebrospinal fluid. Choroid plexus epithelial cells (CPECs) covering the surface of choroid plexus tissue harbor multiple unique cilia, but most of the functions of these cilia remain to be investigated. To uncover the function of CPEC cilia with particular reference to their motility, an ex vivo observation system was developed to monitor ciliary motility during embryonic, perinatal and postnatal periods. The choroid plexus was dissected out of the brain ventricle and observed under a video-enhanced contrast microscope equipped with differential interference contrast optics. Under this condition, a simple and quantitative method was developed to analyze the motile profiles of CPEC cilia for several hours ex vivo. Next, the morphological changes of cilia during development were observed by scanning electron microscopy to elucidate the relationship between the morphological maturity of cilia and motility. Interestingly, this method could delineate changes in the number and length of cilia, which peaked at postnatal day (P) 2, while the beating frequency reached a maximum at P10, followed by abrupt cessation at P14. These techniques will enable elucidation of the functions of cilia in various tissues. While related techniques have been published in a previous report¹, the current study focuses on detailed techniques to observe the motility and morphology of CPEC cilia ex vivo.

서문

Cilia are hair-like projections on the surface of most vertebrate cells, which have attracted attention by medical researchers because of a class of diseases termed ciliopathies^2–4. Despite the ubiquitous expression of the organelle, a wide variety of ciliary functions have been reported, including motility and biosensing. For example, motile cilia on the mucoepithelial surface transport mucus⁵ and epithelial debris to the outlet of tracts, thereby preventing disease by clearing the surface of epithelia. Moreover, during early developmental periods and embryonic stages, cilia regulate the proliferation of stem cells⁶, and are involved in the determination of left–right asymmetry of the vertebrate body⁷.

Choroid plexus epithelial cells (CPECs) are derivatives of neuroepithelial cells that cover the surface of the choroid plexus tissue in the brain, which play important roles in maintaining homeostasis of the intracranial environment by production of cerebrospinal fluid (CSF). It has been previously demonstrated that CPECs have multiple non-motile cilia that regulate the production of CSF through G-protein-coupled receptors that are specifically concentrated on the cilia⁸. Although these cilia had been regarded as quiescent non-motile cilia, it was discovered that some CPEC cilia exhibit transient motility during the neonatal period¹. This finding was quite important because it revealed that so-called non-motile cilia are not necessarily immotile from the beginning of development and might display transient motility during specific time windows, possibly in response to specific physiological demands and functions⁹. To precisely describe the motile nature of CPEC cilia, it is necessary to develop an ex vivo observation system that encompasses analysis of the kinetic profiles unique to CPEC cilia.

With respect to motility, although several technical reports have described observations of the motile cilia of the tracheal epithelium^5,10, motile single-cell flagella¹¹, so-called conventional motile cilia¹², and nodal cilia¹³, detailed analytical methods applicable to relatively undulated structures such as the choroid plexus have not been well documented so far. Moreover, a high time resolution is required to analyze the ciliary movement of CPECs, in which expensive high-speed cameras are indispensable. To circumvent this necessity and simplify monitoring the ciliary motility of various cell types, a low cost, high-speed camera has been introduced, and an easily accessible and convenient method to record the motility of motile cilia, especially to describe the speed and pattern of motion of each cilium, has been developed¹. Moreover, original image analysis software “TI Workbench” has been used here to facilitate detailed analysis of motility. Collectively, this method provides a new concise strategy to analyze ciliary motion together with correlative scanning electron microscopy (SEM), which can be adopted in a wide range of cilium research.

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프로토콜

프로토콜과 실험 동물의 사용은 야마나시와 와세다 대학의 대학 기관 동물 관리 및 사용위원회에 의해 승인되었다. 동물 관리 기관은 지침에 따라 수행 하였다.

1. CPEC 준비

1. 다음 장치 및 재료 준비 : 바닥에서 조명을 전송하는 것이 바람직 할 수있는 스테레오 현미경,; 시계 포셉 한 쌍의 (뒤몽 # 3, # 4), 화염 멸균, 직선 운영 가위, 화염 멸균; 20 ml의 얼음처럼 차가운 Leibovitz L-15 미디어를 포함하는 두 멸균 10cm 플라스틱 접시; 2 ml의 RT Leibovitz L-15 매체를 포함하는 35mm의 유리 바닥 요리; 70 % 에탄올을 함유하는 100 ml의 비이커; 신생아 마우스 새끼.
2. 간단히 70 % 에탄올에 신생아 마우스를 담그고 운영 가위를 사용하여 잘린 빠르게 안락사.
3. 멸균 10cm 디에 얼음처럼 차가운 Leibovitz L-15 배지에서 즉시 머리를 배치SH.
4. 뇌를 노출하기 위해 두개골을 열 절단, 시계 포셉의 쌍을 사용하여 덮개 뼈의 피부를 제거하고 뇌 전체를 분리 두개골 신경을 잘라.
5. 얼음처럼 차가운 Leibovitz L-15 미디어를 포함하는 새 접시에 두뇌를 전송하고 뇌가 완전히 매체에 몰입되어 있는지 확인하고, 스테레오 현미경으로 관찰한다.
6. 이 위를 향하도록 뇌의 등 부분을 설정하고 후각 전구 (오른 손잡이 인 경우) 세시 방향에 상주하도록 뇌의 방향. 왼쪽 손에 집게로 부드럽게 뇌를 잡습니다.
7. 미세 해부 포셉 (뒤몽 # 3, # 4) 오른쪽 손을 사용하여, 대뇌의 종 방향 균열을 따라 대뇌 반구를 연결하는 뇌량과 실질 아래를 잘라.
8. 부드럽게 멀리 측면에 대뇌 반구를 밀어 가로 대뇌 균열을 노출.
9. 일을 곤란하게하여 반구를 분리반구과 시상 사이의 전자 실질.
10. 조심스럽게 라미 affixa에 의해 해마의 측면에 부착 된 측면 심실 맥락총을 잡아 당깁니다.
11. 신선한 Leibovitz L-15 매체를 포함하는 35mm의 유리 바닥 접시에 고립 된 맥락총 이동, 중량 (자료 목록) 조심스럽게 제자리에 조직을 유지하는 오버레이.

CPEC 섬모 2. 라이브 영상

1. 400 nm 내지 이상 700 nm의, 그 감광 (ND) 필터 (25 %, 6 %)보다 짧은 광 광로에 삽입 차단하는 적절한 자외선 (UV) 및 추론 (IR) 차단 필터 (들)를 확인 거꾸로 현미경의.
2. 거의 눈에 의해 대물 렌즈의 초점을 조절하고, 중심 및 포커스 쾰러 조명에 적합 할 수 있도록 한 다음 콘덴서를 조정한다. 적절한 미분 간섭 대비를 삽입 (DIC) 프리즘, 리튬의 DIC 요소뿐만 아니라, 분석 및 편광판 요소GHT 경로는 DIC 광학을 준수합니다.
3. 조직 표면의 구조가 가장 인식되도록 DIC 프리즘 위치하여 뷰의 콘트라스트를 조정한다. 표적 세포의 운동성 모든 속눈썹이 경우, 운동성 섬모의 클리어 뷰 인해 안구 운동에 의해 얻을 수 없다.
4. 비디오 카메라에 빛의 경로를 변경하고, 광 전력을 증가시키는 ND 필터를 제거한다.
5. 보기와 초점 분야를 조정 초점 모드에서 카메라를 사용합니다. 하는 영상이 모니터에 실시간으로 표시됩니다, 집중하는 동안, 운동성 섬모의 밝은 전망을 사용할 수 없습니다.
6. 원하는 기간 (분 초) 0.1 밀리의 노출 시간 200 Hz에서 카메라를 사용합니다. 이미지 스택의 취득 후, 하나의 프레임은 분명 섬모 구조를 표시합니다. 섬모 가장자리 흐리게 경우, 프레임 레이트를 증가 시키거나 더 짧은 노출 시간을 사용한다.
7. Leibovitz의 안락사 후 25-60 분 이내에 CPEC의 섬모의 움직임을 기록L-15 매체.

섬모 운동 3. 분석

1. 수동으로 컴퓨터 모니터에 각각의 섬모의 패턴을 치고 추적 할 수 있습니다. 각각의 섬모의 궤적 정보 조립 마우스 포인터, 각 프레임의 표시 모양체 선단 위치. 어느 쪽의 추가 분석을 위해 다른 일반적인 응용 프로그램에 동일한 소프트웨어 또는 내보내기를 사용하여 궤도 정보를 분석 할 수 있습니다. 이러한 분석 단계의 효율의 논의에서 설명된다.
2. 눈으로 운동의 두 가지 모드, 앞뒤로 또는 회전으로 ​​궤도를 분류.
3. 다음 식을 사용 모양체 비팅 주파수 (CBF)를 계산 : [CBF = (초당 프레임 수) / (하나의 비트에 대한 프레임의 평균 개수)] 모양체 팁 움직임도 얻을 수있다 ⁽¹⁴⁾ (도 3 ). 동일한 셀에 다른 섬모 각 ciliu의 움직임을 방해 할 수 있기 때문에, 다수의 섬모 박동주기위한이 계산을 반복M, 불규칙성의 결과.
4. 단일 셀 내에서 축 치고 섬모의 각도 균일 성을 분석하기 위해, 각각의 궤도 (그림 4)의 박동 각도 θ를 정의합니다. 전후 궤적 들어 직선 섬모 팁의 위치 맞춤, 및 X 선을 이동시킴으로써 행한다과 이루는 각도가 θ를 정의한다. 회전 궤도를 들어, 타원에 위치를 맞춘 타원의 장축이 X시킴으로써 행한다과 이루는 각도가 θ를 정의한다. 피팅의 세부 사항은 대표 결과 섹션에 설명되어 있습니다.
5. 각 궤도의 정량적 설명은 일반화 종횡비 AR을 계산한다. 간단히에 의해 궤도를 회전 - θ과 X를 따라 분포의 폭 사이의 비율로 AR을 정의 -와 y -axes (그림 4B). 세부 사항은 대표 결과 섹션에 표시하고, 해석된다유의성은, 상기 매개 변수의 제한은 논의에서 설명된다.

SEM 4. 샘플 준비

주 : SEM이 종합적으로 CPECs상의 섬모의 상태를 평가하는 중요한 방법이다. 현미경에 대한 표본을 준비하기 위해, 표준 절차는 이전에 ^(15)는 약간의 수정으로 사용된다보고했다.

1. 뇌로부터 조직을 절개하기 전에, 폴리에틸렌 캡 5 mL 유리 바이알에 정착액을 준비한다. 정착은 2 % 파라 포름 알데히드, 0.1 M 인산 완충액, pH가 7.4에서 2.5 % 글루 타르 알데히드 (반 Karnovsky의 솔루션 ^16)로 구성되어 있습니다.
2. 단계 1에 기재된 바와 같이 뇌로부터 조직을 해부.
3. 간단히 새로운 접시에 행크 평형 염 용액 (HBSS)으로 격리 된 조직을 린스 한 다음, 실온에서 1 시간 동안 유리 바이알에 정착액의 조직을 고정한다. 일회용 전송 피펫을 사용하여 표본 GE를 처리ntly. HBSS로 세척 후 조직 접착된다.
   1. 정착액 용액에 시편을 전송하기 위해 천천히 방울로 전달 피펫 조직을 함유하는 용액을 소량 배출 및 고정액에 추가.
4. 정착 후, 고정액을 폐기하고 인산 완충액으로 세 번 조직을 헹군다.
5. 나머지 알데히드를 씻어 10 % 자당 용액에 조직을 담근다. 알데히드를 완전히 제거되도록 10 분 동안 용액에 샘플이 담궈하고 신선한 10 % 수크로오스로 두 번 반복한다. 이 단계는 후속 단계에 적절한 포스트 고정을 달성하는 것이 중요하다.
6. 30 분 동안 인산염 완충액 1 % 오스뮴 테트 록 사이드의 용액에 담가 조직하고 이후 정용 얼음 위에 놓는다. 샘플에 의한 색 osmification 정도 판사 : 알데히드가 완전히 제거 될 때, 샘플은 흑색이다.
7. 더블 distille 광범위 후 고정 조직 샘플을 씻으십시오D 물을 여러 번.
8. 에탄올의 농도 구배에 의해 샘플을 침지 탈수, 보통 65 %, 75 %, 85 %, 95 %, 99 %, 100 %, 10 분마다. 새로 구입 한 병에서 99.5 %의 에탄올로 분 자체를 배치하여 무수 에탄올을 얻습니다. 무수 에탄올로 3 회 탈수를 반복합니다.
9. 10 분 동안, 이소 아밀 아세테이트, 임계점 건조를위한 대체 시약으로 탈수 샘플을 놓습니다. 두 번이 단계를 반복합니다. 이 시약은 급속히 증발 샘플은 표면 장력에 의해 파괴의 결과로 건조 될 수있다. 따라서, 완전히 샘플을 건조하지 않습니다.
10. 이소 아밀 아세테이트의 최종 교환 후, 바로, 용매의 대부분을 제거 알루미늄 호일로 열려있는 유리 병을 포장하고, 드라이 아이스에 병을 놓습니다. 액체 이산화탄소가 임계점 건조기에서 유리 병에 쉽게 흐르도록 바늘 또는 미세 집게를 사용하여, 유리 병의 입구를 덮고있는 호일에 여러 구멍을 확인합니다. 다음 단계로 진행가능한 한 빨리.
11. 이 단계에서, 건조기의 챔버로 이소 아밀 아세테이트 이월을 최소화하지만, 시료가 완전히 임계점 건조 전에 건조시키지 않는다. 또한, 유리 병에 서리의 형성을 피하기 위해 불필요하게 오랜 시간 동안 드라이 아이스에 샘플을 두지 마십시오.
12. 물 제거는 조직에 포함되는 동안 조직의 표면 구조는 그대로 남아 있도록 임계점 건조기로 조직 샘플을 함유하는 호일 - 래핑 유리 바이알을 전송. 임계점 건조기를 동작에 대한 자세한 정보는 제조업체의 지침에서 얻을 수있다.
13. 신중하게 기계적 손상을 최소화하기 위해 이쑤시개를 사용하여 샘​​플을 처리합니다. 그 결과 건조 조직 샘플은 약합니다. 이온 스퍼터를 이용하여 금 - 팔라듐 금속 스텁과 코트에 샘플을 탑재합니다.

SEM 5. 관측

1. SEM에 의해 관찰하고, 디지털 카메라로 화상을 기록주사 전자 현미경에 장착.
2. 분석을 위해 PC에 디지털 화상 데이터를 전송.

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결과

흐름의 개요는 이미지 장치를 포함하여,도 1에 도시된다.

CPECs의 라이브 모션 관측

영화 1 산기 마우스로부터 단리 CPECs의 동영상을 도시하고, 동영상이 동영상 1 이미지의 확대도를 도시한다. 그것은 개별 섬모 팁 영화와 비교 정지 화상 불명확하다는 것을 알아야한다.이 프로그램을도 동영상 1 및도

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토론

이 방법의 관점

여기에 설명 된 기술은 이전에 발행 된 방법보다 섬모의 더 상세한 분석을 제공하지 않지만,이 기술의 중요성은 쉽게 섬모 운동 생체의 종류를 선별에 적용 할 수있는 시스템 및 비용 효율성의 단순성에있다. 특히, TI 워크 벤치 관찰하고 더 쉽게 섬모의 운동성을 분석하는 연구를 할 수있는 간단하고 사용자 친화적 인 인터페이스를 제공합니다. 효과적...

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자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Required reagents
for live cell imaging
ethanol	Wako Chemicals	057-00456
Leibovitz L-15 medium	Life Technologies	11415-064
for SEM preparation
ethanol	Wako Chemicals	057-00456
Hank's balanced salt solution	Life Technologies	14170112
paraformaldehyde	Merck	1040051000
glutaraldehyde	Nacalai tesque	17003-05
isoamyl acetate	Nacalai tesque	02710-95
Molecular Sieves 4A 1/8	Wako Chemicals	130-08655	for preparation of anhydrous ethanol
phosphate buffer saline (PBS)	Sigma-Aldrich	D1408
phosphate buffer, 0.1 M			To make 100 ml, mix 19.0 ml of 0.1 M NaH2PO4 and 81.0 ml of 0.1 M Na2HPO4
monosodium phosphate (dihydrate)	Nacalai tesque	31718-15
disodium phosphate (anhydrous)	Nacalai tesque	31801-05
suclose	Nacalai tesque	30406-25
osmium tetroxide	Nisshin EM	300
dry ice
[header]
Tools and materials for dissection
for both live imaging and SEM preparation
stereo microscope	Olympus	SZX7
flat paper towel
Φ10 cm plastic dish
100 ml beaker
straight operating scissors	Sansyo	S-2B
watchmaker forceps	Dumont	No.DU-3 or -4, INOX
for live cell imaging
glass bottom dish	Matsunami Glass	D110300
for SEM preparation
alminum foil
5 ml glass vial with a polyethylene cap	Nichiden Rika-Glass	PS-5A
transfer pipette	Samco Scientific	SM251-1S	for specimen tranfer
toothpick			for specimen transfer
ion sputter with gold-palladium	Hitachi	E-1030
critical point dryer	Hitachi	HCP-2
[header]
Microscopic equipment and materials
for live cell imaging
inverted microscope	Olympus	IX81
100 W mercury lump housing and power supply	Olympus	U-ULH and BH2-RFL-T3
100 W mercury lamp	Ushio	USH103D
DIC condenser, n.a. 0.55	Olympus	IX-LWUCD
electrrical shutter	Vincent Associates	VS35S22M1R3-24 and VMM-D1	manual shutter can be used.
band-pass filter (400-700 nm, Φ45 mm)	Koshin Kagaku	C10-110621-1
ND filter (Φ45 mm)	Olympus	45ND6, 45ND25	combination of 25% and 6% ND filters are used
objective lens (water immersion) with DIC element	Olympus	UApo 40XW/340, n.a., 1.15 with IX-DPAO40
high-speed video camera	Allied Vision Technologies	GE680	≥200 Hz frame rate and 1 msec expose time
image acquisition / analysis software	in-hous software	TI Workbench	capable of acquisition at high frame rates.
PC for camera control / analysis	Apple	Mac Pro
vibration isolation table	Meiritsu Seiki	AD0806
weight for tissue	Warner Instruments	slice anchor kits	It can be made with nylon mesh glued to a U-shape squashed Φ0.5 mm platinum wire.
cover glass (alternative weight for tissue)	Matsunami	made-to-order	A cover glass can be used as a tissue weight.
for SEM
inverted microscope	Olympus	IX81
scanning electron microscope	JEOL	JSM-6510