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Este relatório demonstra uma técnica para isolamento mecânico de cada um dos neurônios viáveis retenção anexado boutons pré-sináptica. Neurônios Vibrodissociated têm as vantagens de rápida produção, controle farmacológico excelente e melhor espaço grampo sem a influência das células vizinhas. Este método pode ser usado para imagens de elementos sináptica e patch-clamp gravação.
Dissociação mecânica dos neurônios do sistema nervoso central tem a vantagem de boutons pré-sináptica permanecer solidários com o neurônio isolado de interesse. Isto permite a análise da transmissão sináptica sob condições onde os ambientes extracelular e intracelular pós-sináptico pode ser bem controlada. A técnica de vibração baseado sem o uso de proteases, conhecido como vibrodissociation, é a técnica mais popular para isolamento mecânico. A micropipeta, com a ponta-fogo polido com a forma de uma pequena bola, é colocado em uma fatia do cérebro feito de um P1-P21 roedores. A micropipeta é vibrado paralela à superfície e uma fatia reduzida através da espessura de corte, resultando na libertação de neurônios isolados. Os neurônios isolados está pronto para o estudo dentro de alguns minutos de vibrodissociation. Esta técnica tem vantagens sobre o uso de culturas primárias neuronais, fatias de cérebro e neurônios isolados enzimaticamente incluindo: produção rápida de viáveis, os neurônios relativamente madura adequado para estudos eletrofisiológicos e de imagem; controle superior do ambiente extracelular livre da influência das células vizinhas; adequação para o bem-controlado experimentos farmacológicos utilizando a aplicação de drogas rápida e superfusão celular total; e melhorado o espaço clamp-in whole-cell recording em relação aos neurônios em fatia ou preparações de cultura de células. Esta preparação pode ser usado para examinar sináptica fisiologia, farmacologia, modulação e plasticidade. Imagens em tempo real de ambos os elementos pré e pós-sinápticos nas células que vivem e boutons também é possível usando neurônios vibrodissociated. Caracterização dos constituintes moleculares de elementos pré e pós-sinápticos também pode ser alcançado com abordagens imunológicas e de imagem-based.
1. Preparando Chama-Sealed micropipeta de vidro
2. Preparar fatias de cérebro de P1-P21 ratos ou camundongos
3. Vibrodissociation
4. Gravação eletrofisiológicas
5. Terminais de imagem pré-sináptica
6. Resultados representativos:
Espontânea e atual Injection-Evocados disparo de neurônios Vibrodissociated
Gravações de um típico vibrodissociated CA1 do hipocampo neurônio piramidal são mostrados na Figura 4A. Potenciais de ação espontâneos ultrapassagem pode ser observado em neurônios piramidais dissociada rato basolateral da amígdala, hipocampo e VTA 1,5. Durante a pinça de corrente-gravações de neurônios piramidais CA1, hiperpolarizantes injeção de corrente produz respostas tensão típica enquanto correntes despolarizantes de magnitude suficiente provocar potenciais de ação overshooting com o padrão de disparo típico atraso com moderada dos níveis actuais e potenciais não-acomodar ação em resposta a forte injeção de corrente ( Figura 4B).
Espontânea e Miniature GABAérgica Inibitória Correntes pós-sinápticos em neurônios Vibrodissociated
Durante a tensão de clamp gravações com uma solução de CsCl baseado intracelular, espontânea correntes sinápticas são observados (Figura 5A). Estes eventos são eliminados em solução contendo cálcio, baixa de 2,6, e na maioria dos tipos de neurônios são completamente bloqueada por antagonistas dos receptores GABA A, como bicuculina ou gabazine (Figura 5B, C), indicando que estes são sIPSCs mediada pela liberação de GABA e ativação deste subtipo de receptor ionotrópicos. No entanto, em neurônios principal de regiões do cérebro como a amígdala basolateral 2 ea área tegmental ventral 5,7, GABA Um bloqueio dos receptoresrevela EPSCs menor duração mediada pela ativação glutamatérgica da AMPA tipo de receptores. Curiosamente, a aplicação de TTX em concentrações que são específicos para o bloqueio da maioria da toxina sensível canais de sódio voltagem dependentes reduz a freqüência ea amplitude do sIPSCs observada em neurônios vibrodissociated de várias regiões do cérebro (Figura 6A) 2,4,7. Assim, a atividade dos canais de sódio participa na liberação de GABA na boutons beliscou-off sináptica. Ainda não está claro se full-blown potenciais de ação sódio ocorrem nesses terminais. É interessante notar que a resistência de entrada de um um terminal mM bem fechados axônio diâmetro é provável que seja assim para o intervalo GÊ. Assim, a abertura de até mesmo um pequeno número de canais de sódio pode ser suficiente para despolarizar terminais para ativar os canais de cálcio que medeiam a secreção de acoplamento excitação. Sobre o assunto destes canais de cálcio, as evidências sugerem que a N e P / Q-type canais de participação na liberação nos terminais GABAérgicos nos preparativos vibrodissociated CA1 do hipocampo de 8 e em outros lugares.
Modulação e plasticidade de transmissão por uma série de neurotransmissores e receptores tem sido analisada através neurônios vibrodissociated 3,4,9. Os neurotransmissores demonstrado ter atividade moduladora tais adenosina, serotonina, GABA, os endocanabinóides, etc 2,6,10,11,12. Além disso, a curto prazo plasticidade sináptica, como endocanabinóide-dependente supressão induzida por despolarização de inibição (DSI) também tem sido descrito nesta preparação 2,11. Esses achados indicam que muitas formas de mediada pelo receptor e trans-sináptica sinalização por neuromoduladores endógenos estão intactas na preparação vibrodissociated.
Transitórios de cálcio e liberação vesicular em Terminais Axon na preparação Vibrodissociated
Usando o microscópio invertido equipado EMCCD descrever acima, temos examinado transientes de cálcio nos terminais pré-sinápticos na preparação neurônio bouton-vibrodissociated. A Figura 2 mostra o carregamento cela com AM-esterificados de diluição de corante Fluo-4 e posterior pós-sináptico em um neurônio CA1 do hipocampo piramidal. Transientes de cálcio espontânea são observados em alguns boutons dye-cheia mostrado como regiões de interesse (ROIs) na Figura 6B. Aplicação de 1 mM tetrodotoxina (TTX) elimina esses transientes espontânea, indicando que eles são mediados pela ativação de correntes de sódio voltagem dependentes que são ativados em boutons espontaneamente, levando ao aumento de cálcio subseqüentes. Aumentando KCl extracelular de 10 mm a 40 mm, com troca rápida solução produz um aumento de fluorescência medida em ROIs que correspondem a terminais pré-sinápticos (Figura 7A). Gravação simultânea do neurônio pós-sináptico é usado para monitorar sIPSCs e determinar se uma freqüência de eventos é aumentada pela alta-K + despolarização (Figura 7B).
Para visualizar fusão das vesículas na boutons pré-sináptica, temos usaram camundongos expressando a synaptopHlourin construir sob o controle do promotor Thy1 (rotulado spH21 ratos). SynaptopHluorin em uma construção molecular em que pHlourin eclíptica (um mutante GFP com sensibilidade maior pH) 12 está ligada à proteína da membrana das vesículas associadas (VAMP2) 13. Este arranjo situa o motivo pHlourin no lúmen da vesícula onde o ambiente relativamente ácidas sacia fluorescência. Após a fusão das vesículas este motivo é exposto ao ambiente mais neutro extracelular com conseqüente aumento da fluorescência em puncta que correspondem às vesículas / terminais pré-sinápticos. Vibrodissociation de neurônios do hipocampo de ratos spH21 permite a visualização de puncta fluorescentes do tamanho e da localização esperada para os terminais GABAérgicos (Figura 8A). Aplicação do alto-K + - contendo solução externa aumenta fluorescência nestes terminais, e este efeito é bloqueado na presença de uma solução externa em que o cálcio extracelular é reduzida para 0,2 mM (Figura 8B). Assim, o aumento despolarização induzida por fluorescência de excitação parece refletir-secreção de acoplamento em sinapses GABAérgicos na preparação neurônio-bouton.
A capacidade de medir transientes de cálcio pré-sináptico e fusão das vesículas nos terminais do axônio da preparação neurônio-bouton nos permite examinar os efeitos de neuromoduladores, drogas de abuso e plasticidade sináptica nos mecanismos envolvidos na excitação pré-sináptica da secreção de acoplamento e exocitose / endocitose. Essas técnicas também podem ser combinadas com outras ferramentas moleculares e ratos geneticamente modificadas para examinar os papéis de proteínas específicas em função pré-sináptica e modulação / plasticidade.
Figura 1. Vibrodissociated neurônios da região CA1 do hipocampo (A) imagem mesclada de um DICnd imagens de fluorescência verde de um camundongo GAD65. Imagem DIC é fundido para mostrar claramente a localização dos terminais verde (B) a imagem de fluorescência de um camundongo synaptophluorin (spH21). Barra de escala = 10 mM
Figura 2 O processo de cálcio indicador de carregamento: (A) de células inteiras é carregado com AM-esterificados corante; (B) de célula inteira de gravação dilui corante; (C) terminais são visualizadas como regiões de interesse (pontas de seta)..
Figura 3. Diagrama esquemático da montagem experimental para a gravação de célula inteira e imagem simultânea de cálcio nos terminais pré-sinápticos nos neurônios vibrodissociated. EMCCD = Taxa de multiplicação de elétrons acoplado dispositivo.
Figura 4. Representante mostrando formas de onda (A) os potenciais de ação espontânea de uma vibrodissociated CA1 neurônio e (B) as respostas de tensão de membrana para hiperpolarizantes despolarizantes e injeções de corrente em grampo corrente gravações de um neurônio CA1.
Figura 5. (A) Representante formas de onda de iPSCs espontânea de um neurônio CA1 piramidal. (BC) A iPSCs foram bloqueados por qualquer gabazine (10 mM; B) ou bicuculina (20 mM; C).
Figura 6. TTX inibe a transmissão sináptica gabaérgica espontânea e elimina transientes de cálcio pré-sináptico na preparação vibrodissociated hipocampo. (A) A gravação de um neurônio vibrodissociated antes e durante a aplicação TTX. Nota a diminuição da freqüência e amplitude de sIPSCs. (B) transientes de cálcio observado em um terminal Fluo-4-carregado em um neurônio pré-sináptico vibrodissociated antes e durante a aplicação TTX. Observe a perda completa de transientes.
Figura 7. Indicador de imagem simultânea de cálcio e de gravação de célula inteira sIPSC mostrando efeitos de K + alta estimulação. (A) fluorescência medidos ao longo do tempo a partir de uma pré-sináptica bouton carregado com Fluo-dye 04:00. (B) o aumento simultâneo da freqüência e amplitude sIPSC durante a aplicação de alta + K.
Figura 8. Ca 2 + dependentes de alto-K + resposta em boutons pré-sináptica dos neurônios piramidais spH21 da região CA1 do hipocampo. (A) imagem de fluorescência de um neurônio vibrodissociated. (B) High-K + aplicação (indicada pela barra preta) resultou em um aumento sustentado da fluorescência na presença do nosso extracelular Ca 2 + normais solução contendo (2 mM Ca2 +). Nenhum aumento de fluorescência foi observada em baixas Ca 2 + extracelular (0,2 mM Ca 2 +). Dados no gráfico foram normalizados para os níveis pré-high-K + de fluorescência, e mostrar médio de resposta de 3 boutons.
Vibrodissociation bem sucedida requer que as fatias contêm neurônios saudáveis e que espaços intersticiais são flexíveis o suficiente para permitir que os neurônios para sair a fatia sem danos tóxicos. Assim, a técnica funciona perfeitamente no início idades pós-natal (P1-21), quando fatias saudável pode ser feita com material menos glial / interstiatial do que é encontrado em fatias do cérebro adulto. Em nossa experiência, no entanto, otimizando preparação fatia para a sobrevivência neuronal na fatia em si pode ser contraproducente para a técnica vibrodissociation. Considerando que rotineiramente preparar fatias na gravação situ usando ACSF modificada fria em que a sacarose foi substituída por grande parte do Na + extracelular e Ca 2 +, fatias preparado para vibrodissociation pode ser preparada (cortada por exemplo) em nosso ACSF gravação normal. Ao se preparar para a gravação fatias de neurônios individuais no fatias-se que, também, colocar fatias em ACSF normal em 35 ° C logo após a secção e deixá-los por 30-60 min a esta temperatura antes de devolvê-los à temperatura ambiente. No entanto, as fatias preparado para vibrodissociation são movidos imediatamente à temperatura ambiente logo após o corte. Estes procedimentos proporcionam um maior rendimento de neurônios saudáveis após vibrodissociation, talvez devido à falta de tecido intersticial empresa que permite que os neurônios para ser mais facilmente abalada solto da fatia em si. Nós não temos exaustivamente examinadas as condições de preparação fatia, como nós rotineiramente obter neurônios suficientes para nossa gravação e experimentos com imagens em um determinado dia. É possível que modificações adicionais, tais como mudanças na espessura de corte ou procedimentos preincubaton, poderia ser feito para aumentar a produção de neurônios saudáveis. Tratamentos protease muito leves foram tentadas em um esforço para aumentar o rendimento das células e obter a técnica para trabalhar em animais mais velhos. No entanto, invariavelmente mesmo tratamento protease leve parece interromper a função sinapse. Assim, enquanto a combinação de protease e mecânica dissociação pode ainda ser encontrado a trabalhar, não tem se mostrado confiável nos neurônios do cérebro anterior até à data.
Também deve ser observado o rendimento relativamente baixo de neurônios saudáveis após vibrodissociation significa que a técnica é útil principalmente para estudar abundante subtipos neuronal, os neurônios, principalmente projeção. A disponibilidade de GFP-expressando ratos em que as pequenas subpopulações neuronais podem ser facilmente identificados aumenta a chance de estudar esses neurônios mais raros. No entanto, a menos que o rendimento neuronal pode ser melhorado substancialmente o acúmulo de dados sobre esses neurônios é susceptível de ser relativamente lento.
Várias etapas provaram ser cruciais para o carregamento de sucesso de neurônios com cálcio-sensing corantes. Exposição a AM-esterificados corante é realizada a 37 ° C, e temos tido sucesso na tentativa de corante de carga a baixas temperaturas. A concentração dos corantes deve ser otimizada considerando tanto o tempo de carregamento e da temperatura, uma vez que parece que a maior concentração de corante carregamento diminui a concentração de cálcio no boutons pré-sináptica. Temos observado que o carregamento com concentrações mais altas diminui a freqüência ea amplitude da sIPSCs. Ao carregar sensível ao cálcio corantes em terminais pré-sinápticos de neurônios vibrodissociated, é preciso ter cuidado porque a capacidade de tamponamento do boutons pequena pré-sináptico pode ser diferente na soma e os tamanhos de boutons não são consistentes. Neurônio contendo os pratos são lavados com tampão HEPES solução externa seguintes dye-loading, eo tempo de recuperação após a lavagem é crucial. Além disso, para fazer uma boa vedação de toda a gravação de células, as células devem ser cuidadosamente lavados para se livrar de não-internalizado moléculas de corante da membrana externa celular.
Além de usar os neurônios vibrodissociated para eletrofisiologia e viver imagens de células, técnicas imunocitoquímicas também pode ser aplicado a essas células 11,12. As células podem ser facilmente fixados e corados com uma variedade de anticorpos e marcadores de células outras. O uso dessas células fornece uma preparação limpa para a visualização de expressão da proteína em GABAérgica terminais pré-sinápticos. Utilizando camundongos que expressam proteínas fluorescentes sob o controle de promotores específicos de neurônios GABAérgicos permite ao investigador identificar individuais terminais sinápticos na preparação do vibrodissociated (Figura 1). Marcadores fluorescentes de imagens deste tipo pode permitir medições morfológicas em terminais baseados em laser utilizando microscopia e técnicas mais recentes, como STED (Estimulação Microscopia Esgotamento Emission). Visualização com corantes que o relatório de ciclismo das vesículas sinápticas também é possível com esta preparação. Akaike e colegas de trabalho têm rotulado terminais GABAérgicos com o corante styryl, FM1-43 para visualizar terminais em células vivas 4.
Também deve ser possível a realização de uma única célula da transcriptase reversa PCR para RNA no perfil de expressão vibrodissociatedneurônios. Esta técnica é rotineiramente aplicada a enzimaticamente-dissociada neurônios e os neurônios cultivados em cultura de células.
Gostaríamos de agradecer as Dras. Ping Jun Zhu e Susumu Koyama por sua ajuda durante a configuração inicial da técnica, e Dr. Veronica Alvarez para a assistência na formatação do manuscrito escrito. Este estudo foi financiado pela Divisão de Pesquisa Clínica e Biomédica intramuros da NIAAA.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Item | Companhia | Catalogo | Comentários |
Vibrando Slicer Tissue | Leica Microsystems Inc. | VT1200S | |
Dish Cultura de células (35 mm) | BD Falcon | 353001 | |
Pratos de vidro de fundo | Willco-prato | GWSB-5040-3522 Ou GWSB | 0,16-0,19 mm para espessura do vidro de imagens |
Manipulator piezoelétrico | EXFO-Burleigh | LSS-3000 | Também pode usar relé, etc |
SD9 Praça Pulso Stimulator | Grama Technologies | SD9K | Para desencadear manipulador piezoelétrico |
Dissecando Stereoscope | Selvagens Heerbrugg | TYP 374590 | Também pode usar qualquer estereoscópio |
Flaming / Brown micropipeta extrator | Instrumento Sutter | P-97 | |
Fina parede de vidro Capilares | Precision Instruments mundo | TW-150F-4 | Para chama-selado de vidro micropipeta e micropipeta de patch |
Seis Canal Perfusão Sistemas de Controle da Válvula | Warner Instruments | VC-6 ou VC-6M | |
Perfusão rápida passo | Warner Instruments | SF-77B | |
Microscópio invertido com 20-63x objetivos | Nikon | TS200 Diaphot | |
EMCCD Camera | ANDOR Tecnologia | ixon EM + DU-888 | |
Excite Fonte de Luz de Fluorescência Iluminação | EXFO Photonics Solutions Inc. | X-Cite 120PC | |
Fluo-4, AM indicador de cálcio | Sondas moleculares | F14201 |
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