Dois fótons de imagem da Cellular Dynamics na Medula Espinhal Rato

Resumo

Uma nova ex vivo preparação para a imagem latente o mouse medula espinhal. Este protocolo permite a dois fotões imagiologia de interacções celulares vivos ao longo da medula espinal.

Resumo

Two-photon (2P) microscopy is utilized to reveal cellular dynamics and interactions deep within living, intact tissues. Here, we present a method for live-cell imaging in the murine spinal cord. This technique is uniquely suited to analyze neural precursor cell (NPC) dynamics following transplantation into spinal cords undergoing neuroinflammatory demyelinating disorders. NPCs migrate to sites of axonal damage, proliferate, differentiate into oligodendrocytes, and participate in direct remyelination. NPCs are thereby a promising therapeutic treatment to ameliorate chronic demyelinating diseases. Because transplanted NPCs migrate to the damaged areas on the ventral side of the spinal cord, traditional intravital 2P imaging is impossible, and only information on static interactions was previously available using histochemical staining approaches. Although this method was generated to image transplanted NPCs in the ventral spinal cord, it can be applied to numerous studies of transplanted and endogenous cells throughout the entire spinal cord. In this article, we demonstrate the preparation and imaging of a spinal cord with enhanced yellow fluorescent protein-expressing axons and enhanced green fluorescent protein-expressing transplanted NPCs.

Introdução

Modelos de ratos de desmielinização, incluindo a encefalomielite autoimune experimental (EAE) e infecção intracraniana com neuroadapted vírus da hepatite do camundongo (MHV), são excelentes ferramentas para estudar vias moleculares e interações celulares associados à doença. Eles têm conduzido a e suportado a eficácia de terapias farmacêuticas aprovado pela FDA, principalmente contra a cessação de autoimunidade e inflamação ^1. No entanto, uma vez que a remielinização endógeno falhou, as terapias actualmente aprovadas não eficaz para reparar lesões de desmielinização do sistema nervoso central. Portanto, terapias focadas no reparo nesta fase da doença são fundamentais para o alívio de sintomas crônicos e melhoria da qualidade de vida. Recentemente, as células precursoras neurais (NPCs) vieram à tona como um potencial modalidade terapêutica regenerativa para atingir áreas de inflamação e desmielinização. Vários estudos têm destacado a capacidade de NPCs para induzir endógenonos remielinização e participar diretamente remielinização ^2-8. Porque NPCs estão envolvidos em remielinização direta, é imperativo compreender a sua cinética e interações com células endógenas após o transplante. Após o transplante, NPCs migrar ventralmente para áreas de lesões da substância branca, em seguida, rostral caudal e relativas ao local de transplante ^5,9. A cinética da migração diferem em resposta aos estímulos ambientais; NPCs transplantadas em uma medula espinhal não danificado têm velocidades maiores que as NPCs transplantadas em uma medula espinhal danificada ^6. Depois de um período migratório, transferido NPCs proliferam extensivamente, a uma taxa mais elevada num medular danificado em relação a uma medula espinhal intacta ^6. Finalmente, a maioria dos NPCs diferenciar em oligodendrócitos e iniciar ^4,6,9 remielinização directa.

A lesão desmielinização é complexo e pode incluir uma população diversa de células em vários estágios de umctivation. Por exemplo, uma lesão activa esclerose múltipla (EM) podem incluir uma população significativa de células T activadas, a microglia e macrófagos M1 M1, mas uma lesão crónica MS silenciosa pode ser constituída essencialmente por astrócitos reactivos com poucas células inflamatórias ^10-13. Devido à diversidade de células efectoras, de dois fotões (2P) de imagem em modelos de rato de desmielinização é uma ferramenta extremamente útil para ajudar a compreender as interacções celulares locais no interior da lesão. Em muitos modelos de MS e MS de investigação amplamente utilizadas, a maioria das lesões está localizada no lado ventral da medula espinhal, uma região inacessível para imagens intravital 2P devido à profundidade da lesão e o elevado teor de lípidos da medula espinhal. Para contornar esses problemas e as interações célula-célula estudo dentro de lesões ao longo da medula espinhal ventral, temos desenvolvido um simples ex vivo 2P preparação imaging ^6.

Este estudo segue-se uma publicação métodos anterior, que mostrouo procedimento para o transplante reforçada proteína verde fluorescente (eGFP) NPCs -expressing para a medula espinhal de ratos após JHMV estirpe de desmielinização induzida por MHV ^14. Cinco semanas ratos velhos são infectadas com JHMV e transplantados com eGFP-NPCs ao nível torácico 9 no dia 14 pós-infecção. O protocolo apresentado aqui fornece etapas detalhadas sobre como extrair a medula espinhal, fazer uma preparação ex vivo agarose, e imagem transplantado interações eGFP-NPC com melhor proteína fluorescente amarela (EYFP) axônios -expressing. Ratos que expressam EYFP sob a Thy1 promotor específico neuronal foram usados ​​neste procedimento ^{de 15.} Apenas alguns dos axônios expressar EYFP, tornando-o útil para a imagem latente axônios individuais. Aqui nós mostramos medulas espinhais removidas em 7 dias pós-transplante; no entanto, a espinal medula pode ser extraída em qualquer momento após o transplante. Enquanto que mostram as interacções de NPCs com axónios danificados, o nosso protocolo pode ser utilizado em combinação com marcadores fluorescentes genéticosde outros tipos de células para investigar uma variedade de interacções celulares que ocorrem durante todo o rato medula espinhal.

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Protocolo

Declaração de Ética: NOTA: O protocolo para manejo dos animais foi aprovado pelo Comitê de Cuidados e Uso do animal Institucional (IACUC) da Universidade da Califórnia, em Irvine, protocolo nº 2010-2943.

1. A remoção da Medula Espinhal

1. Coloque folhas de papel umedecido com ~ 100% de isoflurano líquido, USP em câmara de eutanásia e coloque toalhas de papel seco em cima. Coloque o mouse na câmara em cima de toalhas de papel secas tão mouse não está tocando o isoflurano e certifique-se da câmara é coberto. Espere pelo menos um minuto após a cessação da respiração para garantir que o rato é sacrificado.
2. Realize uma transection espinhal do pescoço para garantir o rato é sacrificado. Não realize uma luxação cervical, pois pode danificar a medula espinhal.
3. Pulverizar o rato com etanol a 70% para molhar o cabelo.
4. Use tesouras finas afiadas para remover o cabelo e pele do dorso do rato para expor a coluna vertebral cervical lâmina de aproximadamente 1 (C1) Para lamina sacral 4 (S4).
5. Usando um bisturi com lâmina # 10, fazer incisões para a esquerda e direita da coluna vertebral, para separá-lo de músculo e gordura. Isso fará com que a remoção da medula espinhal muito mais fácil.
6. opcional: a curvas rongeurs Luer pode ser usado para colher longe carne adicional.
7. Enquanto mantém o topo da coluna vertebral com uma pinça Graefe serrilhadas, insira titânio curvadas tesoura Vannas com o lado curvo-se na coluna vertebral exposta na C1, tomando cuidado para não tocar na medula espinhal.
8. Deslize o titânio curvadas tesoura Vannas todo o caminho para a direita e fazer um pequeno corte. Um pequeno som crise deve ser ouvida e sentida como a tesoura cortar o vértebras. Repita este corte no lado esquerdo do cordão. Tenha cuidado para não ir demasiado depressa ou tornar muito grande de um corte como este corre o risco de danificar o cabo com a tesoura.
9. A única lâmina deve ser capaz de ser levantado com a pinça uma vez que os lados das vértebras são cortadas. REPEAT esta etapa para cada lâmina até S4, continuando a segurar e puxar para trás as vértebras da medula espinhal.
   NOTA: as vértebras acima do local de transplante provavelmente vai sair uma vez que é cortada para o site de transplante. Continuar o processo de arranque logo abaixo do local de transplante.
10. opcional: lançar as vértebras para baixo para ver onde o site e transplante é medida e cortar ~ 20 milímetros rostral e caudal para o site de transplante.
    NOTA: Quando o transplante NPCs mais não serão necessários, como os NPCs transplantados geralmente não migram mais longe do que 15 mm. A quantidade de medula espinhal necessária será dependente das características da experiência de migração e de tipo de célula transplantada. Fazendo cortes rostral e caudal, os quais são equidistantes ao local de transplante permitirá que o local de transplante a ser localizado mais facilmente durante o exame.
11. Usando um bisturi com uma lâmina de # 11 de corte cuidadosamente o gânglio à direita e à esquerda da face ventral da medula espinal começando na extremidade rostral. Este wdoente permitir a medula espinal a ser removido a partir das vértebras ventral mais facilmente.
    NOTA: Feito rapidamente (passos 1,7-1,11), a medula espinhal não vai secar. No entanto, 1x PBS pode ser administrado para o cabo para mantê-lo húmido.
12. Inverta o mouse e segure o mouse para que a medula espinhal é voltado para baixo. Retire cuidadosamente para fora da medula espinhal usando uma pinça Graefe serrilhadas fechadas. Sem entalhamento da medula espinal, gânglios corte cuidadosamente quaisquer restantes para permitir a medula espinal a ser levantado para fora de uma peça única intacta.
13. Certifique-se a medula espinhal está em RPMI-1640 e colocá-lo em gelo durante o transporte para o microscópio 2P.

2. Preparação de Medula Espinhal for Imaging

1. Incorporação da medula espinhal em agarose
   1. Manter o isolado da medula espinal em arrefecida RPMI-1640 em gelo antes da imagiologia.
   2. Pesar de agarose (baixa temperatura de gelificação) e preparar uma solução de 5% em 5 ml de PBS 1x. Microondas A solução de agarose a 5% durante 15 segundos para dissolver o aglevantou-se e deixar a solução legal para 37 ° C.
   3. Preparar a medula espinal, colocando-o sobre uma folha de Parafilm com o lado ventral para cima.
   4. Pipetar cerca de 5 ml de solução de agarose a 5% sobre o lado ventral da medula espinal. Deixe a agarose solidificar por arrefecimento até à temperatura ambiente. Solidificação completa demora cerca de 5 min.
   5. Aplique uma leve camada de cola de tecido para um quadrado deslizamento de cobertura 22 mm.
   6. Inverta a medula espinhal incorporado, colocando o lado ventral em Parafilm. O lado dorsal será agora voltado para cima. Aderem a lamínula no lado dorsal, e mergulhe a preparação deslizamento agarose incorporado medula espinhal / tampa em RMPI para solidificar o adesivo. Retire o excesso de solidificou agarose usando uma lâmina de barbear.
2. Montagem da medula espinal na platina do microscópio
   1. Aplique vaselina para a parte inferior da tampa de deslizamento. Isto irá estabilizar a preparação durante a perfusão.
   2. Coloque a preparação da medula espinhal em umimagiologia bem na platina do microscópio, com o lado ventral para cima para alcançar o objectivo de imersão 25X. O poço de imagem custom-built é de aproximadamente 20 mm de profundidade, a 50 mm de comprimento, e 50 mm de diâmetro.
   3. Imagem enquanto superfusing a preparação com aquecido (37 ° C), oxigénio (95: 5 de oxigénio: carbono em dióxido de carbogénio) meio RPMI-1640 sem soro.
      1. Mídia Pré-aquecer a 37 ° C em banho-maria e conectá-lo à bomba tubulação por inserir o tubo dentro da garrafa de mídia.
      2. Manter a temperatura do meio a 37 ° C, um dispositivo de aquecimento no ponto de ligação da tubagem para a câmara. Meios Superfuse através bem a 3 ml / min, utilizando tubagem ligada ao tubo da bomba (Figura 1B).

3. 2P por imagem da Medula Espinhal Ventral

1. Setup Microscópio
   1. Adquirir imagens de Thy1-EYFP medulas espinhais usando um Chameleon Ultra laser de Ti: Safira sintonizado 900 nm. Atenuar potência do laser noespécime para <5% para assegurar o mínimo ^{de 16} de fototoxicidade. Manter a temperatura irrigando perfundido com oxigénio meio RPMI-1640 a uma temperatura constante de 37 ° C utilizando um aquecedor de solução única linha de imagem para garantir estável, e para impedir a dispersão do tecido e danos celulares.
   2. Para separar o sinal fluorescente eGFP e EYFP, coloque um 520 nm dicróica de ponta única e um nm-edge único feixe dicróica divisor 560 em série para separar 2P de emissão em três canais, propositadamente dividir a emissão verde para melhorar a visibilidade.
      NOTA: Estes canais são referidos como azul-verde (emissão <520 nm), verde-amarelo (520-560 nm) e vermelho (emissão> 560 nm). Tubos fotomultiplicadores detectar a luz emitida em cada canal.
2. Localizando áreas de imagem de interesse
   1. Usando a ocular e uma fonte de luz de campo claro, concentrar o objectivo de imersão no bordo ventral da medula espinal para definir um ponto de referência.
   2. Faça fonte de luz ambiente certeza está fora e swcoceira para 2P excitação abrindo o obturador laser.
   3. Se estiver disponível, na busca de tecido para áreas de interesse, use uma configuração de resolução mais baixa, maior volume sem zoom digital, e maior velocidade de varredura do que na aquisição de imagens finais. As configurações típicas com este sistema na busca de tecido para uma região de interesse são: Resolução: 256 pixels; volume de: x = 600 um, y = 600 um, z = 0-300 um.
   4. Observar os axónios EYFP perto da borda ventral da medula espinal. Segundo sinal harmónico de colágeno (azul) será mais brilhante na borda do tecido da medula espinhal. Localize os axônios EYFP apenas dorsal para o segundo sinal harmônico do colágeno e sinal EYFP é visualizado no canal verde-amarelo.
   5. Localizar o local de transplante no centro longitudinal da preparação da medula espinal ^14. Para camundongos um dia após o transplante eGFP-NPC, localize o site de transplante, concentrando-se a caminho do feixe no plano z profundamente no tecido. O wi site de transplantell variam ligeiramente entre os animais, mas geralmente está localizado ~ 200 mm a partir da borda ventral. Observe os aglomerados de eGFP-NPCs nos tratos de substância branca, mais perto das bordas lateral e ventral em ratos após dia 1 pós-transplante.
3. Obtenção de imagens finais
   1. Adquirir resolução de imagem de 512 pixels; volume de: x = 270 mm, y = 212 mm, e z = 100 um usando software Slidebook 6. Compilar z-stacks através da aquisição de planos focais sequenciais em incrementos de 2,5 mM.
   2. Executar uma verificação bidirecional com deslocamento para garantir quantificação rápida de quaisquer objetos que migram da medula espinhal interlace adequada. Certifique-se de que a taxa ideal quadro aquisição para determinar a velocidade do celular dentro da medula espinhal é de aproximadamente 1 frame / sec.
      NOTA: As configurações de imagem pode ser alterado para as preferências do usuário individuais, tais como taxa de quadros de aquisição, resolução de imagem e volumes de imagem. Volumes de imagem maiores geralmente levam mais tempo para adquirir a um GIVresolução en.
   3. Analisar, de culturas, liso, e pseudocoloridas arquivos de imagem Slidebook com software de análise de imagem, tais como Bitplane Imaris 7.7. Produza vídeos finais de lapso de tempo penteando volumes de imagens consecutivas usando um processo automatizado em Slidebook e Imaris.

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Resultados

Embora o protocolo explantado imagiologia medula espinal pode ser utilizado para visualizar qualquer fluorescência na medula espinhal, os nossos resultados demonstram representativos interacções eGFP-NPC com EYFP-axónios. Em primeiro lugar, vamos mostrar a preparação cabo embutido ventral espinhal na Figura 1A. A seguir, mostram a configuração de 2P microscópio e componentes principais na Figura 1B. A Figura 2 demonstra eGFP e EYFP fluorescência em um único z-pilha no i...

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Discussão

Real-time 2P imagiologia de tecido intacto é necessária para investigar a cinética da APN e interacções após o transplante para o rato demyelinated medula espinhal. Intravital 2P imagem é utilizada para determinar a dinâmica celular na face dorsal da medula espinal em ratos vivos, e tem sido utilizada para estudar a desmielinização dorsal em doenças desmielinizantes ^17-19. No entanto, porque NPCs transplantadas migrar para a substância branca ventral, o qual se encontra muito profundo para imagem ...

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Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Isoflurane, USP	Piramal Critical Care, Inc	N/A
Fine scissors	Fine Science Tools	14060-09	sharp
scalpel blade #10	Fine Science Tools	10010-00
scalpel handle	Fine Science Tools	10003-12
Luer rongeurs	Fine Science Tools	16001-15
Graefe forceps	Fine Science Tools	11052-10
Vannas scissors	Fine Science Tools	15615-08
scalpel blade #11	Fine Science Tools	10011-00
RPMI-1640	Gibco	12-115F
agarose, low gelling temperature	Sigma	A9414-25G
Parafilm	Fisher Scientific	13-374-12
Vetbond (tissue adhesive)	3M	1469SB
22 mm square cover slip	Fisher Scientific	12-547
25X dipping objective, 1.1 NA	Nikon	CFI Apo LWD 25XW
Single inline solution heater	Warner Instruments	64-0102
520 nm single-edge dichroic beam splitter	Semrock	FF520-Di02-25x36	Brightline
560 nm single-edge dichroic beam splitter	Semrock	FF560-FDi01-25x36	Brightline
photomultiplier tubes	Hamamatsu	R928
C/L variable-speed tubing pump	Masterflex	77122-22
digital thermometer	Comar Instruments	3501
Chameleon Ultra Ti:Sapphire laser	Coherent	N/A
Slidebook 6 software	3i	N/A
Imaris 7.7 software	Bitplane	N/A