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Eletroporação é uma abordagem eficaz para entregar genes de interesse em células. Aplicando-se esta abordagem na vivo sobre os neurônios do gânglio de raiz dorsal do rato adulto (DRG), descrevemos um modelo para estudo de regeneração do axônio em vivo.
Eletroporação é uma abordagem de transfecção do gene não-virais essenciais para introduzir DNA plasmídeos ou pequenas moléculas de RNA em células. Um neurônio sensorial no gânglio da raiz dorsal (DRGs) estende-se a um único axônio com dois ramos. Um ramo vai para o periférico nervo (ramo periférico) e o outro ramo entra a medula espinhal através da raiz dorsal (agência central). Após a lesão neural, o ramo periférico regenera robustamente Considerando que a agência central não se regenera. Devido a alta capacidade regenerativa, regeneração do axônio sensorial foi amplamente utilizada como um sistema modelo para estudar a regeneração do axônio mamíferos no sistema nervoso periférico (SNP) e sistema nervoso central (SNC). Aqui, descrevemos um protocolo de abordagem estabelecida anteriormente para manipular a expressão gênica em neurônios sensoriais maduros na vivo via eletroporação. Baseado na transfecção com plasmídeos ou pequeno RNA oligos (siRNAs ou microRNAs), a abordagem permite ambas as experiências de perda e ganho-de-função estudar os papéis de genes de interesse ou microRNAs no Regulamento do axônio regeneração em vivo. Além disso, a manipulação do gene expressão na vivo pode ser controlada tanto espacial e temporalmente dentro de um curso de tempo relativamente curto. Este modelo sistema fornece uma única ferramenta para investigar o mecanismo molecular pelo qual a regeneração do axônio mamíferos é regulamentado na vivo.
Lesões no sistema nervoso causaram por trauma neural ou várias doenças neurodegenerativas geralmente resultam em defeitos nas funções motoras, sensoriais e cognitivas. Recentemente, muito esforço tem sido dedicado para restabelecimento de potência regenerativa nos neurônios adultos para restaurar o functionsof fisiológicas ferido neurônios1,2,3. Neurônios sensoriais em DRG são um aglomerado de células nervosas que transmitem diferentes estímulos sensoriais, tais como dor, temperatura, toque ou postura do corpo, para o cérebro. Cada um desses neurônios é pseudo unipolar e contém um único axônio que se bifurca com um ramo, estendendo-se em direção a periferia e o outro ramo indo em direção a medula espinhal4. Os neurônios sensoriais adultos DRGs estão entre alguns neurônios de mamíferos maduros conhecidos para regenerar seus axônios ativamente após lesão. Daí, lesões de axônios sensoriais têm sido empregadas extensivamente como um modelo fundamental para estudar os mecanismos de regeneração axonal em vivo.
Na vivo técnicas transfeccao de gene, que são geralmente menos demorado para configurar e mais flexível do que usando animais transgénicos, jogar papéis essenciais em estudar as funções dos genes e sinalização de caminhos no sistema nervoso. As principais técnicas podem ser classificadas em duas abordagens: instrumento-vírus baseados e5. Viral-baseado na vivo entrega gene nos neurônios adultos pode fornecer precisa spatiotemporal manipulação do gene expressão6. No entanto, processos de trabalho intensivos estão envolvidos em métodos baseados em viral, tais como a produção e purificação de partículas virais, contendo o gene desejado. Além disso, muitos vetores virais poderiam ativar o sistema imunológico do hospedeiro, que pode interferir com a aquisição de dados, análise de dados e possivelmente induzir em erro a interpretação dos resultados experimentais. Eletroporação, uma abordagem típica do transfection baseado no instrumento, utiliza um pulso elétrico para aumentar a permeabilidade da célula e as membranas nucleares, transitoriamente, o que favorece o afluxo de vetores de gene ou pequeno RNA oligos do espaço fora das células7 . Em vitro eletroporação é amplamente reconhecida como uma estratégia transitória, mas altamente eficiente para manipular a expressão de genes alvo em muitos tipos de células. Embora na vivo electroporation leva apenas a expressão do gene transiente com baixa eficiência transfecting comparada com vetores virais, tem várias vantagens sobre abordagens virais. Por exemplo, pode ser aplicado a quase todos os tecidos e células de7,8,9. Além disso, qualquer codificação de genes de interesse ou pequenos oligos RNA (por exemplo, siRNAs, microRNAs) contra certas transcrições de plasmídeos podem ser injetados diretamente no tecido alvo e então eletricamente pulsados, que tornar o processo menos trabalho - e tempo - consumindo. Além disso, transfecting múltiplos plasmídeos e RNA oligos simultaneamente com eletroporação único é possível.
Nós temos estabelecido uma abordagem electroporation in vivo , para manipular a expressão gênica em neurônios sensoriais do rato adulto e aplicado com sucesso e validado tal abordagem em numerosos estudos pioneiros1,2,3 ,8,10. Aqui, apresentamos um protocolo detalhado para facilitar o uso desta abordagem para futuros estudos de regeneração do axônio dos mamíferos.
Todas as experiências em animais foram realizadas em conformidade com o protocolo animal aprovado pelo Comitê de uso e Johns Hopkins institucional Cuidado Animal.
1. materiais e reagentes
2. experimentais procedimentos
Para quantificar a citotoxicidade do protocolo atual e para validar que a taxa de transfecção de na vivo DRG eletroporação é alta o suficiente, nós injetamos e electroporated marcadas fluorescentemente microRNA ou siRNA em L4 e L5 DRGs. Os DRGs desanexados foram processados através de cryo-seccionamento e imuno-histoquímica (Figura 1A-B). Ao estimar a taxa de sobrevivência de células após a injeção e eletroporação, os DRGs intactas de L4 e L5 foram colhidas e processadas através de cryo-seccionamento e imuno-histoquímica. As densidades de neurônio, refletidas com coloração de Tuj1, não mostrou diferença significativa quando comparado com as densidades de neurônio de DRGs intactas, que indica que o electroporation não induz a morte celular neuronal (Figura 1C). A taxa de transfecção foi calculada como o rácio entre o número de neurônios de oligo RNA marcados e o número de neurônios Tuj1-positivo. A taxa média de Transfeccao de miRNA é 80,7 ± 4,3% e o siRNA 94,2 ± 0,3% (Figura 1D). Ao aplicar na vivo electroporation método atual para estudar a regeneração do axônio, o nervo ciático foi aplainado e fotografado. Cada axônio regenerado com trajetória distinta e reconhecível axônio distal final pode ser traçado a partir do site de esmagamento indicado pelo nó de sutura (Figura 2). Além disso, nós electroporated os DRGs com plasmídeos EGFP e colhidas da medula espinhal de T7 a L2 junto com raízes dorsais de L4 e L5 após 7 dias. Usamos um tecido bem estabelecido protocolo de compensação — uDISCO para limpar a medula espinhal,11. Os axônios EGFP-rotulada coluna dorsal na medula espinhal foram fotografados com um microscópio confocal e em seguida identificados no longitudinal e as imagens projetadas sagitais (Figura 3). Alternativamente, as imagens confocal podem ser processadas com software de visualização de microscopia para reconstruir uma imagem 3D (1 filme).
Figura 1 : Imuno-histoquímica de DRG cryo-seção após o electroporation marcados fluorescentemente específico microRNA ou siRNA em vivo. (A) representante cryo-secção de tecido DRG injetado e electroporated com fluorescente-com a tag (Dy547) não-alvo microRNAs. Imagem à esquerda: a imagem do sinal fluorescente (cor vermelha) de fluorescente-com a tag (Dy547) não-alvo microRNAs. Imagem média: imuno-coloração (cor verde) de Tuj1 com um fluoróforo Alexa488 sobre o anticorpo secundário. Imagem direita: a imagem mesclada dos anteriores dois canais. Barra de escala = 100 µm.(B) representante cryo-secção de tecido DRG injetado e electroporated com fluorescente-com a tag (Cy3) não-alvo siRNAs. Imagem à esquerda: a imagem do sinal fluorescente (cor vermelha) de siRNAs de não-alvo (Cy3) fluorescente-tag. Imagem média: imuno-coloração (cor verde) de Tuj1 com um fluoróforo Alexa488 sobre o anticorpo secundário. Imagem direita: a imagem mesclada dos anteriores dois canais. A escala da barra representa 100 µm. (C) a densidade do neurônio de um intacto DRG cryo-seção é 809,6 ± 14,2 células/mm2 (N = 6) e um injetado DRG cryo-seção é 801.6 ± 27,4 células/mm2 (N = 6), quer dizer SEM ±, t do estudante-teste, NS: não significado. Três ratos foram realizados na vivo DRG eletroporação na esquerda de L4 e L5 DRGs com siRNA marcado. Tanto à esquerda e à direita L4 e L5 DRGs são colhidas após 48 h e processado através de cryo-seção e imuno-histoquímica. Cada DRG tem sido seccionado em aproximados 60 fatias e a espessura da fatia é 10 μm. Três fatias de cada DRG são selecionadas por 200 μm e média. (D) a taxa de transfecção da miRNA etiquetado é 80,7 ± 4,3% (N = 4) e o siRNA etiquetado é 94,2 ± 0,3% (N = 6), quer dizer ± SEM. Três ratos foram realizados na vivo DRG eletroporação na esquerda de L4 e L5 DRGs com siRNA marcado e dois ratos com miRNA marcado. Os DRGs são colhidas após 48 h e processados através de cryo-seção e imuno-histoquímica. Cada DRG tem sido seccionado em aproximados 60 fatias e a espessura da fatia é 10 μm. Três fatias de cada DRG são selecionadas por 200 μm e média. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : Ectopically expressa EGFP exibe regenerado axônios neuronais no nervo ciático após o esmagamento lesão. Os axônios uma achatada sofridas lesão por esmagamento do nervo ciático são rotulados com EGFP (fluorescência verde) transportado as somas para axônios. A linha vermelha indica a posição do local da lesão esmagadora, que originalmente foi cirurgicamente marcado por um nó de sutura. A estrela, seta e seta branca indicam três extremidades distintivas do axônio, que estendem do local da queda. Barra de escala = 500 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Imagens de projeção de axônios EGFP-expressando na medula espinhal após na vivo eletroporação de DRGs. (A) projeção Longitudinal de axônios EGFP-etiquetadas dentro da coluna dorsal e as raízes dorsais de L4/L5. Inserir imagens A1 e A2 mostram modos de exibição ampliados das duas áreas rectangulares marcadas no painel (A). A1 apresenta uma visão detalhada dos axônios na coluna dorsal. A2 apresenta uma visão detalhada dos axônios na zona de entrada da raiz dorsal (DREZ). Barra de escala = 200 µm. (B) sagital projeção de axônios EGFP-etiquetadas dentro da coluna dorsal. Barra de escala = 50 µm. clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Filme 1: reconstrução 3D de axônios EGFP-expressando na medula espinhal após na vivo eletroporação de DRGs. Por favor clique aqui para ver este vídeo. (Botão direito do mouse para fazer o download.)
Várias etapas cirúrgicas requerem especial atenção. A L4 e L5 DRGs (localização de somas), que dominam o nervo ciático, precisam ser corretamente identificado e injetado com construções de gene. Caso contrário, o GFP-rotulagem estarão ausente em axônios do nervo ciático. As cristas ilíacas podem ser vistas como útil pontos anatômicos para localizar a L4 e L5 DRGs. Na maioria dos ratos, o aspecto comum entre as vértebras L5 e L6 é próxima de cristas ilíacas12. Alternativamente, L3 DRG pode ser escolhido em vez de L5, especialmente para os ensaios como imuno-histoquímica ou borrão ocidental13, como exposição cirúrgica de L5 DRG geralmente encontra grandes dificuldades devido a uma localização profunda e rica vascularização. Também, a toda cirurgia deve evitar DRG prejudicial ao redor de estruturas, incluindo a medula espinhal e a raiz nervosa. A segunda etapa operacional crítica digno de nota é a injeção. O corante Fast Green foi misturado com a solução de construções de gene para visualizar a solução ejectada da agulha e difusa em DRG. Uma injeção bem sucedida deve mostrar um DRG clara redondo-forma esboçada pelo corante fluorescente. Se a solução com tintura fluorescente vaza da DRG enquanto injetando, um trás e ajuste fino sobre a profundidade da ponta da agulha-micro pode garantir completa injeção da solução de todos para a cápsula DRG. Evite empalar o DRG em mais de três locais diferentes. Além disso, leve sangramento é geralmente inevitável após a injeção de DRG, como DRGs são firmemente encapsulados com rete da perna13. É importante parar o sangramento, para que não vai haver sangue isolando a superfície da DRG de eletrodos durante a eletroporação. Electroporation bem sucedido depende de transdução de corrente elétrica, e solução de PBS pode ser aplicada sobre o eletrodo. Finalmente, o site sobre o nervo ciático onde é esmagado com fórceps deve ser marcado com microsutura, porque o local da lesão é invisível ao microscópio e precisa ser indicado como ponto de partida da regeneração do axônio para análise de imagem mais tarde. Se o nó de sutura epineural no local da queda cai após dissecção e perfusão do animal, é fundamental re-etiquetar o mesmo local, com uma sutura imediatamente no nervo PFA-fixo quando o recuo induzida por esmagamento é ainda identificável.
Entre as técnicas de transfecção, electroporation tem uma maior taxa de transfecção. De acordo com nosso estudo, a taxa de transfecção do neurônio por microRNAs ou siRNAs depois na vivo electroporation DRG é cerca de 90%. Mais importante, na vivo eletroporação é muito menos demorada do que os métodos baseados em vírus, que exigem o empacotamento de vírus das construções de gene desejado. Tanto quanto sabemos, mesmo que a transfeccao lipofectamine-baseado na vivo tem menor toxicidade do que a eletroporação, o lipofectamine não funciona em neurônios DRG particularmente, nem vivo em nem em vitro. Notável, a metodologia atual tem várias limitações técnicas. Em primeiro lugar, a duração da eficácia de siRNA para derrubar o gene de interesse é menor do que a entrega baseados em vírus de plasmídeos. Portanto, todo o processo de eletroporação para sacrifício animal tem que ser terminado em 4-6 dias14. Além disso, a cirurgia realizada sob o microscópio requer prática e alguma destreza manual. Para um iniciante, a duração da cirurgia é muitas vezes mais que o esperado. A dose de anestésica administrada ao rato tem de ser cuidadosamente controlada para evitar mortalidade indesejada. Finalmente, achatamento do nervo ciático provoca sobreposição de axônios quando conduzindo epifluorescente imagem latente. Os nervos não-achatados de imagem com um microscópio confocal é uma opção alternativa.
Anatomicamente, os neurônios sensoriais DRG tem dois ramos axonal - ramo descendente periférico e o ramo ascendente central projetando para a coluna dorsal da medula espinhal10. A metodologia atual também mostra a rotulagem distintiva da coluna dorsal da medula espinhal. Assim, uma metodologia semelhante pode ser usada como um modelo para investigar a regeneração do axônio sensorial após lesão medular. Combinado com técnicas de remoção de tecido11, microscopia confocal convencional ou microscopia de luz-folha pode ser empregada na amostra apuradas da medula espinhal para construir imagens reconstruídas 3D de axônios sensoriais dentro da coluna dorsal da medula espinhal.
Os autores não têm nada para divulgar.
O estudo foi financiado (concedido a F-Q. Z) pelo NIH (R01NS064288, R01NS085176, R01GM111514, R01EY027347), a Fundação de Neilsen H. Craig e a Fundação de BrightFocus.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
ECM 830 Square wave electroporation system | BTX Harvard Apparatus | 45-0052 | For in vivo electroporation |
Tweezertrodes electrodes | BTX Harvard Apparatus | 45-0524 | For in vivo electroporation, 1 mm flat |
Picospritzer III | Parker Instrumentation | 1096 | Intracellular Microinjection Dispense Systems |
Glass Capillary Puller | NARISHIGE | PC-10 | |
Borosilicate Glass Capillaries | World Precision Instruments, Inc. | 1902328 | |
Stereo Dissection Microscope | Leica | M80 | |
Microsurgery Rongeur | F.S.T | 16221-14 | |
Microsurgery Forceps | FST by DUMONT, Switzerland | 11255-20 | Only for sciatic nerve crush |
Glass Capillary | World Precision Instruments, Inc. | TW100-4 | 10 cm, standard wall |
Tape | Fisherbrand | 15-901-30 | For fixing the mouse on the corkboard |
2, 2, 2-Tribromoethanol (Avertin) | Sigma-Aldrich | T48402 | Avertin stock solution |
2-methyl-2-butanol | Sigma-Aldrich | 152463 | Avertin stock solution |
siRNA Fluorescent Universal Negative Control #1 | Sigma-Aldrich | SIC003 | Non-target siRNA with fluorescence |
microRNA Mimic Transfection Control with Dy547 | Dharmacon | CP-004500-01-05 | Non-target microRNA with fluorescence |
Plasmids preparation kit | Invitrogen Purelink | K210016 | GFP-coding plasmid preparation |
Fast Green Dye | Millipore-Sigma | F7252 | For better visualization of the DRG outline during injection |
Ketamine | Putney, Inc | NDC 26637-731-51 | Anesthesia induction |
Xylazine | AnaSed | NDC 59399-110-20 | Anesthesia induction |
Acetaminophen | McNeil Consumer Healthcare | NDC 50580-449-36 | Post-surgical pain relief |
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