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Aqui apresenta-se um protocolo para investigar os efeitos iniciais da amiloide-β (Aβ) no cérebro. Isto mostra que Aβ induz endocitose mediada por Clatrina e colapso dos cones de crescimento axonal. O protocolo é útil em estudar os efeitos iniciais de Aβ em cones de crescimento axonal e pode facilitar a prevenção da doença de Alzheimer.
Amiloide-β (Aβ) provoca deficiências de memória na doença de Alzheimer (AD). Apesar de terapêutica foram mostrados para reduzir os níveis Aβ no cérebro de pacientes, estas não melhorar as funções de memória. Desde Aβ agrega no cérebro antes do aparecimento de perturbações de memória, alvejando Aβ pode ser ineficiente no tratamento de pacientes que já apresentam défices de memória. Portanto, sinalizando a jusante devido à deposição de Aβ deve ser bloqueado antes do desenvolvimento da AD. Aβ induz a degeneração axonal, levando ao rompimento de redes neuronais e deficiências de memória. Embora existam muitos estudos sobre os mecanismos de toxicidade Aβ, a fonte de toxicidade Aβ permanece desconhecida. Para ajudar a identificar a fonte, propomos um novo protocolo que usa microscopia, transfecção do gene e célula viva de imagem para investigar mudanças adiantadas causadas por Aβ em cones de crescimento axonal de neurônios cultivados. Este protocolo revelou que Aβ induzida por endocitose mediada por Clatrina em cones de crescimento axonal, seguido pelo colapso do cone de crescimento, demonstrando que a inibição da endocitose impede que a toxicidade Aβ. O presente protocolo será útil em estudar os efeitos iniciais de Aβ e pode levar a um tratamento mais eficiente e preventivo AD.
Depósitos de amiloide-β (Aβ) são encontrados no cérebro de pacientes com doença de Alzheimer (AD) e são considerados uma causa fundamental de AD1 que disrupt redes neuronais, levando a deficiências de memória2,3,4. Muitos candidatos clínico foram mostrados para prevenir eficazmente a produção amiloide-β (Aβ) ou remover os depósitos Aβ. No entanto, ninguém conseguiu na melhoria da função de memória em pacientes de AD5. Aβ já é depositado no cérebro antes do início da deficiência de memória6; Portanto, diminuindo os níveis Aβ nos cérebros de pacientes exibem deficiência de memória pode ser ineficaz. Deposição de aβ está presente em pacientes pré-clínicos de AD; no entanto, estes pacientes raramente apresentam com neuronal défices degeneração e memória6. Há um desfasamento entre a deposição de Aβ e deficiências de memória. Portanto, uma estratégia fundamental para a prevenção do anúncio está bloqueando a toxicidade Aβ sinalização durante os estágios iniciais do anúncio, antes do desenvolvimento dos défices de memória. Deposição de aβ induz axônio degeneração7,8,9,10,11,12,13, que pode levar a uma ruptura do redes neurais e comprometimento permanente da função de memória. Muitos estudos têm investigado os mecanismos de toxicidade Aβ; por exemplo, os axônios degenerados dos cérebros de ratos de AD foram mostrados para ter aumentado de autofagia14. Ativação de calcineurina tem sido relatada como um possível mecanismo de degeneração axonal induzida por Aβ15; no entanto, o gatilho directo de degeneração axonal permanece desconhecido.
Este estudo enfoca o colapso do axonal terminações chamadas de cones de crescimento. O colapso dos cones de crescimento axonal pode ser causado por repelentes de crescimento axonal, tais como semaforina-3A e ephrin-A516,17,18,19,20. Colapso-como distróficos axonal finais foram observadas no cérebro de pacientes de AD21,22. Além disso, uma falha de funcionamento de cone de crescimento pode provocar degeneração axonal23. No entanto, é desconhecido se Aβ induz o colapso do cone de crescimento. Portanto, este estudo apresenta um novo protocolo para observar os primeiros efeitos de Aβ nos neurônios cultivados e investigar o colapso do cone de crescimento induzido por Aβ.
Todos os experimentos foram conduzidos em conformidade com as orientações para o cuidado e o uso de animais de laboratório no Campus da Universidade de Toyama Sugitani e foram aprovados pelo Comitê de cuidado Animal e uso de animais de laboratório no Campus da Sugitani o Universidade de Toyama (A2014INM-1, A2017INM-1).
1. colapso ensaio
2. amiloide β imunocoloração
3. axonal Immunostaining27
4. célula de imagem27 ao vivo
5. endocitose experimento
6. Gene Transfection
Neste protocolo, Aβ1-42 foi incubada a 37 ° C por 7 dias antes do uso, porque a incubação de Aβ1-42 era necessária para a produção de formas tóxicas27,28,30,35. Após esta incubação, formas agregadas de Aβ foram observadas (figura 1A). Tem sido relatado que a incubação semelhante de Aβ1-42 produzido forma fibrila de Aβ36. Após o tratamento com este agregado Aβ1-42, imunocoloração com um anticorpo para o tóxico oligómero de Aβ35,37 foi realizada e coloração positiva foi detectada em neurônios cultivados (figura 1B). Tendo em conta o acima exposto, o presente protocolo de incubação produz as formas tóxicas de Aβ.
Vários dias foram necessários para a indução de degeneração axonal após exposição Aβ. Os eventos antes da degeneração axonal permanecem obscuros. Portanto, este protocolo foi desenvolvido para entender melhor os mecanismos envolvidos. Usando este protocolo, foram analisados os fenômenos precoce induzidos por tratamento de Aβ. Neurônios corticais foram cultivados por 4 dias. Os mais longos neuritos nos neurônios cultivados foram identificados como axônios; Estas foram confirmadas por imunocoloração positiva para o marcador axonal, tau-1 e imunocoloração negativa para o marcador dendrítica, MAP2 (Figura 2). Após 1 h de tratamento do veículo, cones de crescimento tinham espalhar lamellipodia e processadas várias filopodia. Estes foram identificados como cones de crescimento saudável. Inversamente, a 1h de tratamento Aβ1-42 levou a cones de crescimento encolhidos, que se desenvolveu sem lamellipodia ou filopodia. Estes foram identificados como cones de crescimento colapsado. Golo de colapso foram calculados conforme descrito na etapa 1.3.7. Quando as formas de cones de crescimento não eram claras, eles foram eliminados da análise. Aβ1-42 tratamento levou a um aumento significativo na pontuação do colapso, correspondente a aumentou o colapso de crescimento axonal, quando comparado com o placar de colapso de crescimento tratados com veículo cones27.
Cones de crescimento axonal foram observadas antes e após o tratamento com Aβ1-42 (Figura 3). As células foram mantidas no microscópio invertido com um ambiente umidificado de 10% CO2 a 37 ° C. Imagens foram capturadas a cada 5 min. Como mostrado na Figura 3, cones de crescimento desabou entre 21 e 26 min após tratamento Aβ1-42. Cones de crescimento foram excluídos da célula viva imaging se não retêm sua forma saudável por 1h antes de qualquer tratamento.
Para visualizar os efeitos iniciais da Aβ1-42-tratamento, endocitose foi usado como o foco desta análise, porque inibidores de endocitose podem bloquear Aβ1-42-induzido crescimento-cone colapso27. Endocitose foi visualizado com uma sonda de membrana de fluorescência (i. e., uma tintura fluorescente que vincula a membranas de plasma e espontaneamente é endocytosed). Um estudo anterior mostrou que os cones de crescimento não colapso durante 20 min depois Aβ1-42-tratamento27; Portanto, cones de crescimento saudável foram selecionados por DIC de imagem no veículo ou Aβ1-42-tratada células depois de 20 min. Após Aβ1-42-tratamento, observaram-se numerosos membrana fluorescente partitura de sonda-positivo do cone de crescimento (Figura 4). A densidade da partitura de sonda-positivo de membrana de fluorescência em cones de crescimento foi significativamente aumentada27. Isto sugere que endocitose de cone de crescimento Aβ1-42-induzida ocorre antes do colapso.
Para confirmar o papel de endocitose, um plasmídeo de DNA codificação EGFP-AP180 C-terminal foi transfectado em neurônios corticais culturas. Células expressando o AP180 C-terminal seletivamente inibiam endocitose mediada por Clatrina38,39. Se a expressão EGFP foi observada para o corpo celular de neurônio, AP180 C-terminal foi considerado ser expressa o cone de crescimento axonal do neurônio. Transfecção de AP180 C-terminal bloqueado Aβ1-42-induzido crescimento cone colapso (Figura 5)27.
Figura 1 : Incubação da Β1-42 agrega Aβ. (A) Aβ1-42 foi dissolvido em água destilada a uma concentração de 0,5 mM e incubadas a 37 ° C por 7 dias (após a incubação) ou armazenado a-30 ° C sem incubação (sem incubação). Cada solução Aβ foi diluída a 0,1 mM; Então, 10 μL de cada solução diluída foi cair nas corrediças de vidro e cobertos com lamelas. Imagens de Bright-campo com iluminação oblíqua foram capturadas usando microscópio invertido escala B. barra = 20 μm. (B) tratamento de agregados Aβ1-42 ou veículo em neurônios cultivados por 4h. Após o tratamento, os neurônios eram fixas e immunostained para oligômeros tóxicos de Aβ. Imagens de fluorescência (vermelho) e imagens do brilhante-campo com iluminação oblíqua (cinza) são mostradas. Barra de escala = 20 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2 : A Colapso do cone de crescimento axonal β1-42-induzido. Após Aβ1-42 - ou veículo-tratamento, neurônios foram corrigidos e immunostained para tau-1 (vermelho) e do microtubule proteína associada 2 (MAP2, verde). São mostradas imagens de contraste (DIC) de interferência de fluorescência e diferencial. Vista ampliada das regiões de interesse (ROI, retângulos) é mostrada abaixo suas imagens correspondentes. Branco barras de escala = 50 μm; preto com barras de escala = 10 μm. Esta figura foi modificada de Kuboyama et al, 201527. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3 : Viver a imagem latente da pilha antes e após A Tratamento de β1-42. Após 4 dias de cultura, as células foram transferidas para um microscópio invertido e DIC imagens foram capturadas cada 5 min. lapso de tempo imagens são mostradas. Os dígitos representam minutos: segundos após a aplicação de agregados Aβ1-42 (concentração final, 0.5 μM). Barra de escala = 10 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4 : Vinte minutos da Tratamento de β1-42 induzida por endocitose. Neurônios corticais foram cultivados por 4 dias e tratadocom com uma sonda de membrana de fluorescência. Então, os neurônios foram tratados por 20 min com Aβ1-42 ou veículo. São mostradas imagens de fluorescência dos cones de crescimento. As linhas pontilhadas amarelas representam os contornos dos cones de crescimento. Barra de escala = 10 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5 : Expressão de C-AP180 terminal bloqueia Aβ1-42-induzido colapso. Quatro dias depois de Transfeccao de EGFP (A, B) ou EGFP-AP180 C-terminal (C, D); Aβ1-42 (B, D) ou veículo (A, C) foi adicionado para neurônios corticais para 1 h. DIC (painéis superiores) e são mostradas imagens de fluorescência (painéis de fundo). As setas indicam os cones de crescimento. Barras de escala = 10 μm. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
O protocolo descrito neste estudo permitiu a observação de fenômenos precoce em cones de crescimento axonal após tratamento Aβ1-42. Aβ1-42 induzida por endocitose em cones de crescimento axonal dentro de 20 min, e colapso do cone de crescimento foi observado dentro de 1 h de tratamento. Esta endocitose era provavelmente mediada por Clatrina. Usando este protocolo, a inibição de endocitose mediada por Clatrina foi confirmada para evitar o colapso do cone de crescimento Aβ1-42-induzido e degeneração axonal em neurônios cultivados27. Além disso, a inibição de endocitose mediada por Clatrina atenuadas degeneração axonal Aβ1-42-induzido e os défices de memória na vivo27. Estes resultados indicam que endocitose mediada por Clatrina é uma avenida promissora terapêutica para prevenção de AD.
Este protocolo foi desenvolvido de colapso ensaios para repelentes de crescimento axonal, tais como semaforina 3A e ephrin-A516,17,18,19,20. Ensaios de colapso têm sido utilizados em estudos para avaliar o desenvolvimento de redes neuronais. Eu tenho mostrado que este protocolo pode ser aplicado a análises patológicas, particularmente aqueles que envolvem mecanismos de anúncio; no entanto, uma limitação pode ser que aproximadamente 40% dos cones de crescimento recolhido na condição saudável. Esse percentual é maior do que os resultados dos neurônios do gânglio culta raízes dorsais, que são mais comumente usados em colapso ensaios16,17,18,19,20. Portanto, a diferença de tipos de células pode estar ligada às diferenças nas taxas de colapso. Os rácios de colapso encontrados neste estudo foram consistentes com os encontrados em estudos anteriores com a normal culta neurônios corticais40,41. Além disso, Aβ1-42 induzida por níveis semelhantes de colapso do cone de crescimento quando comparado com outros fatores de colapso, como semaforina 3A e ephrin-A527. Portanto, o presente protocolo é válido para a quantificação do colapso do cone de crescimento Aβ1-42-induzido. Este protocolo de fixação é importante para manter a forma de cones de crescimento. Se as células foram fixadas convencionalmente com paraformaldeído 4% à temperatura ambiente, mais cones de crescimento podem ter desmoronado devido ao processo de fixação (dados não mostrados). Alternativamente, glutaraldeído e fixação buffers estão disponíveis para fixação rígida, como descrito anteriormente,42; no entanto, glutaraldeído apresenta autofluorescência, que é um obstáculo significativo para a imagem latente de fluorescência.
Com o mesmo protocolo, um estudo recente mostrou que o extrato de água de Radix Polygalae (raízes de Polygala tenuifolia) inibiu a endocitose Aβ1-42-induzida em neurônios cultivados, impediu a degeneração axonal e reduzir os défices de memória em um modelo do AD31rato transgénico. Um romance candidato para prevenção de AD foi encontrado com este protocolo. Uma combinação de transfecção do gene e imagens de células vivas no presente protocolo pode mostrar os outros eventos celulares encontrados em axônios e seus terminais antes e após o tratamento de Aβ, tais como Ca2 + imagem dinâmica do microtubule e dinâmica de adesão celular, que são declaradamente relacionados a axonal crescimento43,44,45. Este protocolo pode ajudar a revelar mais detalhados mecanismos de toxicidade Aβ e pode ajudar a conduzir para a prevenção e/ou tratamento de AD.
O autor não tem nada para divulgar.
Este trabalho foi parcialmente financiado por bolsas de investigação de JSPS (KAKENHI 18K 07389), Japão, Takeda Science Foundation, Japão e Kobayashi Pharmaceutical Co., Ltd., Japão.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
ddY mice | SLC | ||
Eight-well culture slide | Falcon | 354108 | |
poly D lysine | Wako | 168-19041 | |
Culture medium, Neurobasal medium | Gibco | 21103-049 | |
house serum | Gibco | 26050-088 | |
glucose | Wako | 049-31165 | |
L-glutamine | Wako | 074-00522 | |
0.05% trypsin | Gibco | 25300-054 | |
DNase I | Worthington | DP | |
soybean trypsin inhibitor | Gibco | 17075-029 | |
Filter with 70 µm mesh size, cell strainer | Falcon | 352350 | |
B-27 supplement | Gibco | 17504-044 | |
CO2 incubator | Astec | SCA-165DS | |
Amyloid β1-42 | Sigma-Aldrich | A9810 | |
paraformaldehyde | Wako | 162-16065 | |
sucrose | Wako | 196-00015 | |
Aqueous mounting medium, Aqua-Poly/Mount | polysciences | 18606-20 | |
Inverted microscope A | Carl Zeiss | Axio Observer Z1 | Connected with AxioCam MRm, Heating Unit XL S, CO2 Module S1, and TempModule S1 |
Objective Plan-Apochromat 20x | Carl Zeiss | 420650-9901 | |
Objective Plan-Apochromat 63x | Carl Zeiss | 440762-9904 | |
Objective, CFI Plan Apo Lambda 40X | Nikon | ||
anti-MAP2 IgG | Abcam | ab32454 | |
anti-tau-1 IgG | Chemicon | MAB3420 | |
anti-amyloid β antibody | IBL | 10379 | clone 11A1 |
normal goat serum | Wako | 143-06561 | |
bovine serum albumin | Wako | 010-25783 | |
t-octylphenoxypolyethoxyethanol | Wako | 169-21105 | |
goat anti-mouse IgG conjugated with AlexaFluor 594 | Invitrogen | A11032 | |
goat anti-rabbit IgG conjugated with AlexaFluor 488 | Invitrogen | A11029 | |
hot plate | NISSIN | NHP-M30N | |
cover glass | Fisher Scientific | 12-545-85 | |
35 mm dish | IWAKI | 1000-035 | |
Silicone RTV | Shin-Etsu | KE42T | |
hand punch | Roper Whitney | No. XX | |
Fluorescence membrane probe, FM1-43FX | Invitrogen | F35355 | |
Ca2+- and Mg2+-free Hanks' balanced salt solution | Gibco | 14175-095 | |
Transfection solution, Nucleofector solution | Lonza | VPG-1001 | |
Electroporator, Nucleofector I | Amaxa | ||
Inverted microscope B | Keyence | BZ-X710 | |
Image software, ImageJ | NIH | https://imagej.nih.gov/ij/ |
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