介绍了一种活体荧光成像技术,用于定量中枢神经末梢中特定突触小泡(SV)池的补充与动员过程。在同一神经末梢中监测两轮SV循环,以提供内部对照。
介绍了一种活体荧光成像技术,用于定量中枢神经末梢中特定突触小泡(SV)池的补充与动员过程。在同一神经末梢中监测两轮SV循环,以提供内部对照。
中枢神经末梢释放神经递质后,突触小泡(SVs)会通过内吞作用被迅速回收。回收后的突触小泡重新填充神经递质,并重新进入可循环池,即可用于胞吐作用的突触小泡1,2。通常情况下,可循环池可进一步分为两个不同的亚池——即易释放池(RRP)和储备池(RP)。顾名思义,RRP包含可立即用于膜融合的突触小泡,而RP中的突触小泡仅在强烈刺激时才会被释放1,2。为了深入理解以下两个问题,建立一种能够可靠报告这两种突触小泡池差异性再补充情况的检测方法至关重要:1)在不同内吞模式(如网格蛋白依赖性内吞和活动依赖性大规模内吞)后,突触小泡的转运机制;2)在不同刺激条件下,RRP和RP动员的调控机制。
FM染料通常被用于定量报告中枢神经末梢突触小泡(SV)的循环周转3-8。这些染料具有一个疏水的烃链,可逆地插入脂双层中,同时带有亲水性头部基团,阻止其穿过膜结构。FM染料在水溶液中几乎不产生荧光,但当其插入膜中后,荧光量子产率显著提高9。因此,FM染料是追踪活跃循环突触小泡的理想荧光探针。FM染料的标准使用流程如下:首先将其施加于神经元,使其在内吞过程中被摄取(图1);随后洗去未内化的染料,使已回收的突触小泡在循环池内重新分布;接着通过卸载刺激耗尽这些突触小泡(图1)。由于FM染料对突触小泡的标记具有量子化特性10,所观察到的荧光下降程度与释放的囊泡数量成正比。因此,可准确量化由上一轮内吞所生成的突触小泡的循环与融合过程。
本文介绍了一种经过改进的实验方案,可获得两个额外的信息要素。首先,采用连续卸载刺激,选择性地卸载再循环池(RRP)和储备池(RP),从而实现对特定突触囊泡(SV)池补充过程的定量分析。其次,每个神经末梢均接受两次相同的实验流程。因此,可将同一神经末梢在S1阶段的反应与S2阶段加入测试物质后的反应进行比较(图2),从而提供内部对照。这一点至关重要,因为不同神经末梢之间突触囊泡循环的程度具有高度变异性11。
任何贴壁的原代神经元培养物均可用于本方案,但铺板密度、溶液和刺激条件已针对小脑颗粒神经元(CGNs)进行了优化12,13。
1. 小脑颗粒神经元的制备
2. 实验设置
3. 样品制备
4. S1 期
5. 恢复阶段(见图2)
6. S2 期
7. 数据分析
8. 代表性结果:
图5展示了颗粒神经元(CGNs)经历两轮相同加载和卸载步骤的对照实验。在开始一系列实验时,每天必须进行此类对照实验,以确认在第二阶段(S2)改变实验条件之前,S1和S2具有可比性。
在本示例中,使用 80 Hz 持续 10 秒的刺激,将 CGN 加载 10 μM FM1-43(图 5a)。图 5b 显示了由荧光斑点表示的 FM1-43 标记的神经末梢。如图 5c 所示,在 90 个神经末梢上定义了感兴趣区域(ROI)。同一组 ROI 用于 S1 和 S2 两组。在两次卸载过程中,首先以 30 Hz(2 秒)刺激卸载 RRP,随后通过 3 次连续的 40 Hz(10 秒)刺激卸载 RP(图 5a)。每次刺激期间的荧光下降均可清晰观察并量化(图 5d-e)。经检测,S1 与 S2 中对应 RRP、RP 及总回收池的荧光下降程度相似。此外,在 S1 和 S2 中,20% 的回收突触小泡位于 RRP,80% 位于 RP。

图1 典型FM实验的示意图。A) 在FM染料(以绿色表示)存在的情况下触发突触小泡内吞作用。染料被内陷的膜结构(单个突触小泡或大分子内吞体)摄取。B) 通过灌流洗去质膜上未内化的染料。C) 施加卸载刺激后,已标记并可释放的突触小泡与质膜融合,导致荧光信号下降。D) 荧光变化量(ΔF)与释放的标记突触小泡数量成正比,可据此进行定量分析。

图2 可能的实验方案示意图。A) 对照实验的流程图,其中细胞经历两轮FM染料的加载与卸载(S1和S2)。可通过多种不同的刺激方式进行染料加载。卸载步骤保持一致:首先以30 Hz持续2秒卸载再释放池(RRP),随后以3次40 Hz、每次10秒卸载储备池(RP)。RRP与储备池的卸载刺激之间间隔40秒,其余刺激之间间隔30秒。S1与S2之间细胞恢复20分钟。B) 和 C) 还展示了用于检测某种物质对内吞或外排过程影响的可能实验修改方案。相应的测试药物可在指定时间段内灌注到记录室中。

图3 Image J 中数据分析的截图。图中展示了在 Image J 中进行 A)亮度与对比度调整、B)帧对齐、C)感兴趣区域(ROI)选择,以及 D)强度值提取的操作截图。

图 4 Microsoft Excel 中的数据分析截图. 截图显示了以下步骤:A)从 Image J 导入原始数据(1st 列 = 帧编号,其余各列 = 来自单个神经末梢的数据;B)将S1基线值(第10帧)调整为第一个刺激开始时的任意值(200);C)使用与S1相同的方案,在第55帧处调整S2基线值;D)使用Microsoft Excel测量荧光下降幅度。注意,D中所示的平均轨迹用于定义每次下降前后的时间点。每个ROI的荧光下降幅度应根据C中表格所示数值确定。

图5 .代表性对照实验。A)对照实验的流程图,其中颗粒神经元(CGNs)在80 Hz(10 s)刺激下加载10μM FM1-43。S1和S2阶段完全相同。RRP和储备池卸载刺激之间间隔40秒,其余刺激间隔均为30秒。B)显示加载了FM1-43的神经末梢的图像。C)与B相同的图像,显示为分析选定的90个编号的ROI(感兴趣区域)。D)B图中红色方框所示区域在选定时间点的图像。Basal = 刺激前;30 Hz = 30 Hz 2 s刺激后;40 Hz 1,2,3 = 每次40 Hz 10 s刺激后。这些图像以伪彩形式呈现,以显示荧光变化(右侧显示光谱条)。E)从C图中90个神经末梢获得的平均值±标准误(SEM)曲线。各个刺激以水平条形表示。比例尺 = 10 μm。
FM染料被广泛用于研究多种神经元标本中神经末梢的功能。这些染料主要被用来监测突触囊泡内吞作用的程度、突触囊泡周转情况或胞吐作用的动力学6。本描述的实验方案扩展了这些研究,以检测特定突触囊泡池的差异性卸载。这为进一步了解突触囊泡池的再补充及其动员程度提供了额外信息。
FM染料可用于在同一神经末梢内标记多轮突触小泡(SV)的循环过程。我们利用这一特性设计了实验方案,可在同一神经末梢中对每个末梢内的SV周转过程进行两次监测。这种方法提供了精确的内部对照,这对于并行神经末梢中SV循环的异质性而言至关重要11。通过将S1时相作为内部对照,可可靠且直接地比较在药物存在条件下RRP、RP以及总SV池的重新填充情况。
除了提供在不同刺激条件下回收池、RRP池和RP池的绝对大小信息外,本方案还可提供以下数据:1)S1和S2中突触囊泡在RRP与RP之间的分配情况与回收池的关系;2)S2中RRP和RP池的相对大小与S1总回收池的关系;3)S2中任意定义的突触囊泡池的相对大小与S1中对应池的关系。然而,该特定方案无法提供卸载动力学信息,因为图像采集时间过慢(动力学测量要求采集时间尽可能快,并且卸载过程需与图像采集自动同步)。
我们的 30 Hz 2 s 刺激引发的 RRP 释放程度与高渗蔗糖8相当。由于 RRP 的大小由高渗蔗糖引发的释放量来定义15,因此可以认为该方案能够完全释放所有 RRP 中的突触囊泡(SVs),这与海马神经元中的研究结果一致16。通过三组 400 次刺激(每组 40 Hz 10 s)几乎可完全耗尽储备池,因为该刺激方案释放的染料量与一种可耗尽 95% 染料标记突触囊泡的范式(2 次刺激,50 mM KCl)相当8,17。对 RRP 和储备池大小的精确量化还依赖于在 CCD 相机的线性动态范围内获取数据。
该简单方案还可进一步修改。可通过改变加载刺激的强度,来确定神经元活动和不同内吞模式对突触囊泡(SV)池补充的影响。此外,根据需要还可进行两次以上的加载与卸载循环。本方案也可用于转染了过表达载体或shRNA载体的细胞。由于原代神经元培养物的转染效率较低,因此所表达的蛋白质必须标记荧光蛋白。这些荧光标签必须不干扰FM染料信号(例如使用青色或红色荧光蛋白)。在此情况下,还可以在同一视野内比较转染细胞与未转染细胞的神经末梢,作为额外的对照8。在这些实验中,S1与S2加载程度之间的比较价值有限,因为干扰因素在两次加载过程中均存在。然而,染料在不同突触囊泡池间的分布仍可被可视化观察8。
一类名为pHluorin的遗传报告分子也可用于监测原代神经元培养中突触小泡(SV)的胞吐和胞吞过程。这些探针利用一种对pH敏感的绿色荧光蛋白,来反映被标记的突触小泡蛋白(如VAMP、突触素和VGLUT1)腔域内的pH环境18。当与囊泡ATP酶抑制剂联合使用时,pHluorin能够报告突触小泡池动员的动力学过程及其程度19。本文所述的基于FM染料的方法相较于pHluorin技术具有一些优势:首先,FM染料可提供关于哪种突触小泡胞吞模式补充了可立即释放池(RRP)和储备池的信息8;其次,可利用具有不同光谱特性的FM染料特异性地标记不同的突触小泡池20;最后,该方法无需转染操作。然而,FM染料无法提供静息池与可循环池之间突触小泡运输的信息(与pHluorin相反19),因为根据定义,只有在胞吞过程中被染料标记的突触小泡才可被检测到。因此,FM染料与pHluorin各有优缺点,当在独立实验中用于回答同一科学问题时,二者最具研究价值。
高质量的图像对于有效的分析和可重复的结果至关重要。虽然水平漂移可以轻松校正,但对于发生Z轴漂移的实验则无法补救。因此,在开始S1和S2卸载前,重新对焦图像是十分重要的。当出现明显的荧光衰减时,可进行衰减校正(通常通过从无刺激条件下FM负载细胞记录的先前轨迹中减去当前信号来实现)。然而,建议仅在图形展示时进行衰减校正,不应将其用于任何定量分析。
我们没有需要披露的内容。
本工作获得了惠康基金会(Wellcome Trust)的资助(编号:084277)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| AxioCam MRm Rev. 3 数字相机 | 卡尔·蔡司股份有限公司 | 4265099901000 | |
| Axio Observer.A1 显微镜 | 卡尔·蔡司股份公司 | 4310040000000 | |
| 细胞培养板(6 孔) | Greiner Bio-One | 657160 | |
| 离心机(Universal 32R) | Hettich 离心机 | 1610 | |
| 一氧化碳2 培养箱 | Heraeus Instruments | 51014042 | |
| Falcon管(15/50 ml) | Greiner Bio-One | 188271/210261 | |
| Fluar 20X /0.75 ∞/0.17 目的 | 卡尔·蔡司股份公司 | 4401459901000 | |
| 玻璃盖玻片(25 mm) | VWR国际 | 631-1584 | |
| 玻璃巴斯德吸管(230 nm) | Greiner Bio-One | 612-1799 | |
| 血细胞计数板 | VWR 国际 | 15170-170 | |
| 成像室 | Warner Instruments | RC-21 BRFS | |
| 层流罩 | BIOHIT | VLF BHS 1200 | |
| McIlwain 组织切片机 | 米克尔实验室工程有限公司 | MTC/2 | |
| 汞灯 | 卡尔·蔡司股份公司 | HBO 103 | |
| MultiStim 系统电刺激器(100 mV,1 ms 脉冲宽度) | Digitimer Ltd. | D330 | |
| 灌流泵 | Watson-Marlow 泵业集团 | 313S | |
| 血清移液管(5/10/25 ml) | Greiner Bio-One | 606180/607180/760180 | |
| 快门控制器 | 卡尔·蔡司公司 | MAC5000 | |
| 注射器(20 ml) | BD 生物科学 | ST01-B002 | |
| 注射器滤器(Minisart -– 0.20 &微米 | Sartorius AG | 16532 | |
| VC-6 六通道阀控制器 | Warner Instruments | 64-0135 | |
| YFP滤光片组(46号滤光片组) | 卡尔·蔡司公司 | 1196-681 | |
| 表1. 使用的特定设备和仪器 | |||
| FM1-43 | 剑桥生物科学 | BT70021 | 10 μM |
| FM2-10 | 剑桥生物科学 | BT70044 | 100 μM |
| 聚-D-赖氨酸 | Sigma-Aldrich | P7886 | 15 &微克/毫升 |
| 硅脂 | 西格玛奥德里奇 | 85403 | - |
| 表2. 使用的特定试剂 | |||
| 牛血清白蛋白(BSA) | 西格玛奥德里奇 | A4503 | 0.3% |
| D-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G5767 | 0.25% |
| MgSO₄4·7H2O | Sigma-Aldrich | M2773 | 1.5 mM |
| D-PBS | GIBCO,隶属于 Life Technologies | 21300 | 960 毫克/100 毫升 |
| 每次制备时新鲜配制 100 ml - 使用前经无菌过滤 | |||
| 表3. CGN制备用溶液B | |||
| 溶液B | 19 毫升 | ||
| 胰蛋白酶(5 mg/ml 储液,-20&摄氏度 | Sigma-Aldrich | T9201 | 1 毫升 |
| 表4. CGN制备用溶液T | |||
| 溶液 C | 3.2 毫升 | ||
| 溶液B | 16.8 毫升 | ||
| 表5. CGN制备用溶液W | |||
| 脱氧核糖核酸酶(DNase,500 U/0.5 ml 原液,-20&摄氏度 | 西格玛奥德里奇 | D5025 | 0.5 毫升 |
| MgSO₄4· 7H2好的,我将严格遵循您的所有要求,将源文本翻译为符合出版级质量的中文简体学术译文。 源文本: O | Sigma-Aldrich | M2773 | 1.5 mM |
| 溶液B | 10 毫升 | ||
| 大豆胰蛋白酶抑制剂(SBTI,0.5 mg 每 0.5 ml 储液,-20&摄氏度 | Sigma-Aldrich | T9003 | 0.5 ml |
| 表6. 制备CGN用溶液C | |||
| 牛血清白蛋白(BSA) | Sigma-Aldrich | A4503 | 4% |
| 厄尔’Earle平衡盐溶液(EBSS) | GIBCO,隶属于 Life Technologies | 24010 | 10 ml |
| MgSO₄4· 7H2JoVE 教育与科学内容 | Sigma-Aldrich | M2773 | 3 mM |
| 表7. CGN制备用EBSS溶液 | |||
| 胞嘧啶 β-D-阿糖呋喃糖苷(Ara-C)* | Sigma-Aldrich | C1768 | 10 μM |
| F–胎牛血清 | GIBCO,隶属于 Life Technologies | 10106 | 10 % |
| D-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G5767 | 30 mM |
| L-谷氨酰胺 | Sigma-Aldrich | G3126 | 2 mM |
| KCl | 西格玛奥德里奇 | P5405 | 25 mM |
| 最低限度必需培养基(MEM) | GIBCO,隶属于 Life Technologies | 21090 | 500 毫升 |
| 青霉素(P)/链霉素(S) | GIBCO,隶属于 Life Technologies | 15140 | 100 U/ml(P) 100 &微克/毫升 (S) |
| 从1 DIV开始,应将Ara-C加入培养基中 | |||
| 表8. CGN制备用培养基 | |||
| AxioVision Rel. | 卡尔·蔡司股份有限公司 | 4.8 | |
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | 1.42q | |
| Microsoft Excel | 微软 | 2003 | |
| 表9. 使用的特定计算机软件 | |||
| 氯化钙2 · 2H2O | Sigma-Aldrich | C7902 | 1.3 mM |
| 葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G5767 | 5 mM |
| KCl | Sigma-Aldrich | P5405 | 3.5 mM |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P9791 | 0.4 mM |
| MgCl₂2·6H2源文本: | 西格玛奥德里奇 | M0250 | 1.2 mM |
| NaCl | Fluka | 71378 | 170 mM |
| NaHCO₃3 | Fluka | 71627 | 5 mM |
| 钠2**SO**4 | VWR | 10264 | 1.2 mM |
| TES | Sigma-Aldrich | T1375 | 20 mM |
| 表10. 生理盐水溶液(pH 7.4) |