在多种情况下,神经肌肉接头(NMJ)会发生改变,有时可能导致突触功能障碍。本报告描述了基于荧光显微镜的方法,用于量化此类结构变化。
方法文章
在多种情况下,神经肌肉接头(NMJ)会发生改变,有时可能导致突触功能障碍。本报告描述了基于荧光显微镜的方法,用于量化此类结构变化。
神经肌肉接头(NMJ)是哺乳动物运动神经元控制随意肌收缩的大型胆碱能突触。NMJ 结构的改变可导致神经传导失败,从而引起肌纤维无力、萎缩甚至死亡。许多研究已探讨了基因修饰或疾病如何改变小鼠 NMJ 的结构。然而,由于这些研究常采用不同的参数和分析方法,直接比较其研究结果往往较为困难。本文描述了三种实验方案。第一种方案利用共聚焦显微镜的最大强度投影图像,测量终板处富含乙酰胆碱受体(AChR)的突触后膜区域面积以及覆盖其上的突触前神经末梢内突触小泡染色的面积。第二种方案比较突触后膜中突触蛋白免疫染色的相对强度。第三种方案则利用荧光共振能量转移(FRET)技术检测终板处突触后 AChR 排列密度的变化。这些方案已在一系列研究中得到开发与优化。文中还讨论了影响结果质量与一致性的各种因素,并提供了健康年轻小鼠 NMJ 的正常参考数据。
神经肌肉接头(NMJ)是介导神经系统与骨骼肌之间通信的关键突触连接,对所有自主运动至关重要。长期以来,荧光显微镜被用于研究转基因对小鼠 NMJ 的影响1-3,或比较年龄、饮食、运动和疾病对啮齿类动物 NMJ 的作用4-11。这些研究极大地增进了我们对 NMJ 生理学和病理生理学的理解,但所报告的参数多样(例如,AChR 面积、终板面积、周长、碎片化指数),常常使得不同研究之间的结果难以比较。目前,人们对临床前研究人员能够证明研究可重复性的期望日益提高,尤其是在使用啮齿类疾病模型的研究中12。本文所述的实验方案是在一系列研究 NMJ 发育、生理及病理生理变化的过程中逐步优化而成。此类研究需要测量小鼠运动终板处突触特化区域的面积,以及突触后特化区域内突触蛋白的相对堆积密度13-15。
这些方法的应用价值已在抗MuSK型重症肌无力小鼠模型的近期研究中得到证实。将抗MuSK阳性重症肌无力患者体内的IgG每日注射至成年小鼠体内,可在2周内导致小鼠出现肌无力症状16。对肌肉切片进行共聚焦显微镜最大投影成像,通过突触素(位于神经末梢)和突触后乙酰胆碱受体(AChR)的双标染色显示,AChR染色面积进行性减少是主要变化。重要的是,该下降速率足以解释突触电位振幅的相应降低、突触传递失败以及肌无力现象17,18。其他研究团队也报道了定性相似的结果10,19。此后,相同的神经肌肉接头(NMJ)测量方法已被用于评估三种治疗抗MuSK型重症肌无力药物在此小鼠模型中的作用效果20,21。
久坐不动的衰老过程可能导致神经肌肉连接的丧失。本文所述的实验方案揭示了随着小鼠进入老年阶段,运动终板处神经末梢突触素的面积出现与年龄相关的下降。相同的方法还发现,自主运动锻炼在很大程度上能够防止突触前神经末梢面积的减少22,这与其他研究团队先前的研究结果一致4。在肌萎缩侧索硬化症的SOD1G93A小鼠模型中,也观察到神经肌肉连接的丢失9,23。
上述研究显示,多种健康状况可能导致神经肌肉接头(NMJ)处突触前或突触后特化区域的面积减少。这可能引起突触功能受损,或预示神经肌肉连接的完全丧失。本文描述了三种可用于定量分析突触特化区域面积和密度的实验方案。第一种方案的目的是利用荧光显微镜,对哺乳动物神经肌肉接头处突触前和突触后特化区域的面积及其对齐情况进行实用且可重复的测量。通过二维最大投影共聚焦图像,并结合NIH ImageJ软件进行图像分析,检测突触素染色区域(突触小泡)、突触后乙酰胆碱受体(AChR)以及突触重叠区域面积的变化。共聚焦成像参数(增益和偏移水平)针对每个神经肌肉接头进行优化,以最大程度地获取用于识别突触特化区域的视觉信息。神经肌肉功能障碍也可能由突触后AChR和/或其它突触蛋白密度的改变引起。第二种方案可用于检测突触后蛋白(如MuSK、rapsyn、dystroglycan、磷酸化Src激酶和磷酸化AChR)相对密度的变化18,21。
在重症肌无力中,突触后膜内乙酰胆碱受体(AChR)密度降低是导致突触传递障碍和肌肉无力的直接原因。第三种方案描述了一种荧光共振能量转移(FRET)方法,用于评估突触后膜内相邻AChR之间距离的变化14,15。该方法通过检测用荧光标记的α-银环蛇毒素(BGT)标记的相邻AChR之间的能量转移来实现。只有当荧光供体和受体探针之间的距离小于10 nm时,才会发生FRET。该技术可揭示AChR排列紧密程度的(亚显微)变化,这些变化可能与突触电位的幅度直接相关。
在过去十年中经过优化的这三种方案,以一致且可重复的方式提供了神经肌肉接头完整性的互补性评估。采用标准化的方案和参数,应有助于比较基因和环境干预对哺乳动物神经肌肉接头的影响。
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注意:动物实验的设计、实施和报告应遵循现行指南24。此类工作必须事先获得当地动物福利机构的批准(在本例中为悉尼大学动物伦理委员会)。
1. 动物安乐死与肌肉解剖
2. 准备肌肉组织以进行冷冻切片
注意:最佳的结构保存可通过全动物灌注固定实现,具体方法如前所述27,或对小块肌肉采用浸入式固定(见可选步骤2.1)。然而,4%多聚甲醛固定可能会影响后续多种抗体探针及荧光标记-BGT的染色效果。应特别避免使用戊二醛。若肌肉组织不进行固定,则必须立即进行速冻处理(进入步骤2.3)。
3. 神经肌肉接头的冷冻切片与荧光染色以获取表面成像
4. 运动终板的无偏采样与表面成像
5. 在正面图像中测量突触特化区域的面积
6. 利用横断面光学切片比较相对染色强度
注意:本实验方案中,请同时处理所有肌肉样本,并在一次共聚焦显微成像过程中完成图像采集。实验规划时,每份肌肉样本需预留最多 30 分钟的成像时间。
7. 利用FRET比较突触后膜AChR密度
注意:本方案用于评估乙酰胆碱受体(AChR)在突触后膜中紧密聚集的程度(<10 nm 间距)。该 FRET 检测中供体与受体荧光基团的精确组合至关重要。荧光基团的名称和详细信息见《材料》表格。其光谱特性与 FRET 的关系已在我们先前的研究论文14,15中讨论。

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神经肌肉接头处突触面积的测量
任何面积估算都依赖于划定边界以定义突触特化区域的范围。在健康的年轻成年动物肌肉中,神经肌肉接头(NMJ)图像应显示出乙酰胆碱受体(AChR)和突触素(synaptophysin)染色清晰明确的边界(图2A 和 B)。在突触周围区与运动终板突触区交界处,AChR和突触素的荧光强度均急剧上升(图5A' 和 B')。对于此类图像,采用一个略高于突触外背景荧光的最低阈值,即可轻松分离出终板上富含AChR或富含突触素的区域(图5A' 和 B' 中的水平虚线)。在老年小鼠以及某些疾病状态下,AChR的终板染色可能较弱,AChR簇的边缘可能显得模糊,并且突触外自发荧光水平可能更高(图5D;17,22)。边界不清晰的荧光染色会引入突触面积估算的误差。在所有情况下,目标是选择一个阈...
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本文所述的实验方案使我们能够可靠地测量和量化神经肌肉接头(NMJ)在多种条件下的性质变化,包括正常衰老和疾病状态。用于表面神经肌肉接头成像的方法将使研究人员能够比较突触前和突触后特化区域的面积以及突触重叠/对准区域的面积。为了比较突触前和突触后蛋白的相对强度,推荐使用第二种基于横断光学切片的方案。第三种方案专门用于检测突触后膜中乙酰胆碱受体(AChR)排列紧密程度的变化。
特异性对照在免疫荧光显微镜中至关重要。在使用任何一抗进行间接免疫荧光染色时,必须首先确认该抗体能够特异性地结合肌肉切片中的靶蛋白。不同的组织处理和固定方法可能对抗体的特异性产生不同程度的影响。必须确认免疫荧光染色(例如对rapsyn的染色)确实与运动终板处的乙酰胆碱受体(AChR)共定位。还必须检查阴性对照切片,以确保抗体结合具有特异性。例如,rapsyn免疫荧光染色的最佳阴性对照应来自rapsyn-/-小鼠的切片,这些切片使用抗rapsyn抗体染色后不应显示任何终板信号。非特异性荧光可能来源于组织内源性荧光物质(自发荧光),或荧光标记的二抗的非特异性结合。此类荧光常因醛类固定而加剧。此外,...
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作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本工作由国家卫生与医学研究理事会 [570930] 提供资助。成像工作在博世研究所高级显微技术平台完成。感谢实验室前成员在引用工作中为开发这些方法所做出的贡献。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 扫描共聚焦显微镜 | Leica | DM 2000 配备 TCS SP2 系统 | 大多数扫描共聚焦显微镜均适用。 |
| Zeiss | LSM 510 Meta | ||
| Leica | SPE-II | ||
| Alexa555-α-银环蛇毒素(红色-BGT) | Life technologies | B35451 | 用于标记乙酰胆碱受体(AChRs) |
| Alexa647-α-银环蛇毒素(远红-BGT) | Life technologies | B35450 | 远红荧光:通过目镜几乎不可见 |
| 兔抗突触素抗体 | Life technologies | 18-0130 | 不同批次的一抗其有效工作稀释度可能存在差异 |
| FITC-抗rapsyn 单克隆抗体1234 | Milipore | FCMAB134F | 与FITC偶联的单克隆抗体 |
| FITC-驴抗兔IgG | Jackson | 711-095-152 | 多克隆二抗的质量可能因来源和批次而异 |
| 最佳切割温度化合物(O.T.C.) | ProSciTech | IA018 | 冷冻肌肉组织时使用的恒冷箱包埋介质 |
| DABCO | Sigma | 10981 | 一种可减缓荧光染料光漂白的封片介质 |
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