本文介绍了一种利用甲氧基-X04对阿尔茨海默病小鼠模型中的淀粉样Aβ斑块进行可视化成像的实验方案。甲氧基-X04可穿过血脑屏障,并特异性结合致密核心Aβ斑块中的β-折叠片层结构,从而可在进行免疫染色及电镜制样前对含斑块的组织切片进行预筛选。
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本文介绍了一种利用甲氧基-X04对阿尔茨海默病小鼠模型中的淀粉样Aβ斑块进行可视化成像的实验方案。甲氧基-X04可穿过血脑屏障,并特异性结合致密核心Aβ斑块中的β-折叠片层结构,从而可在进行免疫染色及电镜制样前对含斑块的组织切片进行预筛选。
本文提供了一种详细的实验方案,用于在进行包埋前免疫染色(特异性针对小胶质细胞表达的钙结合蛋白离子化钙结合接头分子1(IBA1))以及电镜(EM)组织处理之前,鉴定阿尔茨海默病小鼠模型脑切片中的淀粉样蛋白Aβ斑块。甲氧基-X04是一种可穿透血脑屏障并选择性结合致密核心Aβ斑块中β-折叠片层结构的荧光染料。在动物处死及脑组织固定前注射甲氧基-X04,可实现对含斑块脑切片的预先筛选和选择,从而避免后续耗时操作在无斑块的切片上浪费资源。当研究特定脑区或脑层中早期阿尔茨海默病病理时,该方法尤为有用,因为在这些区域中斑块数量可能极少,仅存在于少数切片中。死后使用刚果红、硫黄素S或硫黄素T(甚至甲氧基-X04)对组织切片进行处理也可标记β-折叠片层结构,但需要使用乙醇进行大量脱色以去除多余染料,而这些步骤会破坏超微结构的保存。此外,若对目标区域的所有脑切片均进行Aβ(及其他细胞标志物如IBA1)标记,则仅少数切片在正确位置含有Aβ斑块,效率低下。重要的是,在完成电镜组织处理后,Aβ斑块仍可见,从而能够精确定位需用电子显微镜观察的区域(通常精确到数平方毫米范围内)。
Aβ 淀粉样斑块的形成是阿尔茨海默病(AD)主要的神经病理学特征。然而,越来越多的证据表明免疫系统在疾病进展中发挥着重要作用。1,2特别是,来自临床前和临床研究的新数据已确定免疫功能障碍是阿尔茨海默病(AD)病理过程的主要驱动因素和促成因素。基于这些发现,中枢及外周免疫细胞已成为治疗AD的潜在治疗靶点。3. 以下方案结合了光学显微镜和电子显微镜(EM),以深入揭示Aβ斑块沉积与阿尔茨海默病(AD)中小胶质细胞表型改变之间的关系。该方案允许利用抗体标记AD小鼠模型中的Aβ斑块 体内 荧光染料甲氧基-X04的注射。甲氧基-X04是一种刚果红衍生物,可轻易穿过血脑屏障进入脑实质,并以高亲和力结合β-折叠片层结构。由于该染料具有荧光特性,可用于 体内 使用双光子显微镜检测Aβ斑块沉积4一旦与Aβ结合,methoxy-X04不会从斑块上解离或重新分布,且能长期保持其荧光信号。通常通过外周给药,以实现对脑部动态的无创成像。5荧光在醛类固定后仍然保留,可用于相关死后分析,包括研究Aβ斑块周围神经元的死亡情况6.
本方案利用甲氧基-X04的特性,筛选出在特定感兴趣区域(海马CA1区、辐射层和 lacunosum-moleculare 层)出现Aβ斑块的APPSWE/PS1A246E小鼠(APP-PS1;共同表达APP基因Lys670Asn/Met671Leu双突变及人源早老素PS1-A264E变异体)脑切片7,随后对小胶质细胞标志物离子化钙结合接头分子1(IBA1)进行包埋前免疫染色,以通过电子显微镜观察小胶质细胞胞体及突起。小鼠在经心脏灌流固定前24小时接受腹腔注射甲氧基-X04溶液 。使用振动切片机获取冠状面脑组织切片。选取包含海马CA1区的切片,在荧光显微镜下筛查辐射层和 lacunosum-moleculare 层中是否存在Aβ斑块。随后对选定的脑切片进行IBA1免疫染色、四氧化锇后固定及塑料树脂包埋。本方案完成后,切片可长期保存而无进一步的超微结构降解,随时可用于超薄切片及超微结构观察。重要的是,即使经过不同抗体的免疫染色(例如本方案中的IBA1染色),Aβ斑块仍保持荧光特性。在四氧化锇后固定后,斑块区域会比周围神经组织更暗,该现象与甲氧基-X04染色无关,有助于精确识别需用透射电子显微镜观察的感兴趣区域,通常可定位至数平方毫米范围内。
这种关联性方法为在超微结构水平上识别特定脑区提供了高效途径。在研究早期阿尔茨海默病(AD)病理时尤其有用,因为特定脑区或脑层可能仅含有少量Aβ斑块,且仅存在于少数组织切片中。在这些情况下,若仅为了获得少数含有Aβ斑块且位置正确的组织切片,而在多张脑切片上进行Aβ免疫染色(以及与其他细胞标志物如IBA1的双重标记),效率将非常低下。此外,在处死动物并进行组织处理前,对活体小鼠注射methoxy-X04不会影响超微结构的保存。相比之下,其他方法如对固定组织切片进行刚果红、硫黄素S、硫黄素T或methoxy-X04的死后染色,需在乙醇中进行染色分化8-11,这会引起渗透压应激并破坏超微结构。此外,刚果红已被证实为人类致癌物12。
注意:所有实验均经机构动物伦理委员会批准,并按照拉瓦尔大学动物护理委员会管理的加拿大动物护理委员会指南进行。实验使用了4至21月龄的APP-PS1雄性小鼠。这些动物饲养在12 小时光照-黑暗循环、22 - 25 °C的环境中,可自由获取食物和水。
1. 甲氧基-X04 溶液的配制
2. 甲氧基-X04 溶液注射
3. 注射小鼠的经心灌注
4. 使用振动切片机进行脑组织切片
5. 筛选甲氧基-X04染色斑块的存在
6. IBA1 的预先包埋免疫染色
注意:将培养板置于室温下缓慢移动的摇床中,对选定的自由漂浮切片进行IBA1免疫染色。
7. 透射电子显微镜样品制备
本部分展示了在实验方案不同关键步骤中可获得的结果。具体而言,结果示例显示了特定脑区和感兴趣层内含有甲氧基-X04染色斑块的脑切片:海马CA1区、辐射层以及 lacunosum-moleculare 层。通过联合使用紫外光和明场滤光片,可依次观察到斑块以及海马的区域性和层状结构(图1)。所选脑切片随后进行免疫染色并进一步用于电镜处理,在此过程中持续追踪其Aβ斑块,需注意的是,免疫染色后斑块仍保持荧光特性,并在经四氧化锇处理及包埋后较周围神经组织染色更深(图1)。这使得研究人员能够根据斑块的位置确定需用电子显微镜观察的区域(通常为数平方毫米)。此外,本文还描述了一种改进的IBA1抗体对小胶质细胞进行包埋前免疫染色的实验方案。该方案可极为清晰地显示小胶质细胞的胞体、粗大及细小突起(图2),并实现抗体在脑切片中的良好穿透。因此,该方法有助于在超微结构水平上识别小胶质细胞的胞体与突起,并研究其与Aβ斑块之间的相互作用(图3和图4)。

图1. 通过全身注射荧光染料甲氧基-X04后,利用光学显微镜观察21月龄APP-PS1小鼠脑内Aβ斑块。 A-B) 对同一海马切片分别进行明场与荧光模式的双模成像。在明场下可观察到感兴趣的区域与层次(A),随后使用激发波长为340–380 nm的紫外滤光片定位Aβ斑块(B)。C-D) 另一海马切片在进行透射电子显微镜所需处理前(C)和处理后(D)的双模成像,处理步骤包括:IBA1预包埋免疫染色、四氧化锇后固定、乙醇脱水以及塑料树脂包埋。值得注意的是,斑块(以虚线圈出)在电子显微镜组织处理后仍可见。在修块过程中可视化斑块,有助于精确选择高空间分辨率成像的区域。比例尺 = A和B为300 μm,C和D为150 μm。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2. 通过IBA1染色在光镜水平显示21月龄APP-PS1小鼠中小胶质细胞胞体及细小突起的形态。A-B) IBA1染色显示的小胶质细胞示例,可见其在Aβ斑块周围呈簇状分布(通过甲氧基-X04的共聚焦荧光成像确定,以虚线圈出),此图像为四氧化锇后固定及塑料树脂包埋前观察所得。C-D) 经四氧化锇后固定及塑料树脂包埋后,与Aβ斑块相关联的IBA1染色小胶质细胞示例。请注意,经过四氧化锇后固定后,斑块较其周围的神经组织染色更深,因而可据此追踪其位置。比例尺 = 250 μm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 在超微结构水平上对6月龄APP-PS1小鼠中Aβ斑块与IBA1免疫染色的双重可视化。 A) 致密核心Aβ斑块的示例,其特征为紧密排列的纤维状结构(见插图),并与表现出自噬超微结构特征的营养不良性神经突起相关联。B) 在Aβ斑块附近发现的IBA1染色的小胶质细胞突起(m;紫色标记),该斑块含有淀粉样蛋白沉积物。在小胶质细胞突起内还可观察到线粒体形态改变(用星号标示)。需注意的是,此图像采集于组织-树脂交界处(图像右侧白色区域),此处抗体渗透和染色强度达到最大。比例尺 = A图2 μm,B图1 μm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4. 在6月龄APP-PS1小鼠中通过透射电子显微镜观察到的IBA1免疫染色小胶质细胞的其他示例。 A-D) 远离组织-树脂边界的IBA1染色小胶质细胞胞体及突起(m)的实例,显示本方案中抗体具有优异的渗透性,且在切片深层仍保持强染色强度。bv=血管,d=树突,in=包涵体,s=树突棘,t=轴突末梢。箭头指示突触间隙。比例尺 = 1 μm。 请点击此处查看该图的高清版本。
本方案介绍了一种利用电子显微镜对致密核心Aβ斑块进行共定位研究的关联方法。甲氧基-X04 体内 注射可快速筛选出特定脑区和特定层次中包含Aβ斑块的脑切片,例如海马CA1区的辐射层和 lacunosum-moleculare 层。在本示例中,采用甲氧基-X04预筛选结合IBA1的包埋前免疫染色,以研究在致密核心Aβ斑块存在条件下,不同小胶质细胞表型在超微结构水平上如何与突触相互作用。
小胶质细胞对其周围环境具有极强的响应性,其炎症活性长期以来在损害正常脑功能和促进阿尔茨海默病(AD)进展的背景下被广泛研究。特别是,这些细胞因广泛活化并释放促炎性细胞因子,导致慢性神经炎症以及正常脑内稳态的破坏,而被牵连于神经退行性过程15。然而近年来,这些常驻免疫细胞也被发现可在健康脑中主动重塑神经元环路,从而揭示了新的致病机制16,17。在阿尔茨海默病的神经炎症过程中,它们在突触处的生理功能可能失调,导致突触丢失加剧,而突触丢失目前被认为是各种神经退行性疾病中认知功能下降的最佳病理相关指标18,19。
对先前预包埋IBA1染色方法所做的改进13 现在可使抗体更好地穿透脑组织切片,从而在超微结构水平上实现对小胶质细胞胞体及细微突起的可视化观察。总体而言,从小鼠灌流到组织切片的树脂包埋,整个流程必须严格操作,因为中间任一步骤若发生超微结构的降解,均可能破坏细胞膜、细胞器及细胞骨架成分的完整性。 等等.
该方案可不进行任何免疫染色(省略第6部分),仅用于观察致密核心Aβ斑块,但也可作为研究与Aβ沉积相关的阿尔茨海默病(AD)复杂发病机制的有力工具,因为可使用不同的抗体来特异性针对不同类型的细胞,包括外周来源的巨噬细胞、内源性小胶质细胞、星形胶质细胞、少突胶质细胞及其前体细胞,以及多种神经元亚型。
考虑到 体内 注射甲氧基-X04后,本方案无法在固定的脑切片上进行,因此不能用于尸检人脑样本。此外,与可标记可溶性和不可溶性Aβ形式的Aβ免疫染色不同,使用甲氧基-X04等结合β-折叠片层蛋白结构的染料仅能显示致密核心斑块,这是另一项局限性。
然而,重要的应用可能包括研究小胶质细胞和其他多种细胞类型的作用,这些细胞类型的功能相互重叠并相互增强,可能在AD病理过程中对斑块稳态和神经元功能产生直接影响。
作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢魁北克大学医院研究中心生物成像平台的Sachiko Sato博士和Julie-Christine Lévesque提供的技术协助。本研究工作得到了加拿大自然科学与工程研究委员会(NSERC)RGPIN-2014-05308项目、班廷研究基金会以及加拿大苏格兰礼慈善基金会向M.E.T.提供的资助支持。
H.E.H. 获得黎巴嫩高等教育与教育部的奖学金资助,K.B. 获得拉瓦尔大学医学院的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 甲氧基-X04 | Tocris Bioscience | 4920 | 每片含10 mg底物 |
| 丙二醇 | Sigma Aldrich | W294004 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | Fisher BioReagents | BP231-1 | 注意:有毒 |
| 氯化钠 NaCl | Sigma | S9625 | |
| 磷酸二氢钠一水合物 | Sigma | S9638 | |
| 磷酸氢二钠 | Sigma | S0876 | |
| 三羟甲基氨基甲烷盐酸盐(Tris Hydrochloride) | Fisher BioReagents | BP153500 | |
| 丙烯醛 | Sigma | 110221 | 注意:有毒 |
| 颗粒状多聚甲醛 | Electron Microscopy Sciences | 19210 | 注意:有毒 |
| 滤纸 | Fisher | 09-790-14F | |
| 带管路的蠕动泵 | ColeParmer | cp.78023-00 | |
| Excel 翼状采血针 25 G | Becton Dickinson | 367341 | |
| 超细镊子 | F.S.T | 11152-10 | 尖端形状:弯曲 |
| 剪刀 | F.S.T | 14090-09 | 尖端形状:直头 |
| 哈特曼止血钳 | F.S.T | 13003-10 | 尖端形状:弯曲 |
| 手术剪 | F.S.T | 14004-16 | 尖端形状:直头 |
| 显微解剖剪 | ROBOZ 外科器械商店 | 5818 | |
| 玻璃闪烁瓶 | Fisher Scientific | 74515-20 | |
| Leica VT1000 S 振动切片机 | Leica Biosystems | 14047235612 | |
| 振动切片刀片 | Electron microscopy Sciences | 71990 | |
| 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| 24孔组织培养板 | Fisher Scientific | 353047 | |
| 乙二醇 | Fisher BioReagents | BP230-4 | |
| 甘油 | Fisher BioReagents | BP229-4 | |
| 过氧化氢,30% | J.T.BAKER | cat: 2186-01 | |
| 硼氢化钠 | Sigma | 480886 | |
| Tris HCl | Fisher | BP153-500ML | |
| 胎牛血清(FBS) | Sigma Aldrich | F1051 | |
| 牛血清白蛋白(BSA),第五组分 | Thomas Scientific | C001H24 | |
| 吐温 X-100 | Sigma | T8787 | |
| 兔抗 IBA1 抗体 | WAKO | 019-19741 | |
| 驴抗兔 IgG | Jackson Immunoresearch | 111066046 | |
| VECTASTAIN Elite ABC 试剂盒(标准型) | Vector Labs | PK-6100 | |
| 3,3'-二氨基联苯胺四盐酸盐(DAB) | Sigma | D5905-50TAB | 注意:有毒 |
| 四氧化锇,4% 溶液 | Electron Microscopy Sciences | 19150 | 注意:有毒 |
| Durcupan™ ACM 单组分 A | Sigma | 44611 | 树脂 注意:有毒 |
| Durcupan™ ACM 单组分 B | Sigma | 44612 | 固化剂 注意:有毒 |
| Durcupan™ ACM 单组分 C | Sigma | 44613 | 增塑剂 注意:有毒 |
| Durcupan™ ACM 单组分 D | Sigma | 44614 | 促进剂 注意:有毒 |
| 乙醇 | LesAlcoolsdeComerce | 151-01-15N | |
| 环氧丙烷 | Sigma | 110205 | 注意:腐蚀性 |
| 铝制称量皿 | Electron Microscopy Sciences | 70048-01 | |
| ACLAR®–氟聚合物薄膜 | Electron Microscopy Sciences | 50425 | |
| 烘箱/培养箱 | VWR |
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