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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
影像视网膜组织可以提供无法从传统生化方法收集的单细胞信息。该协议描述了从斑马鱼的视网膜切片的制备共焦成像。荧光基因编码的传感器或指示染料允许可视化许多生物学过程中的不同的视网膜细胞类型。
视网膜是一种复杂的组织, 它能启动和整合第一步的视觉。视网膜细胞功能障碍是许多致盲疾病的标志, 未来的治疗取决于对不同视网膜细胞正常功能的基本理解。由于在视网膜细胞环境中, 特定细胞类型的贡献减少, 因此使用生化方法获得这种信息是困难的。由于基因编码的荧光生物传感器数量越来越多, 活体视网膜成像可以提供一个亚细胞水平上许多生物学过程的观点。然而, 这项技术迄今仅限于蝌蚪和斑马鱼幼虫、离体视网膜的最外层眼底层, 或者活动物视网膜的低分辨率成像。在这里, 我们提出了一个方法, 以产生活的前活体视网膜切片从成年斑马鱼的实况成像通过共焦显微镜。这项准备产生横向切片与所有视网膜层和大多数细胞类型可见, 以执行共聚焦成像实验, 使用灌注。转基因斑马鱼表达荧光蛋白或生物传感器在特定的视网膜细胞类型或器被用来从完整的视网膜提取单细胞信息。此外, 视网膜切片可以加载荧光指示器染料, 增加了该方法的通用性。本协议是为斑马鱼锥感光细胞内的成像 Ca2 +开发的, 但有适当的标记, 它可以用来测量在米勒电池、双极性和水平细胞、小胶质、无长突细胞或视网膜上的ca 2 + 或代谢物。神经节细胞。视网膜色素上皮从切片中移除, 因此该方法不适用于研究该细胞类型。通过实践, 可以从一种动物中生成连续切片, 进行多项实验。这种适应性技术为回答许多关于视网膜细胞生物学、Ca2 +和能量稳态的问题提供了有力的工具。
斑马鱼 (斑马斑马) 由于其体积小、快速发育和脊椎动物器官系统, 已广泛用于医疗和基础科学研究1。斑马鱼幼虫的天然透明结合了转基因的既定方法, 使活体动物的细胞过程得到了详细的可视化。一些基因编码的荧光生物传感器已瞄准特定的斑马鱼细胞, 以检测 Ca2 + 2, 过氧化氢3, 凋亡激活4和 ATP5。
在体内成像的斑马鱼幼虫导致了神经科学领域的突破性进展, 包括大脑电路6的映射和中枢神经系统疾病的药物开发7。斑马鱼非常适合视觉研究, 因为它们的视网膜具有较高脊椎动物的层流结构和神经元类型, 并且它们显示健壮的视觉行为8,9。在斑马鱼10,11中成功地模拟了几种与人类疾病类似的视网膜退化, 包括在视网膜2内的单个感光细胞的活体成像. 12。
虽然体内斑马鱼幼虫成像是一个有价值的工具, 但随着鱼的生长和色素沉着的发展, 一些药理治疗不能渗透到整个动物身上, 它变得更具挑战性。此外, 某些细胞过程随着发育和年龄的变化而改变, 使以后的时间对理解功能和成人动物疾病的进展至关重要。生物化学方法, 如应用免疫印迹, 定量分析 PCR,O 2 消耗量和 metabolomic 分析可以提供有关视网膜整体生物学的重要线索, 但很难辨别个别细胞类型的贡献受疾病。影像分离的视网膜组织前体绕过这些问题, 而成像扁平的视网膜提供了外部视网膜13的看法, 更深的内视网膜特征被遮蔽。横向视网膜切片, 如在固定免疫组化分析中提出的, 使所有层和细胞类型的清晰的观点, 但只提供一个单一的快照的动态过程涉及正常功能和疾病。
在这里, 我们提出了一个方法来生成体外横向视网膜切片从成年斑马鱼进行成像. 它类似于制备两栖动物和斑马鱼视网膜切片的电生理和形态学研究的方法14,15, 对时间推移成像前体使用共焦的重要修改显微镜。用共聚焦显微镜实时监测生物传感器或染料在切片中的荧光反应, 同时用灌注法提供药理剂。虽然这种方法是为成像感光细胞开发的, 它可能是可行的, 以可视化的米勒电池, 双极细胞, 水平细胞, 无长突细胞, 或视网膜神经节细胞与适当的荧光标记。此外, 切片可以加载荧光细胞渗透染料报告细胞活力, 水泡运输, 线粒体功能, 或氧化还原状态。这种多才多艺的准备允许在整个视网膜上可视化多种亚细胞过程, 包括 Ca2 +动力学, 信号转导和代谢状态。
所有动物实验都是由华盛顿大学动物保育和使用委员会批准的。
1. 准备动物和设备
注: 视网膜色素上皮 (RPE) 是一种深色的组织周围的视网膜外, 其色素沉着可以掩盖视网膜特征, 并损害组织时共聚焦成像前体。在黑暗中, 斑马鱼的视网膜色素从视网膜中缩回;深色适应的鱼, 以方便今后去除视网膜色素切片和成像。
2. 准备视网膜切片 (参见图 1)
3. 视网膜成像切片
4. 在灌注实验中, 当溶液不断改变或流动时, 成像视网膜切片
注: 在灌注实验中, 当溶液被改变或连续流动时, 成像视网膜切片与静态成像或注射实验的设置类似, 并进行以下修改。
切片的稳定定位和横向定位是药理学药物注射或灌注成像成功的关键。在共聚焦成像之前仔细检查和重定位切片, 以确保所有视网膜层可见 (图 2A, 切片 ii)。如果切片稍微向前旋转 (图 2A、切片 iii), 则外部段束将可见, 并且可以用镊子进行小调整, 以使所需的视网膜层成为焦点。不应将切片粘附在过滤纸上 (图 2A、切片 i) 或保留 RPE (图 2A、切片 iv) 不应用于时间推移成像。
细胞的生存能力对观察生理过程是最重要的,例如体内;在练习视网膜切片时, 建议细胞活性染色, 如碘碘 (PI) 来测定细胞的健康。在所有切片的切口边缘附近的死细胞将积累 PI 在他们的细胞核 (图 2B, 左面板), 而5-10 µm 更深的切片, 健康的细胞与正常形态学和没有 PI 染色可以成像。例如, 在感光细胞中, 切割边缘下面的 PI 负单元格通常显示一个刻板的极化, 拉长的形态学 (图 2B, 右面板)。在氧合铃的溶液中贮存时, 感光细胞在视网膜切片中保持至少4小时的存活。
许多视网膜细胞结构可以用转基因标记和染料的组合来可视化;在图 3中介绍了用双和三个荧光标记的新鲜视网膜切片共焦图像的示例。为了可视化锥感光细胞内质网 (ER) 相对于细胞核的动态, 用核染料 (图 3A) 将以荧光蛋白为靶向锥 ER17的转基因鱼的视网膜切片可以复染。还可以使用类似的策略来查看转基因斑马鱼的视网膜切片中的肌动蛋白细胞骨架, 表达 GFP-融合肌动蛋白18 (图 3B)。与另一个细胞特定的启动子, 穆勒细胞可以标记与红色荧光蛋白 tdTomato19和可视化的视网膜切片 (图 3C, 顶部面板)。葡萄糖吸收进入视网膜可以通过口服 gavaging 成年斑马鱼与荧光葡萄糖模拟 (NBDG) 来测定体内, 它成为纳入视网膜切片21 (图 3C, 底部面板) 可见的细胞。双转基因斑马鱼可以用来监测多细胞过程或细胞类型串联, 如 Ca2 +动态在一个子类型的锥体。图 3D显示了此类实验的三重标记方案, tdTomato 在长波长锥的2中表示, 与 mitochondrially 目标 Ca2 +传感器 (GCaMP) 一起在所有锥22中表示。还有核污点
视网膜细胞的时间推移成像是这个切片准备的一个关键优势。例如, 在药理操作过程中, 可以观察到锥形感光细胞质中的 Ca2 +波动, 并在随后量化, 这是图 4中描述的一个实验。图 4A显示了在锥形感光器复染上用红色亲脂染料表达 Ca2 + 传感器 GCaMP 2 (顶部) 或控制 eGFP 16 (底部) 的视网膜切片. 在这个实验中, Na+被 isotonically 从成像腔中耗尽, 使用灌注, 唤起了外部段和细胞体的胞浆 Ca2 +的大量增加, 如 GCaMP 所反映的那样 (图 4A, 顶部面板)。表达 Ca2 +-不敏感 eGFP 的视网膜切片的荧光不受此处理 (图 4A, 底部面板) 的影响。可以使用 ImageJ 软件分析时间失效电影, 从单锥外段、细胞体和突触中分离和量化荧光响应 (图 4B)。
| 补充解决方案 | ||
| 50X. 库存 * 浓度 (mM) | 工作浓度 (mM) | |
| d-葡萄糖 | 500 | 10 |
| 乳酸钠 | 50 | 1 |
| 丙酮酸钠 | 25 | 0。5 |
| l-谷氨酰胺 | 25 | 0。5 |
| 减少谷胱甘肽 | 25 | 0。5 |
| 抗坏血酸 | 15 | 0。3 |
| * 贮存整除数在-20 ºC < 6 月; 及添加新的到响铃的解决方案 |
表1。50X 补充库存解决方案和最终工作浓度的组件。
| 铃声的解决方案 | |
| 浓度 (毫米) | |
| Nacl | 133 |
| 氯化钾 | 2。5 |
| CaCl2 ·2H2O | 2 |
| NaH2PO4 | 1。5 |
| 氯化镁2 ·6H2O | 1。5 |
| HEPES | 10 |
| pH 值为 7.4, 使用氢氧化钠 | |
| 4ºC 在消毒瓶 < 1 月内贮存 |
表2。标准铃声的解决方案的组成部分。
| Na+-自由响铃的解决方案 | |
| 浓度 (毫米) | |
| 三 | 147 |
| 盐酸 | 120 |
| 氯化钾 | 1 |
| CaCl2 ·2H2O | 2 |
| 2PO4 | 1。5 |
| 氯化镁2 ·6H2O | 1。5 |
| HEPES | 10 |
| pH 值为 7.4, 使用 HCl | |
| 4ºC 在消毒瓶 < 1 月内贮存 |
表3。Na+自由响铃的解决方案的组件。
| 共焦成像设置 | |||
| 荧光 | 励 磁 | 排放过滤器 | |
| 波长 | 激光强度 | ||
| GFP (包括 GCaMP) | 488毫微米 | 2-5% | eGFP 或 AlexaFluor 488 |
| tdTomato | 559毫微米 | 5% | AlexaFluor 594 |
| Pi | 559毫微米 | 2% | Pi |
| 赫斯特33342 | 405毫微米 | 1% | DAPI |
| NBDG | 488毫微米 | 10% | eGFP 或 AlexaFluor 488 |
| C12 558/568 BODIPY | 559毫微米 | 1% | AlexaFluor 594 |
| TMRM | 559毫微米 | 3% | Rfp |
表4。图2-4 所列荧光标记和染料的成像条件。

图1。制备新鲜斑马鱼视网膜切片的示意图.(A)解剖掉眼罩, 并丢弃透镜和巩膜 (步骤 2.4.1)。(B)将眼罩切成三片;丢弃小边缘片 (步骤 2.4.2)。(C)将过滤纸拖到眼罩片下, 并将内视网膜朝向滤纸 (步骤 2.5. 1.-2.5. 2)。(D)通过使用纸巾在滤纸 (步骤 2.5.3) 下向下压扁视网膜, 然后用镊子轻轻剥去其余的 RPE (步骤 2.6)。将滤纸移至组织切片器阶段的切片腔, 并剪切400µm 切片 (步骤 2.8, 2.9)。(E)将切片和蜡或石油果冻梯的切片室转移到响铃解决方案的培养皿中 (步骤 2.10.1)。(F)使用细钳将单片从切片腔滑向梯子, 同时保持切片浸没。(G)旋转过滤纸带 (黑色) 90°并将滤纸的边缘埋在蜡或石油果冻中 (步骤 2.10.2-2.10.3)。(H)以梯子和切片装载的最终成像室的示意图。请单击此处查看此图的较大版本.

图2。新鲜斑马鱼视网膜切片的例子显示适当的粘附在滤纸和细胞的生存能力.(A) Brightfield 在石油果冻梯中的新鲜视网膜切片图像。切片 ii 和 iii 显示良好的黏附力和横向视网膜层。切片 i 和 iv 保留了大量的视网膜色素, 或高度弯曲, 不粘附在滤纸上, 不应该被成像。刻度条 = 200 µm. (B)在锥光受体中表达 eGFP 的转基因斑马鱼的新视网膜切片的自顶向下 Z 蒙太奇 (Tg (gnat2: eGFP)16)。赫斯特染料标签所有原子核;碘碘化物 (PI) counterstaining 标签核的死细胞, 它出现在切片边缘附近 (左)。Z 堆栈步骤大小 = 1 µm;缩放条 = 20 µm. 荧光成像条件在表 4中概述。请单击此处查看此图的较大版本.

图3。由转基因斑马鱼的双三标记体外视网膜切片共焦图像的样本.(A)采用转基因 GFP 标记内质网的双色成像方案 (Tg (gnat2: calr-GFP)17, 顶部), 赫斯特核 counterstain (蓝、底)。(B) GFP 标记的肌动蛋白在锥 (Tg (gnat2: LifeAct)18, 顶部) 与赫斯特核 counterstain (蓝色, 底部)。(C) RFP 标记为穆勒电池 (Tg: tdTomato)19, 顶部) 从斑马鱼喂食荧光葡萄糖 (NBDG) 显示葡萄糖吸收到锥20,21 (绿色, 底部)。(此图像来自 Kanow 的图 2B , et 。21) (D)使用双转基因斑马鱼进行三色成像的示例。左, RFP 针对长波长锥感光细胞 (Tg (trβ2: tdTomato)2)。中心, 钙生物传感器 GCaMP 靶向锥感光细胞线粒体 (Tg (gnat2: GCaMP3)22)。对, tdTomato (洋红)、图美 GCaMP (绿色) 和赫斯特核 counterstain (蓝色) 的叠加图像。图像是最大强度 Z 投影9帧超过7µm 组织深度;刻度条代表10µm. 荧光成像条件在表 4中概述。请单击此处查看此图的较大版本.

图4。Ca2 + GCaMP 和控件 eGFP 映像.(A)有代表性的新的视网膜切片的图像, 表示荧光 Ca2 +生物传感器 GCaMP (gnat2:GCaMP32, 顶部) 或 eGFP (底部) 在锥感光细胞。左边, 切片在基线;右, 2 分钟后, Na+被 isotonically 从成像室耗尽, 使用三基响铃的解决方案的灌注, 在感光器中捕获 Ca2 + 。缩放条 = 10 µm. 荧光成像条件在表 4中概述。(B)表示在 Na+损耗的时间推移成像期间, 单个感光室 (外段、细胞体和突触) 的荧光变化。切片是每十年代拍摄的, 使用 ImageJ 处理栈, GCaMP 或 eGFP 的荧光被规范化为信号从膜染料。实线, GCaMP (n 为外部段 = 15, 细胞身体 = 24, 突触 = 26);虚线, eGFP (n 为外部段 = 26, 细胞身体 = 20, 突触 = 31)。误差线表示平均值的标准误差。请单击此处查看此图的较大版本.
作者声明他们没有竞争的财政利益。
影像视网膜组织可以提供无法从传统生化方法收集的单细胞信息。该协议描述了从斑马鱼的视网膜切片的制备共焦成像。荧光基因编码的传感器或指示染料允许可视化许多生物学过程中的不同的视网膜细胞类型。
我们感谢拉尔夫尼尔森和丹尼尔. Possin 在制定这项协议时提供了周到的指导, 伊娃 Ma、阿什利. 乔治和盖尔. 斯坦顿为新一代稳定的转基因斑马鱼线。这项工作得到了 NSF GRFP 2013158531 M.G.、NIH 内5T32EY007031 到卫生间和 M.G. 的支持, EY026020 兰伯特和迪萨纳亚克
| 斑马鱼 | 华盛顿南湖联合水上运动设施 | 库存作为稳定的转基因品系在内部维护 | |
| Fisher Scientific | 19-090-843 | 用于凡士林注射器 | |
| 3 mL 滑头注射器 | Fisher Scientific | 14-823-436 | 用于凡士林注射器 |
| 20 克 3.8 厘米滑头针 | 头Fisher Scientific | 14-826-5B | 用于凡士林注射器 |
| 普通 7 cm X 2.5 cm 显微镜载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-A3 | 用于眼罩解剖、切片室 |
| Seche Vite 透明指甲油 | Amazon | B00150LT40 | 用于切片室 |
| 18 mm X 18 mm #1 玻璃盖玻片 | Fisher Scientific | 12-542A | 用于成像梯 |
| 无味牙科蜡 | Amazon | B01K8WNL5A | 成像梯 |
| 双刃剃须刀片 | Stoelting | 51427 | 用于组织切片 |
| 带数字千分尺的组织切片机 | Stoelting | 51415 | 用于组织切片 |
| 滤纸 - 白色网格混合纤维素,直径 13 毫米,0.45 & 微米;m 孔径 | EMD Millipore | HAWG01300 | 滤纸,用于安装视网膜 |
| 10 cm 培养皿 | Fisher Scientific | FB0875712 | 用于鱼类安乐死、解剖、成像梯子组件 |
| 15 cm 平头木涂抹棒 | Fisher Scientific | 23-400-112 | 用于金属丝眼环工具 |
| 30 克(直径 0.25 毫米)钨丝 | Fisher Scientific | AA10408G6 | 线眼环工具 |
| D-葡萄糖 | Sigma Aldrich | G8270 | 补充剂储备液的成分 |
| L-乳酸钠 | Sigma Aldrich | L7022 | 补充剂储备液的成分 |
| 丙酮酸钠 | Sigma Aldrich | P2256 | 补充剂储备液的成分 |
| L-谷氨酰胺 | Sigma Aldrich | G3126 | 补充剂储备液的成分 |
| L-谷胱甘肽,还原 | 型Sigma Aldrich | G4251 | 补充剂储备液成分 |
| L-抗坏血酸 | Sigma Aldrich | A5960 | 补充剂储备液成分 |
| NaCl | Sigma Aldrich | S7653 | 林格氏溶液成分 |
| KCl | Sigma Aldrich | P9333 | 林格氏溶液成分 |
| CaCl2 ·2H2O | Sigma Aldrich | C3881 | 林格溶液组分 |
| NaH2PO<>4 | Sigma Aldrich | S8282 | 林格氏溶液组分 |
| MgCl2 · 6H2O | Sigma Aldrich | M0250 | 林格氏溶液组分 |
| HEPES | SigmaAldrich | H3375 | 林格溶液成分 |
| Tris 碱 | Fisher Scientific | BP152 | 不含 Na + |
| 6 N HCl | Fisher Scientific | 02-003-063 | Na + 成分 无林格 |
| KH2PO4 | Sigma Aldrich | P5655 | 不含 Na+ 成分 林格氏溶液 |
| 50 mL 锥形离心管 | Denville Scientific | C1062-P | 容器 用于林格氏溶液的 |
| Vannas 剪刀 - 8 厘米,倾斜的 5 毫米刀片 | 世界精密仪器 | 501790 | 用于眼罩解剖的微型剪刀 |
| 瑞士镊子 - #5,11 厘米,直,0.06 X 0.07 毫米尖端 | 世界精密仪器 | 504510 | 用于眼罩解剖和切片作的细镊子 |
| 单刃剃须刀片 | Fisher Scientific | 12-640 | 用于眼罩解剖和修整滤纸 |
| EMD Millipore 过滤钳 | Fisher Scientific | XX6200006P | 用于处理湿滤纸的扁平镊子 |
| C12 558/568 BODIPY | Fisher Scientific | D3835 | 对活细胞核进行染色;孵育 5 µ在室温下 g/mL,15 分钟 |
| 化丙啶 (PI) | Fisher Scientific | P3566 | 对死细胞核进行染色;孵育 5 &微量;g/mL,室温下 20 分钟 |
| Hoechst 33342 | Fisher Scientific | 62249 | 染色活细胞核;孵育 5 &微量;g/mL,室温下 20 分钟 |
| 四甲基罗丹明,甲酯 (TMRM) | Fisher Scientific | T668 | 染色功能性,带负电荷的线粒体;在室温下孵育 1 nM 30 分钟 |
| 组织灌注室 | 细胞MicroControls | BT-1-18/BT-1-18BV [-SY] | 注射或灌注成像室 |
| 2-(N-(7-硝基苯并-2-氧杂-1,3-二唑-4-基)氨基)-2-脱氧葡萄糖 (NBDG) | Fisher Scientific | N13195 | 荧光葡萄糖类似物,在安乐死前30分钟口服给斑马鱼 |
| 奥林巴斯激光扫描共聚焦显微镜 | 奥林巴斯 | FV1000 | 共聚焦显微镜,用于在单细胞分辨率下可视化切片的荧光 |
| 羰基氰化物3-氯苯腙(CCCP) | Sigma Aldrich | C2759 | 消融线粒体呼吸的实验试剂;将切片处理至终浓度为 1 & 微量;M |
| 微型吸气器定位器 | Cell MicroControls | FL-1 | 用于灌注 |
| 灌注歧管、气鼓泡器歧管、流量阀、60cc 注射器支架 | Warner Instruments | 各种 | 灌注 |