DetectSyn 是一种无偏倚、快速的荧光检测方法,可测量不同处理条件或疾病状态下突触(突触前和突触后连接)相对数量的变化。该技术利用邻近连接技术,既可用于培养的神经元,也可用于固定组织。
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DetectSyn 是一种无偏倚、快速的荧光检测方法,可测量不同处理条件或疾病状态下突触(突触前和突触后连接)相对数量的变化。该技术利用邻近连接技术,既可用于培养的神经元,也可用于固定组织。
突触是神经元之间进行通讯的位点。神经回路的强度与突触密度相关,而突触的破坏是重度抑郁症(MDD)和阿尔茨海默病等疾病状态的特征。传统研究突触数量的技术包括荧光标记物的基因表达(如绿色荧光蛋白(GFP))、填充神经元的染料(如碳菁染料DiI)以及树突棘标记物的免疫荧光检测(如突触后密度蛋白95(PSD95))。这些间接技术的主要局限在于仅能识别突触后变化。然而,突触是由突触前终末与突触后树突棘共同构成的连接结构。测量突触形成或消除的金标准依赖于耗时的电子显微镜或阵列断层成像技术,这些方法需要专门培训和昂贵设备。此外,仅能评估有限数量的神经元,并以此代表整个脑区的变化。DetectSyn是一种快速荧光技术,可用于检测疾病状态或药物活性引起的突触形成或消除的变化。DetectSyn利用快速邻近连接检测技术,识别相邻的突触前和突触后蛋白,并结合标准荧光显微镜成像,该技术在大多数实验室中均可实现。对所产生的荧光斑点进行荧光检测,可实现实验的快速且无偏倚分析。相较于电子显微镜,DetectSyn能分析更大的区域,而非仅限于少数荧光标记的神经元,因而结果更具代表性。此外,DetectSyn适用于 体外 培养的神经元和固定的组织切片。最后,提供了一种分析该技术所采集数据的方法。总体而言,DetectSyn 提供了一种检测不同处理或疾病状态下突触密度相对变化的流程,相较于传统技术更具可及性。
突触是神经元之间信息传递的基本单位1。同一脑区内的神经元之间存在大量突触,这些突触形成神经回路,介导行为的产生2。突触由一个神经元的突触前终末组成,该终末释放神经递质或神经肽,将信号传递给另一个神经元的突触后受体。突触前信号的总和决定了突触后神经元是否产生动作电位,并将信息传递给其他神经元。
突触病理学(synaptopathology)是指突触的破坏,常见于神经体积减少的疾病和障碍中,例如阿尔茨海默病和重度抑郁症,导致神经回路无法再以最佳状态运行3,4,5。恢复突触密度可能是这些疾病潜在治疗方法起效的基础。例如,最近的研究表明,增加突触数量是快速抗抑郁药物产生行为疗效的机制之一6。为了快速筛选可能治疗突触病理学的方法,研究人员需要能够迅速识别突触数量变化的技术。
目前的方法要么耗时且昂贵(如电子显微镜、阵列断层扫描),要么仅研究突触后变化,而未纳入突触前参与情况(如树突棘分析、免疫荧光/共定位分析)。诸如DiI等染料或GFP等荧光蛋白有助于可视化神经元并表征突触后树突棘。然而,树突棘分析依赖研究人员自定义的比例来确定形态,这可能降低可重复性7。此外,不同类型的树突棘与功能性突触之间的关系仍在探索中8。树突棘的形成可能是短暂的,可能反映突触后可塑性,但这些树突棘可能在与突触前神经元稳定形成突触之前即被消除9。
共定位分析相较于树突棘分析能更准确地反映突触情况,因为可以对突触前和突触后蛋白进行免疫染色。然而,突触蛋白的共定位值可能较低,原因是这些蛋白彼此相邻但并不总是持续重叠。因此,由于蛋白并非完全重叠,共定位技术可能无法准确测量突触形成的改变,从而遗漏重要信息。最后,尽管电子显微镜(EM)和阵列断层成像均可提供高分辨率的突触图像,但二者均耗时较长。电子显微镜还需要专用设备,且研究人员在单次实验中仅能观察较小体积的组织。虽然阵列断层成像能够优雅地在超薄切片上同时筛查多种蛋白,并可与电子显微镜结合使用10,但该技术可能过于耗时费力,不适合需要快速扫描突触形成变化的实验研究。
DetectSyn 是 Duolink 邻近连接分析(Proximity Ligation Assay, PLA)的一种特定应用。PLA 分析可用于普遍检测蛋白质-蛋白质相互作用。DetectSyn 通过扩增位于彼此 40 nm 范围内的标记型突触前和突触后蛋白所发出的荧光信号,实现对突触后结构的间接测量。当突触蛋白之间的距离在 40 nm 以内(例如处于突触间隙中)时,携带 DNA 探针的二抗便会杂交形成环状 DNA。该杂交形成的环状 DNA 可表达荧光探针,随后通过标准的荧光显微镜技术进行扩增与检测(见图 1)。关键的是,与电子显微镜(EM)和阵列断层成像技术相比,该技术无需特殊设备,所需时间与常规免疫组织化学实验大致相同。因此,该技术的可及性使得非高强度研究型机构的研究人员也能参与突触病理学研究。此外,该技术可在单次实验中同时检测多个脑区的突触密度变化,从而更全面地反映疾病或治疗所引起的突触改变。
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从动物中分离细胞和组织的过程遵循美国国立卫生研究院《实验动物护理和使用指南》的规定,并已获得维克森林大学机构动物护理和使用委员会的批准
注意:本方案适用于已根据特定实验范式和要求进行处理和固定的样品。为演示目的,采用快速抗抑郁治疗诱导的突触形成来展示该突触检测技术6先前在盖玻片上培养、经处理、用4%多聚甲醛(PFA)固定并保存在1×磷酸盐缓冲液(PBS)中的神经元将用于突出显示 体外 操作步骤。先前切好的海马组织(25 µm 从小鼠获取脑组织切片时,将使用经冰 PBS 和 4% PFA 经心脏灌注并随后保存在防冻剂中的脑组织(厚度为……)。该流程用于展示切片操作步骤。详见11,12 有关如何培养神经元或经心脏灌注啮齿类动物的更多信息,请参见 图1 以获取该实验步骤的图示说明。

图1:DetectSyn 检测法的图示说明。在对细胞膜进行通透处理后,Synapsin1 和 PSD95 的一抗会结合到这些突触蛋白上。随后,带有寡核苷酸标签的二抗结合至一抗。如果 Synapsin1 和 PSD95 之间的距离在 40 nm 以内(如突触处),则寡核苷酸之间会发生相互作用,并扩增出荧光标记。该荧光信号可通过标准显微镜成像并进行分析。请点击此处查看该图的放大版本。
1. 清洗样品
2. 封闭并通透样本
3. 在一抗中孵育样品
4. 洗涤样本,然后与二抗孵育
5. 连接反应
6. 扩增
7. 封片
8. 使用共聚焦显微镜获取数字图像
9. 分析
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修改自Heaney等人6的数据用于展示一项预期突触形成增加的实验(详见6以获取更多信息及对机制的深入讨论)。先前研究表明,快速抗抑郁药物需激活抑制性代谢型受体GABAB(γ-氨基丁酸B型受体)才能发挥疗效13。此外,既往数据表明,快速抗抑郁药物可增加突触后标记物14;因此,本研究使用DetectSyn来验证快速抗抑郁药物通过增加突触数量而发挥疗效的假设。
在培养的神经元中,测试了四种条件。首先,如上方面板所示, 图2A,培养的神经元在与实验对照组相同的条件下用溶剂处理。然而,为提供DetectSyn检测的技术对照,省略了PSD95一抗(参见 图1 了解各组分如何对信号产生贡献)。接下来,在对照组中,神经元再次用溶剂处理,但同时加入PSD95和Synapsin1的一抗。随后,培...
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DetectSyn 是一种快速检测方法,利用邻近连接技术检测彼此距离在 40 nm 以内的蛋白质,从而实现对突触形成的检测。该技术改进了现有的荧光检测方法,后者仅能作为突触形成的间接测量手段。DetectSyn 可检测位于彼此 40 nm 范围内(即突触间隙内)的突触蛋白所发生的可量化变化。此外,与其他用于测量突触并被经典视为金标准的技术(如电子显微镜和阵列断层成像)相比,DetectSyn 更具成本效益且耗时更短。
DetectSyn 是一种高度可定制的技术。只要蛋白对之间的距离在 40 nm 以内,任何突触蛋白对均可用于鉴定特定类型突触的形成。尽管这一技术具有广泛的应用前景,但在使用时必须注意对抗体进行验证,包括优化封闭和一抗孵育条件,并需通过其他方法(如免疫荧光)进一步验证实验结果。建议在不使用 DetectSyn 的独立实验中进行这些辅助性验证实验,以减少抗体结合之间的竞争(例如,在同一实验中使用山羊抗 PSD95 和小鼠抗 PSD95 可能因竞争而降低结合效率)。此外,应选择来自不同宿主的一抗,例如山羊抗 PSD95 和兔抗 Synapsin1。若两种一抗来自同一宿主,则...
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作者声明无利益冲突。
本工作由美国国立卫生研究院神经疾病与中风研究所R01 NS105005(KRG)和NS105005-03S1(KRG)、美国国防部陆军医学研究与材料司令部W81XWH-14-1-0061(KRG)、美国国家酒精滥用与酒精中毒研究所R01AA016852、美国国家酒精滥用与酒精中毒研究所T32AA007565(CFH)、FRAXA研究基金会资助(CFH)以及阿尔茨海默病协会AARG-NTF-21-852843(KRG)、AARF-19-614794-RAPID(KRG)资助 支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10x PBS | Fisher Scientific | BP39920 | 自行配制的 PBS 同样适用。 |
| 24 孔板 | Fisher Scientific | FB012929 | 对于组织切片,预灭菌的孔板可能并非必需。 |
| 50 mL 锥形管 | Fisher Scientific | 14-432-22 | |
| 铝箔 | Fisher Scientific | 15-078-290 | |
| 鸡抗 MAP2 抗体 | Abcam | ab5392 | |
| 透明指甲油 | Fisher Scientific | NC1849418 | 其他透明指甲油同样适用。 |
| 冷块 | Fisher Scientific | 13131012 | |
| 计算机工作站 | HP | ||
| 共聚焦或荧光显微镜 | Nikon | A1R HD25 | |
| 驴抗鸡 FITC 抗体 | Fisher Scientific | SA1-72000 | |
| Duolink 驴抗小鼠 PLUS | Sigma | DUO92001 | |
| Duolink 驴抗兔 MINUS | Sigma | DUO92005 | |
| Duolink 原位检测试剂(远红) | Sigma | DUO92013 | 包含连接反应原液、扩增反应原液、连接酶和聚合酶。 |
| Duolink 原位封片介质(含 DAPI) | Sigma | DUO82040 | |
| Duolink 原位洗涤缓冲液(荧光) | Sigma | DUO82049 | 包含洗涤缓冲液 A 和洗涤缓冲液 B;将洗涤缓冲液 B 用二水合 H20 稀释至 1% 得到 1% 洗涤缓冲液 B。 |
| 细头画笔 | Fisher Scientific | NC9691026 | 可使用貂毛,型号 00 或 000,也可在工艺用品店购买。 |
| Fisherbrand 盖玻片:矩形 | Fisher Scientific | 12545MP | 对于已接种在玻璃盖玻片上的培养神经元,无需使用盖玻片。 |
| Fisherbrand Superfrost Plus 显微载玻片 | Fisher Scientific | 1255015 | 对于已接种在玻璃盖玻片上的培养神经元,Superfrost 载玻片可能并非必需。 |
| 冷冻冰箱,-20°C | VWR | 76449-108 | |
| 玻璃盖玻片 | Fisher Scientific | 125480 | |
| 甘氨酸 | Fisher Scientific | BP381-1 | |
| 图像处理软件 | 例如 NIS Elements、ImageJ | ||
| 培养箱 | Fisher Scientific | 15-015-2633 | |
| 大培养皿,100 mm | Fisher Scientific | FB0875712 | |
| 分子级水 | Fisher Scientific | BP24701 | |
| 小鼠抗 Synapsin1 抗体 | Synaptic Systems | 106-011 | |
| 正常驴血清 | Jackson ImmunoResearch | 017-000-121 | |
| 轨道摇床 | Fisher Scientific | 02-106-1013 | |
| Parafilm 封口膜 | Fisher Scientific | 13-374-10 | |
| 移液器吸头 | Fisher Scientific | 02-707-025 | |
| 移液器 | Fisher Scientific | 14-388-100 | 工作体积范围为 3 µL 至 500 µL |
| 塑料巴斯德吸管 | Fisher Scientific | 02-708-006 | |
| 精密镊子 | Fisher Scientific | 12-000-122 | |
| 兔抗 PSD95 抗体 | Abcam | ab18258 | 其他抗体组合经优化后也可能适用。 |
| 冰箱 | VWR | 76470-402 | |
| 小培养皿,60 mm | Fisher Scientific | FB0875713A | |
| 计时器 | Fisher Scientific | 14-649-17 | |
| Tween 20 | Fisher Scientific | BP337-100 |
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