隧道纳米管(TNTs)主要是由F-肌动蛋白构成的、两端开放的膜性纳米管结构,可连接相邻细胞,介导细胞间通讯。TNTs区别于其他细胞突起的显著特征是这些纳米管悬浮于细胞之间。本文通过构建共聚焦z轴层扫图像的三维体积视图,对隧道纳米管进行表征。
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隧道纳米管(TNTs)主要是由F-肌动蛋白构成的、两端开放的膜性纳米管结构,可连接相邻细胞,介导细胞间通讯。TNTs区别于其他细胞突起的显著特征是这些纳米管悬浮于细胞之间。本文通过构建共聚焦z轴层扫图像的三维体积视图,对隧道纳米管进行表征。
近期研究发现,细胞能够进行直接的长距离细胞间物质传递 通过 纳米尺度的肌动蛋白-膜通道,即 "隧道纳米管" (膜纳米管)。膜纳米管被定义为开放末端、由脂质双层包裹的膜性突起结构,直径介于50 nm至1 µm之间,可在相邻细胞间形成连续性连接。膜纳米管最初在神经元细胞中被发现,但后续研究证实其存在于多种细胞类型及疾病中,如神经退行性疾病、病毒感染和癌症。一些研究也将相邻细胞间封闭末端、电耦合的膜纳米结构称为膜纳米管或膜纳米管样结构。
从膜连续性的角度阐明终点时的超微结构在技术上具有挑战性。此外,由于缺乏特异性标记物,使用传统方法对细胞间通讯进行研究,尤其是在鉴定隧道纳米管(TNTs)方面,也面临困难。TNTs 主要被定义为基于 F-肌动蛋白的、开放性膜突起结构。然而,一个主要局限在于,F-肌动蛋白存在于所有类型的细胞突起中,因此难以将 TNTs 与其他突起结构区分开来。基于 F-肌动蛋白的 TNTs 的一个显著特征是,这些结构悬浮于两个细胞之间,且不与基质接触。因此,可通过其是否悬浮于细胞之间,方便地区分出清晰的经 F-肌动蛋白染色的 TNTs 与其他突起结构,例如丝状伪足和神经突。
我们最近的研究表明,寡聚化淀粉样蛋白-β的内化1-42 (oAβ) 通过 肌动蛋白依赖性内吞作用可激活p21活化激酶1(PAK1),进而介导富含F-肌动蛋白且共表达磷酸化PAK1的隧道纳米管(TNTs)在SH-SY5Y神经元细胞间的形成。本方案概述了一种三维体积分析方法,用于识别和表征经寡聚化β-淀粉样蛋白(oAβ)处理的神经元细胞中,由F-肌动蛋白与磷酸化PAK1免疫染色标记的膜突起所捕获的z轴层扫图像中的TNTs。此外,通过F-肌动蛋白与β-III微管蛋白免疫染色的膜通道,可将TNTs与正在发育的神经突及神经元突起区分开来。
隧道纳米管(TNTs)是基于F-肌动蛋白的、主要为开放末端的膜性通道,在细胞间物质和细胞器的转运中发挥重要作用1TNTs 的独特特征在于它们能够在不与基质接触的情况下连接相邻细胞,其长度超过 10–300 µm,直径在 50 nm 至 1 µm 之间。2,3. 膜纳米管是瞬态结构,其寿命从几分钟到数小时不等。膜纳米管最初在PC12神经细胞中被发现1;随后,大量研究证实了它们存在于多种细胞类型中 体外 和 体内4,5多项研究揭示了隧道纳米管(TNTs)在多种疾病模型中的病理学意义,例如神经退行性疾病、癌症和病毒感染6,7,8.
多项研究已在不同的细胞系统中证实了隧道纳米管(TNTs)的结构异质性9。这些差异主要基于细胞骨架组成、形成机制以及所转移的货物类型10。通常认为,存在于两个相邻细胞之间、开放末端且富含F-肌动蛋白的膜连续结构,能够转移细胞器,属于隧道纳米管(TNTs)的范畴11。然而,由于TNTs在形成过程中存在不明确性或多样性,导致难以开发出特异性的TNT标记物。因此,使用常规检测方法难以识别TNT结构,并难以区分开放末端与封闭末端的膜纳米管突起12。不过,TNTs作为F-肌动蛋白介导的膜突起悬浮于两个细胞之间的特征,相对更容易通过常规成像技术进行识别和验证。其他基于肌动蛋白的细胞突起,如丝状伪足和背侧丝状伪足,无法在两个相隔较远的细胞之间形成悬浮连接,尤其是在细胞固定后更是如此。值得注意的是,那些封闭末端、具有电耦合特性且正在发育的神经突起,常被称为类似TNT的结构13。
已知F-actin在隧道纳米管(TNT)的形成中发挥重要作用,多项研究表明,F-actin抑制剂细胞松弛素D可抑制TNT的形成14,15。相反,微管抑制剂对TNT的形成没有影响16。过去二十年间,已有大量报道揭示TNT在病理传播、肿瘤耐药及治疗中的重要作用17。因此,对更优的TNT表征技术的需求始终存在。
由于缺乏特异性的隧道纳米管(TNT)标记物,且其形态和细胞骨架组成具有多样性,因此难以建立一种统一的表征方法。一些研究已采用自动图像检测和TNT定量技术18,19。然而,与自动图像分析相比,当前的三维体积手动分析方法在TNT的检测与定量方面具有多项优势。通常情况下,经过训练的人眼比自动图像检测方法更容易识别这些悬浮的纳米结构。此外,对于缺乏算法专业知识的实验室而言,自动检测方法可能难以实施。由于该方法具有较高的精确性和可重复性,因此可被广大研究人员广泛采用。
在最近的一项研究中,我们发现寡聚态Aβ可促进神经元细胞中隧道纳米管(TNTs)的生成 通过 一种由PAK1介导的、依赖肌动蛋白的内吞机制12.oAβ诱导的隧道纳米管(TNTs)也表达活化的PAK1(即磷酸化PAK1)。我们开发了一种三维体积成像重建方法,用于区分由oAβ诱导、经F-actin和磷酸化PAK1免疫染色标记的隧道纳米管。β-III微管蛋白阳性的发育中神经突起常呈现出类似隧道纳米管的悬浮结构20因此,我们进一步将基于F-actin的隧道纳米管(TNTs)与β-III微管蛋白阳性的神经突以及其他类似TNT的突起区分开来。通过三维体积视图图像,可根据其悬于基质之上并连接两个相邻细胞的特征来识别TNTs。本文描述了利用共聚焦z轴层扫图像对含肌动蛋白的膜通道或TNTs进行识别与检测,并最终通过三维体积视图重建图像对所识别结构进行人工定量分析。该方法无法区分真正具有开放末端的TNTs与末端闭合的类似TNT结构;但该方法有助于在 体外 在平面基质上的二维细胞培养。然而,该方法易于实施和重复,可广泛用于基于肌动蛋白的隧道纳米管(TNTs)的精确量化,并将其与神经突起及β-微管蛋白阳性的TNT样结构区分开来。
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注意:在 DMEM/F-12 培养基中培养的 SH-SY5Y 细胞,用 10 µM 视黄酸分化 7 天后,在 37 °C(5% CO2)条件下用 1 µM oAβ 寡聚体处理 2 小时。处理后,细胞用 Karnovsky 固定液固定,并用磷酸化 PAK1(Thr423)/PAK2(Thr402)抗体和 F-肌动蛋白结合性鬼笔环肽进行双重免疫荧光染色。随后,使用共聚焦激光扫描显微镜采集共聚焦 z 轴层扫图像。通过手动计数对隧道纳米管(TNTs)进行定量,并通过构建三维体积视图图像,根据其悬浮于两个细胞之间且不接触基质的特征,将其与其他神经突起/细胞突起区分开来(图 1)。
1. 细胞培养与分化
2. 制备用于处理神经元细胞的β-淀粉样蛋白1-42寡聚体(oAβ)
3. 用于表征隧道纳米管的F-actin和活化型PAK1免疫染色
4. 通过F-actin和β-III微管蛋白免疫染色区分隧道纳米管与神经突
5. 共聚焦显微镜成像
6. 分析共聚焦z轴层扫图像以识别和定量膜纳米管(TNTs)
7. 对 z 轴堆叠图像进行三维重建以表征膜纳米管(TNTs)
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本研究通过共聚焦显微镜z轴层扫图像构建三维体积视图,鉴定并表征SH-SY5Y神经细胞中由oAβ诱导形成的膜纳米管(图1)。细胞经F-actin与磷酸化PAK1双免疫荧光染色后,对染色细胞的共聚焦z轴层扫图像进行分析以识别膜纳米管(图2)。进一步分析微分干涉相差(DIC)图像,验证F-actin和磷酸化PAK1染色的膜纳米管结构确为细胞间的膜性通道(图3)。此外,细胞还进行了F-actin与β-III微管蛋白的双免疫染色(图4)。通过该染色方法,可将同时表达F-actin与β-III微管蛋白的类膜纳米管结构与仅表达F-actin的膜纳米管区分开来(图4)。通过构建三维体积视图图像,依据其悬浮于两个细胞之间且不接触培养基底的特征,将共表达磷酸化PAK1(即活化PAK1)与F-actin的膜纳米管与其他神经突起或细胞突起区分开来(
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过去二十年中,许多研究人员一直致力于理解并表征隧道纳米管(TNTs)的结构18。由于缺乏特异性标记物,研究进展受到阻碍,因此迫切需要一种便捷、标准化的方法,用于识别、表征和定量TNTs。TNTs被定义为基于F-肌动蛋白的膜性通道,悬浮于两个细胞之间。研究表明,β-微管蛋白阳性、末端封闭的发育中神经突起可在两个远距离细胞之间延伸,并呈现出类似TNT的结构12,13。因此,TNTs通过仅表达肌动蛋白、且作为悬浮于两个远距离细胞之间的膜性通道这一特征,与神经突起及其他类TNT结构相区分。研究人员在成像前固定过程中常常难以获得完整的TNT结构24。为解决这一问题,我们采用含2.5%戊二醛的改良固定液(Karnovsky固定液)对本实验方案中使用的SH-SY5Y神经细胞进行固定25。
每个免疫组织化学/免疫细胞化学实验的关键步骤都是样...
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作者声明无利益冲突。
D.K.V 和 A.R 感谢印度马尼帕尔高等教育学院提供的 TMA Pai 奖学金。我们感谢印度科学与工程研究委员会(SERB-SRG,项目编号 #SRG/2021/001315)、印度医学研究委员会(项目编号 #5/4-5/Ad-hoc/Neuro/216/2020-NCD-I)以及印度马尼帕尔高等教育学院的院内基金。我们感谢印度贾瓦哈拉尔·尼赫鲁高级科学研究中心(JNCASR)的共聚焦成像平台,以及 B. Suma 在 JNCASR 提供的共聚焦显微镜技术支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 35 mm 培养皿,内含 14 mm 直径的 #1.5 盖玻片材质小室 | Cellvis | D35-14-1.5-N | 用于接种细胞以进行染色实验的成像培养皿 |
| Aβ (1-42) 1 mg | AnaSpec | #64129 | 用于处理细胞的β-淀粉样蛋白寡聚体 |
| Alexa Fluor 488 山羊抗兔 IgG(H+L) | Invitrogen | A11070 | 磷酸化PAK1的二抗 |
| 生物安全柜 | 赛默飞世尔科技(MSC Advantage) | 51025411 | 在细胞培养过程中提供无菌条件 |
| CO2 培养箱 | 赛默飞世尔科技公司(Heraeus Hera Cell 240) | 51026556 | 用于在体温或接近体温条件下培养细胞 |
| 共聚焦激光扫描显微镜 | ZEISS(卡尔·蔡司) | LSM 880 | 能够以超分辨率生成大尺寸样本的三维图像 |
| DABCO [1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷] | 默克 | 8034560100 | 抗淬灭剂 |
| DAPI(4′,6-二脒基-2-苯基吲哚) | Sigma | D9542-1MG | 核染剂 |
| DMEM 培养基 | Gibco | 11965092 | 用于制备 100 μM 的 Aβ (1-42) |
| DMEM/F12(DMEM与Ham’s F12 | Gibco | 12500062 | SH-SY5Y细胞培养基 |
| DMSO(二甲基亚砜)细胞培养级 | 冷冻纯化 | CP-100 | 用于溶解视黄酸的细胞培养级溶剂 |
| DMSO(二甲基亚砜)分子生物学级 | Himedia | MB058 | 用作冻干A的溶解剂之一β (1-42) |
| 胎牛血清 | Gibco | 16000044 | 培养基主要添加剂(美国来源) |
| 中性缓冲福尔马林固定液(10%) | Sigma Aldrich | HT5014-120ML | Karnovsky固定液中的组分 |
| 戊二醛(I 级,25% 水溶液)2O | Sigma | G5882 | Karnovsky固定液中的组分 |
| HFIP(1,1,1,3,3,3-六氟-2-丙醇)溶液 | TCI | H024 | 用于溶解 Aβ (1-42) 1 mg |
| 图像处理/分析软件:FIJI(ImageJ) | 美国国立卫生研究院(NIH) | 用于处理和分析图像,并利用其名为的插件区分TNTs与神经突 "体积查看器". | |
| 冻干机 | 克里斯特,阿尔法 | 2.4 LDplus | 0.05 mg 的 A 等分试样β (1-42) 可在 -20 保存 °冻干后仅含 C |
| 青霉素-链霉素-新霉素混合液 | 赛默飞世尔科技 | 15640055 | 抗生素混合物 |
| 鬼笔环肽-iFlor 555 | Abcam | ab176756 | F-肌动蛋白结合染色 |
| 磷酸化-PAK1(Thr423)/PAK2(Thr402)[兔] | CST | #2601 | 一抗 |
| 多克隆抗体抗微管蛋白 β3(TUBb3) | 云克隆 | PAE711Hu01 | 一抗 |
| 视黄酸 | Sigma-Aldrich | R2625-50MG | 分化试剂 |
| 皂苷 | 默克 | 8047-15-2 | 免疫染色中孵育缓冲液所用的去垢剂 |
| 水浴超声波清洗器(四分之一加仑,带排水阀加热器) | 超声波清洗机 | 3.0 L/3.2 | 用于溶解 A 的超声波破碎仪β (1-42) 储液,在制备100时加入DMSO后 µM Aβ (1-42) |
| ZEN 显微成像软件 | ZEISS(卡尔·蔡司) | 具有智能自动化的共聚焦显微镜成像软件 |
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