本方案标准化了体外可视化星形胶质细胞与神经元之间隧道纳米管及线粒体转移的固定、染色和共聚焦成像方法。
方法文章
本方案标准化了体外可视化星形胶质细胞与神经元之间隧道纳米管及线粒体转移的固定、染色和共聚焦成像方法。
线粒体是神经细胞中调控能量产生、细胞信号传导和代谢稳态的关键细胞器。隧道状纳米管(TNTs)是一类细长的膜性结构,可介导细胞间的远距离通讯,并促进包括线粒体在内的细胞组分在相互连接的细胞之间转移。由于TNTs结构极为脆弱,且对固定、洗涤和成像条件高度敏感,因此可靠地可视化TNTs及线粒体转移过程需要谨慎处理样品。本实验方案描述了星形胶质细胞及星形胶质细胞–神经元共培养体系中TNTs固定、染色和共聚焦成像的标准化操作流程。该工作流程包括用于TNTs可视化的膜结构与细胞骨架染色、用于追踪线粒体定位的线粒体标记,以及用于Miro1共定位分析的免疫荧光染色。整个操作过程中特别强调了保护TNT形态的关键步骤,如轻柔洗涤和避光操作。本方案还概述了固定细胞样本中TNTs和线粒体的成像分析策略。这些方法为体外研究神经细胞间TNT形成及线粒体转移提供了可重复的实验框架。
线粒体作为细胞的能量工厂,通过生成三磷酸腺苷(adenosine triphosphate)为细胞活动提供所需能量,同时在细胞信号转导和氧化还原平衡中发挥重要作用1。在神经系统中,线粒体代谢物可增加神经元突起的复杂性和兴奋性,从而支持神经元的生长与发育2。线粒体并非静态的细胞器,而是持续改变其形态、位置和分布,以适应各种细胞内外的应激状态和代谢需求3。在生理条件下,细胞间的线粒体转移有助于维持组织稳态并促进发育;而在病理条件下,该过程参与损伤修复、免疫调节以及疾病进展4,5。
物质和能量的细胞间通讯对于多种生物学过程至关重要,包括细胞稳态、组织修复以及神经网络调节。目前的研究已揭示了多种细胞间通讯方式,其中隧道纳米管(TNTs)是与细胞间线粒体转移密切相关且被广泛研究的机制之一6。TNTs 是基于 F-肌动蛋白的桥状膜结构,呈管状形态,直径在 50 至 200 nm 之间,长度可延伸至数个细胞直径7。研究表明,TNTs 可作为神经细胞之间的物理连接,与神经退行性疾病、脑癌及其他疾病的起始和进展密切相关。例如,已有报道指出,小胶质细胞通过 TNTs 向神经元转移线粒体,可挽救受损的神经元细胞8,9。
目前关于隧道纳米管(TNTs)的研究常面临若干挑战,包括TNTs结构脆弱,容易断裂,从而可能影响实验结果;难以将TNTs与丝状伪足或其他膜突起区分开来;以及在准确量化细胞间TNTs方面存在的困难。为了提高TNT相关研究的可重复性和一致性,需要建立标准化的洗涤、固定、染色和成像方法,以准确评估TNTs的结构和分布,同时尽量减少实验变异。固定前的细胞密度、避光保护、洗涤强度、固定时间以及固定后的染色条件等因素均可能影响TNTs的结构和稳定性。本研究中,我们描述了在星形胶质细胞及星形胶质细胞-神经元共培养体系中,对TNTs及与线粒体相关的TNT结构进行预处理、染色和共聚焦成像的操作流程。
本研究方案可普遍适用于大多数实验室环境。在原代星形胶质细胞和小鼠海马神经元细胞系中的验证结果证实,该方案适用于原代神经细胞和永生化细胞系。然而,本方案仍存在若干局限性。共聚焦显微镜在隧道纳米管(TNT)成像方面的空间分辨率低于超分辨率成像技术,而基于MitoTracker的线粒体转移评估可能受到染料泄漏及非线粒体信号干扰的影响10。
本研究未涉及人类受试者或活体脊椎动物;仅使用了商业获取或已建立的细胞系,无需伦理审批。
1. 星形胶质细胞中隧道纳米管的染色

图1:星形胶质细胞中隧道纳米管(TNTs)的荧光染色。 (A)代表性共聚焦显微镜图像,显示在玻璃底培养皿中培养的星形胶质细胞的细胞核和F-肌动蛋白染色情况。(B)A图中方框区域的放大视图。白色箭头指示相邻细胞之间的TNT样结构。(C)代表性图像显示,不当样品处理后TNT样结构被破坏。(D)C图中方框区域的放大视图。黄色箭头指示被破坏的TNT样结构。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 星形胶质细胞通过隧道纳米管向神经元转移线粒体的染色

图2:星形胶质细胞-神经元共培养系统中线粒体和隧道纳米管(TNTs)的荧光染色。(A)代表性共聚焦显微镜图像,显示在玻璃底培养皿中培养的星形胶质细胞和神经元的细胞核、线粒体及F-actin染色情况。星形胶质细胞呈现不规则的星状或多边形形态,并具有延伸的细胞突起,而神经元细胞则呈圆形或椭圆形,带有细长的类似神经突的结构。(B)A图中框选区域的放大视图。白色箭头指示细胞间与线粒体相关的类似隧道纳米管(TNT-like)结构。两种细胞群体主要根据其典型的细胞形态进行区分。请点击此处查看该图的放大版本。
3. 线粒体与TNTs中Miro1的免疫荧光共定位染色

图3:星形胶质细胞-神经元共培养系统中线粒体与Miro1在隧道纳米管(TNTs)内的共定位染色。(A)代表性共聚焦显微镜图像,显示在玻璃底培养皿中培养的星形胶质细胞和神经元的细胞核、线粒体、Miro1及F-actin染色结果。白色箭头指示在线粒体相关信号与Miro1在类似隧道纳米管(TNT-like)结构内明显共定位的区域。(B)相邻细胞间形成的类似隧道纳米管结构的三维重建Z轴层扫图像。(C)同一Z轴层扫图像的侧视图重建,显示相邻细胞间延伸的类似隧道纳米管结构。请点击此处查看该图的放大版本。
在星形胶质细胞单培养体系中,经F-actin和细胞核染色后可观察到相邻细胞之间存在细长的膜突起(图1A 和 1B)。在邻近的星形胶质细胞之间检测到多个类似隧道纳米管(TNT-like)的结构,单个星形胶质细胞常与周围多个细胞形成连接。TNT样结构的成功保存与洗涤和固定过程中操作轻柔密切相关。在更换培养基或洗涤过程中若施加过度的机械扰动,会导致这些膜连接结构的可检测性降低并发生结构破坏,如不当样品处理后TNT样结构出现断裂所示(图1C 和 1D)。
在星形胶质细胞-神经元共培养体系中,经MitoTracker染色和共聚焦成像后,可在连接相邻细胞的TNT样结构内观察到与线粒体相关的荧光信号(图2A 和 2B)。这些结构同时与F-肌动蛋白及细胞核染色共同成像,以支持对TNT样连接的形态学评估。在成像制备过程中,适当的避光保护和减少洗涤强度有助于更好地保存荧光信号及TNT的形态结构。
在免疫荧光共定位实验中,在星形胶质细胞-神经元共培养样本的类似隧道纳米管(TNT-like)结构中,观察到与线粒体相关染色和Miro1免疫染色相对应的重叠荧光信号(图3A)。这些结果提示Miro1可能与定位于类似隧道纳米管结构中的线粒体存在关联。三维重建的Z轴层扫成像进一步支持了相邻细胞之间存在延伸的类似隧道纳米管结构(图3B和3C)。隧道纳米管的保存状态、荧光信号强度以及图像质量受到固定、通透和成像条件的影响。
上述实验方案中的第一个关键步骤是在固定前进行避光预处理。类隧道纳米管(TNT-like)结构极为脆弱,从培养箱中取出后保持避光条件对于在样品制备过程中维持荧光信号强度和结构完整性至关重要。第二个关键步骤是轻柔操作以进行PBS洗涤,尽量减少液体流动对类隧道纳米管结构造成的扰动。遵循这些关键操作步骤有助于保持类隧道纳米管结构的形态和稳定性,并提高后续成像结果的一致性。过度抽吸、洗涤时间过长或剧烈的液体搅动均可能导致样品处理过程中类隧道纳米管结构的塌陷或断裂。由于隧道纳米管(TNTs)具有高度动态的特性,其对光敏感。光照引起的光毒性可导致隧道纳米管结构破坏,使其难以观察11。因此,在涉及隧道纳米管的实验过程中应始终保持避光条件。
细胞内线粒体的运动有助于细胞能量的分布,尤其在神经元中具有重要作用。研究表明,线粒体可沿肌动蛋白丝和微管移动12。最近的研究还表明,隧道纳米管(TNTs)可作为细胞间长距离通讯的结构,介导神经细胞之间的线粒体转移13。本研究所描述的方法学手段能够实现对神经细胞培养系统中类似隧道纳米管的结构以及与线粒体相关的荧光信号的可视化观察。先前的研究显示,神经细胞间的线粒体转移可能在帕金森病和脑缺血损伤等神经系统疾病中的组织修复和神经保护过程中发挥重要作用14,15。利用本研究所述方法,观察到星形胶质细胞之间以及星形胶质细胞与神经元之间存在类似隧道纳米管的结构,且这些结构内部定位于与线粒体相关的荧光信号。
如先前研究10所述,MitoTracker 染色存在染料泄漏和非线粒体信号干扰的问题,这可能降低数据的可靠性。为克服这一局限性,未来的研究应采用更可靠的方法,例如基因编码的线粒体标记技术,以获得更具结论性的结果。在当前实验条件下,两种细胞类型主要依据细胞形态进行区分,这种方法可能降低细胞类型鉴定的特异性。未来的研究应结合细胞类型特异性的荧光标记,以提高共培养分析的准确性。Miro1 是一种定位于线粒体外膜的衔接蛋白,已被证实参与神经元中的线粒体运输过程16,17。利用本研究中描述的免疫荧光共定位实验方案,在类似隧道纳米管(TNT-like)结构中观察到与线粒体相关染色和Miro1免疫染色相对应的重叠荧光信号。这些结果提示Miro1可能与定位于类似隧道纳米管结构中的线粒体存在潜在关联。然而,传统共聚焦显微镜的空间分辨率可能限制对薄层膜突起内分子共定位的明确评估。
我们进行了Z轴层扫成像以确认细胞间存在类似隧道纳米管(TNT)的结构,从而支持对这些膜连接结构的形态学验证。尽管本实验方案适用于大多数实验环境,但与活细胞成像相比,固定细胞的共聚焦成像可能在样品处理过程中导致脆弱的TNT样结构丢失,从而限制对TNT的准确定量18。此外,固定细胞成像无法明确判断线粒体转移的方向性,这有待未来研究进一步探讨。本方案为神经细胞培养体系中TNT样结构、线粒体相关信号及关联蛋白的染色提供了标准化的实验流程。相较于非标准化的洗涤与固定操作,本方案强调在成像前处理过程中对样品的轻柔操作以及荧光信号的保护。这些方法有助于提高TNT相关成像研究的实验一致性和可重复性。
总之,本研究提供了一种实用且广泛适用的实验室方案,用于对隧道纳米管(TNTs)进行定性评估,并研究通过类似TNT的结构进行的线粒体运输。然而,固定和洗涤等样品处理步骤可能会引入定量上的变异,与活细胞成像方法相比存在差异。此外,共聚焦显微镜的空间分辨率低于超分辨率显微镜,这限制了对TNTs精细结构的表征。另外,基于MitoTracker的线粒体染色易受染料泄漏和非特异性信号传递的影响,未来的研究应解决这些问题以提高实验的准确性。
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
本研究由国家自然科学基金(82260650);内蒙古自治区自然科学基金项目(2025MS08067);包头医学院大学生创新创业训练计划项目(S202510130008);包头医学院花蕾计划项目(HLJH202529)以及包头医学院公共卫生与预防医学一流学科培育科研项目(GWGG-20250807)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1% 三重抗生素混合液 | Biosharp | BL142A | 防止细胞培养过程中的细菌和真菌污染 |
| 4% 组织细胞固定液 | Solarbio | P1110 | 细胞固定试剂 |
| 抗 Miro1 抗体 | Abcam | AB319154 | 针对 Miro1 的一抗 |
| 星形胶质细胞 | 实验室分离的原代细胞 | NA | 星形胶质细胞从出生后1–3天的SD乳鼠大脑皮层中分离获得。通过GFAP染色确认分离细胞纯度>95%,所有实验均使用第3代(P3)细胞 |
| 星形胶质细胞培养基(DMEM/F-12) | Gibco | 6125011 | 将DMEM与F-12按1:1体积比混合,添加10%胎牛血清(FBS)和1%三重抗生素 |
| 共聚焦显微镜 | Nikon AX | ECLIPSE TI2-E | 使用由NIS-Elements软件(版本5.4)控制的Nikon AX共聚焦显微镜(日本尼康公司)采集图像 |
| DAPI | Servicebio | G1012-100ML | 细胞核染色染料 |
| DMSO | BioFroxx | 1084ML100 | 用于配制荧光染料储备液的溶剂 |
| F-肌动蛋白染色染料 | Thermo Fisher Scientific | A57243 | 用于可视化细胞骨架结构和隧道纳米管的F-actin染色试剂 |
| 胎牛血清 | ExCell Bio | FSD500 | 为细胞培养提供必需营养成分 |
| 荧光二抗(山羊抗兔IgG) | ABclonal | AS039 | 用于免疫荧光染色的二抗 |
| 玻璃底细胞培养皿 | NEST | 801001 | 共聚焦显微镜成像用培养皿 |
| 山羊血清 | Solarbio | 210C051 | 免疫荧光染色封闭试剂 |
| MitoTracker Deep Red | Thermo Fisher Scientific | M22426 | 线粒体染色染料 |
| 神经元 | 中国科学院细胞库 | HT22-GNM47 | 永生化的小鼠海马神经元细胞在DMEM完全培养基中维持培养。取第3代(P3)细胞用于后续实验 |
| 神经元细胞培养基(DMEM) | Servicebio | G4511-500ML | DMEM添加GlutaPlus和丙酮酸钠,不含HEPES,补充10%胎牛血清(FBS)和1%三重抗生素 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Servicebio | G4203-500ML | 固定和染色过程中使用的洗涤缓冲液 |
| Triton X-100 | Solarbio | P1080 | 细胞通透试剂 |
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