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Research Article
Masaya Ikegawa*1, Takashi Nirasawa*2, Nobuto Kakuda1, Tomohiro Miyasaka1, Yuki Kuzuhara1, Shigeo Murayama3, Yasuo Ihara4
1Department of Life and Medical Systems,Doshisha University, 2Bruker Daltonics K.K., 3The Brain Bank for Aging Research,Tokyo Metropolitan Geriatric Hospital and Institute of Gerontology, 4Graduate School of Brain Science,Doshisha University
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Molekularer Bildgebung mit der Matrix-unterstützte Laser Desorption/Ionisierung-basierte bildgebende Massenspektrometrie (MALDI-IMS) erlaubt die gleichzeitige Zuordnung von mehreren Analyten in biologischen Proben. Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Erfassung und Visualisierung von Amyloid β Protein Hirngewebe von Alzheimer-Krankheit und zerebralen Amyloid-Angiopathie Proben mit MALDI-IMS.
Die Neuropathologie der Alzheimer-Krankheit (AD) zeichnet sich durch die Anhäufung und Aggregation von Amyloid-β (Aβ) Peptide in extrazelluläre Plaques des Gehirns. Die Aβ-Peptide, bestehend aus 40 Aminosäuren entstehen aus Amyloid-Precursor-Protein (APP) von β und γ-Secretases. Aβ lagert sich nicht nur im zerebralen Parenchym, sondern auch in Leptomeningeal und zerebralen Gefäßwänden, bekannt als zerebralen Amyloid-Angiopathie (CAA). Während eine Vielzahl von Aβ-Peptide wurden identifiziert, die Produktionsfeinplanung und Verteilung der einzelnen Aβ-Peptide in pathologischen Geweben von AD und CAA nicht vollständig beantwortet. Hier entwickeln wir ein Protokoll des Matrix-unterstützte Laser Desorption/Ionisierung-basierte bildgebende Massenspektrometrie (MALDI-IMS) auf menschlichen Autopsie Hirngewebe, umfassende Protein Zuordnung zu erhalten. Zu diesem Zweck wurden menschliche kortikalen Exemplare von Brain Bank am Tokyo Metropolitan Institut für Gerontologie erhalten. Gefrorene Cryosections werden geschnitten und an Indium-Zinn-Oxid (ITO)-Glas-Objektträger beschichtet. Spektren werden erworben durch die MALDI-System mit einer räumlichen Auflösung bis zu 20 µm. Sinapinic Säure (SA) ist gleichmäßig auf der Folie verwenden entweder eine automatische oder eine manuelle Spritze hinterlegt. Mit den aktuellen technischen Vorteilen der MALDI-IMS erhalten Sie ein typischen Datensatz von Aβ-Gattungen innerhalb der gleichen Abschnitte des menschlichen autopsied Gehirne ohne spezifische Sonden. Darüber hinaus mit hoher Auflösung (20 µm) Bildgebung eines AD Gehirn und schweren CAA-Beispiel zeigt deutlich, dass Aβ1-36 Aβ1-41 in Leptomeningeal Gefäße, abgelagert wurden, während Aβ1-42 und Aβ1-43 in zerebralen Parenchym als senile Plaques (SP) abgelagert wurden. Es ist möglich, MALDI-IMS als einen Standardansatz in Kombination mit klinischen, genetischen und pathologische Beobachtungen im Verständnis der Pathologie des AD, CAA, anzunehmen und anderen neurologischen Erkrankungen auf Basis der aktuellen Strategie.
Um die Diagnose zu stellen und der Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen zu verstehen, ist genaue molekulare Identifizierung der pathologischen Ablagerungen wichtig1. Im Zuge der AD, Aβ produziert, um SPs in der zerebralen Parenchym zu machen und in Gefäßen abgelagert lange vor Krankheit Beginn2,3,4,5,6. Aβ1-42 ist das vorherrschende Peptid in der SP AD Gehirne, andere Aβ-Varianten, z. B. N-terminale oder C-terminale abgeschnitten oder Aβs geändert, auch in betroffenen AD Gehirne7,8,9identifiziert werden, 10. Ein vollständiges Bild von der breiten Palette von Aβ-Arten im menschlichen Gehirn, vor allem mit AD und zerebralen Amyloid-Angiopathie (CAA)11, hilft Wissenschaftlern Aβ-Produktion, Stoffwechsel und Ablagerung zu verstehen.
Als der klassische Ansatz der Neuropathologie wurde Immunhistochemie (IHC) die schlüssigste Methode zur Bestimmung der Lage des Aβs im Gehirn Gewebe12,13,14,15. Im Allgemeinen kann IHC Moleküle nicht unterscheiden, wenn mehrere Epitope gleichzeitig koexistieren. Im Gegensatz dazu ist eine aufstrebende Massenspektrometrie-basierte Proteomic Analyse einen wertvollen Ansatz vor allem für die Analyse von einer Vielzahl von Aβ-Arten im Hirngewebe, die mit Antikörpern16,17unterscheiden lassen. Die konventionellen Massenspektrometrie-basierte Analyse von Gehirn Lysates und Immuno-ausgefällt Proben nicht kleinere Aβ-Peptide erkennen und verliert Verteilungsinformationen von Aβ im Hirngewebe.
In früheren Arbeiten war Visualisierung von Aβ-Ablagerungen im Gehirn der Maus mit einem transgenen Tiermodell von AD, z. B. APP23 erfolgreich. Dieser Prozess benötigt allerdings noch technische Weiterentwicklungen, IMS und IHC in Bezug auf Auflösung und Empfindlichkeit18,19,20zu vergleichen. AD Neuropathologie auf menschliche Gehirne untersucht werden, und wir auf menschlichen Autopsie Hirngewebe MALDI-IMS-Technologie verwendet, um umfassende Protein Mapping21zu erhalten. Zu diesem Zweck entwickelten wir ein Protokoll für eine erweiterte Art der Massenspektrometrie, das Vorteile in seiner Schnelligkeit, Sensitivität und Reproduzierbarkeit.
Hier sammelten Gewebeproben im Tokyo Metropolitan Geriatrische Krankenhaus bietet Community-basierte medizinische Dienstleistungen für die ältere Bevölkerung in Japan. Die Gehirn-Autopsie-Proben in der Studie verwendeten waren der Gehirn-Bank für Aging Forschung (BBAR) die Einwilligung der Angehörigen des Erblassers registriert. Die BBAR ist von der Ethikkommission der Tokyo Metropolitan geriatrische Klinik und Institut für Gerontologie zugelassen. Für alle Gehirne in der Gehirn-Bank registriert erhielten wir schriftliche informierte Zustimmung für ihren Einsatz für die medizinische Forschung von den Patienten oder deren Familien. Die Patienten wurden in einem Raum kalt (4 ° C) innerhalb von 2 h nach dem Tod, postmortale Veränderungen im Gehirn zu reduzieren platziert. Alle hier beschriebene Methoden wurden für Alternsforschung, Tokyo Metropolitan geriatrische Klinik und Institut für Gerontologie der Doshisha Universität und der Gehirn-Bank genehmigt.
1. Vorbereitung von Gewebeschnitten für IMS
2. MALDI-IMS
(3) die Verarbeitung der Daten
Sporadische Alzheimer-Patienten mit CAA (n = 5; mittleres Alter = 83,2 y) und im Alter von Probanden mit senilen Plaques frei (SP-O) und CAA (n = 5; mittleres Alter = 77,2 y) wurden analysiert (Tabelle 1). Die CAA-Phänotypen der Patient #3 wurden in dieser Studie prominentesten. Verteilungen der Aβ1 40 und Aβ1-42 Ablagerungen im Gehirngewebe von Patienten #3 wurden mit MALDI-IMS (Abbildung 1) visualisiert. In nichtpathologischer Kontrolle Gehirnen (Patienten #9 und #10), gab es keine signifikante Signale, wie in Abbildung 1dargestellt. MALDI-IMS visualisiert hier deutlich, dass Aβ1-42 in der zerebralen Parenchym vorzugsweise als SPs hinterlegt wurde. Im Gegensatz dazu, wurden kürzere Aβs, wie Aβ1-36, 1-41, abgelagert bevorzugt auf Leptomeningeal vaskulären Bereich (Abbildung 1).
Verteilung von Aβ40 und Aβ42 wurden mit IHC mit angrenzenden Gefrierschnitte der Gewebe weiter validiert. Der Anti-Aβ40-Antikörper mit der Bezeichnung CAA (Pfeile in Abb. 2 b), die im deutlichen Gegensatz zu der Verteilung der Aβ42 in der zerebralen Parenchym als SPs ist. Für Aβ1-41 wir sind die ersten, die dieses Fragment im menschlichen Gehirn zu erkennen, und wir haben spezifische Antikörper, die Aβ41 von Aβ40 andAβ4221unterscheiden können generiert.
Die räumliche Auflösung der MALDI-IMS ist in der Regel der wichtigste Faktor verbessert werden. Zeigen Sie in Abbildung 1 und Abbildung 2 MALDI-IMS mit einer 100 µm-Pitch-Auflösung und erhalten Sie ein Gesamtprofil Verteilung für einen relativ weiten Bereich21zu. Es ist schwierig, Amyloid Ablagerungen genau an den Subarachnoidalraum, einschließlich vaskuläre Struktur zu definieren. Feine Gewebestrukturen subarachnoidale Schiffe und die Oberfläche des Kortex, darzustellen hochauflösende MALDI-Imaging (40 µm: Abbildung 3; 20 µm: Abbildung 4 und Abbildung 5) wurde durchgeführt. Infolgedessen zeigte MALDI-IMS deutlich, dass kürzere Aβs, wie Aβ1-36, 1-41, vergleichbar mit IHC in den Wänden der Arterien, verteilt werden.
MALDI-IMS demonstriert die detaillierte Verteilungen der Aβx 40 und Aβx-42 (X = 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9 und 11pE) n. Chr. mit moderaten CAA Gehirn begleitet. Während Aβx-40 Arten ein ähnliche Verteilungsprofil an Aβ1-40 zeigte, zeigte Aβx-42 Arten beispielsweise eine unterschiedliche Verteilungsmuster mit Aβ1-4221. Durch das aktuelle Protokoll werden einzelne Ionen-Bilder der einzelnen Aβ-Peptide beobachtet mit MALDI-IMS Aβ Arten zugeordnet. Im Gegensatz dazu erwarb Bild, das Daten mit unbeaufsichtigten multivariate Statistik Erlangung Bild Segmentierung der anatomischen Regionen von Interesse für die weitere Analyse der undefinierten Proteine untersucht werden können. Abbildung 5 zeigt eine Segmentierung-Karte mit einer bisecting angewendet, um den gleichen Abschnitt von Patient #321k-Means-Analyse zu erhalten. Diese Cluster Methode identifiziert erfolgreich Plaque-artige Strukturen in das Parenchym (blau in Abb. 5) und vaskulären Strukturen in den Subarachnoidalraum (grün in Abbildung 5). Es ist interessant zu erfahren, eine kleine Kreisfläche in das Parenchym der erkannt wird, nur um eine kleine Arteriola in das Parenchym sowie in den Subarachnoidalraum (lila in Abbildung 5). Dies wird von einzelnen Ion Bilder dieser einzelnen Aβ-Peptide in Abbildung 5überprüft-5F.

Abbildung 1: MALDI-IMS eine gefrorene AD/CAA Gehirn Abschnitt. Verschiedene C-terminale abgeschnitten Aβ Peptide in AD begleitende schwere CAA (Patient #3) werden im rechten Fensterbereich im linken Panel und Kontrollen (Patient #9 rechts und Patient #10 auf der linken Seite in allen Bildern) visualisiert. Aβ1-36 Aβ1-41 sind bevorzugt in Leptomeningeal Blutgefäße abgelagert, während Aβ1-42 und Aβ1-43 in der zerebralen Parenchym als senilen Plaques abgelagert werden für den Fall, dass #3, zwar gab es kein Signal in der Kontrollpatienten Gehirne (Fälle #9 und #10). Auflösung = 100 μm. Maßstabsleiste = 5 mm. Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Kakuda Et Al.21geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 2: MALDI-IMS von gefrorenen AD/CAA Gehirn-Abschnitte und angrenzenden Abschnitte des okzipitalen Kortex aus AD Gehirn. (A - C) der AD/CAA Gehirn Gefrierschnitte (D und E) angrenzenden Abschnitte des okzipitalen Kortex aus AD Gehirn waren immun-gefärbten und konzentrierte sich auf Arteriola und zerebralen Parenchym mit Antikörpern gegen Aβ40 (D: BA27) oder Aβ42 (E: Anti-Aβ42 polyklonale). Beide Analysen gezeigt, dass Aβ40 bevorzugt in Leptomeningeal Blutgefäßen (Pfeile im Bedienfeld " D") und Arteriolen in den Subarachnoidalraum und der zerebralen Parenchym bilden CAA hinterlegt ist. Im Gegensatz dazu ist Aβ42 hauptsächlich in SPs hinterlegt. Für IMS, Auflösung = 100 μm. Maßstabsleiste = 5 mm (A, Bund C) = 5 mm, 500 (D und E). Diese Zahl wurde mit freundlicher Genehmigung von Kakuda Et Al.21geändert. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 3: MALD-IMS von gefrorenen AD/CAA Gehirn Abschnitte (Patient #3) bei einer Auflösung von 40 µm. Verschiedene C-terminalen und N-terminale abgeschnitten und Aβ-Peptide in AD begleitende schwere CAA (Patient #3) geändert. Aβ1-36 Aβ1-41 sind bevorzugt in Leptomeningeal Blutgefäße abgelagert, während Aβ1-42 und Aβ1-43 in der zerebralen Parenchym als senilen Plaques abgelagert werden. Skalieren von Balken = 1 mm (A-B), 2 mm (oben links). Auflösung = 40 μm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 4: MALDI-IMS von gefrorenen AD/CAA Gehirn Abschnitte (Patient #3) mit einer Auflösung von 20 µm. Dieses Panel zeigt verschiedene C-terminalen und N-terminale abgeschnitten und Aβ-Peptide in AD begleitende schwere CAA (Patient #3) geändert. Aβ1-36 Aβ1-41 sind bevorzugt in Leptomeningeal Blutgefäße abgelagert, während Aβ1-42 und Aβ1-43 in der zerebralen Parenchym als senilen Plaques abgelagert werden. Skalieren von Balken = 200 μm (a, b, C), 1 mm (oben links). Auflösung = 20 μm. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Abbildung 5: Segmentierung Karte, erhalten durch MALDI-IMS von einem AD Gehirn Gefrierschnitte zeigt vermeintliche senilen Plaques, großes subarachnoidale Schiff Strukturen und kleine parenchymatösen Arteriolen. (A) Segmentierung Karte aus einer multivariaten Bildanalyse von MALDI-IMS-Daten gewonnen. (B) Bisecting k-Means-basierte Cluster Analyse Plaque-Like und Schiff-wie Strukturen im okzipitalen Kortex identifiziert. Die Cluster und Unterkonstruktionen und ihre Beziehungen werden als Knoten (e.g.,1-0-0) angezeigt. (C) unterschiedliche Aβ-Peptid Lokalisierung Muster ähnlich Plaketten (blau), subarachnoidale Schiffe (grün) und Arteriola (rot) Strukturen. Beachten Sie, dass ein paar rote Cluster auch in den Subarachnoidalraum verteilt sind. Dies wird von einzelnen Ion Bilder dieser einzelnen Aβ-Peptide mit einer 20 µm Auflösung überprüft: (D) Aβ 1-40, (E) Aβ 1-41 und (F) Aβ 1-42. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.
| Fall | Geschlecht | Alter bei Tod | Braak SP | CAA |
| 1 | M | 83 | C | 0,5 |
| 2 | M | 88 | C | 1 |
| 3 | M | 84 | C | 2 |
| 4 | M | 78 | C | 1 |
| 5 | M | 83 | C | 1 |
| 6 | M | 84 | O | 0 |
| 7 | M | 78 | O | 0 |
| 8 | M | 70 | O | 0 |
| 9 | M | 73 | O | 0 |
| 10 | M | 81 | O | 0 |
Tabelle 1: klinische und pathologische Daten von AD mit CAA Fällen und im Alter von SP O. Menschlichen kortikalen Exemplare für IMS und IHC wurden von der Brain-Bank am Tokyo Metropolitan Institut für Gerontologie erhalten. Jedes Gehirn-Muster stammen von der okzipitalen Kortex von fünf Alzheimer-Patienten und fünf Steuerelemente Alter abgestimmt. Das Ausmaß des Amyloid Ablagerungen wie gezeigt von einem Aβ monoklonale Antikörper wurde etappenweise Braak SP (Amyloid) bezeichnet. In Phase O gibt es fast keine senilen Plaques in den Isocortex. In Stadium C sind praktisch alle Isocortical Bereiche betroffen. AD-Gehirne sind unveränderlich in Phase C. Diese Tabelle wurde mit freundlicher Genehmigung von Kakuda Et Al.21geändert.
Die Autoren haben nichts preisgeben.
Molekularer Bildgebung mit der Matrix-unterstützte Laser Desorption/Ionisierung-basierte bildgebende Massenspektrometrie (MALDI-IMS) erlaubt die gleichzeitige Zuordnung von mehreren Analyten in biologischen Proben. Hier präsentieren wir ein Protokoll für die Erfassung und Visualisierung von Amyloid β Protein Hirngewebe von Alzheimer-Krankheit und zerebralen Amyloid-Angiopathie Proben mit MALDI-IMS.
Diese Arbeit wurde teilweise durch die Beihilfe für die wissenschaftliche Forschung an innovativen Bereichen unterstützt (Gehirn Protein Altern und Demenz Kontrolle 26117004; M.I und th.M.). Diese Forschung wurde teilweise durch die strategische Forschungsprogramm Brain Sciences von der Japan-Agentur für medizinische Forschung und Entwicklung (AMED) unterstützt. Alle Experimente wurden in Übereinstimmung mit den Richtlinien ankommen.
| Kryostat | Leica Microsystems, Wetzlar, Deutschland | CM1950 | |
| Indiumzinnoxid (ITO)-beschichteter Objektträger aus Glas | Bruker Daltonics | #237001 | |
| Blade (Einweg) | Leica Microsystems, Wetzlar, Deutschland | #117394 | |
| O.C.T. Compound | Leica Microsystems, Wetzlar, Deutschland | FSC 22 Blue | |
| Scanner | EPSON | GT-980 | |
| Air-Brush | GSI Creos | PS274 | |
| Kompressor | MRHOBBY | Mr.Linear Kompressor L5 | |
| Ultraschall-Sprühgerät | Bruker Daltonics | ImagePrep | |
| Automatisches Sprühgerät | HTX Technologies | TM Sprayer | |
| Konfokal-Laser-Scanning-Mikroskop | Carl Zeiss Inc. | LSM 700 | |
| Ultra High Speed MALDI Instrument | Bruker Daltonics | rapifleX MALDI Tissuetyper | |
| MALDI Steuerungssoftware | Bruker Daltonics | FlexControl 3.8 | |
| Datenanalysesoftware | Bruker Daltonics | FlexImaging 5.0 | |
| Software für molekulare Histologie | SCiLS, Bremen, Deutschland | SciLS Lab 2016a | |
| Statistische Software | SCiLS, Bremen, Deutschland | SciLS Lab 2016a | |
| Sinapinsäure (SA) | Nacalai tesque | 30494-91 | |
| Alpha-Cyano-4-hydroxyl-zimtsäure (CHCA) | Wako | 037-19261 | |
| Kalibrierstandard | Bruker Daltonics | ||
| Biotinylierte Anti-Maus-IgG-Antikörper | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, CA | ||
| Biotinylierte Anti-Kaninchen-IgG-Antikörper | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, CA | ||
| Avidin und biotinylierter HRP-Komplex. | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, Kalifornien | Vectastain Elite ABC-Kit | |
| 3,3-Diaminobenzidin (DAB) | Vector Laboratories, Inc., Burlingame, Kalifornien | Vectastain Elite ABC-Kit |