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Das Verständnis der räumlichen Organisation, der Konnektivitätsmuster und der Morphologie komplexer dreidimensionaler biologischer Strukturen ist für die Abgrenzung der Funktionen bestimmter Zellen und Gewebe unerlässlich. Dies gilt insbesondere für die Neurowissenschaften, in denen enorme Anstrengungen unternommen wurden, um hochauflösende neuroanatomische Karten des zentralen Nervensystems zu erstellen1,2. Eine genaue Untersuchung der Neuronen, aus denen diese Karten bestehen, ergibt unterschiedliche Morphologien mit Verbindungen und Orten, die die Funktion dieser verschiedenen Neuronensätze widerspiegeln3,4. Darüber hinaus kann die Untersuchung subzellulärer Strukturen, insbesondere dendritischer Stacheln, die Reife von Synapsen beeinflussen und dabei Entwicklungsprozesse und neurologische Krankheitszuständewiderspiegeln 5,6,7. Daher sind Ansätze, die die Bildauflösung und den Durchsatz verbessern, unerlässlich, um die Gehirnfunktion auf allen Ebenen besser zu verstehen.
Jüngste Fortschritte haben das molekulare und genetische Toolkit zur Markierung und Manipulation von Populationen von Neuronen erweitert. Die Entwicklung neuer fluoreszierender Marker, kombiniert mit neuen Methoden zur Einführung dieser Marker in Neuronen, ermöglicht eine differentielle Markierung von Populationen interagierender Neuronen innerhalb derselben Tier- oder Gehirnprobe8,9,10,11. Da Licht durch undurchsichtige Lipide gestreut wird und angesichts des hohen Lipidgehalts des Hirngewebes die Bildgebung neuronaler Populationen in erster Linie auf dünne Schnitte beschränkt war oder sich auf fortschrittliche mikroskropige Techniken (z. B. konfokale, Multiphotonen- und Lichtblattmikroskopie) stützte, um tiefe Strukturen abzubilden. Diese Bemühungen wurden jedoch durch Fortschritte bei den Gewebereinigungstechniken stark unterstützt. Clear Lipid-exchanged Acrylamide-hybridized Rigid Imaging/immunostaining/in situ hybridization-compatible Tissue-hYdrogel (CLARITY) ist eine solche Technik, bei der interessante Gewebe mit Hydrogelmonomeren (Acrylamid und Bisacrylamid) infundiert und anschließend mit Reinigungsmitteln gewaschen werden12. Die Hydrogel-Monomere hybridisieren zu einem stabilen 3D-Hydrogel-Gerüst, das optisch transparent und durchlässig für Makromolekül-Etiketten ist. Nukleinsäuren und Proteine bleiben innerhalb der hybridisierten Matrix erhalten, während Lipide durch die Waschmittelwäschen entfernt werden (Abbildung 1). Dies führt zu einem stabilen Gewebe, das starr genug ist, um die ursprüngliche Form und Ausrichtung von Zellen und Nicht-Lipidmolekülen beizubehalten, während es optisch transparent genug ist, um tiefe Strukturen mit hoher Auflösung abzubilden. Diese Aufrechterhaltung der Gewebestruktur und -orientierung ermöglicht die Abbildung dicker Scheiben, wodurch Zell-zu-Zell-Verbindungen und räumliche Beziehungen erhalten bleiben. Da die Lage und Verfügbarkeit von Proteinen und Nukleinsäuren während des Clearingprozesses aufrechterhalten wird, können gereinigte Gewebe außerdem expressionsbasierte Marker sowie exogene Markierungen enthalten. Somit eignet sich CLARITY als potente Methode, um große Mengen tiefer Hirnstrukturen und die Verbindungen zwischen diesen Strukturen mit hoher Auflösung abzubilden.
Der Einsatz von CLARITY verbessert die Ansätze zur Bildgebung neuronaler Populationen erheblich. Diese Technik ist besonders geschickt bei der Erzeugung großer Mengen von Bilddaten. CLARITY funktioniert gut mit mehreren Formen der proteinbasierten Fluoreszenz. Dieses Protokoll verwendet einen lentiviral-basierten Ansatz, um Zellen mit EGFP und tdTomato spärlich zu markieren; Transgene Reporterallele, die tdTomato oder EGFP exprimieren, um Zellen für die Rekonstruktion zu markieren, wurden jedoch routinemäßig verwendet. Es ist wichtig, ein Fluorophor zu wählen, das sowohl lichtstabil als auch hell ist (z. B. EGFP oder tdTomato). Darüber hinaus führt die Verwendung eines starken Promotors zur Expression des Fluorophors zu einem überlegenen Kontrast und einer hervorragenden Bildqualität. Die Nachteile dieser Technik ergeben sich, da die richtige Analyse dieser großen Datenmenge sowohl arbeits- als auch zeitintensiv sein kann. Spezialisierte Mikroskope können dazu beitragen, den Durchsatz zu verbessern und die Arbeitsbelastung zu verringern. Der Bau, Besitz und /oder Betrieb fortschrittlicher Mikroskope ist jedoch für viele Labore oft unerschwinglich. Diese Arbeit stellt eine relativ schnelle und einfache Methode mit hohem Durchsatz dar, um große Mengen neuronalen Gewebes mit hoher Auflösung unter Verwendung von CLARITY-Gewebereinigung großer Abschnitte in Kombination mit konfokaler Standardmikroskopie zu visualisieren. Dieses Protokoll beschreibt diesen Ansatz durch die folgenden Schritte: 1) Sezieren und Vorbereiten des Nervengewebes, 2) Reinigen des Gewebes, 3) Mounten des Gewebes, 4) Abbildung der vorbereiteten Scheiben und 5) Verarbeiten von Vollschnittbildern mit Hilfe der Rekonstruktion und Analyse der Mikroskopie-Visualisierungssoftware (Abbildung 2). Diese Bemühungen führen zu hochauflösenden Bildern, die verwendet werden können, um Populationen von Neuronen, neuronale Verbindungsmuster, 3D-dendritische Morphologie, dendritische Wirbelsäulenhäufigkeit und -morphologie sowie molekulare Expressionsmuster in intaktem Hirngewebe zu analysieren.