Berührung ist der früheste Sinn, der sich entwickelt, und spielt eine zentrale Rolle dabei, wie Organismen die physische Welt erleben und darauf reagieren. Berührung wird von Mechanorezeptoren mit niedriger Schwelle (LTMRs) detektiert, die Untertypen der dorsalen Wurzelganglions (DRG)-Neuronen sind, die harmlose mechanische Reize wie Einkerbungen, Vibrationen und Haarablenkung 1,2 erkennen. LTMRs sind pseudounipolar und dehnen periphere Axone in das periphere Gewebe aus, um subtypspezifische Endpunkte zu bilden. Ihre zentralen Axone übermitteln taktile Informationen an das zentrale Nervensystem, indem sie synaptische Verbindungen zu Rückenmarksneuronenbilden 3. Wie Touch-Schaltkreise aufgebaut und gewartet werden, ist jedoch nur wenig verstanden.
Frühere grundlegende Studien an Katzen in den 1960er und 1970er Jahren identifizierten erstmals diese funktional unterschiedlichen Mechanorezeptoren und ihre Reaktionseigenschaften in behaarter Haut 4,5. LTMR-Subtypen werden nach ihrer einzigartigen Morphologie, Leitungsgeschwindigkeit und Antworteigenschaftenklassifiziert 2. Die wichtigsten LTMR-Subtypen sind Aβ schnell anpassende (RA) und langsam anpassende (SA) LTMRs, Aδ-LTMRs und C-LTMRs 2,6,7. Aβ RA-LTMRs, Aδ-LTMRs und C-LTMRs bilden longitudinale lanzettförmige Komplexe um Haarfollikel2. Aδ-LTMRs bilden polarisierte, lansettförmige Enden um Haarfollikel auf der Schwanzseite, ein Merkmal, das für ihre richtungsselektiven Reaktionen auf Haarablenkung7 unerlässlich ist. Axonale Endungen in den lansettförmigen Komplexen sind eng mit Haarschäften ausgerichtet und von fingerähnlichen Fortsätzen terminaler Schwann-Zellen umgeben, die trophische Unterstützung bieten und die axonale Morphogenesebeeinflussen 8,9,10. In glatter Haut enden Aβ RA-LTMRs Axone in Meissner-Korpuskeln, das sind eiförmige Strukturen, die sich in dermalen Papillen befinden und auf die Bewegung überdie Haut abgestimmt sind.
Die Organisation der LTMR-axonalen Endpunkte wird sowohl durch intrinsische Programme als auch durch hautabhängige Signale während der Entwicklunggeregelt 12,13. Bei einer Schädigung ist eine LTMR-Dysfunktion mit pathologischen Erkrankungen wie mechanischer Allodynie12,14 verbunden. Dennoch bleiben die Mechanismen für die Entwicklung und Erhaltung von LTMR in der intakten Haut unklar. Vieles, was über ihre Entwicklung bekannt ist, stammt aus fixierten Geweben, die die dynamischen Prozesse, die in vivo stattfinden könnten, nicht erfassen können. Beispielsweise zeigen Aβ RA-LTMRs und Aδ-LTMRs aktive Innervationen um Haarfollikel und axonale Beschneidungen während der frühen postnatalen Entwicklung19. Wie die Innervation und Pflege der Haarfollikel in vivo erreicht wird, ist unbekannt.
Die Zweiphotonen-Laserrastermikroskopie, eine fortschrittliche Bildgebungstechnik, die die Visualisierung fluoreszierend markierter Strukturen in lebenden Geweben ermöglicht, hat eine hochauflösende in vivo Bildgebung dynamischer physiologischer Prozesseermöglicht. Während der Zwei-Photonen-Bildgebung regen kurze Pulse nahe infraroten Lichts Fluorophore nur in der Brennebene an, wodurch das Signal auf ein kleines Volumen beschränkt und die unscharfe Fluoreszenz21,22 minimiert wird. Diese Einschließung reduziert die Phototoxizität erheblich und ermöglicht eine dreidimensionale, räumlich aufgelöste Bildgebung von Strukturen 20,23,24. Darüber hinaus streuen die längeren Anregungswellenlängen, die in der Zwei-Photonen-Mikroskopie verwendet werden, weniger im Gewebe, was eine tiefere Durchdringung und weniger Rauschen in komplexen Umgebungen ermöglicht. Zum Beispiel zeigte die Zweiphotonenbildgebung strukturelle synaptische Plastizität und neuronale Aktivitäten in Rückenmarks-Dorsalhorn-Neuronen 27,28,29. Darüber hinaus ergab die chronische in vivo Zweiphotonenbildgebung der Haarfollikel Einblicke in ihre Homöostase in der Mausohrhaut23. Daher eignet sich die Zwei-Photonen-Mikroskopie gut zur Untersuchung von LTMR-Strukturen in der Haut in vivo, insbesondere wenn wiederholte, langfristige Bildgebung erforderlich ist, um Entwicklungs- und chronische Veränderungen zu verfolgen.
In Kombination mit genetisch veränderten Mauslinien, die fluoreszierende Reporter exprimieren, kann die Zweiphotonenmikroskopie die neuronale Morphologieder Haut offenbaren. Im somatosensorischen System markiert das gelbe fluoreszierende Protein (YFP), das unter der Kontrolle des Thy1-Promotors (Thy1-YFP30) exprimiert wird, selektiv Aβ-LTMR-Lanzettkomplexe in behaarter Haut und Meissner-Korpuskeln in glatter Haut 30,31. Bei Thy1-YFP-Mäusen sind markierte Axone positiv für das myelinbasische Protein und Neurofilament, die Marker für myelinierte Aβ-Axone30,31 sind. Zusätzlich markiert TrkBCreER, bei dem die tamoxifeninduzierbare Cre-Rekombinase (CreER) durch die Expression des TrkB-Gens (Tropomyosinrezeptor-Kinase B) angetrieben wird, während der Entwicklung selektiv Aδ-LTMRs7. In der Haut ist die Zwei-Photonen-Mikroskopie am effektivsten für die Bildgebung von LTMRs bei narkosierten Mäusen, da die Bewegung der Maus die hochauflösende Bildaufnahme beeinträchtigen würde. Es dauert Zeit, fluoreszierende Proteine an den axonalen Endpunkten nach CreER-induzierter Expression sichtbar zu machen, und für jede transgene Linie muss die minimale Wartezeit bestimmt werden. Im Allgemeinen kann diese Methodik angewendet werden, um LTMRs bei Mäusen aller Entwicklungsstadien und bei Erwachsenen zu visualisieren.
Dieses Protokoll erklärt die Verfahren zur Verwendung der Zwei-Photonen-Mikroskopie, um die LTMR-Axonmorphologie in der behaarten und glatten Haut sich entwickelnder und erwachsener Mäuse in hoher Auflösung zu untersuchen. Das Protokoll enthält mehrere Tipps für optimale hochauflösende und chronische Bildgebung. Dieser integrative Ansatz ermöglicht die Untersuchung der zellulären Mechanismen, die die Assemblage und Plastizität von berührungssensorischen Axonen in vivo antreiben.