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Research Article
Carmen Bolatto*1, Silvia Olivera-Bravo*2, Sofía Cerri1,2
1Developmental Biology Laboratory, Histology and Embryology Department, Faculty of Medicine,Universidad de la República, 2Cell and Molecular Neurobiology Laboratory, Clemente Estable Biology Research Institute (IIBCE),Ministerio de Educación y Cultura
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
La capacidad de detectar con precisión los componentes de la unión neuromuscular es crucial en la evaluación de modificaciones en su arquitectura debido a procesos patológicos o de desarrollo. Aquí presentamos una descripción completa de un método sencillo para obtener imágenes de alta calidad de uniones neuromusculares de montaje completo que se pueden utilizar para realizar mediciones cuantitativas.
La unión neuromuscular (NMJ) es un punto de contacto especializado entre el nervio motor y el músculo esquelético. Esta sinapsis periférica exhibe alta plasticidad morfológica y funcional. En desordenes numerosos del sistema nervioso, NMJ es una blanco patológica temprana dando por resultado falta de la neurotransmisión, debilidad, atrofia, e incluso en muerte de la fibra de músculo. Debido a su relevancia, la posibilidad de evaluar cuantitativamente ciertos aspectos de la relación entre los componentes nmj puede ayudar a comprender los procesos asociados con su montaje / desmontaje. El primer obstáculo cuando se trabaja con los músculos es obtener la experiencia técnica para identificar y diseccionar rápidamente sin dañar sus fibras. El segundo desafío es utilizar métodos de detección de alta calidad para obtener imágenes NMJ que se pueden utilizar para realizar análisis cuantitativos. Este artículo presenta un protocolo paso a paso para diseccionar los músculos del longus del digitorum del extensor y del sóseo de ratas. También se explica el uso de la inmunofluorescencia para visualizar elementos pre y postsinápticos de NMJ de montaje completo. Los resultados obtenidos demuestran que esta técnica puede utilizarse para establecer la anatomía microscópica de la sinapsis e identificar cambios sutiles en el estado de algunos de sus componentes en condiciones fisiológicas o patológicas.
La unión neuromuscular de mamíferos (NMJ) es una gran sinapsis tripartita colinérgica compuesta por la terminación nerviosa de la neurona motora, la membrana postsináptica en la fibra muscular esquelética y las células terminales de Schwann1,2,3. Esta sinapsis exhibe una alta plasticidad morfológica y funcional4,5,6,7,8,incluso durante la edad adulta cuando los NMJ pueden sufrir modificaciones estructurales dinámicas. Por ejemplo, algunos investigadores han demostrado que las terminaciones nerviosas motoras cambian continuamente su forma a la escala micrómetro9. También se ha divulgado que la morfología del NMJ responde a los requisitos funcionales, al uso alterado, al envejecimiento, al ejercicio, o a las variaciones en actividad locomotriz4,10,11,12,13,14,15. Así, el entrenamiento y la falta de uso representan estímulos esenciales para modificar algunas características del NMJ, como su tamaño, longitud, dispersión de vesículas y receptores sinápticos, así como la ramificación terminal nerviosa14,16,17,18,19,20.
Además, se ha demostrado que cualquier cambio estructural o degeneración de esta unión vital podría resultar en la muerte celular de la neurona motora y la atrofia muscular21. También se piensa que la comunicación alterada entre los nervios y los músculos podría ser responsable de los cambios fisiológicos relativos a la edad NMJ y posiblemente de su destrucción en estados patológicos. El desmantelamiento de la unión neuromuscular juega un papel crucial en la aparición de la Esclerosis Lateral Amiotrófica (ELA), una enfermedad neurodegenerativa que constituye uno de los mejores ejemplos de alteración de la interacción músculo-nervio3. A pesar de los numerosos estudios realizados sobre la disfunción de la neurona motora, todavía se debate si el deterioro observado en la ELA se produce debido al daño directo en la neurona motora y luego se extiende a las proyecciones cortico-espinales22; o si debe considerarse como una axonopatía distal donde la degeneración comienza en las terminaciones nerviosas y progresa hacia la neurona motora somas23,24. Dada la complejidad de la patología de la ELA, es lógico considerar que se produce una mezcla de procesos independientes. Como nmj es el jugador central de la interacción fisiopatológica entre el músculo y el nervio, su desestabilización representa un punto crucial en el origen de la enfermedad que es relevante para ser analizado.
El sistema neuromuscular de los mamíferos está organizado funcionalmente en unidades motoras discretas, que consisten en una neurona motora y las fibras musculares que son inervadas exclusivamente por su terminal nervioso. Cada unidad motora tiene fibras con propiedades estructurales y funcionales similares o idénticas25. El reclutamiento selectivo de la neurona motora permite optimizar la respuesta muscular a las demandas funcionales. Ahora está claro que los músculos esqueléticos de los mamíferos se componen de cuatro tipos diferentes de fibras. Algunos músculos son nombrados según las características de su tipo de fibra más abundante. Por ejemplo, el sóleo (un músculo posterior de la extremidad posterior involucrado en el mantenimiento de la postura corporal) lleva una mayoría de unidades de contracción lenta (tipo 1) y se reconoce como un músculo lento. En cambio, el extensor digitorum longus (EDL) se compone esencialmente de unidades con propiedades similares de contracción rápida (fibras tipo 2) y se conoce como un músculo rápido especializado para los movimientos fásicos necesarios para la locomoción. En otras palabras, aunque los músculos adultos son de naturaleza plástica debido a las influencias hormonales y neuronales, su composición de fibras determina la capacidad de realizar diferentes actividades, como se ve en el sóseo que experimenta una actividad continua de baja intensidad y EDL que exhibe una contracción única más rápida. Otras características que son variables entre los diferentes tipos de fibras musculares están relacionadas con su estructura (contenido mitocondrial, extensión del retículo sarcopásmico, grosor de la línea Z), contenido de miosina ATPasa, y composición de la cadena pesada de miosina26,27,28,29.
Para los NMJ de roedores, hay diferencias significativas entre los músculos28,29. Los análisis morfométricos realizados en sóleo y EDL de ratas revelaron una correlación positiva entre el área sináptica y el diámetro de la fibra (es decir, el área sináptica en las fibras lentas del sóleo es mayor que en las fibras rápidas de EDL) pero la relación entre el área de NMJ y el tamaño de la fibra es similar en ambos músculos30,31. Además, en relación a los terminales nerviosos, las áreas absolutas de endplate en las fibras tipo 1 fueron menores que en las fibras tipo 2, mientras que la normalización por diámetro de la fibra hizo que las áreas de los terminales nerviosos en las fibras tipo 1 fueran las más grandes32.
Sin embargo, muy pocos estudios se centran en el análisis morfométrico para mostrar la evidencia de cambios en algunos de los componentes del NMJ33,34. Así, debido a la relevancia del NMJ en la función del organismo, cuya morfología y fisiología se ven alteradas en diversas patologías, es importante optimizar los protocolos de disección de diferentes tipos de músculos con la calidad suficiente para permitir la visualización de toda la estructura nmj. También es necesario evaluar la ocurrencia de cambios pre o postsinápticos en diferentes situaciones o condiciones experimentales como el envejecimiento o el ejercicio35,36,37,38. Además, puede ser útil evidenciar alteraciones más sutiles en los componentes de NMJ, como la fosforilación alterada del neurofilamento en las terminaciones nerviosas terminales, como se informa en la ELA39.
Todos los procedimientos animales se realizaron de acuerdo con los lineamientos de la Ley Nacional N° 18611 para el Cuidado de animales utilizados con fines experimentales. El protocolo fue aprobado por el Comité de Ética Institucional (CEUA IIBCE, Protocolo Número 004/09/2015).
1. Disección muscular (Día 1)
NOTA: Antes de comenzar, haga 40 mL de paraformadehído al 0,5% (PFA), pH 7,4 en solución salina de fosfato (DPBS) de Dulbecco. Opcionalmente, haga 20 mL de 4% PFA. Preparar alícuotas de 5 mL y congelar a -20 °C. El día de la disección, descongelar una alícuota al 4% y añadir 35 mL de DPBS para obtener 40 mL de PFA al 0,5%.
2. Preparación de fibra burlada (Día 2)
3. Inmunofluorescencia
4. Microscopía y análisis morfométrico
Este protocolo ofrece un método sencillo para aislar e inmunotener las fibras musculares de dos tipos diferentes de músculos (músculos de contracción rápida y lenta, ver Figura 1). Utilizando los marcadores y/o sondas correctos, los componentes de NMJ pueden ser detectados y evaluados desde un punto de vista cuantitativo para valorar algunos de los cambios morfológicos que pueden ocurrir como consecuencia de la progresión de la enfermedad o de un tratamiento farmacológico específico. En el presente estudio, los componentes presinápticos y postsinápticos del NMJ fueron etiquetados fluorescentemente utilizando anticuerpos anti-Nf o anti-Phos-Nf y Btx respectivamente(Figura 2,paneles superiores). Cada imagen confocal de alta resolución de un NMJ obtenida después de la inmunotensión se utilizó para determinar las mediciones morfométricas y los índices especificados en la sección Protocolo(Tabla 1)aplicando los parámetros descritos en los paneles inferiores de la Figura 2.
Para demostrar que esta preparación de NMJ de montaje completo retuvo perfectamente la arquitectura de la sinapsis, permitiendo la visualización del efecto que tiene una enfermedad progresiva del sistema nervioso sobre ella, se inmunotenían fibras de ratas transgénicas que expresan el gen humano SOD1G93A (un modelo de ELA) utilizando el protocolo(Figura 3). Las imágenes de fusión de señales pre y postsinápticas con los núcleos teñidos con DAPI mostraron que las diferencias entre los NMJ entre animales transgénicos y no transgénicos de edad comparable son claramente visibles y compatibles con los resultados esperados por la literatura.
Además, la calidad de las imágenes permite cuantificar los cambios observados mediante la realización del análisis morfométrico. Por ejemplo, la Figura 4 muestra evidencia de que la señal postsináptica en animales transgénicos parece ser más compacta (aproximadamente 20%), principalmente debido a la reducción del área total de NMJ.
Por otro lado, la Figura 5 muestra que el área presináptica de los NMJ en animales transgénicos también se reduce. La calidad de esta preparación de NMJ de montaje completo se evidenció mediante el análisis de la extensión de la retracción del terminal nervioso y mediante la detección de cambios relacionados con los estados de fosforilación de neurofilamento. Este hecho será importante para obtener una visión profunda del proceso de desmontaje de NMJ relacionado con la enfermedad del ALS en el modelo empleado. El área presináptica más pequeña detectada fue la etiquetada con neurofilamento antifosforilado(Figura 5B, E, C, F).
El uso del índice de cobertura (Figura 6) hizo posible establecer que los NMJ transgénicos estaban parcialmente desnervados. Asimismo, se podría determinar que los índices de cobertura del neurofilamento fosforilado son inferiores a los obtenidos con el neurofilamento no fosforilado. Estos resultados muestran el relativo al estado de NMJ de montaje completo y que podría ser útil introducir el estudio del estado de fosforilación del neurofilamento (un determinante importante de la plasticidad y estabilidad del filamento) utilizando esta preparación de NMJ de montaje completo.
Finalmente, los métodos presentados en este trabajo ofrecen la mayor calidad de NMJ para identificar, evaluar y evaluar incluso cambios sutiles en NMJ en su conjunto o en uno de sus componentes.

Figura 1:EDL y puntos de referencia anatómicos de sóseo. Imagen destacada(A)EDL y(B)ubicación del sóleo entre los otros músculos de la extremidad trasera inferior de la rata. Las inserciones muestran esquemas de los músculos de las extremidades posteriores cerca de los músculos EDL (rojo) y sóleo(verde). Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 2:Unión neuromuscular de montaje completo de las fibras musculares de EDL. (A)Componente postsináptico de NMJ detectado utilizando alfa-bungarotoxina (Btx, magenta), una sonda que se une específicamente a los receptores de acetilcolina (AChR). (B)Terminal motora detectado mediante anti-neurofilamentos (anti-Nf, verde). c,d) Los componentes sinápticos se esquematizan para ilustrar los parámetros (fronteras externas e internas) que definieron las mediciones (Área Total, Área Presináptica y Área Postsináptica) utilizadas para el análisis morfométrico detallado en el protocolo. Barra de escala = 50 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3:Alteraciones pre y postsinápticas observadas en NMJ de un modelo de ELA. Imágenes confocales representativas obtenidas de NMJs de montaje completo obtenidas en preparaciones de fibras musculares EDL teñidas para detectar neurofilamentos (verde), AChR (magenta) y núcleo (azul) de ratas no transgénicas (-/-) o transgénicas (hSOD1G93A/-). (A , C) Las ratas no transgénicas tienen morfología NMJ normal (forma de pretzel) tanto cuando el extremo motor se visualiza usando anti-Phos-Nf(A)o anti-Nf(C). b) Las ratas transgénicas presentan un área postsináptica más compacta y terminales presinápticas más pequeñas con una reducción en la señal de fosforilación del neurofilamento. Barra de escala = 50 μm.

Figura 4: Evaluación morfométrica del elemento postsináptico NMJ en músculos EDL de ratas machos hSOD1G93A de 180 días de edad. Imágenes confocales representativas de componentes postsinápticos en animales(A,D)no transgénicos y(B,E)transgénicos. Evaluación del área postsináptica(C)y(F)del índice de densidad postsináptica en NMJ de animales no transgénicos (columnas sólidas) y transgénicos (columnas rayadas). Mientras que el área postsináptica se redujo ligeramente en animales transgénicos, el índice postsináptico aumentó en mayor proporción destacando el grado de compactación de NMJ como lo indica la reducción del área total en animales transgénicos como se muestra en la Tabla 1. Barra de escala = 50 μm. Los datos representados son ± sem. (*) y (***) indicados p<0,05 y p<0,001, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 5: Evaluación morfométrica del elemento presináptico NMJ en músculos EDL de ratas macho de 180 días de edad hSOD1G93A. Dada la importancia del desmontaje de NMJ en la enfermedad de ALS, se evaluó la calidad de la preparación mediante el análisis, no sólo de la extensión de la retracción del terminal nervioso, sino también de la posibilidad de detectar cambios en la fosforilación del elemento presináptico NMJ. Imágenes confocales representativas del componente presináptico en animales(A,D)no transgénicos y(B,E)transgénicos detectados utilizando(A,B)anticuerpos anti-Fos-Nf o(D,E)anti-Nf. Evaluación del Área Presináptica delimitada por(C)neurofilamentos fosforilados y(F)no fosforilados en NMJ de animales no transgénicos (columnas sólidas) y transgénicos (columnas rayadas). Nótese que estas áreas son muy similares en animales no transgénicos mientras que presentan una reducción significativa en los NMJ de animales transgénicos. Barra de escala = 50 μm. Los datos representados son ± sem. (****) indicado p<0.0001. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.

Figura 6:Evaluación del estado de inervación en NMJ de montaje completo de fibras EDL hSOD1G93A. El índice de cobertura es ampliamente utilizado para evaluar el estado de inervación. Se considera que los NMJ "totalmente inervados" presentan un índice de cobertura
del 50%, mientras que los "parcialmente inervados" tienen coberturas entre ≥20% y ≤50% y los que están vacantes se consideran "denervados". Imágenes confocales representativas de(A,D)NMJ no transgénicos y(B,E)transgénicos que muestran elementos presinápticos y postsinápticos detectados utilizando(A,B)anticuerpos anti-Fosfo-Nf o(D,E)anti-Nf para observar el terminal motor. Evaluación de la cobertura utilizando(C)neurofilamentos fosforilados y(F)no fosforilados en NMJ de animales no transgénicos (columnas sólidas) y transgénicos (columnas rayadas). Las imágenes y los gráficos muestran evidencia de que los NMJ de animales transgénicos presentan un índice de cobertura más bajo que los no transgénicos. Además, en animales transgénicos, los índices de cobertura de neurofilamentos fosforilados son inferiores
(18%) a los obtenidos cuando se detecta la forma no
fosforilada (25%. Este hecho se corrobora con la relación entre ambos índices como se muestra en la Tabla 1. Cabe destacar que la calidad de los preparados permite obtener
el 50% del índice de cobertura estipulado para los NMJ esperados como "totalmente inervados". Barra de escala = 50 μm. Los datos representados son la media ± SEM. (***) y (****) indicados p<0,001 y p<0,0001, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más amplia de esta figura.
Tabla 1. Parámetros morfométricos y relaciones obtenidas de NMJ de montaje completo de fibras EDL no transgénicas y transgénicas. Haga clic aquí para descargar esta tabla.
Los autores no tienen nada que revelar.
La capacidad de detectar con precisión los componentes de la unión neuromuscular es crucial en la evaluación de modificaciones en su arquitectura debido a procesos patológicos o de desarrollo. Aquí presentamos una descripción completa de un método sencillo para obtener imágenes de alta calidad de uniones neuromusculares de montaje completo que se pueden utilizar para realizar mediciones cuantitativas.
Muchas gracias al CSIC y al PEDECIBA por el apoyo financiero prestado a este trabajo; a Natalia Rosano por sus correcciones manuscritas; a Marcelo Casacuberta que hace el video y a Nicolás Bolatto por prestar su voz para ello.
| Microscopio estereoscópico con iluminación de luz fría | Nikon | SMZ-10A | |
| Plataforma mecedora | Biometra (WT 16) | 042-500 | |
| Cubreobjetos (24 x 32 mm) | Portaobjetos de | microscopio DeltalabD102432 | |
| Premium (Plus) | Pinzas PORLAB | PC-201-16 | |
| F.S.T | 11253-20 | ||
| Unibanda LA-4C Tijeras 125mm | E.M.S | 77910-26 | |
| Cuchillas quirúrgicas desechables #10 | Sakira Medical | 1567 | |
| Jeringa estéril desechable (1 ml) | Sakira Medical | 1569 | |
| Super PAP pluma | E.M.S | 71310 | |
| 100 μ l o 200 μ l | pipeta Finnpipeta 9400130 | ||
| Microscopio confocal | Zeiss | LSM 800 - AiryScan | |
| NTac:SD-TgN(SOD1G93A)L26H rats | Taconic | 2148-M | |
| 1X PBS (Dulbecco) | Gibco | 21600-010 | |
| Paraformaldehído | Sigma | 158127 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
| Glicina | Amresco | 167 | |
| BSA | Bio Basic INC. | 9048-46-8 | |
| Glycerol | Mallinckrodt | 5092 | |
| Tris | Amresco | 497 | |
| Anti-Neurofilamento H (NF-H) purificado, Anticuerpo fosforilado | BioLegend | 801601 | Anteriormente Covance # SMI 31P |
| Anti-Neurofilamento H purificado (NF-H), Anticuerpo no fosforilado | BioLegend | 801701 | anteriormente Covance # SMI-32P |
| Alexa Fluor 488 cabra anti-ratón IgG (H+L) | Thermo Scientific | A11029 | |
| α-Bungarotoxina, biotina-XX conjugado | Invitrogen | B1196 | |
| Estreptavidina, Alexa Fluor 555 conjugado | Invitrogen | S32355 | |
| Diaminofenilindol (DAPI) | Sigma | D8417 |