Descriviamo un protocollo per la marcatura in vivo dei neuroni sensoriali olfattivi mediante elettroporazione e successiva scansione laser confocale o microscopia multifotone per visualizzare la morfologia neuronale e il suo sviluppo nel tempo.
Articolo metodologico
Descriviamo un protocollo per la marcatura in vivo dei neuroni sensoriali olfattivi mediante elettroporazione e successiva scansione laser confocale o microscopia multifotone per visualizzare la morfologia neuronale e il suo sviluppo nel tempo.
Il sistema olfattivo ha l'insolita capacità di generare nuovi neuroni per tutta la vita di un organismo. Le cellule staminali olfattive nella porzione basale dell'epitelio olfattivo danno continuamente origine a nuovi neuroni sensoriali che estendono i loro assoni nel bulbo olfattivo, dove affrontano la sfida di integrarsi nei circuiti esistenti. A causa di questa particolare caratteristica, il sistema olfattivo rappresenta un'opportunità unica per monitorare il cablaggio assonale e la guida e per studiare la formazione delle sinapsi. Qui descriviamo una procedura per la marcatura in vivo dei neuroni sensoriali e la successiva visualizzazione degli assoni nel sistema olfattivo delle larve dell'anfibio Xenopus laevis. Per colorare i neuroni sensoriali nell'organo olfattivo adottiamo la tecnica dell'elettroporazione. L'elettroporazione in vivo è una tecnica consolidata per la somministrazione di dextrans accoppiato a fluorofori o di altre macromolecole nelle cellule viventi. I neuroni sensoriali colorati e i loro processi assonali possono quindi essere monitorati nell'animale vivente utilizzando la scansione laser confocale o la microscopia multifotone. Riducendo il numero di cellule marcate a poche o singole cellule per animale, i singoli assoni possono essere tracciati nel bulbo olfattivo e i loro cambiamenti morfologici possono essere monitorati per settimane conducendo una serie di esperimenti di imaging time lapse in vivo. Sebbene il protocollo descritto esemplifichi l'etichettatura e il monitoraggio dei neuroni sensoriali olfattivi, può essere adottato anche ad altri tipi di cellule all'interno dei sistemi olfattivi e di altro tipo.
Il ricambio permanente dei neuroni sensoriali distingue il sistema olfattivo da molti altri sistemi sensoriali e neuronali1,2. I neuroni sensoriali di nuova formazione vengono continuamente generati nella porzione basale dell'epitelio olfattivo3 ed estendono i loro assoni nel bulbo olfattivo, la prima stazione di ritrasmissione del sistema olfattivo4. Tuttavia, i meccanismi cellulari e molecolari che controllano la formazione e il mantenimento della mappa olfattiva sono ben lontani dall'essere pienamente compresi4,5.
Qui, descriviamo un protocollo per la marcatura dei neuroni sensoriali dell'organo olfattivo della larva X. laevis mediante elettroporazione in vivo di destrano accoppiato a fluoroforo. Il protocollo presentato consente la visualizzazione della morfologia assonale e della connettività, il monitoraggio dello sviluppo assonale nel tempo e lo studio dei meccanismi che regolano il cablaggio e la guida assonale.
L'elettroporazione è un metodo ben consolidato per introdurre macromolecole cariche, come coloranti accoppiati a destrano e DNA, nelle cellule6,7. La membrana cellulare viene permeabilizzata mediante l'applicazione di brevi impulsi di tensione e le molecole vengono erogate elettroforeticamente nel citosol8. L'elettroporazione spazialmente ristretta con una micropipetta consente la marcatura selettiva delle cellule, compresi i neuroni, ed è stata applicata in vari sistemi neuronali, incluso il sistema visivo di X. laevis9,10.
Mostriamo come gli animali elettroporati possono essere utilizzati per studiare i modelli di crescita assonale e la morfologia negli animali viventi utilizzando la scansione laser confocale o la microscopia multifotonica. La procedura descritta consente di identificare la topologia grossolana delle proiezioni assonali dei neuroni sensoriali del sistema olfattivo principale e accessorio11,12. Utilizzando l'imaging time lapse in vivo, è adatto anche per supervisionare le connessioni glomerulari di singoli neuroni sensoriali maturi e per monitorare l'evoluzione dei modelli di proiezione assonale di neuroni sensoriali immaturi12. Il protocollo descritto può essere applicato per studiare la struttura e la formazione dei circuiti olfattivi nell'animale intatto e può essere adattato ad altri tipi di cellule all'interno del sistema olfattivo e di altri sistemi neuronali.
NOTA: la movimentazione degli animali e gli esperimenti sono stati eseguiti, come approvato dal comitato dell'Università di Göttingen per l'Etica nella sperimentazione animale.
1. Preparazione degli strumenti e Pipettare Fabrication
2. Preparazione di elettroporazione Solution
3. Selezione dei larvale X. laevis </ Em>
4. Elettroporazione di Destrani Fluoroforo accoppiati
5. Gli animali di montaggio per In Vivo visualizzazione di celle e processi assonale
6. Gli animali di montaggio per Ex Vivo visualizzazione di celle e processi assonale
7. Image Processing e Valutazione dei dati
Il protocollo descritto può essere applicato con successo per elettroporazione in vivo di visualizzazione processi assonale di neuroni sensoriali del sistema olfattivo di X. anestetizzato laevis, utilizzando confocale a scansione laser o la microscopia multifotonica (Figura 1).
Elettroporazione consente destrani fluoroforo-accoppiato per entrare e per diffondere rapidamente all'interno delle cellule dell'organo olfattivo. E 'utile applicare l'illuminazione a fluorescenza per verificare l'etichettatura successo dopo l'attivazione di impulsi di tensione. In funzione dei parametri di elettroporazione, per es., La resistenza pipetta, gruppi di cellule (Figura 2A, B) o singole cellule (Figura 2C) dell'organo olfattivo sono etichettati. Gli assoni dei neuroni sensoriali etichettati possono essere visualizzati nel nervo olfattivo (Figura 2D) e processi assonali si possono osservare anche nel bulbo olfattivo, di solito 24 ore dopo l'elettroporazione di successo(Figura 3). Elettroporazione di gruppi di neuroni sensoriali permette la visualizzazione dei modelli di cablaggio grossolane nel bulbo olfattivo (Figura 3A). Elettroporazione singola cellula può essere applicato a esaminare singoli modelli di proiezione assonale, biforcazioni assonale e la connettività alle strutture glomerulari nel bulbo olfattivo (Figura 3C-E).
Trasparenti girini albini di X. permesso laevis in confocale in vivo o multifotonica immagini dei neuroni sensoriali marcati nel cervello intatto di girino anestetizzato. Lo sviluppo di modelli di crescita assonale può essere seguito per diversi giorni / settimane ripetuta nella visualizzazione in vivo dello stesso neurone sensoriale marcato (Figura 4). A seconda della scadenza del neurone sensoriale al punto temporale di elettroporazione pattern assone nel bulbo olfattivo può variare considerevolmente. Neuroni maturi già in possesso di elaborati rami assonali che dispongono di ciuffoaree ED collegati a glomeruli. Il modello di crescita assonale dei neuroni maturi è piuttosto stabile, ma l'allungamento dei rami degli assoni e dei parametri di ciuffi glomerulari sono osservabili (Figura 4A-E). Neuroni sensoriali si possono osservare in vivo per periodi di tempo prolungati, ad es., Più di tre settimane (Figura 4F-I). D'altra parte, assoni dei neuroni immaturi sono ancora in fase di crescita iniziale, non possiedono arborizzazioni tufted e non hanno ancora collegato alla loro obiettivi finali glomerulari. Il protocollo sperimentale permette di tracciare lo sviluppo di questi neuroni durante la maturazione, ad es., L'allungamento degli assoni, biforcazioni e la creazione di arborizzazioni tufted (Figura 4J-L). Per ulteriori esempi vedere anche Hassenklöver e Manzini 12.
Figura 1. Schema del protocollo sperimentale. (A) i neuroni sensoriali nelle principali epitelio olfattivo (MOE) o organo vomeronasale (VNO) dell'organo olfattivo del X. anestetizzato laevis larve sono etichettati mediante elettroporazione con una pipetta di vetro riempito con una soluzione di destrano fluorescente. Gli assoni dei neuroni marcati possono essere seguite attraverso il nervo olfattivo (ON) e, infine, raggiungono il bulbo olfattivo (OB). (B) Il girino è anestetizzato e le neuroni marcati sono ripetutamente studiati utilizzando un microscopio confocale o multiphoton in intervalli di tempo specifici. (C) Lo sviluppo incrementale di modelli di crescita assonale delle cellule marcate può essere seguita su intervalli di tempo di giorni o settimane.

Figura 2. Electroporation dei neuroni sensoriali in organo olfattivo. (A) elettroporazione con pipette a bassa resistenza porta alla etichettatura dei più celle in organo olfattivo. In questo esempio rappresentativo sono state colorate più neuroni recettori olfattivi (ORNS, punte di freccia pieni) e due cellule a forma colonnare di supporto (SC, asterischi). Le linee tratteggiate delimitano i confini epitelio olfattivo (OE). (B) affinamento dei parametri di elettroporazione, per es., Aumentando la resistenza pipetta, limita il numero di cellule marcate. In questo esempio, un singolo neurone sensoriale (frecce piene) e quello adiacente supporto cella (asterisco) erano macchiati dopo l'elettroporazione. Si noti il singolo assone lasciando l'epitelio olfattivo (punte di freccia aperte). (C) elettroporazione successo singola cellula porta alla etichettatura esclusiva di un singolo neurone sensoriale (freccia piena) e il suo assone collegato (punte di freccia aperte) nell'epitelio olfattivo.

Figura 3. Visualizzazione proiezioni assoni olfattivi del bulbo olfattivo asportato. (A) La topologia grossolana delle proiezioni assonali dei neuroni sensoriali nel bulbo olfattivo può essere visualizzato utilizzando inferiori pipette elettroporazione di resistenza. Un emisfero bulbo olfattivo e il suo nervo olfattivo associato (ON) sono raffigurati. Quattro destrani accoppiati a diversi fluorofori sono stati elettroporate in quattro punti distanti del organo olfattivo: laterale (verde), intermedio (giallo), mediale MOE (rosso) e VNO (arancione). Questo permette di visualizzare il bulbo olfattivo accessorio (AOB) e tre campi di proiezione principali del bulbo olfattivo principale (MOB). (CE) Esempi di assoni olfattivi singoli sporgenti nel bulbo olfattivo e formando tufted arborizzazioni / sinapsi in glomeruli sferici (punte di freccia piene). Si noti che in X. laevis assoni olfattivi biforcano regolarmente (punte di freccia aperta) prima di connettersi a uno, due o più glomeruli (punte di freccia pieni, vedi anche Hassenklöver e Manzini 12).

Figura 4. In vivo time-lapse imaging di singoli assoni dei neuroni olfattivi. (AE)Dopo il successo elettroporazione singola cella l'assone marcata può essere ripetutamente visualizzato nel bulbo olfattivo (OB). Questo esempio mostra un assone individuo che è stato indagato per una settimana. La morfologia generale non cambia notevolmente e due grandi punti di ramificazione può essere identificato (punte di freccia aperte). Si noti che nel corso del tempo, un ciuffo glomerulare subisce una riduzione di continuo (freccia piena), mentre gli altri due ciuffi glomerulare rimangono stabili (asterischi). (FI) Questo esempio rappresentativo che mostra la vitalità di osservazioni a lungo termine come questo assone specifico è stato studiato per più di tre settimane. Nessun cambiamento apparente del suo modello di crescita può essere rilevata. (JL) Un esempio di un assone sensoriale immaturo nel processo di crescita è raffigurato. Non si è ancora connesso a glomeruli e caratteristici ciuffi glomerulari sono mancanti. Dopo 5 giorni i rami assonali sono allungati, l'assone biforcata più volte e arborizzazioni fini sonostabilita.
La procedura sperimentale qui descritta permette di etichettatura neuroni sensoriali del organo olfattivo di X. larvale laevis mediante elettroporazione di destrani fluoroforo ad accoppiamento e la successiva visualizzazione di crescita assonale sensoriale nell'animale vivente. Variando i parametri della elettroporazione in vivo è possibile controllare il numero di neuroni sensoriali etichettati. E 'quindi possibile etichettare grandi gruppi di neuroni di un epitelio sensoriale, molto pochi o addirittura singole cellule.
Per garantire la desiderata estendere dell'etichettatura neuronale è importante essere particolarmente prudenti sulle caratteristiche micropipetta e gli impulsi di elettroporazione. Più elevate resistenze pipetta e la riduzione di impulso di tensione di ampiezza, durata e numero di ripetizioni in grado di ridurre la quantità di cellule marcate, considerando che una riduzione resistenze pipetta e una maggiore ampiezza di impulso di tensione, la durata e il numero di impulsi può portare l'etichettatura indicante il più diffuso. The l'uso di destrani fluorescenti per l'elettroporazione fornisce un feedback visivo immediato se le impostazioni applicate sono adeguate. Fare attenzione che l'utilizzo di parametri di ampiezza, durata e numero di impulsi che superano i valori previsti dal protocollo può potenzialmente portare a danni delle cellule o anche morte cellulare 17. Suggerimenti intasati o rotti di micropipette possono anche ostacolare l'elettroporazione di successo.
In elettroporazione in vivo nell'organo olfattivo di X. laevis è limitato a stadi larvali poiché la pelle di rane postmetamorphotic è più duro e non può essere facilmente penetrato con una micropipetta. La visualizzazione in vivo dei processi neuronali può essere ostacolata dalla dispersione della luce di eccitazione / emissione in aree cerebrali profonde o da vasi sanguigni. Questo problema diventa particolarmente evidente nelle fasi larvali più elevati a causa di un cervello più grande e può portare a segnali rumorosi rendendo la chiara identificazione dei processi assonali fini più difficile.
jove_content permessi protocollo presentato per visualizzare i neuroni sensoriali nel sistema olfattivo intatto, senza sezionare l'animale, danneggiare le cellule durante l'etichettatura, la preparazione di fette di tessuto o il fissaggio del tessuto necessario per i metodi alternativi, come l'etichettatura in zona whole-cell esperimenti -clamp 18. Quando si combinano l'etichettatura di alcuni o di singoli neuroni sensoriali con in vivo lasso di tempo di imaging, è possibile visualizzare le connessioni glomerulari di singoli neuroni sensoriali maturi su intervalli di tempo lunghi. In questo modo è possibile monitorare lo sviluppo dei modelli di proiezione assonale dei neuroni sensoriali immaturi per diverse settimane. Quest'ultima possibilità è particolarmente interessante in quanto consente il monitoraggio dei modelli di crescita di singoli assoni nell'animale vivente. Questo apre la possibilità di indagare i meccanismi cellulari e molecolari che controllano la guida degli assoni e pathfinding. Diversi fattori, tra cui l'espressione del recettore odorizzante, vari axon molecole di orientamento e di odorizzante indotta / attività spontanea dei neuroni sensoriali hanno dimostrato di regolare la constatazione bersaglio degli assoni dei neuroni sensoriali 4,5.L'applicazione del protocollo non è limitata ai neuroni sensoriali olfattivi, ma può essere applicato anche per studiare altri tipi di cellule, ad es., Cellule staminali / progenitrici delle zone neurogenici del cervello sviluppo o cellule mitrali del bulbo olfattivo. Inoltre la tecnica dimostrata può essere utilizzato anche in combinazione con destrani sensibili calcio o iniettata coloranti calcio membrana permeabile per ottenere informazioni funzionali sul neurone etichettati e / o la circuiteria collegata 7,19. La disponibilità di una vasta gamma di fluorofori accoppiati a destrani consente etichettatura dei molteplici singole cellule o di popolazioni con colori diversi. Inoltre plasmide soluzione di DNA, per esempio codifica per proteine fluorescenti, è adatto per elettroporazione e può migliorare ulteriormente l'versatiliTy e l'utilità della tecnica 6. Il protocollo può essere ulteriormente migliorato per consentire l'elettroporazione combinato di destrani e del DNA o Morpholinos a carico manipolare l'espressione genica 13,17.
Il metodo descritto rappresenta certamente un nuovo strumento per indagare il complesso e processi ancora pienamente compreso che regolano la guida assonale nel sistema olfattivo dei vertebrati.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Questo lavoro è stato supportato da DFG Schwerpunktprogramm 1392 (progetto MA 4113/2-2), cluster di eccellenza e DFG Research Center Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (progetto B1-9), e dal Ministero tedesco della Ricerca e dell'Istruzione (BMBF; progetto 1364480).
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| SZX16 | Stereomicroscopio Olympus | con illuminazione fluorescente | |
| Axon Axoporator 800A | Molecular Devices | Elettroporatore a cellula singola | |
| ELP-01D | npi elettronico | Elettroporatore | |
| Mä rzhä utente Wetzlar | Micromanipolatore manuale | ||
| P-1000 | Sutter | Estrattore orizzontale per micropipette | |
| G150F-4 | Warner Instruments | Capillari in vetro per la fabbricazione di pipette per elettroporazione; il filamento interno facilita il riempimento | |
| Alexa 488-destrano 10 kD | Life Technologies | D22910 | |
| Alexa 546-destrano 10 kD | Life Technologies | D22911 | |
| Alexa 568-destrano 10 kD | Life Technologies | D22912 | |
| Alexa 594-destrano 10 kD | Life Technologies | D22913 | |
| TMR-destrano 3 kD (micro-rubino) | Life Technologies | D7162 | |
| Puntali per pipette Microloader | Eppendorf | 930001007 | |
| Tricaina (etile 3-amminobenzoato metanosulfonato) | Sigma-Aldrich | E10521 | Anestetico; utilizzare guanti |
| A1-MP | Nikon | Microscopio multifotone | |
| LSM 780 | Zeiss | Microscopio confocale | |
| Imaris | Bitplane | Software alternativo per il tracciamento neuronale |
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