Questo protocollo descrive in dettaglio i passaggi per valutare il trasporto assonale in vivo di endosomi e mitocondri di segnalazione in assoni intatti del nervo sciatico del topo. In effetti, viene fornita una configurazione sperimentale che consente agli utenti di 1) distinguere i neuroni motori da quelli sensoriali in vivo, in situ ed ex vivo utilizzando topi che esprimono proteine reporter fluorescenti espresse selettivamente nei motoneuroni; 2) valutare il trasporto assonale in vivo di endosomi di segnalazione specificamente negli assoni dei motoneuroni utilizzando tre diversi topi transgenici; 3) studiare il trasporto assonale in vivo dei mitocondri specificamente negli assoni dei motoneuroni; e 4) valutare contemporaneamente le dinamiche di trasporto in vivo degli endosomi e dei mitocondri di segnalazione all'interno dello stesso assone. Questo approccio ha un vasto potenziale per studiare il trasporto assonale in condizioni basali e può essere utilizzato per valutare le perturbazioni patologiche in diverse malattie che colpiscono i nervi motori e sensoriali periferici.
Usando i precedenti paradigmi sperimentali come base 31,32, qui abbiamo modi nuovi e robusti per differenziare il trasporto assonale che si verifica nei neuroni motori rispetto a quelli sensoriali usando topi reporter transgenici. Utilizzando il topo Mito.CFP, questo approccio è stato ulteriormente sviluppato per valutare il trasporto mitocondriale in vivo evitando iniezioni di NERVO INTRASCIATICO di TMRE36. Ciò aggira possibili danni neurali e perturbazioni nel trasporto assonale causati dall'iniezione intranerva della sonda. Inoltre, questo protocollo consente la visualizzazione del trasporto assonale di più organelli negli assoni motori innervando i muscoli con proprietà fisiologiche distinte (ad esempio, muscoli a contrazione rapida e muscoli resistenti alla fatica a contrazione lenta). Pertanto, la segnalazione delle dinamiche di trasporto assonale dell'endosoma e/o mitocondriale può essere valutata in diversi sottoinsiemi di α-motoneuroni44. Inoltre, il trasporto assonale di quegli organelli in contesti patologici può essere valutato anche attraverso incroci con modelli murini di diverse malattie neurodegenerative 1,2,3.
Il toolkit di trasporto assonale è in continua espansione28,29 e sono stati sviluppati protocolli ex vivo per valutare le dinamiche di trasporto utilizzando espianti di corno ventrale di topoin coltura 49 o preparati nervo-muscolo di topo asportati50. Inoltre, lo sviluppo di protocolli per valutare il trasporto assonale nei51 neuroni corticali derivati da cellule staminali pluripotenti umane indotte (hiPSC) o nei motoneuroni spinali derivati da hiPSC52 ha permesso lo studio di neuroni umani con mutazioni che causano malattie. Tali protocolli all'avanguardia nel tessuto di topo e nelle cellule umane possono fornire informazioni critiche sulla funzione neuronale, facilitare nuove scoperte patomeccaniche in modelli di malattie neurodegenerative ed essere utilizzati per testare molecole e strategie terapeutiche.
Diversi passaggi critici devono essere seguiti per il successo dell'implementazione di queste tecniche e alcune note importanti sono state fornite nella sezione protocollo. I principali requisiti per l'imaging intravitale sono il microscopio confocale invertito con inserto dello stadio personalizzato e l'attrezzatura per mantenere l'anestesia e la temperatura ottimale. Infatti, è necessario un sistema anestetico mobile specializzato per 1) induzione dell'anestesia, 2) dissezione / elaborazione dei tessuti (cioè esposizione del nervo sciatico) e 3) mantenimento dell'anestesia durante l'imaging intravitale (come precedentemente dettagliato in 31,32). Soprattutto quando si utilizzano obiettivi di ingrandimento più elevati (ad esempio, 40x o 63x), la profondità dell'anestesia può influire sulla qualità dell'immagine, poiché un'anestesia più profonda induce grandi respiri "gaspy" che si traducono in frequenti spostamenti della messa a fuoco. Tali movimenti di grandi dimensioni avranno senza dubbio un impatto sulle analisi del trasporto post-imaging (ad esempio, il monitoraggio dei carichi utilizzando i plug-in Delle Fiji TrackMate53 o KymoAnalyzer54) poiché i movimenti respiratori producono artefatti nei video time-lapse che possono renderli inadatti al tracciamento automatizzato o richiedere una valutazione più dispendiosa in termini di tempo. Inoltre, abbiamo anche osservato artefatti di imaging causati da arterie pulsanti all'interno del nervo sciatico, che possono essere risolti solo scegliendo una diversa regione di imaging. Il microscopio deve essere dotato di una camera ambientale in grado di mantenere costante la temperatura corporea, poiché la temperatura e il pH influenzano il trasporto assonale55. Inoltre, l'applicazione di analgesici post-operatoria dovrebbe essere evitata, in quanto possono alterare le dinamiche di trasporto56. Se il disegno sperimentale è longitudinale e richiede immagini ripetute (ad esempio, 57), i protocolli di dissezione devono essere opportunamente regolati per essere minimamente invasivi e possono richiedere un'ulteriore approvazione etica / licenza.
Alcune considerazioni sperimentali devono essere tenute a mente. In primo luogo, la maggior parte dei protocolli qui descritti comportano l'uso di topi transgenici che possiedono proteine reporter fluorescenti nei mitocondri o negli assoni dei motoneuroni. Ognuna di queste linee di topo dovrebbe essere allevata e immaginata come emi/eterozigote. Le eccezioni, tuttavia, sono le linee di topo ChAT.Cre e Rosa26.tdTomato che possono essere mantenute separatamente come omozigoti, con la prole emizigote risultante che consente l'espressione di tdTomato nei neuroni colinergici dopo la ricombinazione di Cre-loxP . Quando si incrociano topi emi/eterozigoti transgenici (ad esempio, Mito.CFP) con altri topi emi/eterozigoti transgenici (ad esempio, ChAT.eGFP), è necessario considerare attentamente la strategia di allevamento, poiché ottenere il numero desiderato di progenie a doppio mutante può richiedere molto tempo. Inoltre, quando si alleva la generazione F1 di topi ChAT.Cre e Rosa26.tdTomato (cioè ChAT.tdTomato) con ceppi transgenici aggiuntivi (ad esempio, Mito.CFP), ci si dovrebbe aspettare ancora meno topi portatori dei tripli transgeni desiderati. Inoltre, si deve anche considerare la potenziale sovrapposizione di fluorofori quando si allevano topi a due reporter con proprietà di lunghezza d'onda vicine (ad esempio, Mito-CFP-eccitazione: 435 nm, emissione: 485 nm, allevati con eccitazione ChAT.eGFP: 488 nm, emissione: 510 nm), sebbene possa essere possibile superare questo problema con lo smixing spettrale58.
Questa tecnica ha alcune limitazioni da considerare. In questo lavoro e nei nostri precedenti protocolli31,32, abbiamo mostrato come diversi marcatori geneticamente codificati e diversi metodi di colorazione possono essere utilizzati per etichettare e tracciare organelli distinti in vivo. Tuttavia, non tutte le sonde sono adatte a questo approccio sperimentale. Abbiamo valutato le iniezioni nel muscolo TA o soleo della subunità beta della tossina del colera (CTB)-488 (0,5-1,5 μg / μL ~ 4 h prima dell'imaging), una sonda utilizzata abitualmente per etichettare i corpi cellulari dei motoneuroni in esperimenti traccianti retrogradi in vivo 59,60. Tuttavia, quando iniettato da solo o co-iniettato con HCT-555, l'etichettatura CTB-488 era scarsa nonostante l'uso di concentrazioni simili a quelle utilizzate per il successo del tracciamento retrogrado dei motoneuroni. Pertanto, concludiamo che, nonostante CTB sia un eccellente marcatore in vitro di endosomi di segnalazione in colture neuronali61, HCT rimane la sonda gold standard per identificare gli endosomi di segnalazione in vivo negli assoni del nervo sciatico.
Utilizzando diversi percorsi, abbiamo anche testato sonde utilizzate abitualmente per etichettare i lisosomi, come LysoTracker verde DND-26, e marcatori di idrolasi lisosomiali attive, come BODIPY-FL-pepstatin A per Cathepsin D62 e Magic Red per Cathepsin B, ma senza successo. Abbiamo provato la somministrazione intramuscolare di BODIPY-FL-pepstatina A (2,5 μg nel TA ~ 4 h prima dell'imaging), nonché l'iniezione del nervo intrasciatico di 2 μL di LysoTracker (10 μM), BODIPY-FL-pepstatina A (10 μM) o Magic Red (1/10) 30-60 minuti prima dell'imaging. Nonostante queste sonde che evidenziano il nervo, non siamo stati in grado di trovare organelli chiaramente etichettati. Le sonde si sono accumulate intorno agli assoni, probabilmente trattenute dalle cellule di Schwann. Quindi, l'etichettatura infruttuosa dei lisosomi può essere dovuta a una carente consegna della sonda nei neuroni, sebbene l'esistenza di concentrazioni più adatte non possa essere esclusa. Dato che l'etichettatura TMRE funziona in condizioni simili (ad esempio, iniezioni di nervo intrasciatico), l'intensità di etichettatura può essere dipendente dal colorante e deve essere testata per ciascun marcatore in modo indipendente. Tuttavia, concludiamo che il targeting dei lisosomi in vivo con queste sonde non è fattibile alle concentrazioni sopra indicate.
I metodi di anestesia possono alterare letture fisiologiche distinte (ad esempio, funzione della coclea63 ed elettrofisiologia corticale64); tuttavia, se l'anestesia influenzi il trasporto assonale in vivo nel nervo sciatico è attualmente sconosciuto. Data la ridotta attività neuromuscolare in anestesia indotta da isoflurano, è possibile che la cinetica di trasporto differisca rispetto allo stato di veglia. Tuttavia, l'unico studio in vivo che ha indagato direttamente su questo ha rivelato che il trasporto di vescicole dense nelle proiezioni talamocorticali non differisce tra topi anestetizzati e svegli65. Inoltre, poiché le distinzioni nel trasporto tra topi modello wild-type e malattia sono rilevabili in anestesia35,43, è chiaro che l'esposizione all'isoflurano non impedisce l'identificazione di perturbances nella segnalazione di endosomi o traffico mitocondriale.
Questo protocollo ha altre potenziali applicazioni, che sono state descritte di seguito. L'allevamento dei topi transgenici delineati in questo protocollo (ad esempio, Mito.CFP, ChAT.eGFP) con modelli murini di malattie neurodegenerative 1,2,3 consentirà indagini specifiche per sottotipo e/o carico neuronale. Inoltre, le linee Cre66 di topo di recente sviluppo consentirebbero anche la visualizzazione di proteine reporter fluorescenti in distinte popolazioni di assoni sensoriali. Ad esempio, i topi Rosa26.tdTomato possono essere incrociati con un neuropeptide che esprime il recettore Y 2 (Npy2r). Cre mouse per abilitare la fluorescenza di tdTomato nei nocicettori mielinizzati della fibra A67. Inoltre, il controllo temporale può essere ottenuto anche utilizzando sistemi Cre inducibili (ad esempio, tamoxifene)68. Un'altra potenziale applicazione si basa sulla disponibilità di topi transgenici che esprimono proteine reporter fluorescenti nelle cellule di Schwann. Infatti, i topi S100-GFP69 e PLP-GFP70 consentono l'imaging in vivo e / o in situ delle cellule di Schwann e sono stati in prima linea nella ricerca coinvolta nella migrazione delle cellule di Schwann durante la rigenerazione del nervo periferico.
Oltre a queste applicazioni e complementare al topo Mito.CFP è la disponibilità di diverse linee di topo transgenico che esprimono proteine fluorescenti in organelli distinti, come mitocondri e autofagosomi. Ad esempio, lo studio del trasporto mitocondriale in vivo potrebbe essere possibile con il topo mito::mKate271 o il topo mitoDendra fotoconvertibile57. Inoltre, il trasporto di mitofagosomi in vivo può essere possibile utilizzando il topo mito-Keima72 sensibile al pH e il topo mito-QC73 per le analisi mitofagiche. Inoltre, le difficoltà di marcatura lisosomiale che abbiamo incontrato possono essere superate utilizzando topi che esprimono LAMP1-GFP, con l'avvertenza che LAMP1 è presente anche negli organelli endocitici distinti dai lisosomi74.
In sintesi, abbiamo fornito nuovi modi per valutare il trasporto assonale in vivo di diversi organelli in specifici assoni nervosi periferici da diversi topi transgenici. L'imaging simultaneo di diversi organelli sarà particolarmente importante, date le recenti scoperte di interazioni assonali e co-traffico di organelli come mitocondri ed endosomi 75,76. Riteniamo che i metodi presentati saranno utili per migliorare la comprensione della fisiologia basale degli assoni in vivo e districare importanti meccanismi patologici che guidano la neurodegenerazione dei nervi periferici.