方法論記事

免疫透過型電子顕微鏡によるミトコンドリアシトクロムCの遷移の強調

DOI:

10.3791/68633

2025年8月15日

* These authors contributed equally

この記事について

サマリー

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このプロトコルは、ニューロンの微小形態学的変化とミトコンドリアシトクロムcの遷移を免疫透過電子顕微鏡によって研究する方法を説明しています。

要約

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微細構造におけるタンパク質の位置の変化は、多くの場合、病理学的細胞小器官のレベルで正確な調節メカニズムを示します。この細胞小器官タンパク質移動の位置を正確に捉える方法は、病気の診断と治療にとってプラスの意義と価値があります。ミトコンドリアは、壊死とアポトーシスの内因性経路において中心的な役割を果たします。通常の状態では、シトクロムc(Cyt c)はミトコンドリアの内膜と外膜の間、および核内にのみ存在します。細胞がアポトーシスを起こすと、ミトコンドリア内膜透過性が変化し、Cyt cがミトコンドリアから細胞質に放出されます。この研究では、脳虚血再灌流障害のラットモデルが確立され、アポトーシスを受けるニューロンの微小形態学的変化が免疫透過電子顕微鏡によって示されました。さらに、脳虚血再灌流障害後のミトコンドリアマトリックスから細胞質へのCyt c転移を免疫金標識するビジョンをより正確に示しています。このプロトコルで提示された免疫透過電子顕微鏡技術は、顕微鏡レベルでの任意のタンパク質位置遷移の実証に適しています。

概要

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2021 年の世界的な疾病負担調査によると、脳卒中は死因の第3 位であり、障害調整生存年の第4 位の原因でした。新たに1,190万件の脳卒中イベントがあり、そのうち虚血性脳卒中が65.3%(780万件)を占めました1。神経細胞死は、壊死やアポトーシスなどの脳虚血後に起こります。その後、最も深刻な影響を受けた脳組織は壊死性細胞死を起こします。虚血性半影または梗塞周囲ゾーンのニューロンは、数時間または数日後にアポトーシスを起こすことがあります2.生体エネルギー機能と代謝機能に加えて、ミトコンドリアはアポトーシスの内因性経路においても中心的な役割を果たします3,4,5,6。

Cyt Cは、核遺伝子によってコードされるタンパク質です。通常の条件下では、Cyt Cはミトコンドリアの内膜と外膜の間、および核内にのみ存在します。その放出によって媒介されるアポトーシス経路は、Bcl-2ファミリーメンバーの調節制御に関連しています。アポトーシスによって刺激された後、Bax/Bakオリゴマーが形成され、ミトコンドリアの外膜細孔に挿入され、その結果、ミトコンドリアの浸透圧が変化し、膜貫通電位が失われます。Cyt Cはミトコンドリアから細胞質に放出され、そこでアポトーシス1の活性化因子に結合してアポトーシス複合体を形成し、プロカスパーゼ-9を活性化します。次に、カスパーゼ-3とカスパーゼ-7が活性化され、カスパーゼカスケードが開始され、細胞アポトーシス誘導されます7。

透過型電子顕微鏡 (TEM) は、アポトーシスのさまざまな段階での細胞構造の変化を明確に観察できます。電子顕微鏡による形態学的観察は、アポトーシスを決定するための信頼できる方法です8。ただし、超微細構造におけるCyt Cの変化は観察できません。超微細構造中の特定のタンパク質を検出するには、フローサイトメトリー、酵素結合免疫吸着アッセイ、酵素結合免疫吸着アッセイ、分光光度法、ウェスタンブロッティングなど、いくつかの技術があります。しかし、微細構造におけるタンパク質の位置変化を正確に捉えることはできません。金コロイドはさまざまなサイズの粒子を持ち、金コロイドの電子密度は高いです。Immunogoldテクノロジーは、免疫電子顕微鏡のシングルラベルまたはマルチラベルの局在化研究に特に適しています。コロイド状金は、その固有の淡い赤から濃い赤色のため、光学顕微鏡下での観察にも適しています。特定のタンパク質がイムノゴールド標識されている場合、位置の変化は、細胞内分解能9でTEMによって視覚化できます。

このプロトコルは、免疫透過電子顕微鏡(IEM)によるミトコンドリアCyt Cの遷移を強調することを説明しています。この方法の全体的な目標は、IEMを使用して、虚血誘発性アポトーシス中のCyt Cの細胞内転座を視覚化することです。IEMの理論的根拠は、Cyt Cを金コロイドで標識し、TEM9を使用して細胞内分解能でその局在変化を視覚化することです。IEMは、タンパク質の動的変化を空間レベルで観察することができ、生理学的および病理学的活動を説明するための強力な手段を提供します10

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プロトコル

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この動物プログラムは、SLAS の倫理委員会によって承認されています (IACUC 発行番号: SYST-2024-018)。ここでは、6匹の病原体のない雄SDラット(200〜220 g)を独立した換気ケージで飼育し、実験室環境を22〜25°C、相対湿度45%〜65%に維持しました。すべてのラットは、期間中、無料の水と食事で1週間適応摂食を受けました。

1. 中大脳動脈閉塞症(MCAO)モデルの確立

  1. ラットを無作為にMCAO群と偽手術群に分け、各グループに3匹のラットを分けます。実験フローチャートについては 、図1 を参照してください。
  2. 図 2 のリストに従って、このプロトコルに関連する機器を確認します。
  3. ラット虚血再灌流損傷のMCAOのモデルを確立するには、管腔内縫合手順を使用します。
  4. 手術前に水が手に入る状態で12時間ラットを絶食します。
  5. SDラットを空気 - 酸素混合物中の2%イソフルラン( 材料 を参照)で0.6 L /分で麻酔します。鉗子で手足の皮膚をクリップして、適切な麻酔を確認します。ラットには収縮や脚の反射があってはなりません。完全に意識を失ったラットを手術台に固定し、動物体温維持剤を用いて体温を37°Cに維持する。乾燥を防ぐために、手術中は目を閉じるテープで留めてください。
  6. 電気シェーバーで首の周りの毛を取り除き、ベタジンで皮膚を消毒します。外科用ハサミで1.5 cmの正中線頸部を切開し( 材料表を参照)、筋肉および血管周囲筋膜の鈍的解剖を行い、気管を露出させて右総頸動脈(CCA)、外頸動脈(ECA)、および内頸動脈(ICA)を見つけます。感染を防ぐために手術器具を滅菌する必要があります。
  7. ECA の遠位端を 6-0 外科用縫合糸で結紮し、ECA の近位端の周りに分岐点まで別の外科用縫合糸を緩く配置します。迷走神経を傷つけないように注意してください。
  8. CCAとICAを血管クリップでクリップし、2本の外科用縫合糸の間にECAに小さな切開を行います。
  9. モノフィラメント縫合糸を CCA に向かって ECA 内腔に導入し、ECA 断端の周りの外科用縫合糸を締めて管腔内縫合糸を固定し、出血を防ぎます。モノフィラメント縫合糸が動物の体重と一致していることを確認して、損傷を最小限に抑え、同側半球で 40% の目標梗塞量を達成します。
  10. ECAの残りの部分を切断して切り株を解放し、ECA断株を分岐点の下に配置して、ICAとほぼ一直線になるように配置します。
  11. ICAから微小血管クリップを取り外し、中大脳動脈の閉塞を示す軽度の抵抗が感じられるまで縫合糸を前進させ続けます。この長さは通常約 2 cm です。モノフィラメントの周りに縫合糸をしっかりと結びます。CCAからもう一方の微小血管クリップを取り外します。
  12. 外科用縫合糸で切開部を閉じ、ラットを回復ケージに入れ、虚血後最大2時間動物の世話をします。

2. 中大脳動脈の血流の回復

  1. 再麻酔の前に、ステップ 3 で説明したように、ロンガ スコア スケールでニューロスコアをチェックし、手術の成功を評価します。
  2. 上記のようにラットを麻酔し、切開部を再度開きます。CCA に微小血管クリップを置き、縫合糸の端が ICA を通して見えるまで、閉塞する縫合糸を ICA から途中で引き抜きます。
  3. 管腔内縫合糸の位置の上のICAに別のマイクロクリップを置き、閉塞縫合糸を完全に取り外し、ECA断端を結びます。24時間の再灌流。
  4. CCA と ICA からクリップを取り外します。外科用縫合糸で切開部を閉じます。ブプレノルフィン(0.05 mg / kg、 材料表を参照)を皮下投与します。
  5. ネズミをケージに戻し、水とマッシュした食べ物を与え、意識を取り戻すまで気を配ります。実験手順全体を通して、ラットの体温を37±0.5°Cに維持します。

3. ニューロスコアの評価

  1. Longa Score Scale11 を使用して、手術後および再灌流後 24 時間の神経学的欠損をスコアリングします。(1)左(麻痺側)前足を完全に伸ばさない。(2)左に旋回する(麻痺した側)。(3)左に倒れる(麻痺した側)。(4) 自発歩行がなく、意識が低下している。(5)死んだ。
    注: 上記の基準に従って 3 人のオペレーターが評価されました。

4. 脳組織の採取

  1. 神経学的欠損が採点され、評価された後、再灌流の 24 時間後に脳組織を収集します。
  2. 上記のようにラットを麻酔します。皮膚を切断して頭と首を露出させ、外科用ハサミで頸椎から頸髄を切断します( 材料表を参照)。
  3. 首の後部の筋肉を分離して取り除きます。湾曲した鉗子で頭蓋骨を慎重に取り除きます( 材料表を参照)。頭蓋骨を分離するときは、脳組織を傷つけないように硬膜に注意してください。脳組織を完全に取り除きます。
  4. 脳組織を4°Cで予冷したTEMおよびIEM固定液に入れ、4°Cの冷蔵庫に保管します。

5. 偽の操作

  1. 偽操作の場合は、オクルージョンが行われていないことを除き、上記のすべての手順を実行します。

6. 極薄切片の準備とイメージング

  1. TEM超薄片の準備
    1. 固定: 牽引、挫傷、押し出しなどの機械的損傷を最小限に抑えるために、新鮮な組織のサンプリング部位を決定し、組織の厚さが 2 mm を超えないようにします。組織の体積が1 mm x 1 mm x 1 mmを超えないようにしてください。
    2. TEM固定液で4°Cで24時間固定します。0.1 Mリン酸緩衝液PB(pH 7.4、 材料表を参照)でそれぞれ15分間3回洗浄します。
    3. 固定後:1%オスミック酸・0.1 M PB( 材料 を参照)を室温(25°C)で2時間加えます。
    4. 脱水:30%エタノールで10分間、50%エタノールで10分間、70%エタノールで15分間、90%エタノールで15分間、無水エタノールで15分間、および100%アセトンで15分間連続して脱水します。
    5. ガム浸漬:組織を溶液エポキシ樹脂SPI-Pon 812:アセトン=1:3で30分間、溶液SPI-Pon 812:アセトン= 1:1で30分間、溶液SPI-Pon 812:アセトン= 3:1で1時間連続して浸漬します( 材料表を参照)。
    6. 重合と包埋:サンプルを純粋なSPI-Pon 812に37°Cで一晩浸漬し、新鮮なSPI-Pon 812に8時間交換し、60°Cで48時間重合します( 材料 を参照)。
    7. セクショニング:埋め込まれたブロックをダイヤモンドナイフで厚さ0.8μmで半薄くスライスし、アミノトルエンブルーで25°Cで5分間染色します。ニューロンが密集した領域を光学顕微鏡で特定して選択し、高倍率観察を行います。厚さ90nmのミクロトームで極薄切片を作成します。サンプルを200メッシュのフォームバーでコーティングされた銅グリッドに置きます( 材料表を参照)。
    8. 染色後:酢酸ウラニルでグリッドを25°Cで15分間染色し、次にクエン酸鉛で25°Cで5分間グリッドを染色します。
  2. IEM超薄切片の準備
    1. 手順 6.1.1-6.1.4 を実行します。
    2. ガム浸漬:組織を溶液L.R.ホワイトレジン:エタノール=1:3で2時間、溶液L.R.ホワイトレジン:エタノール=1:1で2時間、溶液L.R.ホワイトレジン:エタノール=3:1で2時間浸漬する。
    3. 重合と包埋:サンプルを純粋なL.R.ホワイトレジンに4°Cで一晩浸漬し、25°Cで4時間新鮮なL.R.ホワイトレジンに交換し、55°Cで78時間重合させます。
    4. セクショニング(ステップ6.1.7で行うとおり):埋め込まれたブロックを厚さ0.8μmで半薄くスライスし、25°Cでアミノトルエンブルーで5分間染色します。光学顕微鏡でニューロンが密集している領域を見つけて選択します。厚さ90nmの極薄切片を作成します。サンプルを銅グリッドに置きます。

7. 免疫金標識

  1. PBSで2回、グリシンバッファーで1回を25°Cでそれぞれ5分間すすぎ、次にウシ血清アルブミン(PBS-BSA)の2%リン酸緩衝液を加え、30分間インキュベートします。
  2. 一次抗体(シトクロムCに対するウサギポリクローナル抗体)溶液中で37°Cで2時間インキュベートします。一次抗体はPBS-BSAで1:50の比率で希釈されます。
  3. PBSで25°Cで5回、それぞれ5分間すすぎます。コロイド金標識二次抗体(金結合ヤギ抗ウサギIgG)溶液中で25°Cで1時間インキュベートします。二次抗体をPBS-BSAで1:20の比率で希釈します( 材料表を参照)。
  4. PBSで25°Cで5回、それぞれ5分間すすぎます。蒸留水で25°Cで5回、それぞれ5分間すすぎます( 材料表を参照)。
  5. 染色後:酢酸ウラニルでグリッドを25°Cで10分間染色し、次にクエン酸鉛で25°Cで2分間グリッドを染色します( 材料表を参照)。
  6. 極薄切面を画像化し、透過型電子顕微鏡で80kVで写真を撮ります。

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結果

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ニューロスコア評価は、ロンガスコアスケールによると、MCAOグループのラットは少なくとも左に旋回して現れたMCAOの成功を確認しました(ニューロスコア2)。偽手術群のラットは、明らかな神経機能障害を示さなかった(ニューロスコア0)。手術当日の死亡は観察されませんでした。動物のニューロスコアを 表1に示します。

MCAOグループのIEM分析により、ミトコンドリアの部分的な構造破壊を伴う、核が縮小し、細胞質電子密度が上昇したニューロンが明らかになりました。重要なことに、免疫金標識されたCyt cは顕著な再分布を示しました:偽グループの優勢なミトコンドリア局在と比較して、MCAOサンプルは、豊富な細胞質ゾルおよび核標識とともにミトコンドリア金粒子の有意な減少を示しました。ミトコンドリアから細胞質および核へのCyt cのこの空間的シフトは、ミトコンドリア外膜透過処理を直接視覚化し、脳虚血再灌流障害後の内因性アポトーシス経路の活性化を確認します。これらの超微細構造変化とCyt c転座との相関関係は、細胞内レベルでのアポトーシス開始の決定的な証拠を提供します。...

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ディスカッション

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急性虚血性脳卒中における再灌流療法の主な目的は、虚血領域への血液灌流を回復することです。現在、静脈内血栓溶解療法、血管内治療、抗血栓療法を通じてこの目標を達成できます。しかし、血液灌流の回復は虚血再灌流障害を引き起こし、神経細胞の壊死とアポトーシスを悪化させ、神経障害を引き起こします。虚血再灌流中に、ミトコンドリア電子伝達系からの電子の異常な漏出により、大量のミトコンドリア活性酸素種が生成され、ミトコンドリア膜が損傷し、Cyt cとミトコンドリアDNAが放出されます13。研究により、Bax チャネル阻害剤とインスリンが細胞生存シグナル伝達を活性化し、Cyt c のアポトーシス放出を防ぎ、神経保護効果と抗アポトーシス効果を発揮できることが実証されています14,15

免疫組織化学により、細胞コンパートメントや組織内の特定の生化学的成分を視覚化し、局在化す...

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開示事項

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著者らは開示するものは何もない。

謝辞

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この研究は、四川省漢方薬管理局の漢方薬に関する特別科学研究プロジェクト(2021MS414)の支援を受けました。

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材料

この記事で使用された材料の一覧
名前会社カタログ番号コメント
0.9% 生理食塩水科倫製薬有限公司H20083400
200Zhongjingkeyi Technology Co.、Ltd.BZ10262a
220-230g MCAO モノフィラメント北京シノンテック株式会社A4-243250
無水エタノール成都 ケロン 化学 株式会社2023101201
セトン成都 ケロン 化学 株式会社2023120501
動物麻酔システムRayward Life Technology Co., Ltd.R500
動物用温度維持剤レイワードライフテクノロジー株式会社69020
ベーキングテーブルセン Bangqi Chuangyuan Technology Co., Ltd.CT-946
せん断ファインサイエンスツール16102-11
膜包埋金型Zhongjingkeyi Technology Co.、Ltd.GP130-B
遠心分離機SCILOGEXD3024R
従来の明視野光学顕微鏡Zeiss (ドイツ)Primo Star
湾曲眼科用鉗子 (10 cm)Shanghai Medical Equipment Co., Ltd.211001
ダイヤモンドナイフ珪藻土 (スイス)DU4530
解剖鉗子ワード ライフ テクノロジー株式会社F12018-10
鉗子レイワードライフテクノロジー株式会社F12010-10
電気ブラスト乾燥オーブンShanghai YiHENG Scientific Instrument Co., Ltd.DHG-9030A
電気シェーバー義烏科美電化製品有限公司KM-PG5002
科学者バイオテクノロジー株式会社SC0001
通メビッドライフサイエンス株式会社220518001
金共役ヤギ抗ウサギlgGSangon Biotech (Shanghai) Co.,Ltd.D111094
血鉗子(12.5cm)Anqisheng Biotechnology Co., Ltd.PL068
血鉗子(14cm)Anqiisheng Biotechnology Co.、Ltd.PL002
イソフルランレイワード ライフ テクノロジー株式会社2024071201
LR White ResinTianjin Tainuo Science and Technology Co., Ltd.AGR1281A
クエン酸鉛SPI(米国)GA10701
ニードルホルダー 佳智医療技術株式会社10044036898028
四酸化オスミウムTED PELLA (US)4008-220501
PBSServicebioG4202
シトクロム c  に対するウサギポリクローナル抗体; アフィニティバイオサイエンス株式会社AF0146
ラッツ北京華福康バイオテクノロジー株式会社110322241102187881
SPI-Pon 812 包埋樹脂キットSPI(US)GS02660
実体顕微鏡サニーオプティカルテクノロジー株式会社Soptop SZMN
ストレートヘッドハサミ (10 cm)Anqisheng Biotechnology Co., Ltd.PL063
レート眼科用鉗子(10cm)Shanghai Medical Equipment Co., Ltd.211001
外科用ハサミレイワードライフテクノロジー株式会社S14001-10
透過型電子顕微鏡日立製作所HT7800
トラミクロトームカ(ドイツ)UC7
酸ウランSPI(米国)GS02624
四川メッシュフォームバーコーティング銅グリッドア深骨莢 レイ解剖固定四川スライド止止ストウルライ酢

参考文献

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