ミトコンドリア染料標識の局所注射、シュワン細胞ミトコンドリアの生 体内 共焦点顕微鏡検査。この方法は、健康または病変したマウスの骨格筋組織で実証された概念実証を利用し、高解像度のミトコンドリア可視化を提供します。
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ミトコンドリア染料標識の局所注射、シュワン細胞ミトコンドリアの生 体内 共焦点顕微鏡検査。この方法は、健康または病変したマウスの骨格筋組織で実証された概念実証を利用し、高解像度のミトコンドリア可視化を提供します。
ミトコンドリアネットワークの形態は細胞の健康指標として広く用いられています。しかし、完全な組織内でミトコンドリア構造を定量化することは技術的に依然として困難です。神経筋接合部の維持と再生に不可欠な末端シュワン細胞(tSC)は、その解剖学的な位置と組織破壊への感受性のため、現地解析が特に困難です。このプロトコルは、標準的な共焦点顕微鏡を用いて、全身骨格筋およびマウスのtSCにおける三次元ミトコンドリアネットワークの形態をラベル付け・定量化するための再現可能なアプローチを記述しています。この方法は、膜電位感受性ミトコンドリア染料をin vivo で投与し、その後迅速な組織処理と高解像度共焦点イメージングを行います。画像スタックは、ミトコンドリアネットワークの接続性、面積、断片化を定量化するために解析されます。このプロトコルは、まずジストロフィーおよび健康な骨格筋で検証され、ミトコンドリア形態の予想される違いを確認し、その後、S100βレポーターマウスを用いて同定されたtSCsのミトコンドリアネットワークの可視化と定量に適応されています。このアプローチにより、トランスジェニックなミトコンドリアレポーターや専門的な画像プラットフォームを必要とせずに、完全な神経筋組織内のミトコンドリア形態の解析が可能になります。このプロトコルは大学のコア施設で一般的に利用可能な機器のみを必要とし、他の薄い組織や表面的にアクセス可能な組織にも適応可能です。
ミトコンドリアは非常に可塑的な小器官で、細胞の肺として機能し、細胞呼吸中に酸素を消費して代謝需要に応じてアデノシン三リン酸(ATP)の産生を支えます1。かつては離散的な小器官と考えられていましたが、現在ではミトコンドリアが高度に統合されており、局所的な要求に従ってネットワーク全体でエネルギー基質を共有していることが理解されています。統合は分離よりも明確な利点を持ちます。連結ミトコンドリアはエネルギー不足を支え、代謝需要が高まる際に酸化リン酸化のための電気化学的勾配を維持します。実際、ミトコンドリアの分布、体積、形態はその周辺のエネルギー需要に適しています5。健康面では、ミトコンドリアネットワークの定期的な入れ替わりが、ミトコンドリアの生合成、融合および核分裂イベント、そしてミトファジー2,3によって維持されています。ミトコンドリアの生合成は、健康なミトコンドリアを維持し拡大するために必要です。身体運動などの代謝需要は、ペルオキシソーム増殖活性化受容体γ共アクチベーター1α(PGC-1α)の発現を増加させます5。この過程は一次持久力信号、特に運動誘発によるAMPK活性タンパク質キナーゼ(AMPK)、カルシウム、活性酸素種6,7の上昇を通じて行われます。核融合はネットワークを拡大し生存率を高め、欠損を補完します。一方、核分裂は機能不全領域2,3,8を優先的に除外することでさらなるミトコンドリア損傷を軽減します。除去後、排除された領域はミトファジーを受け、機能不全の小器官やタンパク質の蓄積を防ぎます 6,9。
骨格筋は体重の約40%を占め、好気代謝と細胞シグナル伝達にミトコンドリアに依存して恒常性を維持しています。骨格筋機能障害の条件下では、ミトコンドリアの品質管理機構が損なわれます。筋機能障害の調査では、ミトコンドリア呼吸、体積、形態、活性酸素種(ROS)の生成を測定し、ミトコンドリアの質を評価する3,10。この点で、筋肉機能障害が長期化するとミトコンドリア呼吸が減少し、ROSが増加し、ネットワークは3,10分断されます。ミトコンドリア形態の乱れは主にミトコンドリア核分裂タンパク質、ダイナミン関連タンパク質1(DRP1)およびミトコンドリア核分裂1(FIS1)2,8,11の活性化によって引き起こされます。筋萎縮に反応して、外ミトコンドリア膜の表面に存在するFIS1は、DRP1を複数のDRP1二量体と共にオリゴマー化させ、ミトコンドリアの周囲にフィラメントを作り、その間も縮小し、最終的にミトコンドリアの特定の断片が「ピンチ」されるまで縮小し、断片化を促進します3,11。ミトコンドリア核分裂の過剰活動、新たに形成されたミトコンドリアの融合の減少、そして機能不全のミトファジーが、機能不全のミトコンドリアネットワークの断片的な外観を引き起こしており、不活動または病変した筋肉に見られるようなものです2,12。
神経筋接合部(NMJ)は筋肉の興奮が起こる部位です。ソーマで開始される活動電位は軸索に沿って伝播し、ミエリン化シュワン細胞(SC)によって被覆され、終点は終末シュワン細胞(tSC)によって被覆されるNMJsで終わる。NMJは怪我後に再生可能です。しかし、損傷部位とNMJの距離が広がるにつれて再生の可能性と速度は減少します13,14。神経切断、圧迫、伸ばによる損傷後、SCは脱髄前身様状態へと脱分化します15,16。脱髄性SCは増殖し、マクロファージと協力して損傷部位と近位軸索切断部の間の破片を除去し、Waller変性を通じて再生のために局所環境を再構築します17,18。移動するSCは炎症反応を示し、神経再生の成功のために環境を再構築します18。神経再生は前駆細胞様SCによって形成される神経鞘内で起こり、これらはバンガーバンドを形成し、そこから軸索が再生します。軸索切断部はその後、糸足を伸ばして再神経支配14を開始します。再神経支配後、tSCがNMJ20に再投資すれば、シナプス前は完全に再生できます。
ミトコンドリアの形態は細胞タイプごとに大きく異なり、組織機能21に準拠します。肝臓組織からの報告によると、ミトコンドリアはよりコンパクトで球状であるのに対し、脳の白質はより細長く管状であることが示唆されています。加齢や酸化ストレスなどの条件下で挑戦すると、これらの組織のミトコンドリアはドーナツのような表現型を示します。しかし、骨芽細胞では、ミトコンドリアのドーナツ形成と断片化がミトコンドリアおよびミトコンドリア由来小胞の分泌増加、さらに骨芽細胞の成熟と関連していました23。骨格筋のミトコンドリアネットワークは複数の種で広く研究されていますが、末梢神経系のtSCからのミトコンドリアネットワークのイメージングには依然として限界があります。これらは細胞の超微細構造が分離後に大きく変化するため、生 体内 で染色素で標的化するのが困難であり、伴う骨格筋の負荷が伴います。
生体内のミトコンドリア形態を捉えるために用いられるイメージング技術は、光顕微鏡と電子顕微鏡のいずれかに分類されます。従来の光捕捉顕微鏡では、染料が生細胞に標識し、固定細胞に免疫標識を付け、ミトコンドリアを遺伝的に標識できます5,24。生細胞イメージングは通常、蛍光解析前に20〜60分間細胞をインキュベートする必要があります。染料は膜電位を介してミトコンドリアに導かれ、したがって膜電位が変化した条件下で変質されることがあります。理論的には、造影ローディングによって骨格筋内のtSCsのミトコンドリア形態を捉えることが可能である。しかし、組織全体の画像診断や詳細な標識技術が必要です。特に、骨格筋の標識による干渉なしに、ミトコンドリアを完全な構造内に捕捉します。これらの制約を克服するために、ミトコンドリア蛍光染色を用いて健康マウスおよびジストロフィーマウスの生体骨格筋を標識し、その後tSCミトコンドリアをin vivoおよびin situ画像で標識しました。脛骨前筋(TA)は、その浅い解剖学的位置、よく特徴付けられた注射量および筋膜の拡散25,26,27、そして同時機能的測定に適していることから、骨格筋イメージングの最適化のために選定されました。大臀筋(GM)は、確立された注射手順28,29、背景蛍光を最小限に抑える薄い構造、そしてGMと中臀筋間の神経筋接合部の浅い腹側位置により、tSCを骨格筋線維より優先的に標識できることに基づきtSC画像診断に選ばれました。
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生後6か月(n=3)の成年雄DBA/2J[野生型(WT)] [RRID: IMSR_JAX:000671) およびD2.B10-DMDD2.mdx/J [D2.mdx (mdx)] (RRID: IMSR_JAX:013141)、および3〜5か月齢(n=8)の成獣雄および雌のB6;D2-Tg(S100-EGFP)1Wjt/J (S100B)(RRID: IMSR_JAX:005621)[DBAと差がないためWTともプール化]は、研究者管理の継続的なコロニーから使用されました。TAおよびGM注射、組織処理、画像診断の全体的な実験ワークフローは 図1にまとめられています。追加のD2。mdx マウスはmdxにおけるtSCイメージングのために研究者提供されました(n=1)。すべての動物処置はテキサスA&M大学の施設動物ケア・使用委員会(AUP 2022-0215)によって承認され、全米研究評議会の『実験動物のケアと利用ガイド』(第8版)に従って実施されました30。安楽死は、麻酔下のイソフルラン過剰投与による子宮頸部脱臼によって行われました。
1. 2μMの蛍光ミトコンドリア染色作業液の製備
2. 染料と動物の調理
3. 脛骨前筋(TA)筋ミトコンドリア染料投与と機能
4. TA筋サンプルの画像診断
5。 GM筋肉のtSC染色ローディングと画像診断
6. 集束イオンビーム顕微鏡
7. 画像解析
8. 免疫組織化学
9. 統計分析
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ミトコンドリアネットワークは、接続性の低下が予想されました
TA筋共焦点スキャンの代表的な3D蛍光画像を、WT群とmdx群の2群に分けて示します(図2)。WT群と比較して、mdxマウスのミトコンドリア結合性はWTに比べて低下しているように見えます(図2A–D)。mdxマウスではより多くの小さなミトコンドリア断片が観察されました[<100μm2](WT、17.3±3.5%;mdx、36.3±4.9%;P = 0.015)およびWTマウスと比較して大規模に相互接続されたミトコンドリアネットワークの数[1000 μm2]を減少させました(WT、23.5 ± 0.26%; mdx、16.8 ± 1.02%;P = 0.001)(図3A,B
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ミトコンドリアの細胞構造内の位置や形態は、ミトコンドリアの健康状態や代謝需要と相関しています21。ミトコンドリアの健康の臨床的意義と、異なる細胞タイプの呼吸動態や形態の違いを踏まえ、骨格筋でのミトコンドリア形態評価のための容易適用の共焦点顕微鏡法が開発され、生 体内 で維持が困難な組織タイプにおいて形態から示されるミトコンドリアの健康状態に関する情報を提供します孤立後の構造。この点で、蛍光ミトコンドリア染料を体内で制御的に負荷することで、骨格筋とtSCの両方にミトコンドリア を標識 し、健康や疾患における基本的な形態指標の定量化が可能になりました。
骨格筋は体重の40%を占め、呼吸、ミオキン分泌、移動に必要です。ミトコンドリアの高い体重、分離の容易さ、そして多様な生理的効果から、1960年代以降、骨格筋におけるミトコ...
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著者同士には競合する利害関係はありません。
著者らは、tSCミトコンドリアの評価に用いられたD2.mdxマウスを寛大に提供してくれたマリアッパン・ムトゥチャミー博士、メンデル・リマー博士、ピーター・ンギエム博士に感謝します。この研究は、シドニー&J.L.ハフィンズスポーツ医学・ヒューマンパフォーマンス研究所学生研究助成金およびテキサスA&M大学教育・人間発達学部の資金によって支援されました。A.B.M.はNIH LRP(NIAMS, 2L40AR077899-02A3)からも支援を受けていました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 3-in-1 Whole Animal System | Aurora Scientific, Ontario, Canada | 1300A | 筋機能システムと分析ソフトウェア |
| AIVIA | Leica Microsystems, Bellevue, WA, USA | 15 | AI駆動型画像解析ソフトウェア |
| anti-laminin | MilliporeSigma | L9393-.2mL | 筋線維の境界ラベル |
| B6; D2-Tg(S100-EGFP)1Wjt/J Mouse Strain | Jackson Labs, Bar Harbor, ME | JAX:005621 | S100β |
| Cryostar NX50 Cryostat | Epredia, Kalamazoo, MI, USA | https://www.epredia.com/products/histology-instruments/cryotomy/cryostar-nx50 | 凍結切片装置 |
| D2.B10-DMDD2.mdx/J Mouse Strain | Jackson Labs, Bar Harbor, ME | JAX:13141 | D2.mdx |
| DBA/2J Mouse Strain | Jackson Labs, Bar Harbor, ME | JAX:00671 | WT |
| Dimethyl Sulfoxide (DMSO) | Fisher Scientific; Hampton, NJ, USA | BP231-100 | ミトコンドリア染色再構成試薬 |
| Hoechst 33342 | Thermo Fisher Scientific | H1399 | 細胞透過性核酸染色 |
| ImageJ/Fiji | National Institutes of Health, Bethesda, MD, USA | SCR_002285 | 2D解析ソフトウェア |
| Invitrogen ProLong Gold antifade reagent with DAPI | Fisher Scientific, Hampton, NJ, USA | P36941 | 実装媒体 |
| KimWipe | Kimberly-Clark, Irving, TX, USA | 06-666A | 実験室用ワイプ |
| Leica LAS_X software | Leica Biosystems, Wetzlar, Germany | SCR_013673 | 共焦点ソフトウェア |
| MitoView Fix 640 | Biotium | 70075-50ug | 遠赤色蛍光ミトコンドリア染色 |
| NIS-Elements Advanced Research software | Nikon, Melville, NY, USA | SCR_014329 | 断面積解析ソフトウェア |
| Permount Mounting Medium | Fisher Scientific, Waltham, MA 02454, USA | #SP15-100 | 一般実装媒体 |
| Prism 9 software | GraphPad Software, La Jolla, CA, USA | RRID: SCR_002798 | 統計解析ソフトウェア |
| Rhodamine (TRITC) | Fisher Scientific; Hampton, NJ, USA | AP132RMI | 二次抗体 |
| Stellaris 5 White Light Confocal Microscope and corresponding deconvolution software | Leica Microsystems, Wetzlar, Germany | 158301313:158201310:158004752: 158301312:158301314:158401100: 158209011:158301130:158204510: 158301120:158401140:158204511: 15500332:15506428:15506517:155 13859:15521522:15525226:155252 32:15525314:15555009:15555017: 15555046:27100022:155933660: 155933666:155933668:158000640 :158002407:158003150:158004141 :158004201:158004421:158004423 :158200681:158202140:158203114: 158203200:158203220:158204201: 158204510:158204709:158301200: 9I_LL_STELLARIS_C:9T-CLSM-APP _CLASSC:9WE_LAS_405:9WE_ LAS_WLL:9WE_LL_STELLARIS_C | 共焦点顕微鏡 |
| SZ61 | Olympus, Breinigsville, PA, USA | sz61 | 立体顕微鏡 |
| Tissue-Plus O.C.T. Compound | Scigen, Fischer Scientific, Hampton, NJ, USA | 23-730-571 | 最適切断温度化合物 |
| Visikol I | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | H1-30 | 組織クリアリング溶液 1 |
| Visikol II | Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA | H2-30 | 組織クリアリング溶液 2 |
| α-bungarotoxin 552 | Biotrend, Koln, Germany | 00014 | アセチルコリン受容体染料 |
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