우리는 뉴런 형태와 시간 경과에 따른 발달을 시각화하기 위해 전기천공법과 후속 컨포칼 레이저 스캐닝 또는 다광자 현미경에 의한 후각 감각 뉴런의 생체 내 라벨링 프로토콜을 설명합니다.
방법 논문
우리는 뉴런 형태와 시간 경과에 따른 발달을 시각화하기 위해 전기천공법과 후속 컨포칼 레이저 스캐닝 또는 다광자 현미경에 의한 후각 감각 뉴런의 생체 내 라벨링 프로토콜을 설명합니다.
후각계는 유기체의 일생 동안 새로운 뉴런을 생성할 수 있는 특이한 능력을 가지고 있습니다. 후각 상피의 기저 부분에 있는 후각 줄기세포는 축삭돌기를 후각구로 확장하는 새로운 감각 뉴런을 지속적으로 생성하며, 이 세포는 기존 회로에 통합되는 데 어려움을 겪습니다. 이러한 특별한 기능 때문에 후각 시스템은 축삭 배선 및 안내를 모니터링하고 시냅스 형성을 조사할 수 있는 독특한 기회를 나타냅니다. 여기에서는 감각 뉴런의 생체 내 라벨링 절차와 양서류 Xenopus laevis의 유충 후각 시스템에서 축삭돌기의 후속 시각화 절차를 설명합니다. 후각 기관의 감각 뉴런을 염색하기 위해 우리는 전기천공법(electroporation technique)을 채택합니다. 생체 내 전기천공법(In vivo electroporation)은 형광단 결합 덱트랜스(dextrans) 또는 기타 거대분자를 살아있는 세포에 전달하기 위해 확립된 기술입니다. 그런 다음 컨포칼 레이저 스캐닝 또는 다광자 현미경을 사용하여 살아있는 동물에서 염색된 감각 뉴런과 축삭 돌기를 모니터링할 수 있습니다. 표지된 세포의 수를 동물당 몇 개 또는 단일 세포로 줄임으로써 단일 축삭을 후각 전구로 추적할 수 있으며 일련의 생체 내 타임 랩스 이미징 실험을 수행하여 몇 주에 걸쳐 형태학적 변화를 모니터링할 수 있습니다. 설명된 프로토콜은 후각 감각 뉴런의 라벨링 및 모니터링을 예시하지만, 후각 및 기타 시스템 내의 다른 세포 유형에도 채택될 수 있습니다.
감각 뉴런의 평생 전환은 후각 시스템을 다른 많은 감각 및 신경 시스템과 구별합니다1,2. 새로 형성된 감각 뉴런은 후각 상피3의 기저 부분에서 지속적으로 생성되고 축삭돌기를 후각 시스템4의 첫 번째 중계소인 후각구로 확장한다. 그러나 후각 지도의 형성과 유지를 제어하는 세포 및 분자 메커니즘은 완전히 이해되지 않았습니다4,5.
여기에서는 유충 X. laevis의 후각 기관의 감각 뉴런을 형광단 결합 dextrans의 생체 내 전기천공법으로 라벨링하는 프로토콜을 설명합니다. 제시된 프로토콜을 통해 축삭 형태 및 연결성을 시각화하고, 시간 경과에 따른 축삭 발달을 추적하고, 축삭 배선 및 유도를 조절하는 메커니즘을 연구
할 수 있습니다.Electroporation은 덱스트란 결합 염료 및 DNA와 같은 하전 된 거대분자를 세포6,7에 도입하는 잘 정립된 방법입니다. 세포막은 짧은 전압 펄스의 적용에 의해 투과화되고 분자는 전기영동으로 사이토졸8로 전달됩니다. 마이크로피펫을 사용한 공간적 제한된 전기천공법은 뉴런을 포함한 세포의 선택적 표지를 가능하게 하며 X. laevis9,10의 시각 시스템을 포함한 다양한 뉴런 시스템에 적용되었습니다.
우리는 전기천공된 동물이 컨포칼 레이저 스캐닝 또는 다광자 현미경을 사용하여 살아있는 동물의 축삭 성장 패턴과 형태를 연구하는 데 어떻게 사용될 수 있는지 보여줍니다. 설명된 절차는 주 및 부속 후각 시스템11,12의 감각 뉴런의 축삭 돌기의 거친 토폴로지를 식별할 수 있도록 합니다. 생체 내 타임랩스 이미징을 사용하여 단일 성숙한 감각 뉴런의 사구체 연결을 감독하고 미성숙 감각 뉴런의 축삭 투영 패턴의 진화를 모니터링하는 데에도 적합합니다12. 설명된 프로토콜은 온전한 동물에서 후각 회로의 구조와 형성을 조사하는 데 적용할 수 있으며 후각 및 기타 신경 시스템 내의 다른 세포 유형에 적용할 수 있습니다.
참고 : 동물 실험 윤리에 대한 괴팅겐 대학위원회의 승인을 동물 취급 및 실험을 수행 하였다.
악기와 피펫 제조 1. 준비
일렉트로 솔루션 2. 준비
애벌레 X의 3. 선택 laevis의 </ EM>
형광 결합 된 덱스 트란 4. 일렉트로
세포와 축삭 프로세스의 생체 시각화 5. 설치 동물
세포와 축삭 프로세스의 전의 VIVO 시각화 6. 설치 동물
7. 이미지 처리 및 데이터 평가
설명 된 프로토콜이 성공적으로 전기 및 마취 X.의 후각 시스템의 감각 뉴런의 축삭 프로세스 생체 시각화 적용될 수있다 laevis의, 공 초점 레이저 스캐닝 또는 광자 현미경 (그림 1)를 사용하여.
전기는 형광 결합 된 덱스 트란 입력하고 빠르게 후각 기관의 세포 내부에 확산 할 수 있습니다. 이것은 전압 펄스 트리거링 후 성공적인 라벨을 확인하는 형광 조명을 적용하는 것이 도움이된다. , 전기 파라미터들에 따라 예를 들면., 피펫 저항은, 세포 (도 2A, B) 또는 후각 기관의 단셀 (도 2c)의 그룹이 표시되어있다. 표시된 감각 뉴런의 축삭은 후각 신경 (그림 2D)으로 시각화 할 수 있으며 축삭 프로세스는 성공적인 전기 후, 후각 망울도 보통 24 시간을 관찰 할 수있다(그림 3). 감각 뉴런의 그룹 일렉트로는 후각 망울 (도 3a)에서 거친 배선 패턴을 시각화 허용한다. 단세포 전기 천공은 후각 망울 (도 3C-E)에서 사구체 구조 개별 축색 돌기 패턴, 축삭 분기점 및 연결성을 조사하기 위해 적용될 수있다.
X의 투명 흰둥이 올챙이 생체 공 초점 또는 마취 올챙이의 그대로 뇌에 표시된 감각 뉴런의 광자 이미징 laevis의 허가. 동일한 표지 감각 뉴런 (도 4)의 생체 내에서 반복하여 시각화 축삭 성장 패턴의 개발은 며칠 / 주에 걸쳐 추적 될 수있다. 후각 망울의 축삭 패턴이 상당히 달라질 수 일렉트로 시점 감각 신경 세포의 성숙에 따라. 성숙한 신경 세포는 이미 술을 특징으로 정교한 축삭 가지를 가지고사구체에 연결 ED 지역. 성숙한 신경 세포의 축삭의 성장 패턴은 오히려 안정적이지만, 축삭 분기 및 사구체 터프 개선의 신장 (그림 4A-E) 관찰 할 수 있습니다. 감각 뉴런, 연장 된 시간 기간 동안 생체 내에서 관찰 할 수있다 예를 들어., 이상 3 주 이상 (도 4F-I). 한편, 미성숙 신경 축색은 터프 arborizations를 가지지 않는, 초기 성장 과정에 여전히 아직 최종 사구체 타겟에 연결되지 않았다. 실험적 프로토콜은 성숙 동안 이러한 뉴런의 발달을 추적 가능 예., 축삭 신도 분기점 터프 arborizations (도 4J-L)의 확립. 더 예를 들어도 Hassenklöver과 만지니 (12)을 참조하십시오.
마취 X의 후각 기관의 실험 프로토콜의 그림 1. 개요도. (A) 주 후각 상피의 감각 신경 세포 (MOE) 또는 서 골비 기관 (VNO) laevis의 유충은 형광 덱스 트란 용액을 가득 유리 피펫을 사용하여 전기로 표시되어 있습니다. 표지 된 신경 세포의 축삭은 후각 신경 (ON)을 통해 다음과 결국 후각 망울 (OB)에 도달. (B) 올챙이는 마취 및 레이블 뉴런을 반복해서 특정 시간 간격으로 공 초점 또는 다 광자 현미경을 사용하여 조사 하였다 할 수있다. (C)라고 표시된 세포의 축삭의 성장 패턴의 점증 적 개발은 주 일의 시간 범위에 걸쳐 올 수 있습니다.

그림 2. 선거법후각 기관에서 감각 신경의 troporation. 낮은 저항 피펫으로 (A) 일렉트로는 후각 기관의 여러 세포의 라벨링에 연결됩니다. 이 대표적인 예에서 다수의 후각 수용체 뉴런 (ORNs, 작성 화살촉)와 두 개의 기둥 모양의 세포를 지원 SCS (별표) 염색 하였다. 점선은 피펫 저항을 증가, 표지화 된 세포의 수를 제한하고, 후각 상피 (OE). (B) 전기 파라미터를 정제, 예를 들면.의 경계를 구별. 이 예에서, 하나의 감각 신경 세포 (작성 화살촉)와 하나의 인접한지지 세포 (별표)는 전기 후 염색 하였다. 후각 상피 (오픈 화살촉)를 떠나 하나의 축삭을합니다. (C)을 성공적으로 단일 세포 전기 개별 감각 신경 세포 (채워진 화살표) 및 후각 상피의 연결 축삭 (오픈 화살촉)의 독점적 인 라벨로 이어집니다.

그림 3. 절제 후각 망울의 후각 축삭 돌기를 시각화. (A) 후각 망울에서 감각 신경의 축삭 돌기의 거친 토폴로지는 낮은 저항 전기 피펫을 사용하여 시각화 할 수 있습니다. 하나의 후각 망울의 반구와 관련 후각 신경 (ON)이 그려져있다. 다른 형광 물질에 결합 된 네 덱스 트란이 후각 기관의 네 먼 위치에서 일렉트로되었다 : 횡 (녹색), 중간 (노란색), 환경부 (적색)과 VNO (오렌지)를 내측. 이것은 액세서리 후각 망울 (AOB) 및 메인 후각 망울 (MOB)의 세 가지 주요 투영 필드를 시각화한다. (CE)

단일 후각 신경 세포의 축삭의 생체 시간 경과 영상에서 그림 4. (AE)성공적인 단일 세포 전기 후 레이블 축삭 반복 후각 망울 (OB)으로 시각화 할 수 있습니다. 이 예는 일주일 동안 조사 된 개별 축삭을 보여줍니다. 전체적인 형태는 현저하게 변경되지 않으며, 두 개의 주요 분기점 삭제 (오픈 화살촉) 식별 될 수있다. 다른 두 사구체 다발 안정 (별표)를 유지하는 반면 시간의 과정을 통해, 하나의 사구체 술이 지속적으로 감소 (채워진 화살표)를 거쳐 있습니다. (FI)이 대표적인 예는 장기적인 관찰의 가능성을 보여줍니다이 특정 축삭을 조사 하였다으로 3 주 이상합니다. 성장 패턴의 어떠한 명백한 변화가 검출 될 수 없다. (JL)은 성장 과정에서 미성숙 감각 축삭의 예가 도시된다. 그것은 아직 사구체하고 특성 사구체 깃이없는 연결되지 않았습니다. 축삭 가지가 가늘고 긴 오일 후, 축삭은 여러 번 미세 arborizations은 두 갈래로 갈라설립했다.
여기에 설명 된 실험 절차 유생 X.의 후각 기관의 라벨링 감각 뉴런을 허용 형광 결합 된 덱스 트란과 살아있는 동물에서 감각 축삭의 성장 이후의 시각화의 전기에 의해 laevis의. 생체 내 전기 천공의 파라미터를 변화시킴으로써 표지화 감각 뉴런의 수를 제어 할 수있다. 그것은 거의 또는 단일 셀 감각 상피의 신경 세포의 큰 그룹 레이블을 억제 할 수있는 효과가있다.
이 마이크로 피펫 특성과 전기 펄스에 대해 특히주의하는 것이 중요하다 신경 라벨의 확장 원하는 보장합니다. 높은 피펫 저항 및 전압 펄스 진폭, 지속 시간 및 반복 횟수의 감소는 더 광범위 라벨링 이어질 수 피펫 저항 및 높은 전압 펄스 진폭, 지속 시간 및 펄스의 개수를 감소시키는 반면, 표지화 된 세포의 양을 줄일 수있다. 목전기에 대한 형광 덱스 트란의 전자 사용은 적용되는 설정이 적절한 경우에 즉각적인 시각적 피드백을 제공합니다. 주의 그 진폭, 기간 및 잠재적으로 세포 손상으로 이어질이나 사망 17 셀 수있는 프로토콜에서 제공하는 값을 초과 펄스 수에 대한 매개 변수를 사용하여. 마이크로 피펫의 막힘 또는 파손 팁도 성공적으로 전기를 방해 할 수 있습니다.
X의 후각 기관에서 생체 전기에서 postmetamorphotic 개구리의 피부는 강인하고 쉽게 마이크로 피펫으로 침투 할 수 없기 때문에 laevis의 유생 단계로 제한됩니다. 신경 프로세스 생체 가시화 깊은 뇌 영역 또는 혈관에 의해 여기 / 발광 빛의 산란에 의해 방해 될 수있다. 이 문제는 더 큰 뇌에 더 높은 유생 단계에서 특히 분명하게 미세 축삭 프로세스의 명확한 식별이 더 어려워 노이즈 신호가 발생할 수 있습니다.
제시된 프로토콜은 허가 클래스는 전체 세포 패치의 라벨처럼, 동물을 해부 라벨 동안 세포를 손상, 조직 슬라이스를 준비하거나 다른 방법에 필요한 조직을 고정하지 않고 그대로 후각 시스템의 감각 신경을 시각화 -clamp 실험 18. 생체 시간 경과 이미징 또는 몇 번의 감각 뉴런의 라벨링을 결합 할 때, 긴 시간 간격 동안 하나의 성숙한 감각 뉴런의 사구체 연결을 시각화 할 수있다. 이 방법은 여러 주 동안 미성숙 감각 뉴런의 축삭 돌기 패턴의 발전을 모니터 할 수도있다. 그것은 살아있는 동물에서 하나의 축삭의 성장 패턴을 모니터링 할 수 있습니다으로이 후자의 옵션은 특히 흥미 롭다. 이 축삭지도와 길 찾기를 제어 세포 및 분자 메커니즘을 조사 할 수있는 가능성을 엽니 다. 후각 수용체 발현을 포함하여 여러 가지 요인, 각종 AXOn 개의 안내 분자 및 후각 감각 뉴런의 유도 / 운동량은 감각 신경 축삭 4,5의 목표 발견을 조절하는 것으로 나타났다.프로토콜 어플리케이션은 후각 감각 뉴런에 한정되지 않고, 또한 예를 들어, 다른 세포 유형을 연구하기 위해 적용될 수있다., 뇌 발달 또는 후각 망울의 승모판 세포의 신경성 영역 / 전구 줄기 세포. 또한 증명 기술은 또한 신경 세포 표지 및 / 또는 연결된 회로 7,19 대한 기능적 정보를 얻을 막 투과성 칼슘 염료를 칼슘 민감성 덱스 트란과 병용하거나 주입 할 수있다. 덱스 트란에 결합 된 형광 물질의 광범위한 이용 가능성은 복수의 개별 셀 또는 다른 색 개체군 표지를 허용한다. 또한 형광 단백질 예 인코딩 DNA 용액을, 플라스미드, 전기 천공에 적합하고 더욱 versatili을 향상시킬 수있다타이 및 기술 (6)의 유용성. 프로토콜은 또한 덱스 트란 및 DNA 또는 청구 morpholinos의 결합 된 전기는 유전자 발현 (13 및 17)를 조작 할 수 있도록 향상 될 수있다.
한 방법은 확실히 복잡하고 척추 동물의 후각 시스템의 축삭 지침을 조절 아직 완전히 이해되지 프로세스를 조사 할 수있는 새로운 도구를 나타냅니다.
저자는 공개할 것이 없습니다.
이 작업은 DFG Schwerpunktprogramm 1392(프로젝트 MA 4113/2-2), 우수 및 DFG 연구 센터 나노 스케일 현미경 및 뇌 분자 생리학 클러스터(프로젝트 B1-9) 및 독일 연구 교육부(BMBF; 프로젝트 1364480)의 지원을 받았습니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 형광등이 있는 | SZX16 | 올림푸스 | |
| Axon Axoporator 800A | 분자 장치 | 단일 세포 전기자극기 | |
| ELP-01D | npi 전자 | 전기자극기 | |
| MMJ | Mä rzhä 사용자 Wetzlar | 수동 마이크로매니퓰레이터 | |
| P-1000 | Sutter | 수평 마이크로피펫 풀러 | |
| G150F-4 | 워너 인스트루먼트 | 전기천공법 피펫 제조를 위한 유리 모세관; 내부 필라멘트로 되메우기가 더 쉬워짐 | |
| Alexa 488-dextran 10 kD | Life Technologies | D22910 | |
| Alexa 546-dextran 10 kD | Life Technologies | D22911 | |
| Alexa 568-dextran 10 kD | Life Technologies | D22912 | |
| Alexa 594-dextran 10 kD | Life Technologies | D22913 | |
| TMR-dextran 3 kD (micro-Ruby) | Life Technologies | D7162 | |
| Microloader 피펫 팁 | Eppendorf | 930001007 | |
| Tricaine (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate) | Sigma-Aldrich | E10521 | 마취제; 장갑 사용 |
| A1-MP | Nikon | 다광자 현미경 | |
| LSM 780 | Zeiss | 컨포칼 현미경 | |
| Imaris | Bitplane | 신경 세포 추적을 위한 대체 소프트웨어 |
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