Method Article

Analyse van de Brain Mitochondriën gebruik van Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy

DOI:

10.3791/54214

July 9th, 2016

In This Article

Summary

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het visualiseren en analyseren van mitochondriën uit hersenweefsel van zoogdieren is een uitdagende taak. Hier beschrijven we hoe driedimensionale (3D) reconstructie-analyse van de seriële blok-face scanning elektronenmicroscopie (SBFSEM) kan worden gebruikt om inzicht te krijgen in de morfologische en volumetrische analyse van dit cruciale energieproducerende orgaantje.

Abstract

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Menselijk brein is een hoge energie verbruikende orgaan dat voornamelijk is gebaseerd op glucose als brandstof bron. Glucose wordt gekataboliseerd door hersenen mitochondria via glycolyse, tri-carbonzuur (TCA) cyclus en oxidatieve fosforylering (OXPHOS) wegen om cellulaire energie te produceren in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP). Bijzondere waardevermindering van mitochondriale ATP productie veroorzaakt mitochondriale aandoeningen, die klinisch presenteren met prominente neurologische en myopathische symptomen. Mitochondriale gebreken zijn ook aanwezig in neurologische aandoeningen (bv autisme spectrum stoornis) en neurodegeneratieve aandoeningen (bijvoorbeeld amyotrofe laterale sclerose, de ziekte van Alzheimer en de ziekte van Parkinson). Aldus is er een toenemende belangstelling voor het gebied voor het uitvoeren van 3D analyse van mitochondriale morfologie, structuur en distributie onder gezond en ziektetoestanden. De hersenen mitochondriale morfologie is zeer divers, met een aantal mitochondria name inde synaptische gebied in het bereik van <200 nm diameter, hetgeen lager is dan de resolutielimiet van traditionele lichtmicroscopie. Uitdrukken van een op mitochondriën gerichte groen fluorescerend eiwit (GFP) in de hersenen aanzienlijk verbetert de organellen detectie met confocale microscopie. Dit betekent echter niet de beperkingen van de gevoeligheid van detectie van relatief kleinschalige mitochondria overwinnen zonder oversaturating de beelden van groot formaat mitochondria. Terwijl seriële transmissie elektronenmicroscopie is met succes gebruikt om mitochondriën karakteriseren de neuronale synaps, deze techniek is zeer tijdrovend vooral bij het vergelijken van meerdere monsters. De seriële blok-face scanning elektronenmicroscopie (SBFSEM) techniek houdt een geautomatiseerd proces van snijden, imaging blokken van weefsel en data-acquisitie. Hier bieden we een protocol om SBFSEM uitvoeren van een bepaald gebied van knaagdieren hersenen om snel te reconstrueren en te visualiseren mitochondriale morfologie. deze technique kan ook worden gebruikt om nauwkeurige informatie over mitochondrial nummer, volume, grootte en verdeling in een bepaald hersengebied verschaffen. Omdat de verkregen beeldresolutie is hoog (meestal minder dan 10 nm) alle bruto mitochondriale morfologische defecten kunnen ook worden gedetecteerd.

Introduction

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Mitochondriën zijn dynamische organellen die hun vorm en locatie afhankelijk van de cellulaire signalen en verandert zal in nauwe interactie met mobiele cytoskelet en als reactie op cellulaire gebeurtenissen zoals calcium stromen in neuronen 1. Mitochondriën ook een wisselwerking met andere cellulaire organellen, bijv endoplasmatisch reticulum, waardoor reguleert de dynamiek en metabolisme 2. Mitochondriale morfologie toont heterogeniteit in verschillende celtypen dwz. de vorm van het organel verschilt van die buisvormige bestaande uit platen, zakken en ovalen 3. Het is aangetoond dat mitochondriale fusie en splijtstofcyclus eiwitten de locatie, afmeting, vorm en verdeling van mitochondria 4 kan reguleren. Bovendien, veranderingen in mitochondriale vorm geassocieerd met neurodegeneratie, neuronale plasticiteit, spieratrofie, calcium signaaloverdracht, reactieve zuurstofspecies generatie en levensduur en celdood impliceert that celspecifieke mitochondriale morfologie essentieel is voor de handhaving van normale cellulaire functie 5-11.

Een belangrijke bio-energetische functie van de mitochondriën is om adenosine trifosfaat (ATP) te genereren door het uitvoeren van een reeks van metabole reacties die volledige afbraak van voedingsstoffen (ie glucose, vetzuren en aminozuren) via de TCA cyclus te betrekken en OXPHOS trajecten 12. Het menselijk brein vormt slechts 2% van het lichaamsgewicht maar het verbruikt ~ 20% van de totale energie geproduceerd, waardoor het een zeer energie veeleisende orgaan 13. Het is dan ook niet verwonderlijk dat mitochondriale dysfunctie bij de mens leidt tot een groot aantal neurologische verschijnselen 14-17. Genetische mutaties in OXPHOS componenten die ATP productie leidt afbreuk mitochondriale aandoeningen 17,18, die klinisch heterogene groep van aandoeningen met een prevalentie van ~ 1: 5000 individuen, en een van de meest voorkomende oorzaak van metabolic stoornissen bij kinderen en volwassenen. Deficit van mitochondriën afkomstig ATP invloed op meerdere orgaansystemen met een hoge energie-eisen organen, zoals de hersenen, het hart en de skeletspieren wordt voornamelijk beïnvloed bij deze patiënten 14,17,18. In de afgelopen jaren hebben meerdere studies bewijs geleverd voor mitochondriële disfunctie bij zowel neurologische en neurodegeneratieve aandoeningen 15-17,19,20. Aangezien mitochondria essentieel en kritisch voor ontwikkeling van de hersenen en de functie, is het noodzakelijk om protocollen die veranderingen in de hersenen mitochondriale morfologie, structuur, grootte, aantal en distributie onder zowel gezonde als zieke toestanden kunnen analyseren ontwikkelen. Muismodellen mitochondriën gerichte groen fluorescerend eiwit (GFP) werden geproduceerd om mitochondriale mutaties en lokalisatie visualiseren in de hersenen 21,22. Hoewel dit een zeer nuttig hulpmiddel mitochondriale motiliteit algemene verspreiding te onderzoeken, zijn er een aantal nadelen die include beperkte resolutie en gevoeligheid van fluorescentie microscopie. Deze kenmerken maken het moeilijk om de relatief kleine formaat mitochondria volgen. Evenzo seriële transmissie elektronenmicroscopie is met succes gebruikt om synaptische mitochondriën 23 bekijken, maar deze methode is zeer tijdrovend. Mitochondriale morfologie bekend is zeer dynamisch te zijn als ze worden voortdurend kernsplijting en kernfusie cycli, en in de meeste cellen mitochondria onderhouden van een sterk verbonden netwerk 24-26. Neuronen zijn sterk gepolariseerde cellen met meerdere dendrieten en axonen verlengd, en dat mitochondria een aangesloten netvormige netwerk in het cellichaam vormen kan hebben om te scheiden als zij hun weg door deze neurieten (figuur 1). Hierdoor hersenen mitochondriën zeer gevarieerd in grootte en vorm. Bijvoorbeeld met gebruikmaking serieblok-face scanning elektronenmicroscopie (SBFSEM) techniek we eerder waargenomen dat het verschil in de hoeveelheid of de grootte van extrasynaptic mitochondria aan mitochondria in de zenuwuiteinden kan zo veel als zestien vouwen 27.

Er zijn verschillende manieren voor het uitvoeren van analyses volume 28, welke seriële sectie TEM 29, geautomatiseerde tape verzamelen ultramicrotoom SEM 30 omvat, gefocusseerde ionenbundel SEM 31 en SBFSEM 32. De SBFSEM analyse heeft voordelen doordat zij de resolutie kwantitatieve gegevens over de morfologische vorm, grootte, verdeling en het aantal van organellen zoals mitochondriën, deze gebieden tot 1 mm van de hersenen. De technische werking is ook de minst veeleisende, met data-acquisitie en analyse binnen de mogelijkheden van vele biologische laboratoria die eerdere EM ervaring missen. De komst van commerciële instrumenten voor het genereren seriële sectie-achtige beelden heeft 3D ultrastructurele analyse van weefsels die routinematig techniek, die een onbevooroordeelde volumetrische analyse op een snelle en reproduceerbare wijze 28 verder toelaat . De SBFSEM werd eerst beschreven en gebruikt in het gebied van neurobiologie in 2004 32, gebaseerd op een idee van Leighton geïntroduceerd in 1981 33. Meerdere studies sindsdien deze techniek als een belangrijk instrument voor reconstructie analyse van neuronale circuits 34 zijn opgesteld. Bovendien vele kleinere projecten, biedt reconstructie analyse celorganellen 27,35-39 identificeren. Daar worden de verkregen beelden afkomstig zijn van lage spanning terug scatter elektronen, nieuwe kleuringsprotocollen waarin verschillende bekende heavy metal-kleuring technieken te combineren werden ontwikkeld om de resolutie van 40 te verhogen.

In dit artikel geven we een protocol voor het gebruik van 3D-elektronenmicroscopie beeldvorming en volumetrische analyse van de hersenen mitochondriën gebaseerd op methoden die eerder zijn gebruikt door ons en anderen 38,39,41. Het weefsel nabewerking methoden waren zoals eerder beschreven door Deerinck c.s.40.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ethiek Verklaring: Procedures waarbij proefdieren zijn goedgekeurd door de Institutional Animal Care en gebruik Comite (IACUC) op Virginia Tech.

Let op: Extreme voorzorgsmaatregelen moeten worden genomen bij het hanteren en afvoeren verschillende onderdelen gebruikt in dit protocol. Voor gebruik moet de lokale institutionele richtlijnen en praktijken gezondheid en veiligheid worden opgesteld en in acht name van osmiumtetroxide dat vluchtig en zeer giftige, uranyl acetaat, die zowel een zwaar metaal en radioactieve bron en loodnitraat, wat een heavy metal gif. Thiocarbohydrazide (TCH) kan ontbinden explosieve en giftige gassen produceren, verkeerde behandeling. Veel instellingen zullen een EM kernfaciliteit waarin deze reagentia routinematig worden gebruikt en kan hulp te bieden hebben.

1. Voorbereiding van het hersenweefsel en SBFSEM Imaging

  1. Verdoven jonge (~ 2-4 maanden oud) C57 zwarte muizen (C57BL / 6J-stam) gebruikt 4-5% isoflurane volgens de institutionele richtlijnen. Bevestig verdoving door het volgen van het verlies van spiertonus, gebrek aan vrijwillige bewegingen en reacties op aversieve stimuli als een staart knijpen.
  2. Speld de muis op een dissectie lade en zorg een incisie op de huid langs de ventrale middellijn. Verdere incisies in de huid op de borstkas van de muis bloot. Incise het middenrif, en zorgvuldig ontleden uit de borstholte langs de periferie naar het kloppend hart bloot te leggen, en maak dan een incisie aan de rechter atrium.
  3. Met behulp van een vlinder canule canule de linker ventrikel. Perfuseren de muis transcardially behulp 10-20 ml fosfaatbuffer zoutoplossing (PBS) pH 7,2, tot leegbloeden wordt bevestigd door een verandering in de kleur van de lever.
    Opmerking: Een verandering in de kleur van de lever wordt gebruikt als een leidraad voor het bepalen van de omvang van de verbloeding. Bevestigen dat de lever kleur verandert van roodachtig bruin tot lichtroze.
  4. Perfuseren de muis transcardially behulp 10-20 ml 2% glutaraldehyde en 4% paraformaldehyde in 0,10 M cacodylaatbuffer (pH 7,2), aan het hersenweefsel snel oplossen van binnenuit. Fixatie wordt bewaakt door het observeren van de staart verstijving.
    Opmerking: Bereid 0,10 M cacodylaatbuffer (pH 7,2) door het oplossen van 2,14 g natriumcacodylaat in 80 ml water, voeg zoutzuur om de pH en maken het volume op 100 ml met water.
  5. Na perfusie onthoofden de muis, ontleden de hersenen, gevolgd door fixatie in 0,10 M natriumcacodylaat (pH 7,2) bevattende 2% glutaaraldehyde en 4% paraformaldehyde gedurende 48 uur bij 4 ° C
  6. Na 48 uur laten 400 urn coronale secties met behulp van een vibratoom en vervolgens voorzichtig ontleden het gebied van belang in de hersenen (bijvoorbeeld de hippocampus) onder de dissectie microscoop 42. trimmen voorzichtig het weefsel en neem een ​​foto voor het behoud van de oriëntatie.
    Opmerking: Post verwerkingsmethoden weefsel kleuring in SBFSEM combineert een verscheidenheid van heavy metal kleuring methoden inOm de resolutie te verbeteren en zijn gebaseerd op de methode die eerder door Deerinck et al 40 ontwikkeld.
  7. Was de glutaaraldehyde gefixeerde weefsels 3 keer 5 min elk in 0,1 M cacodylaatbuffer (pH 7,2).
  8. Bereid 0,1% looizuuroplossing door oplossen looizuur in 0,1 M natriumcacodylaat (pH 7,2). Swirl totdat het is opgelost en filteren door middel van 0,45 pm filter, indien nodig.
  9. Postfix de weefsels cacodylate gebufferde 0,1% looizuur door incubatie in 1 ml reagens voor 30 - 60 minuten bij kamertemperatuur.
    Opmerking: De incubatietijd is afhankelijk weefselgrootte, maar 30 min het beste werkt voor de meeste weefsels.
  10. Wassen weefsels 3 keer 5 min elk in cacodylaatbuffer (pH 7,2).
  11. Los op 0,3 g kaliumferrocyanide en 0,86 g natriumcacodylaat in 10 ml gedestilleerd H2 O (dH 2 O). Houd de kaliumferrocyanide-oplossing op het ijs. Net voor gebruik, voeg 10 ml van 4% osmiumtetroxide (OsO 4).
  12. Vlekken op de weefsels met 2% osmium-ferrocyanide oplossing voor 90 min op ijs. Was 3 maal, 5 min elk in dH 2 O.
  13. Bereid 1% thiocarbohydrazide (TCH) oplossing door het oplossen van 0,1 g TCH in 10 ml dH 2 O. Oplossen bij 60 ° C door zwenken om de 10 min tot het volledig opgelost. Neem de veiligheidsvoorschriften bij behandeling van TCH, in het bijzonder zorgen om gebruik te maken van metalen, verhitting tot hoge temperaturen, of als oplossing te voorkomen uit te drogen.
  14. Behandel de monsters met vers bereide 1% TCH gedurende 20 minuten bij kamertemperatuur. Was 3 maal, 5 min elk in dH 2 O.
  15. Verdun 4% OsO 4-2% met dH 2 O, vlek weefsels met 2% waterig osmiumtetroxide door incubatie gedurende 1 uur. Wassen weefsels 3 keer, 5 minuten elk met dH 2 O.
  16. Incubeer de monsters O / N op 1% uranylacetaat in dH 2 O bij 4 ° C.
  17. Bereid Walton's lead aspartaat-oplossing (zoals beschreven door Deerinck et al 40).
    1. Los op 0,998 gram L-aspartaat in 250 ml dH 2 Oen voeg 10 N kaliumhydroxide (KOH) druppelsgewijze totdat de pH 5,5 bereikt. Na pH aanpassing, voeg 0,066 g loodnitraat in 10 ml asparaginezuur voorraad en verhit tot 60 ° C gedurende 30 minuten.
  18. Spoel weefsels in dH 2 O en incubeer met Walton's lead aspartaat vlek gedurende 30 minuten in een 60 ° C oven. Was 3 maal, 5 min elk in dH 2 O.
  19. Uitdrogen monsters door een gegradeerde reeks van alcohol via gekoelde oplossing van 20%, 50%, 75%, 85% en 95% ethanol gedurende 5 minuten elk, gevolgd door 100% ethanol 3 maal, 10 minuten elk.
    Opmerking: Gebruik 100% ethanol uit vers geopende fles, als geopend ethanol absorbeert water uit de lucht en veroorzaken inbedding te mislukken. Langere incubaties nodig met grotere weefselmonsters.
  20. Spoelmonsters 2 maal, 15 minuten elk in propyleenoxide.
  21. Voeg plasticinsluiting hars middels 25 ml hars, 10,5 ml DDSA (dodecenyl barnsteenzuur anhydride), 15,5 ml NMA (methyl Nadic anhydride) en 1 mlDMP-30 (2,4,6-tris dimethylaminomethyl fenol). Meng de hars door schudden. Spin en laat de hars totdat bubbels vastberadenheid staan.
    Let op: Dit is de standaard gemiddelde hardheid recept. Andere soorten elektronenmicroscopie (EM) plastic hars gebruiken, maar moet worden getest met een niet-essentiële controlemonster van tevoren als niet alle harsen werken SBFSEM.
  22. Incubeer de weefsels O / N op een 50: 50 mengsel van inbedding hars en propyleenoxide, in een flacon die aanvankelijk wordt afgedekt, dan afgetopte na 2 uur, zodat het propyleenoxide verdampt in de periode van ongeveer 8-10 uur.
  23. Transfer het weefsel 100% verse inbedding hars in schone flesjes voor 2 uur.
  24. Insluiten monsters verse inbedding hars in vlakke matrijzen bevattende bedrukte papieren etiketten en harden ze in een oven bij 60 ° C gedurende 48 uur. Na ongeveer 1 uur, controleer dan het weefsel plaatsing en uitlijning weer, en indien nodig bijstellen.
  25. Trim monsters naar het gebied van interesse en monteren op een aluminium pin met behulp van Gelling cyanoacrylaat superlijm of een geleidende epoxyhars, vervolgens een laag colloïdaal zilver pasta rond de zijkanten van het blok naar een geleidingsbaan aan de aluminium pen verschaffen.
  26. Onderzoek weefselmonsters met behulp van een scanning elektronenmicroscoop systeem uitgerust met een interne kamer ultramicrotoom stadium lage kV teruggekaatste elektronen detector 32.
    Let op: Zorg voor instrument- en de site-opleiding in de scanning elektronenmicroscoop (SEM) te gebruiken en uitgegroeid tot een geautoriseerde gebruiker. Als alternatief kan samenwerking met een onderzoeker of kernfaciliteit voor kleine projecten mogelijk zijn. Straling training kan ook nodig zijn als SEM genereren x-stralen.
  27. Om het beeld van de monsters, kunt u de volgende instellingen: 2,25 kV, is 5 - 10 nm / pixel resolutie, met veld maten tussen 80-250 urn x, y (ander gebied maten mogelijk), en slice dikte van 50 - 100 nm, met in totaal 250-600 segmenten in een 16 - 20 uur periode.
    Opmerking: Instellingen aanzienlijk variëren tussen de verschillende microscopen, indiindividuele monsters, en de gewenste resolutie. Deze instellingen moeten beelden die eenvoudig te interpreteren vele monsters produceren.

2. Het analyseren van de Imaging Dataset

Opmerking: Het beeld J / Fiji software wordt gebruikt om de dataset te analyseren en vertrouwt op de TrakEM2 plug. Voorbewerken stappen kunnen worden uitgevoerd met verschillende software, en kan daarna of kleine afhankelijk van de ervaring niveau en de stapels verkregen. De belangrijkste transformaties met behulp van de open-source software (ImageJ ver 1.50b, Fiji downloaden 1 oktober 2015) worden hier beschreven.

  1. afbeeldingen naar 8 bit tiff-formaat te converteren van de oorspronkelijke eigen 16-bits afbeeldingen door het openen in de software en het selecteren van menu-items Afbeelding → Type → 8 bit.
    1. Als automatische conversie contrast / helderheid tijdens deze stap is niet ideaal voor afbeeldingen, heropenen de 16-bits afbeeldingen, en druk op Afbeelding → Aanpassen → Helderheid / Contrast. Selecteer een bereik die werkt voor alle afbeeldingen en druk op Toepassen. Voer vervolgens conversion. Opmerking: Op sommige SEM, kan deze stap microscope fabrikant van software nodig.
    2. Indien nodig, te wijten aan een gebrekkige beeld- beweging tussen segmenten (bv. Drift als gevolg van het laden), registreren / uitlijnen het beeld stacks (menu-items Plugins → Registratie → Linear StackAlignmentWithSIFT). In de meeste registratie software, die voor "vertaling-only" mode in plaats van "star lichaam".
      Opmerking: Veel benaderingen en software kan werken: de SIFT registratie plug-in werkt voor vele toepassingen en er is een virtuele stack versie.
      1. Indien nodig, vergroot het doek grootte voorafgaand aan de registratie (Afbeelding → Aanpassen → canvasmaat) of te reduceren tot een gebied van belang (Afbeelding → Crop).
        Opmerking: Sommige drift of splaying kunnen optreden, en proberen andere plugins of software kunnen betere resultaten. Handmatige opties zijn ook beschikbaar (bijv. ImageJ / Fiji, Plugins → Registratie → ManualLandmarkSelection).
    3. Als desired, schaal beelden naar kleinere, meer beheersbare omvang (bv. 25%) met behulp van ImageJ (Afbeelding → ​​Scale).
  2. Start de software, selecteert u Bestand → Importeren → reeks afbeeldingen en selecteer vervolgens de tiff-bestanden.
  3. Start de plugin door Bestand → Nieuw → TrakEM2 (blanco). Twee vensters te openen; één beheert het project en area_lists en de andere beheert tracing, en wordt aangeduid als het 'doek'.
  4. Laad de afbeelding stapel in de plugin door een klik met de rechtermuisknop op het doek import. Kies de invoer en klik op import stack. In de pop-up opties, vinkt u het vakje voor virtuele stacks.
    Opmerking: hoewel het beeld stacks reeds in de software worden geopend, moeten ze ook worden geopend in de plugin. De computer kan soepeler lopen als de doos virtuele stacks wordt gecontroleerd.
  5. Nadat de mipmaps worden gecreëerd en de stack wordt geladen, klik met de rechtermuisknop op het project onder de plugin venster te noemen. Klik met de rechtermuisknop op 'nieuw project' in de sjabloon colUMN, en selecteer 'add new kind' voor dat project. Klik met de rechtermuisknop opnieuw om 'area_list' te selecteren.
  6. Stel de Z-as omvang van het project in te stemmen met de originele electronen microscoop instellingen door rechts te klikken op het doek, en klik vervolgens op scherm en selecteer kalibratie. Stel bovendien de Z-schaal door het selecteren van alle lagen in de plug-in venster, klik met de rechtermuisknop op schaal Z en de dikte te selecteren.
  7. Klik en sleep de 'project' en al 'kinderen' in het project sectie om de 'gebied lijsten' onder de tab 'Z ruimte' in het doek venster te maken objecten.
  8. Selecteer het 'gebied list' en klik met de rechtermuisknop te selecteren en een kleur. Nu, met de kwast tool om objecten zoals mitochondriën te sporen, in de electronen microscoop beelden. Gebruik 'Shift + klik op' in een gesloten cirkel te vullen, 'Ctrl + scrollen' om in en uit te zoomen, en 'Alt + klik op' om kwast cursor veranderen in een gum.
  9. Kies twee gebieden van ~ 10-15 urnvan 10 - 15 urn op de linkerbovenhoek en rechteronderhoek van het beeld en identificeren van alle mitochondriën binnen deze gebieden onpartijdige bemonstering van mitochondriën in elke dataset mogelijk te maken.
  10. Op het 'doek', te observeren en te traceren mitochondriën het hele secties. Let op: Mitochondriën zijn vrij donker / dichte verschijnen organellen, van vergelijkbare grootte in diameter en losjes cilindrisch. De unieke cristae gevormd door de binnenste membraan zijn gemakkelijk te onderscheiden binnen dit organel.
  11. Wanneer u klaar bent met het traceren, klik met de rechtermuisknop op het area_list onder het tabblad Z ruimte, selecteert u 'Show in 3D'. Dit zal de 3D-viewer plugin lanceren om een ​​3D-reconstructie van de getraceerd afbeelding te bekijken.
    1. Mitochondriale volume metingen, selecteert u object in 3D-viewer uit te voeren, klikt u op het tabblad 'Edit' en selecteer 'Objecteigenschappen'. De mitochondriale volume schatting wordt vermeld samen met een aantal andere metingen.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We tonen aan dat de hersenen mitochondriale morfologie en grootte heterogeen van verschillende neuronale deelcompartimenten. Confocale microscopie op lage dichtheid neuronale culturen getransduceerd met lentivirus uiten van mitochondriën gerichte groen fluorescerend eiwit toonde aan dat mitochondria die woonachtig zijn in neuronale soma vormen een reticulair netwerk, terwijl die woonachtig zijn in distale neurieten vertonen een discrete langwerpig morfologie (figuur 1 AB).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De complexiteit van het zenuwstelsel moeilijk na te reconstrueren grote weefselvolumes en analyseren van de morfologie en de verdeling van organellen zoals mitochondriën met voldoende resolutie. Meerdere cellen waaronder neuronen, oligodendrocyten en astrocyten met talrijke processen verlengd driedimensionaal communiceren in het hersenweefsel 43. Omdat mitochondriën bevindt zowel in de soma van cellen en distale processen, mitochondriale morfologie uiterst pleomorf in het zenuwstelsel (figuur 1).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende financiële belangen hebben. Emily K Benson is een betaalde werknemer van Renovo Neural Inc., en Grahame J Kidd dient als Wetenschappelijk Directeur voor 3DEM bij Renovo Neural Inc., wat een commerciële aanbieder is van seriële block-face SEM-diensten en analyse.

Acknowledgements

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wij danken Sidney Walker voor de technische hulp. Dit werk werd gedeeltelijk ondersteund door een subsidie van het National Institute of Health (1R01EY024712-01A1).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
C57BL/6J muizenJackson laboratorium 664
IsofluraanVETone, handelsnaam Fluriso501017
DissectieladeFisher scientific S65105 
DissectiescharenTed Pella Inc.1316
Butterfly canulaExel International26704
Fosfaat bufferoplossingSigma-AldrichP4417-100TAB
Filter (0,45 micron)EMD MilliporeNC0813356
DissectiemicroscoopOlympusSZ61
Vibratome snijsysteemTed Pella Inc.Vibratome 3000
Natrium CacodylateEMS12300
TanzuurEMS21700
Kalium FerrocyanideJ.T. Baker14459-95-1
Osmium Tetroxide 4% oplossingEMS19150
ThiocarbohydrazideEMS21900
L-AsparaginezuurSigma-AldrichA93100
Kalium HydroxideAcros Organics43731000
LodzaanEMS17900
EMbed-812 EMBEDING KITEMS14120Bevat Embed 812  hars, DDSA, NMA en DMP-30.
Glutaraldehyde 25% EM GradePolysciences Inc.1909
ParaformaldehydeEMS19202
Uranyl AcetaatEMS22400
EthanolEMS15055
PropyleenoxideEMS20400
InbeddingsmalEMS70907
Aluminium monsterspeldEMS70446
Colloïdaal Zilver VloeistofEMS12630
SchererEMS72000
Superlijm (Loctite Gel Control)Loctite234790Hardware/craft winkels hebben dit artikel
Leidbare epoxyTed Pella Inc.16043
Scanning elektronenmicroscoopZeissSigma VP
In kamer ultramicrotoom voor SEMGatan Inc.3View2Kan worden ontworpen voor andere SEM's
Trimmen microscoop voor pin voorbereidingGatan Inc.geleverd als onderdeel van 3View systeem
Laag kV terugverstrooide elektronen detectorGatan Inc.3V-BSED
ImageJ/ Fiji verwerkingspakket ImageJ ver 1.50b, FIJI download Oct 1, 2015http://zoi.utia.cas.cz/files/imagej_api.pdf
http://rsb.info.nih.gov/ij/
http://www.icmr.ucsb.edu/programs/3DWorkshop/Uchic-2015_FIJI_Tutorial.pdf
http://fiji.sc/TrakEM2

References

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Kasahara, A., Scorrano, L. Mitochondria: from cell death executioners to regulators of cell differentiation. Trends Cell Biol. 24, 761-770 (2014).
  2. Friedman, J. R., et al. ER tubules mark sites of mitochondrial division. Science. 334, 358-362 (2011).
  3. Bereiter-Hahn, J., Voth, M., Mai, S., Jendrach, M. Structural implications of mitochondrial dynamics. Biotechnol J. 3, 765-780 (2008).
  4. Campello, S., Scorrano, L. Mitochondrial shape changes: orchestrating cell pathophysiology. EMBO Rep. 11, 678-684 (2010).
  5. Trimmer, P. A., et al. Abnormal mitochondrial morphology in sporadic Parkinson's and Alzheimer's disease cybrid cell lines. Exp Neurol. 162, 37-50 (2000).
  6. Chen, H., Chan, D. C. Mitochondrial dynamics--fusion, fission, movement, and mitophagy--in neurodegenerative diseases. Hum Mol Genet. 18, 169-176 (2009).
  7. Li, Z., Okamoto, K., Hayashi, Y., Sheng, M. The importance of dendritic mitochondria in the morphogenesis and plasticity of spines and synapses. Cell. 119, 873-887 (2004).
  8. Romanello, V., et al. Mitochondrial fission and remodelling contributes to muscle atrophy. EMBO J. 29, 1774-1785 (2010).
  9. Szabadkai, G., et al. Drp-1-dependent division of the mitochondrial network blocks intraorganellar Ca2+ waves and protects against Ca2+-mediated apoptosis. Mol Cell. 16, 59-68 (2004).
  10. Yu, T., Robotham, J. L., Yoon, Y. Increased production of reactive oxygen species in hyperglycemic conditions requires dynamic change of mitochondrial morphology. Proc Natl Acad Sci U S A. 103, 2653-2658 (2006).
  11. Scheckhuber, C. Q., et al. Reducing mitochondrial fission results in increased life span and fitness of two fungal ageing models. Nat Cell Biol. 9, 99-105 (2007).
  12. Scheibye-Knudsen, M., Fang, E. F., Croteau, D. L., Wilson, D. M., 3rd,, Bohr, V. A. Protecting the mitochondrial powerhouse. Trends Cell Biol. 25, 158-170 (2015).
  13. Macke, J. H., et al. Contour-propagation algorithms for semi-automated reconstruction of neural processes. J Neurosci Methods. 167, 349-357 (2008).
  14. Parikh, S. The neurologic manifestations of mitochondrial disease. Dev Disabil Res Rev. 16, 120-128 (2010).
  15. Frye, R. E., Rossignol, D. A. Mitochondrial dysfunction can connect the diverse medical symptoms associated with autism spectrum disorders. Pediatr Res. 69, 41-47 (2011).
  16. Beal, M. F. Mitochondrial dysfunction in neurodegenerative diseases. Biochim Biophys Acta. 1366, 211-223 (1998).
  17. DiMauro, S., Schon, E. A. Mitochondrial disorders in the nervous system. Annu Rev Neurosci. 31, 91-123 (2008).
  18. DiMauro, S., Schon, E. A. Mitochondrial respiratory-chain diseases. N Engl J Med. 348, 2656-2668 (2003).
  19. Calkins, M. J., Manczak, M., Mao, P., Shirendeb, U., Reddy, P. H. Impaired mitochondrial biogenesis, defective axonal transport of mitochondria, abnormal mitochondrial dynamics and synaptic degeneration in a mouse model of Alzheimer's disease. Hum Mol Genet. 20, 4515-4529 (2011).
  20. Anitha, A., et al. Downregulation of the expression of mitochondrial electron transport complex genes in autism brains. Brain Pathol. 23, 294-302 (2013).
  21. Misgeld, T., Kerschensteiner, M., Bareyre, F. M., Burgess, R. W., Lichtman, J. W. Imaging axonal transport of mitochondria in vivo. Nat Methods. 4, 559-561 (2007).
  22. Takihara, Y., et al. In vivo imaging of axonal transport of mitochondria in the diseased and aged mammalian CNS. Proc Natl Acad Sci U S A. 112, 10515-10520 (2015).
  23. Shepherd, G. M., Harris, K. M. Three-dimensional structure and composition of CA3→CA1 axons in rat hippocampal slices: implications for presynaptic connectivity and compartmentalization. J Neurosci. 18, 8300-8310 (1998).
  24. Wang, C., et al. Dynamic tubulation of mitochondria drives mitochondrial network formation. Cell Res. 25 (10), 1108-1120 (2015).
  25. Glancy, B., et al. Mitochondrial reticulum for cellular energy distribution in muscle. Nature. 523, 617-620 (2015).
  26. Chen, H., Chan, D. C. Mitochondrial dynamics in mammals. Curr Top Dev Biol. 59, 119-144 (2004).
  27. Chavan, V., et al. Central presynaptic terminals are enriched in ATP but the majority lack mitochondria. PLoS One. 10, e0125185(2015).
  28. Peddie, C. J., Collinson, L. M. Exploring the third dimension: volume electron microscopy comes of age. Micron. 61, 9-19 (2014).
  29. Harris, K. M., et al. Uniform serial sectioning for transmission electron microscopy. J Neurosci. 26, 12101-12103 (2006).
  30. Hayworth, K. J., et al. Imaging ATUM ultrathin section libraries with WaferMapper: a multi-scale approach to EM reconstruction of neural circuits. Front Neural Circuits. 8, 68(2014).
  31. Bushby, A. J., et al. Imaging three-dimensional tissue architectures by focused ion beam scanning electron microscopy. Nat Protoc. 6, 845-858 (2011).
  32. Denk, W., Horstmann, H. Serial block-face scanning electron microscopy to reconstruct three-dimensional tissue nanostructure. PLoS Biol. 2, e329(2004).
  33. Leighton, S. B. SEM images of block faces, cut by a miniature microtome within the SEM - a technical note. Scan Electron Microsc. , 73-76 (1981).
  34. Briggman, K. L., Denk, W. Towards neural circuit reconstruction with volume electron microscopy techniques. Curr Opin Neurobiol. 16, 562-570 (2006).
  35. Shomorony, A., et al. Combining quantitative 2D and 3D image analysis in the serial block face SEM: application to secretory organelles of pancreatic islet cells. J Microsc. 259, 155-164 (2015).
  36. Pinali, C., Kitmitto, A. Serial block face scanning electron microscopy for the study of cardiac muscle ultrastructure at nanoscale resolutions. J Mol Cell Cardiol. 76, 1-11 (2014).
  37. Miyazaki, N., Esaki, M., Ogura, T., Murata, K. Serial block-face scanning electron microscopy for three-dimensional analysis of morphological changes in mitochondria regulated by Cdc48p/p97 ATPase. J Struct Biol. 187, 187-193 (2014).
  38. Traka, M., et al. WDR81 is necessary for purkinje and photoreceptor cell survival. J Neurosci. 33, 6834-6844 (2013).
  39. Ohno, N., et al. Mitochondrial immobilization mediated by syntaphilin facilitates survival of demyelinated axons. Proc Natl Acad Sci U S A. 111, 9953-9958 (2014).
  40. Deerinck, T. J., Bushong, E. A., Thor, A., Ellisman, M. H. NCMIR methods for 3D EM: A new protocol for preparation of biological specimens for serial block face scanning electron microscopy. , University of California San Diego. San Diego, CA. Available at http://ncmir.ucsd.edu/sbfsem-protocol.pdf (2010).
  41. Ohno, N., et al. Myelination and axonal electrical activity modulate the distribution and motility of mitochondria at CNS nodes of Ranvier. J Neurosci. 31, 7249-7258 (2011).
  42. Hammer, S., Monavarfeshani, A., Lemon, T., Su, J., Fox, M. A. Multiple Retinal Axons Converge onto Relay Cells in the Adult Mouse Thalamus. Cell Rep. 12, 1575-1583 (2015).
  43. Kasthuri, N., et al. Saturated Reconstruction of a Volume of Neocortex. Cell. 162, 648-661 (2015).
  44. Conchello, J. A., Lichtman, J. W. Optical sectioning microscopy. Nat Methods. 2, 920-931 (2005).
  45. Denk, W., Strickler, J. H., Webb, W. W. Two-photon laser scanning fluorescence microscopy. Science. 248, 73-76 (1990).
  46. Bohorquez, D., Haque, F., Medicetty, S., Liddle, R. A. Correlative Confocal and 3D Electron Microscopy of a Specific Sensory Cell. J Vis Exp. , e52918(2015).
  47. Fiala, J. C. Reconstruct: a free editor for serial section microscopy. J Microsc. 218, 52-61 (2005).
  48. Cardona, A., et al. TrakEM2 software for neural circuit reconstruction. PLoS One. 7, e38011(2012).
  49. Helmstaedter, M., Mitra, P. P. Computational methods and challenges for large-scale circuit mapping. Curr Opin Neurobiol. 22, 162-169 (2012).
  50. Helmstaedter, M., Briggman, K. L., Denk, W. High-accuracy neurite reconstruction for high-throughput neuroanatomy. Nat Neurosci. 14, 1081-1088 (2011).
  51. Saalfeld, S., Cardona, A., Hartenstein, V., Tomancak, P. CATMAID: collaborative annotation toolkit for massive amounts of image data. Bioinformatics. 25, 1984-1986 (2009).
  52. Giuly, R. J., Martone, M. E., Ellisman, M. H. Method: automatic segmentation of mitochondria utilizing patch classification, contour pair classification, and automatically seeded level sets. BMC Bioinformatics. 13, 29(2012).
  53. Jakobs, S., Wurm, C. A. Super-resolution microscopy of mitochondria. Curr Opin Chem Biol. 20, 9-15 (2014).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Serial Block Face Scanning Electron MicroscopyMitochondrial Morphology AnalysisBrain Mitochondria ImagingElectron Microscopy TechniqueMitochondria Volume MeasurementMitochondria Distribution StudyMitochondria Number QuantificationRodent Brain Tissue PreparationUltrastructural Characteristics AnalysisMitochondria Compartment Classification

Related Articles