1. Przygotowanie tkanki do kriotomii
- Uśmierć zwierzę poprzez zwichnięcie kręgów szyjnych lub dekapitację, zgodnie z posiadanym zezwoleniem etycznym.
- Szybko pobierz interesujące tkanki (np. mózg) i gwałtownie zamroź je na suchym lodzie (tkanki mogą wymagać zamrożenia w izopentanie lub propanie schłodzonym ciekłym azotem w celu uzyskania optymalnej morfologii). Przechowuj tkanki w folii aluminiowej w temperaturze -80 °C do momentu przystąpienia do krojenia.
- Zatop zamrożoną tkankę w preparacie do kriosekcji.
- Pobierz przekroje kriosztatem o grubości 14-μm w temperaturze -21 °C (może być konieczna korekta temperatury o ± 1-2 °C). Rozmroź przekroje na szkiełkach za pomocą bloku grzewczego i przechowuj szkiełka bez szkiełek nakrywkowych w temperaturze -20 °C do momentu użycia.
2. Histochemia COX
- Pozostawić preparaty do wyschnięcia w temperaturze pokojowej przez 1 godzinę. Umieścić preparaty w komorze do barwienia z wilgotnym papierem filtracyjnym pociętym w paski. Aby uzyskać spójne wyniki w każdym doświadczeniu, zaleca się opracowanie maksymalnie dziesięciu preparatów podczas jednego badania, aby zminimalizować opóźnienia czasowe.
- Przygotować pod wyciągiem chemicznym 1X DAB oraz 100 μM cytochromu c w 0.1 M PBS pH=7.0. Szybko wymieszać na wortexie.
- Dodać 2 μg katalazy wołowej (2 μg ml-1 lub około 4 IU ml-1). Wymieszać dokładnie za pomocą wortexa, aby rozbić wszystkie grudki katalazy.
- Nanieść 150- 200 μL medium inkubacyjnego na każdy preparat, używając końcówki pipety do równomiernego rozprowadzenia go na wszystkich przekrojach.
- Inkubować preparaty przez 40 minut w temperaturze 37 °C.
- Usunąć nadmiar roztworu z preparatów. Przemyć preparaty 4 razy, po 10 minut za każdym razem, w 0.1 M PBS pH=7.0.
- Ponownie umieścić preparaty w komorze do barwienia z wilgotnymi paskami papieru.
3. Histochemia SDH
- Przygotuj pod wyciągiem chemicznym roztwór zawierający 1,5 mM NBT, 130 mM bursztyczanu sodu, 0,2 mM PMS oraz 1,0 mM azotku sodu w 0,1 M PBS pH=7,0. Należy chronić PMS przed działaniem światła. Szybko wymieszaj na wortexie.
- Nanieś 150-200 μL podłoża inkubacyjnego na każdy preparat, używając końcówki pipety do równomiernego rozprowadzenia go na wszystkich sekcjach.
- Inkubuj preparaty przez 40 minut w temperaturze 37 °C.
- Usuń nadmiar roztworu z preparatów. Przemyj preparaty 4 razy, po 10 minut za każdym razem, w 0,1 M PBS pH=7,0.
- Odwodnij preparaty przez 2 minuty w następujących stężeniach etanolu: 70%, 70%, 95%, 95%, 99,5%. Następnie pozostaw je na 10 minut w dodatkowym kroku w 99,5% etanolu.
- Umieść preparaty w ksylenie na 10 minut. Zamontuj przy użyciu Entellanu i szkiełka cover-slip. Pozostaw preparaty do wyschnięcia przez noc lub co najmniej 1-2 godziny w wentylowanym pomieszczeniu.
4. Określanie dysfunkcji mitochondriów
- Stopień dysfunkcji mitochondriów jest wskazywany przez intensywność niebieskiego barwienia komórkowego. Aby półilościowo określić te wartości, preparaty należy zakodować i poddać wizualizacji przy użyciu mikroskopii w polu jasnym. Półilościowa ocena powinna być przeprowadzona w sposób ślepy, z wykorzystaniem skali, na przykład od 0 do 4 (0 – brak niebieskiego barwienia; 4 – wyłącznie niebieskie barwienie). Zaleca się przeprowadzenie tego rodzaju oceny na kilku skrawkach od danego obiektu/zwierzęcia, aby obliczyć wartość średnią dla każdego obiektu/zwierzęcia.
- Analizy statystyczne należy przeprowadzić przy użyciu testu nieparametrycznego, takiego jak test Manna-Whitneya lub Kruskala-Wallisa.
5. Odpowiednie kontrole specyficzności
- W celu przeprowadzenia kontroli specyficzności dla aktywności COX, powtórzyć etapy sekcji „COX histochemistry”, dodając 2,5 mM azotku sodu, który jest inhibitorem końcowego łańcucha oddechowego.
- W celu przeprowadzenia kontroli specyficzności dla aktywności SDH, powtórzyć etapy sekcji „SDH histochemistry”, pomijając dodanie bursztynianu sodu i dodając 50 mM malonianu, który jest konkurencyjnym inhibitorem SDH.
- Przerapć i odwodnić skrawki w serii etanolu, a następnie zamontować preparaty i przykryć je szkiełkami zgodnie z opisem w krokach 3.4 - 3.6.
6. Reprezentatywne wyniki:
Ogólny schemat histochemicznego badania z podwójnym znakowaniem COX/SDH przedstawiono na rysunku 2. Reprezentatywne przykłady prawidłowego histochemicznego podwójnego znakowania COX/SDH w przekrojach mózgu myszy typu dzikiego oraz myszy mtDNA mutator z przedwczesnym starzeniem przedstawiono na rysunku 3. Ciemnobrązowe barwienie u myszy typu dzikiego (rysunek 3, panel lewy) wykazało prawidłową aktywność COX. Komórki z niedoborami łańcucha oddechowego, wskazane niebieskim barwieniem, ujawniono u 12-tygodniowych myszy mtDNA mutator, a niedobory te stały się bardziej rozpowszechnione w miarę starzenia się myszy mtDNA mutator do 46 tygodnia (rysunek 3, panele środkowy i prawy).
Przykłady nieprawidłowego podwójnego znakowania COX/SDH w przekrojach mózgu myszy typu dzikiego, wynikające z niewystarczającego znakowania COX, przedstawiono na rysunku 4. Niewystarczający czas inkubacji dla wykazania aktywności COX lub ograniczenie dostępności tlenu cząsteczkowego poprzez nakrycie preparatu szkiełkiem podczas inkubacji spowodowały zmniejszone osadzanie produktu reakcji DAB, co umożliwiło powstanie niebieskiego produktu końcowego – formazanu – podczas inkubacji SDH.
Aktywność COX i SDH można również badać osobno (Rycina 5, lewa i środkowa); jednak sekwencyjne barwienie jest pomocne w identyfikacji komórek z niedoborem COX, ze względu na powstawanie niebieskiego osadu podczas inkubacji z SDH (Rycina 3, środkowa i prawa). Można również przeprowadzić kontrole specyficzności dla aktywności COX i SDH (Rycina 5, prawa).

Rycina 1. Mitochondrialne kompleksy oddechowe I-V. Mitochondrialny łańcuch oddechowy znajduje się w błonie wewnętrznej i składa się z pięciu kompleksów. Celem łańcucha oddechowego jest transport elektronów z kompleksu I do IV, co prowadzi do powstania gradientu protonów przez błonę wewnętrzną, wykorzystywanego przez kompleks V (ATP-azę) do produkcji ATP. Czerwone sześciokąty reprezentują podjednostki kodowane przez mtDNA. Białe sześciokąty reprezentują podjednostki kodowane przez DNA jądrowe (należy zauważyć, że kompleks II jest w całości kodowany przez genom jądrowy). W związku z tym mutacje w genomie mitochondrialnym mogą powodować dysfunkcję łańcucha oddechowego z powodu mutacji w podjednostkach kompleksów łańcucha oddechowego.

Rycina 2. Schemat blokowy histochemicznej analizy podwójnego znakowania COX/SDH. Wypreparować interesujące organy, szybko zamrozić tkanki na suchym lodzie i przechowywać w temperaturze - 80 °C. Zebrać skrawki z kriostatu i przechowywać w temperaturze - 20 °C do momentu użycia. Pozostawić skrawki do wyschnięcia na powietrzu w temperaturze pokojowej przez 1 godzinę. Przygotować medium inkubacyjne do histochemii COX, nanieść je na szkiełka i inkubować przez 40 minut w temperaturze 37 °C. Przemyć skrawki w PBS 4 razy, po 10 minut każdego mycia. Przygotować medium inkubacyjne do histochemii SDH, nanieść je na szkiełka i ponownie inkubować przez 40 minut w temperaturze 37 °C. Ponownie przemyć skrawki w PBS, odwodnić w serii etanolu, a następnie zamontować i przykryć szkiełka szkiełkami cover-slip. Podwójnie znakowane skrawki COX/SDH są gotowe do obserwacji pod mikroskopem w świetle przechodzącym w ciągu 1-2 godzin.

Rysunek 3. Reprezentatywne przykłady podwójnego znakowania COX/SDH. Przekroje mózgu myszy typu dzikiego oraz myszy mutator z przedwczesnym starzeniem mtDNA zostały sekwencyjnie oznakowane pod kątem aktywności COX i SDH. (Pasek skali: 200 μm.) Prawidłową aktywność COX (oznaczoną ciemnobrązowym kolorem) wykazano w hipokampie myszy typu dzikiego (po lewej). Niedobory COX (oznaczone kolorem niebieskim) ujawniono w hipokampie myszy mutator mtDNA (środek i prawa). W 46. tygodniu życia u myszy mutator mtDNA odnotowano dalszy spadek aktywności COX, co sugeruje rozległe zaostrzenie dysfunkcji łańcucha oddechowego. Zaobserwowana dysfunkcja mitochondrialna u myszy mutator mtDNA 12 jest spowodowana wysokim poziomem mutacji punktowych mtDNA, a także zwiększoną liczbą delecji liniowych 5.

Rysunek 4. Przykłady nieprawidłowego podwójnego znakowania COX/SDH. Przekroje mózgu myszy typu dzikiego zostały sekwencyjnie znakowane w celu wykazania aktywności COX i SDH. (Skala: 200 μm.) Niewystarczające czasy inkubacji (10 i 25 minut) dla wykazania aktywności COX doprowadziły do zmniejszonego osadzania brązowego produktu reakcji DAB w porównaniu do 40-minutowego czasu inkubacji (lewo i środek). Skrócone czasy inkubacji pozwoliły na powstanie niebieskiego końcowego produktu formazanu podczas inkubacji SDH, co błędnie sugerowało obecność komórek z niedoborem COX. Nałożenie szkiełek podstawkowych podczas inkubacji COX również spowodowało nieprawidłowe tworzenie i osadzanie produktu reakcji DAB (prawo).

Rysunek 5. Indywidualne znakowanie COX i SDH oraz kontrola swoistości. Sekcje mózgu myszy typu dzikiego zostały osobno znakowane pod kątem aktywności COX oraz SDH, co zasygnalizowano odpowiednio kolorem ciemnobrązowym i niebieskim (lewo i środek). Choć aktywności COX i SDH można znakować indywidualnie, sekwencyjne znakowanie okazało się korzystniejsze w lokalizacji komórek z dysfunkcją mitochondriów. Przykład kontroli swoistości aktywności COX i SDH w mózgu myszy typu dzikiego wykazał brak znakowania (prawo). (Pasek skali: 200 μm.)