Funkcjonalność pęcherzyków synaptycznych jest ważnym wyznacznikiem transmisji synaptycznej. Pęcherzyki te uwalniają neuroprzekaźniki, gdy łączą się z presynaptyczną błoną plazmatyczną (egzocytoza) i stają się gotowe do kolejnego cyklu uwalniania po zregenerowaniu z błony plazmatycznej (endocytoza) i ponownym załadowaniu neuroprzekaźnikiem. Badania nad dynamiką i mechanizmami leżącymi u podstaw recyklingu pęcherzyków synaptycznych zostały znacznie przyspieszone przez wprowadzenie styrylowych barwników FM1. Te amfipatyczne cząsteczki, które mają dodatnio naładowane hydrofilowe grupy głów i hydrofobowe ogony (wiele barwników na rysunku 1A, stereoview FM1-43 na rysunku 1B), mogą odwracalnie wchodzić i wychodzić z błon lipidowych bez ich przenikania. Grupy barwników FM mają podobne cechy, które wpływają na zakres emitowanego przez nie światła. Na przykład FM2-10, FM1-43 i FM1-84 mają jedno podwójne wiązanie między dwoma cyklicznymi związkami i wykazują zieloną emisję. Różnica między nimi polega na długości ogona hydrofobowego, co decyduje o jego hydrofobowości, a tym samym o szybkości wychodzenia z membrany (departycjonowania). W przypadku FM5-95 i FM4-64 związki cykliczne łączą trzy wiązania podwójne, które wykazują czerwoną emisję. Barwniki te różnią się między sobą pod względem części hydrofilowych. We wszystkich barwnikach FM intensywność fluorescencji wzrasta po wprowadzeniu ich do błon biologicznych, ze względu na wzrost wydajności kwantowej w środowisku hydrofobowym w stosunku do środowiska hydrofilowego. Zatem zmiany intensywności FM reprezentują zmiany w obrocie membrany. Różne kolory (widma emisyjne) i hydrofobowość sprawiają, że barwniki FM są wszechstronnym narzędziem badawczym w recyklingu pęcherzyków synaptycznych.
Bazując na tych cechach, barwniki FM są najczęściej używane zgodnie z następującym schematem podczas analizy recyklingu pęcherzyków synaptycznych (Rysunek 2). Neurony są skąpane w roztworze zewnątrzkomórkowym zawierającym barwnik FM, umożliwiając jego pobieranie do pęcherzyków synaptycznych (SV), gdy tworzą się one poprzez endocytozę (barwienie). Barwnik jest następnie wypłukiwany przez nałożenie bezbarwnikowego roztworu zewnątrzkomórkowego; ujawnia to funkcjonalne zakończenia nerwowe, tj. tylko te aktywnie poddawane endocytozie będą zawierały skupisko pęcherzyków synaptycznych, które są naładowane barwnikiem (ryc. 2 na dole). Późniejsza egzocytoza prowadzi do utraty barwnika FM do przestrzeni zewnątrzkomórkowej i jednoczesnej utraty fluorescencji (odbarwienia; zarówno z powodu departycji do środowiska hydrofilowego, jak i dyfuzji z dala od miejsca egzocytozy). Dlatego zmiany intensywności fluorescencji FM są wskaźnikami egzo- i endocytozy pęcherzyków synaptycznych.
Barwniki FM były używane do barwienia i odbarwiania pęcherzyków synaptycznych w różnych organizmach i preparatach2,3. Przykłady obejmują hodowle neuronów ssaków4-9, wycinki mózgu ssaków10,11, połączenia nerwowo-mięśniowe12,13, dwubiegunowe neurony siatkówki14,15 i komórki rzęsate ślimaka16.
Zazwyczaj w takich eksperymentach, zarówno barwienie, jak i odbarwienie są wywoływane przez intensywną stymulację neuronów (aktywność wywołana). Ostatnio jednak przeanalizowano również recykling pęcherzyków synaptycznych w odpowiedzi na słabą stymulację, podobnie jak recykling w przypadku braku bodźca zewnętrznego (spontaniczna i miniaturowa aktywność synaptyczna)9,17-19. Spontaniczne i miniaturowe aktywności synaptyczne definiuje się jako te, które zachodzą przy braku bodźców zewnętrznych, przy czym te pierwsze obejmują spontaniczne wystrzeliwanie potencjałów czynnościowych (ryc. 3). Te słabe aktywności synaptyczne są związane z mniejszymi zmianami w sygnałach FM niż te wywołane przez rozległą stymulację. Pomiar wymaga, aby zmiany intensywności fluorescencji FM dokładnie odzwierciedlały egzocytozę pęcherzyków synaptycznych lub endocytozę, ale nie sztuczne zmiany intensywności. Jedną z przyczyn artefaktu jest obecność niespecyficznego zabarwienia błony plazmatycznej przez barwniki FM. Stopniowe wypłukiwanie tego składnika doprowadzi do stopniowej zmiany mierzonej intensywności fluorescencji, która zostanie błędnie przypisana aktywnościom synaptycznym. Współczynnik ten można zmniejszyć za pomocą odpowiednich metod (patrz Protokół). Najbardziej godną uwagi przyczyną artefaktu jest fotowybielanie barwnika FM zatrzymanego w pęcherzykach synaptycznych. Zmiany intensywności FM związane z fotowybielaniem muszą być małe w porównaniu ze zmianami biologicznymi (synaptycznymi), które są mierzone. Niedawny rozwój czułych kamer, np. kamery EMCCD (EMCCD) z urządzeniem do zwielokrotniania ładunku, umożliwia zminimalizowanie fotowybielania poprzez skrócenie czasu naświetlania i osłabienie intensywności światła używanego do wzbudzania fluoroforu. Inną przyczyną artefaktu jest dryf w poziomie skupienia mikroskopu świetlnego. Dryft ostrości podczas sesji obrazowania może być spowodowany efektami mechanicznymi lub termicznymi i błędnie doprowadzi do zmiany zmierzonej intensywności fluorescencji.
Tutaj opisujemy protokoły i sprzęt, które umożliwiają użycie barwników FM do analizy recyklingu pęcherzyków synaptycznych nawet w kontekście słabej stymulacji lub jej braku, w szczególności miniaturowej aktywności synaptycznej. Pokazujemy przykłady barwienia i odbarwiania pęcherzyków podczas wywołanych i spontanicznych zdarzeń synaptycznych, wykorzystując hodowane neurony hipokampa gryzoni i obrazując fazę odbarwiania. Pokazujemy również, jak ocenić stopień fotowybielania barwnikiem FM, przy braku jakiejkolwiek utraty barwnika FM z powodu aktywności synaptycznej.