Opisana tutaj metoda umożliwia ablację neuronów ruchowych w rdzeniu kręgowym danio pręgowanego z wykorzystaniem modułu FRAP komercyjnego mikroskopu konfokalnego. Transgeniczne linie danio pręgowanego, które wykazują ekspresję zielonego białka fluorescencyjnego w neuronach pod kontrolą specyficznych promotorów, takich jak -3mnx1, wysepka1lub metwykorzystano. Ekspresja GFP sterowana promotorem neuronów ruchowych (takim jak -3mnx1 lub met) umożliwia wysokorozdzielczą wizualizację ciał komórkowych, głównych aksonów oraz gałęzi obwodnych biegnących do mięśni (Rycina 4 i Wideo 1).
Neurony w rdzeniu kręgowym ryb w wieku od 3 do 5 dni zostały skutecznie usunięte metodą ablacji, przy całkowitym czasie ekspozycji wynoszącym 60 - 80 s i mocy lasera ok. 70% oraz ogólnych ustawieniach opisanych w kroku 3. Skuteczną ablację stwierdzono, gdy fluorescencja zanikała natychmiast po zabiegu i nie powracała (Rycina 5, C i D). Próby ablacji z wykorzystaniem innych linii lasera (np. linii 488 nm) nie doprowadziły do trwałego zaniku sygnału, a fluorescencja była przywracana w krótkich odstępach czasu. Co istotne, technika ta wykazała charakterystyczne cechy apoptycznej śmierci komórkowej w neuronach poddanych ablacji UV, takie jak obecność Annexin V, typowe zmiany morfologiczne odpowiadające degeneracji somy oraz pęcherzykowanie aksonalne (blebbing) usuniętego neuronu27.
Specyficzność tego podejścia potwierdzono w eksperymentach z wykorzystaniem fotokonwertowalnego fluoroforu Kaede (który zmienia emisję z zielonej na czerwoną po ekspozycji na światło UV), w których pojedynczy neuron docelowy został poddany konwersji (Rycina 5, A i B) bez oznak destrukcji komórkowej przez kilka godzin. Zastosowanie wyższej mocy lasera prowadzi natomiast do wygaśnięcia neuronu docelowego (brak fotokonwersji lub ponownego pojawienia się fluorescencji) oraz fotokonwersji (bez śmierci komórki) komórek znajdujących się w bliskim sąsiedztwie (~ 20 µm) miejsca ablacji (Rycina 5, C i D).
Jedną z istotnych zalet tej techniki ablacji indukowanej laserem jest zależność zastosowanego podejścia od dawki. Aby celować w komórki z różną intensywnością, dostępnych jest wiele poziomów precyzyjnego dostrojenia poprzez regulację mocy lasera (Rysunek 3C, 8), prędkości skanowania i uśredniania linii (Rysunek 3B, 4 oraz 5), wielkości obszaru ROI poddanego ablacji (Rysunek 3D, 10) oraz liczby powtórzeń (Rysunek 3E, 12). Warto zauważyć, że podejście to może być również wykorzystywane do wywołania stresu komórkowego w poszczególnych komórkach zamiast indukowania ich śmierci. Na przykład precyzyjne dostrojenie okazało się bardzo wartościowe przy ocenie procesów komórkowych podczas obumierania neuronu. Neurony ruchowe z długimi projekcjami aksonalnymi, poddane ablacji przy niższych intensywnościach lasera UV, wykazały charakterystyczny „blebbing” (tworzenie i fragmentację pęcherzyków komórkowych), który rozpoczął się w celowanym somie i z czasem postępował wzdłuż aksonu (40 - 90 min; Rysunek 4; renderowany w 3D film z tej ablacji w Wideo 1). W konsekwencji modulowanie różnych parametrów ablacji laserowej, a tym samym poziomu indukowanego stresu komórkowego i przebiegu czasowego śmierci, zapewnia badaczom wysoki stopień elastyczności eksperymentalnej.

Rysunek 1: Zatapianie danio pręgowanego do obrazowania na żywo. (A-F) Procedura zatapiania do obrazowania na żywo: (A) Do wody z ikrami dodaje się trikainę w celu znieczulenia danio pręgowanego, stosując dawkę początkową 50 mg/L. (B) Przygotowuje się agarozę niskotopliwą (0,8 - 1,5%) i ogrzewa ją do 38 - 40 °C. (C) Za pomocą pipety transferowej wybrane i wyselekcjonowane osobniki danio pręgowanego przenosi się do naczynia z roztworem trikainy. Po skutecznym uspokojeniu (płytki ruchy pokryw skrzelowych, zmniejszona częstotliwość akcji serca, brak reakcji na dotyk), rybę przenosi się do podgrzanej agarozy (D). Należy zminimalizować ilość wody z ikrami przenoszonej do agarozy, aby zapobiec jej późniejszemu rozcieńczeniu. (E) Kroplę agarozy (~ 30 - 50 µL) zawierającą rybę przenosi się do szalki 35-mm z szklanym dnem. Czynność tę wykonuje się pod mikroskopem sekcyjnym, używając pędzelka do delikatnego ustawienia ryby w pożądanej orientacji. Należy odczekać 10 - 15 min, aż agaroza stężeje, a następnie dodać do szalki ~ 2 mL roztworu trikainy (F). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 2: Wizualizacja neuronów i mikrogleju w rdzeniu kręgowym 3-dniowej larwy danio pręgowanego. Wizualizacja mikrogleju i neuronów w rdzeniu kręgowym 3-dniowej transgenicznej larwy danio pręgowanego wykazującej (A) neurony GFP-dodatnie (islet1:GFP) oraz (B) mikroglej mCherry-dodatni (mpeg1:GAL4,UAS:mCherry). (C) Obraz kompozytowy kanału neuronów i mikrogleju wraz z obrazem w świetle przechodzącym. Schemat wstawiony w (C) przedstawia orientację ryby i obrysuje zaprezentowany obszar. Pasek skali = 30 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 3: Kroki w procesie ablacji laserem UV (zgodnie z protokołem, krok 3). Kroki sterowania modułem oprogramowania FRAP w oprogramowaniu konfokalnym (Leica Application Suite). (A) Uruchomienie modułu FRAP jako narzędzia do przeprowadzania ablacji laserem UV. (B) Ustawienie płaszczyzny z dla ablacji oraz innych ustawień FRAP, takich jak format, prędkość i uśrednianie, które określą czas ekspozycji lasera. (C) Sterowanie intensywnością lasera i opcja „zoom in” w celu maksymalizacji wydajności wybielania. (D) Wybór jednego lub wielu obszarów zainteresowania (ROI), które zostaną poddane ablacji. (E) Ustalenie przebiegu czasowego wybielania określa cykle wybielania i całkowity czas ekspozycji lasera w obszarach ROI. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Degeneracja anterogradowa neuronu poddanego ablacji UV. Obrazowanie poklatkowe neurodegeneracji neuronu rdzeniowego poddanego ablacji UV. (A-F) Naświetlanie UV pojedynczego neuronu rdzeniowego (met:GAL4,UAS:EGFP; A; okrąg) doprowadziło do kurczenia się i zaokrąglania somy neuronu w czasie (A-C), a następnie do fragmentacji aksonu (C-F; groty strzałek). Degeneracja aksonalna rozpoczęła się od somy (miejsca ablacji) i postępowała anterogradnie w kierunku dystalnego końca aksonu, aż w końcu fluorescencja w somie zanikła, a w całym aksonie pojawiły się pęcherzyki („blebbing”) (D-F). Paski skali = 20 µm. Film poklatkowy z renderowaniem 3D tej ablacji przedstawiono w Wideo 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 5: Potwierdzenie efektu naświetlania pojedynczej komórki promieniami UV przy użyciu fluoroforu fotokonwertowalnego (Kaede) w neuronie ruchowym. Walidacja naświetlania pojedynczej komórki promieniami UV poprzez aktywację fotokonwertowalnego fluoroforu Kaede w neuronie. (A-D) Naświetlanie promieniami UV neuronów znakowanych białkiem Kaede. (A) Fotokonwersja pojedynczego neuronu (okrąg) przy mocy lasera 30% przez 10 s doprowadziła do fotokonwersji Kaede (z zielonego na czerwony) tylko w docelowym, pojedynczym neuronie (B). Zauważono, że skonwertowana komórka przeżyła przez kilka godzin i nie wykazywała wizualnych oznak degradacji, takich jak pęcherzykowanie (blebbing) czy zaokrąglanie. Ablacja pojedynczego neuronu (C; okrąg) przy wyższej mocy lasera (95% przez 10 s) spowodowała natychmiastowe zniknięcie tego neuronu (D) i następującą po nim fotokonwersję Kaede w niewielkiej liczbie otaczających neuronów w promieniu około 20 µm. Paski skali = 20 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Wideo 1: Rendering powierzchniowy 3D (Imaris) neuronu poddanego ablacji UV przedstawionego na Rycynie 4.
Nagranie time-lapse neuronu przedstawionego na Rycynie 4 zostało poddane renderingowi powierzchniowemu przy użyciu oprogramowania do wizualizacji (Imaris, Bitplane). Przedstawia ono proces kurczenia się ablacyjnego somy, a następnie fragmentację aksonalną przebiegającą antegrado w kierunku dystalnego końca komórki. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rycina uzupełniająca 1: Opcjonalne odlewanie agarozy do długotrwałego obrazowania.
Aby zapobiec przemieszczaniu się ryb i agarozy podczas długotrwałej akwizycji, należy przygotować pierścienie z agarozy wzdłuż krawędzi w środku szalki 35 mm z szklanym dnem (A). Pozostawić agarozę do zastygnięcia na ~10 min, a następnie przenieść ryby do wewnętrznego kręgu wraz z kroplą agarozy (B). Należy dążyć do zminimalizowania ilości agarozy użytej do zatopienia (nadmiar agarozy należy odsunąć na zewnątrz po odpowiednim ukierunkowaniu ryby). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.