Opisana tutaj metoda umożliwia ablację neuronów ruchowych w rdzeniu kręgowym danio przebrzmiałego (zebrafish) z wykorzystaniem modułu FRAP komercyjnego mikroskopu konfokalnego. Wykorzystano transgeniczne linie danio przebrzmiałego wykazujące ekspresję zielonego białka fluorescencyjnego w neuronach pod kontrolą specyficznych promotorów, takich jak -3mnx1, islet1 lub met. Ekspresja GFP sterowana przez promotor neuronów ruchowych (takiego jak -3mnx1 lub met) umożliwia wysokorozdzielczą wizualizację ciał komórkowych, głównych aksonów oraz rozgałęzień obwodowych prowadzących do mięśni (Rycina 4 i Wideo 1).
Neurony w rdzeniu kręgowym ryb w wieku od 3 do 5 dni zostały pomyślnie ablacyjne, przy całkowitym czasie ekspozycji wynoszącym 60 - 80 s i mocy lasera na poziomie ~ 70% oraz ogólnych ustawieniach opisanych w kroku 3. Pomyślną ablację stwierdza się, gdy fluorescencja zanika natychmiast po zabiegu i nigdy nie powraca (Rycina 5, C i D). Próby ablacji z użyciem innych linii laserowych (takich jak linia lasera 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 ablacyjnie usuniętych promieniowaniem UV, takie jak obecność Annexin V, typowe zmiany morfologiczne w przebiegu degeneracji somy oraz pęcherzykowanie aksonalne ablacyjnego neuronu27.
Specyficzność tego podejścia potwierdzono w eksperymentach z wykorzystaniem fotokonwertowalnego fluoroforu Kaede (który zmienia emisję z zielonej na czerwoną po wystawieniu na światło UV), w których dokonano konwersji pojedynczego docelowego neuronu (Rysunek 5, A i B) bez oznak destrukcji komórkowej przez kilka godzin. Zastosowanie wyższej mocy lasera prowadzi natomiast do wygaśnięcia docelowego neuronu (brak fotokonwersji lub ponownego pojawienia się fluorescencji) oraz fotokonwersji (bez śmierci komórkowej) komórek znajdujących się w bliskim sąsiedztwie (~ 20 µm) miejsca ablacji (Rysunek 5, C i D).
Istotną zaletą tej techniki ablacji indukowanej laserem jest zależność dawki w tym podejściu. Aby oddziaływać na komórki z różną intensywnością, dostępnych jest wiele poziomów dostrojenia poprzez regulację mocy lasera (Ryc. 3C, 8), prędkości skanowania i uśredniania linii (Ryc. 3B, 4 i 5), wielkości obszaru ROI do ablacji (Ryc. 3D, 10) oraz liczby powtórzeń (Ryc. 3E, 12). Warto zauważyć, że podejście to może być również wykorzystane do wywołania stresu komórkowego w pojedynczych komórkach zamiast indukowania śmierci komórki. Na przykład precyzyjne dostrojenie okazało się bardzo wartościowe przy ocenie procesów komórkowych podczas obumierania neuronu. Neurony ruchowe z długimi wypustkami aksonalnymi, poddane ablacji przy niższych intensywnościach lasera UV, wykazywały charakterystyczne „blebbing” (tworzenie i fragmentację pęcherzyków komórkowych), które rozpoczęło się w celowanym ciele komórki i z czasem postępowało wzdłuż aksonu (40 – 90 min; Ryc. 4; renderowany film 3D tej ablacji w Filmie 1). W konsekwencji modulowanie różnych parametrów ablacji laserowej, a tym samym poziomu indukowanego stresu komórkowego i przebiegu czasowego obumierania, zapewnia badaczom wysoki stopień elastyczności eksperymentalnej.

Rysunek 1: Osadzanie danio pręgowanego do obrazowania na żywo. (A-F) Procedura zatapiania do obrazowania na żywo: (A) Do wody z ikrami dodaje się tricainę w celu znieczulenia rybek danio pręgowanych, stosując dawkę początkową wynoszącą 50 mg/L. (B) Przygotowuje się agarozę niskotopliwą (0,8–1,5%) i podgrzewa ją do 38– 40 °C. (C) Za pomocą pipety transferowej przesiane i wyselekcjonowane rybki danio są przenoszone do naczynia z roztworem trikainy. Po skutecznej sedacji (płytki ruchy pokrywami skrzelowymi, obniżona częstość akcji serca, brak reakcji na bodziec dotykowy) rybkę przenosi się do podgrzanego agarozu (D)Zminimalizuj ilość wody z jaj przenoszonej do agarozy, aby zapobiec późniejszemu rozcieńczeniu. (E) Przenieś kroplę agarozy (~ 30 - 50 µL) zawierającą danio pręgowaną do szalki o średnicy 35 mm z szklanym dnem. Czynność tę należy przeprowadzić pod mikroskopem stereoskopowym, używając pędzla do delikatnego ustawienia ryby w pożądanej orientacji. Po odczekaniu 10–15 minut, aż agar zetnie, należy dodać do szalki ok. 2 ml roztworu trikainy. (F). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

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 zaznacza prezentowany obszar. Pasek skali = 30 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rysunek 3: Etapy procesu ablacji laserem UV (zgodnie z opisem w kroku 3 protokołu). 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 pozostałe parametry FRAP, takie jak format, prędkość i uśrednianie, które określą czas ekspozycji laserowej. (C) Kontrola intensywności lasera oraz opcja „zoom in” w celu maksymalizacji wydajności wybielania. (D) Wybór jednego lub wielu obszarów zainteresowania (ROI), które zostaną poddane ablacji. (E) Ustawienie przebiegu czasowego wybielania, co określa cykle wybielania oraz całkowity czas ekspozycji laserowej w obszarach ROI. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.

Rycina 4: Degeneracja anterogradna neuronu poddanego ablacji UV. Obrazowanie time-lapse neurodegeneracji neuronu rdzeniowego poddanego ablacji UV. (A-F) Naświetlanie UV pojedynczego neuronu rdzeniowego (met:GAL4,UAS:EGFP; A; okrąg) spowodowało kurczenie się i zaokrąglanie somy neuronu w czasie (A-C), a następnie fragmentację aksonu (C-F; groty strzałek). Degeneracja aksonu rozpoczęła się w somie (miejscu ablacji) i postępowała anterogradnie w stronę dystalnego końca aksonu, aż w końcu fluorescencja w somie zanikła, a cały akson wykazywał „blebbing” (D-F). Paski skali = 20 µm. Film time-lapse z renderowaniem 3D tej ablacji przedstawiono w Wideo 1. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 5: Potwierdzenie efektu naświetlania pojedynczej komórki promieniowaniem UV przy użyciu fluoroforu fotokonwertowalnego (Kaede) w neuronie ruchowym. Walidacja naświetlania pojedynczych komórek 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 wynoszącej 30% przez 10 s doprowadziła do fotokonwersji białka Kaede (z zielonego na czerwony) wyłącznie w docelowym, pojedynczym neuronie (B). Należy zauważyć, że przekształcona komórka przeżyła przez kilka godzin i nie wykazywała wizualnych oznak degradacji, takich jak pęcherzykowanie czy zaokrąglanie. Ablacja pojedynczego neuronu (C; okrąg) z zastosowaniem większej mocy lasera (95% przez 10 s) doprowadziło do natychmiastowego zaniku tego neuronu (D) or następująca fotokonwersja białka Kaede w niewielkiej liczbie otaczających neuronów w promieniu około 20 µmPaski skali = 20 µm. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ilustracji.

Wideo 1: Renderowanie powierzchni 3D (Imaris) neuronu poddanego ablacji UV przedstawionego na Rysunku 4.
Nagranie time-lapse neuronu przedstawionego na Rysunku 4 zostało poddane renderowaniu powierzchni przy użyciu oprogramowania do wizualizacji (Imaris, Bitplane). Przedstawia ono proces kurczenia się ablacyjnej somy, po którym następuje anterogradna fragmentacja aksonu w kierunku dystalnego końca komórki. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rycina uzupełniająca 1: Opcjonalny odlew agarowy do obrazowania długoterminowego.
Aby zapobiec przemieszczaniu się ryb i agaru podczas długotrwałej akwizycji, należy przygotować pierścień z agaru wzdłuż krawędzi w środku szalki 35 mm z szklanym dnem (A). Pozostawić agar do zastygnięcia przez ~10 min, a następnie przenieść rybę do wewnętrznego okręgu z kroplą agaru (B). Należy dążyć do zminimalizowania ilości agaru użytego do unieruchomienia (nadmiar agaru należy odsunąć na zewnątrz po odpowiednim ustawieniu ryby). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.