Opisujemy metody fotoaktywacji fluorescencji do analizy transportu aksonalnego neurofilamentów w pojedynczych mielinizowanych aksonach nerwów obwodowych od transgenicznych myszy, które wyrażają fotoaktywowane białko neurofilamentu.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
Opisujemy metody fotoaktywacji fluorescencji do analizy transportu aksonalnego neurofilamentów w pojedynczych mielinizowanych aksonach nerwów obwodowych od transgenicznych myszy, które wyrażają fotoaktywowane białko neurofilamentu.
Polimery białek neurofilamentowych poruszają się wzdłuż aksonów w powolnym komponencie transportu aksonalnego ze średnią prędkością ~0,35-3,5 mm/dzień. Do niedawna badanie tego ruchu in situ było możliwe tylko przy użyciu radioizotopowego znakowania impulsami, które pozwala na analizę transportu aksonalnego w całych nerwach z rozdzielczością czasową dni i rozdzielczością przestrzenną milimetrów. Aby zbadać transport neurofilamentów in situ z wyższą rozdzielczością czasową i przestrzenną, opracowaliśmy transgeniczną mysz hThy1-paGFP-NFM, która eksprymuje białko neurofilamentu M oznaczone fotoaktywowalnym GFP w neuronach. Tutaj opisujemy metody fluorescencji, fotoaktywacji, ucieczki impulsów i rozprzestrzeniania impulsów w celu analizy transportu neurofilamentów w pojedynczych mielinowanych aksonach nerwów piszczelowych od tych myszy ex vivo. Izolowane segmenty nerwowe są utrzymywane na stoliku mikroskopowym przez perfuzję z natlenioną solą fizjologiczną i obrazowane za pomocą konfokalnej mikroskopii fluorescencyjnej z wirującym dyskiem. Światło fioletowe służy do aktywacji fluorescencji w krótkim oknie aksonalnym. Fluorescencja w obszarach aktywowanych i flankujących jest analizowana w czasie, co pozwala na badanie transportu neurofilamentów z rozdzielczością czasową i przestrzenną odpowiednio rzędu minut i mikronów. Modelowanie matematyczne można wykorzystać do wyodrębnienia parametrów kinetycznych transportu neurofilamentów, w tym prędkości, odchylenia kierunkowego i zachowania pauzy z uzyskanych danych. Metody ucieczki i rozprzestrzeniania się impulsu mogą być również dostosowane do wizualizacji transportu neurofilamentów w innych nerwach. Wraz z rozwojem dodatkowych myszy transgenicznych, metody te mogą być również wykorzystywane do obrazowania i analizowania transportu aksonalnego innych białek cytoszkieletu i cytozolu w aksonach.
Axonalny transport neurofilamentów został po raz pierwszy zademonstrowany w latach siedemdziesiątych przez radioizotopowe znakowanie impulsami1. Podejście to dostarczyło wielu informacji na temat transportu neurofilamentów in vivo, ale ma stosunkowo niską rozdzielczość przestrzenną i czasową, zwykle rzędu milimetrów i dni w najlepszym razie2. Co więcej, znakowanie impulsami radioizotopowymi jest podejściem pośrednim, które wymaga wstrzyknięcia i poświęcenia wielu zwierząt w celu wygenerowania jednego przebiegu czasowego. Wraz z odkryciem białek fluorescencyjnych i postępami w mikroskopii fluorescencyjnej w latach 90., możliwe stało się obrazowanie transportu neurofilamentów bezpośrednio w hodowanych neuronach w skali sekund lub minut i z submikrometrową rozdzielczością przestrzenną, co daje znacznie lepszy wgląd w mechanizm ruchu3. Badania te wykazały, że polimery neurofilamentów w aksonach poruszają się szybko i z przerwami zarówno w kierunku następczym, jak i wstecznym wzdłuż torów mikrotubul, napędzane przez białka motoryczne mikrotubul. Jednak neurofilamenty są strukturami o ograniczonej dyfrakcji o średnicy zaledwie 10 nm, które są zwykle oddalone od swoich sąsiadów o zaledwie kilkadziesiąt nanometrów; W związku z tym polimery mogą być śledzone tylko w hodowanych neuronach, które zawierają słabo rozmieszczone neurofilamenty, dzięki czemu poruszające się polimery mogą być rozdzielone od ich sąsiadów4. W związku z tym obecnie nie jest możliwe śledzenie pojedynczych neurofilamentów w aksonach, które zawierają obfite polimery neurofilamentów, takie jak aksony mielinizowane.
Aby przeanalizować transport aksonalny neurofilamentów w aksonach bogatych w neurofilamenty za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej, używamy metody ucieczki impulsu fotoaktywacji fluorescencji, którą opracowaliśmy w celu zbadania długoterminowego zachowania neurofilamentów w hodowanych komórkach nerwowych4,5. Neurofilamenty oznaczone fotoaktywowalnym fluorescencyjnym białkiem fuzyjnym neurofilamentu są aktywowane w krótkim segmencie aksonu, a następnie szybkość opuszczania tych włókien z aktywowanego obszaru jest określana ilościowo, mierząc zanik fluorescencji w czasie. Zaletą tego podejścia jest to, że jest to analiza transportu neurofilamentów na poziomie populacji, która może być stosowana w skali czasu minut lub godzin bez konieczności śledzenia ruchu poszczególnych polimerów neurofilamentu. Na przykład użyliśmy tej metody do analizy kinetyki transportu neurofilamentów w kulturach mielinizujących6.
Niedawno opisaliśmy rozwój transgenicznej myszy transgenicznej hThy1-paGFP-NFM, która wykazuje niski poziom białka neurofilamentu M (paGFP-NFM) znakowanego paGFP w neuronach pod kontrolą ludzkiego specyficznego dla neuronów promotora Thy17. Mysz ta umożliwia analizę transportu neurofilamentów in situ za pomocą mikroskopii fluorescencyjnej. W tym artykule opisujemy eksperymentalne podejścia do analizy transportu neurofilamentów w mielinizowanych aksonach nerwów piszczelowych od tych myszy przy użyciu dwóch podejść. Pierwszym z tych podejść jest opisana powyżej metoda ucieczki impulsów. Metoda ta może generować informacje o zachowaniu neurofilamentów podczas pauzy, ale jest ślepa na kierunek, w którym włókna opuszczają aktywowany obszar, a zatem nie pozwala na pomiar kierunkowości netto i prędkości transportu8. Drugim z tych podejść jest nowa metoda rozpraszania impulsów, w której analizujemy nie tylko utratę fluorescencji z aktywowanego obszaru, ale także przejściowy wzrost fluorescencji w dwóch oknach bocznych, przez które poruszają się włókna fluorescencyjne, opuszczając aktywowany obszar zarówno w kierunku następczym, jak i wstecznym. W obu podejściach parametry transportu neurofilamentów, takie jak średnia prędkość, kierunkowość netto i zachowanie pauzyjne, można uzyskać za pomocą analizy matematycznej i modelowania zmian fluorescencji w oknach pomiarowych. Rysunek 3 ilustruje te dwa podejścia.
Ten protokół demonstruje preparację i przygotowanie nerwu, aktywację i obrazowanie fluorescencji paGFP oraz kwantyfikację transportu neurofilamentów z pozyskanych obrazów przy użyciu pakietu dystrybucyjnego FIJI ImageJ9. Używamy nerwu piszczelowego, ponieważ jest długi (kilka cm) i nie rozgałęzia się; jednak w zasadzie każdy nerw wyrażający paGFP-NFM jest odpowiedni do stosowania w tej technice, jeśli można go wypreparować i usunąć z osłonki bez uszkadzania aksonów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie opisane tutaj metody zostały zatwierdzone przez Instytucjonalny Komitet ds. Opieki i Użytkowania Zwierząt (IACUC) Uniwersytetu Stanowego Ohio.
1. Przygotowanie roztworu soli nerwowej
2. Wstępny montaż komory perfuzyjnej nerwów
3. Sekcja i przygotowanie nerwu piszczelowego myszy
4. Końcowy montaż komory perfuzji nerwów
5. Aktywacja fluorescencji i akwizycja obrazu
6. Akwizycja obrazów w płaskim i ciemnym polu
7. Obrazowanie glikolitycznych hamowanych nerwów w celu korekcji wybielacza
8. Przetwarzanie i analiza obrazu za pomocą ImageJ
9. Korekta fotowybielacza
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Rysunek 3 przedstawia reprezentatywne obrazy z eksperymentów ucieczki impulsu (pulse-escape) oraz rozprzestrzeniania się impulsu (pulse-spread). Opublikowaliśmy kilka badań opisujących dane uzyskane metodą pulse-escape oraz nasze metody analizy tych danych5,6,7,8,17. Poniżej pokazujemy, w jaki sposób dane z eksperymentów pulse-spr...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Należy zachować ostrożność przy analizie eksperymentów z ucieczką i rozproszeniem impulsu, ponieważ istnieje znaczne ryzyko wprowadzenia błędu podczas przetwarzania końcowego, głównie podczas korekcji płaskiego pola, wyrównywania obrazu i korekcji wybielania. Korekcja płaskiego pola jest konieczna, aby skorygować niejednorodność oświetlenia, która powoduje spadek intensywności w całym polu widzenia od środka do obrzeży. Zakres niejednorodności jest zależny od długości fali, a zatem powinien być zawsze wykonywany na długo...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Autorzy chcieliby podziękować Pauli Monsmie za instrukcje i pomoc przy mikroskopii konfokalnej i sekcji nerwu piszczelowego oraz dr Atsuko Uchida, Chloe Duger i Sana Chahande za pomoc w hodowli myszy. Praca ta była częściowo wspierana przez wspólne granty National Science Foundation IOS1656784 dla A.B. i IOS1656765 dla P.J. oraz granty National Institutes of Health R01 NS038526, P30 NS104177 i S10 OD010383 dla A.B. N.P.B. było wspierane przez stypendium z programu podoktoranckiego rektora Uniwersytetu Stanowego Ohio.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 14 x 22 Uszczelka prostokątna 0,1 mm | Bioptechs | 1907-1422-100 | wewnętrzna |
| 2-deoksy-D-glukoza | Sigma | D6134 | |
| Uszczelka okrągła 30 mm z | otworami Bioptechs | 1907-08-750 | zewnętrzna |
| 35 x 10mm talerz | Thermo Fisher | 153066 | naczynia preparacyjne |
| 40mm okrągłe szkiełka nakrywkowe | Bioptechs | 40-1313-0319 | |
| Strzykawka 60 ml - końcówka Luer-lock | BD | 309653 | |
| System konfokalny Andor Revolution WD z wirującym dyskiem | Andor | wyposażony w systemy Perfect Focus i FRAPPA | |
| Chlorek wapnia | Fisher | C79 | |
| Szkiełka nakrywkowe | Fisher | 12-541-B | do szkiełka fluoresceinowego |
| D-(+)-roztwór glukozy | Sigma | G8769 | |
| Szpilki preparacyjne | Fine Science Tools | 26001-70 | |
| Kleszcze preparacyjne | Fine Science Tools | 11251-30 | kleszcze z cienką końcówką |
| Mikroskop preparacyjny | Zeiss | 47 50 03 | |
| Patelnia preparcyjna z woskiem | Ginsberg Scientific | 568859 | |
| Nożyczki preparacyjne | Fine Science Tools | 14061-09 | inicjał nożyczki preparacyjne |
| Komora perfuzyjna FCS2 | Bioptechs | 060319-2-03 | |
| Fluoresceina sodowa | Fluka | 46960 | |
| Podgrzewacz roztworu | liniowego Warner Instruments | SH27-B | |
| Kleszcze do laminektomii | Fine Science Tools | 11223-20 | kleszcze do wstępnego rozwarstwienia |
| Siarczan magnezu | Sigma-Aldrich | M7506 | |
| Zjeżdżalnia mikroakweduktu | Bioptechs | 130119-5 | |
| Szkiełka mikroskopowe | Fisher | 12-544-3 | do szkiełka fluoresceinowego |
| Wkładka stolika mikroskopu | Stosowane Oprzyrządowanie Naukowe | I-3017 | |
| System podgrzewania obiektywów | Okolab | Oko Touch z kołnierzem obiektywu | |
| Olej do obiektywów - typ A | Nikon | wycofany z produkcji | |
| Plan Apo VC 100x 1.40 NA | obiektyw Nikon | MRD01901 | |
| Chlorek potasu | Fisher | P217 | |
| Fosforan potasu | Sigma-Aldrich | P0662 | |
| Wodorowęglan sodu | Sigma-Aldrich | S6297 | |
| Chlorek sodu | Sigma-Aldrich | S7653 | |
| Sód Jodooctan | Sigma-Aldrich | I2512 | |
| Pompa strzykawkowa | Sage Instruments | Model 355 | |
| Adapter rurki - żeński | Small Parts Inc. | ||
| Adapter do węży - męski | Small Parts Inc. | ||
| Rurki Tygon | Bioptechs | 1/16" ID, grubość ścianki 1/32" | |
| Nożyczki sprężynowe Vannas | Fine Science Tools | 15018-10 | cienkie nożyczki |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.