Ten protokół opisuje metodę analizy morfometrycznej połączeń nerwowo-mięśniowych za pomocą połączonej mikroskopii konfokalnej i STED, która jest używana do ilościowego określania zmian patologicznych w mysich modelach SMA i CMS związanych z ColQ.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Ten protokół opisuje metodę analizy morfometrycznej połączeń nerwowo-mięśniowych za pomocą połączonej mikroskopii konfokalnej i STED, która jest używana do ilościowego określania zmian patologicznych w mysich modelach SMA i CMS związanych z ColQ.
Połączenia nerwowo-mięśniowe (NMJ) to wysoce wyspecjalizowane synapsy między dolnymi neuronami ruchowymi a włóknami mięśni szkieletowych, które odgrywają istotną rolę w przekazywaniu cząsteczek z układu nerwowego do mięśni dobrowolnych, prowadząc do skurczu. Są one dotknięte wieloma chorobami ludzkimi, w tym dziedzicznymi zaburzeniami nerwowo-mięśniowymi, takimi jak dystrofia mięśniowa Duchenne'a (DMD), wrodzone zespoły miasteniczne (CMS), rdzeniowy zanik mięśni (SMA) i stwardnienie zanikowe boczne (ALS). Dlatego monitorowanie morfologii połączeń nerwowo-mięśniowych i ich zmian w mysich modelach choroby stanowi cenne narzędzie do badań patologicznych i przedklinicznej oceny podejść terapeutycznych. W tym miejscu opisano metody znakowania i analizy trójwymiarowej (3D) morfologii pre- i postsynaptycznych części motorycznych płytek końcowych z mysich drażnionych włókien mięśniowych. Szczegółowo opisano procedury przygotowywania próbek i pomiaru objętości NMJ, powierzchni, krętości i morfologii/zajętości końcówek aksonów za pomocą obrazowania konfokalnego oraz odległości między postsynaptykalnymi fałdami połączeniowymi a szerokością pasma receptora acetylocholiny (AChR) za pomocą mikroskopii STED (Authorized emission depletion) o wysokiej rozdzielczości. Zmiany w tych parametrach NMJ są zilustrowane u zmutowanych myszy dotkniętych SMA i CMS.
Połączenie nerwowo-mięśniowe (NMJ) to złożona struktura składająca się z zakończenia aksonu ruchowego, perisynaptycznej komórki Schwanna i części szkieletu włókna mięśniowego zaangażowanej w przekazywanie informacji chemicznej i sprzężenie aktywności dolnego neuronu ruchowego ze skurczem mięśni. U ssaków morfologia połączenia nerwowo-mięśniowego zmienia się podczas rozwoju, przyjmując typowy kształt podobny do precla po osiągnięciu dojrzałości, z różnicami w kształcie i złożoności między gatunkami, i wykazuje pewien stopień plastyczności w odpowiedzi na procesy fizjologiczne, takie jak ćwiczenia lub starzenie się1,2,3,4. Postsynaptyczna płytka końcowa silnika tworzy wgłębienia błonowe zwane fałdami połączeniowymi, gdzie górna część zawierająca receptory acetylocholiny (AChR) jest w bliskim kontakcie z presynaptyczną końcową gałęzią aksonu5.
Zmiany morfologiczne i funkcjonalne w połączeniach nerwowo-mięśniowych przyczyniają się do patofizjologii wielu zaburzeń neurodegeneracyjnych, takich jak rdzeniowy zanik mięśni (SMA) i stwardnienie zanikowe boczne (ALS), miopatie takie jak dystrofia mięśniowa Duchenne'a (DMD), wrodzone zespoły miasteniczne (CMS), miastenia (MG) i miopatie centronuklearne (CNM) oraz sarkopenia związana ze starzeniem się3,6,7,8,9,10,11,12. W tych chorobach obserwuje się zmiany strukturalne NMJ, takie jak fragmentacja płytki końcowej, zmniejszony rozmiar postsynaptycznego fałdu połączeniowego i/lub odnerwienie. Patologia NMJ może być pierwotnym lub wczesnym zdarzeniem podczas progresji choroby lub pojawić się ostatnio jako zdarzenie wtórne przyczyniające się do objawów klinicznych. W każdym razie monitorowanie morfologii NMJ w modelach zwierzęcych tych chorób stanowi cenny parametr do badania zmian patologicznych i oceny skuteczności potencjalnych metod leczenia.
Morfologia połączeń nerwowo-mięśniowych jest zazwyczaj analizowana za pomocą technik wykorzystujących mikroskopię konfokalną2,13,14,15 lub mikroskopia elektronowa5,16, z ich nieodłącznymi ograniczeniami, takimi jak rozdzielczość lub trudności techniczne. Ostatnio mikroskopia superrozdzielcza została również wykorzystana do wizualizacji poszczególnych regionów NMJ, takich jak presynaptyczne strefy aktywne lub rozkład AChR na błonie postsynaptycznej16,17,18, jako alternatywne lub uzupełniające podejście do analizy ultrastrukturalnej za pomocą mikroskopii elektronowej.
Ten protokół ma na celu dostarczenie szczegółowej i powtarzalnej metody oceny parametrów morfologicznych NMJ poprzez połączenie fluorescencji konfokalnej i mikroskopii STED (Stimulated emission depletion). Ważne cechy presynaptycznych i postsynaptycznych płytek końcowych, takie jak objętość, obszar, względna krętość, szerokość paska AChR i dystrybucja końców aksonów w unerwionych drażnionych włóknach mięśniowych mięśnia brzuchatego łydki myszy i piszczela przedniego, określono ilościowo w kontekście normalnych i chorobowych stanów. W szczególności defekty NMJ zostały zilustrowane w mysim modelu rdzeniowego zaniku mięśni Smn2B/-, choroby nerwowo-mięśniowej ze zwyrodnieniem neuronu ruchowego spowodowanym mutacjami w genie SMN111,19, oraz w podjednostce ogonowej podobnej do kolagenu myszy z asymetrycznym nokautem acetylocholinoesterazy (ColQDex2/Dex2 lub ColQ-KO), jako model wrodzonego zespołu miastenicznego20,21,22.
Opieka i manipulacja myszami zostały przeprowadzone zgodnie z krajowym i europejskim prawodawstwem dotyczącym eksperymentów na zwierzętach i zatwierdzone przez instytucjonalną komisję etyczną. W badaniu wykorzystano samce i samice myszy Smn2B/- (tło C57Bl/6J) i ColQDex2/Dex2 (tło B6D2F1/J) w wieku odpowiednio 3 i 6 tygodni.
1. Eutanazja myszy i rozwarstwienie mięśni: piszczelowy przedni i brzuchaty łydki
2. Barwienie immunologiczne
3. Akwizycja obrazu
4. Analiza obrazu - mikroskopia konfokalna
UWAGA: Wszystkie obrazy zostały przetworzone na komputerach z systemem operacyjnym Microsoft Windows 10 professional.




5. Analiza obrazu- mikroskopia STED
UWAGA: Przetwarzanie obrazu zostało przeprowadzone za pomocą oprogramowania offline producenta mikroskopu STED.
6. Projekt eksperymentalny i testy statystyczne
Aby ułatwić analizę morfologiczną połączeń nerwowo-mięśniowych na poziomie pre- i postsynaptycznym w powtarzalny sposób, opracowano przepływ pracy od pobierania mięśni do obrazowania i kwantyfikacji za pomocą oprogramowania mikroskopowego i niestandardowych makr ImageJ (Rysunek 1). Aby zilustrować użyteczność tego protokołu, oceniono morfologię NMJ w dwóch mysich modelach zaburzeń genetycznych, Smn2B / - i ColQDex2 / Dex2 myszy dotkniętych odpowiednio rdzeniowym zanikiem mięśni (SMA) i wrodzonym zespołem miastenicznym (CMS), a dane porównano z rólniami kontrolnymi dopasowanymi do wieku.
Struktura NMJ została oceniona na podstawie mięśni piszczelowych przednich i brzuchatych łydki odpowiednio 3- i 6-tygodniowych myszy Smn2B/- (tło C57Bl/6) i ColQDex2/Dex2 (tło B6D2F1/J), gdy objawy choroby są już obecne u tych zwierząt. W wieku 3 tygodni myszy Smn2B/- wykazują oznaki opóźnionego rozwoju mięśni szkieletowych i odnerwienia, takie jak atrofia i utrata NMJ35,36. Myszy CMS mają pierwotną patologię w NMJ i przejawiają zmniejszenie masy ciała od pierwszego tygodnia życia oraz wyraźne osłabienie mięśni20 (dane nie pokazane). Jak pokazano w Rysunek 2A, postsynaptyczna płytka końcowa silnika oznaczona fluorescencyjną α-bungarotoksyną wydawała się mniejsza i/lub pofragmentowana w mutantach dwóch linii myszy za pomocą mikroskopii konfokalnej. Kwantyfikacja stosów Z NMJ przy użyciu tych niestandardowych makr ImageJ ujawniła wyraźne spadki objętości płytki końcowej, projekcji maksymalnej intensywności (MIP) i względnej krętości zarówno u myszy SMA, jak i CMS w porównaniu z kontrolami, jako oznaki defektów dojrzewania NMJ32 (Rysunek 2B-D). Postsynaptyczna objętość płytki końcowej i MIP były zmniejszone u chorych zwierząt (zmiana fałdowania o 2,7 i 2,0 dla objętości oraz 2,5 i 2,0 dla MIP, odpowiednio u myszy Smn2B / - i ColQDex2 / Dex2). Względna krętość była również mniejsza w mięśniach z niedoborem SMN i ColQ niż w WT (16,97% ± 1,33% w SMA w porównaniu z 48,84% ± 5,90% myszy WT i 13,29% ± 2,79% w CMS w porównaniu z 30,20% ± 4,44% myszy kontrolnych). Ponadto kwantyfikacja rozkładu presynaptycznych gałęzi końcowych aksonów przy użyciu niestandardowego makra ImageJ ujawniła zmieniony wzór dystrybucji neurofilamentu M w dwóch modelach zwierzęcych, ze zwiększonym znakowaniem immunologicznym (84,65% ± 0,32% w porównaniu z 16,57% ± 2,03% i 23,64% ± 2,78% w porównaniu z 18,77% ± 1,73% u myszy Smn2B/- i ColQDex2/Dex2 w porównaniu z kontrolami, odpowiednio) (Rysunek 3A-D). Poprzez barwienie SV2 zaobserwowano również 43% zmniejszenie współczynnika zajętości, tj. procentu regionów zawierających AChR z sąsiednimi strefami aktywnymi zakończeń nerwowych, zaobserwowano również u myszy Smn2B / - (49,36% ± 3,76% w SMA w porównaniu z 85,69% ± 2,34% myszy WT) (Rysunek 3E,F). Ten parametr NMJ został również obliczony w GA mutantów ColQDex2/Dex2, ale nie stwierdzono statystycznie istotnej różnicy w porównaniu z rodzeństwem z miotu kontrolnego (dane nie pokazane).
Dalej analizowaliśmy charakterystykę błony postsynaptycznej, określając ilościowo odległość między fałdami połączeniowymi i szerokość pasków AChR, które znajdują się na grzbiecie tych fałdów, w mięśniach z niedoborem ColQ za pomocą mikroskopii STED (stymulowanej emisją o wysokiej rozdzielczości). Jak pokazano na Rysunek 4, aspekt tych struktur może być wyraźnie zobrazowany przez fluorescencyjne znakowanie α-bungarotoksyną i analizę profilu intensywności. Oceniliśmy te parametry NMJ i stwierdziliśmy wzrost odległości fałdu połączeniowego (d) i szerokości (w) pasków AChR w mięśniu brzuchatym łydki mutantów (358,3 nm ± 11,97 nm i 320,8 nm ± 10,90 nm dla odległości oraz 216,9 nm ± 10,51 nm i 186,3 nm ± 7,015 nm dla szerokości, w ColQDex2/Dex2 w porównaniu z myszami typu dzikiego, odpowiednio, p < 0,05) (Rysunek 4C,D).

Rysunek 1: Schemat blokowy protokołu wideo do wieloskalowej charakterystyki NMJ 3D za pomocą mikroskopii konfokalnej i STED. Mięśnie piszczelowe przedni (TA) i brzuchaty łydki (GA) pobrano od myszy, a włókna mięśniowe drażniono przed znakowaniem α-bungarotoksyną-F488 lub α-bungarotoksyną-F633, DAPI, pierwszorzędowymi przeciwciałami skierowanymi przeciwko neurofilamentowi M (NF-M) i glikoproteinie pęcherzyków synaptycznych 2 (SV2) oraz przeciwciałom drugorzędowym sprzężonym z fluoroforem (F488 lub F594). Stosy obrazów uzyskano za pomocą mikroskopii konfokalnej i przetworzono w celu zmierzenia postsynaptycznej objętości NMJ, presynaptycznej akumulacji NF-M, zajętości końca aksonu NMJ, obszaru końcowej projekcji postsynaptycznej maksymalnej intensywności (MIP) i krętości (dObj(AB) to odległość między A i B wzdłuż obwodu obiektu (czerwona linia), podczas gdy dEuc(AB) to odległość euklidesowa między A i B (zielona linia)). Do analizy mikroskopowej STED szerokość pasków receptora acetylocholiny (AChR) i odległość między fałdami złącznymi określono ilościowo na podstawie profili intensywności barwienia α-BTX-F633. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Wieloparametrowa postsynaptyczna charakterystyka NMJ w mysich modelach rdzeniowego zaniku mięśni (SMA) i wrodzonego zespołu miastenicznego (CMS) związanego z ColQ. (A) Reprezentatywne obrazy postsynaptycznych płytek końcowych motorycznych z mięśni TA i GA znakowanych α-bungarotoxin-F488 (α-BTX). (B) Kwantyfikacja postsynaptycznej objętości płytki końcowej NMJ, (C) obszar projekcji maksymalnej intensywności (MIP) i (D) względna krętość w TA 3-tygodniowych myszy typu dzikiego (WT) i Smn2B/- (lewe wykresy, N = 3 zwierzęta na genotyp, n = 37 i n = 56 NMJ, odpowiednio) oraz 6-tygodniowych WT i ColQDex2/Dex2 myszy (wykresy po prawej, N = 5 myszy na genotyp, n = 89 i n = 97 NMJ, odpowiednio). Dane są wyrażone jako średnia na mysz (kropka) ± SEM. Różnice między grupami analizowano za pomocą testu Manna-Whitneya (*, p, < 0,05). Podziałka wynosi 10 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Analiza morfometryczna rozkładu końcówek aksonów presynaptycznych w mięśniach myszy WT i zmutowanych. Wzorzec unerwienia NMJ w mięśniach piszczelowych przednich (TA) i brzuchatych łydki (GA) myszy CMS typu dzikiego, SMA i związanych z ColQ. (A, B) Reprezentatywne połączenia nerwowo-mięśniowe z TA myszy WT i Smn2B / - w wieku 21 dni znakowane przeciwciałami przeciwko neurofilamentowi M (NF-M, czerwony) i α-bungarotoksynie-F488 (α-BTX, zielony) (A) oraz wyniki analizy ilościowej akumulacji neurofilamentów (B); (C, D) Reprezentatywne połączenia nerwowo-mięśniowe z GA 6-tygodniowych myszy WT i ColQDex2 / Dex2 znakowanych przeciwciałami przeciwko neurofilamentowi M (NF-M, czerwony) i α-bungarotoksynie-F488 (α-BTX, zielony), wykazujące fragmentaryczne i niedojrzałe postsynaptyczne płytki końcowe (C) oraz wyniki akumulacji neurofilamentów w dwóch grupach zwierząt (D). W eksperymentach analizowano N = 4 (n = 34 NMJ) (B) i N = 3 (n = 54 NMJ) (D) zwierzęta WT oraz N = 3 (n = 36 NMJ) Smn2B / - i N = 3 (n = 55 NMJ) myszy ColQDex2 / Dex2 (B, D). (E, F) Reprezentatywne obrazy zajętości końców aksonów w NMJ z TA 3-tygodniowych myszy WT i Smn2B / - znakowanych przeciwciałami przeciwko glikoproteinie pęcherzyków synaptycznych 2 (SV2, czerwony) i α-bungarotoksynie-F488 (α-BTX, zielony) (E) oraz wyniki zajętości NMJ (stosunek objętości SV2 / AChR) (F). Analizowano mięśnie myszy N = 3 (n = 50 NMJ) typu dzikiego i N = 4 (n = 62 NMJ) Smn2B/-. Dane wyrażono jako średnią wartość na mysz (kropkę) ± SEM. Różnice między grupami analizowano za pomocą testu Manna-Whitneya (*p < 0,05). Podziałka skali wynosi 20 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Obrazowanie STED postsynaptycznych płytek końcowych NMJ. (A) Reprezentatywny obraz STED NMJ oznaczonego α-bungarotoxin-F633 (α-BTX) z brzuchatego łydki 6-tygodniowej myszy typu dzikiego wykazującej postjunctionalne paski AChR (skala wynosi 5 μm). (B) Większe powiększenie obszaru z paskami AChR (dolny panel), który został użyty do wygenerowania profilu intensywności. Szerokość (w) pasków AChR oraz odległość między dwoma sąsiednimi paskami (d) tego obszaru zostały określone ilościowo i przedstawione na wykresie słupkowym. Schematyczne przedstawienie postsynaptycznej płytki końcowej w celu zilustrowania szerokości paska AChR (w) i odległości (d). Parametry te, (C) odległość pasków AChR i (D) szerokość, zostały zmierzone u myszy ColQDex2/Dex2 i kontrolnych rodzeństwa z miotu w wieku 6 tygodni. NMJ od 5 zwierząt WT (łącznie n = 29 NMJ) i 6 ColQDex2/Dex2 (łącznie n = 43 NMJ) analizowano na ślepo. Dane są wyrażone jako średnia na mysz (kropka) ± SEM. Różnice statystyczne między grupami analizowano za pomocą testu Manna-Whitneya (*p < 0,05). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Rysunek uzupełniający 1: Uruchomienie oprogramowania LAS X i parametrów do akwizycji konfokalnej. Poszczególne etapy uzyskiwania obrazów konfokalnych opisano w sekcjach 3.1.2 do 3.1.7 protokołu. Dla każdej akwizycji stosu NMJ otwierany jest projekt (krok 3.1.4) i wybierane są parametry rozmiaru obrazu, szybkości akwizycji, osi X, Y i Z (krok 3.1.7), ze wskazaniem każdego skanu sekwencyjnego (Seq.1, laser 405 dla DAPI; Seq.2, laser 488 do α-BTX-F488; i Seq.3, laser 552 dla sprzężonych przeciwciał drugorzędowych F594). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający 2: Uruchomienie oprogramowania LAS X i parametrów do akwizycji STED. Kroki w celu uzyskania obrazów STED są opisane w sekcjach 3.2.2 do 3.2.8 protokołu. Mikroskop jest uruchamiany w trybie konfiguracyjnym STED ON (krok 3.2.2) i otwierany jest projekt (krok 3.2.3). Parametry akwizycji obrazu (krok 3.2.7) (rozmiar obrazu, szybkość akwizycji, współczynnik powiększenia, oś X) dla każdego skanowania sekwencyjnego są wskazane (sekwencja 1 dla α-BTX-F633; Seq.2 dla sprzężonych przeciwciał drugorzędowych F488). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający 3: Obrazy fałdów połączeniowych wybarwionych α-BTX uzyskane za pomocą mikroskopii STED. Przykłady obrazów postsynaptycznej płytki końcowej oznaczonej α-BTX-F633 od 6-tygodniowej myszy typu dzikiego, które zostały pozyskane z prawidłową (po lewej) lub niewłaściwą ostrością (po prawej). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający 4: Wyskakujące okienka systemu Windows opisujące dane wejściowe i wyjściowe uzyskane przez niestandardowe makra ImageJ. Przykłady danych wejściowych (pliki .tif i .lif) obrazów NMJ są pokazane w lewej kolumnie. Dane wyjściowe z makr (prawa kolumna) są zapisywane w folderach (Save_Volume, Save_Accu), które zawierają obrazy skrzyżowania (.tif) oraz arkusze danych zawierające wyniki (pliki .csv). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający 5: Analiza odległości i szerokości pasów AChR z akwizycji STED przy użyciu oprogramowania LAS X. Kroki analizy obrazów NMJ STED są opisane w sekcji 5 protokołu. A) Obraz oznakowanego postsynaptycznego regionu płytki końcowej zawierającego paski AChR. Obszar zainteresowania do analizy pasków wybiera się, rysując prostopadłą linię (zielona linia, dla odległości paska) lub prostopadły prostokąt (fioletowy prostokąt, dla szerokości paska). (B, C) Pokazane są profile intensywności wybranych regionów oraz pomiary służące do obliczenia odległości między paskami AChR (B) a szerokością pasa AChR (C). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Dodatkowy plik kodowania 1: Macro_NMJ_VOL_Marinelloetal. Niestandardowe makro ImageJ do wyodrębniania pomiarów parametrów NMJ (objętość NMJ, obszar płyty końcowej MIP i krętość NMJ). Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Dodatkowy plik kodowania 2: Macro_NMJ_ACCU_Marinelloetal. Niestandardowe makro ImageJ do ekstrakcji akumulacji NF-M i barwienia SV2. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Opisany protokół wideo zapewnia szczegółową metodę ilościowego określania struktury 3D połączeń nerwowo-mięśniowych poprzez połączenie mikroskopii konfokalnej i STED, które można wykorzystać do scharakteryzowania zmian patologicznych na poziomie pre- i postsynaptycznym. Wysoka rozdzielczość mikroskopii STED umożliwia wizualizację i analizę morfometryczną nanostruktur, których nie można zidentyfikować za pomocą konwencjonalnego obrazowania konfokalnego. Procedura ta umożliwiła nam zmierzenie zmian strukturalnych NMJ w dwóch mięśniach wyrostka robaczkowego, piszczelowym przednim i brzuchatym łydki, myszy CMS związanych z SMA i ColQ.
Aby uzyskać wiarygodne wyniki za pomocą tej techniki, bardzo ważne jest, aby prawidłowo rozciąć i drażnić mięśnie, zwracając szczególną uwagę na powięź otaczającą mięsień i siłę przyłożoną do oddzielenia wiązek mięśniowych; w przeciwnym razie wzorzec unerwienia może zostać zakłócony, utrudniając prawidłową ocenę presynaptycznego NMJ. Chociaż szczegółowe informacje są dostarczane do analizy NMJ z TA i GA, w zasadzie protokół ten można dostosować do innych mięśni, w tym mięśni płaskich, takich jak przepona lub poprzeczny brzuch37, które nie wymagają kroku drażnienia. Utrwalenie tkanek ma również kluczowe znaczenie dla zapewnienia dobrej jakości barwienia; dlatego zaleca się stosowanie wysokiej jakości PFA w odpowiedniej objętości (15-20 razy większej niż w mięśniu). Ponadto czas ekspozycji na utrwalacz jest ważnym krokiem, ponieważ artefakty, takie jak kurczenie się i zbrylanie, mogą pojawić się z powodu nadmiernej fiksacji i wpływać na cechy NMJ. Biorąc pod uwagę wielkość próbek i szybkość penetracji roztworu paraformaldehydu w tkankach38, dla tego typu mięśni zaleca się czas utrwalenia 18-24 godzin. W przypadku, gdy etap barwienia jest planowany później niż tydzień po pobraniu tkanek, sugeruje się utrzymywanie mięśni utrwalonych PFA w PBS uzupełnionych azydkiem sodu w temperaturze 4 °C, aby zapobiec namnażaniu się bakterii.
Protokół ten przedstawia podejście wykorzystujące α-BTX-F488 do obrazowania konfokalnego i α-BTX-F633 do obrazowania STED. Fluorofory te zostały dobrane tak, aby pasowały do opisanego projektu eksperymentalnego, ale mogą być modyfikowane w zależności od dostępnego sprzętu i materiałów. Na przykład etykietowanie α-BTX F488 można wybrać w przypadku korzystania z lasera STED CW 592 nm do akwizycji obrazu i kwantyfikacji. Wydaje się jednak, że konfiguracja, która została zastosowana w niniejszym badaniu (wzbudzenie impulsowe bramkowane STED, zubożenie 775 nm) wykazuje wyższą wydajność i lepszą rozdzielczość niż inne podejścia, takie jak STED39 z falą ciągłą, co czyni ją bardziej odpowiednią do obecnego zastosowania. Ważne jest również, aby starannie dobrać ustawienia mocy lasera, zwłaszcza dla STED (zarówno wzbudzenia, jak i zubożenia), ponieważ charakterystyka profilu intensywności nie może być zmierzona w przypadku nasycenia, a zatem każdy nasycony sygnał na obrazie NMJ może zagrozić całej analizie.
Ten szczegółowy przepływ pracy, w tym akwizycja i analiza obrazu przy użyciu oprogramowania mikroskopowego i makr ImageJ, został opracowany w celu ułatwienia autonomicznej analizy morfometrycznej NMJ za pomocą mikroskopii konfokalnej i STED z pojedynczego mięśnia. Wcześniej opisane przepływy pracy dla analizy konfokalnej NMJ, takie jak NMJ-morph2 lub NMJ-Analyser14, utorowały drogę do zaprojektowania półautomatycznych metod, które ułatwiają analizę morfologiczną NMJ i badania porównawcze. NMJ-morph (i jego zaktualizowana wersja aNMJ-morph15) to darmowa platforma oparta na ImageJ, która wykorzystuje projekcję maksymalnej intensywności do pomiaru 21 cech morfologicznych, a NMJ-Analyser wykorzystuje skrypt opracowany w Pythonie, który generuje 29 istotnych parametrów z całej struktury 3D NMJ. Ręczne progowanie jest jedynym krokiem podczas przetwarzania obrazu w tych dwóch metodach, który wymaga analizy użytkownika. Ten zintegrowany protokół szczegółowo opisuje etapy przygotowania tkanki, akwizycji obrazów konfokalnych 3D i przetwarzania NMJ z całych mięśni szkieletowych w oparciu o ImageJ i zapewnia uproszczony przegląd pięciu ważnych parametrów postsynaptycznych (objętość, maksymalny obszar projekcji i krętość) i presynaptycznych (zajętość końców aksonów i akumulacja neurofilamentów). Dodatkowy parametr o znaczeniu biologicznym, wzorzec organizacji AChR postsynaptycznych fałdów połączeniowych, został włączony do analizy morfometrycznej na poziomie nanoskali za pomocą superrozdzielczej mikroskopii STED (rozdzielczość 20-30 nm)40. Co ciekawe, przygotowanie tkanek do obrazowania STED jest prostsze niż inne metody stosowane w badaniach ultrastrukturalnych NMJ, takie jak konwencjonalna transmisyjna mikroskopia elektronowa (TEM)9, która jest dość złożoną i czasochłonną procedurą, która wymaga wykwalifikowanego manipulatora w celu uzyskania ultracienkich odcinków odpowiedniego obszaru mięśniowego. Ponadto dane ilościowe z wielu zagięć złączy można uzyskać automatycznie za pomocą oprogramowania powiązanego z STED.
Protokół ten został zastosowany w celu zilustrowania wcześniej znanych defektów NMJ w mięśniach z niedoborem SMN i ColQ 20,36,41,42. Wspólne zmiany stwierdzono w dwóch modelach mysich za pomocą mikroskopii konfokalnej, takie jak zmniejszona objętość postsynaptycznej płytki końcowej, obszar MIP i względna krętość oraz zwiększona akumulacja neurofilamentów, podczas gdy niektóre bardziej szczegółowe wyniki (zmniejszone zajętość NMJ) zaobserwowano tylko u myszy SMA, jako wskaźnik upośledzonego transportu pęcherzyków36. Wreszcie, wzrost odległości i szerokości pasków AChR wykryto w ColQ-KO za pomocą analizy STED, które są oznakami defektów ultrastrukturalnych w postsynaptycznych fałdach połączeniowych, jak wcześniej zaobserwowano w TEM20. Co ważne, protokół ten może pomóc w bardziej dogłębnej charakterystyce morfologicznej połączeń nerwowo-mięśniowych podczas rozwoju, utrzymania i w różnych stanach patologicznych.
Autorzy deklarują, że nie ma konfliktu interesów związanego z tą pracą.
Dziękujemy "Centralnemu Ośrodku Obrazowania i Cytometrii" firmy Genethon, a także służbie histologicznej, które są częściowo wspierane przez fundusze sprzętowe z Regionu Ile-de-France, Conseil General de l'Essonne, Genopole Recherche z Evry, Uniwersytetu Evry Val d'Essonne i INSERM we Francji. Jesteśmy również wdzięczni dr Rashmi Kothary za dostarczenie linii myszy Smn2B/2B (University of Ottawa, Kanada) oraz dr Ericowi Krejci za linię myszy ColQDex2/+ (niepublikowanej, Uniwersytet Paryski, Francja). Dziękujemy Guillaume'owi Corre za jego wsparcie w analizie statystycznej. Przeciwciała monoklonalne 2H3 (opracowane przez Jessel, TM i Dodd, J.) i SV2 (opracowane przez Buckley, KM) uzyskano z Developmental Studies Hybridoma Bank (DSHB), utworzonego przez NICHD NIH i utrzymywanego na Uniwersytecie Iowa, Wydział Biologii, Iowa City, IA 52242. Prace te były wspierane przez Association Française contre les Myopathies (AFM-Telethon), INSERM i Uniwersytet w Evry Val d'Essonne.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Buffers and Reagents | |||
| Alexa Fluor 488 kozia anty-mysia IgG (F488) | Life Technologies, Thermofisher | A-11001 | |
| Alexa Fluor 488 α-bungarotoxin (F488-a-BTX) | Life Technologies, Thermofisher | B13422 | |
| Alexa Fluor 594 kozia anty-mysia IgG (F594) | Life Technologies, Thermofisher | A-11032 | |
| ATTO-633 α-bungarotoksyna (F633-a-BTX) | Alomone Labs | B-100-FR | |
| Albumina surowicy bydlęcej (BSA) | Sigma | A2153 | |
| DAPI Fluoromount-G | Southern Biotech | 00-4959-52 | |
| DPBS | Gibco, Invitrogen | 14190-169 | |
| Absolutny etanol VWR | 20821.296 | ||
| Olejek immersyjny, n = 1.518 | THORLABS | MOIL-10LF | Niska autofluorescencja |
| Przeciwciało neurofilamentowe (NF-M) | DSHB | AB_531793 | |
| Paraformaldehyd (PFA) | MERCK | 1.04005 | |
| Przeciwciało przeciwko glikoproteinie pęcherzyków synaptycznych 2 (SV2) | DSHB | AB_2315387 | |
| Triton X-100 | Sigma | T8787 | |
| Materiały | |||
| Alnico Magnesy cylindryczne | Farnell France | E822 | średnica 19,1 mm przy maksymalnym uciągu 1,9 Kg |
| 63x 1,4 NA magnitudo olejek immersyjny HCX Plan Apo CS obiektyw | Leica Microsystems | ||
| 100x 1.4 NA HC PL APPO CS2 Obiektyw | Zeiss | ||
| Zakrzywione cienkie kleszcze-Kleszczyki do tęczówki Moria | Fine Science Tools | 11370-31 | |
| Ekstra cienkie nożyczki - Vannas-Tü Bingen Nożyczki sprężynowe | Fine Science Tools | 15-003-08 | |
| Kleszcze drobno ząbkowane | Euronexia | P-95-AA | |
| Końcówka ładująca żel okrągła 1-200 i mikro; L | COSTAR | 4853 | |
| Laserowy skaningowy mikroskop konfokalny Leica TCS SP8 | Leica Microsystems | ||
| Leica Laserowy skaningowy mikroskop konfokalny TCS SP8 bramkowany STED 775 nm | Leica Microsystems | ||
| Chusteczka do czyszczenia soczewek | Whatman (GE Healthcare) | 2105-841 | |
| Kleszcze średnio ząbkowane | Euronexia | P-95-AB | |
| Okulary nakrywkowe do mikroskopu 24x50 nm Nr 1,5H 170± 5 & mikro; m | Marienfield | 107222 | Precyzyjna |
| powierzchnia delta Nunclon (płytki 12-dołkowe) | Thermo Scientific | ||
| Powierzchnia delta nunclon (płytki 24-dołkowe) | Thermo Scientific | ||
| Skalpel Safeshield | Feather | 02.001.40.023 | |
| Ostro-nożyczki - drobne Nożyczki - martenzytyczne Stal nierdzewna | Fine Science Tools | 14094-11 | |
| Prowadnice Superfrost plus | Thermo Scientific | J1800AMNZ | |
| Software | |||
| GraphPad | Prism, San Diego (US) | Wydanie N° 6.07 | Oprogramowanie statystyczne |
| Oprogramowanie ImageJ | National Institutes of Health | Release N° 1.53f | |
| Oprogramowanie Leica Application Suite X | Leica Microsystems | N° 3.7.2.2283 | Darmowe oprogramowanie mikroskopowe dostępne na https://www.leica-microsystems.com/products/microscope-software/p/leica-las-x-ls/downloads/ |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie