RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
W tym miejscu opisujemy lokalizator zdarzeń mitochondrialnych (MEL), wtyczkę ImageJ przydatną w ilościowym określaniu trójwymiarowych zmian w rozszczepieniu mitochondriów i aktywności fuzyjnej w czasie. Opisujemy również potok przetwarzania obrazu przydatny do czyszczenia mikrofotografii przed analizą w ImageJ.
Mitochondria to wysoce dynamiczne organelle, które są niezbędne do przetrwania każdego zwierzęcia, ulegając regularnym rozszczepieniom i fuzjom w odpowiedzi na potrzeby lub stresy gospodarza, co prowadzi do ciągłej przebudowy sieci mitochondrialnej. Z tego powodu możliwość oceny sieci mitochondrialnej w trzech wymiarach, a także w czasie, przynosi korzyści w zrozumieniu, w jaki sposób system reaguje na czynniki takie jak stres lub interwencja farmaceutyczna. Obrazowanie fluorescencyjne sieci mitochondrialnych komórek umożliwia wizualizację i monitorowanie tych zmian. Jednak sieć mitochondrialna jest często opisywana jako dwuwymiarowa i statyczna struktura, która jest definiowana przez niestandaryzowane metryki. Dlatego postanowiliśmy opisać potok, który umożliwia użytkownikowi przygotowanie obrazów dla lokalizatora zdarzeń mitochondrialnych (MEL), narzędzia wtyczki ImageJ, które wykrywa zdarzenia rozszczepienia i fuzji w sieci mitochondrialnej w czasie i w sposób trójwymiarowy, oferując w ten sposób wgląd w dynamiczne zmiany, jakie przechodzi ta sieć. Dodatkowo opisujemy korzyści płynące ze zrozumienia rozszczepienia i fuzji w świetle zmian w liczbie mitochondriów i zmian morfologicznych.
Mitochondria to wysoce dynamiczne organelle obecne we wszystkich komórkach eukariotycznych, dostarczające im energii i regulujące ich metabolizm. Tak więc mitochondria znajdują się na skrzyżowaniu śmierci komórkowej i przetrwania. Wykazano, że mitochondria są niezbędne dla różnych procesów, począwszy od zakwaszenia lizosomów i molekularnego działania motorycznego, a skończywszy na skurczu mięśni i wypalaniu synaps 1,2.
Mitochondria przechodzą regularne rozszczepienia i fuzje, aby utrzymać sieć mitochondrialną, która skutecznie wytwarza ATP w odpowiedzi na zapotrzebowanie metaboliczne komórki i stres. Rzeczywiście, wykazano, że mitochondria ulegają rozszczepieniu, aby ułatwić mitofagię, selektywne usuwanie fragmentów mitochondriów. W związku z tym w układzie komórkowym pozostają tylko aktywnie oddychające i nie zdepolaryzowane mitochondria 3,4. Fuzja występuje jednak jako sposób na zwiększenie wydajności ATP sieci w przypadku zwiększonego zapotrzebowania 5,6. Ponadto wykazano, że zarówno rozszczepienie, jak i fuzja odgrywają ważną rolę w podziale i ochronie mitochondrialnego DNA 7,8. Należy zauważyć, że zakres rozszczepienia i fuzji wymaga starannej kontroli homeostatycznej, aby zapewnić zdrową sieć mitochondrialną, ponieważ wykazano, że zbyt dużo lub zbyt mało któregokolwiek z tych procesów jest szkodliwe.
Wykazano, że nadmierne rozszczepienie prowadzi do fragmentacji sieci mitochondrialnej, a następnie obniżenia poziomu ATP w chorobie Alzheimera, chorobie Parkinsona i tauopatiach 9,10,11, a niski poziom rozszczepienia może prowadzić do akumulacji zdepolaryzowanych mitochondriów, co prowadzi do objawów podobnych do choroby Parkinsona 12. Wiadomo, że hiperfuzja sieci występuje w okresach stresu w celu zwiększenia produkcji ATP. Wykazano jednak, że istnienie w tym stanie przez dłuższy czas zwiększa poziom ROS i aktywność autofagii, co skutkuje początkiem śmierci komórki 9,12.
Staje się zatem jasne, że zrozumienie stanu sieci mitochondrialnej daje kluczowy wgląd w zrozumienie stanu komórki, a tym samym organizmu. Wyraźne znaczenie zrozumienia sieci mitochondrialnej w kontekście zdrowia i choroby, jej zdolności do ulegania zdarzeniu rozszczepienia i fuzji oraz ich wpływowi na zdrowie komórkowe jest tym, co zmotywowało opracowanie tego protokołu i powiązanych narzędzi analitycznych. W szczególności narzędzia, które umożliwiają charakterystykę dynamiki mitochondriów, są w dużej mierze ograniczone i słabo opisane w literaturze.
Morfologia mitochondriów jest zwykle określana za pomocą mikroskopii konfokalnej, a następnie analizy obliczeniowej, która wymaga, aby surowe mikrofotografie zostały poddane pewnemu stopniowi przetwarzania w celu poprawy ich jakości do oceny, ponieważ najlepiej opisuje to organizację mitochondriów. W ten sposób użytkownicy mogą określić wiele wyników morfometrycznych sieci mitochondrialnej, takich jak liczba, objętość, długość i proporcje 13,14,15. Użytkownicy mogą korzystać z mikrofotografii 2D lub 3D do oceny morfologicznej, chociaż analiza 3D oferuje większą dokładność i wgląd, ponieważ sieć mitochondrialna składa się ze struktur 3D. Do celów analizy rozszczepienia i fuzji zaleca się stosowanie mikrofotografii z osią z, ponieważ najlepiej kompensuje to trójwymiarowość sieci mitochondrialnej16.
Wiele badań obejmuje kategoryzację mitochondriów na stany rozdrobnione, nitkowate lub pośrednie jako sposób opisu sieci16,17. Analiza 3D jest szczególnie korzystna ze względu na różne kształty, jakie mitochondria przybierają w komórce. Dodanie trójwymiarowości do badania daje pewność, zwłaszcza w odniesieniu do liczby mitochondriów, ponieważ mitochondria mogą poruszać się w górę lub w dół wzdłuż osi z. MEL to wtyczka ImageJ, która jest zależna od obrazów przechwyconych w 3D18. W tym przypadku wykorzystaliśmy mysie komórki neuronalne hipokampa GT1-7 barwione TMRE i Hoechst do wizualizacji sieci mitochondrialnej, a także jądra komórki. Komórki zostały następnie umieszczone w procesie przetwarzania wstępnego w celu poprawy jakości mikrofotografii w ramach przygotowań do analizy obrazu.
Udostępniono wiele technik, które pozwalają na określenie morfologii mitochondriów na podstawie metryk statycznych. Niewiele z nich obejmuje działania związane z rozszczepieniem i fuzją i umożliwia ilościowe uchwycenie dynamicznego zachowania mitochondriów 13,19,20,21. W tym miejscu opiszemy protokół poprawy obrazu przed określeniem charakterystyki sieci, ze szczególnym uwzględnieniem rozszczepienia mitochondriów i aktywności fuzyjnej. Pokażemy, w jaki sposób technika ta może uzupełniać wcześniej opublikowane metody określania morfologii mitochondriów.
1. Leczenie komórkowe i akwizycja mikroskopowa
2. Obrazowanie
3. Ocena obliczeniowa
UWAGA: Całe późniejsze przetwarzanie zostało wykonane przy użyciu ImageJ v1.53t. Wtyczkę MEL, a także moduły pomocnicze, można znaleźć pod adresem https://github.com/rensutheart/MEL-Fiji-Plugin, podczas gdy wszystkie używane makra można znaleźć pod adresem https://github.com/rensutheart/FMPP/tree/master/Sections.
Zaznaczanie odpowiednich komórek
Użytkownicy powinni mieć świadomość, że sieć mitochondrialna zmienia się w zależności od stanu mitotycznego komórki. Jeśli jądro wydaje się mieć kształt hantli lub litery U, lub jeśli w pobliżu jądra znajduje się przestrzeń z brakiem sygnału fluorescencji, może to oznaczać, że komórka zbliża się do mitozy. W tym stanie mitochondria prawdopodobnie ulegają rozszczepieniu z powodu podziału komórek, a nie z powodu interwencji leczniczej i jej wpływu na sieć (rysunek uzupełniający S8).
Metformina jest lekiem przeciwcukrzycowym, który, jak wykazano, indukuje fuzję mitochondrialną22. Mysie komórki podwzgórza GT1-7 traktowano 400 nM bafilomycyny (Baf) przez 4 godziny w celu zahamowania degradacji mitochondriów, 10 μM CCCP przez 6 godzin w celu wywołania depolaryzacji mitochondriów i 5 mM chlorowodorku metforminy (Metf) przez 72 godziny przed inkubacją w koktajlu zawierającym TMRE i Hoechst w DMEM. Surowe obrazy składały się z 10 mikrofotografii o szerokości kroku z 0,25 μm, które zostały uchwycone w pięciu przedziałach czasowych przy użyciu laserów o długości fali 405 nm i 561 nm. Przechwycenie każdego punktu czasowego trwało 30 sekund i nie stosowano żadnych przerw między punktami czasowymi po zdobyciu stosu z. Przedstawione dane są reprezentacją średniej ± odchylenia standardowego z czterech eksperymentów o łącznej wartości n 12 na grupę badaną.
Rysunek 1 przedstawia wpływ procesu przetwarzania na reprezentatywne mikrofotografie, zaczynając od surowego obrazu, a kończąc na obrazie progowym, który jest następnie analizowany przez MEL. Dekonwolucja koryguje rozpraszanie światła, jednocześnie poprawiając jakość rozdzielczości mitochondriów. Potok wstępnego przetwarzania jest odpowiedzialny za odejmowanie tła, rozmycie i zwiększanie kontrastu w ustandaryzowany sposób. Po zwiększeniu kontrastu, struktury są progowane, a małe cząstki są usuwane w ramach przygotowań do analizy przez MEL, a także innych ocen morfologicznych, które użytkownik może zdecydować się wykonać.

Rysunek 1: Potok przygotowania do analizy obrazu. (A) Surowe mikrofotografie miały oddzielone kanały i (B) pojedyncze komórki wybrane na klatkę. (C) Komórki te zostały następnie zdekonwolucjonowane przed poddaniem (D) odejmowaniu tła i wzmocnieniu kontrastu. (E) Wreszcie, mikrofotografie zostały poddane progowaniu, zanim (F) zostały przeanalizowane przez wtyczkę MEL w celu wykrycia rozszczepienia i fuzji. Podziałka = 10 μm (mikrografie główne), 2 μm (sekcje powiększone). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Rysunek 2 pokazuje, w jaki sposób rozgraniczenie i wizualizacja aktywności rozszczepienia i fuzji jądrowej zachodzącej w czasie i w 3D, jak opisano wcześniej18. Zdarzenia rozszczepienia są oznaczone czerwoną kropką, podczas gdy zdarzenia fuzji są oznaczone zieloną punktą, aby wizualnie zlokalizować dynamiczną aktywność w czasie. MEL wykrywa klatka po klatce na całym mikrozdjęciu ułożonym w stos z, obserwując w ten sposób aktywność rozszczepienia i fuzji w 3D.

Rysunek 2: Wykrywanie zdarzeń rozszczepienia i fuzji jądrowej w 3D i w czasie. Reprezentatywne obrazy pokazują zmiany w sieci mitochondrialnej w trzech kolejnych przedziałach czasowych, z reprezentatywnym regionem zainteresowania pokazanym w 2D i 3D. Zielona puncta wizualizuje zdarzenia fuzji, podczas gdy czerwona puncta wizualizuje zdarzenia rozszczepienia. Podziałka = 10 μm (mikrografie główne), 2 μm (sekcje powiększone). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Chociaż opublikowano wiele technik opisujących morfologię sieci mitochondrialnych, niewiele z nich obejmuje aktywność rozszczepienia i fuzji. Dodanie odczytów rozszczepienia i fuzji, choć nie różniło się znacząco od siebie, biorąc pod uwagę nasz krótki czas obrazowania wynoszący pięć ram czasowych, wystarczyło, aby wykazać znaczącą zmianę w liczbie zdarzeń po dodaniu metforminy leczonej jednocześnie z CCCP i Baf (Figura 3D). Wzrost aktywności rozszczepienia i fuzji sieci mitochondrialnej wskazuje, że sieć jest dynamiczna i przechodzi dużą przebudowę; Jednak samo rozszczepienie i fuzja niekoniecznie opisują sieć mitochondrialną. Liczba i objętość mitochondriów są powszechnie stosowanymi deskryptorami morfologicznymi sieci.
Tutaj wykazaliśmy, że Metf, w obecności CCCP i Baf, spowodował wzrost liczby mitochondriów i spadek objętości, cechy, które są zgodne z siecią mitochondrialną, która uległa rozszczepieniu (Figura 3C). W poprzedniej publikacji wykazaliśmy korzyści płynące ze zrozumienia sieci mitochondrialnej w kontekście rozszczepienia i fuzji, a także liczby struktur i objętości23. W tym miejscu pokazujemy również znaczenie zrozumienia zakresu dynamicznej aktywności w odniesieniu do całkowitej liczby struktur mitochondrialnych (ryc. 3E). W ten sposób byliśmy w stanie wykryć, że w stosunku do liczby mitochondriów, metformina indukowała wyższy stopień dynamicznej aktywności niż metformina leczona jednocześnie z Baf i CCCP (Figura 3G), co wskazuje, że chociaż liczba mitochondriów pozostaje niezmieniona w porównaniu z kontrolą, po leczeniu metforminą (Figura 3D) następuje znaczny wzrost aktywności przebudowy sieci (Figura 3G).

Rycina 3: Dynamiczne i morfologiczne zmiany sieci mitochondrialnej. Reprezentatywne projekcje maksymalnej intensywności komórek (A) kontrolnych, (B) leczonych metforminą oraz (C) komórek poddanych działaniu metforminy, CCCP i Baf po przetworzeniu przez wtyczkę MEL. (D) Rozszczepienie (niebieski pasek) i zdarzenia fuzji (pomarańczowy pasek) wykryto w czasie i uśredniono dla każdej grupy leczonej. Następnie użyto wtórnego narzędzia morfologicznego do wykrycia (E) liczby struktur mitochondrialnych i (F) objętości mitochondriów. (G) Wreszcie, liczba zdarzeń rozszczepienia i fuzji była związana z całkowitą liczbą mitochondriów dostępnych w celu zrozumienia względnej dynamicznej aktywności sieci po każdym zabiegu. Pokazane wyniki reprezentują średnią z 12 komórek, z których każda była oceniana w pięciu kolejnych przedziałach czasowych. Całkowita liczba analizowanych komórek wyniosła n = 12. Wyniki przedstawiono jako średnią ± SEM. Analizę statystyczną przeprowadzono przy użyciu jednoczynnikowych ANOVA, a następnie testu Fishera-LSD. Podziałka = 10 μm. * oznacza wartość p < 0,05. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.
Komórki GT1-7, które były współtraktowane metforminą, CCCP i Baf (Metf + CCCP + Baf), wykazały znaczny wzrost zarówno rozszczepienia, jak i fuzji w porównaniu z komórkami kontrolnymi, a także komórkami traktowanymi tylko metforminą (Metf) (Figura 3D). Ponieważ powszechnie stosowana jest ocena liczby i objętości struktury mitochondrialnej, pokazaliśmy również, w jaki sposób aktywność rozszczepienia i fuzji wiąże się z ogólną liczbą mitochondriów w komórkach, pokazując w ten sposób, że chociaż liczba zdarzeń rozszczepienia i fuzji była wysoka po leczeniu Metf + CCCP + Baf, nie była to najbardziej aktywna sieć mitochondrialna. W ten sposób jesteśmy w stanie określić poziom aktywności sieci mitochondrialnej.
Rysunek uzupełniający S1: Zaznaczanie pojedynczych komórek. Za pomocą narzędzia odręcznego narysuj kształt wokół interesującej Cię komórki, zwiększając maksymalny kontrast, aby znaleźć jej obramowania. Po narysowaniu kształtu zaznacz interesujące Cię okno i kliknij przycisk Wyczyść na zewnątrz , aby wyizolować tę komórkę. W drugim oknie wybierz opcję Wyczyść , aby usunąć komórkę 1, usuwając możliwość uwzględnienia mitochondriów. Powtórz procedurę z komórką 2. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S2: Generowanie funkcji rozpiętości punktów. Po lewej stronie znajdują się dane niezbędne do wygenerowania PSF (widoczne po prawej). Skrót: PSF = funkcja rozrzutu punktowego. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S3: Makra dekonwolucyjne. PSF są wprowadzane do "psf_file". "input_file" powinien odzwierciedlać ścieżkę folderu, w którym obrazy są przechowywane przed dekonwolucją. "output_path" odzwierciedla pożądane miejsce docelowe obrazów po ich zdekonwoluowaniu. Liczba iteracji może być zmieniona w wierszu 55. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S4: Makra przetwarzania wstępnego. "Deconv-path" wskazuje lokalizację folderu zawierającego wszystkie zdekonwolucjonizowane obrazy, podczas gdy "output_path" wskazuje lokalizację folderu, w którym zapisywane są obrazy, które przeszły przez makra. ... Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S5: Progowanie adaptacyjne. Używając "średniej ważonej" jako sposobu obliczeń, ustawiliśmy rozmiar bloku pikseli na 150 i wybraliśmy odpowiednią wartość odejmowania, aby uwzględnić jak najwięcej struktur, jednocześnie eliminując zakłócenia. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S6: Makra progowe. "input_path" oznacza lokalizację folderu zawierającego wszystkie wstępnie przetworzone obrazy, podczas gdy "output_path" wskazuje lokalizację folderu, w którym zapisywane są obrazy, które przeszły przez makra. Rozmiar bloku jest zmieniany w wierszu 12 zgodnie z wartością progu adaptacyjnego, a wartość odejmowania jest wskazywana jako wartość dodatnia w makrach. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S7: Makra lokalizatora zdarzeń mitochondrialnych. "inputPathToTimeLapse" wskazuje pojedynczą lokalizację pliku zawierającego obraz z progiem, który ma zostać poddany przetwarzaniu, podczas gdy "outputPath" wskazuje lokalizację folderu, w którym zapisywane są obrazy i pliki danych wynikające z makr. Skrót: MEL = mitochondrialny lokalizator zdarzeń. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Rysunek uzupełniający S8: Rozpoznawanie mitozy. Żółta strzałka wskazuje region, od którego mitochondria oddalają się przed przejściem mitozy. Komórki te nie powinny być uwzględniane w ocenie MEL, ponieważ prawdopodobnie dochodzi do zwiększonej liczby zdarzeń dynamicznych. Skrót: MEL = mitochondrialny lokalizator zdarzeń. Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik.
Autorzy nie mają do zadeklarowania konfliktu interesów.
W tym miejscu opisujemy lokalizator zdarzeń mitochondrialnych (MEL), wtyczkę ImageJ przydatną w ilościowym określaniu trójwymiarowych zmian w rozszczepieniu mitochondriów i aktywności fuzyjnej w czasie. Opisujemy również potok przetwarzania obrazu przydatny do czyszczenia mikrofotografii przed analizą w ImageJ.
Badania te zostały sfinansowane przez Uniwersytet Stellenbosch w Republice Południowej Afryki, Południowoafrykańską Radę ds. Badań Medycznych (SAMRC) i Narodową Fundację Badawczą (NRF) Republiki Południowej Afryki, a także Kanadyjskie Instytuty Badań nad Zdrowiem (CIHR) oraz Kanadyjską Radę ds. Badań Przyrodniczych i Inżynieryjnych (NSERC).
| 8 naczyń komorowych | Rybak termiczny | #Z734853 | |
| Dostosowane progi | https://sites.google.com/site/qingzongtseng/adaptivethreshold | ||
| Bafilomycyna A1 | Laboratoria LKT | #B0026 | |
| Chlorofenylohydrazon cyjanku karbonylu (CCCP) | Merck | #C2759 | |
| Mikroskop konfokalny | Carl Zeiss AG | Platforma superrozdzielczości LSM780 ELYRA PS.1 | |
| Zmodyfikowane podłoże Dulbecco Eagle (DMEM) | Rybak termiczny | #341956062 | |
| Płodowa surowica bydlęca (FBS) | Sigma-Aldrich | #F0679 | |
| Link do usługi Github | https://github.com/rensutheart/MEL-Fiji-Plugin | ||
| GraphPad Prism v7.06 | |||
| Ogniwa GT1-7 | Kontroler ATCC (Kontroler T | Zobacz materiał SCC116 | |
| Hoecsht powiedział: | Sigma-Aldrich | Zobacz materiał H6024 | |
| ImageJ v1.53t | Fidżi | ||
| Makra | https://github.com/rensutheart/FMPP/tree/master/Sections | ||
| Metformina | Farmakopea Europejska | M06050000 | |
| Penicylina/streptomycyna (PenStrep) | Sigma-Aldrich | #P4333 | |
| T25s | Bio-Smart Naukowy | #70025 | |
| TMRE (Międzynarodowa Organizacja T | Rybak termiczny | #T669 | |
| Trypsyna | Sigma-Aldrich | #T4049 |