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Research Article
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Erratum Notice
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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
A combinação de transdução vetorial viral e limpeza cerebral usando o método CLARITY permite a investigação de um grande número de neurônios e astrócitos simultaneamente.
A combinação de transdução vetorial viral e limpeza tecidual usando o método CLARITY torna possível investigar simultaneamente vários tipos de células cerebrais e suas interações. A transdução vetorial viral permite a marcação de diversos tipos de células em diferentes cores de fluorescência dentro do mesmo tecido. As células podem ser identificadas geneticamente por atividade ou projeção. Usando um protocolo CLARITY modificado, o tamanho potencial da amostra de astrócitos e neurônios cresceu em 2-3 ordens de magnitude. O uso do CLARITY permite a imagem de astrócitos completos, que são muito grandes para caber em sua totalidade em fatias, e o exame do somata com todos os seus processos. Além disso, oferece a oportunidade de investigar a interação espacial entre astrócitos e diferentes tipos de células neuronais, ou seja, o número de neurônios piramihários em cada domínio astrócito ou a proximidade entre astrócitos e populações específicas de neurônios inibitórios. Este artigo descreve, em detalhes, como esses métodos devem ser aplicados.
Nos últimos anos, o conhecimento da função astrócito e como eles interagem com circuitos neuronais aumentaram drasticamente. Os astrócitos podem influenciar a plasticidade 1,2, auxiliar na recuperação neuronal da lesãopós-lesão 3,4, e até induzir a potencialização neuronal de novo, com estudos recentes mostrando a importância dos astrócitos na aquisição e recompensa da memória, antes consideradas como funções puramente neuronais 5,6,7 . Uma característica de particular interesse na pesquisa de astrócito é o arranjo espacial das células, que mantêm organizações espaciais únicas no hipocampo e outras estruturas cerebrais 8,9,10. Ao contrário dos dendritos neuronais que se entrelaçam entre somata celular, os astrócitos hipocampais habitam territórios visualmente distinguíveis com ligeira sobreposição entre seus processos, criando domínios distintos 8,11,12,13. As evidências que sustentam a participação de astrócitos em circuitos neuronais não suportam a falta de descrição anatômica detalhada dessas populações e dos neurônios em seus domínios14.
Os procedimentos de transdução de vetores virais, juntamente com animais transgênicos (TG), têm sido popularizados como um acessório para investigar estruturas cerebrais, funções e interações celulares15,16. A utilização de diferentes promotores permite o direcionamento de células específicas de acordo com suas propriedades genéticas, níveis de ativação17,18 ou alvos de projeção. Diferentes vírus podem expressar diferentes fluoroforos coloridos em diferentes populações. Um vírus pode ser combinado com a expressão endógena de fluoroforos em TG, ou animais TG podem ser usados sem a necessidade de vírus. Essas técnicas são amplamente utilizadas para marcação neuronal, e alguns laboratórios começaram a usá-las com modificações especializadas para atingir outros tipos de células, como os astrócitos 5,9,19.
A técnica CLARITY, descrita pela primeira vez em2013 20,21, permite o estudo de fatias cerebrais grossas, tornando todo o cérebro transparente, deixando intactas as estruturas microscópicas. Combinando os dois métodos de transdução vetorial viral e limpeza tecidual- a opção de examinar as interações espaciais entre diferentes populações do tipo celular está agora disponível. A maioria dos estudos de interação astrócito-neurônio foram realizados em finas fatias cerebrais, resultando em imagens de astrócitos incompletos devido a seus grandes domínios, restringindo radicalmente o número de células analisadas. O uso da técnica CLARITY permite a caracterização de resolução unicelular de populações celulares em volumes em larga escala simultaneamente. Imagens fluorescentes marcadas populações de células em cérebros claros não fornecem resolução sináptica, mas permite uma caracterização completa das interações espaciais entre astrócitos e uma variedade de tipos de células neuronais.
Por essa razão, aproveitamos essas técnicas de última geração para investigar as propriedades dos astrócitos em todo o CA1 dorsal, imagens de toda lamina (Estrato Radiatum, camada piramimal e Stratum Oriens). Medimos dezenas de milhares de astrócitos (com penetração viral de >96%5), analisando assim as informações de toda a população astróctica em torno do CA1. Com penetração eficiente dos marcadores neuronais, pudemos registrar as interações entre toda a população de astrócitos ca1 e os quatro tipos de células neuronais-parvalbumina (PV), somatostatina (SST), neurônios inibitórios VIP e células piramipelais excitatórias9.
Vários experimentos foram realizados usando uma combinação de fluorescência de animais TG e vetores virais de cores diferentes (todas as células inibitórias), enquanto outros (excitatório) utilizaram dois vetores virais expressando fluoroforos diferentes sob diferentes promotores9. Este artigo apresenta um protocolo detalhado, incluindo a marcação das células desejadas no cérebro, tornando o cérebro transparente usando um procedimento de CLARIDADE modificado, bem como imagens e análises de estruturas cerebrais completas, utilizando vários procedimentos e softwares.
Os protocolos experimentais foram aprovados pelo Comitê de Cuidado e Uso de Animais da Universidade Hebraica e atenderam às diretrizes do Guia Nacional de Saúde para o Cuidado e Uso de Animais de Laboratório.
1. Transdução de vetor viral
NOTA: A transdução vetorial viral é usada para expressar fluoroforos no cérebro.
2. CLAREZA
NOTA: Este método torna o cérebro transparente dentro de 2-6 semanas.
3. Preparação da câmara
NOTA: Cada amostra requer um slide com uma câmara de imagem na qual a amostra será colocada.
4. Imagem (confocal ou dois fótons)
A limpeza bem sucedida de fatias de tecido cerebral espessa resulta em uma nova gama de perguntas que podem ser feitas sobre as propriedades de grandes populações celulares em oposição às propriedades de células únicas ou grupos vizinhos de células. Para alcançar resultados bem-sucedidos, deve-se aderir rigorosamente ao protocolo CLARITY, pois há uma ampla gama de parâmetros que precisam ser considerados para reduzir a variância entre as amostras (por exemplo, percentual de clareza, informações de fluorescência, parâmetros de inchaço).
A Figura 1 descreve todo o processo de compensação a partir da validação da expressão de proteína fluorescente através de todas as etapas do método de compensação. A Figura 2 descreve como preparar uma câmara para o tecido clarificado, ideal para imagens sob um microscópio de dois fótons ou confocal. Os materiais exigidos neste protocolo são extremamente baratos em relação a outros protocolos de preparação da câmara.
A Figura 3 apresenta o cubo descrito no Vídeo 1, onde mais de 300 astrócitos são mostrados em uma seção limpa da parte CA1 de um hipocampo de camundongos. A Figura 4 apresenta o cubo descrito no Vídeo 2, onde tanto os astrócitos quanto a somata neuronal excitatória são mostrados em tecido transparente espesso. A Figura 5 apresenta um hemisfério inteiro, como descrito no Vídeo 3. Projeções neuronais em todo o cérebro são exibidas a partir do CA1 dorsal (verde, GFP) e do CA1 ventral (vermelho, TdTomato).
O vídeo 1 apresenta uma imagem grossa de astrócitos hipocampais (>300) adquiridos com um microscópio de dois fótons após um procedimento CLARITY. A fluorescência foi fornecida por transdução vetorial viral específica para astrócitos. O vídeo 2 apresenta a proximidade espacial entre os astrócitos e os núcleos das células piramimonais hipocampais. O vídeo 3 rastreia pacotes axonais em todo o hemisfério; axônios projetam-se a partir do córtex motor primário e são rastreados de volta da medula espinhal. Outro pacote é rastreado do hipocampo dorsal em direção aos corpos supra mammillary. Por último, ele traça um feixe vermelho de axônios dos corpos mammillary em direção à sua origem no hipocampo ventral. Todas as células marcadas são exclusivamente excitatórias.

Figura 1: Descrição detalhada do processo de compensação. (A) Validação da expressão fluorófora. Neste exemplo, todos os astrócitos da parte CA1 de um hipocampo de camundongos expressam uma proteína vermelha (TdTomato, imagem em magenta), e todos os neurônios excitatórios expressam uma proteína verde em seus núcleos (H2B-GFP). Esta imagem foi adquirida usando um microscópio de 2 fótons. A imagem foi tirada utilizando um objetivo de imersão hídrica 16x (0,8 NA) com ampliação de 2,4 para obter um campo de visão de 652 x 483 μm, a 15,5 quadros/s e uma pilha z com intervalos de 0,937 μm entre os planos. A especificidade e penetração foram verificadas pela imunohistoquímica9. (B) Transferir o gás N2 do tanque para o tubo que segura o cérebro requer um tubo com uma agulha no final. (C) O ar dentro do tubo é substituído por N2 , criando dois orifícios, um (seta superior) para a entrada de N2através da agulha conectada à tubulação do tanque de gás e outra (seta inferior) para saída. (D) Cobrir os orifícios com argila de modelagem imediatamente após a desgaseamento impede que o N2 saia do tubo. (E) Aquecimento da solução desgaseada por 3,5 h em um banho quente. (F) Polimerização bem sucedida resulta em um cérebro embutido em HS gelled. Bolhas de gás podem estar presas no polímero. (G) Imediatamente após a extração do gel é o melhor ponto para o cérebro ser cortado na espessura desejada. (H) Os tubos perfurados permitem que o fluxo da solução no agitador chegue à amostra. (I) Cérebros dentro de tubos perfurados são mantidos verticalmente por um suporte auto-feito de um tamanho feito para caber um béquer 2 L, em pé sobre um agitador de placa quente. (J) Exemplo de um cérebro que não é claro o suficiente. A amostra deve ser agitada no CS2 por aproximadamente mais uma semana. (K) Exemplo de um cérebro suficientemente claro. (L) Ao inserir o cérebro claro no PBST, o tecido fica mais branco do que antes. Esta mudança de cor é devido ao Tritão e desaparecerá quando movido desta solução para a próxima. (M) Depois de >24 h nas RIMS, o cérebro se tornará totalmente transparente novamente. Abreviaturas: GFP = proteína fluorescente verde; NA = abertura numérica; HS = solução de hidrogel; CS2 = Solução de Compensação 2; PBST = Soro fisiológico tamponado com fosfato contendo 0,5% Triton X-100; RIMS = Solução de correspondência de índices de refração. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: Preparação da câmara. (A) A primeira camada de paredes de cola quente cobre as bordas de um slide e deixa um espaço largo o suficiente para conter o cérebro sem tocar nas paredes. Um buraco é deixado no canto superior esquerdo do slide. (B) Adicionar camada após camada para atingir a altura do tecido. (C) A mancha de cobertura reta (seta branca) sela a câmara. (D) Câmara cheia de RIMS através do orifício nas paredes da câmara. (E) A câmara está cheia de RIMS sem bolhas de ar. (F) Selar o orifício na câmara com cola quente para evitar qualquer vazamento. Vista lateral. (G) Nesta fase, qualquer remanescente de cola quente que se estenda sobre as bordas do slide deve ser cortado da câmara. (H) Câmara totalmente preparada, pronta para imagem sob o microscópio. Abreviação: RIMS = Solução de correspondência de índices refrativos. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: Todos os astrócitos imaged (AAV1-GFAP::TdTomato, vermelho) em um hipocampo limpo. Um único quadro do Vídeo 1 capturando todos os astrócitos imaged (AAV1-GFAP:::TdTomato, vermelho) em um hipocampo limpo. Todos os detalhes das propriedades da imagem são descritos no Vídeo 1. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Astrocitos (AAV1-GFAP::TdTomato, vermelho) e núcleos de células piramida hipocampal (AAV5-CaMKII:::H2B-eGFP, verde) em tecido transparente espesso. Um único quadro do Vídeo 2 mostrando ambos os astrócitos (AAV1-GFAP:::TdTomato, vermelho) e núcleos de células piramida hipocampal (AAV5-CaMKII:::H2B-eGFP, verde) em tecido transparente espesso. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Axônios verdes (AAV5-CaMKII:::eGFP, verde) e axônios vermelhos (AAV5-CaMKII:::TdTomato). Um único quadro do Vídeo 3 mostrando ambos os tipos de axônios derivados de vários locais em um cérebro de rato que pode ser rastreado em todo um hemisfério. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Vídeo 1: Imagens de >1 mm de espessura de astrócitos de CA1 dorsais hipocampal (AAV1-GFAP::TdTomato, vermelho). O vídeo foi adquirido com um microscópio de dois fótons usando um objetivo de 16x (0,8 NA) com ampliação de 2,4 após um procedimento CLARITY. Semelhante à Figura 1A, o intervalo de pilha de z foi definido para 0,937 μm. A fluorescência foi fornecida por transdução vetorial viral específica para astrócitos. O número de astrócitos neste cubo é >300, e a maioria dos processos estão disponíveis para análise na maioria das células. Abreviaturas: NA = abertura numérica; AAV = vírus associado ao adeno; GFAP = proteína ácida fibrilar gliana. Clique aqui para baixar este vídeo.
Vídeo 2: Astrocitos e núcleos de neurônios excitatórios em um cubo 3D. O cubo contém toda a lâmina do dCA1 sob as condições ópticas mencionadas para figura 1A e vídeo 1. Este cubo exibe a proximidade espacial entre os astrócitos (AAV1-GFAP:::TdTomato, vermelho) e os núcleos das células piramifecionais hipocampais (AAV5-CaMKII:::H2B-eGFP, verde). Abreviaturas: AAV = vírus associado ao adeno; GFAP = proteína ácida fibrilar gliana; CAMKII = proteína dependente de cálcio/calmodulina quinase II; eGFP = proteína fluorescente verde aprimorada; H2B = histone 2B. Clique aqui para baixar este Vídeo.
Vídeo 3: Traçando pacotes axonais em um hemisfério inteiro. Axônios verdes (AAV5-CaMKII::eGFP, verde) terminando na medula espinhal são facilmente rastreados até o córtex motor primário (mais de 7 mm de distância). Do hipocampo (lado dorsal), outro feixe é traçado em direção aos corpos Supra Mammillary (lado mais ventral do cérebro), um traço de quase 3 mm de comprimento. A segunda metade do vídeo traça um feixe vermelho de axônios (AAV5-CaMKII::tdTomato) originário do hipocampo ventral de volta de seu local alvo nos corpos mammillary. A imagem foi tirada sob um microscópio confocal de varredura do Olympus FV1000 usando um objetivo 4x (0.16 NA), e vários ROIs foram combinados usando o recurso MATL FluoView para apresentar todo o hemisfério. Abreviaturas: AAV = vírus associado ao adeno; CAMKII = proteína dependente de cálcio/calmodulina quinase II; eGFP = proteína fluorescente verde aprimorada; NA = abertura numérica; MATL = lapso de tempo de área múltipla. Clique aqui para baixar este vídeo.
| Solução de hidrogel (1 L) | |
| Material | Quantidade |
| Iniciador VA-044 | 2,5 g |
| PFA 4% | 900 mL |
| Acrilamida (40%) | 50 mL |
| Bisacrilamida (2%) | 50 mL |
Tabela 1: Preparação da solução de hidrogel (1 L). A solução de hidrogel deve ser preparada em uma superfície gelada. A ordem em que os ingredientes são misturados não é importante. Note que a porcentagem total de acrilamida é de 2% ao contrário de protocolos similares que usam 1%17 ou 4%22.
| Soluções de compensação (1 L) | ||
| Material | Quantidade | |
| CS1 | CS2 | |
| Ácido bórico (M.W. = 61,83 g/mol) | 12.366 g | 3,4 g |
| SDS | 80 g | 80 g |
| Base tris (M.W. = 121,14 g/mol) | 0 | 12,1 g |
| Água Destilada (DW) | Preencha para 1 L | Preencha para 1 L |
| Naoh | pH 8,5 | |
| 1 L de Salina tamponada com 0,5% Triton X-100 | ||
| Material | Quantidade | |
| QB2 | 995 mL | |
| Tritão X-100 | 5 mL |
Tabela 2: Preparação das soluções de compensação 1 e 2 (1 L) e 1 L de Salina tamponada com 0,5% Triton X-100. As soluções de compensação podem ser preparadas com antecedência e mantidas em temperatura ambiente por um longo período. Qualquer solução que contenha ácido bórico e SDS deve ser manuseada sob uma capa de fumaça para evitar inalação ou contato com a pele com SDS ou ácido bórico. O NaOH em CS1 deve ser adicionado por último para definir o pH em 8.5. Cada amostra cerebral deve ser colocada em pelo menos 5-25 mL de CS1 e mantida durante a noite para difusão suficiente. Abreviaturas: CS1 = solução de compensação 1; SDS = sulfato de dodecyl de sódio; M.W. = peso molecular.
| Nome do produto | Vantagem primária | Desvantagem primária |
| RapiClear | A amostra permanece transparente | Inchaço tecidual |
| RapiClear CS | A amostra encolhe de volta ao tamanho normal | Amostra pode perder transparência |
Tabela 3: OPÇÕES RIMS com vantagens e desvantagens. Rapiclear (RC, RI = 1,47) ou Rapiclear específico da CLARIDADE (CSRC, RI = 1,45). A principal diferença entre essas duas soluções é que, enquanto o CSRC reduz o cérebro claro de volta ao seu tamanho original, a solução RC não, deixando a amostra limpa ligeiramente inchada. Abreviação: RI = índice refrativo.
Os autores não têm conflitos de interesse para divulgar.
A combinação de transdução vetorial viral e limpeza cerebral usando o método CLARITY permite a investigação de um grande número de neurônios e astrócitos simultaneamente.
Este projeto recebeu financiamento do Conselho Europeu de Pesquisa (ERC) no âmbito do programa de pesquisa e inovação Horizon 2020 da União Europeia (acordo de subvenção nº 803589), da Fundação Israelenta (isf grant nº 1815/18) e das bolsas Canadá-Israel (CIHR-ISF, conceder nº 2591/18). Agradecemos a Nechama Novick por comentar todo o manuscrito.
| AAV1-GFAP::TdTomato | ELSC Vector Core Facility (EVCF) | vetor viral usado para detectar astrócitos | |
| AAV5-CaMKII::eGFP | ELSC Vector Core Facility (EVCF) | vetor viral usado para detectar neurônios | |
| AAV5-CaMKII::H2B-eGFP | ELSC Vector Core Facility (EVCF) | vetor viral usado para detectar núcleos neuronais | |
| AAV5-CaMKII::TdTomato | ELSC Vector Core Facility (EVCF) | vetor viral usado para detectar neurônios | |
| Acrilamida (40%) | Bio-rad | #161-0140 | |
| Bisacrilamida (2%) | Bio-rad | #161-0142 | |
| Ácido bórico | Sigma | #B7901 | Peso molecular - 61,83 g/mol |
| Microscópio confocal, varredura, FV1000 | Olympus | 4x objetiva (UPlanSApo, 0,16 NA) | |
| Software | ImarisBitplane, Reino Unido | Um software que permite a análise 3D de imagens | |
| NaOH | Sigma | #S5881 | |
| PBS | |||
| PFA 4% | EMS | #15710 | |
| RapiClear | SunJin lab | #RC147002 | |
| RapiClear CS | SunJin lab | #RCCS002 | |
| SDS | Sigma | #L3771 | |
| Software | SyGlass | Um software que permite a análise 3D de imagens usando realidade virtual | |
| Tris base 1 M | Bio-rad | #002009239100 | Peso molecular - 121,14 g/mol |
| Triton X-100 | ChemCruz | #sc-29112A | |
| Microscópio de dois fótons | Neurolabware | Ti:laser de safira (Chameleon Discovery TPC, Coherent), tubos fotomultiplicadores GaAsP (Hamamatsu, H10770-40), filtro passa-banda (Semrock), objetiva de imersão em água 16x (Nikon, 0.8 NA) | |
| VA-044 Iniciador | Wako | #011-19365 |