В этом протоколе подробно описаны этапы предварительной иммуноэлектронной микроскопии с акцентом на изучение синаптических цепей и локализации белков в сетчатке.
Методическая статья
* These authors contributed equally
В этом протоколе подробно описаны этапы предварительной иммуноэлектронной микроскопии с акцентом на изучение синаптических цепей и локализации белков в сетчатке.
Сетчатка состоит из многочисленных клеток, образующих различные нейронные цепи, которые составляют первую стадию зрительного пути. Каждая цепь характеризуется уникальными особенностями и различными нейротрансмиттерами, определяющими ее роль и функциональное значение. Учитывая сложность типов клеток в ее структуре, сложность нейронных цепей в сетчатке создает проблемы для исследования. Чтобы лучше исследовать цепи сетчатки и перекрестные помехи, такие как связь между колбочками и палочками, а также точную молекулярную локализацию (нейротрансмиттеры или нейропептиды), такую как наличие вещества Р-подобной иммунореактивности в сетчатке мыши, мы использовали метод иммуноэлектронной микроскопии (иммуно-ЭМ) для изучения синаптических связей и организации. Этот подход позволяет нам точно определить специфические межклеточные синаптические связи и точную молекулярную локализацию, а также может сыграть ведущую роль в изучении его функции. В этой статье описывается протокол, используемые реагенты и подробные шаги, включая (1) подготовку к фиксации сетчатки, (2) предварительное иммуноокрашивание и (3) постфиксацию и встраивание.
Сложность нейронных цепей в сетчатке представляет трудности для исследования, учитывая разнообразие типов клеток в ее структуре 1,2. Начальный этап включает в себя выявление синаптических связей между различными клетками и определение клеточной локализации специфических нейротрансмиттеров или нейропептидов. По мере того, как молекулярная биология вводит новые белки, точная локализация в сетчатке становится решающей для понимания их функций и анализа цепей сетчатки и синаптических связей 3,4,5.
Из-за ограниченного разрешения световой микроскопии, электронная микроскопия (ЭМ) обычно используется для обнаружения субклеточных структур нервных клеток. ЭМ имеет различные классификации, при этом для наблюдения ультраструктур клеток используется обычная просвечивающая электронная микроскопия (ПЭМ) 6,7,8,9. Иммуноэлектронная микроскопия (иммуно-ЭМ), сочетающая пространственное разрешение ЭМ с химической идентификацией антител, специфически связывающихся с белками10, выделяется как оптимальный и эксклюзивный метод исследования синаптических связей и локализации субклеточных белков в сетчатке 11,12.
Методы иммуно-ЭМ можно разделить на методы до встраивания и после встраивания в зависимости от порядка встраивания и инкубации антител. По сравнению с методом пост-эмбеддинга, подход с предварительным встраиванием способен проводить крупномасштабную и дальнюю идентификацию 13,14,15, предлагая оптимальный подход для изучения клеточных процессов, таких как аксоны и дендриты. Кроме того, этот метод обеспечивает сильный сигнал и широкое поле зрения, что делает его предпочтительным для всесторонних исследований экспрессии белка и молекулярной локализации в цитоплазме. Этот метод оказывается особенно ценным для обеспечения химически идентифицированных структур, видимых по всей цитоплазме, клеткам или сетчатке.
Тем не менее, метод после встраивания, хотя и имеет более низкую проникающую способность или диффузию по сравнению с методом предварительного встраивания, не так чувствителен16,17. Проще говоря, если целью является изучение локализации специфических нейротрансмиттеров в цитоплазме или синаптических окончаниях, предпочтительным методом является предварительное встраивание иммуно-ЭМ. И наоборот, для выявления локализации мембранных рецепторов более рекомендуется использовать поствстраивание иммуноголда ЭМ.
Учитывая эти соображения, мы выбираем метод предварительного встраивания иммуно-ЭМ для изучения цепей сетчатки, включая взаимодействие между колбочками и палочками, а также молекулярную локализацию, такую как распределение и синаптическая организация вещества P-подобной иммунореактивности (SP-IR) в сетчатке мыши.
Уход за животными и обращение с ними были одобрены Положением Комитета по этике Медицинского университета Вэньчжоу в соответствии с руководящими принципами ARVO. В этом исследовании были использованы взрослые мыши (C57BL/6J, самцы и самки, в возрасте от 8 до 12 недель). Оборудование и реактивы, необходимые для проведения исследования, перечислены в Таблице материалов.
1. Подготовка к фиксации сетчатки
2. Предварительное иммуноокрашивание
3. Постфиксация и встраивание
На рисунке 1 приведены примеры контрольных экспериментов без инкубации первичных антител против протеинкиназы С-альфа (PKCα) или SP, в которых не было обнаружено иммунореактивности (ИР).
На рисунке 2 изображен PKCα-IR в сетчатке мыши. PKCα служит маркером для всех палочковидных биполярных клеток (эритроцитов) в сетчатке18. На уровне электронной микроскопии (ЭМ) эритроциты могут быть идентифицированы с помощью PKCα-IR, визуализируемого продуктом реакции диаминобензидина (DAB) с высокой электронной плотностью. На рисунке 2A показан PKCα-положительный дендрит RBC, образующий синапс с палочковидным окончанием во внешнем плексиформном слое (OPL), в то время как на рисунке 2B показан конус-RBC-синапс, в котором PKCα-положительный дендрит RBC является постсинаптическим по отношению к конусному окончанию. Кроме того, продукт реакции DAB помогает идентифицировать терминалы эритроцитов (рисунок 2C) и аксональные процессы (рисунок 2D) во внутреннем плексиформном слое (IPL).
На рисунке 3 показана экспрессия вещества P (SP) как в пре-, так и в постсинаптических связях в IPL сетчатки мыши. Амакриновые клетки SP-IR являются пресинаптическими по отношению к SP-негативным амакриновым клеткам (рис. 3A), а также к амакриновым отросткам SP-IR (данные не показаны). Кроме того, амакриновые клетки SP-IR являются постсинаптическими или биполярными окончаниями на уровнях IPL подслоя 3 (S3) и подслоя 5 (S5) соответственно (рис. 3B, C). В нашем предыдущем исследовании подробно описывался анализ синапсов, в которых процессы амакриновых клеток SP-IR формируют синаптические выходы на другие процессы в IPL19. Примечательно, что субклеточная локализация SP в основном обнаруживается в синаптических везикулах в пресинаптических окончаниях (рис. 3).

Рисунок 1: Иммуноэлектронные микрофотографии из контрольных экспериментов. Обе конусные ножки (CP) с двумя лентами (стреловидным наконечником) (A) и стержневая сфера (RS) с одной лентой в OPL (B) не показали окрашивания. Масштабные линейки: 500 нм (A), 200 нм (B). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Иммуноэлектронные микрофотографии, помеченные антителом к PKCα в сетчатке мыши. (A) RS соединяется с одним PKCα-положительным эритроцитом (стрелки указывают на иммунореактивность) и двумя горизонтальными клетками (H) в OPL. (B) CP соединяется с PKCα-положительным RBC в OPL. (C) и (D) показывают PKCα-положительный конец эритроцитов и аксональный отросток в IPL, соответственно. Масштабные линейки: 200 нм (A), 500 нм (B), 500 нм (C), 500 нм (D). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Иммуноэлектронные микрофотографии, меченные антителом SP в IPL сетчатки мыши. (A) Амакриновая клетка SP-IR (A+) является пресинаптической по отношению к SP-отрицательной амакриновой клетке (A-). Амакриновые клетки SP-IR получали входы от биполярных терминалей на уровнях IPL S3 (B) и S5 (C) соответственно. Масштабные линейки: 200 нм (A), 200 нм (B), 200 нм (C). Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.
В этой статье описаны три критических шага для успешного наблюдения синаптических цепей и локализации белка: (1) быстрая и слабая фиксация, (2) предварительное иммуноокрашивание и (3) постфиксация и встраивание.
Мы предполагаем, что фиксация является ключевым этапом для успешного подхода к предварительному встраиванию иммуно-ЭМ. Таким образом, здесь подчеркивается важность свежей фиксирующей и быстрой фиксации, называя этот принцип «принципом 4F», который имеет решающее значение при подготовке тканей. Тем не менее, достижение как усиленного проникновения антител, так и эффективной фиксации представляет собой проблему20. Чтобы решить эту проблему, глутаральдегид был заменен пикриновой кислотой во время первоначальной фиксации для улучшения проникновения антител, поскольку глутаральдегид может разрушать антигенные детерминанты и влиять на иммуноокрашивание21. Пикриновая кислота, напротив, лучше сохраняет структуру мембраны и целостность тканей22, хотя и с компромиссом в эффективности фиксации. На третьем этапе 2% глутаральдегида использовали для постфиксации для оптимизации фиксации тканей.
Ключевые моменты представленного здесь протокола включают в себя пять этапов: (1) Ранняя фиксация: использование пикриновой кислоты на ранней стадии для лучшего проникновения антител при минимизации нарушения антигенных детерминант. (2) После фиксации: использование 2% глутаральдегида для улучшения фиксации тканей после иммуноокрашивания. (3) Восстановительная терапия: инкубация ткани в 1% NaBH4 в 0,1 М PB (pH 7,4) в течение 30 мин для восстановления большей части иммунореактивности и улучшения иммунной реактивности антигенов и антител, усиливая положительные сигналы23. (4) Подготовка тканей: удаление стекловидного тела и разрезание ткани сетчатки на небольшие полоски для облегчения эффективной инкубации антител и обеспечения однородных сигналов. (5) Кроме того, крайне важно обращаться с тканью сетчатки с особой осторожностью, избегая любых повреждений, которые могут поставить под угрозу последующие наблюдения на протяжении всей процедуры. Эти меры в совокупности способствуют успеху метода предварительного встраивания иммуно-ЭМ, позволяя изучать различные аспекты, такие как синапсы колбочки-эритроцитов24, молекулярная локализация SP-IR19 и точная экспрессия α-Syn в сетчатке мыши25.
Перед инкубацией первого антитела важно заблокировать полоски сетчатки с помощью 2% NGS для устранения неспецифической интерференции сигнала. Концентрация первого антитела должна быть определена на основе самого антитела, как правило, выше, чем концентрация, используемая для окрашивания замороженного среза, и должна быть предварительно оптимизирована. В период первичной инкубации антител необходимо непрерывное вращение микроцентрифужной пробирки для обеспечения полного контакта уложенных полосок сетчатки с антителом, предотвращая неполное проникновение уложенных частей. Для усиления сигнала DAB предварительно инкубировали перед стандартным окрашиванием DAB, при этом конкретное время окрашивания обычно варьировалось от 10 до 20 минут. Если время слишком короткое, сигнал может быть слишком слабым для наблюдения, а если слишком длинным, это может привести к ложноположительным сигналам, влияющим на точное суждение. Как правило, время инкубации красителей напрямую зависит от цвета поверхности ткани (от коричневого до темно-коричневого).
В то время как эксперименты проводились с замораживанием ткани в жидком азоте для усиления сигнала, как упоминалось ранее 18,26,27, этот метод усиливал положительные сигналы, но приводил к ухудшению мембранной структуры клеток сетчатки (данные не показаны). Эта структурная деградация затруднила точную идентификацию типов клеток. Учитывая это, ткань сетчатки не замораживалась повторно. Для усиления положительного сигнала время инкубации антител было соответствующим образом увеличено. Предложенный протокол сочетает в себе предыдущие преимущества, упрощая этапы по сравнению с встраиванием агара. Это не только защищает антигенные детерминанты белков, но и сохраняет целостность клеточных мембран. Всеобъемлющая цель состоит в том, чтобы исследовать синаптические связи и клеточную локализацию нейротрансмиттеров по всему пути. Таким образом, продукты реакции DAB в протоколе не подвергались обработке интенсификацией серебра, что делает его более подходящим для исследования нейротрансмиттер-специфичных синаптических связей и путей28.
В настоящее время существуют ограниченные методы химической идентификации путей или нейротрансмиттеров на ультраструктурном уровне. Одним из таких методов является коррелированная световая и электронная микроскопия (CLEM)29,30, которая, однако, ограничена очень небольшой областью и не имеет возможности идентифицировать связи по всему пути. Сильные стороны предварительного встраивания immuno-EM заключаются в его надежном сигнале, широком диапазоне и способности к аналитическому позиционированию и отслеживанию на больших расстояниях 13,14,15. Однако этот метод также имеет свои ограничения, такие как диффузные сигналы, что делает их менее специфичными. Для точной локализации мембранных рецепторов, особенно на мембране, может быть более целесообразным использовать поствстраивание иммуноголда ЭМ. Этот метод позволяет проводить прямой подсчет частиц золота, облегчая анализ количества и изменчивости этих мембранныхрецепторов.
В будущем интеграция предварительного встраивания иммуно-ЭМ с объемной ЭМ является перспективным методом для долгосрочного исследования идентифицированных нейронных цепей, представляя собой будущие перспективы для дальнейшего развития этого метода. Том EM фокусируется на реконструкции структуры, опираясь на морфологию для идентификации специфических структур, не имеющих точной химической идентификации31,32. Комбинируя предварительную встраивание иммуно-ЭМ с объемной ЭМ, можно идентифицировать конкретные структуры или вещества в ходе трехмерной реконструкции, обеспечивая более комплексный и визуально интуитивно понятный подход к идентификации нейронных цепей.
Авторы не раскрывают информацию.
Эта работа была частично поддержана грантами Национальной программы ключевых исследований и разработок Китая (2022YFA1105503), Государственной ключевой лаборатории нейронаук (SKLN-202103), Чжэцзянского фонда естественных наук Китая (Y21H120019).
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| 1 мл игла для шприца | 1 | ||
| % OsO4 | Электронная микроскопия | Наука 19100 | |
| 2,2,2-трибромэтанол | Sigma-Aldrich | T48402 | |
| 8% Глутаральдегид | Электронная микроскопия | Наука 16020 | |
| 8% Параформальдегид | Электронная микроскопия Наука | 157-8 | |
| Ацетон | Электронная микроскопия Наука | 10000 | |
| Антикролик PKC | Sigma-Aldrich | P4334 | |
| Антикролик SP | Abcam | ab67006 | |
| DAB Субстрат Набор | MXB Биотехнологии | KIT-9701/9702/9703 | |
| Локтевые ножницы | Сучжоу66 зрение компания | 54010 | |
| Электронный микроскоп | Phillips | CM120 | |
| Эпон | смола Электронная микроскопия Наука | 14910 | |
| щипцы | Suzhou66 vision company | S101A | |
| Многопоровая фильтровальная бумага | Merck Millipore | ||
| PR05538 Na2HPO4· 12H2O | Sigma | 71650 | Компонент фосфатного буфера |
| 2PO4· H2O | Sigma | 71507 | Компонент фосфатного буфера |
| Пикриновая кислота | Электронная микроскопия | Наука 19550 | |
| Борогидрид натрия (NaBH4) | Sigma | 215511 | |
| Tris | Solarbio | 917R071 | |
| Ультрамикротом | Leica | ||
| Uranyl ацетат | Электронная микроскопия Science | 22400 | |
| VACTASTAIN ABC kit, пероксидаза (кролик IgG) | Vector Laboratories | PK-4001 |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение