Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Оценка отложения железа в мозге мышей 5xFAD с помощью окрашивания Perls'/DAB

2K просмотров

DOI:

10.3791/67501

23 мая 2025 г.

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

В этом протоколе представлены методы оценки распределения и количества отложений железа в тканях, особенно в головном мозге. В протоколе подробно описаны процедуры подготовки образцов, окрашивания Perls/DAB, захвата изображений и анализа данных.

Аннотация

Болезнь Альцгеймера (БА), распространенное нейродегенеративное заболевание, является основной причиной деменции у пожилых людей. Отложение железа тесно связано с патогенезом болезни Альцгеймера. В головном мозге с болезнью Альцгеймера повышенный уровень железа сильно коррелирует с характерными патологиями болезни Альцгеймера, включая β-амилоидные бляшки, тау-нейрофибриллярные клубки и апоптоз. Все больше данных свидетельствуют о том, что окислительный стресс, вызванный нарушением регуляции метаболизма железа, играет важную роль в патофизиологии болезни Альцгеймера. Таким образом, понимание роли накопления железа в патологии БА имеет решающее значение для лечения БА. Комплексный протокол окрашивания железом необходим для определения экспрессии и распределения железа в мозге. Этот протокол направлен на описание метода оценки количества и распределения отложений железа в мозге. Описаны процессы, связанные с приготовлением реагентов, лечением мышей и препарированием участков мозга. Кроме того, мы представляем подробный пошаговый протокол гистохимического обнаружения железа в срезах мозговой ткани, сопровождаемый систематической аналитической структурой, объединяющей как количественную, так и морфологическую оценку, чтобы обеспечить всестороннюю интерпретацию результатов окрашивания. Этот экспериментальный протокол поможет исследователям понять отложения железа в мозге и поддержит исследования болезни Альцгеймера.

Введение

Болезнь Альцгеймера (БА) является наиболее распространенным нейродегенеративным заболеванием и стала серьезной проблемой для общества. Распространенность болезни Альцгеймера резко возрастает с возрастом 1,2,3,4 года. Основными патологическими признаками болезни Альцгеймера (БА) являются отложение бляшек β-амилоида (Aβ) и нейрофибриллярных клубков (NFT) из-за аберрантного фосфорилирования тау-белков. Aβ образуется путем последовательного расщепления белка-предшественника амилоида (APP) ферментами β-секретазы и γ-секретазы. Нарушение регуляции в производстве или выведении Aβ приводит к его накоплению в головном мозге, образованию амилоидных бляшек, которые признаны одним из самых ранних патологических маркеров БА. Эти бляшки не только вызывают прямое повреждение нейронов, но и инициируют каскад вредных эффектов, включая нейровоспаление, окислительный стресс и синаптическую дисфункцию. В совокупности эти процессы способствуют гибели нейронов и прогрессирующему снижению когнитивных функций, наблюдаемому при5-й мере нашей эры. Несмотря на десятилетия исследований, в основном нацеленных на патологические признаки болезни Альцгеймера (БА), включая отложение бляшек амилоидного β и агрегацию гиперфосфорилированных тау-белков, клинически значимые терапевтические прорывы остаются недостижимыми, а существующие вмешательства демонстрируют ограниченную эффективность в модификации прогрессированиязаболевания.

Железо является важным металлом для поддержания функции мозга и участвует в транспортировке кислорода, синтезе ДНК, митохондриальном дыхании, синтезе миелина, синтезе нейротрансмиттеров и метаболизме. Однако железо становится вредным, когда его концентрации превышают емкость клеточной секвестрации 6,7,8. Повышенное отложение железа, обычно кокализованное с Aβ-бляшками, наблюдалось как в корковой, так и в гиппокампальной областях мозга у пациентов с БА 9,10. Посредством реакции Фентона11 внутриклеточное свободное железо может генерировать гидроксильные радикалы (•OH), а также активные формы кислорода. Эти вредные вещества не только вызывают нейровоспаление, активируя глиальные клетки, но и атакуют биомолекулы клетки посредством окислительного стресса, нарушая нормальную функцию клеток и приводя к синаптической дисфункции. Кроме того, повышенное содержание железа непосредственно участвует в развитии патологических признаков болезни Альцгеймера: железо способствует производству Aβ12, а также увеличивает дисфункцию тау-белка, что приводит к образованию нейрофибриллярных клубков13.

Для оценки содержания железа в головном мозге разработано несколько методик, в том числе магнитно-резонансная томография (МРТ), а также химические и гистохимические методы14. Количественное определение внутримозгового уровня железа in vivo с помощью МРТ клинически важно для пациентов со старением и нейродегенерацией15. МРТ имеет преимущество в том, что она неинвазивна и высокочувствительна: она может обнаруживать отложение железа на ранних стадиях заболевания. В частности, метод полевого увеличения R2 (FDRI) позволяет различать различные формы железа, такие как ферритин и гемовое железо16. Однако МРТ не может обнаружить накопление железа на клеточном уровне, и это дорого, поэтому в основном используется вклинических исследованиях.

Колориметрическое измерение – это химический метод, который определяет концентрацию вещества (например, железа) путем измерения интенсивности цвета, полученного в результате реакции вещества в растворе с хромогенным агентом18. Этот метод прост в исполнении и использует недорогие реагенты и инструменты, что делает его подходящим для лабораторий с ограниченным бюджетом. Однако точность и чувствительность этого метода очень ограничены, так как результаты зависят от факторов окружающей среды, времени проявления цвета и субъективного суждения оператора. Пламенная атомно-абсорбционная спектрометрия (FAAS) является еще одним методом, который может быть использован для оценки уровня железа19. В этом методе осветленный раствор образца получают путем обжига интересующей ткани в высокотемпературной печи. Затем образец растворяют с помощью соляной кислоты, а концентрацию железа в растворе определяют с помощью атомно-абсорбционной спектрометрии. Этот метод обладает высокой чувствительностью и подходит для всех типов биологических образцов19. Однако процесс трудоемкий и требует дорогостоящего оборудования, поэтому его использование ограничено.

Окрашивание Perls'/DAB для обнаружения негемового трехвалентного железа является наиболее часто используемым методом определения железа из-за его высокой специфичности и простоты реализации по сравнению с другими гистохимическими методами14. В отличие от колориметрического анализа, окрашивание Перлза является качественным методом гистохимического окрашивания, который основан на реакции между ионами железа и ферроцианидом калия для получения синего осадка. Он используется для микроскопической визуализации присутствия и распределения железа в тканях. Более того, этот метод позволяет различать отложения железа в разных типах клеток и наблюдать за субклеточным распределением отложений железа, обеспечивая метод для изучения AD20. Морилка Перлза в первую очередь обнаруживает негемовое трехвалентное железо и зависит от образования комплекса прусского синего:

figure-introduction-1

(Прусский синий)

Однако традиционная морилка Перлза неэффективна для обнаружения локализации железа при низком уровне железа. При добавлении диаминобензидина (DAB) он вступает в реакцию с гексацианоферратом железа с образованием коричневого соединения, повышая специфичность анализа21.

Цель этого протокола — описать, как оценить количество и распределение отложений железа в мозге мышиной модели с болезнью Альцгеймера. В этом протоколе 8-месячные трансгенные мыши 5×FAD (C57BL/6J) были использованы в качестве модели мышей AD и сравнивались с мышами дикого типа того же возраста. Здесь подробно описаны процедуры приготовления химического реагента, разреза мозга, окрашивания по методу Перлза/DAB и анализа изображений, полученных после окрашивания.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

Все процедуры были выполнены в соответствии с рекомендациями Комитета по уходу за животными и их использованию Медицинского университета Сюйчжоу и правительственными правилами Китая по уходу и использованию лабораторных животных.

1. Перфузия животных

  1. Приготовьте фиксатор: растворите 4% параформальдегид (PFA) в 1× фосфатно-солевом буфере (PBS) (см. Таблицу 1).
  2. Обезболивайте мышей путем внутрибрюшинной инъекции кетамина (100 мг/кг) и ксилазина (15 мг/кг). После того, как мышь будет обезболива, прикрепите ее к лотку для перфузионной хирургии с помощью четырех штифтов, чтобы зафиксировать конечности.
    ВНИМАНИЕ: Чтобы обеспечить надлежащую анестезию, проверьте потерю реакции на защемление пальцев ног, расслабление мышц конечностей и глубокое, медленное и ровное дыхание.
  3. Разрежьте грудь ножницами, чтобы обнажить сердце, и разрежьте правое предсердие. Введите 20 мл 1× PBS в левый желудочек с помощью шприца для промывания крови. Затем введите 20 мл 4% PFA для фиксации.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Контролируйте глубину и направление иглы, чтобы избежать прокола межжелудочковой перегородки. Помните, что оптимальная перфузия характеризуется бледной печенью и жесткими конечностями после первоначального тремора.
  4. Обезглавьте перфузированную мышь, разрежьте кость вокруг черепа парой тонких ножниц, осторожно поднимите череп с помощью тупых щипцов и извлеките мозг. Затем замочите мозг в 4% PFA при температуре 4 °C на ночь.
    ВНИМАНИЕ: Будьте осторожны с 4% PFA, который является сильным респираторным раздражителем. Наденьте соответствующую маску и выполняйте этот шаг в вытяжном шкафу.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Метод эвтаназии был одобрен IACUC Программы ухода за животными и использования Медицинского университета Сюйчжоу Руководство по эвтаназии: мыши / крысы.

2. Криосекция мозга

  1. Обезвоживайте мозг градуированными растворами сахарозы (15% и 30%) при температуре 4 °C в течение 24 ч на каждом этапе. Мозг должен, наконец, опуститься на дно раствора сахарозы.
  2. Гемисекция мозга по межполушарной щели с помощью скальпеля. Поместите левую половину в микроцентрифужную пробирку объемом 5 мл, заполненную 1 мл 30% раствора сахарозы и равным объемом соединения для оптимальной температуры резки (ОКТ) для улучшения контакта между ОКТ и мозгом.
  3. Обрежьте лезвием бритвы посторонние ткани с левого полушария и переместите их на платформу ОКТ.
  4. Вставьте ткань в ОКТ с опорой на круглую стенку из алюминиевой фольги.
  5. Заморозьте ткань в микротоме криостата при температуре −22 °C не менее чем на 1 ч и установите температуру режущей головки на −19 °C.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Не забудьте предварительно охладить стекло с защитой от скручивания и щетки в криостате вместе с образцом.
  6. Установите блок замороженной ткани. Снова обрежьте тканевый блок в нужное положение в зависимости от области интереса, а затем начните разделять мозг на сагиттальные участки толщиной 20 мкм.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Если пряди складываются, используйте мягкие щетки, чтобы развернуть секции.
  7. Соберите каждый участок на предметных стеклах, покрытых желатиновым покрытием, и нанесите на него каплю размером 1× PBS. Переверните секцию мозга с помощью тонкой кисти, а затем быстро закрепите секцию на предметном стекле.
  8. Собранные срезы высушите при комнатной температуре в течение ночи и храните при −20 °C.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Протокол может быть приостановлен здесь на срок до 2 недель. Более длительное время хранения может повлиять на качество ткани и, таким образом, повлиять на результат эксперимента.

3. Окрашивание Perls'/DAB

  1. Приготовьте следующие растворы: 2% ферроцианида калия (K4[Fe(CN)6]·3H2O), 2% соляную кислоту (HCI) и 20× раствор DAB (см. табл. 1).
  2. Поместите предметное стекло с секциями в банку для окрашивания, наполненную 1× PBS, и поместите банку на орбитальный шейкер на 5 минут, чтобы вымыть ОКТ из ткани.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Тщательно регулируйте скорость орбитального встряхивателя (рекомендуемая скорость: 20 об/мин), чтобы избежать падения ткани со стекла на высоких скоростях.
  3. Смешайте 20 мл 2% раствора ферроцианида калия и равный объем 2% соляной кислоты в центрифужной пробирке объемом 50 мл.
  4. С помощью пластиковых щипцов перенесите предметное стекло в трубку объемом 50 мл, а затем нагрейте трубку на водяной бане при температуре 60 °C в течение 30 минут.
  5. Промойте предметное стекло 1× PBS и промокните излишки раствора папиросной бумагой.
  6. С помощью пипетки добавьте 50 μL раствора DAB в каждый участок мозга и инкубируйте в течение 10 минут при комнатной температуре.
  7. Отсадите излишки раствора DAB с помощью пипетки, а затем 3 раза промойте предметное стекло в PBS.
  8. Обезвоживают срезы градуированными спиртовыми растворами (50%, 70%, 95%, 100%) и ксилолом (100%, 100%). Инкубируйте предметные стекла по 3 минуты каждая.
  9. Загерметизируйте секции нейтральной резинкой22 и затем установите покровное стекло.
  10. Высушите предметные стекла в вытяжном шкафу в течение 24 часов перед хранением в предметной коробке для микроскопа.

4. Визуализация

  1. Включите микроскоп, отрегулируйте яркость источника света и сфокусируйтесь на участке мозга под объективом увеличения 4×.
  2. Сделайте снимок с помощью программного обеспечения для управления камерой и отрегулируйте параметры для предотвращения передержки. Конкретные настройки (объектив 10×, 40×) показаны на рисунке 1.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Избегайте использования автоматического баланса белого, чтобы обеспечить одинаковое время экспозиции для каждого изображения.
  3. Переключитесь на объектив с увеличением 10×, переместите предметный столик микроскопа, чтобы сфокусироваться на областях с сильными сигналами окрашивания Perls/DAB, особенно на гиппокампе и коре головного мозга, и сделайте снимки (рис. 1A).
  4. Переключитесь на объектив с 40-кратным увеличением, чтобы получать изображения с четкими сигналами окрашивания.
  5. Сохраните каждое изображение в формате TIFF 8 бит и экспортируйте изображения для дальнейшего анализа.

5. Анализ изображений

  1. В ImageJ/Fiji выберите Плагины > сшивки > Сшивка сетки/коллекции в меню, затем выберите Неизвестное положение , чтобы выбрать изображения, которые должны быть сшиты (Рисунок 2A).
  2. Выберите «Файл» > «Сохранить как > формате TIFF », чтобы сохранить готовое изображение в формате TIFF (рисунок 2B).
  3. Используйте ImageJ/Fiji, чтобы открыть изображение, и убедитесь, что формат изображения — RGB Color (рис. 2C).
  4. Выберите в меню «Плагины» > IHC Profiler Image, затем выберите «Режим > Cytoplasmic Stained Image и стандартное значение H DAB для деконволюции цвета» (рис. 2D). Затем преобразуйте формат изображения в 8-битные оттенки серого.
  5. Преобразуйте значения серого изображения в значения наружного диаметра, выбрав «Анализ» > «Калибровка > неоткалиброванного наружного диаметра » (рис. 2E).
  6. Используйте функцию Threshold для выбора области положительного окрашивания Perls/DAB, затем отрегулируйте горизонтальные полосы прокрутки, пока все коричневые сигнальные пятна не покроются красным (Рисунок 2F).
  7. Нажмите «Анализ» > «Установить измерения», затем выберите параметры «Площадь», «Среднее значение серого», «Интегрированная плотность» и, самое главное, «Ограничение порогом», чтобы исключить фоновый шум (рисунок 2G).
  8. Выберите Analyze > Measure, чтобы получить таблицу результатов (рисунок 2H).
  9. Сгруппируйте результаты и используйте статистическое программное обеспечение для выполнения статистического анализа. В нашем случае мы сравнили накопление железа в гиппокампе и коре трансгенных мышей 5xFAD с таковым в отрицательном контроле (мыши дикого типа). Для сравнения в трех группах использовался односторонний дисперсионный анализ (ANOVA) для данных из гауссова распределения с одинаковым стандартным отклонением.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Чтобы исследовать распределение и накопление железа в мышиной модели болезни Альцгеймера, мы провели окрашивание по методу Перлза/DAB в сагиттальных срезах 8-месячных мышей 5xFAD. Как показано на рисунке 3, сигналы окрашивания Perls/DAB наблюдались у 8-месячных мышей 5xFAD и дикого типа, а также у 2-месячных мышей дикого типа. У мышей 5xFAD высокие сигналы окрашивания Perls'/DAB наблюдались в гиппокампе и коре головного мозга, особенно в субикулуме гиппокампа. Мыши дикого типа служили валиди...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Отложение железа тесно связано с болезнью Альцгеймера. С одной стороны, это может привести к продукции Aβ через несколько механизмов, включая повышенную экспрессию белка-предшественника амилоида{ПРИМЕЧАНИЕ:20}23, а также повышенную активность γ-секретазы, что может привести к ускоренной продукции Aβ24; С другой стороны, перекисное окисление липидов, вызванное повышенным содержанием железа, может способствовать полимеризации тау, что также м...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Данное исследование было поддержано общим проектом Фонда естественных наук Китая (номер гранта: 32271010).

Благодарности

Во время подготовки данной работы авторы использовали DeepSeek для улучшения языка и удобочитаемости. После использования этого инструмента/услуги авторы просмотрели и отредактировали контент по мере необходимости и несут полную ответственность за содержание публикации.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
0,1 М PBSbiosharpBL601AДобавьте деионизированную воду для получения раствора
4% PFA BeyotimeP0099Восстановление при 4 ° C для использования
20X DAB растворBiossC-0003Mix 10 μ l раствор А, 10 & мкм; l раствор В и 180 мкм; l
PBS AlcoholSupelco107017
HCLSigma7647-01-0Добавьте дистиллированную воду до 50 мл
кетамина China National MedicinesH20193336100 мг/кг для обезболивания
МикроскопOlympusCX43
Оптимальная температура резки компаунд (ОКТ)Сакура Finetek4583
раствор ферроцинида калияSigma14038-43-8Добавьте дистиллированную воду до 50 мл
СахарозыSigma57-50-1
ксилазин& НБСП;Y-S BiotechnologyYS-(BC)-284215 мг/кг для обезболивания
ксилоловSigma1330-20-7

Ссылки

  1. Karlawish, J., Jack, C. R., Rocca, W. A., Snyder, H. M., Carrillo, M. C. Alzheimer's disease: The next frontier-special report 2017. Alzheimer's Dement. 13 (4), 374-380 (2017).
  2. Praticò, D. Oxidative stress hypothesis in Alzheimer's disease: A reappraisal. Trends in Pharmacol Sci. 29 (12), 609-615 (2008).
  3. Sayre, L. M., et al. In situ oxidative catalysis by neurofibrillary tangles and senile plaques in alzheimer's disease. J. Neurochem. 74 (1), 270-279 (2001).
  4. Urrutia, P., et al. Inflammation alters the expression of dmt1, fpn1 and hepcidin, and it causes iron accumulation in central nervous system cells. J. Neurochem. 126 (4), 541-549 (2013).
  5. Hardy, J., Selkoe, D. J. The amyloid hypothesis of Alzheimer's disease: Progress and problems on the road to therapeutics. Science. 297 (5580), 353-356 (2002).
  6. Scheltens, P., et al. Alzheimer's disease. Lancet. 397 (10284), 1577-1590 (2021).
  7. Ficiarà, E., Munir, Z., Boschi, S., Caligiuri, M. E., Guiot, C. Alteration of iron concentration in alzheimer's disease as a possible diagnostic biomarker unveiling ferroptosis. Int J Mol Sci. 22 (9), 4479(2021).
  8. Yang, W. S., Stockwell, B. R. Ferroptosis: Death by lipid peroxidation. Trends in Cell Biol. 26 (3), 165-176 (2016).
  9. Lane, D. J. R., et al. Iron and Alzheimer's disease: An update on emerging mechanisms. J Alzheimers Dis. 64 (s1), S379-S395 (2018).
  10. Meadowcroft, M. D., Connor, J. R., Smith, M. B., Yang, Q. X. Mri and histological analysis of beta-amyloid plaques in both human Alzheimer's disease and app/ps1 transgenic mice. J Magn Reson Imaging. 29 (5), 997-1007 (2009).
  11. Winterbourn, C. C. Toxicity of iron and hydrogen peroxide: The Fenton reaction. Toxicol Lett. 82-83, 969-974 (1995).
  12. Silvestri, L., Camaschella, C. A potential pathogenetic role of iron in Alzheimer's disease. J Cell Mol Med. 12 (5a), 1548-1550 (2008).
  13. Gamblin, T. C., King, M. E., Kuret, J., Berry, R. W., Binder, L. I. Oxidative regulation of fatty acid-induced tau polymerization. Biochemistry. 39 (46), 14203-14210 (2000).
  14. Meguro, R., et al. Nonheme-iron histochemistry for light and electron microscopy: A historical, theoretical and technical review. Arch Histol Cytol. 70 (1), 1-19 (2007).
  15. Lehéricy, S., Roze, E., Goizet, C., Mochel, F. Mri of neurodegeneration with brain iron accumulation. Curr Opin Neurol. 33 (4), 462-473 (2020).
  16. Nabuurs, R. J. A., et al. High-field MRI of single histological slices using an inductively coupled, self-resonant microcoil: Application to ex vivo samples of patients with Alzheimer's disease. NMR Biomed. 24 (4), 351-357 (2010).
  17. Perl, D. P., Good, P. F. Comparative techniques for determining cellular iron distribution in brain tissues. Ann Neurol. 32 (S1), S76-S81 (1992).
  18. Riemer, J., Hoepken, H. H., Czerwinska, H., Robinson, S. R., Dringen, R. Colorimetric ferrozine-based assay for the quantitation of iron in cultured cells. Anal Biochem. 331 (2), 370-375 (2004).
  19. Luterotti, S., Kordić, T., Dodig, S. Simultaneous determination of iron and copper in children's sera by FAAS. Acta Pharm. 61 (1), 93-102 (2011).
  20. Hill, J. M., Switzer, R. C. The regional distribution and cellular localization of iron in the rat brain. Neuroscience. 11 (3), 595-603 (1984).
  21. Meguro, R., Asano, Y., Iwatsuki, H., Shoumura, K. Perfusion-perls and -turnbull methods supplemented by dab intensification for nonheme iron histochemistry: Demonstration of the superior sensitivity of the methods in the liver, spleen, and stomach of the rat. Histochem Cell Biol. 120 (1), 73-82 (2003).
  22. Liu, C., et al. S-nitrosylation of divalent metal transporter 1 enhances iron uptake to mediate loss of dopaminergic neurons and motoric deficit. J Neurosci. 38 (39), 8364-8377 (2018).
  23. Guillemot, J., Canuel, M., Essalmani, R., Prat, A., Seidah, N. G. Implication of the proprotein convertases in iron homeostasis: Proprotein convertase 7 sheds human transferrin receptor 1 and furin activates hepcidin. Hepatology. 57 (6), 2514-2524 (2013).
  24. Li, X., et al. Ferritin light chain interacts with pen-2 and affects γ-secretase activity. Neurosci Lett. 548, 90-94 (2013).
  25. Jin Jung, K., et al. Oxidative stress induces inactivation of protein phosphatase 2a, promoting proinflammatory nf-κb in aged rat kidney. Free Radic Biol Med. 61, 206-217 (2013).
  26. Connor, J. R., Menzies, S. L., Martin, S. M. S., Mufson, E. J. Cellular distribution of transferrin, ferritin, and iron in normal and aged human brains. J Neurosci Res. 27 (4), 595-611 (2004).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

5xFAD