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Neuroscience

Análise do Cérebro mitocôndrias Usando Serial Block-cara Scanning Electron Microscopy

Published: July 09, 2016
doi:
10.3791/54214
, , , , ,
1Virginia Tech Carilion Research Institute, 2Renovo Neural Incorporated

Summary

Mitochondrial visualization and analysis from mammalian brain tissue is a challenging task. Here, we describe how three dimensional (3D) reconstruction analysis from the serial block-face scanning electron microscopy (SBFSEM) can be used to gain insights on the morphological and volumetric analysis of this critical energy generating organelle.

Abstract

O cérebro humano é um órgão alta consumindo energia que depende principalmente da glicose como fonte de combustível. A glicose é catabolizada pela mitocôndria do cérebro através de vias de glicólise, ácido tri-carboxílico (TCA) ciclo e fosforilação oxidativa (FOX) para produzir a energia celular na forma de trifosfato de adenosina (ATP). Comprometimento da produção de ATP mitocondrial provoca doenças mitocondriais, que apresentam clinicamente com sintomas neurológicos e miopáticos proeminentes. Defeitos mitocondriais também estão presentes em desordens do desenvolvimento neurológico (por exemplo, transtorno do espectro do autismo) e doenças neurodegenerativas (por exemplo, esclerose lateral amiotrófica, doença de Alzheimer e Parkinson). Assim, há um aumento do interesse na área para a realização de análise 3D da mitocondrial morfologia, estrutura e distribuição em ambos os estados saudáveis ​​e doentes. A morfologia mitocondrial cérebro é extremamente diverso, com algumas mitocôndrias especialmente aqueles ema região sináptica estar na gama de <200 nm de diâmetro, que é inferior ao limite de resolução de microscopia óptica tradicional. Expressando uma proteína mitocondrial-alvo verde fluorescente (GFP) no cérebro aumenta significativamente a detecção organelar por microscopia confocal. No entanto, ele não superar os constrangimentos sobre a sensibilidade de detecção de pequenas relativamente mitocôndrias porte sem supersaturação as imagens de grande porte mitocôndrias. Enquanto microscopia electrónica de transmissão em série tem sido utilizado com sucesso para caracterizar mitocôndrias na sinapse neuronal, esta técnica é extremamente demorada, especialmente quando se comparam amostras múltiplas. A técnica de microscopia eletrônica de varredura de bloco-face de série (SBFSEM) envolve um processo automatizado de corte, blocos de imagem de tecido e aquisição de dados. Aqui, nós fornecemos um protocolo para realizar SBFSEM de uma região definida a partir de cérebro de roedores para reconstruir rapidamente e visualizar a morfologia mitocondrial. esta tecnologianique também poderia ser utilizado para fornecer informação precisa sobre o número de mitocôndrias, de volume, de tamanho e distribuição na região do cérebro definido. Desde a resolução da imagem obtida é alta (tipicamente abaixo de 10 nm) quaisquer defeitos morfológicos mitocondriais brutas também pode ser detectado.

Introduction

As mitocôndrias são organelos dinâmicos que alteram a sua forma e localização de acordo com as pistas e necessidades celulares, em interacção com apertado citoesqueleto celular, e em resposta a eventos celulares, tais como correntes de cálcio em neurónios 1. Mitocôndrias também interagir com outros organelos celulares, por exemplo, retículo endoplasmático, que por sua vez regula a sua dinâmica e metabolismo 2. Morfologia mitocondrial mostra heterogeneidade em diferentes tipos de células ou seja. a forma do organelo varia de tubulares para que consiste em folhas, sacos e ovais 3. Tem sido demonstrado que a fusão e fissão proteínas do ciclo mitocondriais pode regular a localização, tamanho, forma e distribuição das mitocôndrias 4. Além disso, alterações na forma mitocondrial estão associadas com a neurodegeneração, a plasticidade neuronal, atrofia muscular, a sinalização de cálcio, a geração de espécies de oxigénio reactivo, bem como tempo de vida e a morte celular implicando THAmorfologia mitocondrial especifica para a célula T é crítica para a manutenção da função celular normal de 5-11.

Uma das principais funções bioenergética da mitocôndria é a geração de trifosfato de adenosina (ATP) através da execução de uma série de reacções metabólicas que envolvem degradação completa de nutrientes (ou seja glucose, ácidos gordos ou aminoácidos) através do ciclo do TCA e OXPHOS vias 12. O cérebro humano constitui apenas 2% do peso corporal no entanto, consome cerca de 20% da energia total produzida tornando-se extremamente energia exigindo órgão 13. É, por conseguinte, não é surpreendente que a disfunção mitocondrial em seres humanos conduz a um grande número de manifestações neurológicas 14-17. As mutações genéticas em componentes OXPHOS que prejudicam leads geração de ATP para doenças mitocondriais 17,18, que são clinicamente grupo heterogêneo de doenças com uma prevalência de ~ 1: 5.000 indivíduos, e uma das causas mais comum de mdistúrbios etabolic em crianças e adultos. Déficit de ATP derivado de mitocôndrias afeta vários sistemas do órgão com os órgãos que exigem alta energia, como o cérebro, coração e músculos esqueléticos sendo influenciados principalmente nesses pacientes 14,17,18. Nos últimos anos, vários estudos têm fornecido evidências para disfunção mitocondrial em ambas as desordens do desenvolvimento neurológico e neurodegenerativas 15-17,19,20. Desde mitocôndrias é essencial e crítico para o desenvolvimento e funcionamento do cérebro, é imperativo desenvolver protocolos que podem analisar as mudanças no cérebro mitocondrial morfologia, estrutura, tamanho, número e distribuição sob ambos os estados saudáveis ​​e doentes. Modelos de rato com mitocôndrias-alvo a proteína fluorescente verde (GFP) foram produzidos para visualizar movimentos mitocondriais e localização no cérebro 21,22. Embora esta seja uma ferramenta extremamente útil para analisar a motilidade mitocondrial e distribuição geral, existem algumas desvantagens que inclue limitada resolução e sensibilidade da microscopia de fluorescência. Estes atributos tornam difícil acompanhar os relativamente pequenos mitocôndrias porte. Da mesma forma, microscopia electrónica de transmissão em série tem sido utilizado com sucesso para visualizar mitocôndrias sináptica 23, mas este método é muito demorado. Morfologia mitocondrial é conhecida por ser altamente dinâmicos uma vez que passam por ciclos contínuos de fissão e de fusão, e na maioria das células mitocôndrias manter uma rede altamente ligado 24-26. Os neurônios são altamente células com vários dendritos e axônios estendidos, e as mitocôndrias que formam uma rede reticular conectado no corpo da célula polarizada pode ter que separar como eles fazem seu caminho através destes neurites (Figura 1). Isso faz com que as mitocôndrias do cérebro extremamente variadas em tamanho e forma. Por exemplo, usando microscopia eletrônica de varredura de bloco-face de série (SBFSEM) técnica, observamos anteriormente que a diferença no volume ou tamanho do mitochondr extrasynapticIA para mitocôndrias presentes nos terminais do nervo pode ser tanto quanto 27 dezasseis vezes.

Existem várias abordagens para a realização de volume analisa 28, que inclui de série seção TEM 29, fita automatizada coleta ultramicrotome SEM 30, com foco Ion Beam SEM 31 e SBFSEM 32. A análise SBFSEM tem vantagens na medida em que tem a resolução de fornecer dados quantitativos sobre os morfológica forma, tamanho, número e distribuição dos organelos tais como a mitocôndria em áreas de até 1 mm do cérebro. A operação técnica é também o menos exigente, com aquisição de dados e análise dentro das capacidades de muitos laboratórios biológicos que não têm experiência EM anterior. O advento de instrumentos comerciais para gerar imagens de seção do tipo de série tem feito exame ultra-estrutural em 3D de tecidos de uma técnica de rotina, o que permite ainda uma análise volumétrica imparcial de uma forma rápida e repetível 28 </sup>. O SBFSEM foi descrita pela primeira vez e usado no campo da neurobiologia em 2004 32, baseado em uma idéia introduzida por Leighton em 1981 33. Vários estudos desde então estabeleceram esta técnica como uma ferramenta importante na análise de reconstrução do circuito neuronal 34. Além disso, para muitos projectos de menor escala, ele fornece uma análise de reconstrução para identificar organelas celulares 27,35-39. Uma vez que, as imagens obtidas são derivados de baixa tensão elétrons volta de dispersão, novos protocolos de coloração que combinam diferentes técnicas conhecidas de coloração de metais pesados ​​foram desenvolvidos para aumentar a resolução 40.

Neste artigo, nós fornecemos um protocolo para a utilização de 3D ​​imagens de microscopia eletrônica e análise volumétrica das mitocôndrias do cérebro com base em métodos que foram usados ​​previamente por nós e outros 38,39,41. Os métodos de tecido pós-processamento utilizadas foram como anteriormente descrito por Deerinck et al40.

Protocol

Declaração de Ética: Procedimentos envolvendo indivíduos animais foram aprovados pelo Comitê Institucional de Animal Care and Use (IACUC) na Virginia Tech. Cuidado: precauções extremas devem ser tomados no manuseio e descarte vários componentes utilizados neste protocolo. Antes do uso, o diretrizes institucionais e práticas de saúde e segurança local deve ser estabelecido e seguido, particularmente para tetróxido de ósmio, que é volátil e extremamente venenoso, acetato de uranilo, que é tanto um metal pesado e uma fo…

Representative Results

Nós demonstramos que a morfologia mitocondrial cérebro e tamanho é heterogênea em diferentes sub-compartimentos neuronais. A microscopia confocal na densidade culturas neuronais baixos transduzidas com lentivírus expressando a proteína fluorescente verde mitocôndrias-alvo mostraram que as mitocôndrias que residem na soma neuronal formar uma rede reticular, ao passo que aqueles que residem em neurites distais apresentam uma morfologia alongada discreto (Figura 1 AB).</stro…

Discussion

A complexidade do sistema nervoso apresenta um desafio significativo na reconstrução de grandes volumes de tecido e análise da morfologia e distribuição dos organelos tais como as mitocôndrias com resolução adequada. Várias células, incluindo neurônios, oligodendrócitos e astrócitos com numerosos processos estendidos em três dimensões interagem dentro do tecido cerebral 43. Desde mitocôndrias reside tanto na soma das células e dos processos distantes, morfologia mitocondrial é extremamente p…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

We thank Sidney Walker for providing technical help. This work was supported in part by a grant from the National Institute of Health (1R01EY024712-01A1).

Materials

C57BL/6J mice Jackson laboratory  664
Isoflurane VETone, tradename Fluriso 501017
Dissection tray Fisher scientific  S65105 
Dissection scissors Ted Pella Inc. 1316
Butterfly canula Exel International 26704
Phosphate buffer saline Sigma-Aldrich P4417-100TAB
Filter (0.45 micron) EMD Millipore NC0813356
Dissection microscope Olympus SZ61
Vibratome sectioning system Ted Pella Inc. Vibratome 3000
Sodium Cacodylate EMS 12300
Tannic Acid EMS 21700
Potassium Ferrocyanide J.T. Baker 14459-95-1
Osmium Tetroxide 4% Solution EMS 19150
Thiocarbohydrazide EMS 21900
L-Aspartic Acid Sigma-Aldrich A93100
Potassium Hydroxide Acros Organics 43731000
Lead Nitrate EMS 17900
EMbed-812 EMBEDDING KIT EMS 14120 Contains Embed 812  resin, DDSA, NMA, and DMP-30.
Glutaraldehyde 25% EM Grade Polysciences Inc. 1909
Paraformaldehyde EMS 19202
Uranyl Acetate EMS 22400
Ethanol EMS 15055
Propylene Oxide EMS 20400
Embedding Mold EMS 70907
Aluminum specimen pin EMS 70446
Colloidal Silver Liquid EMS 12630
Razor EMS 72000
Super Glue (Loctite Gel Control) Loctite 234790 Hardware/craft stores carry this item
Conductive epoxy Ted Pella Inc. 16043
Scanning electron microscope Zeiss Sigma VP
In chamber ultramicrotome for SEM Gatan Inc. 3View2 Can be designed for other SEMs
Trimming microscope for pin preparation Gatan Inc. supplied as part of 3View system
Low kV backscattered electron detector Gatan Inc. 3V-BSED
ImageJ/ Fiji processing package  ImageJ ver 1.50b, FIJI download Oct 1, 2015 http://zoi.utia.cas.cz/files/imagej_api.pdf
http://rsb.info.nih.gov/ij/
http://www.icmr.ucsb.edu/programs/3DWorkshop/Uchic-2015_FIJI_Tutorial.pdf
http://fiji.sc/TrakEM2
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Mukherjee, K., Clark, H. R., Chavan, V., Benson, E. K., Kidd, G. J., Srivastava, S. Analysis of Brain Mitochondria Using Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy. J. Vis. Exp. (113), e54214, doi:10.3791/54214 (2016).
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