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Neuroscience

ルシファー黄イオン球形成を用いてアストロサイト形態を可視化

doi: 10.3791/60225 Published: September 14, 2019

Summary

アストロサイトは形態的に複雑な細胞であり、その複数のプロセスとふさふさした領域によって例示される。彼らの精巧な形態を分析するために、我々は軽く固定された組織で細胞内ルシファー黄色イオントフォレシスを行う信頼性の高いプロトコルを提示する。

Abstract

アストロサイトは神経回路の必須成分です。彼らは中枢神経系全体(CNS)をタイル化し、神経伝達物質のクリアランス、イオン調節、シナプス変調、ニューロンへの代謝サポート、血流調節を含む様々な機能に関与しています。アストロサイトは、大豆、いくつかの主要な枝、および神経ピル内の多様な細胞要素に接触する多数の微細なプロセスを有する複雑な細胞です。アストロサイトの形態を評価するためには、その構造を可視化する信頼性と再現性の高い方法が必要です。成体マウスの軽く固定された脳組織に蛍光ルシファーイエロー(LY)色素を用いてアストロサイトの細胞内イオントフォレシスを行う信頼性の高いプロトコルを報告する。この方法には、アストロサイト形態を特徴付けるために有用ないくつかの特徴があります。これは、個々の星状細胞の三次元再構成を可能にし、その構造の異なる側面で形態学的分析を行うために有用である。また、LYイオントフォアシスと共に免疫組織化学を利用して、神経系の異なる構成要素とのアストロサイトの相互作用を理解し、標識された星状細胞内のタンパク質の発現を評価することができます。このプロトコルは、光顕微鏡でアストロサイト形態を厳密に調べるために、CNS障害の様々なマウスモデルで実装することができる。LYイオントフォレシスは、特にこれらの細胞が有意な形態変化を受けることが提案されている傷害または疾患の文脈において、星状細胞構造を評価するための実験的アプローチを提供する。

Introduction

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アストロサイトは、中枢神経系(CNS)で最も豊富なグリア細胞です。彼らはイオン恒常性、血流調節、シナプス形成だけでなく、排除、および神経伝達物質の取り込み1で役割を果たしています。アストロサイト機能の広い範囲は、その複雑な形態構造2、3に反映されます。アストロサイトには、シナプス、デンドライト、軸、血管、および他のグリア細胞と直接相互作用する何千もの細かい枝とリーフレットに分かれたいくつかの一次および二次枝が含まれています。アストロサイトの形態は、異なる脳領域によって異なり、神経回路4でその機能を差別的に実行する能力を示唆する可能性がある。さらに、アストロサイトは、発達中、生理的状態の間、および複数の疾患状態3、5、6において形態を変化させる知られている。

アストロサイト形態の複雑さを正確に解決するには、一貫性のある再現性の高い方法が必要です。伝統的に、免疫組織化学は、アストロサイト特異的またはアストロサイト濃縮タンパク質マーカーを使用して星細胞を視覚化するために使用されてきました。しかし、これらの方法は、アストロサイトの構造ではなくタンパク質発現のパターンを明らかにする。グリア線維性酸性タンパク質(GFAP)およびS100カルシウム結合タンパク質β(S100β)のような一般的に使用されるマーカーは、細胞体積全体で発現しないため、完全な形態7を解決しない。アストロサイト(ウイルス注射またはトランスジェニックマウスレポーターライン)で蛍光タンパク質をユビキタスに発現する遺伝的アプローチは、より細かい枝および全体的な領域を同定することができる。しかしながら、個々の星状細胞を区別することは困難であり、分析は特定のプロモーター8によって標的となる星状細胞集団によって偏りが生じよい。シリアルセクション電子顕微鏡は、シナプスとの星状細胞プロセスの相互作用の詳細な画像を明らかにするために使用されています。シナプスに接触する何千ものアストロサイトプロセスのため、現在、この技術9で細胞全体を再構築することは不可能ですが、これはデータ分析のための機械学習アプローチの使用によって変化することが期待されます。

本報告では、CA1層ラジエータムを例にルシファー黄色(LY)色素を用いて細胞内イオントフォレシスを用いてマウスアストロサイトを特徴付ける手順に焦点を当てる。この方法は、エリック・ブソンとマーク・エリスマン10、11による先駆的な過去の作品に基づいています。軽く固定された脳のスライスからのアストロサイトは、その独特のソマ形状によって識別され、LYで満たされます。細胞は、その後、共焦点顕微鏡で画像化されます。LYイオントフォレシスを用いて個々の星状細胞を再構築し、そのプロセスと領域の詳細な形態学的解析を行う方法を示す。また、この方法は、免疫組織化学と組み合わせて、アストロサイトとニューロン、他のグリア細胞、脳血管系との空間的関係と相互作用を同定するために適用することができる。LYイオントフォレシスは、健康または疾患状態7、12、13の異なる脳領域およびマウスモデルの形態を分析するのに非常に適したツールであると考える。

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Protocol

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本研究の動物実験は、実験動物のケアと使用に関する国立衛生研究所に従って行われ、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の首相動物研究委員会によって承認されました。全ての実験で混合性の成体マウス(6−8週齢)を用いた。

1. ソリューションの準備

  1. 人工脳脊髄液(ACSF)溶液
    1. 各実験の前に新鮮なACSF溶液(135 mM NaCl、5 mM KCl、1mM MgCl 2、14.7 mM NaHCO3、11mM D-グルコース、1.25 mM Na2HPO4、および2 mM CaCl2)を調製する。最後のステップで MgCl2と CaCl2を追加します。成分を高品質の脱イオン水に溶かします。
    2. ACSF溶液を水浴中35°Cでインキュベートし、実験前に少なくとも30分間95%O 2/5%CO2で泡を入れます。
    3. 塩酸リドカインを2%加え、ACSF(100mL)で0.02%の最終濃度に達します。
  2. 固定ソリューション
    1. 10%ホルマリン緩衝リン酸塩を使用します。
  3. LY染料溶液
    1. LY CHジリチウム塩またはLY CHジカリウム塩を5mM KCl.渦に完全に溶解して1.5%LY色素溶液を調剤する。1 mL の体積は、いくつかの実験で十分です。
    2. 16,800 x gで10分の遠心分離機。次に、0.2 μmのシリンジフィルターで上清を新しいチューブに濾過します。アリコートは、最大3ヶ月間4°Cで保つことができます。
      注:電極を詰まらせる可能性のある色素粒子の凝集を防ぐために、色素溶液を遠心分離してろ下することが重要です。

2. マウス経膜灌流と脳解剖

  1. 心筋灌流のための装置およびマウスの準備
    注:
    どちらの性別のC57/BL6マウスも使用することができる。この方法が確実に機能するためには、マウスが3ヶ月より古くないことが重要である(生後6−8週間が理想的である)ことが経験的に観察されている。灌流プロトコルを以下に説明する。詳細については、追加のリファレンス14.
    1. ACSF溶液で灌流チューブをクリアし、ライン内の気泡を除去します。使用順に手術道具(ピンセット、曲がりくねった、鈍いはさみ、虹彩はさみ)を設定します。
    2. イソムラン誘導室に入れてマウスを深く麻酔し、2-3 mLのイソムランをチャンバーに加えた後に。麻酔薬が有効になるために1−2分を許可します。呼吸が止まらないようにしてください。
    3. つま先のピンチ反射をテストします。マウスが痛みの刺激に反応せず、反射が存在しない場合に続行します。酸素中の5%のイソルランと化学ヒュームフードの中にテープで留められた手足と尾の供給と呼吸コーンに置かれた頭部とスピインの位置で動物を固定します。
  2. トランスカルダイヤル灌流
    1. ピンセットを使用して、肋骨ケージの下の皮膚を持ち上げます。湾曲した鈍いはさみで5-6cmの切開を行い、腹腔を露出させます。肝臓と横隔膜が見えるまで腹壁を上方に切ります。
    2. 肝臓を図からそっと離します。虹彩はさみで、横隔膜に3〜4cmの横切開を行います。
    3. 胸腔を露出させるために、体の両側に沿って肋骨ケージを切断します。心臓を損傷し、肺を避けるように注意してください。胸骨を持ち上げて心臓を露出させる。
    4. 心臓が見えるようになったら、抗凝固剤として左心室にヘパリンナトリウム溶液(1,000米ドル/mL)を0.05mL注入する。次に、左心室に注流針を慎重に挿入します。針が心室にとどまり、他の心臓室に突き刺さらないようにしてください。虹彩はさみで右のアトリウムに小さな切開を行います。
    5. 既存の体の流体が血液から取り除かれるまで、約10 mL/minの割合でACSF溶液を使用します(1−2分)。
    6. 気泡を導入することなく、ACSFソリューションから固定ソリューションに切り替えます。10−20 mL/分で10分間の固定ソリューションを使用。
      注意:固定溶液が鼻から排出されないように注意してください。これは、針が右心室に達し、固定剤が全身回路を通って体の残りの部分に移動するのではなく、肺に移動していることを示しています。
  3. 脳の解剖
    1. はさみでマウスの頭部を取り除き、慎重に頭蓋骨からマウスの脳を解剖します。短い固定期間の室温で1.5時間の固定溶液に置きます。
      注:LYイオントフォレシスを成功させるためには、良好な灌流が必要です。脳は白色で、脳血管系に血液が存在しない必要があります。体と手足が硬く見えるはずです。

3. スライス準備

  1. 海馬スライスの調製
    1. 0.1 Mリン酸緩衝生理食生(PBS)で脳を室温で5分間洗浄します。その後、フィルターペーパーで脳を乾燥させ、鋭利なかみそり刃で嗅球と小脳を取り除きます。
    2. シアノクリレート接着剤を使用してビブラートトレイに脳を取り付け、室温でPBSでトレイを充填します。110 μm の厚さの海馬冠切をカットします。
      注:ビブラートムの設定を調整して、スライスの厚さと表面が同じであることを確認します。この実験では、4.5の速度設定と周波数設定8を使用しました。ユーザーは、他のデバイスの設定を試す必要がある場合があります。
    3. トレイからセクションを収集し、氷上のPBSの皿に置きます。

4. 電極製剤

  1. 適切な抵抗を持つ鋭い電極を準備します。
    1. フィラメント付きホウケイ酸ガラス単一バレル電極(O.D. 1.0 mm、I.D. 0.58 mm)を使用します。マイクロピペットプーラー(材料の表)に電極を引っ張ります。5 mM KCl で 1.5% LY で満たされた理想的な電極は、PBS の浴槽に入れると 200 MΩ の抵抗を持つ必要があります。
      注:プーラー設定は、装置(使用する機械の種類とプーラーフィラメント)によって異なります。熱設定を高くすると、通常、より長く細かいヒントが与えます。この実験で使用されるマイクロピペットプーラーの場合、設定は熱:317、プル:90、速度:70、遅延:70。トラフ型フィラメントを用いた。
    2. 端にほこりが入らないように、閉じた容器に電極を保管してください。先端が壊れないように、箱の底から電極を上に保ちます。
  2. 電極をLY色素溶液で充填します。
    1. 先端を下向きにして垂直位置に電極を配置します。電極の背面にLY溶液のピペット1−2 μLを取り込み、毛細血管作用を介して溶液が先端に移動するのを5−10分間待ちます。
    2. マニピュレータに接続された電極ホルダーの充填電極を静かに固定します。
      注:電極ホルダーの銀線は、電極内部のLYと接触する必要があります。ワイヤの長さに応じて、必要に応じて LY 溶液の体積を調整します。

5. イオントフォレシスでアストロサイトを充填する

  1. 電極をテストします。
    1. 室温で0.1 M PBSで満たされたガラス底皿に脳のスライスを穏やかに置きます。スライスをナイロンストリング付きのプラチナハープで所定の位置に保持します。
    2. 電極が電圧源に接続されていることを確認し、脳スライスを含む浴槽にアース電極を入れます。
    3. 目的の脳領域に目的を移動します。
    4. 電極を溶液に下ろします。明るいフィールドの下で、視野の中心に移動し、それが破片や気泡なしで明確に見えることを確認するために、40x水浸漬レンズでそれを慎重に調べます。電極先端に詰まらせるものがある場合は、新しい先端と交換してください。
      注:目詰まりは200 MΩ電極の懸念事項です。すべての実験の前に色素溶液の遠心分離とろ過では、これは頻繁な問題であるべきではありません。しかし、電極の先端が小さいため、組織が開口部に詰まってしまうことがある。著者らはこれを防ぐ方法を見つけていないが、新しい電極を使用するだけで簡単に対処できる。
    5. 488 nmレーザーで共焦点レーザー走査顕微鏡下の電極の先端を観察します。次いで、12Vで刺激器をオンにして試験染料吐出し、刺激器がオンの間に電極の先端の周りに大きな蛍光色素雲を注意する。電圧刺激時に色素が排出されていない場合は、電極を交換してください。
    6. 明るいフィールドの下で、ゆっくりと表面のすぐ上に停止するスライスに向かって電極を下げます。
  2. イオントフォレシスで星状細胞を満たします。
    1. 赤外線差動干渉コントラスト(IR-DIC)を使用して、スライス表面の下にある40~50 μmのアストロサイトを同定します。直径約10μmの細長い楕円形のソマタを持つ細胞を探します。アストロサイトを選択したら、視野の中心に移動します。
      注:イオントフォレシスのための良い細胞は、その周りに明確な、定義された境界線を持っています。完全に塗りつぶすことができないため、スライスのサーフェスに近すぎるセルを選択しないでください。染料充填のためのアストロサイトを日常的に識別できるようになるには、数日にわたっていくつかの練習が必要です。実験に使用される脳領域によっては、アストロサイトの数が異なる場合があります。これは、充填前に星状細胞を識別するために必要な時間に影響を与える可能性があります。
    2. 電極先端をスライスにゆっくりと下げ、組織内を移動し、細胞体と同じ平面上に移動します。
      注:組織に損傷を与えないように電極をゆっくりと動かします。
    3. アストロサイトの細胞体がはっきりと見え、輪郭を描いたら、ゆっくりとゆっくりと電極を前方に進めます。先端が細胞のソマを突き刺すまで電極を動かします。電極がソマの中にある場合は、目的の焦点をゆっくりと上下に動かします。
      注:電極先端は細胞体内に入っている必要があり、ソマ上の小さなインデントを観察する必要があります。先端がセルを通過しないように、電極をこれ以上動かさないようにしてください。
    4. 電極先端がセル内に入ったら、刺激器を~0.5−1Vでオンにし、連続的に電流を細胞に放出します。共焦点顕微鏡を使用して、細胞の充填を見ます。デジタルズームを大きくしてセルの詳細を確認し、電極の先端がセル内に表示されていることを確認します。
      注:色素がセルから漏れているか、近くの他のセルを充填しているように見える場合は、電圧を下げなさい。色素がまだ細胞から漏れているように見える場合は、電極をゆっくりと引き出し、別のセルを見つけます。最終的な画像で高い信号/背景比を持つために色素が漏れていないことが重要です。
    5. 細かい枝とプロセスが定義されるまで約15分待ち、電圧をオフにし、静かにセルから電極先端を引き出します。
  3. 塗りつぶされたセルをイメージします。
    注:
    イメージングは、充填後、または免疫組織化学で染色した直後に行うことができます。数値絞り(NA)が高い目的を持つ場合は、解像度が向上します。
    1. セルが元の形に戻るまで待ってから、40倍の目的でイメージング(15−20分)を行います。セルをイメージするには、コンフォーカルの設定を調整して、細かい分岐とプロセスが定義されていることを確認します。
    2. ステップサイズが0.3 μmのZスタックを設定します。イメージング中に、セルからの信号がなくなるまで目的を移動し、それを上部に設定します。次に、信号がなくなるまで目的を下に移動(セルを通してフォーカス)し、それを底部に設定します。
    3. イメージングが完了したら、電極で色素の突出を確認します。大きな色素雲が表示された場合は、次のスライスに使用できます。それ以外の場合は、新しい電極に置き換えます。
      注:単一の星状細胞の染料充填とイメージングは、約45分から1時間かかります。この特異的実験では、マウス当たり約3~6セルを得ることができる。必要に応じて、同じスライスに複数のセルをラベル付けできます。しかし、個々の星状細胞を区別するために、細胞間で約200μmの距離を保つようにしてください。

6. 免疫組織化学染色(任意)

  1. イメージングが完了したら、直ちに10%ホルマリンにスライスを氷の上に置き、免疫組織化学のために保存します。脳のスライスを暗闇の中に保管し、一晩4°Cに保存します。
  2. 0.1 M PBSで脳切片3xを0.5%のニオニオン界面界面活性剤(すなわち、トリトンX 100)でそれぞれ5分間洗浄する。次いで、0.5%のニオニオン界面活性剤と10%の正常なヤギ血清(NGS)を穏やかな撹拌で室温で1時間の0.1M PBSの遮断溶液でインキュベートする。
  3. 0.1 M PBSで希釈した一次抗体の攪拌を用いて断面を0.5%のニオニオン界面活性剤と5%のNGSを4°Cで2日間インキュベートする。
    注:脳スライスの厚さのために、一次抗体のインキュベーション期間を延長する必要があり、より良い浸透のために抗体濃度が増加する可能性があります。この実験では、抗GFAP抗体に1:500希釈を用い、抗アクアポリン-4抗体には1:500希釈を用いた。
  4. 0.1 M PBSでセクション3xを0.5%のニオニオン界面活性剤でそれぞれ10分間洗浄し、0.1 M PBSで希釈した二次抗体を0.5%のニオニオニック界面活性剤でインキュベートし、室温で6時間は10%のNGSを使用します。
    注:LY色素を可視化するために使用される波長である488nmによって励起される二次抗体を選択しないでください。この実験では、アレクサフッ素546ヤギのアンチチキンIgG(H+L)とアレクサフルーラ647ヤギの抗ウサギIgG(H+L)に1:1,000希釈を使用しました。
  5. 0.1 M PBS でセクション 3x をそれぞれ 10 分間すすいでください。その後、蛍光に適した取り付け媒体でガラス顕微鏡スライドにセクションを取り付けます。スライドをシールします。0.3 μmのステップサイズの画像セル。

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Representative Results

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本研究で報告されたデータは、各実験における4匹のマウスから7~12個の細胞から採取された。平均データは、必要に応じて図パネルに報告されます。

アストロサイト形態を評価するために、図1に要約されたCA1層ラジエータムのアストロサイトを満たすためにLY色素を用いて細胞内イオントフォレシスを行った。図2は、代表的な星状細胞とその精巧な形態構造を示す。このセルは、488 nmレーザーライン(ステップサイズ0.3μmおよび3.0-3.5xデジタルズーム)を使用して、共焦点レーザー走査顕微鏡上の60倍オイル浸漬レンズを用いてポスト固定を画像化した。共焦点顕微鏡の光増倍管(PMT)、オフセット機能、ゲイン機能を調整し、最終画像に高い信号/背景比を作成した。図2Aでは、異なるZステップからの単一の光学面画像(1−6から順にラベル付けされた10μmごとに示す)は、プロセスの密集したネットワークに分割された中央のソマといくつかの主要な枝を明らかにする。最大強度投影(スタックサイズ85μm)を生成することにより、星状細胞とそのドメインの構造の詳細なビューを観察した(図2B)。アストロサイトの構造の主な構成要素も指摘されている。図 2Cは、1つの主要な分岐、複数の二次枝、および周囲のブランチレットおよびリーフレットの分布のズームイン(x4)最大強度投影を示す。

有熱細胞のポスト固定画像を用いてイマリス分析ソフトウェア(材料表)を用いて形態学的解析と再構成を行った(ImageJなどの他のソフトウェアも使用できる)。各アストロサイトの再建が完了した後、大豆、主要な枝、プロセス、および領土の体積を定量化しました。ソーマは、サーフェススムージングを x-y 平面分解限界 (0.25 μm) に設定して最初に作成されました。最小オブジェクトの直径は、セル本体に関連付けられていない他のオブジェクトを除去するために 3.0 μm に設定されました。主要な枝を作成するために、ソマの強度は、細胞の残りの部分に対する明るさのために、マスクされました。主要な枝の表面平滑化および最小物体直径は0.3 μm(z平面ステップサイズ)に設定された。プロセスを作成するために、主要なブランチの強度もマスクされました。表面平滑化を0.18μmに設定し、最小物体径を0.3μmに設定した。アストロサイトの領域は、0.75 μmに設定された低強度閾値と表面平滑化を使用して作成された図3Aは、CA1アストロサイトの元の画像を示しています。細胞体、主要な枝、プロセス、および星状細胞で囲まれた領域容積は、図3B-Eで再構築される。細胞の再構成が作成された後、ソマ、細胞全体、および領域の体積を定量し、主要な枝の数をカウントしました(表1)。地層ラジエータムからのCA1アストロサイトは、平均体積が488.91 μm3、一次枝の平均が約7、細胞体積が5.58 x 103 μm3、平均領域体積が2.94 x 104 μm3であった。

よく特徴付けられたアストロサイトマーカー、GFAPは、アストロサイト8の中間フィラメントに標識する細胞骨格タンパク質である。アストロサイトが染料を充填した後、GFAPの免疫染色を行い、個々の星状細胞における発現を可視化した(図4)。GFAPは、細胞ソマ、主要な枝、およびアストロサイトのいくつかの二次枝で発現されたが、より細かい枝およびプロセスでは発現していないことがわかった(図4A)。GFAP によってラベル付けされたプライマリ ブランチの数と LY によって視覚化されたプライマリ ブランチの数に有意な差は見つかりませんでした (p = 0.1573;図 4B)GFAPによって標識されたアストロサイトの細胞面積と体積は、LY(p< 0.0001;図 4C,D)。これは、GFAP が主要な分岐にラベルを付けるための信頼できるマーカーであることを示していますが、セルの全体的な面積または体積を決定するのには役立ちません。

アストロサイトの重要な特徴は、血管に接触し、CNSの血流を調節するために提案されている彼らのエンドフィートです。アストロサイトと脳血管系との空間的関係をさらに理解するために、染料充填後のアクアポリン-4に対する抗体を染色した。アクアポリン-4は、アストロサイトおよびエペンディマル細胞に見られる水路タンパク質であり、心室および血管15付近の領域で高度に発現される。我々は、アクアポリン-4が脳血管系に近接したアストロサイトエンドフィートで発現していることを見出した(図5A)。画像は、異なる場所(白い矢印で示される)で血管に接触する3つの星状のエンドフィートを示しています。CA1層ラジエータムでは、アストロサイト当たりのエンドフィートの平均数は~2であった(図5B)。興味深いことに、エンドフィートを含む枝は、主要な分岐再構成(p = 0.0038;図 5C)また、大豆の中心から血管までのエンドフィートを含む枝の長さを測定し、それを最短の直接血管に対して比較した。血管への枝の実際の長さは、最短経路(p = 0.0333;) よりも有意に大きかった。図 5D)は、これらの枝が血管へのより長い、回路的な経路を取る傾向があることを示唆している。ムービー1は、LYで満たされた星状細胞とアクアポリン-4染色の再構成の映画を描いています。アストロサイトの異なる構造成分(ソマ、主要な枝、プロセス、および領土)は、3次元で表されます。LYで満たされた星状細胞とアクアポリン-4染色は、血管を囲むアストロサイトのエンドフィートを描写する。主要な枝と血管の再建から、エンドフィートを含む枝は、大豆から血管に及ぶ可視化することができます。

前のセクションでは、p 値が報告されている場合は、ペアでない Student の t テストを使用し、p < 0.05 で有意を示しました。

Figure 1
図1:LYイオントフォレシスにおけるワークフローの図。重要な手順を強調表示するプロトコルの概略表現。マウスに固定剤を付けた後、脳を解剖した。短い固定後の期間の後、冠状動脈切片をビブラートで切断した。電極を1.5%LY色素でバックフィルした。アストロサイトは、軽微顕微鏡上のIR-DICを用いてCA1層放射体で同定された。細胞のソマを電極に突き刺し、細かいプロセスが完全に充填されるまで0.5−1Vを塗布して細胞に染料を注入した。スライスは、40倍の水浸漬レンズを用いて共焦点顕微鏡で画像化し、免疫組織化学のために処理した。さらに、細胞再構成および形態解析を行う60倍の油浸レンズでさらなるイメージングを完了した。プロセスの再構築の例を示します。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 2
図2:CA1層ラジエータムのLY充填星座。(A)10 μmごとに示されるアストロサイトからの単一光学面画像(標識1−6)。(B)球体のソマ、いくつかの主要な枝、およびそのふさふさした領域を構成する多数のプロセスを描写する星状細胞の最大投影。(C)1 つの主要なブランチ (黄色で囲われたセクションから) の最大投影 (ズーム x4)、2 つの二次分岐、複数の分岐、および周囲のプロセスの編成。スケールバー = 10 μm.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 3
図3:LY充填アストロサイトとその成分の再構成。(A)CA1アストロサイトはLYで満たされた。(B-E)0°および45°の向きで、ソマ(B)、ソマおよび主要枝(C)、プロセス(D)、および領土(E)の立体的再構成。スケールバー = 10 μm.この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 4
図4:LY満たされたアストロサイトにおけるGFAP免疫染色。(A)LY(緑色)およびGFAP(マゼンタ)染色の代表的なZ投影。GFAPは、主に星状細胞の一次およびいくつかの二次枝で表されるが、全体の星状細胞領域内では見つからなかった。スケールバー = 10 μm.(B)LY および GFAP によって標識された一次分岐の数のグラフ。(C)LYおよびGFAP染色によって示される細胞領域。(D)LYおよびGFAP染色によって示される細胞体積。開界円は、平均±SEMを示す閉じた正方形を有する生データである。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Figure 5
図5:LY満たされたアストロサイトにおけるアクアポリン-4免疫染色(A)LY(緑色)及びアクアポリン-4染色(マゼンタ)の代表的なZ投影。アクアポリン-4は、主にアストロサイトの末足で表される。白い矢印は、近くの血管に接触する3つの端足を示します。スケールバー = 10 μm.(B)アストロサイトあたりのエンドフィートを持つ分岐の数。(C)アストロサイトの他の一次枝と比較して、エンドフィートを持つ枝の厚さ。(D)血管への最短経路と比較して、エンドフィートを持つ枝の長さ。開界円は、平均±SEMを示す閉じた正方形を有する生データである。この図のより大きなバージョンを表示するには、ここをクリックしてください。

Movie 1
ムービー1:LYで満たされた星状細胞とアクアポリン-4染色の再構成。血管に近いCA1アストロサイトの代表的なムービー。ソーマ、主要な枝、プロセス、および領域を再構築し、細胞の形態を分析した。アクアポリン-4と一緒に主要な枝の再建は、血管に直接接触する2つの星状細胞のエンドフィートを描写する。このビデオを見るにはここをクリックしてください。(右クリックしてダウンロードしてください。

形態学的特性 平均 ± SEM
ソマ体積 (μm3) 489±30
プライマリ ブランチの数 7.0 ± 0.5
セル体積 (μm3) 5580 ± 425
テリトリーボリューム (μm3) 29391 ± 8150
セル数 14

表1:星状細胞構造の形態学的解析星細胞ソマ体積、アストロサイト当たりの一次枝数、星状細胞体積、および星状細胞領域に囲まれた体積が示されている。7匹のマウスから14細胞からデータを収集した。

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Discussion

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本論文で概説する方法は、LY色素の細胞内イオン球形成を軽く固定された脳スライスで用いてアストロサイト形態を可視化する方法について述べた。このプロトコルで強調されているいくつかの重要な要因は、細胞のLYイオントフォレシスおよび形態的再構成の成功に寄与する。1つの要因は、主にマウスの年齢と灌流の結果によって決定される画像の品質と再現性です。本研究では、生後6~8週齢のC57/BL6Nマウスを用いて行った。成功した灌流(注入針の適切な配置に大きく依存し、白色の脳と脳血管系の血液の欠如によって指摘される)は、最も詳細で明確に満たされた細胞のために必要である。電極による衝撃の後、細胞膜は電極の先端の周りに堅いシールを維持し、色素が漏出するのを防ぐ必要があります。最善の努力にもかかわらず、時折、ピペットが脳組織を介して進むにつれて、細胞外の他の構造が充填されます:我々は分析からこれらの細胞を除外しました。電極の抵抗は、追加の重要な要因です。高い抵抗は電圧刺激の時に電極の先端からの色素の安定した放出を可能にするだけである。より技術的には、細胞のソマを電極で押し付ける際には、穏やかでゆっくりとした動きを維持することが重要です。細胞を通る電極の浸透は、ソマからの色素漏れにつながる可能性があります。電圧適用が成功した衝撃は、細胞体とプロセスのほぼ即時の色素充填(すなわち、数秒以内)をもたらすはずです。アストロサイトを完全に充填するために必要な時間は、それが包含する領土に関連しています。ただし、より細かいプロセスが完全に満たされていることを確認するのを待ちます (少なくとも 15 分)。

我々は、このプロトコルが詳細に星細胞形態を研究するための最も忠実な方法であることがわかったが、それにもかかわらず、この方法には限界がある。セルの識別には時間がかかり、エラーが発生しやすくなります。IR-DICでは、特定の細胞タイプ(ソマの形状と大きさ)を示す特徴を特定する必要があります。あるいは、特にアストロサイトにおける赤色蛍光レポーターの発現は、ウイルス注射またはトランスジェニックマウスレポーターラインによって、充填前にこれらの細胞を容易に同定することを可能にする。また、LYは、Lck-GFP16などの膜つながったGFPによる標識と比較して、アストロサイト膜の標識に使用できないため細胞細胞色色素として制限される。LYイオントフォレシスはアストロサイトの内部体積を明らかにするように、Lck-GFPは、領域全体のより正確な表現を与えるだろう。しかし、実験設計に応じて、LYイオントフォレシスは、天体細胞内部体積全体を解決し、3次元再構成を開発し、星状細胞の構造を構成する解剖学的成分を定量化するのに適しています6.最後に、共焦点顕微鏡の全ての形態と同様に、空間分解能は回折によって制限され、顕微鏡光学17の点広がり関数として注目される。ピンホールの直径を小さくするなど、イメージングシステムのコンポーネントを変更すると、画像の改善に役立ちますが、真の解像度は、光の波長と対物レンズの数値絞りによって決定されます。我々の場合、可能な限り最良の解像度はおそらく約300 nmであり、Z軸では悪化する可能性が高いと推定されます。

LYイオントフォレシスは、アストロサイトにラベルを付けるために他の一般的に使用される方法よりもいくつかの利点を提供しています。プロトコルは、任意の確立されたマウスモデル、細胞集団、または脳領域18、19、20に適用することができる。ウイルス注射またはトランスジェニックマウスレポーターライン(すなわち、td-Tomato)によってアストロサイトで蛍光タンパク質をユビキタスに発現させる遺伝的アプローチは、一部の領域で、他の細胞型で発現することができるアストロサイトプロモーターの使用を必要とする。すべてのアストロサイト21を含む。LYイオントフォレシスはまた、蛍光タンパク質のウイルス注射は、特定のウイルスを発現するために手術と時間を必要とし、トランスジェニックマウスラインは繁殖を必要とするように、時間効率が良いです。最後に、LYイオントフォレシスは、個々の細胞を区別するための有用な方法であるが、他の戦略はまた、個々の星状細胞22、23の領域を視覚化するためにまばらな標識のための方法と組み合わせる必要があります。 24.しかし、万能薬の方法は1つもなく、どちらを使用するかを選択するには、対処する特定の質問に合わせて調整する必要があります。

将来の研究は、特定の実験操作を採用し、形態学的な質問に答えるために、アストロサイト構造(ソマ、枝、プロセス、領土など)の異なるコンポーネントを調べることができます。これは、星細胞形態とその機能的影響に関する洞察と方向性を提供することができ、超分解能光顕微鏡または電子顕微鏡4によってさらに分析することができる。例えば、LYイオントフォレシスは、何千ものシナプスに接触し、シナプス機能に関与する微細な星状細胞プロセスを可視化する手段を提供します。これらのプロセスの構造が異なる病理学的条件でどのように変化するかを研究することは、健康と疾患におけるアストロサイトの役割を解明するのに役立つ可能性がある。LYイオントフォレシスは、詳細な細胞形態を可視化し、中枢神経系におけるその機能をよりよく理解するためにアストロサイトの特性を特徴付ける重要な技術である。

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Disclosures

著者は何も開示していない。

Acknowledgments

著者は、ソト氏、ユウ博士、オクトー博士に対する指導とテキストに対するコメントに感謝しています。この作業は NS060677 によってサポートされています。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
10% Buffered Formalin Phosphate Fisher SF 100-20 An identical alternative can be used
Acrodisc Syringe Filters with Supor Membrane Pall 4692 An identical alternative can be used
Ag/AgCl ground pellet WPI EP2 A similar alternative can be used
Alexa Fluor 546 goat anti-chicken IgG (H+L) Thermo Scientific A-11040 A similar alternative can be used
Alexa Fluor 647 goat anti-rabbit IgG (H+L) Thermo Scientific A27040 A similar alternative can be used
Anti Aquaporin-4 antibody Novus Biologicals NBP1-87679 A similar alternative can be used
Anti GFAP antibody Abcam ab4674 A similar alternative can be used
Borosilicate glass pipettes with filament World precision instruments 1B150F-4
C57BL/6NTac mice Taconic Stock B6 A similar alternative can be used
Calcium Chloride Sigma 21108 An identical alternative can be used
Confocal laser-scanning microscope Olympus FV1000MPE A similar alternative can be used
D-glucose Sigma G7528 An identical alternative can be used
Disodium Phosphate Sigma 255793 An identical alternative can be used
Electrode puller- Model P-97 Sutter P-97 A similar alternative can be used
Fluoromount-G Southern Biotech 0100-01 An identical alternative can be used
Heparin sodium injection (1,000 USP per mL) Sagent Pharmaceuticals 400-10 An identical alternative can be used
Imaris software (Version 7.6.5) Bitplane Inc. A similar alternative can be used
Isofluorane Henry Schein Animal Health 29404 An identical alternative can be used
Lidocaine Hydrochloride Injectable (2%) Clipper 1050035 An identical alternative can be used
Lucifer Yellow CH dilithium salt Sigma L0259
Lucifer Yellow CH dipotassium salt Sigma L0144
Magnesium Chloride Sigma M8266 An identical alternative can be used
Microscope Cover Glass Thermo Scientific 24X60-1 An identical alternative can be used
Microscope Slides Fisher 12-544-2 An identical alternative can be used
Normal Goat Serum Vector Laboratories S-1000 An identical alternative can be used
Objective lens (40x) Olympus LUMPLFLN 40XW A similar alternative can be used
Objective lens (60x) Olympus PlanAPO 60X A similar alternative can be used
PBS tablets, 100 mL VWR VWRVE404 An identical alternative can be used
Pipette micromanipulator- Model ROE-200 Sutter MP-285 / ROE-200 / MPC-200 A similar alternative can be used
Potassium Chloride Sigma P3911 An identical alternative can be used
Sodium Bicarbonate Sigma S5761 An identical alternative can be used
Sodium Chloride Sigma S5886 An identical alternative can be used
Stimulator- Model Omnical 2010 World precision instruments Omnical 2010 A similar alternative can be used
Triton X 100 Sigma T8787 An identical alternative can be used
Vibratome- Model #3000 Pelco 100-S A similar alternative can be used

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ルシファー黄イオン球形成を用いてアストロサイト形態を可視化
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Moye, S. L., Diaz-Castro, B., Gangwani, M. R., Khakh, B. S. Visualizing Astrocyte Morphology Using Lucifer Yellow Iontophoresis. J. Vis. Exp. (151), e60225, doi:10.3791/60225 (2019).More

Moye, S. L., Diaz-Castro, B., Gangwani, M. R., Khakh, B. S. Visualizing Astrocyte Morphology Using Lucifer Yellow Iontophoresis. J. Vis. Exp. (151), e60225, doi:10.3791/60225 (2019).

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