Summary

Dissecção de fibras musculares esqueléticas únicas para análises imunofluorescentes e morfométricas de junções neuromusculares de monte inteiro

Published: August 14, 2021
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Summary

A capacidade de detectar com precisão componentes de junção neuromuscular é crucial na avaliação de modificações em sua arquitetura devido a processos patológicos ou de desenvolvimento. Aqui apresentamos uma descrição completa de um método simples para obter imagens de alta qualidade de junções neuromusculares de montagem inteira que podem ser usadas para realizar medições quantitativas.

Abstract

A junção neuromuscular (NMJ) é um ponto de contato especializado entre o nervo motor e o músculo esquelético. Esta sinapse periférica exibe alta plasticidade morfológica e funcional. Em numerosos distúrbios do sistema nervoso, nMJ é um alvo patológico precoce resultando em falha de neurotransmissão, fraqueza, atrofia e até mesmo na morte da fibra muscular. Devido à sua relevância, a possibilidade de avaliar quantitativamente certos aspectos da relação entre os componentes do NMJ pode ajudar a compreender os processos associados à sua montagem/desmontagem. O primeiro obstáculo ao trabalhar com músculos é obter a expertise técnica para identificar e dissecar rapidamente sem danificar suas fibras. O segundo desafio é utilizar métodos de detecção de alta qualidade para obter imagens NMJ que possam ser usadas para realizar análise quantitativa. Este artigo apresenta um protocolo passo-a-passo para dissecar extensor digitorum longus e soleus músculos de ratos. Também explica o uso da imunofluorescência para visualizar elementos pré e postingaptáticos de NMJs de montagem integral. Os resultados obtidos demonstram que essa técnica pode ser usada para estabelecer a anatomia microscópica da sinapse e identificar alterações sutis no status de alguns de seus componentes em condições fisiológicas ou patológicas.

Introduction

A junção neuromuscular do mamífero (NMJ) é uma grande sinapse tripartite colinérgica composta pelo nervo do neurônio motor, a membrana pós-sináptica na fibra muscular esquelética e as células schwann terminais1,2,3. Esta sinapse apresenta alta plasticidade morfológica e funcional4,5,6,7,8, mesmo durante a idade adulta, quando os NMJs podem sofrer modificações estruturais dinâmicas. Por exemplo, alguns pesquisadores têm mostrado que terminações nervosas motoras mudam continuamente sua forma na escala de micrômetros9. Também foi relatado que a morfologia do NMJ responde aos requisitos funcionais, uso alterado, envelhecimento, exercício ou variações na atividade locomotor4,10,11,12,13,14,15. Assim, o treinamento e a falta de uso representam estímulos essenciais para modificar algumas características do NMJ, como seu tamanho, comprimento, dispersão de vesículas e receptores sinápticos, bem como ramificação terminal nervoso14,16,17,18,19,20.

Além disso, foi demonstrado que qualquer alteração estrutural ou degeneração dessa junção vital poderia resultar em morte celular do neurônio motor e atrofia muscular21. Acredita-se também que a comunicação alterada entre nervos e músculos poderia ser responsável pelas alterações fisiológicas relacionadas à idade do NMJ e possivelmente por sua destruição em estados patológicos. O desmantelamento da junção neuromuscular desempenha um papel crucial no surgimento da Esclerose Lateral Amiotrófica (ELA), doença neurodegenerativa que constitui um dos melhores exemplos de interação músculo-nervo prejudicada3. Apesar dos inúmeros estudos realizados sobre a disfunção do neurônio motor, ainda se debate se a deterioração observada na ELA ocorre devido ao dano direto no neurônio motor e, em seguida, estende-se às projeções cortico-espinhais22; ou se deve ser considerada como uma axonopatia distal onde a degeneração começa nas terminações nervosas e progride em direção ao neurônio motor somas23,24. Dada a complexidade da patologia da ELA, é lógico considerar que ocorre uma mistura de processos independentes. Como o NMJ é o ator central da interação fisiopatológica entre músculo e nervo, sua desestabilização representa um ponto crucial na origem da doença que é relevante a ser analisada.

O sistema neuromuscular de mamíferos é funcionalmente organizado em unidades motoras discretas, consistindo de um neurônio motor e as fibras musculares que são exclusivamente inervadas pelo seu terminal nervoso. Cada unidade motora possui fibras com propriedades estruturais e funcionais semelhantes ou idênticas25. O recrutamento seletivo do neurônio motor permite otimizar a resposta muscular às demandas funcionais. Agora está claro que os músculos esqueléticos dos mamíferos são compostos de quatro tipos diferentes de fibras. Alguns músculos são nomeados de acordo com as características de seu tipo de fibra mais abundante. Por exemplo, o soleus (um músculo posterior do membro posterior envolvido na manutenção da postura corporal) possui a maioria das unidades de contração lenta (tipo 1) e é reconhecido como um músculo lento. Em vez disso, o extensor digitorum longus (EDL) é essencialmente composto de unidades com propriedades semelhantes de contração rápida (fibras tipo 2) e é conhecido como um músculo rápido especializado para movimentos filásticos necessários para a locomoção. Em outras palavras, embora os músculos adultos sejam de natureza plástica devido às influências hormonais e neurais, sua composição de fibras determina a capacidade de realizar diferentes atividades, como visto no soleus que experimenta atividade contínua de baixa intensidade e EDL que exibe uma contração única mais rápida. Outras características que são variáveis entre diferentes tipos de fibras musculares estão relacionadas à sua estrutura (conteúdo mitocondrial, extensão do ânticulo sarcoplasmático, espessura da linha Z), teor de myosina ATPase e composição da cadeia pesada de miosina26,27,28,29.

Para os NMJs roedores, há diferenças significativas entre os músculos28,29. Análises morfométricas realizadas em soleus e EDL de ratos revelaram uma correlação positiva entre a área sináptica e o diâmetro da fibra (ou seja, a área sináptica em fibras lentas soleus é maior do que nas fibras rápidas EDL), mas a razão entre a área de NMJ e o tamanho da fibra é semelhante em ambos os músculos30,31. Além disso, em relação aos terminais nervosos, as áreas absolutas da placa endplate nas fibras tipo 1 foram menores do que nas fibras tipo 2, enquanto a normalização por diâmetro de fibras fez áreas de terminais nervosos nas fibras tipo 1 as maiores32.

No entanto, pouquíssimos estudos se concentram na análise morfométrica para mostrar as evidências de mudanças em alguns dos componentes do NMJ33,34. Assim, devido à relevância do NMJ na função do organismo, cuja morfologia e fisiologia são alteradas em diversas patologias, é importante otimizar protocolos de dissecção de diferentes tipos de músculos com qualidade suficiente para permitir a visualização de toda a estrutura do NMJ. Também é necessário avaliar a ocorrência de alterações pré ou pós-sinápticas em diferentes situações experimentais ou condições como envelhecimento ou exercício35,36,37,38. Além disso, pode ser útil evidenciar alterações mais sutis em componentes do NMJ, como a fosforilação de neurofilamento alterada nas terminações nervosas terminais terminais, conforme relatado na ALS39.

Protocol

Todos os procedimentos animais foram realizados de acordo com as diretrizes da Lei Nacional nº 18.611 para cuidados com animais utilizados para fins experimentais. O protocolo foi aprovado pelo Comitê de Ética Institucional (CEUA IIBCE, Protocolo nº 004/09/2015). 1. Dissecção muscular (Dia 1) NOTA: Antes de começar, faça 40 mL de paraformaldeído (PFA), pH 7,4 na solução salina fosfato de Dulbecco (DPBS). Opcionalmente, faça 20 mL de 4% pfa. Prepare 5 mL al…

Representative Results

Este protocolo oferece um método simples para isolar e imunostain fibras musculares de dois tipos diferentes de músculos (músculos de contração rápida e lenta, ver Figura 1). Utilizando os marcadores e/ou sondas corretos, os componentes do NMJ podem ser detectados e avaliados, uma vez que um ponto de vista quantitativo para avaliar algumas das alterações morfológicas que podem ocorrer como consequência da progressão da doença ou de um tratamento medicamentoso específico. No pres…

Discussion

Neste artigo, apresentamos um protocolo detalhado para a dissecção de dois músculos esqueléticos de ratos (um contração lenta e outro de contração rápida), isolamento muscular de fibras e detecção de imunofluorescência de marcadores pré e pós-sinápticos para avaliar quantitativamente as alterações do NMJ, bem como processos de montagem/desmontagem. Esse tipo de protocolo pode ser útil nos modelos de roedores41,42 para avaliar nmj durante process…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Muito obrigado ao CSIC e ao PEDECIBA pelo apoio financeiro dado a este trabalho; para Natalia Rosano para suas correções manuscritos; para Marcelo Casacuberta que faz o vídeo e para Nicolás Bolatto por emprestar sua voz para ele.

Materials

Stereomicroscope with cool light illumination Nikon SMZ-10A
Rocking platform Biometra (WT 16) 042-500
Cover glasses (24 x 32 mm) Deltalab D102432
Premium (Plus) microscope slides PORLAB PC-201-16
Tweezers F.S.T 11253-20
Uniband LA-4C Scissors 125mm E.M.S 77910-26
Disponsable surgical blades #10 Sakira Medical 1567
Disponsable sterile syringe (1 ml) Sakira Medical 1569
Super PAP pen E.M.S 71310
100 μl or 200 μl pipette Finnpipette 9400130
Confocal microscope Zeiss LSM 800 – AiryScan
NTac:SD-TgN(SOD1G93A)L26H rats Taconic 2148-M
1X PBS (Dulbecco) Gibco 21600-010
Paraformaldehyde Sigma 158127
Triton X-100 Sigma T8787
Glycine Amresco 167
BSA Bio Basic INC. 9048-46-8
Glycerol Mallinckrodt 5092
Tris Amresco 497
Purified anti-Neurofilament H (NF-H), Phosphorylated Antibody BioLegend 801601 Previously Covance # SMI 31P
Purified anti-Neurofilament H (NF-H), Nonphosphorylated Antibody BioLegend 801701 Previously Covance # SMI-32P
Alexa Fluor 488 goat anti-Mouse IgG (H+L) Thermo Scientific A11029
α-Bungarotoxin, biotin-XX conjugate Invitrogen B1196
Streptavidin, Alexa Fluor 555 conjugate Invitrogen S32355
Diaminophenylindole (DAPI) Sigma D8417

References

  1. Araque, A., Parpura, V., Sanzgiri, R. P., Haydon, P. G. Tripartite synapses: Glia, the unacknowledged partner. Trends Neuroscience. 22, 208-215 (1999).
  2. Robitaille, R. Modulation of synaptic efficacy and synaptic depression by glial cells at the frog neuromuscular junction. Neuron. 21, 847-855 (1998).
  3. Cappello, V., Francolini, M. Neuromuscular Junction Dismantling in Amyotrophic Lateral Sclerosis. International Journal of Molecular Sciences. 18 (10), 2092-2108 (2017).
  4. Deschenes, M. R., Tenny, K. A., Wilson, M. H. Increased and decreased activity elicits specific morphological adaptations of the neuromuscular junctions. Neuroscience. 137, 1277-1283 (2006).
  5. Desaulniers, P., Lavoie, P. A., Gardiner, P. F. Habitual exercise enhances neuromuscular transmission efficacy of rat soleus muscle in situ. Journal Applied Physiology. 90, 1041-1048 (2001).
  6. Deschenes, M. R., Roby, M. A., Glass, E. K. Aging influences adaptations of the neuromuscular junction to endurance training. Neuroscience. 190, 56-66 (2011).
  7. Valdez, G., et al. Attenuation of age-related changes in mouse neuromuscular synapses by caloric restriction and exercise. Proceedings National Academy of Science U.S.A. 107, 14863-14868 (2010).
  8. Arnold, A. -. S., et al. Morphological and functional remodeling of the neuromuscular junction by skeletal muscle PGC-1α. Nature Communications. 5, 3569-3595 (2014).
  9. Hill, R. R., Robbins, N., Fang, Z. P. Plasticity of presynaptic and postsynaptic elements of neuromuscular junctions repeatedly observed in living adult mice. Journal of Neurocytology. 20 (3), 165-182 (1991).
  10. Brown, M. C., Hopkins, W. G., Keynes, R. J., White, J. A comparison of early morphological changes at denervated and paralyzed endplates in fast and slow muscles of the mouse. Brain Research. 248, 382-386 (1982).
  11. Rosenheimer, J. L. Effects of chronic stress and exercise on age related changes in end-plates architecture. Journal of Neurophysiology. 53, 1582-1589 (1985).
  12. Andonian, M. H., Fahim, M. A. Effects of endurance exercise on the morphology of mouse neuromuscular junctions during ageing. Journal of Neurocytology. 16, 589-599 (1987).
  13. Tomas, J., Fenoll, R., Santafé, M., Batlle, J., Mayayo, E. Motor nerve terminal morphologic plasticity induced by small changes in the locomotor activity of the adult rat. Neuroscience Letters. 106, 137-140 (1989).
  14. Deschenes, M. R., Maresh, C. M., Crivello, J. F., Armstrong, L. E., Kramer, W. J., Covault, J. The effects of exercise training of different intensities on neuromuscular junction morphology. Journal of Neurocytology. 22, 603-615 (1993).
  15. Nishimune, H., Stanford, J. A., Mori, Y. Role of exercise in maintaining the integrity of the neuromuscular junction. Muscle Nerve. 49 (3), 315-324 (2014).
  16. Andonian, M. H., Fahim, M. A. Endurance exercise alters the morphology of fast- and slow-twitch rat neuromuscular junction. International Journal of Sports Medicine. 9, 218-223 (1988).
  17. Fahim, M. A. Endurance exercise modulates neuromuscular junction of C57BL6N in ageing mice. Journal of Applied Physiology. 83, 59-66 (1997).
  18. Waerhaug, O., Dahl, H. A., Kardel, K. Different effects of physical training on morphology of motor nerve terminals in rat extensor digitorum longus and soleus muscles. Anatomy and Embryology. 186, 125-128 (1992).
  19. Desaulniers, M. R., Lavoie, P. A., Gardiner, P. F. Endurance training increases acetylcholine receptor quantity at neuromuscular junctions of adult rat skeletal muscle. Neuroreport. 9, 3549-3552 (1998).
  20. Deschenes, M. R., et al. Effects of resistance training on neuromuscular junction morphology. Muscle Nerve. 23, 1576-1581 (2000).
  21. Lepore, E., Casola, I., Dobrowolny, G., Musarò, A. Neuromuscular Junction as an Entity of Nerve-Muscle Communication. Cells. 8 (8), 906-921 (2019).
  22. Braak, H., et al. Amyotrophic lateral sclerosis-A model of corticofugal axonal spread. Nature Review Neurology. 9, 708-714 (2013).
  23. Fischer, L. R., et al. Amyotrophic lateral sclerosis is a distal axonopathy: Evidence in mice and man. Experimental Neurology. 185, 232-240 (2004).
  24. Moloney, E. B., de Winter, F., Verhaagen, J. ALS as a distal axonopathy: molecular mechanisms affecting neuromuscular junction stability in the presymptomatic stages of the disease. Frontiers in Neuroscience. 14 (8), 252-270 (2014).
  25. Scott, W., Stevens, J., Binder-Macleod, S. A. Human skeletal muscle fiber type classifications. Physical Therapy. 81, 1810-1816 (2001).
  26. Schiaffino, S., Hanzlíková, V., Pierobo, S. Relations between structure and function in rat skeletal muscle fibers. Journal of Cellular Biology. 47 (1), 107-119 (1970).
  27. Schiaffino, S., Reggiani, C. Fiber types in mammalian skeletal muscles. Review. Physiological Reviews. 91 (4), 1447-1531 (2011).
  28. Mech, A. M., Brown, A. L., Schiavo, G., Sleigh, J. N. Morphological variability is greater at developing than mature mouse neuromuscular junctions. Journal of Anatomy. 237 (4), 603-617 (2020).
  29. Jones, R. A., et al. NMJ-morph reveals principal components of synaptic morphology influencing structure-function relationships at the neuromuscular junction. Open Biology. 6 (12), 160240 (2016).
  30. Waerhaug, O., Lømo, T. Factors causing different properties at neuromuscular junctions in fast and slow rat skeletal muscles. Anatomy and Embryology. 190, 113-125 (1994).
  31. Wood, S. J., Slater, C. R. The contribution of postsynaptic folds to the safety factor for neuromuscular transmission in rat fast- and slow-twitch muscles. Journal of Physiology. 500, 165-176 (1997).
  32. Prakash, Y. S., Miller, S. M., Huang, M., Sieck, G. C. Morphology of diaphragm neuromuscular junctions on different fibre types. Journal of Neurocytology. 25, 88-100 (1996).
  33. Murray, L. M., Gillingwater, T. H., Parson, S. H. Using mouse cranial muscles to investigate neuromuscular pathology in vivo. Neuromuscular Disorders. 20 (11), 740-743 (2010).
  34. Mejia Maza, A., et al. NMJ-Analyser: high-throughput morphological screening of neuromuscular junctions identifies subtle changes in mouse neuromuscular disease models. bioRxiv. , (2020).
  35. Burke, S. R. A., Reed, E. J., Romer, S. H., Voss, A. A. Levator auris longus preparation for examination of mammalian neuromuscular transmission under voltage clamp conditions. Journal of Visualized Experiments. (135), e57482 (2018).
  36. Franco, J. A., Kloefkorn, H. E., Hochman, S., Wilkinson, K. A. An in vitro adult mouse muscle-nerve preparation for studying the firing properties of muscle afferents. Journal of Visualized Experiments. (91), e51948 (2014).
  37. Brill, M. S., Marinkovic, P., Misgeld, T. Sequential photo-bleaching to delineate single Schwann cells at the neuromuscular junction. Journal of Visualized Experiments. (71), e4460 (2013).
  38. Murray, L., Gillingwater, T. H., Kothary, R. Dissection of the transversus abdominis muscle for whole-mount neuromuscular junction analysis. Journal of Visualized Experiments. (83), e51162 (2014).
  39. Tsang, Y. M., Chiong, F., Kuznetsov, D., Kasarskis, E., Geula, C. Motor neurons are rich in non-phosphorylated neurofilaments: cross-species comparison and alterations in ALS. Brain Research. 861 (1), 45-58 (2000).
  40. Balice-Gordon, R. J., Thomposon, W. J. The organization and development of compartmentalized innervation in rat extensor digitorum longus muscle. Journal of Physiology. 398, 211-231 (1988).
  41. Cipriani, S., et al. Neuromuscular junction changes in a mouse model of Charcot-Marie-Tooth disease type 4C. International Journal of Molecular Science. 19 (12), 4072 (2018).
  42. Boido, M., Vercelli, A. Neuromuscular junctions as key contributors and therapeutic targets in spinal muscular atrophy. Frontiers in Neuroanatomy. 10 (6), (2016).
  43. Barik, A., Li, L., Sathyamurthy, A., Xiong, W. -. C., Mei, L. Schwann cells in neuromuscular junction formation and maintenance. Journal of Neuroscience. 36 (38), 9770-9781 (2016).

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Cite This Article
Bolatto, C., Olivera-Bravo, S., Cerri, S. Dissection of Single Skeletal Muscle Fibers for Immunofluorescent and Morphometric Analyses of Whole-Mount Neuromuscular Junctions. J. Vis. Exp. (174), e62620, doi:10.3791/62620 (2021).

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