大众组织学量化在神经退行性变

Neuroscience

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Summary

果蝇被广泛用作模型系统来研究神经变性。这个协议描述由退化,如由大脑液泡形成确定的,可量化的方法。它也最大限度地减少的效果因的实验程序由处理和切片对照和实验苍蝇,因为一个样本。

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Sunderhaus, E. R., Kretzschmar, D. Mass Histology to Quantify Neurodegeneration in Drosophila. J. Vis. Exp. (118), e54809, doi:10.3791/54809 (2016).

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Abstract

进行性神经变性疾病如阿尔茨海默氏病(AD)或帕金森氏病(PD)是全世界人类健康日益严重的威胁。虽然哺乳动物模型提供了重要的见解致病的内在机制,在哺乳动物系统与他们的成本高一起的复杂性限制了其使用。因此,简单而完善的果蝇模型的系统提供了用于调查了在这些疾病影响的分子通路的替代方案。除了行为缺陷,神经变性疾病是由组织学表型,如神经元死亡和轴突病变表征。量化神经元变性,并确定它是如何由遗传和环境因素的影响,我们使用一个基于在成年果蝇大脑测量液泡组织学方法。为了尽量减少系统误差的影响,并直接比较从控制和记录部分在一个制备erimental苍蝇,我们使用石蜡切片的“衣领”方法。神经变性,然后通过测量已经在飞脑开发液泡的大小和/或数量的评估。这可以通过关注感兴趣的特定区域,或通过获得跨越完整头连续切片分析整个大脑来完成。因此,该方法允许人们测量不仅严重退化,而且在相对温和的表型是只在少数部分检测的,正常的老化期间发生。

Introduction

随着预期寿命的延长,神经退行性疾病如阿尔茨海默或帕金森已成为普通人群越来越健康威胁。根据美国国立卫生研究院,1.15亿人的全球预计将被老年痴呆症在2050年的影响虽然显著进展,在确定至少参与了一些这些疾病的基因和风险因素,其中许多已经取得,底层分子机制仍未知的或不充分的了解。

线虫果蝇简单无脊椎动物模式生物提供了多种实验的优势来研究神经退行性疾病,包括生命周期短,大量的后代,以及行之有效的,有时独特的遗传和分子生物学方法1的可用性机制-12。此外,这些生物是适合于偏互动屏幕,可识别通过神经退行性表型的加重或改善效果有助于这些疾病的因素。

分析这些基因的相互作用和评估老化的影响需要量化的协议,以检测神经功能障碍和衡量其严重程度。测量在果蝇行为方面,如嗅觉学习,负趋地性,或快趋光性,这提供了一个数值性能值13-21时,这种评估可以比较容易地完成。另外,也可以通过计数神经元,以确定对神经元存活的影响。然而,专注于特定人群,这显然是可识别的,像在PD的影响,即使这样,结果一直存在争议22-24多巴胺能神经元时,这是唯一可能的。

这里所描述的协议使用的衣领方法执行石蜡连续切片中,一种方法最初由海森堡和博尔,谁用它在果蝇 25分离解剖大脑突变体的发展。使用该套环方法的随后被改编,包括在冷冻切片,vibratome部分和塑料部分26-28。这里,采用这种方法,得到了整个飞头,然后可将其用于测量在苍蝇开发具有神经变性表型16,21,29-32液泡的连续切片。这些测量可以在特定脑区来完成,或者可以覆盖整个大脑;后一种方法可以让老化过程中观察到一个识别即使很弱的退行性表型。最后,使用套环时,最多20苍蝇可被处理为一个准备,这不仅耗时少,而且还允许用于控制和在相同的制备实验苍蝇的分析,最小化由于在微小变化的工件的制备方法。

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Protocol

1.固定在项圈的头和石蜡包埋

注:所有的在定影过程中的步骤应在通风橱中进行。甲基苯甲酸甲酯,而不是构成一个健康风险,具有高度不同的气味,这可以是压倒性如果在通风橱中不进行处理。

  1. 麻醉苍蝇之前,加入15毫升的氯仿和5毫升冰醋酸30毫升99%乙醇(不要混合的冰醋酸和氯仿)占50毫升卡诺的解决方案。在具有平坦底部,玻璃容器倒如一个晶化盘,以确保该环可以平放和由该溶液完全覆盖。
  2. 麻醉与CO 2或乙醚苍蝇。
  3. 螺纹蝇(最多20个与大多数环)可以通过颈部进入使用镊子的衣领。记对准所有磁头的相同的方向,如在图1A,并轻柔,保证不发生向头部或眼睛没有损害。
  4. 包括随机位置,使苍蝇的顺序可以在部分很容易确定正弦oculis苍蝇(箭头, 图1A)。此外,如果实验苍蝇具有光或白色眼睛的颜色,螺纹一些红眼蝇,如野生型,在它们之间,以确保有足够的颜料是本染色的幻灯片。如果使用多个领衣领号码记录蝇量级的协议片一起。
  5. 一旦领已经完成,将其放置在3.5准备的卡诺的解决方案 - 4小时。
  6. dump出来卡诺液到适当的处理罐,并开始清洗乙醇。请一定要慢慢倒入,以免扰乱容器中环的位置。
  7. 洗套环在99%乙醇30分钟两次。
  8. 洗在100%乙醇套环1小时。一定要改变时间的洗涤,以防overdehydration。
  9. 放入甲基苯甲酸衣领O / N在室温。密封容器用石蜡膜以防止甲基苯甲酸甲酯的蒸发。
  10. 倒入methylbenozate到通风柜适当一次性容器。加1的预先准备的混合物:1熔点低(56 - 57°C)石蜡和苯甲酸甲酯。从这点上来说,轴环需要在65℃下被保持在培养箱中以确保石蜡不硬化。
  11. 倾出methylbenozate和石蜡混合物到适当的一次性容器,并倒入熔融的纯石蜡,保持在65℃,到套环。
  12. 改变石蜡后30分钟,并重复此至少5次。至少6 - 8次洗涤应该执行。
  13. 一旦洗涤完成后,放置套环与槽大约轴环的尺寸的橡胶冰块托盘。倒入熔化的石蜡过他们,直到完全覆盖,并允许它变硬O / N(尽量避免气泡)。
  14. 取出石蜡块,包含3宁从冰块托盘的衣领。从使用刀片领子分开石蜡块,轻轻掰的衣领。该负责人将在蜡块,而机构会留在衣领。该块可以在室温下保持。
  15. 清洁套环,在65℃下浸泡他们在一个deparafinization剂以除去石蜡,清洁光擦洗,并在重复使用之前在乙醇洗净。

2.切割和安装

  1. 暖加热板到50℃。将上盘对象持有人(或金属固定块)和刀片,让他们热身。
  2. 取决于用于切片所需的方向,连接或者与朝向侧磁头(对于水平段)的石蜡块或朝上(对于正面部),以加热安装块(简要地熔融在接触侧的块)。从加热板上取下块并让其冷却至少10英里n至确保该石蜡硬化够适当的密封到安装块。保持平行,尽可能防止不均匀的部分中的块的表面对准头的行。
  3. 取一个刀片并修剪多余的石蜡从蝇头远,使得只有一小行与嵌入式头保持(剃须刀刀片可以温热更容易修整)。确保不要修剪过多,使石蜡不切片(更多微调可以切片过程中进行)时断裂。
  4. 安装块放入切片机的对象保持器,并确保磁头行的取向是尽可能平行于叶片的边缘。
  5. 通过覆盖他们的聚-L-赖氨酸(PLL)的溶液的薄层准备显微镜载玻片并让它们干燥5分钟。覆盖它们与水之前不久使用。
  6. 削减7微米的部分和部分的色带转移到幻灯片浮在水面上。<BR />注:要获取水平段整个大脑,我们将收集从开始切入眼睛,直到头已经完全切断(从长鼻切入脑)当色带。可能需要对整个头部多个幻灯片。
  7. 放置在37℃的热板的滑动,并允许色带展开约1分钟。
  8. 去除多余的水(浇其关闭或使用组织)和干燥的幻灯片O / N。
  9. 通过将玻片在填充有deparafinization剂(完全覆盖部分)一高,垂直滑动染色缸中删除从滑动的石蜡。执行的30分钟洗涤3次 - 每次60分钟。
  10. 取下最后洗的幻灯片。将2滴嵌入媒体到幻灯片上,并用大盖玻片覆盖。

3.拍摄和分析章节

  1. 允许制备的玻片干燥1 - 2天。然后,检查它们放在荧光microsc在蓝光下单操作。
  2. 使用较低的放大率确定苍蝇的方向,如果着眼于一个特定区域,以找到感兴趣的区域。
    注:对于SWS苍蝇( 见图2),我们发现,含有大合缝的部分,并拍摄图像(通常在40倍放大倍率)。当分析整个脑( 如图3),我们通过从头部所有部分滚动,要么具有最严重的表型,或显示空泡所有节拍摄部分。
  3. 为双盲分析,采取与数字图像,而不知道基因型并记录行中的套环数和头部的位置以后,以确定它们。
  4. 一旦图像已被拍摄,使用成像软件进行分析。
  5. 每计数或部分每头空泡的数量。为了测量液泡的大小,在一个软件程序中打开的图像,并选择与选择的空泡太湖确定在所选择的液泡的像素的量。
  6. 转换为微米2,取在用于采集照片放大一个阶段微米校准幻灯片的照片。确定象素的数量在100微米2以计算换算因子。
  7. 通过在上述步骤中计算出的换算因子除以象素数目转换的总像素数成微米2。

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Representative Results

使用在由眼睛颜料33包括整个飞头染色的连续切片所描述的方法的结果。这方面的一个部分示于图1B中 ,其中,来自个体头的部分被示出从上到下。从不同的苍蝇的部分被视为左至右在本实施例。为了便于取向和苍蝇的鉴定,无眼蝇( 正弦oculis)被插入为在3位(箭头, 图1B)的标志物。

量化神经变性,我们测量,可以在这些部分被检测到液泡的形成。空泡被定义为圆形,黑斑是绿色荧光神经纤维内( 图2中箭头和3)或皮质和是在果蝇大脑至少连续2个部分可见。通过量化神经退行性疾病测量液泡可以通过集中在一个特定的脑区域或者通过分析整个大脑来完成。限制性分析到大脑的特定区域是在情况下,一个突变只影响特定区域,例如在OLK突变体34中的futsch'嗅觉裂片是有用的,但它也可以当在所有或许多严重退化用于大脑的区域。后者的一个例子是瑞士奶酪(SWS)的突变体( 图2),其中,测量所有空泡会消耗过多的时间。因此,我们只用了一个图像和,以确保该测量是在相同的水平总是做,我们采取了所有图像在很大的合缝(GC, 图2A),其仅包含在一个或两个部分的电平。虽然我们没有在1日龄SWS“1苍蝇检测空泡形成(数据未显示),失功能的等位基因35,有些液泡检测我ñ7日龄SWS 1苍蝇(箭头, 图2A)。老化的苍蝇14天( 图2B)和21天( 图2C)进一步增加这种表型,显示出其进步性。计数中使用所描述的方法的deutocerebral神经毡(DN)空泡数证实了随着年龄液泡的数目显著增加。另外,通过液泡包围的组合区与老化( 图2D)中的显著增加。

然而,并非所有的突变体表现出这样的严重的表型作为SWS,而在这种情况下,在变性的差异是难以确定集中于小面积时。同样,在老化过程中发生变性是相当温和的( 图3A - C),因此,我们量化这种表型分析时,整个大脑。确定所有空泡的总和揭示大脑随着年龄增长显著,这也如测量这些空泡( 图3D)的组合区域时。

图1
图1. 石蜡连续切片。 A)使用方法衣领,实验组和对照苍蝇可以通过线程他们到一个衣领被处理成一个样本。无眼正弦oculis蝇插入方向(箭头)。 B)的示意图示出在套环飞头的方向。 C)在此图像中,从不同的飞头部分是面向从左到右的幻灯片。从顶部在滑动底部,从同一个飞头连续切片中可以看出。在这种情况下,一个正弦oculis苍蝇插入在位置三(箭头)。的部分由荧光眼色素该洗涤过的染色切割后的部分。比例尺在A = 5毫米,C = 0.5mm左右。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2. 渐进神经退行性疾病中的 瑞士奶酪 突变。从7 -日(A),14 -日- (B)和21 -日- (C)SWS 1苍蝇石蜡头部分。该箭头指向那些与衰老开发空泡。年龄相关变性通过计数空泡的数量和测量它们的组合面积(D)的定量。扫描电镜分析苍蝇数量表示。比例尺= 25微米。 *** P <0.001。csource.jove.com/files/ftp_upload/54809/54809fig2large.jpg“目标=”_空白“> 点击此处查看该图的放大版本。

图3
图3. 神经退行性疾病发生与年龄无关。从10 -日- (A),30 -日- (B)和60 -日- (C)老野生型果蝇石蜡头部分。该箭头指向了老年果蝇研制空泡。年龄相关变性通过计数空泡的数量和测量它们的组合面积(D)的定量。扫描电镜分析苍蝇数量表示。比例尺= 25微米。 *** P <0.001。 请点击此处查看该图的放大版本。 </ A>

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Discussion

所描述的方法提供了在果蝇的脑量化的神经变性的方法。而其它的方法,如计数特定的细胞类型,可用于鉴定神经变性,这种方法的优点是,它可被更一般地应用。细胞计数要求这些细胞可以使用一个特定的抗体或细胞特异性标记的表达,这并不总是可用可靠地识别。此外,已经表明,显着不同的结果可以与方法24中获得,这可能是由于用于标记和检测的条件。检测衰退的细胞的另一方法是利用细胞死亡标记物,如抗活化的caspase 3。但是,这只是确定细胞主动经历细胞死亡,一旦细胞已经死亡,它们不再可检测。这里所提出的方法的另一个优点是,没有染色,需要由于autofluorescence由眼睛色素,从而节省了时间和最小化所引起的染色条件的变化的工件而引起的。要注意的是,使用这种方法时,果蝇的眼睛有足够颜料染色的滑动是非常重要的。如果眼睛颜色太浅,加入一些野生型飞往衣领将是可取的,以确保足够的和整个幻灯片,甚至染色。这种方法的一个额外的优点是,多个区域可以被检查,即使在相同的头部。虽然我们不显示的数据,我们已经使用这些部分来检查在片材皮层30,36视网膜和神经胶质细胞的损失的神经变性。如这里描述的,该方法提供水平段,但通过熔化到物体保持器,当它以90°转动石蜡块,还可以得到正面部。因此,该方法是一种多用途的过程,允许神经变性的在飞大脑的及时和有效的测量。由于真空形成uoles已在人类神经变性疾病的许多飞模型,包括模型的AD中观察到,PD,肌萎缩性侧索硬化症(ALS),和由多聚谷氨酰胺重复序列16,37-40疾病,这种方法可用于定量神经变性表型多种疾病模型。

总体来说,这个协议很简单,一旦设备的初始设置进行轻松完成。一些注意事项要牢记要仔细时候乙醇清洗,以避免过度脱水的头,仔细修剪石蜡块,以免失去部分或头部,并没有过度扩张对水功能区时,幻灯片在热块。如果色带被允许太远扩张,撕裂飞头可导致在功能区中的头的顺序可能会丢失。此外,作为盲基因型,而这样做的分析是必不可少的,以避免偏见。这最好是由具有一个人制备SLI来实现DES和保存记录而另一个人走的是图片和做测量。这种方法的局限性是,只有少数细胞变性将非常难以检测。在这种情况下,受影响的细胞群的特异性染色。将更多的信息。此外,这种方法不允许一个不同类型的细胞死亡,这需要更具体的方法,例如TUNEL染色,以确定凋亡细胞死亡的区分。最后,这种方法不能细胞死亡和轴突变性,这也将是如在神经纤维液泡检测区分。

如在我们的结果显示,该方法可用于处理在特定脑区或整个大脑退化。根据我们的经验,当表型是相当强的也仅仅是分析一个特定的区域是有用的,即使所有的大脑区域受到影响。这显著降低了工作负荷和不影响结果。我们最初分析几个领域中的SWS突变和比较只有一个区域时观察到的表型的进展非常相似的结果和分析所有区域时(数据未显示)。然而,应该指出的是,明确地可识别区域应选择以避免工件由于不同地区或不同层次的分析。

与此相反,在表型是相对温和的情况下,最好是分析整个大脑,因为在一个特定的地区发现的空泡的可能性是低的。例如,这种情况下确定与年龄相关的神经变性时,如图3,这导致仅4 - 5液泡在60日龄蝇整个大脑。当在整个大脑计数空泡,人们必须考虑到小空泡会仅在一个部分中显示,而较大的将延伸超过几个部分。关于后者,可调节的接近acent部分使用这种方法时( 图1)提供了另一优点,因为它是比较容易地确定相同液泡是否存在于几个部分。

总之,这个协议可以证明用于研究不同的神经变性疾病的许多果蝇模型是有用的。鉴定改善或加重退行性表型可以提供有关导致或修改的疾病如阿尔茨海默氏症和帕金森氏基本机制关键见解相互作用的蛋白质。在本公开中,我们使用这种方法来检测变性是渐进的,其中动物正常发育,但显示在老化过程中增加变性。此外,此方法也可以适于确定是受发育缺陷,这应该已经存在于新eclosed苍蝇引起变性。

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Disclosures

作者什么都没有透露。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Name of the Reagent/Equipment Company Catalog Number
Collar Genesee Scientific TS 48-100 We are using custom made collars that are made from one piece of metal instead of layers as the ones by Genesee. A description on how to make collars can be found at http://flybrain.neurobio.arizona.edu/Flybrain/html/atlas/fluorescent/index.html 
Rubber ice cube tray for embedding Household store The size can be made-to-fit by glueing in additional walls 
Crystallizing dish Fisher Scientific company 08-762-3
Ether Fisher Scientific Company E138-1
Ethanol Decon Laboratories Inc. 2701
Choloroform Fisher Scientific Company C298-500
Glacial Acetic Acid Fisher Scientific Company A38-212
Methylbenzoate Fisher Scientific Company M205-500 Distinct Odor - Use in fume hood!
Low Melting Point Paraffin Wax Fisher Scientific Company T565 Make sure to keep extra melted in a 65°C waterbath
Microtome Leica Biosystems Reichert Jung 2040 Autocut
Microscope Slide Fisher Scientific Company 12-550D
Microscope Cover Glass Fisher Scientific Company 12-545-M
SafeClear Fisher Scientific Company 314-629 Three different containers for washes
Vertical Staining Jar with Cover Ted Pella Inc.  432-1
Permount Fisher Scientific Company SP15-500
Poly-L-Lysine Solution (PLL) Sigma Life Science P8290-500

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