Summary

体小鼠膈肌三方突触细胞特异性钙信号的影像学研究

Published: October 04, 2018
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Summary

在这里, 我们提出了一个协议, 以图像钙信号在个别细胞类型的人群在小鼠神经肌肉连接。

Abstract

细胞在组织中的电活动可以通过电生理技术进行监测, 但通常仅限于对单个细胞的分析。由于细胞质中的细胞内钙 (Ca2 +) 的增加往往是由于电活动, 或对无数其他刺激的反应, 这一过程可以监测的影像, 加载与荧光钙敏感染料。 然而, 由于这些染料被组织内的所有细胞类型占去, 很难在整个组织内的单个细胞类型中想象这种反应。相比之下, 基因编码的钙指标 (GECIs) 可以用单个细胞类型和荧光来表达, 以响应胞内 ca2 +的增加, 从而允许在整个人群中的 ca2 +信号的成像单个单元格类型。在这里, 我们应用 GECIs GCaMP3/6 的小鼠神经肌肉连接, 一个三方突触之间的运动神经元, 骨骼肌, 和终端/perisynaptic 雪旺细胞。我们展示了这种技术在经典的活体组织制剂中的效用。使用光学分光器, 我们执行动态 Ca2 +信号的双波长成像和神经肌肉连接的静态标签 (NMJ) 的方法, 可以很容易地适应监测两个细胞特定的 GECI 或基因编码的电压指标 (GEVI) 同时进行。最后, 我们讨论了用于捕捉荧光强度空间图的例程。这些光学、转基因和分析技术可以用来研究 NMJ 中不同细胞亚群在多种环境下的生物活性。

Introduction

NMJ 像所有的突触一样, 由三元素组成: 一个突触前终端, 从神经元, 突触后神经元/效应细胞, perisynaptic 胶质细胞1,2。虽然突触传输的基本方面在这个突触3首先被证明, 这个过程的许多方面仍然不明, 部分由于这个突触的不同的细胞元素表达相同的分子。例如, 由脊椎动物 NMJ 的运动神经元共同释放的嘌呤腺嘌呤核苷酸 ATP 和乙酰胆碱的受体, 由肌肉、雪旺细胞和运动神经元表达, 从而使任何这些物质施加的功能效应 (例如, 发射机释放或反应, 肌肉力量世代)4。此外, 虽然 NMJ 的三方成分比较简单, 例如, 中枢神经系统中的神经元通常呈现多个突触输入, 无论是运动神经元、肌细胞还是雪旺细胞因刺激而变化关于它们的内在异质性 (胚胎衍生、纤维亚型、形态学) 尚不清楚。为了解决这些问题, 在一个突触元素中同时跟踪许多细胞的反应, 以及在其他任何一个单独的元素中同时跟踪这种反应是有利的。使用化学染料来测量钙信号的常规策略不能达到这两个目标, 因为沐浴应用染料在应用到组织后被多种细胞类型所占, intracellularly 载染料只能用于可视化单个或小的细胞群。在这里, 利用转基因小鼠表达 GECIs 设计来测量细胞特定的钙信号, 连同具体的成像和软件工具5, 我们展示了这两个总体目标的第一个, 并讨论如何添加新的转基因工具将有助于实现第二个目标。这项技术将是有用的任何人感兴趣的跟踪钙动力学或其他细胞信号事件可观测到通过基因编码的光学传感器在多个细胞群体的同时。

Protocol

畜牧和实验是按照国家卫生研究院的指导, 为实验室动物的护理和使用和 IACUC 在内华达大学。 1. 转基因小鼠横膈膜和膈神经的制备 购买转基因小鼠和寡核苷酸引物对这些小鼠进行基因型。注: 这些小鼠的 “信息” 页面上都列出了引物。 饲养一只3至6月大的老鼠, 表达一份适当的转基因/敲入的GCaMP3/6等位基因的副本, 并与同一年龄的第二只老鼠表达条件 GCaM…

Representative Results

一些荧光强度变化的例子, 介导的增加细胞内钙2 +在定义的细胞类型的 NMJ, 显示了这种方法的效用。这些结果显示为空间荧光强度图, 它提供了响应细胞的位置, 以及它们的响应强度, 从而使人们能够评估多少细胞反应, 以及每个细胞对特定刺激。例如, 如图 1所示, 我们在 P7 Wnt1-Cre的膜片 NMJs 上拍摄了一个终端/perisynaptic 许旺细胞 (TPSCs) ?…

Discussion

在这里, 我们提供了一些例子, 以测量 GECI 表达小鼠完整的神经肌肉组织中的特定细胞的 Ca2 +反应。为了成功地进行这些实验, 在解剖过程中不应损伤膈神经。要在雪旺细胞中以低功率或大功率 (20X 或 60X) 图像 Ca2 +响应, 必须使用 BHC 或µ-芋螺毒素来阻止移动。对于在肌肉细胞中的 Ca2 +反应的低功率成像, 有可能在没有这些药物的情况下测量它们, 从而允许同时获得?…

Divulgaciones

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

这项工作得到了来自国家卫生研究院 (NIH) GM103554 和 GM110767 (东华三院) 和来自国家研究资源5P20RR018751 和国立普通医学科学院 8P20 GM103513 (G.W.H.) 的资金的支持。

Materials

Myf5-Cre mice Jax #007893 Drives muscle cell expression as early as E136
Wnt1-Cre mice Jax #003829 Drives expression into all  Schwann cells at E13 but not P209
Sox10-Cre mice Jax #025807 Drives Schwann cell expression at older ages
Conditional GCaMP3 mice Jax #029043 Expresses GCaMP3 in cell-specific fashion
Conditional GCaMP6f mice Jax #024105 Expresses GCaMP6f in cell-specific fashion
BHC (3-(N-butylethanimidoyl)-4-hydroxy-2H-chromen-2-one) Hit2Lead #5102862 Blocks skeletal muscle myosin but not neurotransmission6
CF594-α-BTX Biotium #00007 Labels acetylcholine receptor clusters at NMJ
µ-conotoxin GIIIb Peptides Int'l #CONO20-01000 Blocks Nav1.4 voltage-dependent sodium channel8
Silicone Dielectric Gel; aka Sylgard Ellswoth Adhesives # Sil Dielec Gel .9KG  Allows for the immobilization of the diaphragm by minutien pins
Minutien pins (0.1mm diameter) Fine Science Tools 26002-10 Immobilizes diaphragm onto silicone dielectric gel
Eclipse FN1 upright microscope  Nikon MBA74100 Allows staging and observation of specimen
Basic Fixed Microscope Platform with Manual XY Microscope Translator  Autom8 MXMScr Allows movement of specimen
Manual micromanipulator  Narishige M-152 Holds recording and stimulating electrodes 
Microelectrode amplifier  Molecular Devices Axoclamp 900A Allows sharp electrode intracellular electrophysiological recording
Microelectrode low-noise data acquisition system Molecular Devices Digidata 1550  Allows electrophysiological data acquisition
Microelectrode data analysis system Molecular Devices PCLAMP 10 Standard Performs electrophysiological data analysis
Square wave stimulator Grass S48 Stimulates nerve to excite muscle
Stimulus Isolation Unit Grass PSIU6 Reduces  stimulation artifacts
Borosilicate filaments, 1.0 mm outer diameter, 0.5mm internal diameter  Sutter FG-GBF100-50-15 Impales and records nerve-evoked muscle potentials
Borosilicate filaments, 1.5 mm outer diameter, 1.17mm internal diameter  Sutter BF150-117-15 Lengthened and used for suction electrode
Micropipette Puller Sutter P-97  Pulls and prepares recording electrodes
1200×1200 pixel, back-illuminated cMOS camera  Photometrics Prime 95b Sensitive camera that allows high-resolution, high-speed imaging
Light Source Lumencor Spectra X Provides illumination from LEDs for fluorescence obsevation
 Infinity-corrected fluorescent water immersion objectives, W.D. 2mm  Nikon CFI60 Provide long working distances for visualization of specimen
Fiber Optic Illuminator with Halogen lamp Sumita LS-DWL-N Provides illumination for brightfield observation
W-View Gemini Image Splitter  Hamamatsu A12801-01 Projects 1 pair of dual wavelength images separated by a dichroic to single camera
Single-band Bandpass Filters  (512/25-25 and 630/92-25)  SemRock FF01-512/25-25; FF01-630/92-25 Permits dual band imaging
560 nm Single-Edge Dichroic Beamsplitter Sem Rock FF560-FDi01-25×36 Dichroic mirror which separates beams of light to allow dual-wavelength imaging
Imaging data acquisition system Nikon NIS Elements – MQS31000 Allows imaging data acquisition
Wavelength control module Nikon MQS41220 Module for imaging data acqusiition
Emission splitter hardware module  Nikon MQS41410 Module for imaging data acqusiition
Imaging data analysis system NA Volumetry 8D5, Fiji Allows analysis of fluorescence intensity and other imaging data

Referencias

  1. Sanes, J. R., Lichtman, J. W. Development of the vertebrate neuromuscular junction. Annual Review of Neuroscience. 22, 389-442 (1999).
  2. Darabid, H., Perez-Gonzalez, A. P., Robitaille, R. Neuromuscular synaptogenesis: coordinating partners with multiple functions. Nature Reviews Neuroscience. 15 (11), 703-718 (2014).
  3. Fatt, P., Katz, B. An analysis of the end-plate potential recorded with an intracellular electrode. Journal of Physiology. 115 (3), 320-370 (1951).
  4. Todd, K. J., Robitaille, R. Purinergic modulation of synaptic signalling at the neuromuscular junction. Pflugers Archive. 452 (5), 608-614 (2006).
  5. Hennig, G. W., et al. Use of Genetically Encoded Calcium Indicators (GECIs) Combined with Advanced Motion Tracking Techniques to Examine the Behavior of Neurons and Glia in the Enteric Nervous System of the Intact Murine Colon. Frontiers of Cellular Neuroscience. 9, 436 (2015).
  6. Heredia, D. J., Schubert, D., Maligireddy, S., Hennig, G. W., Gould, T. W. A Novel Striated Muscle-Specific Myosin-Blocking Drug for the Study of Neuromuscular Physiology. Frontiers of Cellular Neuroscience. 10, 276 (2016).
  7. Johnson, B. R., Hauptman, S. A., Bonow, R. H. Construction of a simple suction electrode for extracellular recording and stimulation. Journal of Undergraduate Neuroscience Education. 6 (1), A21-A26 (2007).
  8. Hong, S. J., Chang, C. C. Use of geographutoxin II (mu-conotoxin) for the study of neuromuscular transmission in mouse. British Journal of Pharmacology. 97 (3), 934-940 (1989).
  9. Heredia, D. J., Feng, C. Y., Hennig, G. W., Renden, R. B., Gould, T. W. Activity-induced Ca2+ signaling in perisynaptic Schwann cells of the early postnatal mouse is mediated by P2Y1 receptors and regulates muscle fatigue. Elife. 7, e30839 (2018).
  10. Cho, J. H., et al. The GCaMP-R Family of Genetically Encoded Ratiometric Calcium Indicators. ACS Chemical Biology. 12 (4), 1066-1074 (2017).

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Heredia, D. J., Hennig, G. W., Gould, T. W. Ex Vivo Imaging of Cell-specific Calcium Signaling at the Tripartite Synapse of the Mouse Diaphragm. J. Vis. Exp. (140), e58347, doi:10.3791/58347 (2018).

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