وصفنا بروتوكول لمراقبة كا 2+ ديناميكية في محطات محوار مبصرات مخروط باستخدام إعداد شريحة فيفو السابقين في شبكية العين الماوس. هذا البروتوكول يسمح دراسات شاملة للمخروط الكالسيوم 2+ الإشارات في نظام المهم نموذج الثدييات، والفأر.
خلايا مستقبلة للضوء في شبكية العين مخروط (المخاريط) تخدم رؤية ضوء النهار وهي أساس تمييز الألوان. تخضع الأسعار لانحطاط، وغالبا ما تؤدي إلى العمى في كثير من أمراض شبكية العين. الكالسيوم (الكالسيوم 2+)، رسول الثاني رئيسيا في إشارة مستقبلة للضوء والتمثيل الغذائي، وقد اقترح أن تكون مرتبطة بشكل غير مباشر مع انحطاط مستقبلة للضوء في مختلف النماذج الحيوانية. دراسة منهجية هذه الجوانب من مخروط علم وظائف الأعضاء وأعيقت الفيزيولوجيا المرضية التي كتبها الصعوبات تسجيل كهربائيا من هذه الخلايا الصغيرة، ولا سيما في الماوس حيث تهيمن على شبكية العين عن طريق المستقبلات الضوئية قضيب. للتحايل على هذه المشكلة، أنشأنا اثنين من الفوتون الكالسيوم 2+ بروتوكول التصوير باستخدام خط الماوس المعدلة وراثيا التي تعبر عن المشفرة وراثيا الكالسيوم 2+ جهاز الاستشعار البيولوجي TN-XL حصرا في الأقماع ويمكن تهجينها مع نماذج الماوس لانحطاط مبصرة. بروتوكول الموصوفة هنا ينطوي على إعداد المقاطع الرأسية (R20؛ شرائح ") من شبكية العين من الفئران والتصوير الضوئي من التغيرات أثار التحفيز الخفيفة في مخروط كا مستوى 2+. بروتوكول يسمح أيضا "في شريحة قياس" للمطلقة الكالسيوم 2+ تركيزات؛ كما التسجيلات يمكن اتباعها من قبل المعايرة. هذا البروتوكول يتيح الدراسات إلى خصائص مخروط وظيفية، ويتوقع أن تسهم في فهم مخروط الكالسيوم 2+ يشير فضلا عن تورط محتمل ل Ca 2+ في مبصرة الموت وتنكس الشبكية.
الرؤية تبدأ مع تفعيل الناجم عن ضوء سلسلة phototransduction في المستقبلات الضوئية في شبكية العين. مبصرات قضيب تسمح الرؤية في ضوء المستويات المنخفضة، في حين أن خلايا مستقبلة للضوء مخروطية تتوسط اللون وعالية الدقة للرؤية ضوء النهار. العديد من الجينات مبصرة محددة عرضة للطفرات التي تؤدي إلى تدهور هذه الخلايا. وقد تم تحديد عدد من الواسمات الجزيئية المرتبطة مع فقدان مبصرة 1، ولكن حتى الآن الآليات الجزيئية مفصلة وتسلسل الأحداث لا تزال غير واضحة. وتكهن تغيير كا 2+ التوازن ليكون نقطة انطلاق لموت الخلايا المستقبلة للضوء، وهي الفرضية التي يدعمها تنظيم يصل لنشاط الكالسيوم 2+ معتمد على البروتياز calpain من نوع خلال 2،3 عملية انحطاط. ولكن، حتى الآن، لا تدعمها هذه الفرضية من قبل القياسات الفسيولوجية من الكالسيوم 2+. التناقضات في العديد من الدراسات حول تأثير الكالسيوم 2+ حاصرات قناة في إعادةمزيد من الطعن الأمراض tinal مشاركة الكالسيوم 2+ في موت الخلايا 4-6، داعيا إلى أساليب لتقييم مباشرة الكالسيوم 2+ في مبصرات مخروط الثدييات.
سابقا، وقد تم تنفيذ معظم تسجيل الكهربائية والدراسات التصوير الكالسيوم 2+ في نماذج من البرمائيات والزواحف بسبب سهولة الحصول على المخاريط 7-9. ومع ذلك، قد يكون الثدييات علم وظائف الأعضاء مبصرة يختلف عن ذلك من غير الثدييات 10 وخاصة، في سياق البشري تنكس الشبكية الوراثي، فهم أفضل من الثدييات علم وظائف الأعضاء مبصرة هو المفتاح لتطوير علاجات مبتكرة. كثيرة نماذج الماوس محاكاة أمراض الشبكية البشرية المتاحة ولكن لا يعرف الكثير عن الكالسيوم 2+ ديناميكية في المخاريط الماوس 11. التقنيات الكهربائية ليست مناسبة للتسجيلات عالية الإنتاجية من المخاريط، ولا سيما ليس في الفئران، حيث قضبان (~ 97٪) يفوق عدد كبير المخاريط (~ 3٪) 12 </sتصل>. وعلاوة على ذلك، وتقنيات الكهربية حساسة مثل خلية كاملة تسجيلات التصحيح المشبك تخل الوسط بين الخلايا وتوفر البيانات حول Ca 2+ التيارات ولكن ليس على الكالسيوم داخل الخلايا 2+ تركيزات المطلقة. وبالتالي، على الرغم من القرار الزماني أقل، والتصوير هو الأسلوب المفضل عند معالجة تساؤلات حول مخروط الكالسيوم 2+ ديناميات. القضية الرئيسية مع التصوير هي كيفية تسمية انتقائي المخاريط مع الكالسيوم الفلورسنت 2+ صبغ المؤشر. التقسيم السليم وخصوصية خلية من الصعب تحقيقه من خلال "الجزء الأكبر التحميل" الاصطناعية الكالسيوم 2+ الأصباغ المؤشر في الأنسجة. ونتيجة لذلك، والأقماع المسمى، قضبان 13،14، والخلايا الدبقية مولر لا يمكن تمييزها بشكل موثوق. أيضا، والأصباغ الاصطناعية تميل إلى يتسرب من الخلايا، ومنع التسجيلات لفترات طويلة في ظل ظروف مماثلة. وعلاوة على ذلك، وتحميل الاصطناعية مؤشرات الكالسيوم 2+ في شكل AM استر على إشكالية، لأنها تتطلب ديtergents (على سبيل المثال، DMSO) ويولد الفورمالديهايد 15. لالمطلقة الكالسيوم 2+ القياسات والمؤشرات ratiometric إلزامية. ومع ذلك، فإن أفضل مؤشر ratiometric الاصطناعية المتاحة حاليا FURA-2 يتطلب ضوء الإثارة في نطاق 700-760 نانومتر (لمدة الفوتون الإثارة)، والتي، اعتمادا على كثافة، ويمكن في حد ذاته تحفيز المخاريط، وبالتالي عرقلة دراسات مخروط الكالسيوم 2+ ديناميكية في ظل ظروف الإضاءة الفسيولوجية.
على عكس الأصباغ الاصطناعية، ويمكن التعبير عن المشفرة وراثيا الكالسيوم 2+ المؤشرات في نوع الانتقائي الخلية الطريقة. انهم لا يتسرب من الخلايا، وبالتالي، إذا تم تجنب التبييض، وقياسات ratiometric طويلة وموثوق بها أمر ممكن. عندما جنبا إلى جنب مع اثنين من الفوتون المجهري، يمثل نوع انتقائي الخلايا التعبير كا 2+ أجهزة الاستشعار أداة قوية لتقييم ودراسة دوين الخلوي الكالسيوم 2+ في ظل الظروف الفسيولوجية إلى حد كبير 13،16،17 </سوب>. هنا، نحن تصف البروتوكول لدراسة الخفيف أثار التحفيز مخروط الكالسيوم 2+ ديناميكية في المعدلة وراثيا الكالسيوم 2+ خط جهاز الاستشعار البيولوجي الماوس (HR2.1: TN-XL)، والذي يعبر عن القائم الحنق الكالسيوم 2+ جهاز الاستشعار البيولوجي TN-XL 18 انتقائي في المخاريط، تحت البشرية أوبسين الأحمر المروج HR2.1 19. للوصول إلى محطات مخروط، كان يعمل على إعداد شريحة الجسم الحي السابقين 20. تم بالفعل استخدام بروتوكول بنجاح في ثلاث دراسات على وظيفة مخروط في الفئران السليمة 10،21،22. وعلاوة على ذلك، فإن البروتوكول يسمح بدراسة مخروط الكالسيوم 2+ يشير في ظروف جينية محددة، على سبيل المثال، من خلال تهجين نماذج الماوس لتنكس الشبكية الوراثي مع HR2.1: الفئران TN-XL.
موجودة مسبقا البروتوكولات باستخدام التسجيلات وحيدة الخلية الكهربية أو الكالسيوم 2+ التصوير مع مؤشرات الفلورسنت الاصطناعية تكافح لتسجيل كا 2+ ديناميكية في الماوس مبصرات مخروط لعدد من الأسباب الفنية (انظر المقدمة). بروتوكول الموصوفة هنا يسمح قياس الكالسيوم 2+ الإشارات وحتى المطلقة مستويات الكالسيوم في 2+ الفردية، حدد المحطات الماوس مخروط بطريقة فعالة وبسيطة نسبيا.
وقد تم بالفعل استخدام هذا البروتوكول بنجاح في ثلاثة الدراسات التي تتناول جوانب مختلفة من وظيفة مخروط في شبكية العين الماوس صحية. في الدراسة الأولى 10، وHR2.1: تميزت TN-XL الماوس باستخدام المناعية، تسجيلات أرج، واثنين من الفوتون الكالسيوم 2+ التصوير، والصيدلة، وتبين أن التعبير مخروط محددة من جهاز الاستشعار البيولوجي الكالسيوم 2+ لا يعيق تشريح مخروط وظيفة. في الدراسة الثانية 21، لونيوتم تعيين خصائص استجابة الوني من المخاريط الماوس عبر شبكية العين، مما يدل على الاختلافات البارزة في وظيفة مخروط بين "الأخضر" الظهرية التي يهيمن عليها أوبسين و "الزرقاء" بطني شبكية العين الماوس التي يهيمن عليها أوبسين. هذه الاختلافات الإقليمية في خصائص مخروط الملائمة توزيع الفرق التباين في البيئة الطبيعية (أي السماء مقابل الأرض)، مما يشير إلى أن أنواع الأطياف المختلفة من المخاريط الماوس تنص على (قرب) أخذ العينات المثلى من التناقضات الوني، وبالتالي، قد تقدم ميزة تطورية. وفي الدراسة الثالثة 22 ردود الفعل المتبادل أن محطات مخروط محور عصبي تتلقى من الخلايا الأفقية والتحقيق فيها. وجميع آليات التغذية المرتدة الخلايا الأفقية المقترحة تعمل على الجهد بوابات الكالسيوم 2+ القنوات في محطات مخروط محور عصبي 28، محطة مخروط الكالسيوم 2+ يمكن أن تكون بمثابة وكيل لالأفقية الخلية الى مخروط التفاعلات. الدراسة التي Kemmler وزملاء العمل 22 دعاماتويرى أن الخلايا الأفقية تستخدم نظام التغذية المرتدة معقدة تتألف من عدة آليات للسيطرة على مستقبلة للضوء الإفراج الغلوتامات.
وتوضح هذه الدراسات براعة بروتوكول صفها وتبين أنه يمكن تكييفها لمجموعة واسعة من المسائل المتعلقة ظيفة مخروط ودوائره متشابك. وبالإضافة إلى ذلك، فإن البروتوكول يتيح يدرسون المحلية كا 2+ يشير في المقصورات مخروط مختلفة، من أجل التوصل إلى فهم أفضل للمخروط علم وظائف الأعضاء. هذه المعرفة هي مهمة لفهم العمليات الفيزيولوجية المرضية في المخاريط التردي، للسماح في نهاية المطاف لتنمية عقلانية النهج العلاجية المحتملة، ولا سيما بالنسبة للأمراض التنكسية التي تؤثر على المخاريط.
في HR2.1: TN-XL خط الماوس، وأعرب عن كا 2+ جهاز الاستشعار البيولوجي في جميع أنحاء مخروط، باستثناء الجزء الخارجي. وهذا يوفر فرصة للتقييم المباشر وratiometric من الكالسيوم 2+ ديناميكيةالصورة في مقصورات مخروط مختلفة. منذ التغييرات في كا تنعكس 2+ التيارات في الجزء الخارجي في المحطات عبر غشاء المحتملة وتفعيل الناتجة من الجهد بوابات الكالسيوم 2+ القنوات والعمليات في الجزء الخارجي يمكن ملاحظة غير مباشرة.
المزالق المحتملة:
تشريح شبكية العين هو خطوة حاسمة: في الماوس، وشبكية العين يفصل من فنجان العين عادة بين قطاعات مبصرة الخارجي والظهارة الصبغية. لذلك، تتعرض مبصرة حساسة للضوء شرائح الخارجية للشبكية العين معزولة وحساسة للغاية لالتلف الميكانيكي. يجب توخي الحذر الشديد لا يلحق الضرر عن طريق لمس الجانب مبصرة مع الأدوات أو عن طريق تحريك الأنسجة جانبية على سطح لاصق (على سبيل المثال، غشاء فلتر).
ويمكن التعرف على شرائح الشبكية عالية الجودة تحت المجهر من قبل سطح القطع نظيفة وبواسطة طبقة مبصرة منظمة تنظيما جيدا مع قطاعات الخارجية واضحة المعالم. التقييم الوظيفي للجودة شريحة يمكن القيام به بسرعة من خلال إضاءة مؤثرات الضوء الساطع وتحديد نسبة من المخاريط تستجيب (على سبيل المثال، في مجال الرؤية مع 10-20 المخاريط). هنا، يجب أن يتم تقييم نوعية استجابة عن طريق حساب نسبة الإشارة إلى الضوضاء (S / N) (السعة من الضوضاء الأساسي قبل الحافز ضوء مقابل مدى الاستجابة الخفيفة)؛ وينبغي النظر في 3 كحد ادنى عتبة – وS / N من 2. عادة، ونحن تجاهل شرائح مع المخاريط تستجيب أقل من 50٪. شرائح أيضا مع الأقماع التي تعرض المفرط السلوك العفوي ارتفاعه (انظر الشكل 4 في 10) وينبغي التخلص منها.
شرائح في غرفة تسجيل تلبي معايير التشريحية والوظيفية المذكورة أعلاه تظهر استجابات متسقة ل1-2 ساعة (لمزيد من التفاصيل على اتساق الاستجابة، انظر 10). لأن شرائح البقاء على قيد الحياة لحبلدنا في غرفة القابضة، ويمكن تجربة ناجحة تستغرق ما يصل الى 6 ساعات. ومن الجدير بالذكر أن هناك بعض القيود فيما يتعلق بدراسة تتراوح طويلة التفاعلات المكانية بين الأقماع والخلايا الأفقية، كما تشريح يقطع حتما الاتصالات الجانبية في شبكات الشبكية. إلا أن زيادة سمك شرائح الشبكية إلى 300 ميكرومتر إلى التقليل هذه المسألة 22.
استخدام شرائح الشبكية العمودية يتجنب مسح مخروط حساسة للضوء شرائح الخارجي بواسطة الليزر الإثارة، وبالتالي يمنع إلى حد كبير تبيض أوبسين (للمناقشة مستفيضة، انظر 10،21). ومع ذلك، فإن سجلت الكالسيوم 2+ إشارات يعتمد ليس فقط على مؤثرات الضوء، ولكن أيضا الحصول على المتضررين من عنصر الإضاءة الخلفية التي تم إنشاؤها بواسطة الليزر المسح الإثارة. في الواقع، فإن الإضاءة الخلفية فعالة في مثل هذه التجارب التصوير ثنائي الفوتون هو مزيج من ضوء الليزر متناثرة، وعلى ضوء الفلورسنت المنبعثة من م سجلتLLS، وأي مكون الخلفية LED التحفيز. ولذلك، ينبغي أن يسمح المخاريط للتكيف لا يقل عن 20 – 30 ثانية لمسح الليزر (مع المكون خلفية التحفيز ضوء تشغيل) قبل التسجيل.
المزايا والتطبيقات:
في حين أن بعض التطبيقات لهذا المخروط الكالسيوم 2+ بروتوكول -imaging وقد وصفت أعلاه 10،21،22، تطبيقات أخرى يمكن تصوره: الدراسات الدوائية في تركيبة مع مخروط الكالسيوم 2+ التصوير قد تحقق كا 2+ مسارات إشارات في الأقماع ويمكن أن تكون استخدامها لاختبار فعالية وفاعلية من العقاقير التي تستهدف مختلف اللاعبين في كا 2+ -signaling 10. ومع ذلك، قد يكون مفتاح التطبيق لدراسة الأمراض التي تصيب ظيفة مخروط. تتوفر العديد من النماذج تنكس الشبكية الماوس محاكاة الأمراض التي تصيب الإنسان. على سبيل المثال، (cpfl 1) الماوس فقدان مخروط مبصرة 1 هو مخروط الأساسي نموذج انحطاط المعاناةمن طفرة Pde6c 29. على العكس، فإن الماوس قضيب انحطاط 1 (الثالثة 1) يعاني من طفرة Pde6b. في حين أن هذا يسبب قضيب الأساسي مبصرة انحطاط 30، بمجرد الانتهاء من الثالثة 1 قضيب الخسارة، الثانوية مجموعات انحطاط مخروط في 1. تهجين هذه الحيوانات مع HR2.1: سوف TN-XL خط تسمح دراسة ومقارنة كا 2+ ديناميكية في كل من انحطاط مخروط الابتدائي والثانوي، ومن المرجح أن توفر معلومات قيمة حول دور الكالسيوم 2+ خلال موت الخلايا المخروطية. أيضا، التي يسببها دواء انحطاط مخروط – على سبيل المثال باستخدام مثبطات انتقائية PDE6 – قد تساعد على تحديد الآليات المصب من انحطاط مخروط 10،29،31.
باختصار، وصف بروتوكول هنا يسمح قياس الكالسيوم 2+ في مقصورات التحت خلوية من المستقبلات الضوئية الماوس مخروط، ويقدم فرصا كبيرة للكشف عن مخروط علم وظائف الأعضاء في إطار مجموعة واسعةمن الظروف الفسيولوجية والمرضية في جسم المريض. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام هذا البروتوكول لفحص وكلاء الدوائية مصممة لتتداخل مع مخروط الكالسيوم 2+ -signaling وبالتالي تساعد على إنشاء علاجات جديدة لأمراض مخروط.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (Werner Reichardt Centre for Integrative Neuroscience Tübingen, EXC 307 to T.E. and T.S.; KFO 134 to B.W. and F.P.D.), the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) (BCCN Tübingen, FKZ 01GQ1002 to T.E and T.B.), and the European Union (DRUGSFORD; HEALTH-F2-2012-304963 to M.K. and F.P.D).
High vacuum grease | Dow Corning | 1018817 | http://www.dowcorning.com |
Cover slips | R. Langenbrinck | 24 x 60 mm; http://www.langenbrinck.com | |
Glass slides | R. Langenbrinck | 76 x 26 mm; http://www.langenbrinck.com | |
Blades for tissue chopper | MARTOR KG | ARGENTAX No. 1044 | 0.25 mm; http://www.martor.de |
Tissue chopper | Custom-build | Based on a design by F. Werblin23, adapted by T. Schubert | |
Nitrocellulose filter membrane gridded | Merck Millipore | AABG01300 | Filter type: 0.8 µm; http://www.emdmillipore.com |
Isoflurane CP | CP pharma | AP/DRUGS/220/96 | http://www.cp-pharma.de |
UV/green LED-based full-field stimulator | Custom-build | for details, see10 | |
Open source microprocessor board | Arduino | http://www.arduino.cc | |
Imaging software CfNT | Custom-written | developed by Michael Müller, MPI for Medical Research, Heidelberg, Germany | |
IgorPro | Wavemetrics | http://www.wavemetrics.com | |
VC3-4 System focal perfusion system | ALA Scientific Instrument | with 100 μm-diameter tip manifold; http://www.alascience.com/ | |
Mai Tai HP DeepSee (Ti:Sapphire laser) | Newport Spectra-Physics | http://www.spectra-physics.com | |
Movable objective microscope (MOM), Designed by W. Denk, MPImF, Heidelberg, Germany |
Sutter Instruments | http://www.sutter.com/MICROSCOPES/index.html | |
XLUMPlanFL 20x/0.95w objective | Olympus | http://www.olympusamerica.com | |
Vaporizer 100 series | Surgivet | http://www.surgivet.com | |
Ionomycin, Calcium salt | Life technologies | I24222 | http://www.lifetechnologies.com |
EGTA | Sigma-Aldrich | E3889 | https://www.sigmaaldrich.com |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | 101191250 | http://www.sigmaaldrich.com |
Leica MZ95 | leica microsystems | http://www.leica-microsystems.com/ |