This manuscript describes a protocol to track the re-distribution of branchial ionocytes and their innervation using a time differential staining technique coupled with full bilateral gill denervation.
Ionocytes branquiales (CI) son las unidades funcionales para la regulación iónica en el pescado. En los adultos, se encuentran en la filamentoso y epitelios lamelar de las branquias donde ellos iones de transporte tales como Na +, Cl – y Ca 2+ a través de una variedad de canales de iones, bombas e intercambiadores. El Gill teleósteos se extrínsecamente inervado por el facial (VI), glosofaríngeo (IX) y vago (X) de los nervios. Los nervios IX y X son también la fuente extrínseca de branquial inervación IC. Aquí, dos técnicas utilizadas para el estudio de la inervación, la proliferación y la distribución de los circuitos integrados se describen: una técnica de tinción diferencial de tiempo y una técnica bilateral completa denervación Gill. En pocas palabras, peces de colores están expuestos a un colorante específico mitocondria vital (por ejemplo, MitoTracker rojo) que etiqueta (fluorescencia roja) ICs preexistentes. Los peces se les permite ya sea para recuperar a 3 – 5 días o inmediatamente se sometieron a una denervación enmalle bilateral completa. Después de 3 – 5 días de recuperación, el gmales se cosechan y se fijaron para inmunohistoquímica. El tejido se tiñe entonces con un anticuerpo primario α-5 (objetivos de Na + / K + ATPasa que contiene células) en conjunción con un anticuerpo secundario que las etiquetas de todos (tanto nuevos como pre-existente) ICs verde. Utilizando imágenes confocal, se demostró que los CI pre-existentes aparecen de color amarillo (marcado con tanto un colorante-mitocondria específica viable y α-5) y las nuevas ICs aparecen verde (marcada con α-5 solamente). Ambas técnicas utilizadas en tandem se pueden aplicar para estudiar la inervación, la proliferación y la distribución de circuitos integrados en el filamento branquial cuando los peces están expuestos a los retos medioambientales.
ICs son la unidad funcional para la regulación iónica en el pescado y se encuentran en las superficies epiteliales de los filamentos branquiales y laminillas 4,6-8,10. Aunque una variedad de subtipos se han descrito que poseen características únicas, muchos de los circuitos integrados se caracterizan por una alta densidad de mitocondrias (por lo tanto también se conocen como células mitocondria ricos) y / o una abundancia de la enzima Na + / K + ATPasa (NKA). Normalmente, estos ICs casa una variedad de otras bombas, canales de iones y los intercambiadores de iones implicados en la regulación (por ejemplo, Na + / H + intercambiador, Na + / Cl – co-transportador, H + bomba) 2,10,11. La redistribución y la proliferación de los circuitos integrados como un mecanismo de compensación es fundamental para mantener la homeostasis de iones especialmente durante el estrés iónico (por ejemplo, la exposición al agua de iones de pobres) 4,8,9.
Este estudio describe un tiempo técni tinción diferencialQue 1 para identificar ionocytes recién proliferado (CI) en branquias de los peces. Esta técnica se acopla con una denervación bilateral completa de los arcos branquiales. Goldfish (Carassius auratus), las especies utilizadas en estos estudios, es muy adecuado para estudiar la proliferación de las células epiteliales de enmalle, ya que tienen una notable capacidad para remodelar estructuralmente sus branquias 2. Gill remodelación se refiere al crecimiento o la retracción de una masa celular interlaminar (ILCM) cuando el pescado (normalmente mantenida a 15 – 30 ° C) se aclimataron a agua fría (<15 ° C) o hipoxia, respectivamente 3. Estudios anteriores utilizando la técnica de tinción diferencial de tiempo en peces de colores se han centrado en la redistribución, inervación y la proliferación de ICS en las branquias en el contexto de Gill remodelación 4,5. Katoh y Kaneko 1 desarrollaron esta nueva técnica para estudiar la transformación y sustitución de ICs branquiales en killifish (heteroclitus Fundulus) transferred del agua de mar (SW) para agua dulce (FW). En este estudio, la atención se centra en la proliferación y la inervación de los circuitos integrados en peces de colores aclimatados a 25 ° C.
Usando la técnica de tinción diferencial de tiempo se demostró que, en el contexto de la remodelación Gill, goldfish mantener un número constante de ICs durante la exposición hipóxica y la recuperación posterior de normoxia, sin embargo, el porcentaje de células inervadas disminuyó durante todo el período de recuperación de normoxia 5. Se propuso hace más de 70 años que los mecanismos de captación iónicos en los peces están bajo control neural 12. La papada teleósteos está inervado por las facial (VII), glosofaríngeo (IX) y vago (X) nervios también conocidos como los "nervios" branquiales 13,14. Los estudios realizados por Jonz y Nurse (2003) en el pez cebra (Danio rerio) inervación Gill mostraron que el origen de la inervación es extrínseca (cuerpo celular de la fibra nerviosa es extrínseca a las branquias), así como intrínseca (cuerpo celular defibra nerviosa es intrínseco a las branquias). Los mismos autores también demostraron que los CI branquiales son extrínsecamente inervados 7.
En este estudio, se utilizó la técnica de tinción diferencial de tiempo junto con plena denervación bilateral Gill para investigar la proliferación de ICs que carecen de inervación extrínseca en peces de colores. Gill completa denervación bilateral se refiere a la ruptura de los nervios craneales IX y X. Estos dos enfoques son factibles en peces de colores debido a su tamaño relativamente grande (30 a 200 g) simplifica los procedimientos quirúrgicos delicados, y ionocytes se identifican fácilmente utilizando técnicas de inmuno-histoquímica estándar. En el presente estudio, los CI se visualizaron utilizando un colorante vital-mitocondria específico (por ejemplo, MitoTracker Roja) o un anticuerpo primario contra la α-subunidad de la Na + / K + -ATPasa (α-5; Estudios del Desarrollo del Banco hibridoma, Universidad de Iowa, Iowa City IA). Este protocolo proporciona un metho directod de visualizar y analizar la redistribución y la proliferación de circuitos integrados en la papada pescados.
La técnica de tinción diferencial de tiempo puede ser una herramienta útil para entender la regulación dinámica de la absorción de iones y examinar la redistribución temporal de los CI en el epitelio de la agalla. Aunque un procedimiento sencillo, hay una serie de puntos clave que son cruciales para el éxito de la técnica de tinción diferencial de tiempo. El pez de colores debe ser expuesto al colorante mitocondria-rico para el tiempo asignado en el protocolo. Exposiciones más cortas como resultado una mala absorción del colorante por las células mitocondria ricos (es decir, ionocytes). Durante la fijación, el tejido de las agallas debe ser extirpado rápidamente y se mantiene en la oscuridad para evitar la decoloración foto. El tejido debe ser procesada para obtener imágenes dentro de 2 semanas de la fijación. Durante el procedimiento de corte del nervio bilateral asegurar que el pescado está bien anestesiado; los nervios y los vasos sanguíneos están claramente identificados; y el pescado se reanuda la función opercular completo antes de que se trasladó a un depósito de recuperación.
"> El entorno FW presenta peces con el doble reto de equilibrar las pérdidas de iones pasivos y ganancia de agua osmótica 14. El equilibrio de pérdidas pasivo de iones se produce a través de la captación activa de la sal a través de los circuitos integrados que se localizan a la filamentoso y el epitelio laminar donde pueden establecer un contacto directo con el ambiente externo 2,4,8,9,16. Sin embargo, la ubicación de los circuitos integrados en la papada no es estática. En las últimas tres décadas, un número de estudios han demostrado que varias especies de peces de FW, cuando se enfrentan con un desafío iónica y / o temperatura, redistribuir ICs branquiales desde el filamento o la base de la lámina a las regiones más distales de la lamela 1,2,4,5,17-21. Tal redistribución puede aumentar el espesor de las láminas que puede comprometer la transferencia de gas (O 2, CO 2) a través del epitelio de la agalla 22. Los investigadores han utilizado la técnica de tinción diferencial de tiempo descrito en este manuscrito para rastrear la reubicación y emergence de nuevos circuitos integrados en el epitelio de la agalla bajo estas diferentes condiciones experimentales (Figura 1C) 1,4,5.Las branquias, y presumiblemente los ICs branquiales, están inervados por los nervios craneales IX y X 7,23-25. Estos nervios llevan tanto eferente y aferente insumos desde y hacia las branquias, respectivamente. Ellos se encuentran en la parte dorsal de la cavidad bucal detrás de la 4 ª agallas arco. La accesibilidad de los nervios y la facilidad con que el procedimiento de la denervación bilateral se puede realizar es específico de la especie. En la trucha, por ejemplo, la anatomía en punta y aplanada de la cabeza permite que los nervios se encuentran en un único plano detrás de la 4 ª agallas de arco bajo una capa delgada de tejido. Esto hace que los nervios visible y de fácil acceso para el investigador para llevar a cabo el procedimiento de denervación. En contraste, los peces de colores tienen un hocico más corto y una cabeza más redonda. Los IX y X pares craneales de peces de colores son más profundas en el si dorsalde la cavidad después de la 4 ª agallas arco ocupando diferentes planos. Esta orientación limita la facilidad de acceso a los nervios y requiere un enfoque más cuidadoso para identificar y cortar los nervios apropiados. El objetivo del procedimiento de la denervación es eliminar aferente y eferente de entrada sensorial hacia y desde el Gill, respectivamente. La denervación de los arcos branquiales también se puede acoplar con experimentos de flujo de iones utilizando radioisótopos (por ejemplo, 22 Na). Estas técnicas pueden ser usadas en tándem para estudiar la contribución de entrada nervioso en el movimiento de iones a través del epitelio de la agalla. Otra limitación del procedimiento de la denervación es la incapacidad para distinguir entre las neuronas sensoriales y motoras, por lo tanto cuando cortar el nervio bundle es posible que se están eliminando ambos tipos de inervación. La ruptura de las neuronas motoras puede afectar a las branquias y el movimiento opercular de los peces. Así, cuando la realización de experimentos de denervación de enmalle es importante controlar también la ventilación después de lapeces se ha recuperado de el procedimiento para asegurar que hay suficiente movimiento de Gill de gas y de intercambio iónico.
Los protocolos descritos en este uso de manuscritos animales adultos mantienen en un 12:12 luz: oscuridad ciclo y alimento comercial de alimentación. Estos métodos se pueden modificar de varias maneras. En primer lugar, el período de recuperación después de la exposición colorante mitocondria-rico puede ser ajustada a los requisitos de protocolo del investigador (por ejemplo, 1, 3, 5, o 14 días). El más largo período de recuperación después de la exposición al tinte mitocondria ricos en el laboratorio ha estado 14 días 4,5. No hubo una disminución significativa en la intensidad de la fluorescencia del colorante mitocondria ricos después de 14 días de recuperación. En segundo lugar, el uso del anticuerpo primario α-5 se limita sólo a la identificación de las células de NKA-rico y no distingue entre los diferentes subtipos de ICs branquiales. Afortunadamente, en los peces de colores, se estableció que la mayoría de los circuitos integrados son ambos mitochondrrico en iones (etiqueta con MitoTracker) y NKA ricos (etiqueta con α-5) las células que pueden no ser el caso en todas las especies de peces de 4,27. Los futuros experimentos pueden concentrarse en seguir la redistribución temporal de los subtipos específicos de CI mediante el uso de anticuerpos dirigidos específicamente contra una variedad de canales, bombas e intercambiadores (por ejemplo, NHE, H + bomba). Estudios previos han encontrado que la mayoría de ionocytes teñidas con colorante mitocondria ricos en exhibición NKA inmunorreactividad 4. Inervación de los circuitos integrados se puede detectar mediante el uso de un anticuerpo primario contra el antígeno específico de neuronas derivadas de pez cebra (Zn-12). En este estudio, α-5 y Zn-12 anticuerpos primarios se detectaron usando el mismo anticuerpo secundario (Alexa Fluor 488) para ambos. Esta limitación se debe a ambos anticuerpos primarios se plantean en un hospedador ratón y es superada por el hecho de que las células NKA-ricos y las neuronas se pueden distinguir morfológicamente a pesar de que emiten fluorescencia del mismo color. La tinción secuencialcon diferentes anticuerpos secundarios (por ejemplo, primera α-5 con Alexa Fluor 488 entonces Zn-12 con Alexa Fluor 594) también se puede utilizar para eliminar el problema de tener ambos marcadores fluorescentes del mismo color. Por último, el protocolo bilateral completa seccionamiento nervio puede ser modificado para atacar los nervios a los arcos branquiales específicos. Por ejemplo, el seccionamiento del nervio selectiva se puede realizar en el primer arco branquial separando suavemente los primero y segundo arcos branquiales para exponer los nervios que conducen a la primera arco branquial en el extremo dorsal de la cesta Gill (Figura 2B-E). La técnica de diferencia de tiempo también se puede aplicar para estudiar la distribución de ionocytes en los peces larvas de pez cebra a medida que desarrollan y las transiciones de transporte de iones desde la piel hasta el gill.
The authors have nothing to disclose.
We would like to thank William Fletcher for animal care at the University of Ottawa. The authors would also like to thank Dr. William Milsom for teaching VT the full bilateral denervation technique at the University of British Columbia. A travel grant for this research was provided by the Faculty of Graduate and Postgraduate Studies at the University of Ottawa. This research is also supported by NSERC PGS-D scholarship to VT and Discovery Grants Program to SFP.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
MitoTracker Red | Life Technologies | M-7512 | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma Alrdich | D2650 | |
α-5 primary antibody | Develompental Hybridoma Bank | a5 | |
zn12 primary antibody | Develompental Hybridoma Bank | zn12 | |
Alexa Fluor 488 (anti mouse) | Life Technologies | A-11001 | |
Benzocaine | Sigma Alrdich | E1501 | 4-Aminobenzoic acid ethyl ester, Ethyl 4-aminobenzoate |
Vannas Spring Scissors | Fine Science Tools | 15000-10 | |
Standard Pattern Forceps | Fine Science Tools | 11000-12 | straight |
Standard Pattern Forceps | Fine Science Tools | 11001-12 | curved |
Dumont No. 5 forceps | Fine Science Tools | 11252-30 | |
Tissue retractor | Fine Science Tools | 17009-07 | |
Paraformaldehyde | Sigma Alrdich | P6148 | |
Triton X | Sigma Alrdich | X100 | |
Vectashield with DAPI | Vector Laboratories | H-1200 |