Визуализация и количественная оценка интактных нейрональных дендритов с помощью очистки тканей CLARITY

Понимание пространственной организации, паттернов связности и морфологии сложных трехмерных биологических структур имеет важное значение для разграничения функций конкретных клеток и тканей. Это особенно верно в нейробиологии, в которой огромные усилия были посвящены построению нейроанатомических карт центральной нервной системы высокого разрешения^1,2. Тщательное изучение нейронов, составляющих эти карты, дает различные морфологии, со связями и местоположениями, которые отражают функцию этих разнообразных наборов нейронов^3,4. Более того, исследование субклеточных структур, особенно дендритных шипов, может информировать о зрелости синапсов, тем самым отражая процессы развития и неврологические болезненные состояния^5,6,7. Таким образом, подходы, которые улучшают разрешение и пропускную способность изображения, необходимы для лучшего понимания функции мозга во всех масштабах.

Последние достижения расширили молекулярно-генетический инструментарий для маркировки и манипулирования популяциями нейронов. Разработка новых флуоресцентных маркеров в сочетании с новыми методами введения этих маркеров в нейроны позволяет дифференциально маркировать популяции взаимодействующих нейронов в пределах одного и того же образца животного или мозга^8,9,10,11. Поскольку свет рассеивается непрозрачными липидами и, учитывая высокое содержание липидов в мозговой ткани, визуализация нейронных популяций в основном была ограничена тонкими участками или опиралась на передовые методы микроскропии (например, конфокальную, многофотонную и светоливую микроскопию) для изображения глубоких структур. Тем не менее, эти усилия были значительно подкреплены достижениями в методах очистки тканей. Прозрачный липидообменный акриламид-гибридизированный Rigid Imaging/immunostaining/insitu гибридизация-совместимый Tissue-hYdrogel (CLARITY) является одним из таких методов, в котором ткани, представляющие интерес, вводят гидрогелевые мономеры (акриламид и бис-акриламид), а затем промывают моющими средствами^12. Мономеры гидрогеля гибридизируются для создания стабильного 3D-гидрогелевого каркаса, который оптически прозрачен и проницаем для этикеток макромолекул. Нуклеиновые кислоты и белки поддерживаются в гибридизированной матрице, тогда как липиды удаляются моющими средствами(рисунок 1). Это приводит к стабильной ткани, которая достаточно жесткая, чтобы поддерживать первоначальную форму и ориентацию клеток и нелипидных молекул, в то время как оптически достаточно прозрачна, чтобы легко визуать глубокие структуры с высоким разрешением. Это поддержание структуры и ориентации ткани позволяет визуализировать толстые срезы, тем самым сохраняя межклеточные связи и пространственные отношения. Более того, поскольку местоположение и доступность белков и нуклеиновых кислот сохраняется в процессе очистки, очищенные ткани способны удерживать маркеры на основе экспрессии, а также экзогенные метки. Таким образом, CLARITY позиционируется как мощный метод визуализации большого количества глубоких структур мозга и связей между этими структурами с высоким разрешением.

Использование CLARITY значительно улучшает подходы к визуализации нейронных популяций. Этот метод особенно искусен в создании больших объемов данных визуализации. CLARITY хорошо работает с несколькими формами флуоресценции на основе белка. Этот протокол использует лентивирусный подход к разреженной маркировке клеток с помощью EGFP и tdTomato; однако обычно используются трансгенные репортерные аллели, экспрессирующие tdTomato или EGFP для маркировки клеток для реконструкции. Важно выбрать флуорофор, который является как фотостабийным, так и ярким (например, EGFP или tdTomato). Кроме того, использование сильного промотора для экспрессии флуорофора обеспечивает превосходную контрастность и качество изображения. Недостатки этой методики возникают, так как правильный анализ такого большого объема данных может быть как трудоемким, так и трудоемким. Специализированные микроскопы могут помочь повысить пропускную способность и уменьшить рабочую нагрузку. Тем не менее, создание, владение и / или эксплуатация передовых микроскопов часто являются непомерно дорогими для многих лабораторий. Эта работа представляет собой высокопроизводительный, относительно быстрый и простой метод визуализации больших объемов нервной ткани с высоким разрешением с использованием очистки тканей CLARITY от больших участков в сочетании со стандартной конфокальной микроскопией. Этот протокол описывает этот подход посредством следующих этапов: 1) рассечение и подготовка нервной ткани, 2) очистка ткани, 3) монтаж ткани, 4) визуализация подготовленных срезов и 5) обработка полных изображений с использованием программного обеспечения визуализации микроскопии реконструкции и анализа(рисунок 2). Эти усилия приводят к изображениям с высоким разрешением, которые могут быть использованы для анализа популяций нейронов, паттернов нейронных связей, морфологии 3D-дендриты, изобилия и морфологии дендритного позвоночника, а также молекулярных паттернов экспрессии в неповрежденной ткани мозга.