Analyse Mitochondrien von Hirnzellen Verwenden der seriellen Block Gesicht Rasterelektronenmikroskopie
Summary
Mitochondrial visualization and analysis from mammalian brain tissue is a challenging task. Here, we describe how three dimensional (3D) reconstruction analysis from the serial block-face scanning electron microscopy (SBFSEM) can be used to gain insights on the morphological and volumetric analysis of this critical energy generating organelle.
Abstract
Das menschliche Gehirn ist ein hochenergieverbrauchende Organ, das in erster Linie auf Glucose als Energiequelle angewiesen ist. Glukose wird durch Gehirn Mitochondrien über Glykolyse, Tricarbonsäure (TCA) -Zyklus und oxidative Phosphorylierung (OXPHOS) Wege zu erzeugen zelluläre Energie in Form von Adenosintriphosphat (ATP) abgebaut. Beeinträchtigung der mitochondrialen ATP-Produktion verursacht mitochondrialen Erkrankungen, die klinisch mit prominenten neurologischen und myopathischen Symptome präsentieren. Mitochondriale Defekte sind auch in der Entwicklung des Nervenstörungen (zB Autismus – Spektrum – Störung) und neurodegenerative Erkrankungen (zB Amyotrophe Lateralsklerose, Alzheimer und Parkinson-Erkrankungen). Somit besteht auf dem Gebiet ein erhöhtes Interesse für die Durchführung von 3D-Analyse von Mitochondrien-Morphologie, Struktur und Verteilung unter gesunden und Krankheitszuständen. Das Gehirn der mitochondrialen Morphologie ist äußerst vielfältig, mit einigen Mitochondrien vor allem inwobei die synaptische Region im Bereich von <200 nm Durchmesser, die unterhalb der Auflösungsgrenze der herkömmlichen Lichtmikroskopie ist. Exprimieren eines mitochondrial-bezogene grün fluoreszierendes Protein (GFP) im Gehirn steigert signifikant die organellären Nachweis durch konfokale Mikroskopie. Allerdings ist es nicht überwinden die Einschränkungen auf die Empfindlichkeit der Detektion von relativ kleiner Größe Mitochondrien ohne die Bilder von großformatigen Mitochondrien Übersättigung. Während serielle Transmissions-Elektronenmikroskopie wurde erfolgreich auf neuronaler Synapsen zu charakterisieren Mitochondrien verwendet wurde, ist diese Technik sehr zeitaufwendig insbesondere, wenn mehrere Proben zu vergleichen. Die serielle Block-face Rasterelektronenmikroskopie (SBFSEM) Technik umfasst einen automatisierten Prozess der Schneiden, Bildgebungsblöcken von Gewebe und Datenerfassung. Hier stellen wir ein Protokoll SBFSEM einer definierten Region von Nagetier Gehirn durchzuführen, um schnell zu rekonstruieren und mitochondriale Morphologie visualisieren. Diese Technique könnte auch genaue Informationen zu liefern auf die mitochondriale Zahl, Volumen, Größe und Verteilung in einer definierten Region des Gehirns verwendet werden. Da die erhaltene Bildauflösung hoch ist (in der Regel unter 10 nm) jede grobe mitochondriale morphologische Defekte auch nachgewiesen werden können.
Introduction
Mitochondrien sind Organellen , die dynamisch ihre Form und Lage an die zellulären Cues und je nach Bedarf zu ändern, in enge Wechselwirkung mit Zell Zytoskeletts, und in Reaktion auf zelluläre Ereignisse , wie beispielsweise Calciumströme in Neuronen 1. Mitochondria auch Wechselwirkungen mit anderen Zellorganellen endoplasmatischen Retikulum zB die wiederum 2 ihre Dynamik und Stoffwechsel reguliert. Mitochondrial Morphologie zeigt Heterogenität in verschiedenen Zelltypen , dh. die Form des Organell variiert von rohrförmigen dieser bestehend aus Folien, Säcke und Ovalen 3. Es hat sich gezeigt , dass die mitochondriale Fusion und Spaltung Zyklusproteine können die Position, Größe, Form und Verteilung der Mitochondrien 4 regulieren. Darüber hinaus Veränderungen in der mitochondrialen Form sind mit Neurodegeneration, neuronale Plastizität, Muskelatrophie, Calcium-Signalgebung, reaktive Sauerstoffspezies Generation sowie Lebensdauer und Zelltod Verwicklung tha assoziiertT – Zell-spezifische mitochondriale Morphologie ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der normalen Zellfunktion 5-11.
Ein Haupt bioenergetischen Funktion der Mitochondrien ist Adenosintriphosphat (ATP) durch eine Reihe von Stoffwechselreaktionen ausführen , die umfassen vollständigen Abbau von Nährstoffen (zB Glucose,-Fettsäuren oder Aminosäuren) über den TCA – Zyklus und OXPHOS Pfade 12 zu erzeugen. Das menschliche Gehirn macht nur 2% des Körpergewichts jedoch verbraucht er ~ 20% der Gesamtenergie erzeugt es eine extrem Energie machen Organ anspruchsvolle 13. Es ist daher nicht verwunderlich , dass mitochondriale Dysfunktion beim Menschen zu einer großen Anzahl von neurologischen Auffälligkeiten führt 14-17. Genetische Mutationen in OXPHOS Komponenten , die ATP – Generation führt zu mitochondrialen Erkrankungen 17,18, beeinträchtigen die klinisch heterogene Gruppe von Erkrankungen mit einer Prävalenz von ~ 1 sind: 5000 Personen, und eine der häufigsten Ursache von metabolic Störungen bei Kindern und Erwachsenen. Defizit von Mitochondrien stamm ATP wirkt multiple Organsysteme mit hoher Energie anspruchsvollen Organen, wie Gehirn, Herz und Skelettmuskulatur überwiegend in diesen Patienten 14,17,18 beeinflusst zu werden. In den letzten Jahren haben mehrere Studien gezeigt , dass 15-17,19,20 für mitochondriale Dysfunktion sowohl in der neurologischen Entwicklung und neurodegenerativen Erkrankungen zur Verfügung gestellt. Da Mitochondrien essentiell und von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung des Gehirns und Funktion sind, ist es zwingend notwendig, Protokolle zu entwickeln, die Veränderungen in der Hirn mitochondrialen Morphologie, Struktur, Größe, Anzahl und Verteilung unter den beiden gesunden und kranken Zustand zu analysieren. Mausmodelle mit mitochondrial-bezogene grün fluoreszierende Protein (GFP) wurden hergestellt , um die mitochondriale Bewegungen und Lokalisation im Gehirn 21,22 visualisieren. Dies ist zwar ein äußerst nützliches Werkzeug ist mitochondriale Motilität und allgemeine Verteilung zu untersuchen, gibt es einige Nachteile includ diee begrenzte Auflösung und Empfindlichkeit der Fluoreszenzmikroskopie. Diese Eigenschaften machen es schwierig, die relativ kleine Größe Mitochondrien zu verfolgen. In ähnlicher Weise wurde serielle Transmissions – Elektronenmikroskopie erfolgreich anzuzeigen synaptic Mitochondrien 23, jedoch ist dieses Verfahren sehr zeitraubend verwendet. Die mitochondriale Morphologie ist bekannt , sehr dynamisch, da sie kontinuierlich Spaltungs- und Fusionszyklen durchlaufen, und in den meisten Zellen Mitochondrien pflegen ein sehr verbundenes Netzwerk 24-26. Neuronen sind Zellen mit mehreren Dendriten und Axone erweitert stark polarisiert, und Mitochondrien , die einen angeschlossenen retikulären Netzwerk im Zellkörper bilden können , haben zu trennen , wie sie sich ihren Weg durch diese Neuriten (Abbildung 1). Dies macht Gehirn Mitochondrien sehr unterschiedlich in Größe und Form. Zum Beispiel haben wir serielle Block-face Rasterelektronenmikroskopie (SBFSEM) Technik, die zuvor beobachtet, daß die Differenz im Volumen oder die Größe der extrasynaptischen mitochondria an die Mitochondrien in den Nervenenden können so viel wie sechzehn 27 falten.
Es gibt mehrere Ansätze für die Volumen Durchführung von Analysen 28, die TEM – Serien Abschnitt 30 29, automatisierte Band sammeln Ultramikrotom SEM umfasst, fokussierten Ionenstrahl SEM 31 und SBFSEM 32. Die SBFSEM Analyse hat Vorteile, dass es die Auflösung hat quantitative Daten über die morphologische Form, Größe, Verteilung und Anzahl von Organellen wie Mitochondrien in Bereichen von bis zu 1 mm des Gehirns zu ermöglichen. Der technische Betrieb ist auch die am wenigsten anspruchsvoll, mit Datenerfassung und Analyse innerhalb Fähigkeiten vieler biologischer Labors, die früheren EM Erfahrung fehlt. Das Aufkommen von kommerziellen Instrumenten für die serielle schnittartige Bilder zu erzeugen hat 3D ultrastrukturelle Analyse von Geweben aus einer Routine – Technik, die erlaubt weiterhin eine unvoreingenommene volumetrische Analyse in einer schnellen und wiederholbaren Weise 28 </sup>. Die SBFSEM wurde zum ersten Mal mit dieser Technik auf dem Gebiet der Neurobiologie im Jahr 2004 32, basierend auf einer Idee , eingeführt durch Leighton seitdem etabliert haben als wichtiges Instrument bei der Rekonstruktion Analyse der neuronalen Schaltkreise 34 1981 33. Mehrere Studien beschrieben und verwendet. Darüber hinaus für viele kleinere Projekte, bietet es Rekonstruktionsanalyse Zellorganellen 27,35-39 zu identifizieren. Da werden die aufgenommenen Bilder von der Niederspannung zurück gestreute Elektronen abgeleitet, neue Färbeprotokollen , die unterschiedliche bekannte Schwermetall Färbetechniken kombinieren wurden die Auflösung 40 zu erhöhen , entwickelt.
In diesem Beitrag stellen wir ein Protokoll für die 3D – Elektronenmikroskopie Bildgebung und volumetrische Analyse von Gehirn Mitochondrien Verwendung basierend auf Methoden, die von uns und haben andere 38,39,41 zuvor. Die Gewebenachbearbeitungsverfahren verwendet wurden , wie früher von Deerinck et al40.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die Komplexität des Nervensystems stellt eine erhebliche Herausforderung große Gewebevolumina in Rekonstruieren und die Morphologie und Verteilung von Organellen wie Mitochondrien mit ausreichender Auflösung zu analysieren. Mehrere Zellen , einschließlich Neuronen, Oligodendrozyten und Astrozyten mit zahlreichen Prozessen in drei Dimensionen erweitert interagieren innerhalb des Hirngewebes 43. Da Mitochondrien sowohl im Soma von Zellen und fernen Prozesse liegt, ist mitochondrialen Morphologie extrem pleo…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank Sidney Walker for providing technical help. This work was supported in part by a grant from the National Institute of Health (1R01EY024712-01A1).
Materials
| C57BL/6J mice | Jackson laboratory | 664 | |
| Isoflurane | VETone, tradename Fluriso | 501017 | |
| Dissection tray | Fisher scientific | S65105 | |
| Dissection scissors | Ted Pella Inc. | 1316 | |
| Butterfly canula | Exel International | 26704 | |
| Phosphate buffer saline | Sigma-Aldrich | P4417-100TAB | |
| Filter (0.45 micron) | EMD Millipore | NC0813356 | |
| Dissection microscope | Olympus | SZ61 | |
| Vibratome sectioning system | Ted Pella Inc. | Vibratome 3000 | |
| Sodium Cacodylate | EMS | 12300 | |
| Tannic Acid | EMS | 21700 | |
| Potassium Ferrocyanide | J.T. Baker | 14459-95-1 | |
| Osmium Tetroxide 4% Solution | EMS | 19150 | |
| Thiocarbohydrazide | EMS | 21900 | |
| L-Aspartic Acid | Sigma-Aldrich | A93100 | |
| Potassium Hydroxide | Acros Organics | 43731000 | |
| Lead Nitrate | EMS | 17900 | |
| EMbed-812 EMBEDDING KIT | EMS | 14120 | Contains Embed 812 resin, DDSA, NMA, and DMP-30. |
| Glutaraldehyde 25% EM Grade | Polysciences Inc. | 1909 | |
| Paraformaldehyde | EMS | 19202 | |
| Uranyl Acetate | EMS | 22400 | |
| Ethanol | EMS | 15055 | |
| Propylene Oxide | EMS | 20400 | |
| Embedding Mold | EMS | 70907 | |
| Aluminum specimen pin | EMS | 70446 | |
| Colloidal Silver Liquid | EMS | 12630 | |
| Razor | EMS | 72000 | |
| Super Glue (Loctite Gel Control) | Loctite | 234790 | Hardware/craft stores carry this item |
| Conductive epoxy | Ted Pella Inc. | 16043 | |
| Scanning electron microscope | Zeiss | Sigma VP | |
| In chamber ultramicrotome for SEM | Gatan Inc. | 3View2 | Can be designed for other SEMs |
| Trimming microscope for pin preparation | Gatan Inc. | supplied as part of 3View system | |
| Low kV backscattered electron detector | Gatan Inc. | 3V-BSED | |
| ImageJ/ Fiji processing package | ImageJ ver 1.50b, FIJI download Oct 1, 2015 | http://zoi.utia.cas.cz/files/imagej_api.pdf | |
| http://rsb.info.nih.gov/ij/ | |||
| http://www.icmr.ucsb.edu/programs/3DWorkshop/Uchic-2015_FIJI_Tutorial.pdf | |||
| http://fiji.sc/TrakEM2 | |||
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