A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
قمنا بتطوير تقنية جديدة لتحديد كمية النيكوتين التغييرات مستقبلات أستيل داخل المناطق التحت خلوية من أنواع فرعية محددة من الخلايا العصبية الجهاز العصبي المركزي إلى فهم أفضل للآليات لإدمان النيكوتين عن طريق استخدام مزيج من الأساليب بما في ذلك وضع علامات بروتين فلوري من مستقبلات باستخدام الضربة القاضية في نهج وطيفية مبائر التصوير.
Ligand-gated ion channels in the central nervous system (CNS) are implicated in numerous conditions with serious medical and social consequences. For instance, addiction to nicotine via tobacco smoking is a leading cause of premature death worldwide (World Health Organization) and is likely caused by an alteration of ion channel distribution in the brain1. Chronic nicotine exposure in both rodents and humans results in increased numbers of nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) in brain tissue1-3. Similarly, alterations in the glutamatergic GluN1 or GluA1 channels have been implicated in triggering sensitization to other addictive drugs such as cocaine, amphetamines and opiates4-6.
Consequently, the ability to map and quantify distribution and expression patterns of specific ion channels is critically important to understanding the mechanisms of addiction. The study of brain region-specific effects of individual drugs was advanced by the advent of techniques such as radioactive ligands. However, the low spatial resolution of radioactive ligand binding prevents the ability to quantify ligand-gated ion channels in specific subtypes of neurons.
Genetically encoded fluorescent reporters, such as green fluorescent protein (GFP) and its many color variants, have revolutionized the field of biology7.By genetically tagging a fluorescent reporter to an endogenous protein one can visualize proteins in vivo7-10. One advantage of fluorescently tagging proteins with a probe is the elimination of antibody use, which have issues of nonspecificity and accessibility to the target protein. We have used this strategy to fluorescently label nAChRs, which enabled the study of receptor assembly using Förster Resonance Energy Transfer (FRET) in transfected cultured cells11.More recently, we have used the knock-in approach to engineer mice with yellow fluorescent protein tagged α4 nAChR subunits (α4YFP), enabling precise quantification of the receptor ex vivo at submicrometer resolution in CNS neurons via spectral confocal microscopy12. The targeted fluorescent knock-in mutation is incorporated in the endogenous locus and under control of its native promoter, producing normal levels of expression and regulation of the receptor when compared to untagged receptors in wildtype mice. This knock-in approach can be extended to fluorescently tag other ion channels and offers a powerful approach of visualizing and quantifying receptors in the CNS.
In this paper we describe a methodology to quantify changes in nAChR expression in specific CNS neurons after exposure to chronic nicotine. Our methods include mini-osmotic pump implantation, intracardiac perfusion fixation, imaging and analysis of fluorescently tagged nicotinic receptor subunits from α4YFP knock-in mice (Fig. 1). We have optimized the fixation technique to minimize autofluorescence from fixed brain tissue.We describe in detail our imaging methodology using a spectral confocal microscope in conjunction with a linear spectral unmixing algorithm to subtract autofluoresent signal in order to accurately obtain α4YFP fluorescence signal. Finally, we show results of chronic nicotine-induced upregulation of α4YFP receptors in the medial perforant path of the hippocampus.
1. مضخة غرس
2. α4YFP طرق في داخل القلب، بواسطة رذاذ تثبيت الماوس
3. التصوير nAChRs فلوري باستخدام متحد البؤر المجهري الطيفي
4. خطي unmixing من الصور الطيفية مبائر وتحليل الصور
5. ممثل النتائج
نعرض ممثل إسقاط اللون الحقيقي من كومة امدا من الصور للالعنان وسطي من ماوس α4YFP متماثلة اللواقح (الشكل 3A) التي اتخذت مع مجهر متحد البؤر الطيفية. نحن، كما يظهر للطيف الانبعاث من هذه المنطقة التي تحتوي على الخلايا العصبية من مصلحة إيجابية α4YFP من نفس الصورة مكدس امدا (الشكل 3B). ذروة الانبعاثات متميز هو واضح في نانومتر 527 ~، والذي هو ذروة الانبعاثات مضان من YFP. في المنطقة المجاورة لالعنان وسطي يظهر طيف الانبعاث التي تفتقر إلى ذروة الطيفية في 527 نانومتر، مما يدل على عدم وجود مفارز nAChR α4YFP. بعد unmixing الأطياف الخطية باستخدام أطياف مرجعية من YFP والفأر autofluoresence الدماغ مع تداخل كبير من الانبعاثات (الشكل 4)، والفصل بين YFP وإشارة autofluorescent الممكن العائد في صورة α4YFP غير مخلوط، صورة autofluorescent غير مخلوط، وقناة المتبقية. واضح توطين انفلونزا α4YFPويمكن تحديد orescence في سوما المزدحمة لهذه العنان وسطي (الشكل 4).
في α4YFP الحصين يكون موضعيا بشكل رئيسي في مسار الثاقب وسطي، ومسار tempero-ammonic وشكوة 12. هذه كلها تعصيب glutamatergic من قرن آمون. قمنا بدراسة آثار النيكوتين مزمن في التعبير α4YFP في المسار الثاقب قرن آمون (الشكل 5). أدت إدارة المزمنة من النيكوتين (2 ملغ / كغ / ساعة لمدة 10 أيام) في زيادة كبيرة (69 ± 14٪) في مضان α4YFP من الفئران المالحة مراقبة تعامل مع الفئران النيكوتين المزمنة المعالجة (P = 0.001، يلكوكسون اختبار مجموع رتبة) ( الشكل 5).
الرسم البياني رقم التدفق 1. تظهر إجراء تغييرات على الصورة في مفارز nAChR α4YFP مع النيكوتين المزمنة. تمتلئ مصغرة التناضحي مضخات المياه المالحة أو مع أي من النيكوتين وزرعها تحت الجلد في وألبهكتار؛ 4YFP الفئران متماثل. بعد 10 يوما perfused الفئران وثابتة مع بارافورمالدهيد 4٪، والعقول هي الفأر مقطوع (30 ميكرون سميكة) على الشرائح. تم تصوير المقطع في الدماغ في مجهر متحد البؤر الطيفية (نيكون C1si) وغير مخلوطة طيفيا إلى صور YFP وautofluorescent. ثم يتم تحليل هذه الصور α4YFP كذلك مع برنامج يماغيج.
الشكل 2. رسم تخطيطي من كومة امدا تصوير من مجهر متحد البؤر الطيفية وغير مخلوطة خطيا إلى مكوناته الطيفية. (أ) التي يتم جمعها لامدا كومة من الصور. (ب) مكدس امدا يتكون من الصور التي تم جمعها في موجات مختلفة من الضوء بحيث يتم جمع لطيف الانبعاث لكل بكسل عبر مكدس بأكمله. (ج) منذ YFP وتألق ذاتي كل الأنسجة يكون طيفية مميزة، ويمكن deconvolved المكدس امدا باستخدام خوارزمية خطي جبري unmixing إلى قeparate YFP وإشارات autofluorescent. وبالتالي، يمكن تحديد كمي دقيق جدا من مضان YFP حتى في الأنسجة مع مستويات عالية من تألق ذاتي.
الشكل 3. صورة مبائر الطيفي للمنطقة في الدماغ معربا عن nAChRs α4YFP. (أ) إسقاط اللون الحقيقي من كومة امدا من الصور للالعنان وسطي من الماوس α4YFP اتخذت مع مجهر نيكون C1si مبائر الطيفية. (ب) من مؤامرات أطياف من منطقة ذات أهمية، والذي يتضمن الخلايا العصبية التي تحتوي على α4YFP (الأخضر)، ومنطقة ذات الاهتمام خارج العنان وسطي (الحمراء).
الشكل 4. unmixing الطيفية خطي من العنان وسطي. (A) صور من α4YFP غير مخلوط و (ب) بعد تألق ذاتي unmixing الطيفية خطي. (ج) إشارة أطياف YFP (الأخضر الثلاثيةزوايا)، وتألق ذاتي (الدوائر الصفراء) تستخدم لunmixing الطيفية.
الشكل 5. upregulation من α4 nAChRs في قرن آمون من α4YFP الضربة القاضية في الفئران التي تعرضت للنيكوتين المزمنة. (أ) مونتاج المغطى من مضان α4YFP من قرن آمون. في مجالين اختيار متقطع هي المواقع التقريبية على الطرف السفلي للمسار الثاقب من الحصين حيث تم إجراء تحليل لكل فأر. (ب) كانت α4YFP مضان أعلى بكثير في مسار الثاقب من الفئران التي تعرضت للنيكوتين مزمن من المياه المالحة مزمن (*، P = 0.001 رتبة يلكوكسون، اختبار المبلغ). النتائج تمثل المتوسط ± SEM من ن = 20 قياسات للفئران النيكوتين على حد سواء المالحة والمزمنة معاملة (5 لكل مجموعة الفئران المعالجة).
الشكل 6. أفضل دالتعبير epth من α4YFP بالمقارنة مع وضع العلامات الأجسام المضادة. وجهات النظر XZ متعامد من مضان α4YFP (A) والأضداد VGlut2 مع Cy5 كتسمية الثانوية (B). (C) المؤامرات التي تبدي مزيدا من شدة إشارة مضان تدهور خلال عمق لتلوين الأجسام المضادة (المربعات السوداء) بالمقارنة مع α4YFP (الدوائر المغلقة).
استخدام مستقبلات فلوري في نموذج الفأر المغلوب في لتحديد كمية وتوطين قناة أيون معين يوفر عددا من المزايا. وعلى النقيض من البروتينات مثل الأكتين، وهو ما يعبر عنه بتواجد مطلق في جميع الخلايا، والقنوات الأيونية الموجودة في أعداد أقل بكثير، والتعبير عنها يختلف بين الأنواع الفرعية الخلايا ا...
ليس لدينا ما يكشف.
وأيد أنتوني Renda من قبل جامعة فيكتوريا جائزة زمالة دراسات عليا. وأيد هذا البحث من قبل العلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث كندا اكتشاف غرانت، NARSAD جائزة الباحث الشاب (لRN)، ومؤسسة فيكتوريا - Myre وينيفرد سيم الصندوق، وهو مؤسسة الكندية للحصول على منحة للابتكار، والمعرفة كولومبيا البريطانية صندوق التنمية والعلوم الطبيعية والهندسة مجلس البحوث من أدوات البحث وكندا، والمنح والتهوية. نشكر جيليان مكاي، بارنز كريستينا، سوليفان ارييل ماكدونالد جينيفر ومورجادو دانيال لتربية الماوس ممتازة.
اسم كاشف | شركة | فهرس العدد | تعليقات |
مصغرة التناضحي مضخات | Alzet | موديل 2002 | |
ملحي | Teknova | S5819 | |
(-) طرطرات الهيدروجين النيكوتين ملح | سيغما | N5260 | |
قطرات عين | شركة نوفارتيس | المسيل للدموع جل | |
Vetbond الغراء | 3M | 1469SB | |
هيبارين الصوديوم ملح | سيغما | H4784 | |
10X PBS | إينفيتروجن | 70011 | |
الكيتامين | Wyetح صحة الحيوان | 0856-4403-01 | |
medatomidine هيدروكلوريد | فايزر | 1950673 | |
23G فراشة إبرة | بيكتون ديكنسون | 367253 | |
بارافورمالدهيد | علوم المجهر الإلكتروني | 15710 | |
تضمين قالب من البلاستيك | VWR | 18986-1 | |
أكتوبر مركب تركيب | الأنسجة تيك | 4583 | |
Mowiol 4-88 | EMD-Calbiochem | 475904 | درجة الحموضة 8.5 |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved