高分子量生物素化葡聚糖胺在大鼠丘脑-皮质投影示踪中的应用

摘要

在这里, 我们提出了一个完善的协议, 以有效地揭示生物素化葡聚糖胺 (BDA) 标签的荧光染色方法通过一个相互的神经通路。它适用于分析 BDA 标签的精细结构, 并在共焦激光扫描显微镜下将其与其他神经元进行区分。

摘要

高分子量生物素化葡聚糖胺 (BDA) 已被用作高度敏感的神经解剖学示踪剂数十年。由于其标签的质量受到各种因素的影响, 在这里, 我们提供了一个完善的协议, 以应用高分子量的 BDA 研究最佳神经标记在中枢神经系统。经立体定向注入内侧核 (VPM) 的大鼠丘脑通过一个微妙的玻璃吸管, bda 染色的荧光链亲和素 Alexa (AF) 594 和复染荧光尼斯尔染色 AF500/525。在绿色尼斯尔染色的背景下, 在体感皮层显示了红色的 BDA 标记, 包括神经元细胞体和轴突末端。此外, 对 bda 和钙结合蛋白 parvalbumin (pv) 进行了双荧光染色, 观察了 bda 标记与中间神经元在皮质靶上的相关性, 为研究局部神经电路及其化学特性。因此, 这种精制方法不仅适用于通过丘脑和大脑皮层之间的相互神经通路对高品质的神经标记进行可视化, 而且还可以同时证明其他具有荧光组织化学或免疫化学的神经标记。

引言

高分子量 BDA (1万分子量), 一种高度灵敏的示踪剂, 已用于在中枢神经系统中追踪神经通路20年以上的¹。虽然 bda 的使用是一种常见的神经道追踪技术, 但在动物中, bda 标签的质量可能受到各种因素的影响, 如^1,2,3。最近的研究表明, BDA 标签的优化结构不仅与适当的注射后生存时间有关, 而且与染色方法⁴相关。到目前为止, 传统的亲和-生物素-过氧化物酶复合物 (ABC), 链亲和素异硫氰酸酯, 和 streptavidin-AF594 染色方法, 以揭示 BDA 标签在以前的^研究2, 3, ^4,5。相比之下, BDA 的荧光染色可以很容易地进行。

为了推广高分子量 BDA 的应用, 本研究引入了一种精细化的协议。在将 bda 注射液注入大鼠脑丘脑的 VPM 后, 采用常规 ABC 染色法和双荧光染色技术对 bda 标签进行了分析, 观察了 bda 标签的相关性和基本streptavidin-AF594 和荧光尼斯尔组织化学或 PV 免疫化学的皮质靶上的神经元素或中间神经元。通过 VPM 与原发性体感皮层 (S1)^6、7、8之间的相互神经通路, 我们集中观察了在丘脑-皮质预测轴突和 corticothalamic 中的 BDA 标记。投射的细胞 somas 在 S1。通过这一过程, 我们希望不仅提供一个详细的协议, 以获得高品质的神经标记的高分子量 bda, 而且还有一个完善的协议, 结合荧光 BDA 标签和其他荧光神经标记与组织化学或免疫化学。这种方法在共聚焦激光扫描显微镜下研究局部神经回路及其化学特性是比较可取的。

研究方案

这项研究是由中国医学科学院伦理委员会 (参考编号 20160014) 批准的。所有程序都是按照国家卫生研究院关于实验室动物的护理和使用指南进行的 (国家科学院出版社, 华盛顿特区, 1996)。本研究采用四只成年雄性大鼠 (重量250-280 克)。所有动物都被安置在一个12小时的光/暗循环中, 控制着温度和湿度, 并允许免费获得食物和水。本研究中使用的仪器和材料显示在图 1中。 手术前, 所有仪器, 如立体定向框架和玻璃吸管, 都用70% 乙醇清洗。

1. 手术程序

1. 使用立体定向地图集⁹ (图 2A) 确定 VPM 中感兴趣的坐标区域。
2. 准备一1µL 微型注射器, 配备玻璃微 (尖直径约10-20 µm) (图 1D), 并用液体石蜡进行测试。
3. 用腹腔注射麻醉7% 水合氯醛 (0.7 mL/100 g) 的大鼠。
4. 一旦深部麻醉证实与尾部捏和踏板撤退反射, 剃光头的动物的头部与电动剃刀和擦洗手术现场3倍, 10% 聚维酮碘其次70% 乙醇分别。
5. 把钝耳棒放到耳朵里, 把老鼠放到立体定向装置中, 把大鼠的上门牙放进嘴里 (图 1E), 然后在眼睛上涂抹眼膏。
6. 用70% 乙醇再次清洁手术部位的头部皮肤。使用无菌的外科手套和毛巾在不育条件下维持手术。
7. 用手术刀沿着矢状缝合 (图 1F) 在皮肤上作矢状切口。
8. 在整个手术过程中, 用无菌的棉尖喷头将肌肉和骨膜从头骨上刮掉, 以控制出血 (图 1F)。
9. 使用地图集的预定义坐标 (图 2A), 确定开颅手术 (图 1G) 的位置 (-3.3 毫米 Bregma 点, 2.6 毫米右至中线)。
10. 使用带有圆形尖端钻头 (#106) (图 1H) 的毛刺钻头进行开颅手术, 并在几分钟内继续钻至大约1毫米深度, 直至到达脑膜 (图 1I)。
11. 使用 microforceps 将硬脑膜置于注射部位, 使大脑皮层暴露 (图 1I)。
12. 用 10% BDA (1万分子量, 蒸馏水) 溶液 (图 1J) 改变微注射器中的液体石蜡。
13. 将注射器装入微注射装置并与微型泵连接 (图 1K)。
    注: 注入量取决于微泵的速度。这里它被调整了到 30 nL/分钟 (图 1L)。
14. 在显微镜下, 将玻璃微与微注射装置手工插入 VPM, 通过大脑的皮质表面, 深度为5.8 毫米 (图 1M)。
15. 压力-注入 100 nL 10% BDA 进入 VPM 在3分钟 (35 nL/分钟) 与微型泵 (图 1L, M)。
16. 注射后, 把吸管放在原地, 再加5分钟, 然后慢慢地取出。
17. 用无菌螺纹缝合伤口 (图 1N)。遵循当地的动物护理委员会的指导方针, 为手术前和术后镇痛。
18. 把老鼠放在温暖的恢复区, 直到它苏醒并完全恢复。
19. 把恢复的老鼠送回笼子里去。

2. 显影和章节

1. 经过典型的10天的生存时间, 注射的动物与过量的10% 氨基甲酸乙酯 (2 mL/100 g) 的腹腔注射, 以诱导安乐死。
2. 灌注实验鼠的引擎盖 (图 1O)。
   1. 一旦呼吸停止, 使用剪刀和镊子, 打开大鼠胸腔进入心脏。将静脉导管插入左心室向主动脉, 然后打开右耳廓。
   2. 首先灌注与0.9% 磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 在生理温度 (37 °c) 大约1-2 分钟直到血液从心脏撤出是清楚的, 然后继续与250-300 毫升4% 多聚甲醛在 0.1 M 磷酸盐缓冲 (PB, pH 7.4)。
3. 灌注后, 切开头部皮肤, 打开头骨, 然后解剖大鼠大脑。后修复解剖的大脑在4% 多聚甲醛2小时室温 (26 °c), 然后 cryoprotect 30% 蔗糖在0.1 米 PBS (pH 7.4) 3 天4摄氏度, 直到大脑沉浸在解决方案(图 1P)。
4. 一旦大脑沉浸在溶液中, 将大脑分成三个块, 在大脑矩阵的日冕方向上 (图 1Q)。中心块包含 VPM 和 S1。
5. 在40µm 上, 在一个冰冻阶段的切片系统中, 将大脑的中心块切开到日冕方向。用0.1 米 PBS (pH 7.4) (图 1RS) 在6井盘中有序地收集这些部分。

3. 标准 ABC 染色

注意: 从大脑的每第三个日冕部分自由浮动部分用于可视化 BDA 标签与标准 ABC 过程¹⁰。

1. 将0.1 米 PBS 中的剖面冲洗约1分钟。
2. 将 1% ABC 溶液中的剖面孵育为0.1 米 PB (pH 7.4), 在室温下含有0.3% 海卫 X-100 1 小时。
3. 在50毫米的三个缓冲 (pH 7.4) 洗涤部分三次。
4. 将包含 0.02% 33 '-diaminobenzidine tetrahydrochloride (民建) 和 0.01% H₂O₂的解决方案中的各部分着色为50毫米, 在室温下约为2-5 分钟。
5. 在50毫米的三个缓冲 (pH 7.4) 洗涤部分三次。
6. 使用标准的组织化学技术 (图 1T) 将切片安装在显微镜幻灯片上; 请参阅补充视频文件 III、灌注和切片)。
7. 在室温下, 将空气中的部分干燥一夜。
8. 在一系列酒精 (50%、70%、95%、100%) 溶液中简要地脱水切片。将每个解决方案中的幻灯片淹没大约十五年代。不要让幻灯片在每个步骤之间晾干。
9. 将二甲苯中的剖面清除三次, 约20分钟。
10. 将2或3滴苦瓜放在切片上, 然后将盖玻片放在各部分。

4. 双荧光染色对 BDA 和大脑皮层的基本神经元

注: 对比中, 采用双荧光染色法观察了 streptavidin-AF594 和复染与荧光尼斯尔染色 AF500/525 在邻段中的 BDA 标记和基本神经元的相关性。

1. 将0.1 米 PBS 中的剖面冲洗约1分钟。
2. streptavidin-AF594 (1:500) 和 AF500/525 绿色荧光尼斯尔染色 (1:1, 000) 在0.1 米 PBS (pH 7.4) 的混合溶液中孵化剖面, 在室温下含有0.3% 的海卫 X-100 2 小时。
3. 用0.1 米 PB (pH 7.4) 冲洗三次。
4. 使用标准的组织化学技术将切片安装在显微镜幻灯片上。将空气中的部分干燥约1小时。
5. 观察前将盖玻片应用于蒸馏水中50% 甘油的荧光切片。

5. 双荧光染色对中间神经元和脑皮质的促进

注: 采用双荧光染色法观察中间神经元与 streptavidin-AF594、光伏免疫化学在皮质靶区代表性切片上的相关性。

1. 冲洗0.1 米 PBS (pH 7.4) 的代表性部分约1分钟。
2. 在包含3% 正常山羊血清和0.3% 海卫 X-100 0.1 米 PBS 的阻塞溶液中孵化部分30分钟。
3. 将这些部分转移到一个小鼠单克隆抗 PV IgG (1:1, 000) 的解决方案, 0.1 米 PBS (pH 7.4) 包含1% 正常山羊血清和0.3% 海卫 X-100 为隔夜在4°c。
4. 第二天, 在0.1 米 PBS (pH 7.4) 上冲洗三次。
5. 在2米 PBS (pH 1:40,000) 中, anti-mouse-AF488 山羊的二次抗体 (1:500)、streptavidin-AF594 (1:500) 和 4 '、6-diamidino-0.1-苯基吲哚盐酸盐 (DAPI、7.4) 的混合溶液, 包括1% 条正常山羊血清和0.3% 海卫。X-100 1 小时。
6. 重复步骤4.3 到4.5。

6. 观察

1. 拍摄 VPM、丘脑-皮质轴突和 corticothalamic 神经元的图像。
   1. 观察荧光样品与共焦成像系统装备目标透镜 (4x, na: 0.13; 10x, na: 0.40; 和 40x, na: 0.95)。使用激发和发射波长 405 (蓝色), 488 (绿色) 和 559 (红色) nm。
      注: 在这里, 共焦针孔是152µm (4x, 10x) 和105µm (40x)。图像捕获的空间分辨率为 1024 x 1024 像素 (4x、10x) 和 640 x 640 像素 (40x)。
   2. 在2µm 的连续帧中拍摄二十幅图像, 每节的厚度为40µm (Z 系列)。
   3. 将图像与共焦图像处理软件系统集成到一个单一的聚焦图像中, 进行三维分析, 如下所示: 设置起始焦平面→设置端部焦平面→设置步长→选择深度图案→图像捕获→ Z 系列。
2. 用装有数码相机的光镜拍摄 brightfield 图像 (4x, na: 0.13; 10x, na: 0.40; 40x, na: 0.95 透镜)。使用500毫秒的曝光时间. 使用照片编辑软件调整图像的亮度和对比度, 并添加标签。

结果

10天后, BDA 注入 VPM 的生存是足够的, 以产生强烈的神经标记, 在相应的皮质区域与注射方 (图 2)。BDA 的常规 ABC 和荧光染色程序都揭示了 S1 上类似的神经标记模式, 包括 anterogradely 标记的丘脑-皮质轴突和 retrogradely 标记 corticothalamic 神经元(图 2C, D).

对于 anterogradely 标记的...

讨论

选择合适的示踪剂是成功的神经追踪实验的关键步骤。在 bda 家族中, 建议通过顺神经通路优先输送高分子量的 bda (1万分子量), 与低分子量 bda (3000 分子量)^2,3,11,12,13. 然而, 许多研究还表明, 高分子量的 BDA 也可能会与顺追踪^1,2,

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Biotinylated dextran amine (BDA)	Molecular Probes	D1956	10,000 molecular weight
Streptavidin-Alexa Fluor 594	Molecular Probes	S32356	Protect from light
500/525 green fluorescent Nissl stain	Molecular Probes	N21480	Protect from light
Brain stereotaxis instrument	Narishige	SR-50
Freezing microtome	Thermo	Microm International GmbH
Confocal imaging	Olympus	FV1200
system
Micro Drill	Saeyang Microtech	Marathon-N7
Sprague Dawley	Institute of Laboratory Animal Sciences, Chinese Academy of Medical Sciences	SCKX (JUN) 2012-004
Vectastain ABC Kit	Vector Laboratories	PK-4000
superfrost plus microscope slides	Thermo	#4951PLUS-001	25x75x1mm
Photoshop and Illustration	Adobe	CS5