Method Article
该协议的目的是展示如何对 嗜血杆菌 幼虫的机械结节进行改进的检测。我们在这里使用测定来证明机械过敏(合金和高过敏症)存在于 嗜血杆菌 幼虫中。
对嗜血杆菌中机械结节的公开检测导致了行为的可变评估。在这里,我们制造,用于果蝇幼虫,定制金属镍钛合金(尼蒂诺)长丝。这些机械探针类似于脊椎动物用来测量机械节点的冯·弗雷灯丝。在这里,我们演示了如何制造和校准这些机械探头,以及如何从潜移默化(无害或非有害范围)产生完全的行为剂量响应到超负(低至高有毒范围)刺激。为了证明探针的效用,我们调查了果蝇幼虫组织损伤引起的过敏症。机械合金(对通常无害的机械刺激的过敏)和高镇痛(对有毒机械刺激反应过度)尚未在嗜血杆菌幼虫中建立。使用通常无害的机械探针或通常引起逆向行为的探针,我们发现果蝇幼虫在组织损伤后会产生机械过敏(合金和高过敏症)。因此,我们在这里说明的机械探针和测定可能是解剖机械超敏的基本分子/遗传机制的重要工具。
嗜血杆菌 幼虫在接触不同的有毒刺激时表现出一种典型的逆向滚动行为:热1、机械2和化学3。这种行为显然不同于正常的运动。在这里,我们描述了一个改进的机械检测,可用于评估机械节点和机械敏化。
在最近的一项研究中,我们用尼蒂诺线4制造了冯·弗雷式的灯丝。施加不同力和压力的探针是由形成每个探针的尼蒂诺线的长度和直径变化而形成的。机械探针经过校准,测量的力值(在千禧年,mN)转换为压力(千帕,kPa),基于每个探头4的尖端区域。机械探头的定制制造允许我们生成低于(≤200 kPa)以超高(225 kPa 到 5318 kPa)压力,这在原则上可能有利于研究机械超敏性。使用这些改进的机械冯弗雷样长丝,我们表明,压力4,而不是先前检查的力量2,5,6更一致与逆向行为反应在嗜血杆菌幼虫。这里描述的改进的机械检测也有助于识别一个保存血管内皮生长因子(VEGF)相关的受体酪氨酸激酶信号的通路,调节机械结节在苍蝇和大鼠4。
与热(冷热)和化学感官模式3、7、8、9、10相比,两种超敏模式的机械合金和高镇痛在嗜血杆菌幼虫中研究得相对不足。这可能是由于缺乏具体的机械探头,跨越从无害的刺激到高有毒范围2,5,6。一种通常无害的刺激,在嗜血杆菌幼虫经历组织损伤3、7后引起典型的逆向滚动行为,被称为合金。对典型的有害刺激的夸张滚动反应被称为高过敏症7。有毒刺激被定义为那些引起组织损伤,并可以激活受体11。传染给嗜血杆菌幼虫的有害刺激会损害屏障表皮、外周无知觉神经元3、4、7或两者兼有。
在本文中,我们演示了如何定制和校准适合 嗜血杆菌 幼虫的冯弗雷式机械探针。此外,我们展示了如何使用这些探针来检测 果蝇 幼虫中的机械无知反应。最后,我们进一步证明了这些探针的效用,利用它们来证明在 嗜血杆菌 幼虫组织损伤后,机械过敏,包括合金和高镇痛的存在(见 代表结果)。
1. 机械探头结构
2. 幼虫的准备
3. 机械节点检测
4. 结合显微镜评估神经元形态学
5. 组织损伤的量化
我们开发了定制的机械探针,使用硝基醇长丝(图1A,N),以引起机械唤起的行为,并产生一个完整的行为剂量反应曲线,使用无害和有毒的机械探头不同强度(图2D),证明这些探头可用于研究基线(在没有伤害的情况下)机械节点。
我们的行为测定结果确定,探针施加压力低于200千帕(约1.57 mN)(图1M),当应用于 嗜血杆菌 幼虫,不会引起逆向滚动反应(图2D 和 视频3)。不出所料,这些潜移默化或非有毒的机械探头(175千帕或200千帕)不会引起可见的神经元组织损伤(图2E)。因为它们不会诱发损伤,因此此类探针可用于评估机械合金(对通常非有害的机械刺激的过敏)。相反,超常或有毒的探针(从462千帕到5,116千帕),以剂量依赖的方式引起增强的行为反应(图2D),更高的压力引起更强的行为反应。不出所料,超高的机械压力也诱发剂量依赖组织损伤的外周感官神经元本身(图2E)。从每组四个幼虫中测出的组织损伤面积(μm2 ±标准偏差)为:2,051.03 ± 703.81(462 kPa),5,102 .29 ± 1,004.67 (2,283 kPa) 和 12,238.83 ± 3,724.11 (5,116 kPa)。因此,大于或等于462 kPa(约63 mN)的压力,它唤起逆向滚动反应(在幼虫的25%或更多),并导致可见的神经元组织损伤(图2E),可能适合研究机械性高镇痛(对通常有毒的机械刺激过敏)。无感知机械探头(≥462 kPa)总是诱发组织损伤(n = 10,经过定性评估),但并不总是引起逆向滚动响应。
为了评估机械超敏(合金和高镇痛),我们使用了一个成熟的嗜血杆菌幼虫模型的无知觉敏化,使用紫外线(UV)照射诱导组织损伤7,12。这一分析有助于剖析热无知觉超敏8、9、10、13、14、15的遗传和细胞机制。为了确定紫外线治疗是否导致机械合金失调,中三星对照(w1118)幼虫是模拟照射或紫外线照射(15-20mJ/cm2)(图3A)。然后,幼虫在2小时、4小时、8小时、16小时和24小时处理后用通常的潜移默化机械探针(200千帕,1.57米N)进行行为测试。大约20%的幼虫在紫外线治疗后最早在2小时后做出反应,50%的幼虫在4小时反应,相比之下,6.6%和8.3%的模拟紫外线照射动物(图3B)。这表明紫外线引起的组织损伤导致机械合金在4小时后照射。在较晚的时间点(8小时、16小时和24小时)时,紫外线处理幼虫的行为反应在16%-20%的响应者范围内(平均值为n=3-6组,每组10幼虫),与模拟辐照对照组(在3%-6%的响应者范围内)相比略有增加(但不具有统计学意义), 平均值为n=3-6组,每组10幼虫)(图3B)。
为了研究机械性高镇痛,使用了超压(462 kPa,3.63 mN),通常诱发约20%的幼虫(图2D)的逆向滚动反应,并导致神经元组织损伤(图2E)。我们应用了 462 kPa 探针到幼虫的侧,无论有没有紫外线引起的组织损伤(图 3A )。我们发现,紫外线治疗后在4小时、8小时和16小时探测的幼虫在逆向滚动反应中显著增加,其中4小时是行为超敏的峰值(60%响应):模拟紫外线照射动物表现出27%的逆向反应(图3C)。与机械合金尼亚类似,紫外线处理动物在8小时、16小时和24小时的行为反应(在36%-42%范围内)在统计学上与未处理的幼虫没有区别(在20%-26%之间)。与明星阶段的中间第三阶段相比,星期后期第三阶段的Larvae确实显示出基线行为反应的轻微下降。我们假设这可能是由幼虫的大小增加(图2A)或覆盖身体的层盖的厚度增加。这一事实可以解释为什么在后期开发阶段,紫外线处理不会引起更大的机械敏化,如观察到的4小时后紫外线处理。
综合起来,我们的结果表明, 果蝇 幼虫在紫外线诱发的组织损伤后,会发展成机械合金和机械性高镇痛。机械合金和高镇痛的高峰期相同,紫外线治疗后4小时:然而,机械性高镇痛有一个更明显的时间尾巴,因为它返回基线比机械合金更慢。
图1:开发一种类似冯·弗雷的工具,以评估 嗜血杆菌 幼虫的机械节点。 (A) 用于研究 嗜血杆菌 幼虫中机械探针的图片。(B) 硝基醇丝及其相对直径显示为相对尺度。(C) 用于切割硝基醇丝的对角线切割机的图片。(D) 用锋利的石头平滑切割的尼他诺灯丝的锋利边缘。(E) 用于在探头的木冰棒手柄上打孔的皮下针。针尖需要达到手柄杆的至少一半高度,才能插入安全的灯丝。(F-G)通过用插入孔粘入木制冰棒手柄,将硝基醇长丝粘附。(H-L)通过按压机械探头来校准它们。(M) 不同机械探头产生的力值(mN)和压力(在 kPa 中)。用于构造探头的每个硝基醇长丝的长度 (P1-P10:P:探针)详细为厘米(厘米)。(N) 一套完整的机械探头的图片,从174千帕到5,116千帕不等。 请点击这里查看此数字的较大版本。
图2:机械节点检测:冯·弗雷样的灯丝产生逆向滚动行为的剂量反应曲线,并导致感觉神经元组织损伤。 (A) 果蝇 幼虫不同阶段(第二和第三星)的图片。比例尺栏: 2 毫米 (B) 第三星 果蝇 幼虫的果体视图的卡通。红点表示应用机械探头的腹部段。T: 胸科部分:答:腹部部分。其他解剖地标被标记。(C)检测的卡通:机械探针应用于幼虫的,直到它弯曲到下面的表面,然后保持 2s 。如果压力足够高,这会在释放时引起反向滚动响应。(D) 行为剂量反应:每个蓝点代表幼虫的百分比,这些幼虫对10种动物体内的机械刺激做出逆向滚动反应。小提琴情节的百分比的逆向滚动行为诱导不同的机械探头。kPa:千帕。框图表示中位数(绿色)、胡须(红色)表示第 10 和第 90 个百分位数。(E) 组织损伤: 第三个星内幼虫 (基因型 ppk-Gal4>UAS-mCD8-GFP标记无感知感官神经元) 在背段 A8 与指示的压力进行探测。然后检查荧光标记的配对 ddaC IV 类感官神经元(穿过正名中线)(见第 4 节和第 5 节)。白色区域(红色星号)表示间隙或组织损伤。比例:100μm。在面板 B 中,幼虫显示在正向视图中,而 C 显示的是横向视图。机械探针压在幼虫的鼻角膜侧面,在探头尖端和周围区域的接触点产生凹陷状口袋。向心室侧弯曲的实心黑线是口袋的顶部,而破折号的灰色横向线表示侧面和口袋底部。 请点击这里查看此数字的较大版本。
图3:紫外线损伤后的机械超敏。 (A) 实验设计的示意图,以测试敏感性。中三星被模拟处理(非紫外线)或紫外线照射。然后在模拟治疗或辐照后,在不同的时间点(2小时、4小时、8小时、16小时和24小时)进行机械节点检测。 (B) 机械合金:在模拟处理或紫外线照射后,在指示的时间点用通常的潜移默化或非有害的机械刺激(200 kPa,1.57 mN)进行探测后,表现出逆向滚动的幼虫百分比。(C) 机械性高镇痛:在模拟治疗或紫外线照射后,在指示的时间点用通常超常或有毒的机械刺激(462 kPa,3.63 mN)进行探测后,表现出逆向滚动的幼虫百分比。错误条表示平均值 +/- SEM.用于统计分析的双尾未修制 t测试:*p < 0.05,**p < 0.01:ns:不重要。每个红点,在B和C面板中,代表10个幼虫的平均比例,n = 3-6套每个时间点/条件。 请点击这里查看此数字的较大版本。
视频1:嗜血杆菌幼虫的正常运动。请点击这里下载此视频。
视频2:嗜血杆菌幼虫的有害机械刺激。请点击这里下载此视频。
视频3:对嗜血杆菌幼虫进行下垂机械刺激。请点击这里下载此视频。
我们使用用尼他诺丝制成的定制机械探针改进了已建立的机械检测1、2、16。 这种金属合金使我们能够使用直径较小的细丝,适合果蝇幼虫的大小。捕鱼线为基础的单鱼已经主宰了飞行机械节点领域至今2,5,6,16。我们的尼他诺灯丝保持其形状和测量压力约约3-5个月(根据我们的经验)。通过改变硝基醇长丝的长度和直径,用户可以产生从次压到几乎完全滚动响应的广泛压力。特别是,用直径较小的尼他诺灯丝制造子保持探针更简单。利用这些探针,我们发现压力,而不是力,会引起更一致的鼻塞行为反应4。我们在这里演示,使用一个成熟的紫外线诱导无感知敏化模型7,10,13,这些灯丝也是研究机械过敏症-合金和高镇痛的有用工具。
先前使用钓鱼线制造的机械探头的研究已经导致行为反应能力2、6、16、17有一定的变异性。有几个因素可以解释这一点。首先,由于压力是重要的变量,因此灯丝尖端的抛光使其四舍五入且没有任何锋利的边缘至关重要。其次,报告压力值而不是仅仅是力对实验的可重复性很重要,因为产生类似力的不同机械探针可以引起不同的压力4。第三,使用有毒探针对每只幼虫只应用一次机械刺激至关重要,因为这种探针在表皮4和感觉神经元水平(图2E)产生依赖剂量的组织损伤。第二次或随后的有毒机械刺激,在组织损伤被诱导后,可能会损害受影响的外周感觉神经元的功能,并引起行为反应的改变。在另一项研究中,幼虫刺激两次与有毒的机械探头大多显示增强的行为反应5,建议发展急性机械敏化(过敏症),这可能是由第一次有毒机械刺激引起的组织损伤。相反,其他作者6报告了混合(增加或减少)行为反应,表明行为反应的改变可能是由于神经元组织的损伤/功能障碍。刺激每个幼虫只有一次消除可能的行为反应差异,无论是由敏感或组织损伤。第四,我们机械地刺激了A8段,这比以前的研究(首选区域A3-A4)2,5,16更后。适用于 A2 或 A8 段的约 3,900 kPa 和 5,300 kPa 之间的探头没有显示任何行为差异4。此外,与 A2-A4 相比,A8 更容易使用产生较低压力(<300 kPa)的机械探针进行刺激,因为该区域的幼虫更薄,因此更容易压缩。其他研究表明,幼虫后端的有毒机械刺激(由刚性昆虫针提供,用钳子固定)大多引起前向运动,而不是逆向或滚动反应18。这种不同的行为反应可能是由于废旧材料(可弯曲的尼他诺灯丝与不可压缩的昆虫针)的特性差异,或向幼虫输送的不同压力(未报告昆虫针的压力值)。
对嗜血杆菌幼虫进行机械结节检测,使该领域发现,不同的机械感官离子通道和神经回路调解机械结节5、6、16、17。然而,与其他感官模式的敏化相比,对机械超敏(合金和高镇痛)的研究滞后——热7、8、10、13、14、冷9和化学3。这种滞后部分可能是由于缺乏合适的机械探头,可以产生跨越俯视到超压的完整响应范围。特别重要的是,特别是对于评估机械合金,是不会引起未受伤幼虫的反向滚动反应的潜移默化探针。我们改进的机械探头的意义在于,它们可以被制造来跨越无害的刺激(低于 174 kPa-200 kPa)或低到高有毒范围(超高 =225 kPa 到 ~5,116 kPa)。在这里,我们演示使用尼蒂诺冯弗雷一样的丝状物,果蝇幼虫开发机械合金和机械高镇痛后紫外线照射。与热敏相比,机械敏化表现出一些差异。与热(热)敏化(高镇痛~8小时和合金过敏症~24小时)相比,机械敏化的发病和峰值都更早(~4小时)7.此外,机械合金和高镇痛是伴随的(均峰值为~4h)。此外,虽然热敏(合金和高镇痛)在以后的时间点7完全解决,机械超敏表现出一个长尾巴,保持略高于基线。德罗索菲拉的冷敏化涉及冷唤起行为9的开关和新的冷唤起行为的出现——这种现象在机械刺激下是不被观察到的。这些在发病、持续时间和观察到的行为上的差异表明,每个感官模式可能由不同的信号通路控制。将此处描述的敏化检测与Drosophila中可用的强大遗传工具相结合,应允许对观测到的机械过敏症(合金和高镇痛)进行精确的基因解剖。
作者没有什么可透露的。
我们感谢托马斯王开发原型冯弗雷丝,帕特里克J.黄改进机械探针检测,布卢明顿果蝇库存控制中心(w1118)和 ppk-Gal4>UAS-mCD8-GFP 飞行股票,和加尔科实验室成员批判性地阅读手稿。这项工作得到了R21NS087360和R35GM126929对MJG的支持。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Beaker | Fisher Scientific | 02-540C | Beaker of 10 ml of capacity. Any similar container will do. |
Black (Arkansas) bench stone | Dan’s Whetstone | SKU: I200306B24b-HQ-BAB-622-C | Used to smoothe any irregularities of the nitinol wire tips. https://www.danswhetstone.com/product/special-extra-wide-black-bench-stone-6-x-2-1-2-x-1-2/ |
Confocal microscope | Olympus | FV1000 | Any equivalent confocal microscope will do |
Coplin Jar | Fisher Scientific | 08-816 | https://www.fishersci.com/shop/products/fisherbrand-glass-staining-dishes-10-slides-screw-cap/08816#?keyword=08-816 |
Diethyl ether | Fisher Scientific | E138-500 | For anesthetizing larvae. |
Etherization chamber | This is a homemade customized chamber. Please see details of its construction in our previous published paper12. The purpose of the etherization chamber is allow entry of diethyl ether fumes but prevent larval escape. | ||
Fiber Optic Light Guide | Schott AG | A08575 | Schott Dual Gooseneck 23 inch |
Forceps | Fine Science Tool | FS-1670 | For transferring larvae |
Glue | Aleene's | N/A | Aleene's® Wood Glue, formerly called (Aleene's All-Purpose Wood Glue) https://www.aleenes.com/aleenes-wood-glue |
Graspable holder | Loew Cornell | N/A | Loew-Cornell Simply Art Wood Colored Craft Sticks, 500 pieces. |
Halocarbon oil 700 | Sigma | H8898-100ML | |
Hypodermic needle 30G 1/2"L | Fisher Scientific | NC1471286 | BD Precisionglide® syringe needles, gauge 30, L 1/2 inches. Used to make a hole into the wooden holder for the nitinol wires |
Large Petridish | Falcon | 351007 | 60 mm x 10 mm Polystyrene Petridish |
Microscope (Zeiss) Stemi 2000 | Carl Zeiss, Inc. | NT55-605 | Any equivalent microscope will do |
Microscope Cover Glass 22x22 | Fisher | 12-545-B | |
Microscope Cover Glass 22x40 | Corning | 2980-224 | Tickness 1 1/2 |
Microscope Slides | Globe Scientific Inc. | 1358Y | |
Mini Diagonal Cutter | Fisher Scientific | S43981 | For cutting nitinol filaments |
Nitinol filaments, Diameters: 0.004”, 0.006”, 0.008” | Mailin Co | N/A | Fifteen pieces of each diameter of 12” length were ordered. https://malinco.com/ |
Piece of black vinyl | Office Depot | N/A | We use a small piece of vinyl cut from a binder. Dark color provides contrast. A small piece allows orientation of the larva |
Small Petridish | Falcon | 351008 | 35 mm x 10 mm Polystyrene Petridish |
Spatula | Fisher Scientific | 21-401-10 | Double-Ended Micro-Tapered Stainless Steel Spatula. Used to place the food in the petri dish |
Wipes | Fisher Scientific | 06-666A | Kimpes KMTECH, Science Brand. Used to dry larvae of excess moisture. |
W1118 | Bloomington Drosophila Stock Center | 3605 | Control strain for behavioral assays |
ppk-Gal4>UAS-mCD8-GFP | Bloomington Drosophila Stock Center | 8749 | Strain for fluorescent labeling of class IV md neurons |
请求许可使用此 JoVE 文章的文本或图形
请求许可This article has been published
Video Coming Soon
版权所属 © 2025 MyJoVE 公司版权所有,本公司不涉及任何医疗业务和医疗服务。