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El protocolo describe el método de carga de un tinte de calcio fluorescente a través del nervio cortado en las terminales nerviosas motoras del ratón. Además, se presenta un método único para registrar transitorios rápidos de calcio en las terminaciones nerviosas periféricas mediante microscopía confocal.
La estimación del nivel de calcio presináptico es una tarea clave en el estudio de la transmisión sináptica, ya que la entrada de calcio en la célula presináptica desencadena una cascada de eventos que conducen a la liberación de neurotransmisores. Además, los cambios en los niveles de calcio presináptico median la actividad de muchas proteínas intracelulares y juegan un papel importante en la plasticidad sináptica. El estudio de la señalización del calcio también es importante para encontrar formas de tratar las enfermedades neurodegenerativas. La unión neuromuscular es un modelo adecuado para estudiar la plasticidad sináptica, ya que tiene un solo tipo de neurotransmisor. Este artículo describe el método para cargar un tinte sensible al calcio a través del haz de nervios cortado en las terminaciones nerviosas motoras de los ratones. Este método permite la estimación de todos los parámetros relacionados con los cambios intracelulares de calcio, como el nivel de calcio basal y el calcio transitorio. Dado que la afluencia de calcio desde el exterior de la célula hacia las terminales nerviosas y su unión / desunión al tinte sensible al calcio ocurre dentro del rango de unos pocos milisegundos, se requiere un sistema de imágenes rápido para registrar estos eventos. De hecho, las cámaras de alta velocidad se utilizan comúnmente para el registro de cambios rápidos de calcio, pero tienen parámetros de baja resolución de imagen. El protocolo presentado aquí para el registro transitorio de calcio permite una resolución espacio-temporal extremadamente buena proporcionada por microscopía confocal.
El problema de medir las ondas rápidas de calcio en las células excitables es uno de los aspectos más importantes y desafiantes del estudio de la transmisión de señales en los sistemas nerviosos central y periférico. Los iones de calcio juegan un papel importante en el desencadenamiento de la liberación de neurotransmisores, la plasticidad sináptica y la modulación de la actividad de varias proteínas intracelulares 1,2,3,4,5. El estudio de la señalización del calcio también es importante para encontrar formas de tratar las enfermedades neurodegenerativas6. Para medir los cambios en los niveles de calcio, se utilizan comúnmente colorantes fluorescentes sensibles al calcio, y se analizan los cambios en su nivel de fluorescencia 7,8,9.
La carga de colorantes de calcio en las células se puede lograr de diferentes maneras. Predominantemente, se utilizan colorantes perfeccionados por células10,11. Sin embargo, en tal caso, no solo es difícil controlar la concentración de un tinte dentro de la célula, sino que también es difícil seleccionar las células objetivo para la carga. Este método no es aplicable para estudiar las terminaciones nerviosas periféricas ya que el tinte entra en las células postsinápticas. En cambio, los tintes impermean celulares son más adecuados para tales preparaciones. En este caso, los colorantes se administran a las células mediante microinyección o a través de una pipeta de parche12,13,14. También hay un método de carga a través de un muñón nervioso. Este último método es el más adecuado para preparaciones de unión neuromuscular 15,16,17,18,19,20. Permite realizar tinción solo para células de interés. Aunque este método no proporciona una evaluación precisa de la concentración del colorante en la célula diana, la concentración puede estimarse aproximadamente comparando el nivel de fluorescencia de las células en reposo en soluciones con una concentración conocida de calcio21. En este estudio, se presenta una modificación de este método aplicado a las sinapsis de mamíferos.
La entrada de calcio durante la fase de despolarización del potencial de acción es un proceso rápido, especialmente en la unión neuromuscular; Por lo tanto, para su registro, se requiere el equipo adecuado1. Un estudio reciente que utilizó un tinte fluorescente sensible al voltaje demostró que la duración del potencial de acción en la sinapsis periférica de un ratón es de aproximadamente 300 μs22. El calcio transitorio, evaluado utilizando colorantes sensibles al calcio en las sinapsis periféricas de la rana, tiene una duración más larga: el tiempo de subida es de aproximadamente 2-6 ms y el tiempo de descomposición es de aproximadamente 30-90 ms, dependiendo del colorante de calcio utilizado23,24. Para medir procesos rápidos con la ayuda de tintes fluorescentes, generalmente se utilizan cámaras CCD o CMOS, con matrices CCD rápidas y sensibles. Sin embargo, estas cámaras tienen la desventaja de baja resolución, limitada por el tamaño de los elementos sensibles de la matriz25,26,27,28. Las cámaras más rápidas con sensibilidad suficiente para registrar tanto potenciales de acción como transitorios de calcio en respuesta a la estimulación de baja frecuencia de las células tienen una frecuencia de barrido de 2.000 Hz, y una matriz con una dimensión de 80 x 8029. Para obtener señales con una mayor resolución espacial, se utiliza microscopía confocal, especialmente si es necesario evaluar algunos cambios volumétricos en la señal30,31,32. Pero debe tenerse en cuenta que la microscopía confocal tiene una alta velocidad de escaneo en modo de escaneo en línea, pero todavía existen limitaciones significativas en la velocidad de grabación de procesos rápidos al construir una imagen espacial33. Existen microscopios confocales basados en discos giratorios de Nipkow (microscopía de barrido de hendidura) y escáneres multipunto-array, que tienen una mayor velocidad de barrido. Al mismo tiempo, son inferiores a los microscopios confocales clásicos en el filtrado de imágenes confocales (diafonía estenopeica para microscopios con un disco de Nipkow)32,34,35. La imagen confocal con escaneo de resonancia también puede proporcionar una alta resolución espacio-temporal requerida para mediciones temporales altas36. Sin embargo, tenga en cuenta que el registro de respuestas fluorescentes débiles a una alta velocidad de escaneo cuando se utilizan escáneres de resonancia requiere detectores altamente sensibles como los detectores híbridos36.
Este artículo presenta un método para aumentar la resolución temporal de las señales registradas con la Microscopía Confocal de Barrido Láser (LSCM) manteniendo la resolución espacial37. El método actual es un desarrollo adicional de los métodos descritos anteriormente y transferidos a la plataforma LSCM38,39,40. Este enfoque no requiere cambios en el hardware del microscopio y se basa en la aplicación de un algoritmo para registrar periódicamente señales fluorescentes evocadas con un cambio de tiempo relativo al momento de la estimulación.
Los experimentos se realizaron en preparaciones nerviosas-musculares aisladas de elevador del auris largo (m. LAL) de los ratones BALB/C (20-23 g, 2-3 meses de edad)41. Los procedimientos experimentales se realizaron de acuerdo con las directrices para el uso de animales de laboratorio de la Universidad Federal de Kazán y la Universidad Médica de Kazán, de conformidad con la Guía de los NIH para el cuidado y uso de animales de laboratorio. El protocolo experimental cumplió con los requisitos de la Directiva 86/609/CEE del Consejo de las Comunidades Europeas y fue aprobado por el Comité de Ética de la Universidad Médica de Kazán.
1. Preparación de las soluciones de Ringer y Filing
2. Procedimiento de carga de tinte
NOTA: El procedimiento de carga de tinte se realiza de acuerdo con el protocolo de carga a través del muñón nervioso, adaptado de los protocolos publicados anteriormente 19,42,43,44,45,46.
3. Captura de vídeo con microscopía confocal
NOTA: El registro de transitorios de calcio se realiza con un microscopio confocal de barrido láser (LSCM) (consulte la Tabla de materiales). Para registrar transitorios rápidos de calcio, se utilizó un protocolo original que permitía grabaciones de señales con una resolución espacial y temporal suficiente. El método ha sido descrito a fondo en la publicación de Arkhipov et al37. El microscopio estaba equipado con un objetivo de inmersión en agua 20x (1.00 NA). La línea láser de 488 nm se atenuó al 10% de intensidad y la fluorescencia de emisión se recogió de 503 a 558 nm.
Figura 1: El esquema de la configuración experimental. 1. Microscopio confocal de barrido láser (LSCM). 2. Módulo de sincronización de LSCM (caja de disparo). 3. Estimulador. 4. Unidad de aislamiento. 5. La muestra biológica. 6. Electrodo de succión para la estimulación eléctrica del nervio. 7. Sistemas de perfusión (7a: depósito de perfusión, 7b: gotero, 7c: regulador de flujo, 7d: matraz de vacío). Las flechas apuntan a la dirección de propagación del pulso de sincronización. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Nervio del ratón y terminales cargados con el indicador Ca2+. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
4. Procesamiento de video
NOTA: Una serie de imágenes de vídeo adquiridas por el microscopio confocal se exporta en formato TIFF con el software libre LAS X (ver Tabla de Materiales). Esta serie se dividió en marcos y se exportó a una carpeta. Para generar la secuencia de imágenes con mayor resolución temporal, se utilizó el software ImageJ, que tiene un código inicial abierto para el análisis y procesamiento de los datos. El algoritmo de procesamiento de señales se representa esquemáticamente en la Figura 3.
Figura 3: Esquema para compilar un archivo de vídeo de alta resolución (2 ms en fotograma) a partir de archivos de vídeo originales con una resolución temporal baja (52 ms en fotograma). Los archivos de vídeo originales y las señales correspondientes están coloreados en negro, magenta y verde. El archivo de vídeo compilado y la señal resultante son de color rojo. El esquema de la derecha, línea por línea, muestra las imágenes de video obtenidas con un microscopio confocal. A la izquierda, las señales correspondientes de fluorescencia cambian del ROI seleccionado. La línea superior se forma cuadro por cuadro a partir de los marcos recibidos de acuerdo con el esquema. El resultado es una imagen de vídeo que consiste en toda la matriz de fotogramas para que haya un tiempo de retardo de 2 ms entre fotogramas en lugar de 52 ms. Cada línea corresponde a un desplazamiento de la señal de estimulación por (n - 1) * t, donde t es el cambio de tiempo (2 ms), y n es el número de iteraciones de desplazamiento. k indica el número de fotogramas en los archivos de vídeo originales (líneas 2-4) y depende de la duración de la señal grabada. En este caso, para registrar una señal con una duración de 1 s, es necesario seleccionar k = 20 (52 ms * 20 = 1040 ms). t0 es el retraso requerido antes de la estimulación. Para calcular el número de iteraciones de desplazamiento n, la resolución temporal inicial entre fotogramas (52 ms) debe dividirse por la resolución temporal requerida (2 ms). En este caso, n = 26, que corresponde a 26 barridos registrados. Como resultado de las manipulaciones realizadas, se obtiene una imagen de video que consta de n * k = 520 cuadros. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
5. Análisis de vídeo
NOTA: En ImageJ, seleccione ROI y fondo. Resta el fondo del ROI. Los datos se representan como la relación, (ΔF / F 0 - 1) * 100%, donde F0 es la intensidad de fluorescencia en reposo y ΔF es la intensidad de fluorescencia durante la estimulación.
Después de cargar la preparación con colorante de acuerdo con la técnica presentada, la mayoría de las sinapsis ubicadas cerca del muñón nervioso tenían un nivel suficiente de fluorescencia (ver Figura 2). Después de cargar la preparación con el tinte y aplicar el método descrito de registro y procesamiento de imágenes, se obtuvieron transitorios de calcio con la resolución espacial y temporal deseada (ver Figura 4). El transitorio de calcio se ha re...
En este artículo se presenta el método para cargar colorante sensible al Ca2+ en terminaciones nerviosas de ratón a través del muñón nervioso y para registrar un transitorio rápido de calcio utilizando un microscopio confocal. Como resultado de la implementación de este método de carga, la mayoría de las sinapsis ubicadas cerca del muñón nervioso tenían un nivel suficiente de fluorescencia para permitir el registro de la entrada de calcio en las terminaciones nerviosas en respuesta a la estimulaci...
Los autores no tienen nada que revelar.
Los estudios de fluorescencia de este trabajo se llevaron a cabo con el apoyo financiero de la Subvención de la Fundación Rusa de Ciencias (proyecto No. 19-15-00329). El método fue desarrollado bajo la financiación de la asignación del gobierno para FRC Kazan Scientific Center de RAS АААА-А18-118022790083-9. La investigación se desarrolló con el uso del equipo del Centro Federal de Investigación "Kazan Scientific Center of RAS". Los autores desean agradecer al Dr. Victor I. Ilyin por la lectura crítica de este manuscrito.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Capillary Glass | Clark Electromedical instruments, UK | GC150-10 | |
Confocal and multiphoton microscope system Leica TCS SP5 MP | Leica Microsystems , Heidelberg, Germany | ||
Flaming/Brown Micropipette Puller P 97 | Sutter Instrument, USA | P-97 | |
Flow regulator | KD Medical GmbH Hospital Products, Germany | KD REG | Disposable infusion set with Flow regulator |
HEPES | Sigma-Aldrich, USA | H0887 | 100mL |
Illumination system Leica CLS 150X | Leica Microsystems, Germany | ||
ImageJ | National Institutes of Health, USA | http://rsb.info.nih.gov/ij/download.html | |
Las AF software | Leica Microsystems, Heidelberg, Germany | ||
Las X software | Leica Microsystems, Heidelberg, Germany | https://www.leica-microsystems.com/products/microscope-software/p/leica-las-x-ls/ | |
Magnetic Holder with Suction Tubing | BIOSCIENCE TOOLS, USA | MTH-S | |
Microspin FV 2400 | Biosan, Latvia | BS-010201-AAA | |
Minutien Pins | Fine science tools, Canada | 26002-20 | |
Multi-spin MSC 3000 | Biosan, Latvia | BS-010205-AAN | |
Oregon Green 488 BAPTA-1 pentapotassium salt | Molecular Probes, USA | O6806 | 500 μg |
Pipette | Biohit, Russia | 720210 | 0.5-10 µL |
Pipette tip | Biohit, Russia | 781349 | 10 µL |
Plasticine | local producer | ||
Single-use hypodermic needles | Bbraun | 100 Sterican | 0.4×40 mm |
Spreadsheet program | Microsoft, USA | Microsoft Office Excel | |
Stereomicroscope, Leica M80 | Leica Microsystems , Germany | ||
Suction electrode | Kazakov A. SIMPLE SUCTION ELECTRODE FOR ELECTRIC STIMULATION OF BIOLOGICAL OBJECTS / A. Kazakov, M. Alexandrov, N. V. Zhilyakov et al. // International research journal. - 2015. - No. 9 (40) Part 3. - P. 13-16. | http://research-journal.org/biology/prostoj-vsasyvayushhij-elektrod-dlya-elektricheskoj-stimulyacii-biologicheskix-obektov/ | |
Sylgard 184 elastomer | Dow Corning, USA | ||
Syringe | local producer | 0.5 mL | |
Syringe | local producer | 60 mL |
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