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* これらの著者は同等に貢献しました
この研究では、さまざまな年齢でマウスの内耳から内リンパ嚢を解剖する方法について説明しています。同様の解剖の結果は、内リンパ嚢の肥大の Slc26a4-nullマウスモデルで示されています。内リンパ嚢に蛍光レポーターを発現させたトランスジェニックマウスを、内リンパ嚢を容易に可視化するためのモデルとして、また教育ツールとして提示します。
ヒトの聴覚障害とバランス障害の変異マウスモデルの研究は、ヒトの表現型に寄与する可能性のある多くの構造的および機能的変化を解明しました。蝸牛と前庭の神経感覚上皮の発達と機能の理解において重要な進歩が見られましたが、内リンパ嚢の発達、細胞組成、分子経路、および機能的特性に関する知識は限られています。これは主に、1つの細胞層のみで構成される上皮であるこの組織を視覚化して顕微鏡で解剖することが難しいためです。ここで紹介する研究では、さまざまな年齢で野生型マウスの内耳から内リンパ嚢にアクセスし、マイクロダイセクションするアプローチについて説明しています。同様の解剖の結果は、前庭水道の拡大のペンドリン欠損マウスモデルで示されています。蛍光性内リンパ嚢を有するトランスジェニックマウスを提示。このレポーターマウスは、限られた解剖で内リンパ嚢を容易に視覚化し、そのサイズを決定するために使用できます。また、内リンパ嚢の解剖方法を教える教育ツールとしても使用できます。これらの解剖手順は、内耳のこの研究されていない部分のさらなる特徴付けを容易にするはずです。
哺乳類の内耳は、蝸牛、球形嚢、卵形嚢、3つの半規管、および内リンパ嚢で構成されています(図1A)。これらの臓器は、膜性迷路と呼ばれる連続した液体で満たされた上皮を構成し、隣接する臓器は、直接または尿管、嚢管、卵形管、内リンパ管などの小さな管構造を介して接続しています。内耳の他の器官と比較して、内リンパ嚢は独特の特徴を持っています。まず、感覚上皮細胞が不足しています。代わりに、内リンパ嚢にはイオン輸送に特化した細胞があります。第二に、膜性迷路は骨迷路に囲まれていますが、内リンパ嚢は例外であり、部分的に錐体骨から頭蓋内腔に突き出ています。この形態は、内耳の進化中に高度に保存されているようです。第三に、内リンパ嚢は、他の臓器が形成される前の初期胚段階で耳嚢から発生する最初の構造です。さらに、いくつかの病状は、肥大した内リンパ嚢または異常な内リンパコンパートメントに関連しています。SLC26A4に病原性多様体(ペンドリン遺伝子とも呼ばれる)が存在すると、前庭水道(EVA)の肥大に伴う内リンパ嚢の肥大によって引き起こされる、比較的一般的な感音難聴を引き起こします。甲状腺腫と関連づけられるとき、それはペンドレッド症候群2,3として参照されます。メニエール病は、内リンパ管の異常(水腫)4と関連していると考える人もいます。内リンパ嚢のユニークな特徴とその形態の変化に関連する病状は、内耳の発達と維持のための重要な役割と一致しています。
その重要性にもかかわらず、内リンパ嚢の発生、細胞組成、分子経路、および機能的特性に関する知識はまだ限られています。これは、少なくとも部分的には、この組織を視覚化して顕微鏡で解剖することの難しさによるものです。内リンパ嚢は袋状の構造で、上皮細胞の単層で構成されており、上皮細胞は半透明であることが多く、光立体顕微鏡でそれを取り囲む結合組織から同定することは非常に困難です。少数の研究者がホールマウント解剖技術を開発し、実験結果を発表しました5,6,7,8,9,10、この手順の技術的な詳細に焦点を当てた出版物はありません。
この研究では、野生型マウスの内耳から内リンパ嚢にアクセスして分離するために開発されたマイクロダイセクションアプローチについて説明します。同様の解剖の結果は、SLC26A4の発現を欠くマウスモデルで示されており、内リンパ管と嚢が肥大しています。内リンパ嚢で発現するCreリコンビナーゼをコードする導入遺伝子を持つマウス系統が報告されています。Cre発現の蛍光レポーターの存在下では、ここではtdTomato、蛍光を使用して、限られた解剖で内リンパ嚢を容易に視覚化し、そのサイズに関する情報を得ることができます。このレポーターマウスラインは、内リンパ嚢解剖を実践し、完成させるための教育ツールとしても使用できます。内リンパ嚢組織を解剖する能力は、この研究が進んでいないが内耳の不可欠な構成要素のさらなる特性評価を容易にするはずです。
すべての動物実験および手順は、国立神経疾患・脳卒中研究所/国立難聴・コミュニケーション障害研究所の動物管理委員会(#1264)および東京医科歯科大学動物実験委員会(A2020-058A)の承認を受けたプロトコルに従って行われました。
注:C57BL/6Jマウス(品番000664)、Pds-/-別名Slc26a4-/-マウス(129S-Slc26a4 tm1Egr/AjgJ、No.018424)11、B6;CBA-Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mmマウス12およびAi9(LSL-RCL-tdT)(B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm9(CAG-tdTomato)Hze, no. 007909)マウス13は、ジャクソン研究所から入手可能であり、ご要望に応じて入手可能です。すべてのジェノタイピング手順は、以前に説明されています。B6;CBA-Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/MmマウスをC57BL/6J株に少なくとも5世代戻し交配したマウスを実験用に飼育しました。このアプローチでは、男女の動物を明らかな違いなく研究することができます。一晩の交配後の最初の日は、胚の日0.5(E0.5)としてカウントされます。
1.頭蓋骨の無傷の内耳の採取と固定
2. 内リンパ嚢マイクロダイセクション
3. 免疫組織化学
出生後5日目(P5)マウスの野生型内リンパ嚢のこのマイクロダイセクションの各ステップは、関連するビデオで詳細に説明されており、この解剖の主要なステップと内リンパ嚢の開口部のスナップショットが図1と図2に示されています。
このプロトコルに続いて、胚の 16.5 日目 (E16.5)、P5 および P30 で tdTomato 蛍光を発した内リンパ嚢の解剖の代表的な結果を図 3 および補足図 1 および補足図 2 に示します。蛍光付き解剖顕微鏡を使用すると、Cre発現:Ai9(LSL-RCL-tdT)のレポーターの存在下で、導入遺伝子Tg(ATP6V1B1-Cre)を保有するマウスの脳を切除した後、頭蓋骨内で内リンパ嚢を容易に視覚化できます(図3A-B、および解剖のさまざまな段階で内リンパ嚢の入射光とtdTomato蛍光で撮影された画像については補足図1を参照)。これらのマウスでは、Creは内リンパ嚢および内リンパ管全体に沿って細胞内でモザイクとして発現します(図3、蛍光レポーターありとなしの内リンパ嚢の視覚化については補足図2も参照してください)。このレポーターの発現は、この上皮の2つの細胞タイプの1つである内リンパ嚢16のミトコンドリアに富む細胞に限定されるAtp6v1b1の内因性発現に特異的ではありませんが(図5E)、内リンパ嚢を同定し解剖するのに役立つ補助材料です。
前庭水道の拡張のためにマウスモデルから解剖された内耳を 図4に示します。対照同腹仔と比較して、SLC26A4(ペンドリン)が不足しているマウスの内リンパ嚢と管が肥大しています。
図5に、結合組織の有無にかかわらず、無傷の内リンパ嚢の免疫組織化学の代表的な画像を示します。P5野生型マウスの開放内リンパ嚢の免疫組織化学の結果も示されています(図5F-G)。内リンパ嚢は、袋状の構造に折り畳まれた上皮の単層で構成され、その内腔に内リンパが含まれています。この上皮は、ミトコンドリアに富む細胞とリボソームに富む細胞の2つの細胞タイプで構成されています(図5E)。ホールマウントの内リンパ嚢は、内リンパが存在しなくなったため、平らになります。嚢は上皮の2つの絡み合った層として現れるため、この上皮で発現するタンパク質の細胞内局在を特定することは困難です。内リンパ嚢を開くことにより、単層上皮を容易に視覚化でき、内リンパ嚢内腔に対する目的のタンパク質の相対的な分布をより明確に決定できます。これらのタンパク質の潜在的な頂端(内リンパがある場所は管腔)と基礎の濃縮はより正確に決定できます。一例として、SLC26A4はミトコンドリアが豊富な細胞の頂端側で濃縮されています(図5F)。
図 1.出生後5日目(P5)の野生型マウスの内リンパ嚢の全マウント解剖。
(A)発達したマウスの内耳の膜迷路の模式図(右)。内リンパ嚢の位置、および蝸牛と前庭の構造が示されています。この図はHonda et al.16から修正されています。
(B)左半頭蓋骨を示す矢状中央部。内リンパ嚢の位置が示されています(矢印)。(O、後頭部;F、前頭)
(C)側頭骨の扁平上皮部分と一緒に耳嚢。
(D)パネルCの点線ボックスに重ねられた重要なランドマーク(ES、内リンパ嚢;ED、内リンパ管;VA、前庭水道;ASC、前半規管;PSC、後部半規管;CC、一般的なクリュ;SS、S状結腸洞)
(E)内リンパ嚢を通るパネルDの連続した白い線に沿った断面の概略図。内リンパ嚢の近位側は、内リンパ管とともに前庭水道と呼ばれる骨管で覆われています。遠位側では、結合組織(CT)に囲まれた内リンパ嚢が骨迷路の外側に伸びて突き出ており、側頭骨の扁平上皮部分(TB)で硬膜(DM)とS状結腸洞の間に挟まれています。
(F)細い針を使用して内リンパ嚢の周りを切断します(パネルDの黄色の点線に従います)。
(G)アスタリスク(*※、パネルEにも示されている)で示された位置に組織を保持し、それを剥がすことにより、調製物を側頭骨から慎重に取り除きます。
(H)周囲の組織を持つ孤立した全内リンパ嚢。
(I)この孤立した内リンパ嚢と周囲の組織の概略図。
(J)周囲の組織のない孤立した内リンパ嚢。
スケールバー:2 mm(B)、1 mm(J)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 2.P5野生型マウスの開いた内リンパ嚢の解剖。
(A)ステップ2.4では、前庭水道の切開線をわずかに前方(赤い点線)に配置して、内リンパ嚢内腔に切開します。
(B)製剤のステム部分を持ち、内腔に27ゲージの針を挿入し、それを動かして内リンパ嚢を2枚にカットします。
(C)パネルBの概略図。
(D)各シートの端を鉗子で保持し、互いに分離します。
(E)パネルDの概略図。
(F)内リンパ嚢は、上皮と周囲の組織を含む2枚のシートに分離されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 3. R26LSL-RCL-tdT/+の解剖;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn マウス内リンパ嚢E16.5、P5、P30。提示されたすべての画像は、tdTomato蛍光の検出用に装備された1 x対物レンズを備えた実体顕微鏡を使用して得られたtdTomato蛍光を示しています。
(A、B)E16.5 R26LSL-RCL-tdT/+の頭蓋骨の中央矢状部分。Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn マウスの(A)および(B)半脳除去前および(B)後。tdTomato蛍光は、内耳の位置を概説します。内リンパ嚢は、解剖しなくても容易に見えます(矢印)。
(C、E、G)E16.5、P5、P30マウスからそれぞれ内耳を分離した。
(D、F、H)対応する微小解剖された内リンパ嚢と管の高倍率画像。P30では、内リンパ管が骨にカプセル化されているため、分離が特に困難です。スケールバー:2 mm(A、B、C、E、G)、500 μm(D、F、H)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 4.肥大した内リンパ嚢を有する耳嚢の肉眼的解剖学的構造。Slc26a4+/-(左)およびSlc26a4-/-(右)マウスの内耳はP105で同腹仔を飼っています。前庭水道と内リンパ嚢および管(黒い点線)は、Slc26a4-/-マウスのものと比較してSlc26a4-/-マウスで拡大されます。スケールバー:2 mm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図 5.SLC26A4 E16.5およびP5の内リンパ嚢上皮におけるミトコンドリアに富む細胞の発現。
(A、B)抗SLC26A4抗体(緑)とβ-アクチンを標識するファロイジン(ACTB、赤)で標識したE16.5マウスから単離された内リンパ嚢。
(C)抗SLC26A4抗体(緑)で標識したP5マウスの開いた内リンパ嚢の低倍率画像。ファロイジン(ACTB、赤)は、内リンパ嚢の存在とその周囲の結膜組織を強調するために使用できます。
(D)抗SLC26A4抗体で標識された単離された内リンパ嚢(緑)。
(E)頂端表面が微絨毛で覆われているミトコンドリアリッチ細胞とリボソームリッチ細胞の2種類の細胞の存在を強調した内リンパ嚢上皮の模式図。
(F-G)内リンパ嚢を開き、抗SLC26A4抗体(緑)とファロイジン(ACTB、赤)で標識した後のP5の内リンパ嚢上皮の高倍率画像。頂端膜レベルでの代表像をGに、点状の白線レベルでのzスタックから再構成した断面をFに示します。細胞の核はDAPI(青)で標識されています。
スケールバー:100μm(A、B);200 μm (C, D) ;20 μm (F, G)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
補足図1.P5 R26LSL-RCL-tdT/+の入射光とそれに対応するtdTomato蛍光画像;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mnマウスの内耳を3段階の解剖で観察します。 内リンパ嚢と内リンパ管は、tdTomato蛍光を使用して容易に視覚化できます。
(A-B)P5 R26LSL-RCL-tdT/+の無傷の半頭蓋骨の後部にある内耳の領域。Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mnマウス。
(C-D)皮膚と頭蓋骨の一部を切除することで、内リンパ嚢の領域をよりよく視覚化することができます。
(E、F)内リンパ嚢がまだ結膜組織に関連付けられている孤立した内耳。
(A、C、E)入射光で撮影された画像。(B、D、F)対応する組織のtdTomato蛍光。スケールバー:2 mm(AB)、1 mm(CF)。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足図2.R26LSL-RCL-tdT/+の単離された内リンパ嚢の蛍光の比較; E16.5およびP5の Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/MnおよびR26LSL-RCL-tdT/+同腹仔マウス。tdTomato蛍光は、内リンパ嚢と内リンパ管の認識を大幅に促進します。
(A-C)E16.5 R26LSL-RCL-tdT/+の微小解剖された内リンパ嚢;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn (A) および R26LSL-RCL-tdT/+ 同腹仔マウス (B, C).
(D-F)P5 R26LSL-RCL-tdT/+の微小解剖された内リンパ嚢;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn (D) および R26LSL-RCL-tdT/+ 同腹仔マウス (E, F).
(A、B、D、E)tdTomato蛍光。(C、F)B、Eに対応する入射光像 スケールバー:500μm。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
多くの研究者は、パラフィン包埋切片または凍結切片を使用して、内リンパ嚢の形態学的研究を行っています。切片調製物の欠点は、内リンパ嚢内の各上皮細胞のサイズと形状が非常に変動し、しわのある偽層状の細胞層を形成するため、複雑な細胞間接触を完全に観察することが困難になることです。このプロトコルに記載されているホールマウント免疫染色およびzスタックイメージングにより、内リンパ嚢の三次元構造のより良好な可視化が可能になります。
マイクロダイセクションを成功させるための重要なポイントは、野生型マウスでは見えない場合でも、内リンパ嚢の全体像を精神的に視覚化することです。図3および補足図1-2に示す蛍光レポーターの観察は、マウスの内リンパ嚢の局在とサイズを認識するのに役立ちます。
このホールマウント解剖法は、上記のプロトコルの免疫染色に使用されましたが、この技術は、RT-qPCR、マイクロアレイ発現、さらにはシングルセルRNA-seqなどの遺伝子発現解析のための内リンパ嚢組織の採取にも使用できます。このプロトコルで調製した組織を用いたシングルセルRNA-seq解析の結果は、これまでに報告されている16。内リンパ嚢上皮細胞の遺伝子発現解析では、他の隣接組織とのコンタミネーションがないように単離された上皮を採取することが好ましい。胚性内リンパ嚢は隣接する結合組織から分離することができますが、後の年齢でそれを行うのははるかに困難です。高齢マウスの標本については、コラゲナーゼ/ディスパーゼと37°Cで5分間インキュベートすることが推奨され、内リンパ嚢上皮の単離が容易になります。
このプロトコルに記載されるホールマウント免疫染色の欠点の1つは、元の三次元構造が、スライドガラスとカバースリップとの間の調製物の解剖または取り付け中の外傷によって影響を受ける可能性があることである。操作によるアーティファクトを避けるための注意が必要です。
著者は何も開示していません。
この研究は、NIHの学内研究プログラムであるNIDCD(NIH Intramural Research Funds Z01-DC000060 and ZIC DC000081 to the Advanced Imaging Core)によって部分的に支援されました。ラウル・D・ネルソン博士とR・ランス・ミラー博士(ユタ大学、ユタ州ソルトレイクシティ)、スーザン・ウォール博士(エモリー大学医学部、ジョージア州アトランタ)には、Tg(ATP6V1B1-Cre)マウスを共有していただき、NIDCD動物施設のスタッフには動物の世話をしていただき、感謝いたします。フィリン・ワンゲマン博士には、内耳の美しいイラストを提供していただき、感謝の意を表します。この原稿を批判的にレビューしてくださったThomas B. Friedman博士とRobert J. Morell博士に感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
EDTA 0.5 M | Crystalgen | 221-057 | |
1 mL TUBERCULIN syringe with 27G x 13mm | BD | 309623 | |
9-well spot glass plate | Pyrex | 13-748B | |
Alexa Fluor 555-conjugated phalloidin | ThermoFisher Scientific | A34055 | |
Artery Scissors - Ball Tip | Fine Science Tools | 14080-11 | |
Bovine serum albumin | Sigma Aldrich | A3059 | |
Camera to capture images in incident light | Leica | DFC 495 | |
Camera to capture fluorescent images | Leica | DFC 7000 GT | |
Centrifuge tubes 15 mL | Corning | 430053 | |
Centrifuge tubes 50 mL | Corning | 430829 | |
Collagenase/Dispase | Roche | 10269638001 | |
Confocal microscope | Zeiss | LSM 880 | |
Cover Glass | Corning | 2940-223 | |
Dumont #4 Forceps | Fine Science Tools | 11241-30 | |
Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 11251-20 | |
Dumont #55 Forceps | Fine Science Tools | 11255-20 | |
Extra Fine Bonn Scissors | Fine Science Tools | 14084-08 | |
Alternative: Extra Fine Micro Dissecting Scissors; Straight; Sharp Points; 20mm Blade Length; 3 1/2" Overall Length | Roboz | RS-5880 | |
Goat anti-rabbit Alexa Fluor 488-conjugated secondary antibody | ThermoFisher Scientific | A11034 | |
MicroSlides Superfrost | VWR | 48311-702 | |
Orbital shaker, for example Mini Shaker | Daigger | 980275 | |
Paraformaldehyde (PFA) 16% Aqueous Solution | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Phosphate-Buffered Saline (10X) pH 7.4 | ThermoFisher Scientific | AM9624 | |
ProLong Gold Antifade Mountant with DAPI | ThermoFisher Scientific | P36931 | |
Rabbit anti-Pendrin antibodies | In-house | RRID:AB_2713943, PB826 (Choi et al., 2011) | |
Ring Forceps | Fine Science Tools | 11106-09 | |
Rocking shaker, for example GyroMini | Labnet | S0500 | |
Stereomicroscope equipped with a PlanApo 1.0x objective | Leica | ||
Stainless Steel Single Edge Blades, .009" | GEM Personna | 62-0176 | |
Tissue culture dish 60 mm | Falcon | 353002 | |
Transparent nail polish | |||
Triton X-100 | ACROS Organics | 32737-1000 |
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