Method Article
Мы представляем подробные протоколы для выполнения малоугольных рентгеновских экспериментов дифракции с использованием нетронутых мышечных скелетных мышц. С широкой доступностью трансгенных моделей мыши для болезней человека, эта экспериментальная платформа может сформировать полезный испытательный койк для выяснения структурной основы генетических заболеваний мышц
Трансгенные модели мыши были важными инструментами для изучения взаимосвязи генотипа с фенотипом для заболеваний человека, включая скелетные мышцы. Мышь скелетной мышцы было показано, производить высокое качество рентгеновского дифракции моделей на третьем поколении синхротронных лучей, обеспечивая возможность связать изменения на уровне генотипа с функциональными фенотипами в здоровье и болезни, определив структурные последствия генетических изменений. Мы представляем подробные протоколы для подготовки образцов, сбора рентгеновских узоров и извлечения соответствующих структурных параметров из рентгеновских моделей, которые могут помочь экспериментаторам, желающим провести такие эксперименты для себя.
Синхротрон малоугольная рентгеновская дифракция является методом выбора для изучения nm-масштабной структуры активно говорении мышечных препаратов в физиологических условиях. Важно отметить, что структурная информация от живых или кожурой мышечной подготовки могут быть получены синхронно с физиологическими данными, такими как мышечная сила и изменения длины. Там был растущий интерес к применению этого метода для изучения структурной основы наследственных заболеваний мышц, которые имеют свою основу в точке мутации в саркомерикных белков. Сообщество мышечной биофизики было очень активным в генерации трансгенных моделей мыши для этих человеческих заболеваний условиях, которые могли бы обеспечить идеальные испытательные кровати для структурных исследований. Последние публикации из нашей группы1,2,3и другие4,5 указали, что рентгеновские узоры от мыши разгибателя digitorum longus (EDL) и подошвы мышцы могут обеспечить все дифракционная информация, доступная из более традиционных модельных организмов, таких как лягушка и кролик psoas скелетной мышцы. Преимуществом подготовки мышечной массы мыши является легкость вскрытия и выполнения основных мембранно-нетронутых, целые мышечные физиологические эксперименты. Размеры расчлененной мышцы имеют достаточную массу, чтобы дать высоко детализированные мышечные модели в очень короткие рентгеновские сроки экспозиции (миллисекунда в кадре) на рентгеновских лучах третьего поколения.
Модели дифракции мышечной рентгеновской дифракции состоят из экваториальных отражений, меридиональных отражений, а также отражений линии слоя. Соотношение экваториальной интенсивности (отношение интенсивности 1,1 и 1,0 экваториальных отражений, I11/I10),тесно коррелирует с числом прикрепленных кросс-мостов, что пропорционально силе, генерируемой в мышечной скелетной мышце 2. Меридиональные отражения, которые сообщают периодии в толстой и тонкой нити могут быть использованы для оценки расширяемость нити1,3,6,7. Особенности дифракции не на меридиане и экваторе называются слоеобразными линиями, которые возникают из примерно хелически упорядоченных головмиозина на поверхности толстой нити позвоночника, а также приблизительно хлоэнчевидно упорядоченных тонких нитей. Интенсивность линий слоя миосина тесно связана со степенью заказа миозина в различных условиях2,8. Вся эта информация может быть использована исследование поведения саркомерикных белков на месте в области здоровья и болезней.
Синхротронная рентгеновская дифракция мышц исторически была сделана командами узкоспециализированных экспертов, но достижения в области технологий и наличие новых инструментов сокращения данных указывают на то, что это не всегда так. BioCAT Beamline 18ID на Расширенный источник фотона, Аргоннской национальной лаборатории выделен персонал и вспомогательные средства для выполнения мышечной рентгеновской дифракции экспериментов, которые могут помочь новичкам на местах начать использовать эти методы. Многие пользователи предпочитают официально сотрудничать с сотрудниками BioCAT, но все большее число пользователей считают, что они могут делать эксперименты и анализ себя снижение нагрузки на лучевой персонал. Основная цель данной работы заключается в обеспечении обучения, которое обеспечивает потенциальных экспериментаторов с информацией, необходимой для планирования и выполнения экспериментов на мышечной системы мыши либо на bioCAT луч или на других высоких лучей потока вокруг мире, где эти эксперименты были бы возможны.
Все протоколы экспериментов на животных были утверждены Иллинойском технологическим институтом институционального ухода за животными и угодьем Комитета (Протокол 2015-001, Дата утверждения: 3 ноября 2015) и следовали NIH "Руководство по уходу и использованию лабораторных животных"9 .
1. Предварительная подготовка к эксперименту
2. Подготовка мышц
3. Рентгеновская дифракция
ПРИМЕЧАНИЕ: Следующее описание для рентгеновских экспериментов дифракции, сделанных с использованием малого угла рентгеновского дифракционного инструмента на BioCAT луч 18ID на Расширенный фотон Источник, Аргоннской национальной лаборатории, но аналогичные методы могут быть использованы на других лучах ID 02 в ESRF (Франция) и BL40XU на SPring8 (Япония). Луч 18ID управляется при фиксированной энергии рентгеновского луча 12 кэВ (0,1033 нм длина волны) с потоком инцидентов в 1013 фотонов в секунду в полном пучке.
4. Пост-эксперимент лечения мышц
Изометрическое столбняка. Любой классический мышечный механический эксперимент, такой как изометрические или изотонические сокращения, может быть выполнен с одновременным приобретением рентгеновских моделей. Рисунок 1 A показывает экспериментальную установку для механических и рентгеновских экспериментов. Пример следа силы для изометрического столбняка сжимающе показан в рисунке 1B. Мышца держалась на покоя в течение 0,5 с, прежде чем активировать сяртрию в течение 1 с. Механическая запись останавливается 1 с после стимула. Рентгеновские модели были собраны непрерывно по всему протоколу при 1 мс времени воздействия на 500 Гц.
Рентгеновские дифракционные модели. Мышечный рентгеновский дифракционный узор может дать нанометровое разрешение структурной информации от структур внутри саркомера. Модели дифракции мышечной рентгеновской дифракции состоят из четырех эквивалентных квадрантов, разделенных экватором и меридианом. Экваториальный узор возникает из упаковки миофилатата в саркомере перпендикулярно оси волокна, в то время как меридиональные модели сообщают структурную информацию из миофиламентов вдоль мышечной оси. Остальные отражения не на экваторе или меридиане называются слоеными линиями. Линии слоя (например, функции, помеченные MLL4 и ALL6 на рисунке 2A) возникают из примерно свекольного расположения молекулярных субъединиц внутри миозина, содержащего толстые нити и актин, содержащий тонкие нити. Линии слоя на основе миозина сильны и остры в узорах от отдыха мышцы(рисунок 2A), в то время как актин основе слоя линии являются более заметными в шаблонах от сокращения мышц (Рисунок 2B). Различия моделей, полученных путем вычитания отдыха картины из шаблона сокращения(Рисунок 2C) может пролить свет на структурные изменения во время развития силы в здоровой и больной мышцы. Следуя этим структурным изменениям в миллисекундной временной шкале молекулярных событий во время сокращения мышц, модели рентгеновской дифракции могут выявить существенную структурную информацию(рисунок 2D).
Анализ данных с использованием MuscleX. Вот пример экваториального анализа отражений с использованием "экватора" рутины в пакете MuscleX (Рисунок 3). MuscleX — это пакет программного обеспечения для анализа с открытым исходным кодом, разработанный в BioCAT13. Соотношение экваториальной интенсивности (I1,1/ I1,0) является показателем близости миозина к актину в мышце отдыха (рисунок3А), в то время как это тесно коррелирует с числом прикрепленных кросс-мостов в договоре ( Рисунок 3B) мурин скелетной мышцы2. Коэффициент интенсивности, я1,1/ I1,0, составляет около 0,47 в мышцах отдыха и около 1,2 в контракте мышцы. Расстояние между двумя отражениями 1,0 (2'S1,0)обратно связано с межнити интервал. Подробная документация и руководства для MuscleX доступны онлайн13.
Рисунок 1 : Установка и протокол механического и рентгеновского эксперимента. (A) Мышца установлена на одном конце крючка внутри экспериментальной камеры, а другой конец двойного режима двигателя / силы преобразователя. Он проводится между двумя окнами пленки Kapton, чтобы рентгеновские лучи, чтобы пройти. Камера наполнена раствором Ringer, наполненным 100% кислородом на протяжении всего эксперимента. (B) Механический протокол для рентгеновских экспериментов на мышцах во время столбняка сокращения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 2 : модели дифракции рентгеновского рентгеновского снимка EDL. EDL мышцы рентгеновского дифракции картины от отдыха (A) и сокращения (B) мышцы. (C) Разница шаблон между отдыха и договоров шаблона. Синий регион указывает на высокую интенсивность в шаблоне отдыха, в то время как желтая область представляет высокую интенсивность в шаблоне сжимания. (D) Рентгеновский дифракционный шаблон от 1 мс воздействия с мышцей EDL. MLL1 - линия слоя миозина первого порядка; MLL4 - Линия четвертого порядка миозина; ALL1 - Линия первого уровня actin ACTin ALL6 - линия шестого порядка actin слоя; ALL7 - линия седьмого порядка actin слоя; ТМ и отражение тропомиозина (указанное белым ящиком); M3 - меридиональное отражение третьего порядка; M6 - шестой порядок меридионального отражения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Рисунок 3 : Анализ данных экваториальных моделей с использованием MuscleX. Фон вычитается экваториальной интенсивности коэффициента профиля (в то время как область) и первые пять ордеров (зеленые линии) были пригодны для расчета интенсивности каждого пика. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.
Последние публикации из нашей группы показали, что рентгеновские модели из мыши скелетной мышцы могут быть использованы, чтобы пролить свет на саркомерик структурной информации от мышц в области здравоохранения и болезни1,2,3 особенно с увеличение доступности генетически модифицированных моделей мыши для различных миопатий. Механические исследования высокого разрешения на отдельных волокнах или небольших пучках в сочетании с рентгеновской дифракцией лучше всего делать экспертами. Если, однако, более скромной механической информации будет достаточно для ваших целей, вся подготовка мышц позволяет сбор подробных рентгеновских моделей из простой подготовки.
Чистое вскрытие является ключом к успешному комбинированному механическому и рентгеновскому эксперименту. Очень важно не тянуть на целевой мышцы, а также другие мышцы, связанные с подошвами или EDL мышц во время вскрытия, поскольку это может разорвать части мышц и привести к снижению силы. Это также может привести к повреждению внутренней структуры, которая будет ухудшать рентгеновские узоры. Так как все будет рассеиваться в рентгеновском луче, важно, чтобы очистить от любого дополнительного жира, коллагена в фасции, а также любые волосы или свободные кусочки ткани при выполнении следующего протокола. Чтобы уменьшить дополнительное соответствие в подготовке мышц, также важно надежно привязать сухожилия к крючкам, как можно ближе к мышечному телу, не повреждая его.
Различные рентгеновские время экспозиции может обеспечить различные виды информации из той же мышцы. Используя полный луч на 18ID, анализируемый экваториальный шаблон может быть получен в 1 мс экспозиции (см. Рисунок 2D). Для анализа первого миозина слой линии отражения, 10 мс общее время экспозиции, как правило, требуется. Для сбора более высокого порядка меридиональных отражений, таких как M15 (2,8 нм миозина меридионального отражения) и 2,7 нм актина меридионального отражения, как правило, по крайней мере 1 с общей экспозиции не требуется, но более 2 с общей экспозиции рекомендуется для высокой точности Измерения.
Важен выбор оптимального рентгеновского детектора для эксперимента. Для наиболее подробных рентгеновских моделей индивидуальный детектор CCD, такой как детектор BioCAT с пикселями около 40 мкм и функциями распространения точек в фосфоре, может обеспечить шаблоны с высоким динамическим диапазоном и хорошим пространственным разрешением, но может принимать только один кадр за один раз. Для времени решенных экспериментов, фотон подсчета пиксель массива детектор на BioCAT может собирать рентгеновские узоры на 500 Гц. Размер пикселей 172 мкм с помощью этого детектора, однако, не обеспечивает достаточное пространственное разрешение для детального изучения внутренней части меридиана, но является адекватным для большинства других целей. BioCAT приобрела фотоновый детектор высокого разрешения, обеспечивающий реальное разрешение 75 мкм при максимальной частоте кадров 9000 Гц. Подобные детекторы этого типа, как ожидается, вытеснят текущие детекторы для исследования мышц в течение следующих нескольких лет.
При очень высоких потоках рентгеновских лучей на синхротронах третьего поколения, радиационное повреждение является серьезной проблемой. Это всегда хороший выбор, чтобы смятение пучка, чтобы доставить не больше пучка, чем это необходимо для наблюдения желаемых функций дифракции. Такое же общее рентгеновское облучение может быть достигнуто путем продления времени воздействия с ослабленного луча. Преимущество фотон подсчета детекторов массива пикселей заключается в том, что отдельные кадры могут быть суммированы вместе без штрафа за шум. Даже в этом году возможны радиационные повреждения. Признаки радиационного повреждения включают падение максимальной силы сжатия, размазывание отражений линии слоя, даже изменение цвета мышц.
Одним из ограничений нетронутой подготовки мыши скелетных мышц является трудность в получении саркомера длина от нетронутой мышцы во время экспериментов. Мышцы слишком толстые для видеомикроскопии и лазерной дифракции. В то время как с будущими разработками можно оценить длину саркомера непосредственно от дифракционных моделей14, в ближайшем будущем единственным вариантом является измерение его после эксперимента, как описано здесь.
Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.
В этом исследовании использовались ресурсы Advanced Photon Source, Управления министерства энергетики США (DOE) Для Научного Фонда Пользователей, управляемого Для Управления науки Министерства энергетики По аргоннской национальной лаборатории по контракту No. ДЕ-AC02-06CH11357. Этот проект был поддержан грантом P41 GM103622 от Национального института общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения. Использование детектора Pilatus 3 1M было предоставлено грантом 1S10OD018090-01 от NIGMS. Содержание является исключительно ответственностью авторов и не обязательно отражает официальные взгляды Национального института общих медицинских наук или Национальных институтов здравоохранения.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#5 forceps | WPI | 500342 | |
4/0 surgical suture | Braintree Sci | SUT-S 108 | |
Aquarium air stone | uxcell | a regular air stone from a pet store would be fine | |
CaCl2 | Sigma-Aldrich | C5670 | |
CCD detector | Rayonix Inc | MAR 165 CCD | |
Data acquisition system | Aurora Scientific Inc | 610A | |
Elastomer compound | Dow Corning | Sylgard 184 | |
Glucose | Sigma-Aldrich | G8270 | |
HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
High resolution photon counting detector | Dectris Inc | EIGER X 500K | |
High-power bi-phasic current stimulator | Aurora Scientific Inc | 701 | |
Iris Scissors | WPI | 501263-G | |
KCl | Sigma-Aldrich | P9541 | |
MgSO4 | Sigma-Aldrich | M7506 | |
Micro scissor | WPI | 503365 | |
Motor/force transducer | Aurora Scientific Inc | 300C-LR | |
NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
Petri dish | Sigma-Aldrich | CLS430167 | |
Photon counting detector | Dectris Inc | Pilatus 3 1M | |
Stainless Steel wire | McMaster-carr | 8908K21 | |
Suture Tying Forceps | WPI | 504498 | |
Video sarcomere length measuring system | Aurora Scientific Inc | 900B |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены