Method Article
We describe a protocol for in vivo labeling of olfactory sensory neurons by electroporation and subsequent confocal laser-scanning or multiphoton microscopy to visualize neuronal morphology and its development over time.
The olfactory system has the unusual capacity to generate new neurons throughout the lifetime of an organism. Olfactory stem cells in the basal portion of the olfactory epithelium continuously give rise to new sensory neurons that extend their axons into the olfactory bulb, where they face the challenge to integrate into existing circuitry. Because of this particular feature, the olfactory system represents a unique opportunity to monitor axonal wiring and guidance, and to investigate synapse formation. Here we describe a procedure for in vivo labeling of sensory neurons and subsequent visualization of axons in the olfactory system of larvae of the amphibian Xenopus laevis. To stain sensory neurons in the olfactory organ we adopt the electroporation technique. In vivo electroporation is an established technique for delivering fluorophore-coupled dextrans or other macromolecules into living cells. Stained sensory neurons and their axonal processes can then be monitored in the living animal either using confocal laser-scanning or multiphoton microscopy. By reducing the number of labeled cells to few or single cells per animal, single axons can be tracked into the olfactory bulb and their morphological changes can be monitored over weeks by conducting series of in vivo time lapse imaging experiments. While the described protocol exemplifies the labeling and monitoring of olfactory sensory neurons, it can also be adopted to other cell types within the olfactory and other systems.
The lifelong turnover of sensory neurons distinguishes the olfactory system from many other sensory and neuronal systems1,2. Newly formed sensory neurons are continuously generated in the basal portion of the olfactory epithelium3 and extend their axons into the olfactory bulb, the first relay station of the olfactory system4. However, the cellular and molecular mechanisms controlling the formation and maintenance of the olfactory map are far from being fully understood4,5.
Here, we describe a protocol for labeling sensory neurons of the olfactory organ of larval X. laevis by in vivo electroporation of fluorophore-coupled dextrans. The presented protocol allows visualization of axonal morphology and connectivity, track axonal development over time and study mechanisms regulating axonal wiring and guidance.
Electroporation is a well established method to introduce charged macromolecules, like dextran-coupled dyes and DNA, into cells6,7. The cell membrane is permeabilized by application of short voltage pulses and the molecules are electrophoretically delivered into the cytosol8. Spatially restricted electroporation using a micropipette permits selective labeling of cells including neurons and has been applied in various neuronal systems including the visual system of X. laevis9,10.
We show how the electroporated animals can be used to study axonal growth patterns and morphology in living animals using confocal laser-scanning or multiphoton microscopy. The described procedure allows identifying the coarse topology of axonal projections of sensory neurons of the main and accessory olfactory system11,12. Using in vivo time lapse imaging, it is also suitable to supervise the glomerular connections of single mature sensory neurons, and to monitor the evolution of the axonal projection patterns of immature sensory neurons12. The described protocol can be applied to investigate the structure and formation of olfactory circuits in the intact animal and can be adapted to other cell types within the olfactory and other neuronal systems.
NOT: Hayvan Deneyleri Etik için Göttingen Üniversitesi Komite tarafından onaylanmış Hayvan taşıma ve deneyler yapıldı.
Göstergeler ve Pipet Fabrikasyon 1. Hazırlık
Elektroporasyon Çözüm 2. Hazırlık
Larva X. 3. Seçim laevis </ Em>
Florofor çiftli dekstranlar 4. Elektroporasyon
Hücreler ve Akson Süreçlerinin İn Vivo Görselleştirme 5. Montaj Hayvanlar
Hücreler ve Akson Süreçlerinin Ex Vivo Görsellik 6. Montaj Hayvanlar
7. Görüntü İşleme ve Veri Değerlendirme
Açıklanan protokol, başarılı bir elektroporasyon ve anestezi X'in koku alma sisteminin duyusal nöronların aksonal süreçleri in vivo görüntüleme uygulanabilir laevis, odaklı lazer-tarama veya multiphoton mikroskobu (Şekil 1) kullanılarak.
Elektroporasyon fluoroforla birleştiğinde dekstranları girmek için ve hızla koku organın hücreleri içinde yayılmasını sağlar. Bu voltaj darbeleri tetikleyen sonra başarılı etiketleme doğrulamak için floresan aydınlatma uygulamak yararlı olacaktır. , Elektroporasyon parametrelerine bağlı olarak örn., Pipet direnci, hücreleri (Şekil 2A, B) ya da koku organın tek hücreler (Şekil 2C) grupları etiketlenir. Etiketli duyu nöronlarının akson koku sinir (Şekil 2B) olarak görülebilir ve aksonal işlemler başarılı Elektroporasyondan sonra, koku ampul de, genellikle 24 saat gözlenebilir(Şekil 3). Duyusal nöronların gruplarının Elektroporasyon koku ampul (Şekil 3A) içindeki kaba kablo desenleri görselleştirme sağlar. Tek hücre elektroporasyon koku ampul (Şekil 3C-E), glomeruler yapılar tek tek aksonal projeksiyon desenler, aksonal dallanma ve bağlantı araştırmak için uygulanabilir.
X Şeffaf albino iribaşları vivo confocal veya anestezi tadpole bozulmamış beyin etiketli duyu nöronlarının multiphoton görüntülenmesinde laevis izni. Aynı etiketli duyu nöron (Şekil 4) in vivo görselleştirme tekrarlanan tarafından aksonal büyüme desen gelişimi birkaç gün / hafta içinde izlenebilir. Koku ampul akson desen önemli ölçüde değişebilir elektroporasyon zaman noktasında duyusal nöronun vadesine bağlı. Olgun nöronlar zaten bir tutam bulunuyor ayrıntılı akson dalları sahipglomerüllere bağlı ed alanları. Olgun nöronların aksonal büyüme paterni oldukça kararlı olduğunu, ancak akson dalları ve glomerüler kümelerinin inceliklerinin uzama (Şekil 4A-E) gözlenebilir. Duyu nöronlar, uzun süreler boyunca in vivo olarak görülebilir, örneğin., Üç haftadan daha uzun (Şekil 4F) elde edilir. Diğer taraftan, olgun olmayan nöron aksonları, bir araya getirilen arborizations sahip olmayan, ilk büyüme sürecinde hala ve henüz nihai glomerüler hedeflerine bağlı değil. Deneysel protokol, olgunlaşma sırasında bu nöronların gelişimini izlemeye olanak sağlar, örneğin., Akson uzama, çatallanma ve bir araya getirilen arborizations (Şekil 4 J-L) oluşturulması. Daha fazla örnek için de Hassenklöver ve Manzini 12 bkz.
Anestezi X'in koku organı deneysel protokol Şekil 1. şematik genel bakış. (A) ana koku epiteli Duyu nöronları (MEB) veya vomeronasal organı (VNO) laevis larva fluoresan dekstran çözeltisi ile dolu bir cam pipet kullanılarak elektroporasyon yoluyla etiketlenir. Etiketli nöronların aksonları koku sinir (ON) ile takip ve sonunda koku ampul (OB) ulaşır. (B), larva anesteziye tabi tutulmuş ve işaretli sinir art arda belli bir zaman aralığında, bir eş odaklı veya multiphoton mikroskop kullanılarak incelenmiştir edilebilir. (C) işaretli hücrelerin aksonal büyüme kalıpları artan gelişimi hafta gün zaman dönemlerini kapsayan takip edilebilir.
Şekil 2. ElecKoku alma organı duyusal nöronların troporation. düşük dirençli bir pipet (A) Elektroporasyon koku organda birden fazla hücre etiketlenmesi yol açar. Bu temsilci örnekte birden fazla koku reseptörü nöronlar (ORNs, dolu ok başları) ve iki sütunlu şeklindeki destekleyici hücreleri (AVM'ler, yıldız) boyandı. Kesikli çizgiler pipet direncini artırarak, etiketli hücrelerin sayısını sınırlar, koku epiteli (OE). (B) elektroporasyon parametreleri koyan örneğin. Sınırlarını ayırmak. Bu örnekte, tek bir duyu nöronu (dolu ok başları) ve bir bitişik destek hücresi (yıldız) elektroporasyon sonra boyandı. Koku epiteli (açık ok başları) bırakarak tek akson unutmayın. (C) Başarılı tek hücre elektroporasyon bireysel duyusal nöron (dolu ok başı) ve koku epiteli onun bağlı akson (açık ok başları) özel etiketleme yol açar. (D) Tek etiketli akson (açık ok başları) koku ampul içine koku siniri (ON) üzerinden takip edilebilir.
Şekil 3. eksize koku ampul koku alma akson projeksiyonlar görselleştirme. (A) koku ampul duyu nöronlarının aksonal projeksiyonlar kaba topoloji düşük direnç elektroporasyon pipetler kullanılarak görülebilir. Bir koku ampul hemisfer ve ilişkili koku sinir (ON) tasvir edilmektedir. Farklı fluorophoresle bağlanmış dört dekstranları Koku alma organı dört uzak yerlerde elktroporatlandı: Lateral (yeşil), orta (sarı), Moe (kırmızı) ve VNO (turuncu) medial. Bu aksesuar koku ampul (AOB) ve ana koku ampul (MOB) olarak üç ana projeksiyon alanları görselleştirme sağlar. (B) koku ampul yapısı üzerine konmuş tek bir koku duyu nöronlarının Farklı aksonal büyüme modelleri. Tasvir çeşitli larva örneklerden elde edilen çok sayıda tek hücre boyamalar üç boyutlu yeniden inşa birleştirilir. Koku ampul içine çıkıntı ve küresel glomerül (dolu ok başları) püsküllü arborizations / sinaps oluşturan tek bir koku akson (CE) Örnekler. X dikkat ediniz koku aksonlar (dolu ok başları da Hassenklöver ve Manzini 12), bir, iki veya çoklu glomerül bağlanmadan önce düzenli (açık ok uçları) iki kola ayrılmış laevis.
Tek bir koku nöron akson vivo time-lapse görüntüleme Şekil 4.. (AE)Başarılı tek hücre Elektroporasyondan sonra etiketli akson defalarca koku ampul (OB) olarak görülebilir. Bu örnek, bir hafta boyunca araştırılmıştır bağımsız bir akson göstermektedir. Genel morfolojisi önemli ölçüde değişmez ve iki büyük dallanma noktaları (açık ok başları) tespit edilebilir. Diğer iki glomerüler kümeleri sabit (yıldız) olarak kalır süresi boyunca, tek bir glomerüler elyaf, sürekli bir azalma (dolu ok başı) maruz unutmayın. (FI) Bu temsili bir örneği, uzun süreli gözlemlerin canlılığını gösteren bu spesifik akson araştırılmıştır olarak fazla üç hafta boyunca. Büyüme modelinin belirgin bir değişiklik tespit edilebilir. (JL) büyüme sürecinde olgunlaşmamış duyusal akson bir örnek tasvir edilmiştir. Henüz glomerüllere ve karakteristik glomerüler püskülleri eksik bağlı değil. Aksonal dalları uzatılmış 5 gün sonra, akson birden çok kez, ince arborizations olan çatalkurdu.
Burada tarif edilen deney prosedürü, larva X'in koku organı etiketlenmesi duyu nöronları karşılaştırın fluoroforla birleştiğinde Dekstranların ve canlı hayvanın duyusal akson büyüme sonraki görselleştirme elektroporasyon ile laevis. In vivo elektroporasyon parametrelerinin değiştirilmesi ile, bu etiketlenmiş duyusal nöronların sayısını kontrol etmek mümkündür. Bu çok az ya da tek hücrelerin bir duyu epitel, nöron büyük gruplarını etiketlemek için mümkün olmaktadır.
O mikropipet özellikleri ve elektroporasyon bakliyat konusunda özellikle dikkatli olmak önemlidir nöronal etiketleme uzatmak arzu sağlamak. Yükseköğretim pipet dirençleri ve gerilim darbe genlik, süre ve tekrarlama sayısının azaltılması daha yaygın etiketlemeye neden olabilir pipet dirençleri ve yüksek gerilim darbe genliği, süresi ve bakliyat sayısının azaltılması ise, etiketli hücrelerin miktarını azaltabilirsiniz. Thelektroporasyon için floresan dekstranlardan e kullanılması uygulanan ayarlarının uygun olup olmadığını anında görsel geri bildirim sağlar. Dikkatli olun bu genlik, süre ve potansiyel hücre hasarına hatta ölüme 17 hücre olabilir protokolde verilen değerleri aşması darbelerinin sayısı parametreleri kullanılarak. Mikropipetlerin tıkanmış veya kırık uçlar da başarılı Elektroporasvon sürebiliyor.
X'in Koku alma organı in vivo elektroporasyon postmetamorphotic kurbağaların deri sert ve kolay bir mikropipet ile nüfuz edilemez çünkü laevis larva aşamasında sınırlıdır. Nöron in vivo görüntüleme derin beyin alanlarında ya da kan damarları ile uyarım / emisyon ışık saçılmasıyla engellenmiş edilebilir. Bu sorun, daha büyük bir beyin için daha yüksek bir larva aşamalarında, özellikle belirgin hale gelir ve ince aksonal süreçlerin açıkça tanımlanması daha zor hale gürültülü sinyallere neden olabilir.
Sunulan protokol izinler sınıf tüm hücre yama etiketleme gibi, hayvan diseksiyon etiketleme sırasında hücreler zarar, doku dilimleri hazırlamak veya alternatif yöntemleri için gerekli doku sabitleme olmadan sağlam koku sistemi duyusal nöronlar görselleştirmek için -clamp deneyleri 18. İn vivo zaman atlamalı görüntüleme ile veya çok az bir sensor nöronlarının etiketleme birleştirirken, bu uzun bir süre boyunca tek bir olgun duyu nöronlarının glomerüler bağlantıları görüntülemek mümkündür. Bu şekilde, bir kaç hafta boyunca olgunlaşmamış duyu nöronlarının akson projeksiyon desen gelişimini izlemek de mümkündür. Bu canlı bir hayvanda tek bir akson büyümesi düzeninin kaydedilerek olanak sağladığı için bu sonuncu seçenek, özellikle ilgi çekicidir. Bu akson rehberlik ve yol bulmanın kontrol hücresel ve moleküler mekanizmaları araştırmak için olasılık açılır. Koku reseptör ifadesi de dahil olmak üzere birçok faktör, çeşitli axon, rehberlik molekülleri ve duyu nöronlarının indüklenen-koku / spontan aktivite duyumsal nöron akson 4,5 hedef bulma regüle ettiği gösterilmiştir.Protokolün uygulanması koku duyusal nöronlar ile sınırlı değildir, aynı zamanda, örneğin, diğer hücre tipleri, çalışma için uygulanabilir., Gelişmekte olan beyin ya da koku ampul hücre mitral nörojenik bölgelerin / projenitör hücrelerini. Buna ek olarak gösterilen teknik de etiketli nöron ve / veya bağlı devre 7,19 ile ilgili işlevsel bilgi almak için zan-geçirgen kalsiyum boyalar kalsiyuma duyarlı dekstranlar ile kombinasyon halinde kullanılabilir ya da enjekte edilebilir. Dekstranlar bağlanmış florofor geniş kullanılabilirliği çoklu bireysel hücreler ya da farklı renklere sahip popülasyonlarının etiketleme izin verir. Ayrıca, flüoresan protein için, örneğin, kodlama için bir DNA çözeltisi, plazmit elektroporasyon için müsait olan ve bundan başka versatili artırabilirty ve tekniğin 6 kullanışlılığı. Protokol daha dekstranlar ve DNA ya da yüklü morpholinos birleşik elektroporasyon gen ekspresyonunu 13,17 işlemek için izin vermek için geliştirilmiş olabilir.
Anlatılan yöntem kesinlikle kompleksi ve omurgalı koku sistemi aksonal rehberlik düzenleyen hala tam olarak anlaşılmış değildir süreçlerini araştırmak için yeni bir araç temsil eder.
The authors have nothing to disclose.
This work was supported by DFG Schwerpunktprogramm 1392 (project MA 4113/2-2), cluster of Excellence and DFG Research Center Nanoscale Microscopy and Molecular Physiology of the Brain (project B1-9), and the German Ministry of Research and Education (BMBF; project 1364480).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
SZX16 | Olympus | Stereomicroscope with fluorescent illumination | |
Axon Axoporator 800A | Molecular Devices | Single cell electroporator | |
ELP-01D | npi electronic | Electroporator | |
MMJ | Märzhäuser Wetzlar | Manual micromanipulator | |
P-1000 | Sutter | Horizontal micropipette puller | |
G150F-4 | Warner Instruments | Glass capillaries for electroporation pipette fabrication; internal filament makes backfilling easier | |
Alexa 488-dextran 10 kD | Life Technologies | D22910 | |
Alexa 546-dextran 10 kD | Life Technologies | D22911 | |
Alexa 568-dextran 10 kD | Life Technologies | D22912 | |
Alexa 594-dextran 10 kD | Life Technologies | D22913 | |
TMR-dextran 3 kD (micro-Ruby) | Life Technologies | D7162 | |
Microloader pipette tips | Eppendorf | 930001007 | |
Tricaine (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate) | Sigma-Aldrich | E10521 | Anesthetic; use gloves |
A1-MP | Nikon | Multiphoton microscope | |
LSM 780 | Zeiss | Confocal microscope | |
Imaris | Bitplane | Alternative software for neuronal tracing |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır