Name: measurement of total calcium in neurons by electron probe x-ray microanalysis
Uploaded: 2013-11-20T17:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Measurement of Total Calcium in Neurons by Electron Probe X-ray Microanalysis at JoVE.com

Vi vil gjerne takke Ms Christine A. Winters for utmerket teknisk assistanse. Dette arbeidet ble støttet av Basic Neuroscience Program av ninds egenutført Research Program, NIH (Z01 NS002610).

Den tilnærmingen som er beskrevet her ble utviklet ved hjelp av spesifikke instrumenter, verktøy og programvare. Fordi labs ikke skal bruke den samme eksperimentelle oppsettet tilnærmingen er generalisert der det er mulig. En. Rapid Frysing Den analytiske fremgangsmåte som skal beskrives er helt avhengig av kryogeniske metoder for: 1) &quot;cryofixation» av celler eller vev på en måte som bevarer kvantitativt fordelingen av diffunderbart vevskomponenter og k...

<ol>
	<li>Aronova, M. A., Kim, Y. C., Pivovarova, N. B., Andrews, S. B., Leapman, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+EFTEM+mapping+of+near+physiological+calcium+concentrations+in+biological+specimens.">Quantitative EFTEM mapping of near physiological calcium concentrations in biological specimens.</a> Ultramicroscopy. 109, 201-212 (2009).</li><li>Aronova, M. A., Leapman, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Elemental+mapping+by+electron+energy+loss+spectroscopy+in+biology.">Elemental mapping by electron energy loss spectroscopy in biology.</a> Methods Mol. Biol. 950, 209-226 (2013).</li><li>Bezprozvanny, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Calcium+signaling+and+neurodegenerative+diseases.">Calcium signaling and neurodegenerative diseases.</a> Trends Mol. Med. 15, 89-100 (2009).</li><li>Fernandez-Segura, E., Warley, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electron+probe+X-ray+microanalysis+for+the+study+of+cell+physiology.">Electron probe X-ray microanalysis for the study of cell physiology.</a> Methods Cell Biol. 88, 19-43 (2008).</li><li>Gibson, G. E., Starkov, A., Blass, J. P., Ratan, R. R., Beal, M. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cause+and+consequence:+Mitochondrial+dysfunction+initiates+and+propagates+neuronal+dysfunction,+neuronal+death+and+behavioral+abnormalities+in+age-associated+neurodegenerative+diseases.">Cause and consequence: Mitochondrial dysfunction initiates and propagates neuronal dysfunction, neuronal death and behavioral abnormalities in age-associated neurodegenerative diseases.</a> Biochim. Biophys. Acta. 1802, 122-134 (2010).</li><li>Leapman, R. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+techniques+in+electron+microscopy.">Novel techniques in electron microscopy.</a> Curr. Opin. Neurobiol. 14, 591-598 (2004).</li><li>LeFurgey, A., Bond, M., Ingram, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Frontiers+in+electron+probe+microanalysis:+application+to+cell+physiology.">Frontiers in electron probe microanalysis: application to cell physiology.</a> Ultramicroscopy. 24, 185-219 (1988).</li><li>Newbury, D. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+new+X-ray+mapping:+X-ray+spectrum+imaging+above+100+kHz+output+count+rate+with+the+silicon+drift+detector.">The new X-ray mapping: X-ray spectrum imaging above 100 kHz output count rate with the silicon drift detector.</a> Microsc. Microanal. 12, 26-35 (2006).</li><li>Pierson, J., Vos, M., McIntosh, J. R., Peters, P. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Perspectives+on+electron+cryotomography+of+vitreous+cryo-sections.">Perspectives on electron cryotomography of vitreous cryo-sections.</a> J. Electron Microsc. 60, S93-S100 (2011).</li><li>Pivovarova, N. B., Hongpaisan, J., Andrews, S. B., Friel, D. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Depolarization-induced+mitochondrial+Ca+accumulation+in+sympathetic+neurons:+spatial+and+temporal+characteristics.">Depolarization-induced mitochondrial Ca accumulation in sympathetic neurons: spatial and temporal characteristics.</a> J. Neurosci. 19, 6372-6384 (1999).</li><li>Pivovarova, N. B., Nguyen, H. V., Winters, C. A., Brantner, C. A., Smith, C. L., Andrews, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Excitotoxic+calcium+overload+in+a+subpopulation+of+mitochondria+triggers+delayed+death+in+hippocampal+neurons.">Excitotoxic calcium overload in a subpopulation of mitochondria triggers delayed death in hippocampal neurons.</a> J. Neurosci. 24, 5611-5622 (2004).</li><li>Ritchie, N. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spectrum+simulation+in+DTSA-II.">Spectrum simulation in DTSA-II.</a> Microsc. Microanal. 15, 454-468 (2009).</li><li>Stanika, R. I., Winters, C. A., Pivovarova, N. B., Andrews, S. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Differential+NMDA+receptor-dependent+calcium+loading+and+mitochondrial+dysfunction+in+CA1+vs.+CA3+hippocampal+neurons.">Differential NMDA receptor-dependent calcium loading and mitochondrial dysfunction in CA1 vs. CA3 hippocampal neurons.</a> Neurobiol. Dis. 37, 403-411 (2010).</li><li>Zhang, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Direct+visualization+of+receptor+arrays+in+frozen-hydrated+sections+and+plunge-frozen+specimens+of+E.+coli+engineered+to+overproduce+the+hemotaxis+receptor+Tsr.">Direct visualization of receptor arrays in frozen-hydrated sections and plunge-frozen specimens of E. coli engineered to overproduce the hemotaxis receptor Tsr.</a> J. Microsc. 216, 76-83 (2004).</li></ol>

Den elektronmikroskop-basert analysemetode som presenteres her muliggjør påvisning, identifisering og kvantifisering av flere elementer av biologisk interesse, som Na, K, P, og spesielt Ca. Disse analysene kan utføres ved subcellulære, dvs. intra-organelle, oppløsning på grunn av evnen til å lokalisere og identifisere strukturer av interesse for bilder med høy kvalitet av cryosections fremstilt fra raskt frosne prøver. Legg merke til at ingen farging er nødvendig å ta opp elektron bilder sammenlign i...

Kalsiumioner er uten tvil den viktigste og allsidig celle signalisering enhet i biologi, som spiller en viktig rolle i normale prosesser så forskjellige som synaptisk overføring og genuttrykk. På den annen side er kalsium like viktig i celledød. Spesielt er kalsium deregulering en nøkkelfaktor i nevronale skader i hjerneslag, Parkinsons, Alzheimers og andre nevrodegenerative sykdommer 3,5. Således er det av avgjørende betydning å forstå kvantitativt hvor kalsium er fordelt i celler, og hvor dette forandrer følgende fysiologiske eller pato-fysiologiske stimuli. Dette målet er komplisert ved det faktum at kalsium blir dynamisk fordelt mellom to fysiske tilstander - frie i oppløsning eller bundet til et substrat - og det cellulære kalsiumkonsentrasjonen endrer seg over flere størrelsesordener som følge av stimulering. Mens det er flere avanserte metoder som er tilgjengelige for analyse av free intracellulært kalsium, er bestemmelse av total kalsiumkonsentrasjoner i definerte intracellulære rom realistisk begrenset til en metode, nemlig elektron probe mikroanalyse (EPMA). EPMA er en teknikk som par et røntgen spektrometer i et transmisjonselektronmikroskop (TEM). Den TEM elektronkanon fokuserer et stasjonært, submikron elektron-probe på en subcellulære området av interesse og elementspesifikke røntgenstråler som sendes ut som følge av elektron-bombardement blir samlet og analysert (se referanser 7, 4 for detaljerte tekniske vurderinger). Fordeler med EPMA inkluderer enkelt organelle-nivå oppløsning og submillimolar følsomhet. I praksis krever imidlertid EPMA spesialiserte cryotechniques og instrumentering for prøven fremstilling og analyse. Her er verktøy, teknikker og instrumenter som egner seg for målinger av intracellulært kalsium hjelp EPMA beskrevet. Intramitochondrial kalsium er spesielt interest på grunn av den kritiske rollen som mitokondrie kalsium overbelastning spiller i nevrodegenerative sykdommer.

<table border="1">
	<tbody>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>REAGENTS/MATERIALS</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermanox plastic coverslips</td>
			<td>Thermo Fischer Scientific</td>
			<td>72280</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Culture inserts</td>
			<td>BD Falcon</td>
			<td>353090</td>
			<td>For 6-well plates</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cryopins</td>
			<td>Leica Microsystems</td>
			<td>16701952</td>
			<td>Grooved</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Wood applicators</td>
			<td>EM Sciences</td>
			<td>72300</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Folding EM grids</td>
			<td>Ted Pella</td>
			<td>4GC100/100</td>
			<td>100 mesh</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Indium foil</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>13982</td>
			<td>0.25 mm thick</td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>EQUIPMENT</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plunge freezing device</td>
			<td>Leica Microsystems</td>
			<td>KF-80</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slam freezing device</td>
			<td>LifeCell</td>
			<td>CF-100</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultramicrotome</td>
			<td>Leica Microsystems</td>
			<td>UC6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cryoattachment for microtome</td>
			<td>Leica Microsystems</td>
			<td>FC6</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond cryotrimming tool</td>
			<td>Diatome</td>
			<td>Cryotrim 45</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Diamond cryoknife</td>
			<td>Diatome</td>
			<td>Cryo 35</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Antistatic device</td>
			<td>Diatome</td>
			<td>Hauf Static Line</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cryo electron microscope</td>
			<td>Carl Zeiss Microscopy</td>
			<td>EM912 Omega</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>EM cryo specimen holder</td>
			<td>Gatan</td>
			<td>CT3500</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Slow-scan CCD camera, 2k x 2k</td>
			<td>Troendle (TRS)</td>
			<td>Sharpeye</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image acquisition software</td>
			<td>Olympus SIS</td>
			<td>iTEM suite</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>ED x-ray detector</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td>Linksystem Pentafet</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Pulse Processor</td>
			<td>Oxford Instruments</td>
			<td>XP-3</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PCI backplane card</td>
			<td>4pi Systems</td>
			<td>Spectral Engine II</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Desktop computer</td>
			<td>Apple</td>
			<td>Any OS9-compatible model</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>X-ray analysis software</td>
			<td>NIST</td>
			<td>DTSA, DTSA II</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Spreadsheet software</td>
			<td>Microsoft</td>
			<td>Excel</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>
			<ol>
				<li>The CF100 is no longer sold commercially, although the machine is available at many academic facilities, and complete machines or parts can be found on-line.</li>
				<li>A video tutorial for the CT3500 cryotransfer holder is available at <a href="http://www.gatan.com/files/Movies/CT3500_Cryo_transfer_holder.mp4" target="_blank">http://www.gatan.com/files/Movies/CT3500_Cryo_transfer_holder.mp4</a>.</li>
				<li>The SEII is obsolete; the Universal Spectral Engine Is a later, PC-compatible product with comparable functionality. 4pi has ceased manufacturing and sales but still provides technical customer support. Used systems are often found online.</li>
				<li>The original DTSA is now obsolete. NIST offers in the public domain an updated successor, DTSA II 12 (<a href="http://www.nist.gov/mml/mmsd/software.cfm" target="_blank">http://www.nist.gov/mml/mmsd/software.cfm</a>)</li>
			</ol>
			</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

measurement of total calcium in neurons by electron probe x-ray microanalysis

I denne artikkelen verktøyene, teknikker og instrumenter som er egnet for kvantitative målinger av intracellulært elementært innhold ved hjelp av den teknikk som kalles elektronsonde mikroanalyse (EPMA) er beskrevet. Intramitochondrial kalsium er et særlig fokus på grunn av den kritiske rollen som mitokondrie kalsium overbelastning spiller i nevrodegenerative sykdommer. Metoden er basert på analyse av røntgenstråler generert i et elektronmikroskop (EM) ved samvirke av en elektronstråle med prøven. For å opprettholde den opprinnelige fordeling av diffunderbare elementer i elektronmikroskopi prøver, krever EPMA &quot;cryofixation&quot; av vevet etterfulgt av fremstilling av ultratynne cryosections. Rask frysing av dyrkede celler eller organotypic skive kulturer utføres av plunge frysing i flytende etan eller slam frysing mot en kald metallblokk, henholdsvis. Cryosections nominelt 80 nm tykk er kuttet tørr med en diamant kniv på ca. -16076, C, montert på karbon / pioloform belagt kobber nett, og cryotransferred inn en Cryo-EM ved hjelp av en spesialisert cryospecimen holderen. Etter visuell undersøkelse og plassering kartlegging ved ≤ -160 ° C og lav elektron dose, frosne hydrert cryosections er frysetørket ved -100 ° C i ~ 30 minutter. Organelle nivå av tørkede cryosections blir registrert, også ved lav dose, ved hjelp av en treg-scan CCD-kamera og subcellulære regioner av interesse er valgt for analyse. X-stråler som sendes ut fra ROIs av et stasjonært, fokusert av høy intensitet elektronsonde blir samlet av en energi-dispersiv røntgen (EDX) spektrometer, behandlet med tilhørende elektronikk, og presentert som et røntgenspekteret, det vil si, et tomt på X-ray intensitet vs energi. Ytterligere programvaren muliggjør: 1) identifikasjon av elementkomponenter ved sine &quot;karakteristisk&quot; peak energier og fingeravtrykk, og 2) kvantitativ analyse ved ekstraksjon av topparealene / bakgrunn. Dette papiret konkluderer med to eksempler som illustrerer typiskeEPMA applikasjoner, en der mitokondrie kalsium analyse gitt viktig innsikt i mekanismene for eksitotoksiske skader og en annen som avslørte basis av iskemi motstand.

Hjerneceller vanligvis opprettholde eksitotoksiske skade som følge av den patologiske signalstoffet utgivelsen som skjer under iskemiske tilstander. EPMA var kritisk for å finne ut hvordan muligheten for neuronal mitokondrier binder store mengder kalsium ligger til grunn for skademekanisme. Den elektronmikroskop i Figur 3 illustrerer utseendet av mitochondria in frysetørkede cryosections i dyrkede hippocampal neuroner raskt frosset etter 30 min eksponering til en eksitotoksiske stimulus (100 uM NMDA)...

Watch this Scientific Journal Video about Measurement of Total Calcium in Neurons by Electron Probe X-ray Microanalysis at JoVE.com

Measurement of Total Calcium in Neurons by Electron Probe X-ray Microanalysis

Måling av Total Kalsium i nevroner ved elektron Probe røntgenmikroanalyse

Dette notatet beskriver anvendelsen av cryoanalytical elektronmikroskopi til kvantitativ måling av total kalsium innhold og distribusjon på subcellulære oppløsning i fysiologisk definerte biologiske prøver.

In this article the tools, techniques, and instruments appropriate for quantitative measurements of intracellular elemental content using the technique ...

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Dissection and Culture of Commissural Neurons from Embryonic Spinal Cord

Commissural neurons have been widely used to investigate the mechanisms underlying axon guidance during embryonic spinal cord development. The cell bodies ...

Large-scale Recording of Neurons by Movable Silicon Probes in Behaving Rodents

Storskala opptak av nevroner med bevegelige Silicon Sonder i oppfører Gnagere

A major challenge in neuroscience is linking behavior to the collective activity of neural assemblies. Understanding of input-output relationships of ...

Simultaneous Recording of Calcium Signals from Identified Neurons and Feeding Behavior of Drosophila melanogaster

Simultaneous Recording of Calcium Signals from Identified Neurons and Feeding Behavior of Drosophila melanogaster

Samtidig opptak av kalsium signaler fra Identifiserte Nerveceller og fôring atferd Drosophila melanogaster</em

To study neuronal networks in terms of their function in behavior, we must analyze how neurons operate when each behavioral pattern is generated.  Thus, ...

Imaging Calcium Responses in GFP-tagged Neurons of Hypothalamic Mouse Brain Slices

Bildebehandling Kalsium Responses i GFP-merket Neurons av hypothalamus mus hjernen Slices

Despite an enormous increase in our knowledge about the mechanisms underlying the encoding of information in the brain, a central question concerning the ...

Preparation of Primary Neurons for Visualizing Neurites in a Frozen-hydrated State Using Cryo-Electron Tomography

Utarbeidelse av Primary nevroner for å visualisere neurites i en Frozen hydrert tilstand ved hjelp av Cryo-Electron Tomography

Neurites, both dendrites and axons, are neuronal cellular processes that enable the conduction of electrical impulses between neurons. Defining the ...

Simultaneous Electrophysiological Recording and Calcium Imaging of Suprachiasmatic Nucleus Neurons

Simultaneous electrophysiological and fluorescent imaging recording methods were used to study the role of changes of membrane potential or current in ...

Calcium Phosphate Transfection of Primary Hippocampal Neurons

Kalsium Fosfat Transfection of Primary hippocampus nevroner

Calcium phosphate precipitation is a convenient and economical method for transfection of cultured cells. With optimization, it is possible to use this ...

Ratiometric Calcium Imaging of Individual Neurons in Behaving Caenorhabditis Elegans

Ratiometric Calcium Imaging of Individual Neurons in Behaving Caenorhabditis Elegans

Ratiometric kalsium avbilding av individuelle Neurons i oppfører seg Caenorhabditis Elegans

It has become increasingly clear that neural circuit activity in behaving animals differs substantially from that seen in anesthetized or immobilized ...

Localization of the Locus Coeruleus in the Mouse Brain

Lokalisering av Locus Coeruleus i musen hjernen

The locus coeruleus (LC) is a major hub of norepinephrine producing neurons that modulate a number of physiological functions. Structural or functional ...