Development of a fluorescence contrasting immunostaining technique for visualizing 3D astrocytic ultramorphology

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Changes in astrocytic ultramorphology may underlie the development of neurodegenerative processes in their early stages. However, the mechanisms of its change are still poorly understood, since the size of the peripheral astrocytic processes forming the basis of the astrocytic synaptic coating are beyond the resolution of most optical microscopy (OM) methods. In turn, the disadvantage of promising methods of electron and scanning probe microscopy (EM and SPM) for such studies is the inability to determine the target area of the study due to the simultaneous use of fluorescence microscopy of immunocolored cells and the possibility of full-fledged 3D analysis of samples. In this paper, we consider the concept of solving the above problem by using an instrumental approach that combines the methods of SPM and OM together with ultramicrotomy as a method of restoring the 3D structure of the sample within a single hardware complex. To implement the proposed combined technique (optical-probe nanotomography, OPNT), the first stage of creating specialized fluorescent-contrasting labels based on conjugates of fluorescent semiconductor nanocrystals and single-domain antibodies has been developed in this work. This type of label will provide both immuno-staining of the “area of interest" for the restoration of 3D astrocytic ultramorphology, and contrast of astrocytes by the SPM method.

Full Text

Restricted Access

About the authors

К. Е. Mochalov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry

Email: voleinik@mail.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

О. I. Sutyagina

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; Koltzov Institute of Developmental Biology of Russian Academy of Sciences

Email: voleinik@mail.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997; ul. Vavilova 26, Moscow, 119334

А. V. Altunina

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University)

Email: voleinik@mail.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997; Institutskiy per. 9, Dolgoprudny, 141701

D. О. Solovieva

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry

Email: voleinik@mail.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

А. Е. Efimov

V.I. Shumakov Federal Research Center of Transplantology and Artificial Organs

Email: voleinik@mail.ru

Laboratory of Bionanotechology

Russian Federation, ul. Shchukinskaya 1, Moscow, 123182

V. A. Zhuchkov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry

Email: voleinik@mail.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

S. P. Chumakov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry

Email: voleinik@mail.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997

V. A. Oleinikov

Shemyakin–Ovchinnikov Institute of Bioorganic Chemistry; National Research Nuclear University “MEPhI” (Moscow Engineering Physics Institute)

Author for correspondence.
Email: voleinik@mail.ru
Russian Federation, ul. Miklukho-Maklaya 16/10, Moscow, 117997; Kashirskoe shosse 31, Moscow, 115409

References

  1. Verkhratsky A., Rodríguez J.J., Parpura V. // Cell Tissue Res. 2014. V. 2. P. 493–503. https://doi.org/10.1007/s00441-014-1814-z
  2. Verkhratsky A., Zorec R., Rodríguez J.J., Parpura V. // Curr. Opin. Pharmacol. 2016. V. 26. P. 74–79. https://doi.org/10.1016/j.coph.2015.09.011
  3. Popov A., Brazhe A., Denisov P., Sutyagina O., Li L., Lazareva N., Verkhratsky A., Semyanov A. // Aging Cell. 2021. V. 20. P. e13334. https://doi.org/10.1111/acel.13334
  4. Kelly P., Hudry E., Hou S.S., Bacskai B.J. // Front. Aging Neurosci. 2018. V. 10. P. 1–8. https://doi.org/10.3389/fnagi.2018.0021
  5. Hefendehl J.K., LeDue J., Ko R.W., Mahler J., Murphy T.H., MacVicar B.A. // Nat. Commun. 2016. V. 7. P. 13441. https://doi.org/10.1038/ncomms13441
  6. Allen N.J., Barres B.A. // Nature. 2009. V. 7230. P. 675–677. https://doi.org/10.1038/457675a
  7. Verkhratsky A., Nedergaard M. // Physiol. Rev. 2018. V. 1. P. 239–389. https://doi.org/10.1152/physrev.00042.2016
  8. Takano T., Tian G.-F., Peng W., Lou N., Libionka W., Han X., Nedergaard M. // Nat. Neurosci. 2006. V. 9. P. 260–267. https://doi.org/10.1038/nn1623
  9. Garwood C.J., Ratcliffe L.E., Simpson J.E., Heath P.R., Ince P.G., Wharton S.B. // Neuropathol. Appl. Neurobiol. 2017. V. 4. P. 281–298. https://doi.org/10.1111/nan.12338
  10. Araque A., Parpura V., Sanzgiri R.P., Haydon P.G. // Trends. Neurosci. 1999. V. 5. P. 208–215. https://doi.org/10.1016/s0166-2236(98)01349-6
  11. Papouin T., Dunphy J., Tolman M., Foley J.C., Haydon P.G. // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B. Biol. Sci. V. 1715. P. 20160154. https://doi.org/10.1098/rstb.2016.0154
  12. Rimmele T.S., Rosenberg P.A. // Neurochem. Int. 2016. V. 98. P. 19–28. https://doi.org/10.1016/j.neuint.2016.04.010
  13. Verkhratsky A., Zorec R., Rodriguez J.J., Parpura V. // Opera Med. Physiol. 2016. V. 1. P. 13–22.
  14. Dossi E., Vasile F., Rouach N. // Brain Res. Bull. 2018. V. 136. P. 139–156. https://doi.org/10.1016/j.brainresbull.2017.02.001
  15. Heller J.P., Rusakov D.A. // Glia. 2015. V. 63. P. 2133–2151. https://doi.org/10.1002/glia.22821
  16. Hennebelle M., Champeil-Potokar G., Lavialle M., Vancassel S., Denis I. // Nutr. Rev. 2014. V. 72. P. 99–112. https://doi.org/10.1111/nure.12088
  17. Perez-Alvarez A., Navarrete M., Covelo A., Martin E.D., Araque A. // J. Neurosci. 2014. V. 34. P. 12738–12744. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.2401-14.2014
  18. Murphy-Royal C., Dupuis J.P., Varela J.A., Panatier A., Pinson B., Baufreton J., Groc L., Oliet S.H. // Nat. Neurosci. 2015. V. 2. P. 219–226. https://doi.org/10.1038/nn.3901
  19. Patrushev I., Gavrilov N., Turlapov V., Semyanov A. // Cell Calcium. 2013. V. 54. P. 343–349. https://doi.org/10.1016/j.ceca.2013.08.003
  20. Caplan J., Niethammer M., Taylor R.M., Czymmek K.J. // Curr. Opin. Struct. Biol. 2011. V. 21. P. 686–693. https://doi.org/10.1016/j.sbi.2011.06.010
  21. Spiegelhalter C., Tosch V., Hentsch D., Koch M., Kessler P., Schwab Y., Laporte J. // PLoS One. 2010. V. 5. P. e9014. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0009014
  22. Miranda A., Gómez-Varela A.I., Stylianou A., Hirvonen L.M., Sánchez H., De Beule P.A.A. // Nanoscale. 2021. V. 13. P. 2082–2099. https://doi.org/10.1039/d0nr07203f
  23. Rothbauer U., Zolghadr K., Tillib S., Nowak D., Schermelleh L., Gahl A., Backmann N., Conrath K., Muyldermans S., Cardoso M.C., Leonhardt H. // Nat. Methods. 2006. V. 3. P. 887–889. https://doi.org/10.1038/nmeth953
  24. Perruchini C., Pecorari F., Bourgeois J.P., Duyckaerts C., Rougeon F., Lafaye P. // Acta Neuropathol. 2009. V. 118. P. 685–695. https://doi.org/10.1007/s00401-009-0572-6
  25. Muyldermans S. // Annu. Rev. Biochem. 2013. V. 82. P. 775–797. https://doi.org/10.1146/annurev-biochem-063011-092449
  26. Fang T., Lu X., Berger D., Gmeiner C., Cho J., Schalek R., Ploegh H., Lichtman J. // Nat. Methods. 2018. V. 15. P. 1029–1032. https://doi.org/10.1038/s41592-018-0177-x
  27. Wu M., Petryayeva E., Medintz I.L., Algar W.R. // Methods Mol. Biol. 2014. V. 1199. P. 215–239. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-1280-3_17
  28. Sukhanova A., Venteo L., Devy J., Artemyev M., Oleinikov V., Pluot M., Nabiev I. // Lab. Inves. 2002. V. 82. P. 1259–1261. https://doi.org/10.1097/01.lab.0000027837.13582.e8
  29. Milosivic N.T., Ristanovic D. // J. Theor. Biol. 2007. V. 245. P. 130–140.
  30. Wu C.C., Reilly J.F., Young W.G., Morrison J.H., Bloom F.E. // Cereb. Cortex. 2004. V. 14. P. 543–554. https://doi.org/10.1093/cercor/bhh016
  31. Ferreira T.A., Blackman A.V., Oyrer J., Jayabal S., Chung A.J., Watt A.J., Sjöström P.J., van Meyel D.J. // Nat. Methods. 2004. V. 11. P. 982–984. https://doi.org/10.1038/nmeth.3125
  32. Efimov A.E., Agapov I.I., Agapova O.I., Oleinikov V.A., Mezin A.V., Molinari M., Nabiev I., Mochalov K.E. // Rev. Sci. Instrum. 2017. V. 88. P. 023701. https://doi.org/10.1063/1.4975202
  33. Mochalov K.E., Chistyakov A.A., Solovyeva D.O., Mezin A.V., Oleinikov V.A., Vaskan I.S., Molinari M., Agapov I.I., Nabiev I., Efimov F.E. // Ultramicroscopy. 2017. V. 182. P. 118–123. https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2017.06.022
  34. Efimov A.E., Bobrovsky A.Y., Agapov I.I., Agapova O.I., Oleinikov V.A., Nabiev I.R., Mochalov K.E. // Tech. Phys. Lett. 2016. V. 42. P. 171–174. https://doi.org/10.1134/S1063785016020231

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. The concept of using fluorescent-contrasting labels based on conjugates of nanoantibodies (NT) and fluorescent semiconductor nanocrystals (NC) for visualization of the volumetric ultrastructure of astrocytes using the OZNT method.

Download (57KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Visualization of astrocytes in the hippocampus of C57Bl6 mice (stratum radiatyum zone). (a) Immunocytochemical staining using IgG-GFAP antibodies; (b) immunocytochemical staining using E9-GFAP nanoantibodies; (c) astrocyte density in the stratum radiatum zone (number of astrocytes per 250,000 μm2) with IgG-GFAP and E9-GFAP staining; (d) 2D Sholl analysis profile (number of intersections of astrocytic processes with concentric spheres centered in the middle of the cell soma) of single astrocytes with IgG-GFAP and E9-GFAP staining.

Download (147KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».