神经肌肉接头（NMJ）形态学与ALS模型

Q: 还有哪些成像方式可用于研究神经肌肉接头形态？

电子显微镜（EM）是研究NMJ突触传递机制的有用工具，因为它可以提供亚纳米分辨率，以成像突触小体内的突触囊泡（Desaki，1981 ；Watanabe，2020 ）。超分辨率显微镜（SRM）也被用于研究NMJ上乙酰胆碱受体的纳米级结构（York，2017 ；Badawi，2020 ）。

Q: 衰老对NMJ的结构和功能有何影响？

衰老会导致神经肌肉接头发生一些结构和功能上的变化，包括但不限于突触后乙酰胆碱受体簇的破碎、轴突神经退化、连接点折叠消失、突触前囊泡数量减少以及与乙酰胆碱受体簇的结合亲和力降低（Iyer，2021 ）。这些与年龄相关的变化可能与ALS病理学不同，但可能会影响其发展。

最后更新日期: 2024年12月04日

作者: Robin Guay-Lord, M.Sc. and Barry J. Bedell, M.D., Ph.D.

本资源描述：

什么是神经肌肉接头？

神经肌肉接头（NMJ）是一种特殊的突触，它允许运动神经元和骨骼肌纤维之间的交流，从而实现运动所需的肌肉收缩。神经肌肉接头由四个主要部分组成：突触前运动神经元、突触后肌肉、终末施万细胞和克兰细胞（Verma，2022 ）。突触前部分包括神经末梢，运动神经元的轴突在此分支，并释放乙酰胆碱（ACh）神经递质以响应电信号。这些神经递质与肌肉膜交界褶皱中的乙酰胆碱受体（AChR）结合，也称为运动终板，触发动作电位，从而驱动肌肉收缩。终末神经节细胞是非髓鞘细胞，位于突触前神经末梢的顶端，突触间隙处有延伸的突起。它们对于神经肌肉接头（NMJ）的形成、成熟、维持和再生至关重要（Sanes，1999 ；Alhindi，2021 ）。Kranocytes是纤维细胞样细胞，覆盖在终末神经节细胞和整个终板区域，它们还参与突触再生（Sugiura，2011 ）。这些神经肌肉接头组件的精确时空组织对于有效的神经肌肉传递至关重要，一旦中断，可能会导致功能受损、神经支配缺失、肌肉无力或瘫痪。

神经肌肉接头主要组成部分的示意图。缩写：神经肌肉接头（NMJ）、乙酰胆碱（ACh）、乙酰胆碱受体（AChR）。

NMJ是一种实验上很有趣的突触模型，因为它可以在多种动物模型中找到，包括但不限于小鼠、大鼠和果蝇。与位于脊髓的运动神经元体细胞不同，NMJ位于外周组织，因此更容易进行成像、活检和实验操作。此外，许多公开可用的工具能够实现神经突触的可视化和量化，使其成为研究神经退行性疾病机理的理想系统（Murray，2010 ）。

NMJ在ALS和ALS动物模型中是如何受影响的？

多项研究表明，在啮齿动物ALS模型中，NMJ变性发生在临床症状和运动神经元丢失之前（Kennel，1996 ；Frey，2000 ；Verma，2022 ）。这些观察结果促使研究人员提出，ALS可能是一种“渐退性”运动神经病变，即神经元变性从轴突远端开始，然后影响运动神经元细胞体（Frey，2000 ）。鉴于NMJ在ALS中作为早期和关键病理部位的作用，它成为保持神经元完整性和潜在延缓或预防疾病进展的有前景的治疗靶点。

在ALS动物模型中，NMJ的形态变化一直存在。ALS小鼠模型的NMJ中通常存在轴突断裂和轴突神经支配丧失（Pigna，2019 ；Guerra San Juan，2022 ；Alhindi，2023 ）。尽管轴突再生和神经再支配通常作为补偿机制发生，但这些反应通常是不完全或短暂的（Schaefer，2005 ；Carrasco，2016 ；Martineau，2018 ）。此外，在ALS动物模型中经常观察到突触后终板萎缩和乙酰胆碱受体排列紊乱等终板形态改变（Sakowski，2012 ；Picchiarelli，2019 ；Mejia Maza，2021 ；Alhindi，2022 ；Verma，2022 ）。

在人类中，由于难以获得症状出现前的样本，因此对神经肌肉接头早期变化的研究非常有限。这个问题给验证动物模型的研究结果带来了挑战。然而，对人类组织的死后分析显示，ALS患者存在明显的神经退化，神经末梢减少（Tsujihata，1984 ；Maselli，1993 ）。最近，研究人员报告了ALS患者异常的肌电图（EMG）结果、断断续续的突触沟、稀疏的分支终末轴突树突以及改变的终末施万细胞形态（Bruneteau，2015 ）。

有哪些工具可用于量化神经肌肉接头形态的变化？

多色免疫荧光（mIF）是分析神经肌肉接头形态的首选工具，因为它能够对神经肌肉接头各组成部分进行高分辨率、特异性染色。它适用于各种实验模型，包括组织切片、整体制备，甚至培养细胞。通常情况下，NMJ的突触前神经元结构使用抗神经丝和突触囊泡的抗体进行标记，而突触后乙酰胆碱受体则使用α-布加毒素进行标记。

10个月大（10mCON）、12个月大的对照组（12mCON）和30个月大的对照组（30mCON）小鼠。图片及说明改编自Ham 等人（Ham，2020 ）在知识共享署名许可协议下的作品。

神经肌肉接头可以通过共聚焦z轴切片投影或宽场荧光显微镜进行可视化，其中前者通常具有更好的空间分辨率。由于神经肌肉接头具有复杂、斑块状的几何结构，因此必须格外小心，只分析正面的神经肌肉接头，而排除可能因视角而显得压缩或扭曲的斜面神经肌肉接头，否则很难评估其真实的大小、形状和结构完整性。

目前已有多种公开可用的图像处理工具可用于量化NMJ形态。其中，一种广泛使用的ImageJ插件“NMJ-morph”通过简单的阈值算法从荧光通道中分割出突触前和突触后成分。它可以生成突触前轴突和运动终板的一系列形态学指标，如面积、直径、紧凑度和碎片度。NMJ -morph已被用于研究多种病理模型，包括夏科-玛丽牙齿病（Cipriani，2018 ）、CHCHD10编码线粒体肌病（Genin，2019 ）、肌无力综合征（McMacken，2019 ）、ALS小鼠模型（Pigna，2019 ；Alhindi，2023 ；Vieira de Sá，2024 ），癌症恶病质（Boehm，2020 ）和肌肉减少症（Ham，2020 ）。最近，开发NMJ-morph的同一团队发布了一个名为“自动NMJ-morph”（aNMJ-morph）的更新算法，该算法可简化和加速数据获取，从而提高NMJ-morph相对较低的吞吐量及其相关的陡峭学习曲线（Minty，2020 ）。这种增强算法已被应用于YAP1/TAZ-TEAD信号传导（Gessler，2024 ）、人类声带肌肉（Tracicaru，2024 ）、肠道菌群（Cescon，2024 ）和外周神经损伤（Mehrotra，2024）的研究中。

NMJ-morph平台概览。流程图展示了每个NMJ的分析顺序。工作流程包括21个形态变量：11个“核心变量”用红色显示，7个“衍生变量”用蓝色显示，3个“关联神经和肌肉变量”用绿色显示。NMJ-morph中的特定操作以斜体显示。图片及说明文字根据知识共享署名许可协议，转载自Jones等人（Jones，2016）。

由于NMJ-morph和类似的ImageJ插件依赖于手动阈值，因此它们容易出现实验室间和评估者间的差异。为了解决这个问题，Mejia Maza等人（Mejia Maza，2021）开发了“NMJ-analyser”，它引入了实验范围内的标准化方法，以最大限度地减少批次效应，并实现了全自动阈值选择。与之前的版本不同，NMJ-分析器使用3D堆叠原始图像（z切片）而非2D最大投影，从而能够分析所有NMJ，而不再局限于正面视图。它还结合了随机森林机器学习算法，根据其计算的大量形态特征，将神经肌肉接头（NMJ）的神经支配状态分为“完全支配”、“部分支配”和“无支配”。与NMJ-morph相比，NMJ-analyser能够更灵敏地检测神经肌肉接头处的变化（Mejia Maza，2021 ）。

我们的团队非常乐意回答有关神经肌肉接头（NMJ）形态学的任何问题，或提供有关ALS模型的具体信息，这些模型用于治疗功效研究。

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常见问题解答

还有哪些成像方式可用于研究神经肌肉接头形态？

衰老对NMJ的结构和功能有何影响？

有没有非侵入性的方法来研究NMJ？

目前有多种非侵入性方法可用于研究神经肌肉接头，但它们主要关注功能而非形态方面。这些方法包括肌电图（EMG）、运动单位数量估算（MUNE）、复合肌肉动作电位（CMAP）、液体生物标志物分析血液或脑脊液[CSF]）以及使用荧光探针针对神经肌肉接头成分（例如乙酰胆碱受体）。由于这些方法具有非侵入性，因此特别适合用于神经肌肉接头功能的纵向研究。

除了ALS之外，还有哪些疾病会影响NMJ形态？

多种遗传性和非遗传性疾病都会显著影响神经肌肉连接的形态和功能。例如，在重症肌无力及相关疾病中，神经肌肉连接受损，自身抗体会破坏乙酰胆碱受体的功能；）；夏科-玛丽牙齿病涉及影响神经肌肉接头神经支配的外周神经变性）；脊髓性肌肉萎缩症，其中运动神经元丢失导致神经肌肉接头神经支配）；以及杜氏肌肉营养不良症（DMD），其中肌营养不良蛋白缺乏导致神经肌肉接头结构不稳定）。

参考资料

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Picchiarelli, G., Demestre, M., Zuko, A., Been, M., Higelin, J., Dieterlé, S., Goy, M.A., Mallik, M., Sellier, C., Scekic-Zahirovic, J., Zhang, L., Rosenbohm, A., Sijlmans, C., Aly, A., Mersmann, S., Sanjuan-Ruiz, I., Hübers, A., Messaddeq, N., Wagner, M., van Bakel, N., Boutillier, A.L., Ludolph, A., Lagier-Tourenne, C., Boeckers, T.M., Dupuis, L., Storkebaum, E. FUS-mediated regulation of acetylcholine receptor transcription at neuromuscular junctions is compromised in amyotrophic lateral sclerosis. , : 1793–1805, 2019;

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关键词

神经肌肉接头（NMJ）形态学与ALS模型

对神经肌肉接头（NMJ）及其在肌萎缩侧索硬化症（ALS）中作用的深入理解，以及用于研究NMJ形态学变化的工具和方法。

什么是神经肌肉接头？

NMJ在ALS和ALS动物模型中是如何受影响的？

有哪些工具可用于量化神经肌肉接头形态的变化？

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