Neurohistologische MethodenEinleitung:In diesem Beitrag wollte ich einmal weniger die Ergebnisse, sondern mehr die gesamte Methodik, die notwendig ist um im Hobbybereich Histologie zu betreiben darstellen. Unter MikroskopikerInnen ist die Histologie in diesem Forum eher ein Nischenthema, weshalb dieser Artikel auch ein kleines Lebenszeichen aus der histologischen Richtung darstellen soll. Die Gründe dafür sind sicherlich vor allem gewisse Anschaffungskosten neben dem Mikroskop (Mikrotom, Wärmeschrank, Wärmeplatte, laufende Kosten für Mikrotomklingen und Lösungsmittel,...), gewisse Erfahrung (und zunehmend Beschaffbarkeit) im Umgang mit Chemikalien (auch man sich im Großen und Ganzen auf Xylol, Butanol, Isopropanol und Ethanol beschränken kann), Kosten/Möglichkeiten in der Farbstoffbeschaffung (wobei eine Hämatoxylin-Eosin-Färbung als Standardfärbung beschaffbar ist und auch keine weiteren gefährlichen Chemikalien benötigt), der Zeitaufwand und die Erfahrung die es während der gesamten Herstellung eines Präparates vom Fixieren über Entwässern, Einbetten und Schneiden (Mikrotomschneiden ist kein Selbstläufer) bis zum Färben und Eindecken benötigt. Kurzum man benötigt eigentlich ein kleines Labor, das regelmäßig fachgerecht betreut werden muss. Man muss gewillt sein anfangs frustrane Ergebnisse zu erhalten und selbst Erfahrung sammeln. Hat man einmal für sich ein Arbeitsprozedere gefunden gelingt die Herstellung histologischer Präparate durch fast alles und der Phantasie sind kaum Grenzen gesetzt.
Einen Punkt, der die Histologie als Hobby natürlich auch etwas einschränkt, möchte ich hier dennoch kurz ansprechen. Damit man histologische Präparate anfertigen kann benötigt man entsprechend möglichst schlachtfrisches, tierisches Gewebe. In meinen Artikel werden ausschließlich tierische Produkte vom Schlachter verwendet und diese müssen möglichst schnell fixiert werden, sonst kommt es zu Artefakten (ein gutes Präparat aus einer Schweinsniere aus dem Tiefkühlregal im Supermarkt liefert kaum brauchbare Histologie mehr). Ich für mich selbst finde es ethisch nicht vertretbar Wirbeltiere nur zur Herstellung histologischer Präparate für meine Sammlung zu töten. Beim regionalen Schlachter kann man alle Tierteile, nach Absprache schlachtfrisch abholen, kühlen und rasch fixieren.
In diesem Artikel stelle ich eher ausgefallene Methoden aus der Neurohistologie/Neuroanatomie vor, beschränke mich dabei nicht nur auf das Aufzählen der Protokollpunkte, sondern lasse auch eigene Erfahrung einfließen. Für alle zukünftigen EinsteigerInnen in dieses breite und sehr spannende Feld ist damit eventuell geholfen. Diese Methoden sind im Internet teilweise als sehr kompliziert/empfindlich beschrieben. Die hier verwendeten Rezepte sind aus den unten angegebenen Quellen (1-8) tlw. modifiziert und liefern zuverlässige Ergebnisse. Damit können Nervenzellen und Axone in den verschiedenen Abschnitten des ZNS gut untersucht und veranschaulicht werden. Neurohistologische Methoden waren wegweisend in der Erforschung und Beschreibung diverser neuroanatomischer Faser- und Kernsysteme. Die einzelnen später abgebildeten Gehirnregionen werden in ihrer Funktion nur oberflächlich beschrieben. Diese Methoden sind nicht nur auf das Nervensystem von Säugetieren beschränkt, damit kann man auch zentralnervöse Strukturen in anderen Tiergruppen untersuchen und Faserverbindungen darstellen (z.B. Essigfliege – Drosophila melanogaster). Zur Darstellung der Neurofibrillen werden die Bielschowsky Färbung und Bodian Färbung vorgestellt. Diese Färbemethoden waren wegweisend in der Entdeckung von Fasersystemen und deren Zuordnung im Hinblick auf funktionelle Verschaltungen. Ebenfalls soll die Weil Färbung vorgestellt werden, welche die Differenzierung zwischen myelinisierten und unmyelinisierten Fasern erlaubt.
Materialien: Schweinegehirn (möglichst frisch und ganz vom Schlachter am besten inkl. Kleinhirn, Hirnstamm und Rückenmark), Essigfliegen, Skalpell, Petrischalen, Kunststoffgefäß, Bechergläser, Wärmschrank, einstellbare Heizplatte, Mikrotom, Objektträger, Deckgläser, Mikroskop, Pinzetten, Pipetten.
Methodik: Im Endeffekt müssen histologische Schnitte durch die präparierten Gewebe hergestellt werden. Dazu verweise ich im Detail auf meine vorherige Darstellung (https://illumina-chemie.de/viewtopic.php?t=5037 (https://illumina-chemie.de/viewtopic.php?t=5037)), wobei ich in diesem Protokoll einige Abänderungen vorgenommen habe. Die Entwässerung wurde bei Raumtemperatur durchgeführt. Dazu müssen die einzelnen Schritte länger erfolgen, pro Alkoholstufe ca. 3 Stunden, im Ethanol 96% und Isopropanol und n-Butanol jeweils 4 Stunden mit je 2x Wechsel. Das langsamere Entwässern bei Raumtemperatur hat bei ZNS Gewebe den Vorteil weniger Schrumpfungsartefakte zu verursachen, insbesondere im Kleinhirn.
In allen Schritten und Lösungen darf ausschließlich destilliertes Wasser verwendet werden!
Chemikalien: Formaldehyd 8% in 0,9%
Ethanol 96%
Isoporpanol
n-Butanol
Silbernitrat
Gold(III)chlorid-Lösung 2% (in den Rezepten entsprechend verdünnt, eine Lösung aus Tetrachlorogoldsäure funktionier ebenso)
Natriumthiosulfat
Ammoniak 25%
Hydrochinon
Oxalsäure
Eisessig
Silberprotein (Protargol) / Albumosesilber
Kupfer als Draht oder Folie
Ammoniumeisen(III)sulfat
Kaliumhexacyanido(III)ferrat
Hämatoxylin
Kaliumiodat
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Sicherheitshinweise: Beim Arbeiten mit Formaldehyd während der Gehirnfixierung unbedingt auf gute Lüftung achten, im Freien oder unter dem Abzug arbeiten. Auch Xylol und Butanol Dämpfe sind gesundheitsschädlich.
Ammonialkalische-Silbernitrat Lösung keinesfalls lagern, Entsorgung am besten direkt durch Eingießen in einen großen Überschuss Ascorbinsäure-Lösung, wobei sich sofort Silber abscheidet, welches später nach Auswaschen einfach recycelt werden kann.
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a) Vorbereitung des Gewebes und Anfertigung der Schnitte: Das Frische Schweinegehirn ist sehr zerfließlich weshalb es vorsichtig angefasst werden muss um keine Strukturen zu zerstören. Meistens bekommt man mehrere Hemisphären (manche besser manche schlechter je nach Bestellung und Kompetenz des Entnehmers). Die Hemisphären werden in ein großes Kunststoffgefäß gelegt und mit 8% Formalin in 0,9 NaCl in 20% Ethanol übergossen. Das Formalingemisch sollte je nach Menge des Schweinegehirns ca. 2-mal gewechselt werden alle 24 Stunden. Die Gesamtfixierzeit betrug 3 Tage um ein ausreichendes Eindringen des Formalins zur gewährleisten. Dabei härtet das Gewebe aus und kann später leichter verwendet werden. Im Anschluss wurde das Formalin durch 40% Ethanol ersetzt. Das Ganze wurde mehrmals ausgewaschen, sodass nach 2 Tagen und 2 Wechsel mit 40% Ethanol das meiste Formalin aus dem Gewebe entfernt werden konnte und bereits eine milde Vorentwässerung erreicht wurde. Im Anschluss erfolgte das 2-malige Auswaschen mit 80% Isopropanol nach jeweils 24 Stunden. Dadurch lässt sich eine schrittweise Entwässerung erzielen, das Formaldehyd wird Großteils ausgewaschen und das Gewebe ist bereits teilweise etwas Entwässert. Die Gewebsstücke können auch im 80% Isopropanol für lange Zeit aufbewahrt werden. Bei Aufbewahrung in 100% Isopropanol/Ethanol härtet das Gewebe zu stark aus und kann nach einiger Zeit nicht mehr bzw. schlechter verarbeitet werden. Isopropanol ist zur Lagerung Ethanol generell vorzuziehen, da es zu einer geringeren Härtung führt.
Zur Fixierung von Insekten (Stubenfliege, Obstfliege) einet sich ein Gemisch aus Ethanol-Aqua dest.- Formalin 20%--Ameisensäure im Verhältnis 7:2:1:1 für 24 Stunden. Es empfiehlt sich das Caput vom Thorax zu trennen, dadurch ist auch ein Besseres Eindringen der Entwässerung durch die vergleichsweise dicke Chitin Schicht bei Insekten gewährleistet. Vor Entwässerung sollte die in den Tracheen der Insekten vorhandene Luft in einem Rundkolben mit 30% Ethanol und Wasserstrahlvakuum entfern werden.
Im Anschluss kann das Schweinegehirn seziert werden und interessante Strukturen herauspräpariert werden. Das Großhirn, das Kleinhirn, der Hirnstamm, das Rückenmark und der Hippocampus lassen sich durch Hilfe mittels online auffindbarer Anatomie Skizzen und nach Orientierung meist einfach herauspräparieren.
Die so gewonnen Gewebsteile wurden zugeschnitten und wie im Methodik Teil beschrieben langsam entwässert, wobei man vom 80% Isopropanol über 3 100% Isopropanol Stufen und 2 n-Butanol Stufen bei Raumtemperatur zu jeweils 6 Stunden schließlich in Paraffin eingebettet kann. Das Paraffin wird bei ca. 55°C 3-mal gewechselt, die ersten 2 Stufen zu 6 Stunden, die letzte Paraffinstufe zu 12 Stunden. Im Anschluss kann ausgegossen und ausgehärtet werden und Paraffinblöcken angefertigt werden. und kann auch Jahre später noch problemlos weiterverarbeitet werden.
Im Anschluss werden ca. 8-10 µm dünne Schnitte (nicht zu dünn da sonst die Fasersysteme nicht so gut abgebildet werden) angefertigt und auf Glycerin-Gelatine beschichtete Objektträger (am unteren Ende!) aufgelegt, mit einer Pipette vorsichtig mit etwas destilliertem Wasser unterspritzt, sodass der gesamte Paraffinschnitt von Wasser umgeben ist (aber nicht zu viel) und im Anschluss auf der ca. 48°C warmen Wärmplatte vorsichtig aber vollständig gestreckt. Schnitte durch ZNS Strukturen gelingen in aller Regel vollkommen problemlos. Das Schneiden von Insekten ist auf Grund des harten Chitinpanzers oft schwierig. Das Paraffin der Schnitte sollte beim Strecken glasig werden aber nicht schmelzen da es sonst zu Zerreißungen kommen kann. Das ZNS Gewebe hält zwar gut zusammen aber vor allem bei den Schnitten im Cerebellum und Hippocampus und bei Insekten können sich relativ einfach Risse bilden und die Strukturen zerfließen. Die Objektträger werden dann schräg gestellt sodass überschüssiges Wasser ablaufen kann, Luft getrocknet und sind nach ca. 6 Stunden zur weiteren Verarbeitung bereit. Schnitte durch das ZNS von Insekten sollten dünner, ca. 4 µm geschnitten werden, da dickere Schnitte sehr leicht vom Objektträger abdiffundieren. Die schlechte Anheftung bei histologischen Untersuchungen von Insekten ist ein bekanntes und schwer lösbares Problem, da der starre Chitinpanzer kaum am Objektträger haften bleibt. Eventuell kann man sich durch teure, schwer beschaffbare, speziell beschichtete Objektträger behelfen. Auch das Schneiden von Insekten ist schwer, da der harte Chitinpanzer durch die Entwässerung spröde wird und zerbröselt. Essigliegen haben sehr dünne Chitinpanzer und lassen sich dadurch relativ problemlos verarbeiten. Für alternative Insektenhistologie empfehlen sich spezielle Kunststofeinbettungen.
Im Anschluss werden die Schnitte nochmals kurz auf die 90°C heiße Wärmplatte gelegt um die Gewebsanteile möglichst mit der Glycerin-Gelatine zu verbinden, wobei das Paraffin jetzt schmelzen darf (wenn kein Wasser mehr dabei ist besteht keine Gefahr des auseinander Diffundierens der Schnitte). Im Anschluss erfolgten das Entparaffinieren über 2-mal Xylol, 1x n-Butanol, 1x Isopropanol, 1x Ethanol 96%, 1x Ethanol 50% und anschließend dest. Wasser 3-mal gewechselt.
Alle im Anschluss genannten Verfahren werden ausgehend vom oben beschriebenen Protokoll weiterverarbeitet.
b) Silberimprägnation n. Bielschowsky(1,2-4)Es wird eine feuchte Kammer in einer Petrischale vorbereitet. Dazu wird der Boden der Petrischale mit Küchen-/Toilettenpapier ausgelegt und mit dest. Wasser befeuchtet. Der Objektträger wird aus dem dest Wasser genommen und oberhalb des Schnittes wird mit einem alten Paraffinblock eine Grenze gezogen (das verhindert die Ausbreitung und das verlaufen der Silbernitratlösung). Der Objektträger wird im Anschluss so eingelegt, dass er leicht schräg nach unten in Richtung des Schnittes abfällt. Im Anschluss wird der Schnitt mit 20% Silbernitratlösung überschichtet, der gesamte Schnitt soll schön bedeckt sein, verwendet man zu viel, oder liegt der Objektträger zu schräg in der feuchten Kammer besteht die Gefahr, dass das Silbernitrat abläuft. Die Im Voraus gesetzte Paraffinteillinie verhindert ein Verlaufen der Silbernitratlösung nach oben. Im Anschluss wird die Feuchte Kammer geschlossen und mit einem Kartondeckel vollständig lichtgeschützt bedeckt und 3 Stunden an einem erschütterungsfreien Ort stehen gelassen.
Im Anschluss wird die Silbernitrat Lösung in ein Reagenzglas abgegossen, der Schnitt zügig (max. kurz eintauchen/wenige Sekunden) durch dest. Wasser gezogen und für 5 Minuten in eine Lösung aus 5ml Formalin 20% - 10 ml Ethanol – 35 ml Wasser eingestellt und vorsichtig hin- und herbewegt (dadurch verhindert man störende Niederschläge ein bisschen), der Schnitt färbt sich jetzt maximal hellbraun.
Währenddessen wird die abgekippte Silbernitrat Lösung solange vorsichtig mit Ammoniak Lösung versetzt, sodass sich der Niederschlag gerade wieder auflöst (nimmt man zu wenig erhält man später Niederschläge, nimmt man zu viel misslingt die Färbung oder fällt zu schwach aus).
Danach wird der Schnitt kurz in 10% Ethanol eingestellt und abgespült. Danach wird der Schnitt wieder in der feuchten Kammer leicht schräg gelegt und für 2-3 Minuten mit der ammoniakalischen-Silbernitrat Lösung überschichtet.
Danach wird der Schnitt kurz durch dest. Wasser gezogen und im Anschluss wieder für 3-5 Minuten die obige Lösung aus 5ml Formalin 20% - 10 ml Isopropanol – 35 ml Wasser eingestellt. Jetzt färbt sich der Schnitt dunkelbraun. I m Anschluss in dest. Wasser für 5 Minuten einstellen und mehrmals wechseln.
Variante A: über aufsteigende Alkoholreihen und Xylol entwässern und mit Malinol/Histokitt eindecken.
Variante B: Überschichten der Schnitte mit einer 0,2% Gold(III)chlorid Lösung für ca. 2 Minuten, die Braunfärbung geht jetzt in ein grau-violett über (die Goldchlorid Lösung kann in ein Reagenzglas abgegossen und mehrfach verwendet werden auch wenn es nur ein paar Tropfen sind zahlt sich das aus). Danach kurz mit Aqua dest. Waschen und dann für 5 Minuten in 5% Natriumthiosulfat Lösung einstellen, wieder in Aqua dest. Waschen, mehrmals wechseln und dann über aufsteigende Alkoholreihe über Xylol entwässern und mit Malinol/Histokitt eindecken.
c) Silberimprägnation n. Bodian (1,3-6)Zur Vorbereitung müssen die Schnitte mind. 12 Stunden in 5% Essigsäure gestellt werden, damit eine Mitfärbung des Bindegewebes verhindert wird.
Im Anschluss wird die 1% Bodian Lösung hergestellt, indem das Protargol in einem Becherglas auf 35°C dest. Wasser gestreut wird. Im Dunkeln wartet man bis sich das Pulver abgesetzt und zu einem großen Teil gelöst hat (ca. 10 Minuten). Erst dann darf es geschüttelt oder gerührt werden. Im Anschluss wird die Protargol Lösung in ein Tablettenglas gefüllt und pro 100ml mit ca. 4g metallisches Kupfer in Form von Schnipsel aus einem Kupferkabel zugefügt. Danach werden die Objektträger eingestellt, das Gefäß mit Alufolie lichtdicht verpackt und für 24 Stunden bei 37°C im Wärmeschrank belassen.
Im Anschluss werden die Objektträger kurz in dest. Wasser gespült und danach für 10 Minuten in eine Lösung aus 10 ml Formalin 20% - 1g Hydrochinon Lösung – 90 ml Aqua dest. eingestellt. Im Anschluss wird in 3-mal gewechseltem dest. Wasser ausgewaschen.
Danach werden die Schnitte mit 1% Gold(III)chlorid Lösung für 5 Minuten überschichtet. Die Goldchlorid Lösung wird abgegossen und kann oft wiederverwendet werden.
Im Anschluss kurz in dest. Wasser spülen und danach in 2% Oxalsäure Lösung einstellen für mind. 5-10 Minuten. Jetzt sollten sich die Schnitte violett verfärben.
Danach kurz in Aqua dest ausspülen und für 5 Minuten in 5% Natriumthiosulfat Lösung einstellen. Im Anschluss über aufsteigende Ethanol Lösung entwässern und über Xylol in Malinol/Histokitt eindcken.
d) Markscheidenfärbung n. Weil(1,7)Zur WeilschenFärbung wird eine Lösung aus 10ml 1%Hämatoxylin und 90ml Aqua dest. das mit ca. 20mg Kalioiodat veresetzt wurde. DIe Lösung wird gut geschüttelt und im Anschluss unmittelbar vor der Färbung mit derselben Menge 4% Ammoniumeisen(III)citrat Lösung vermischt (für kleiner Mengen kann man die Stoffmengen entsprechend reduzieren). Die Schnitte werden für 30 Minuten bei 55°C lichtgeschutzt in dieser 1:1 Mischung aus Hämatoxylin und Ammoniumeisen(III)citrat belassen.
Im Anschluss werden die Schnitte in Leitungswasser abgewaschen bis keine Farbstoffwolken mehr abgehen. Danach werden sie in 4% Ammoniumeisen(III)sulfatlösung eingestellt bis sich der mit gefärbte Hintergrund des Objektträgers völlig entfärbt hat. Danach wird in ausreichend Leitungswasser vorsichtig abgespült. Zur weiteren Differenzierung wird eine Lösung von 1 g Borax und 1,25 g Kaliumhexacyanido(III)ferrat verwendet. Die Differenzierung erfolgt unter mikroskopischer Kontrolle. Sobald nur noch die Markscheiden gefärbt sind wird die Differenzierung (~1-5 Minuten) unterbrochen und die Schnitte in ausreichend Leitungswasser gespült. Im Anschluss werden sie noch in Leitungswasser eingestellt dem wenige Tropfen Ammoniak Lösung zugefügt wurden. Danach wird in Leitungswasser ausgespült und über aufsteigende Ethanolreihe über Xylol entwässert und eingedeckt.
Entsorgung: Ammoniakalische Silbernitrat Lösung in konzentrierte Ascorbinsäure eingießen und metallisches Silber regenerieren. Überschüssige Lösung kann auch zur Versilberung verwendet werden.
Formaldehydhaltige Abfälle getrennt sammeln und sachgerechter Altstoffsammlung zuführen.
Gold(III)chlorid Lösung in geringsten Mengen großteils wiederverwendbar, sonst mir reduzierter (!) ammonialkalischer Silbernitratlösung zum Schwermetallabfall. Eisenhämatoxlin, Kalimhexacynoferrat und Borax alkalisieren und in den Schwermetallabfall.
Xylol und n-Butanol in den Lösungsmittelabfall.
Ethanol und Spiritus können in kleinen Mengen verdünnt dem Abwasser beigemengt werden, sonst im Lösungsmittelabfall
Ergebnis/Erklärung: Bielschowsky Färbung:Sehr schöne und scharfe Färbung der Neurofibrillen, das umliegende Gewebe wird bei Variante A gelblich gefärbt und liefert so einen sehr schönen Kontrast. Die Perikaryen färben sich (dunkel)braun. Bei Variante B durch das Tönen mit Goldchlorid Lösung ebenfalls schöne Darstellung der Neurofibrillen, das umliegende Gewebe wird jedoch grau und damit erzielt man meiner Meinung nach einen schlechteren Kontrast und man kann man sich die Goldchlorid Lösung sparen.
Bei der Bielschowsky Imprägnation könnte man die Schnitte natürlich auch in 20% Silbernitratlösung einstellen, die von mir in der feuchten Kammer beschriebene, umständlichere Methode dient nur dem Zweck Silbernitrat zu sparen. Wahrsacheinlich ist auch eine 10% Lösung und eine Einwirkzeit von 1 Stunde vollkommen ausreichend, es sind entsprechende Rezepte beschrieben, versucht habe ich sie noch nicht. Um die Schnitte herum bilden sich leider manchmal durch Verwendung von Glycerin-Eiweiß Niederschläge, die aber den Schnitt an sich kaum betreffen meiner Erfahrung nach und sich und um den Schnitt herum bilden.
Bodian Färbung: Auch die Bodian Färbung ergibt eine schöne scharfe Darstellung der Neurofibrillen, der Hintergrund ungefärbt, die Perikaryen leiht violett mit dunkelvioletten Zellkernen. Damit ist die Methode kontrastreicher als die Bielschowsky B Variante. Leider ist Albumosesilber/Protargol schwer erhältlich und eher teuer.
Weil-Färbung: Gut zu erkennen sind die myelinisierten blauen bis blau-grauen Nervenfasern. Das restliche Gewebe sollte weitgehend ungefärbt, maximal hellbraun gefärbt werden. Mit dieser Färbemethode könnten demyelinisierte Defektareale gut dargestellt werden.