光片荧光显微镜是发育生物学中最有价值的工具。在比较研究中,一个主要问题是环境变异。我们的实验方案描述了一种可同时对多个样本进行活体成像的实验框架,从而主动解决了这一问题。
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光片荧光显微镜是发育生物学中最有价值的工具。在比较研究中,一个主要问题是环境变异。我们的实验方案描述了一种可同时对多个样本进行活体成像的实验框架,从而主动解决了这一问题。
基于光片的荧光显微镜技术为在多个生物学相关尺度上研究复杂过程提供了高效的解决方案。在发育生物学中,基于样品腔的成像系统是最佳选择,这类系统专门设计用于保持样品的三维完整性,通常还具备样品旋转功能。例如,此类系统已被用于记录黑腹果蝇Drosophila melanogaster和赤拟谷盗Tribolium castaneum的整个胚胎形态发生过程。然而,目前许多可用的活体成像方案仅提供针对单个胚胎的实验框架。对于比较研究而言,这类方法存在诸多不便,因为依次成像的样品会受到环境差异的影响。此外,这种方法也限制了在特定时间内可检测的样品数量。我们提供了一种可实现同步活体成像的实验框架,可在基于样品腔的成像系统中提高通量,从而确保所有样品处于 相似的环境条件下。首先,我们提供了光片荧光显微镜的校准指南;其次,我们提出了一种适用于多个胚胎的固定方法,该方法兼容样品旋转;第三,我们提供了果蝇Drosophila的示例性三维活体成像数据集,其中并列展示了三个荧光标记细胞核的转基因品系,同时也提供了赤拟谷盗Tribolium的数据集,比较了携带相同转基因但插入基因组位置不同的三个转基因亚系的成像效果。本实验方案专为比较研究设计,能够主动应对始终存在于顺序活体成像中的环境差异。这一点对于定量分析以及异常表型的表征尤为重要,例如由基因敲除实验所导致的表型变化。此外,该方案显著提高了整体通量,当光片 荧光显微镜的使用机会有限时,这一点尤为便利。最后,所提出的固定方法可轻松适配于其他昆虫物种及其他模式生物,例如斑马鱼,基本无需额外优化。
荧光显微镜是生命科学领域中最基本的成像技术之一,尤其在细胞生物学和发育生物学中应用广泛。自20世纪90年代中期以来,共聚焦荧光显微镜1已成为三维荧光成像的先进手段,其使用同一物镜进行荧光团激发和发射光检测。照明激光束会激发照明/检测轴线上所有的荧光团,而相应的离焦信号则在 检测前通过针孔被排除。因此,每获取一幅二维图像时,整个样品都会被照射一次。相应地,每获得一幅三维图像(即一系列空间上连续的二维图像堆叠而成)时,整个样品会被照射数十次至数百次2,这容易导致光漂白和光毒性3。
近二十年前,基于光片的技术4 已成为三维荧光成像的一种有前景的替代方法,因而成为发育生物学中的重要工具5在此方法中,照明与检测相互解耦。照明物镜用于生成具有特定深度的光片 仅为几微米的范围,位于垂直排列的检测物镜的焦平面内。因此,对于每幅二维图像,仅焦平面附近的一个薄层平面体积被照明。相应地,对于每幅三维图像,整个样品仅被照明一次,这显著降低了光漂白和光毒性6因此,光片荧光显微镜(LSFMs)提供 在发育生物学中,需要在亚细胞水平上分析长达数毫米的样本,因此,能够在多个生物学相关尺度上高效研究复杂过程的解决方案具有特别重要的价值。
传统上,光片荧光显微镜(LSFM)基于样品腔设计7,8。在这些装置中,照明光路(x轴)和检测光路(z轴)通常与重力方向(y轴)垂直。样品腔提供了充分的实验自由度。首先,它们具有较大的成像缓冲容量,从而便于使用灌流系统来控制环境条件,例如维持特定温度9或施加生化刺激因子。此外,它们支持根据具体实验需求定制的样品固定方法10,同时保持样本的三维结构完整性,在某些情况下还能维持其动态特性11。另外,基于样品腔的系统通常配备旋转功能,可使样本绕y轴旋转,从而从两个、四个甚至更多方向进行成像。由于 常用的模式生物胚胎在显微成像背景下相对较大,沿腹侧-背侧、侧向和/或前-后体轴进行连续成像可提供更全面的三维信息。这使得研究人员能够对沿复杂三维迁移路径运动的细胞进行长期追踪12,13。
光片荧光显微镜已被广泛应用于系统研究黑腹果蝇(Drosophila melanogaster)的胚胎形态发生过程14,15,以及针对发育过程中生物物理特性的具体研究。例如,该技术被用于获取高分辨率的形态发生数据,以发现内胚层内陷与原肠带伸长过程中体轴延伸之间的生物力学关联16,并进一步将复杂的细胞流动与原肠作用期间的力生成模式相关联17。该技术还与其他前沿技术相结合,例如与光遗传学联用,以研究表皮前后轴模式形成过程中Wnt信号通路的调控机制18。
然而,仅研究单一物种并不能提供关于发育演化的深入见解。为了在系统发育背景下理解胚胎发生过程,研究人员已对多种替代性昆虫模式生物开展了深入研究。其中被最全面研究的物种之一是赤拟谷盗Tribolium castaneum,这是一种具有重要经济意义的仓储谷物害虫19,其胚胎形态发生过程也已通过光片显微镜(LSFM)进行了系统的成像研究20。这两个物种的胚胎形态发生在多个方面存在显著差异,例如体节形成模式21,以及胚外膜的形成与降解过程22。后一过程已通过光片显微镜得到了广泛分析。例如,已有研究表明,浆膜作为一种胚外组织,在胚胎发育的大部分阶段包裹并保护Tribolium胚胎免受多种危害23,24,同时 在背闭合过程中也充当其自身回缩过程的形态发生“驱动力”25。此外,研究还表明,在原肠胚形成期间,囊胚的特定区域会锚定在卵黄膜上,从而产生不对称的组织运动26;基于这一观察,进一步发现区域性组织的流体化使得细胞能够在浆膜窗口闭合过程中依次离开浆膜边缘27。
在上述引用的所有与Drosophila和Tribolium相关的研究中,均使用了基于样品腔的LSFM。在大多数研究中,利用样品旋转功能从多个方向对胚胎进行记录。尽管未明确说明,但可以推断这些胚胎是在连续的活体成像实验中单独记录的,彼此相互独立,类似于我们此前关于Tribolium20,28的研究。在某些情况下,这种方法是可接受的;但在定量比较研究中,环境差异可能导致结果偏差。例如,早已知晓昆虫的发育速度受温度影响29,而最近的一项研究进一步表明,在Drosophila中,温度还可能影响形态发生素的浓度30。因此,若需精确量化胚胎发生过程中的某些特征(如细胞的动态比例、分裂速率和迁移速度),则必须在无环境差异的条件下进行足够次数的重复实验。这有助于最小化标准差和标准误,从而更便于与其他实验条件(即使仅有轻微差异)进行对比分析。
然而,基于样品腔的光片显微镜(LSFM)主要设计用于高内涵而非高通量的检测。与通常配备标准化夹具以适配显微镜载玻片、培养皿和多孔板的共聚焦显微镜不同,几乎所有基于样品腔的LSFM均采用基于圆柱形的夹持机制。这类机制旨在适配可旋转、非侵入式的定制样品 holder10,但通常不适用于容纳多个样本20,31,32。一种能够在不牺牲基于样品腔系统优势的前提下,实现对两个或多个胚胎进行同步活体成像的框架,可解决环境变异问题,从而提升LSFM在比较研究中的应用价值。
在本方案中,我们提出了一种基于样品室的光片荧光显微镜(LSFM)进行比较性活体成像的实验框架(图1A),其中 y 轴可选择性地用于“堆叠”胚胎。首先,我们提供了一种基于荧光微球的校准指南,适用于基于样品室的 LSFM,这对于缺乏校准辅助功能的仪器尤为重要。其次,我们描述了一种基于蜘蛛网式固定装置28(图1B)的多胚胎装载方法,该方法兼容样品旋转,因而可沿多个方向同时对多个样本进行成像(图1C)。多个胚胎被排列在一层薄的琼脂糖膜上,在插入样品室后依次通过光片,以获取三维图像。第三,我们提供了三组果蝇(Drosophila)和赤拟谷盗(Tribolium)的活体成像示例数据集。对于前者,我们对比了细胞核荧光标记的转基因品系;对于后者,我们比较了携带相同转基因但插入基因组不同位点的亚系之间的成像性能。最后,我们讨论了并行化在比较性活体成像及环境变异控制中的重要性33,探讨了本实验框架的通量极限,并评估了该方法向其他模式生物的推广应用前景。
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1. 准备工作
2. 使用荧光微球对基于样品腔的光片荧光显微镜进行校准
注意:校准的目的是对齐照明和检测物镜的焦点(图2A),因为这是获得清晰图像的前提。LSFM 应定期校准,至少每3至4周一次。
3. Drosophila 胚胎的收集
4. 收集Tribolium胚胎
注意:为方便起见,提供了赤拟谷盗(Tribolium)卵收集步骤的示意图(图3A),本步骤中括号内的编号均对应于该图。
5. 基于次氯酸钠的去卵壳处理
注意:果蝇(Drosophila)和赤拟谷盗(Tribolium)的胚胎均被一层卵壳(chorion)包裹,该卵壳是一种具有保护作用且强烈散射光线的蛋白质层;只要在去除后保持胚胎湿润,此卵壳对正常发育并非必需。这两种物种胚胎的脱卵壳处理方案完全相同。
6. 使用蛛网支架固定多个胚胎
7. 基于样品腔的光片荧光显微镜中的比较性活体成像
8. 成像后胚胎的回收与进一步培养
9. 图像数据处理与元数据记录
注意:对于图像数据处理,推荐使用 ImageJ 的衍生版本 FIJI35(imagej.net/Fiji/Downloads)。FIJI 无需安装,且提供 32 位和 64 位版本。光片显微镜(LSFM)数据最常用的格式之一是标签图像文件格式(TIFF),该格式支持以 TIFF 容器的形式存储 图像堆栈。
10. 数据可视化
注意:本数据可视化指南主要聚焦于生成沿多个方向和/或随时间记录的多个胚胎的 z 轴最大投影图像矩阵。以下步骤描述了对示例数据集应用的数据可视化流程,用于生成代表性结果部分中所示的图像及关联视频。
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本方案描述了一种基于样品腔的激光扫描荧光显微镜(LSFM)中进行比较性活体荧光成像的实验框架。例如,该框架可用于并列比较:(i)两种或多种物种的胚胎,(ii)一种或多种基因被敲除的品系胚胎及其野生型对照,(iii)同一转基因品系的多个胚胎,(iv)不同转基因品系的胚胎,或(v)携带相同转基因但插入基因组位置不同的亚系胚胎。在本节中,我们将以前述最后两种情况为例进行说明。
在我们的首个示范性应用中,我们展示了来自不同转基因果蝇(Drosophila)品系的三个胚胎在约1天时间内的荧光信号动态(表2,图4,补充影片1)。对于这些品系,我们预期其荧光模式较为相似,因为它们均在不同但可能普遍且持续活跃的启动子调控下表达核定位的EGFP/GFP。然而,我们的比较性活体成像结果显示,其表达模式存在显著的时空差异,这些差异显然并非由环境变异引起的次级效应。
在我们的第二个应用实例中,我们比较了三个...
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光片荧光显微镜(LSFM)的独特应用领域之一是发育生物学。在该学科中,观察活体样本至关重要,否则无法以动态方式描述形态发生过程。本文所述的基于样品腔的 LSFM 同时进行活体成像的实验框架具有两个主要优势,因而十分便捷。
在连续活体成像过程中,环境变异是不可避免的,但可以主动加以应对。在与昆虫胚胎相关的活体成像中,我们观察到如下一些易受影响的因素:卵收集培养物在胚胎采集时可能具有不同的年龄。在Drosophila中已证明,这会影响后代的质量45。尽管可以采用适当去同步化的培养物进行实验,但使用同步化培养物进行同时成像则要方便得多。基于Drosophila和Tribolium的代表性结果均来自同步化卵收集培养物,因此我们可以有把握地排除荧光特性的差异是由亲代衰老所导致的非预期效应。
去壳是关键步骤,因为胚胎长时间暴露于次氯酸钠会降低其活力。然而,次氯酸钠的离子强度会随时间下降,带来不便。尽管可以测定其离子强度
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作者无任何利益冲突需要披露。
我们感谢Ernst H. K. Stelzer提供使用其资源的机会,以及他对本手稿提出的宝贵意见;感谢Anita Anderl在赤拟谷盗(Tribolium)活体成像方面的支持;感谢Sven Plath提供的技术支持;同时感谢Ilan Davis、Nicole Grieder和Gerold Schubiger通过Bloomington Stock Center共享他们的转基因果蝇(Drosophila)品系。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 6孔板 | Orange Scientific | 4430500 | |
| 24孔板 | Orange Scientific | 4430300 | 仅用于涉及Tribolium的活体成像 |
| 35 mm Ø 培养皿 | Fisher Scientific | 153066 | 仅用于涉及Drosophila的活体成像。 |
| 90 mm Ø 培养皿 | Fisher Scientific | L9004575 | |
| 100 µm 孔径细胞筛 | BD Biosciences | 352360 | |
| 250 µm 孔径筛网 | VWR International | 200.025.222-038 | 仅用于涉及Tribolium的活体成像 |
| 300 µm 孔径筛网 | VWR International | 200.025.222-040 | 仅用于涉及Tribolium的活体成像 |
| 710 µm 孔径筛网 | VWR International | 200.025.222-050 | 仅用于涉及Tribolium的活体成像 |
| 800 µm 孔径筛网 | VWR International | 200.025.222-051 | 仅用于涉及Tribolium的活体成像 |
| 405细小麦粉 | Demeter e.V. | SP061006 | 仅用于涉及Tribolium的活体成像 |
| 市售果蝇培养基 | Genesee Scientific | 66-115 | 仅用于涉及Drosophila的活体成像 / 也可使用自制Drosophila培养基 |
| 荧光微球,1.0 µm Ø | Thermo Fisher Scientific | T7282 | |
| 灭活干酵母 | Genesee Scientific | 62-108 | |
| 低熔点琼脂糖 | Carl Roth | 6351.2 | |
| 窄瓶 | Genesee Scientific | 32-109 | 仅用于涉及Drosophila的活体成像 |
| 小型画笔 | VWR International | 149-2121 | |
| 次氯酸钠(NaOCl),约12%有效氯 | Carl Roth | 9062.3 | 注意:次氯酸钠具有腐蚀性 |
| 全麦面粉 | Demeter e.V. | SP061036 | 仅用于涉及Tribolium的活体成像 / 英国:全麦粉(wholemeal flour) |
| 宽瓶 | Genesee Scientific | 32-110 | 仅用于涉及Drosophila的活体成像 |
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