本实验方案详细介绍了黑腹果蝇(Drosophila)蛹背胸片固定组织的制备与观察方法。该方法适用于完整或损伤的组织,且能保持组织原有的结构特征。本文描述了组织解剖、固定和染色的全部操作步骤。
本实验方案详细介绍了黑腹果蝇(Drosophila)蛹背胸片固定组织的制备与观察方法。该方法适用于完整或损伤的组织,且能保持组织原有的结构特征。本文描述了组织解剖、固定和染色的全部操作步骤。
蛹的 黑腹果蝇 在变态期间数天内不活动,在此期间它们会发育出具有薄而透明成体表皮的新身体。它们的不活动性和透明性使其成为理想的 体内 活体成像实验。许多研究集中于蛹期背侧上皮单层 notum 因其易于接近且相对较大而被广泛使用。除了用于上皮力学和发育研究外,notum 还是研究伤口愈合的理想组织。在损伤后,整个上皮修复过程可通过活体成像在 6–12 小时内完整记录。尽管 notum 在活体成像中应用广泛,但极少有已发表的研究使用固定的 notum 样本。固定与染色是几乎所有其他果蝇(Drosophila)组织常用的处理方法,可充分利用种类繁多的简单细胞染料和抗体。然而,蛹期 notum 组织脆弱,在从虫体分离后容易卷曲和变形,这使得其难以与活体成像形成互补。本方案提供了一种简便的方法,用于对完整或经激光损伤后的蛹期 notum 进行固定和染色。该技术通过将蛹的腹面粘附于盖玻片上以固定虫体,随后小心剥离 notum 组织,并进行固定和染色处理。notum 上皮组织可封片于载玻片上或夹在两片盖玻片之间,以便从组织的背侧或腹侧进行成像。
Drosophila melanogaster的蛹背片在过去十年中越来越多地用于活体成像研究,因为该阶段的动物既保持不动又具有透明的角质层1,2,3,4,5,6,7。然而,蛹背片的解剖和固定较为困难,导致难以在活体成像实验的基础上进行抗体染色和细胞染色。本研究的总体目标是建立一种可重复的实验方案,用于对新样本或先前已进行活体成像的样本进行蛹背片的解剖与固定,以开展抗体染色和细胞染色。
幼虫开始变态时,表皮从幼虫角质层分离,形成坚硬的蛹壳。8幼虫体轴结构被分解,新的成虫体轴结构随之发育形成。在此期间,蛹处于静止状态,适合进行活体成像。一个常被成像的组织是蛹的背胸片(pupal notum),这是一种在胸部背侧形成的成虫单层上皮组织。背胸片在去除 一种简单的解剖方法 去除蛹壳9然后可将整个动物进行封片,对notum进行数小时乃至数天的活体成像,使其成为研究上皮细胞在发育、稳态维持以及损伤后行为的理想组织10,11,12,13,14然而,由于notum较为脆弱,且表面覆盖着一层薄而透明的疏水性成虫表皮,因此在解剖和固定时具有较大难度。这种疏水性表皮在将notum从身体其他部分分离后,容易在水溶液中发生卷曲。因此,有关notum解剖与固定的报道极为罕见,且相关解剖步骤常未被详细描述15,16,17,18由于文献中缺乏详细的实验方案,对于研究人员而言,这几乎是无法克服的困难。 黑腹果蝇 研究人员可结合蛹的染色与活体成像进行互补研究。
该技术旨在可重复地解剖和固定先前进行过活体成像的样品,包括经过激光损伤的样品。由于活体成像需要去除蛹壳,因此该解剖技术首先去除蛹的前端蛹壳,这与以往将蛹固定或沿蛹壳切开的方案不同4,19,20。notum 是一种脆弱的组织,损伤可能进一步加剧其脆弱性。因此,为了支撑这一精细组织,在始终浸没于水性环境的条件下,将 notum 及部分头部和腹部的表皮(上皮及附着的透明成体角质层)从蛹的其余部分解离下来。该方法可降低组织卷曲而无法使用的情况发生。本技术已成功对损伤后30分钟(图1E-H)以及损伤后3小时(图1I-L)的损伤 notum 组织进行了染色。预计该方案在 notum 发育或伤口修复的整个过程中均有效。本技术将有助于希望结合蛹期 notum 活体成像能力与丰富可用的免疫组织化学试剂的研究人员。
Drosophila melanogaster(果蝇)在25 °C条件下饲养于标准的玉米粉-糖蜜培养基中。实验所用为EGFP标记的组蛋白H2A蛹(w[*]; P{w+mC=His2Av-EGFP.C}2/SM6a),果蝇来自公共品系保藏中心(见材料表)。
1. 蛹的固定
2. 解剖盾片
3. 背部染色
注意:使用抗体或细胞染料染色时,请遵循以下步骤。组织切片不得从溶液中取出,否则可能导致组织卷曲。因此,应调整染色方案,使其完全在盖玻片上进行,并将样本置于湿化 chamber 中,所有步骤超过 5 分钟的均需如此。 在洗涤过程中,可在解剖显微镜下观察样本,以避免意外吸走组织。
4. 背部体壁的制片与观察
该技术在未受伤的胸部背板上效果良好(图1A-D),可用于研究组织的发育与稳态过程,例如多倍体机械感受刚毛细胞的形成18,或上皮细胞从前向后的流动10。本方案同样适用于激光消融后的胸部背板(图1E-L),可在活体中利用内源性荧光蛋白(如组蛋白2-EGFP)实时分析细胞对损伤的响应(图1B,F,J)。通过免疫组织化学染色(步骤3)可进一步揭示多种结构特征,例如Fasciclin III可用于标记细胞边界(图1C,G,K)。此外,还可使用DAPI等定量染色方法(图1A,E,I)评估DNA含量的变化,包括损伤诱导的多倍化现象22。
本方案的优势在于可用于长期活体成像实验之后。由于蛹处于静止状态,可进行数小时的成像观察(图4A,B)。重要的是,该方案在解剖后不会对伤口上皮的整体结构或形态造成显著改变(图4B,C)。因此,可对组织内的特征进行长期成像,随后进一步通过免疫组织化学或细胞染色进行深入分析。
由于组织的不透明性,对其深层进行成像十分复杂,而果蝇(Drosophila)体表覆盖有蜡质的角质层8,使得深层成像更加困难。然而,利用本技术可将解剖后的胸部背板置于两张盖玻片之间,从而能够从任一侧对上皮单层进行成像:可通过角质层观察其顶端面(图5A-D),和/或观察朝向体腔的上皮基底面(图5E-H)。这两种不同视角非常适合于观察组织内不同的结构。例如,顶端视角适用于观察位于角质层下方的上皮细胞边界和细胞核(图5A-D)。而在基底视角下,这些顶端信号较难观察(图5E-H)。然而,在伤口边缘可观察到基底结构(图5J、L 黄色、白色箭头)。由于基底视角的遮挡较少,这些基底结构的信号明显更明亮。

图1:解剖后固定并染色的黑腹果蝇蛹背片。(A-D)未受伤的背片。(E-H)激光消融后30分钟的损伤背片。(I-L)激光消融后3小时的损伤背片。(A,E,I)DAPI染色显示细胞核。(B,F,J)转基因表达的Histone2-EGFP在活体成像中使用,固定和染色后仍可见。(C,G,K)抗FasIII抗体染色显示,抗体染色在固定后的背片上效果良好。(D,H,L)合并图像。图像使用转盘共聚焦显微镜以40倍物镜采集,展示的是Z轴堆栈的最大强度投影,Z轴步长为0.3 µm。A-D包含263个Z轴切片,E-H包含195个切片,I-L包含53个切片。橙色虚线表示伤口边缘。L图中的比例尺为25 µm,适用于A-L所有图像。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:背胸片解剖时的手部摆放位置。(A-B)持显微解剖剪时左右手的摆放视角。为防止手部抖动,应将剪刀颈部抵住非优势手的中指。剪刀需与显微镜载玻片保持平行,以避免背胸片组织发生扭曲。请点击此处查看该图的放大版本。

图3:正确分离的notum 与卷曲的notum (A解剖并清理后的蛹背板已展开,准备进行固定。B蛹背板从1x PBS中取出后发生自卷曲,导致无法使用。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图4:固定前与固定后的图像总体相似。 对表达核定位Histone2-EGFP的蛹期notum进行成像,(A) 激光消融前的活体样本,以及(B) 激光消融后3小时。(C) 随后将notum组织取出、解剖并按本方案所述进行固定,固定后再进行成像。伤口位置以红色星号标记。所有图像均使用转盘共聚焦显微镜,配备40倍物镜采集,Z轴步长为0.3 µm。图中显示的是损伤前34个Z轴层面(A)、损伤后3小时48个Z轴层面(B)以及解剖、固定和染色后103个Z轴层面(C)的最大强度投影图像。C图中的比例尺为25 µm,适用于A-C图。请点击此处查看该图的放大版本。

图5:损伤背胸片的顶端和基底面成像。 所有图中展示的是同一个受损蛹期背胸片。损伤部位以红色星号标记,橙色虚线表示伤口边缘。(A-D) 从表皮外侧(顶端)对背胸片进行成像。(E-H) 从内部基底侧对背胸片进行成像。(I-L) 上排图显示背胸片的X-Z截面图像,顶端朝上,上皮层由白色三角形标示。橙色线表示下排图中所示X-Y切片的顶端-基底方向平面;在下排图中,橙色线则表示上方X-Z图像的切片平面。(I) 从顶端成像的背胸片——顶端切片。上方X-Z视图精确显示了顶端上皮层(白色三角形),该视图等同于活体成像视图。(J) 从顶端成像的背胸片——基底切片,部分被顶端组织遮挡。基底侧可见其他组织,由黄色箭头(可能为肌带)和白色箭头(可能为血细胞)指示。(K) 从基底侧成像的背胸片——顶端切片,部分被基底组织和伤口痂(中央深色区域)遮挡。(L) 从基底侧成像的背胸片——基底切片。此视图最清晰地显示了由黄色和白色箭头标示的基底组织。A,E:DAPI染色;B,F:组蛋白-EGFP;C,G:FasIII染色。图像使用20倍物镜配合转盘共聚焦显微镜采集,Z轴切片间隔为0.9 µm。A-D为19个Z切片的最大强度投影,E-H为17个Z切片的最大强度投影。D、H、L中的25 µm标尺分别适用于A-D、E-H和I-L。 请点击此处查看该图的放大版本。
补充文件 1:溶液与缓冲液的配制。 以下溶液的配制方法详述如下:1xPBS、1x PBST、封闭液和多聚甲醛固定液。请点击此处下载该文件。
关键步骤
优化以下三个步骤将显著提高本方案的成功率。首先,在步骤 1.5 中,应用于盖玻片的粘合胶应尽量少。若粘合胶过多,蛹体会被包裹在一层厚厚的固化胶中,导致无法进行解剖;若胶体覆盖了背部体壁本身,还会遮挡样品的光线。其次,在步骤 2.3–2.6 期间,应仅去除背部体壁的顶部穹顶部分,尽可能避免损伤侧向组织。若保留了侧向组织,在封片过程中其受压会导致背部体壁中部向内弯曲,常常使其超出高数值孔径物镜的工作距离范围。第三,在清洁步骤 2.9 中,必须格外小心,避免损伤单层上皮组织。如果组织出现大面积缺失或无法检测到信号,该步骤很可能是主要原因。
故障排除
问题1:封片后,在解剖过程中蛹从双面胶带上脱落。这是一个常见问题,尤其对于初学者而言。最佳解决方法是确保蛹壳外部完全干燥且无食物残渣。使用钝头镊子清除食物残渣,并将蛹壳在空气中干燥10-15分钟,有助于其更好地粘附于胶带。或者,在解剖过程中可用非优势手配合钝头镊子将蛹体压紧在胶带上以固定。如果问题仍然存在,可在蛹壳后端基部涂抹一小滴5-10 µL的指甲油,待其硬化,通常足以固定最难处理的蛹体。
问题2:在步骤2.3期间背板发生塌陷,或穿透体壁的初始切口不顺畅。如果难以穿透体壁,可能是由于固定步骤中使用的粘合胶过多。将解剖后的蛹置于较少的粘合胶中可改善此问题。此外,需确保显微解剖剪足够锋利。钝剪刀无法有效切割体壁,并容易导致其向内塌陷。一旦血淋巴从蛹体内溢出,应确保其中一侧剪刀刃能够进入蛹体内部,且不引起背板变形。若背板塌陷且剪刀刃无法进入蛹体,应持续进行剪切操作,直至剪刀刃成功进入蛹体内部。
问题3:在步骤2.4中,剪刀夹住或拖拽表皮。如果剪刀开始夹住或拖拽表皮,通常可换至蛹的另一侧继续操作,以“松解”表皮。若使用过于钝化的显微解剖剪,将难以在表皮上实现整齐切割,因此必须使用锋利的剪刀。
问题4:染色过程中(步骤3.1-3.6)样品被意外吸出。由于解剖的notum呈透明状,难以观察。可在盖玻片下方放置深蓝色或黑色背景以增强对比度(旧的移液器吸头架效果良好)。此外,所有溶液更换操作均可在解剖显微镜下进行。
问题5:未检测到信号或信号呈斑片状分布。在排除染色特异性问题后,若未检测到信号或信号呈斑片状,则步骤2.9(清洗)很可能是原因所在。信号缺失或呈斑片状可能源于清洗过程中上皮组织的损伤或脱落。相反,若未彻底去除肌肉带或脂肪体细胞,这些结构可能阻碍染料和抗体向背板组织的扩散,从而导致信号减弱。如果组织已受损,建议在清洗过程中操作更轻柔。如果染色可见但呈斑片状分布,则建议加强清洗力度或延长清洗时间,以尽可能去除肌肉和脂肪体。此外,在更充分清洗的基础上,延长染色时间也有助于解决此问题。
问题6:成像过程中胸背组织出现扭曲或起皱现象。组织扭曲和起皱来源于两个方面。首先,在封片过程中挤压胸背组织会导致其发生屈曲和变形。最佳解决方案是尽可能去除侧向组织,使组织穹顶尽可能短,从而能够恰好置于盖玻片间隔物之间。其次,若在解剖过程中胸背组织发生弯曲,则在封片时该弯曲无法恢复平直,因此必须格外小心,避免在解剖过程中造成胸背组织变形。在将表皮从蛹体其余部分剪离时,最容易意外造成胸背组织弯曲。此时,操作者往往倾向于将解剖剪以一定角度倾斜于蛹体进行操作,而非始终保持剪刀在样本平面内。然而,倾斜的剪刀会导致表皮被剪开时向上屈曲,而非保持平整。
现有方法、局限性及未来应用
Wang 等人20 报道了一种可用于分离蛹表皮的类似解剖方案。该技术要求蛹体保留在其蛹壳内,并用解剖刀迅速将其切成两半。此方法不适用于此前已进行活体成像的样本,因为活体成像需要移除大部分蛹壳。由于蛹体缺乏刚性,若在蛹壳外进行切半操作会导致组织损毁,这促使了本实验方案的建立。本文详述的技术可实现背胸片的分离与固定,且可作为多种后续实验方法的第一步,例如冷冻切片、原位杂交或电子显微镜观察等。
该技术存在一些局限性。首先,解剖、固定和染色胸背板比在胸背板中对荧光标记蛋白进行活体成像更为耗时,后者仅需简单的解剖以去除蛹壳9,23。其次,与其他黑腹果蝇(Drosophila)组织的解剖相比,该解剖操作更为困难,原因是组织薄而脆弱,且表皮具有疏水性。若仅需观察黑腹果蝇上皮中的蛋白质,对固定后的胚胎、幼虫翅盘或卵巢进行免疫组织化学染色则更为简便。然而,该技术一旦掌握,便可将活体成像的优势与固定和染色技术相结合,成为一种功能强大的研究工具。
与活体成像相比,解剖/固定技术具有一些优势。通过基底(内部)视角可以更清晰地分辨基底结构(图5L,J)。最重要的是,活体成像受限于必须通过基因手段提供的荧光染料,通常需要耗时较长的遗传杂交方案。相比之下,本方案允许使用染色、免疫组织化学以及其他需要解剖和固定的实验技术。这显著增加了组织中可检测信号的数量,同时可能缩短获得实验结果所需的时间。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 M. Shane Hutson 博士建立了用于蛹期创伤的激光消融系统,并感谢他在本实验方案的开发过程中所做出的贡献和提供的反馈意见。本研究工作由 APM 和 M. Shane Hutson 获得的 1R01GM130130 项目资助。JW 由 2T32HD007502-21 项目资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| ½” Scotch 永久性双面胶带 | Scotch 3M | 665 | |
| 0.1–10 µL uTIP 移液器吸头 | Biotix | M-0011-9FC | |
| 22 × 22 mm No. 0 厚度盖玻片 | Thomas Scientific | 1207Z28 | |
| 24 × 60 mm 盖玻片 | Corning | 2980-246 | |
| 3M VetBond | 3M | 1469SB | 在实验方案中称为 "粘合胶" |
| 抗 FasIII 一抗 小鼠 IgG2a | 发育研究杂交瘤库 | 7G10 | |
| 氯化钙 | Fisher Chemical | c79-500 | |
| Cy3 标记的 AffiniPure 山羊抗小鼠 IgG2a | Jackson ImmunoResearch | 115-165-206 | |
| DAPI | Sigma Aldrich | D9542-1mg | |
| Dumont #5 细尖镊子 | Fine Science Tools | No. 11254-20 | |
| Dumont #5 细尖镊子:钝头 | Fine Science Tools | No. 11254-20 | 频繁使用且未磨锐的镊子,或用磨刀石磨钝的镊子 |
| Fisherbrand 双面磨砂载玻片 | Fisher Scientific | 22-034-486 | |
| 荧光光源 | Lumencor | Celesta 90-10512 | |
| 果蝇品系:EGFP 标记组蛋白 H2A | Bloomington 果蝇品系中心 | 24163 | |
| 果蝇培养管泡沫塞 "Flugs" | Genesee Scientific | 49-101 | |
| 加湿培养盒:内衬浸水滤纸并用铝箔包裹的小容器 | Cole-Parmer | 759075D | 可使用盛放 Cole-Parmer 比色皿(759075D)的聚苯乙烯泡沫盒,加入 50 mL 水,制成优良的加湿培养盒。 |
| KimWipe | KimTech | 34155 | 在实验方案中称为 "吸水纸" |
| Nikon Ti2 Eclipse | Nikon | Eclipse Ti2-E | |
| NIS Elements 软件 | Nikon | AR | |
| Parafilm 封口膜 | Pechiney Plastic Packaging | PM-996 | |
| 多聚甲醛(PFA)16% | Ted Pella, Inc | 18505 | |
| 塑料离心管 | Genesee Scientific | 32-114 | |
| 叠氮化钠(NaN3) | Fisher Scientific | 19038-1000 | |
| 立体解剖显微镜 | Carl Zeiss | STEMI 2000 | |
| Vannas 弹簧剪 | Fine Science Tools | 15000-00 | 全新或刚磨利的剪刀 |
| Vecta Shield | Vector Laboratories | H-1000 | 在实验方案中称为 "抗荧光淬灭封片剂" |
| 含 DAPI 的 Vecta Shield | Vector Laboratories | H-1200 | 不适用于蛹背片样本。 |
| X-Light V2 转盘共聚焦系统 | Crest Optics | V2 L-FOV |