我们展示了一种利用快速扫描共聚焦显微镜对发育中斑马鱼视顶盖内的小胶质细胞进行活体成像的方法,从而实现对这些细胞动态行为的分析 体内.
我们展示了一种利用快速扫描共聚焦显微镜对发育中斑马鱼视顶盖内的小胶质细胞进行活体成像的方法,从而实现对这些细胞动态行为的分析 体内.
小胶质细胞是高度动态的细胞,其向脑实质的迁移和定植是大脑正常发育与功能实现的关键步骤。体外发育的斑马鱼胚胎具有光学透明性,结合已充分表征的、可荧光标记小胶质细胞的转基因报告品系,使斑马鱼成为研究此类过程的理想脊椎动物模型。本文利用斑马鱼模型的独特优势,对小胶质细胞的动态行为进行可视化观察。 体内 在生理条件下,我们利用共聚焦显微镜记录斑马鱼胚胎视顶盖中小胶质细胞的时间序列图像,随后使用 IMARIS 10.0 软件提取追踪数据,以获得小胶质细胞在不同发育阶段的迁移路径、平均速度及在视顶盖中的分布情况。该实验方案可作为阐明小胶质细胞行为在多种生理背景下功能意义的有效工具,有助于更深入地表征这些高度运动性细胞的特性。
作为中枢神经系统(CNS)中的常驻巨噬细胞,小胶质细胞是一类独特的非神经元细胞群体,在成年大脑所有胶质细胞中可占到15%。近年来,由于小胶质细胞在发育、生理和疾病中的重要作用已被证实,其生物学研究受到越来越多的关注1。在生理条件下,小胶质细胞具有高度动态性,持续地对脑实质进行巡查2,3。这种行为使小胶质细胞能够定植于大脑,并在脑发育过程中发挥关键作用,例如塑造神经元回路4、突触修剪5以及血管发生6。此外,这种固有的动态特性还使小胶质细胞能够持续监测中枢神经系统是否存在感染、损伤或任何偏离稳态的迹象7。为了深入解析这些复杂的细胞动态过程,对小胶质细胞在时空维度上的活体成像至关重要。幸运的是,体外发育的斑马鱼胚胎具有良好的光学通透性,同时存在多种已充分表征的转基因报告品系,可对小胶质细胞进行荧光标记,这使得斑马鱼成为此类研究的理想脊椎动物模型。在斑马鱼胚胎中进行活体成像是一种非侵入性方法,无需手术或复杂的组织操作,从而最大程度地减少了对中枢神经系统状态的潜在干扰。这一点在研究小胶质细胞时尤为关键,因为它们对外部微环境的细微变化极为敏感8。
在此,我们提供了一种成功追踪斑马鱼胚胎中三维小胶质细胞运动的指南,从而以前所未有的视角观察小胶质细胞在发育中脑实质完整结构内的行为(参见 图1 有关该方案的图示概览)。本逐步操作方案详细介绍了如何建立并成像斑马鱼在不同发育阶段的小胶质细胞,以及如何提取小胶质细胞运动性的高分辨率数据,从而深入揭示其迁移模式及对环境信号的响应。我们还展示了该方案可进行调整以实现活体多色成像,因而可进一步扩展应用于结合标记邻近细胞(包括神经元)的转基因品系,共同研究小胶质细胞3少突胶质细胞9和内皮细胞10 (如图所示) 图2通过扩展研究工具,使人们能够直接观察和表征小胶质细胞行为的动力学特征 在生理和疾病状态下,该方案有望通过实时观察自然环境中的小胶质细胞,进一步阐明其在早期发育过程中的功能。
斑马鱼的饲养遵循FELASA42以及机构(比利时布鲁塞尔自由大学,比利时布鲁塞尔;ULB)的指南和规定。所有实验程序均经布鲁塞尔自由大学动物福利伦理委员会(CEBEA)批准。
1. 斑马鱼饲养与胚胎制备
注意:本方案中所示的追踪数据使用了在巨噬细胞(包括小胶质细胞)中表达荧光 eGFP 蛋白的转基因斑马鱼品系 Tg(mpeg1:eGFP)gl22 获得。其他巨噬细胞报告品系可从 ZIRC 获取并同样适用。在选择转基因品系时,需注意较高的信号强度将有助于图像采集和细胞分割。
2. 斑马鱼固定
3. 追踪分析与数据导出
根据所述方案,对表达绿色荧光蛋白(eGFP)的小胶质细胞和表达DsRed的内皮细胞的Tg(mpeg1:eGFPgl22; kdrl:cres898; actb2:loxP-STOP-loxP-DsRedexpress,sd5)三重转基因胚胎在3 dpf时进行成像14。单个斑马鱼胚胎被固定在底部为玻璃的培养皿中的1%低熔点琼脂糖中,成像过程在采集期间未影响胚胎的正常发育。时间序列成像使用商用点扫描共聚焦显微系统完成,配备10倍0.45 NA干式物镜,分别采用488 nm和561 nm激发激光对小胶质细胞和内皮细胞进行成像。此外,时间间隔、图像分辨率、像素大小和z轴步进分别为30秒(s)、1024×1024、0.49 µm和2.5 µm。时间序列记录持续3.5小时(h)。
所获取的视野覆盖了胚胎的整个头部,但分析重点集中在视顶盖区域,因为在发育的第一周内,小胶质细胞主要局限于中脑背侧该区域的神经元胞体层,从而使研究者能够同时观察到整个细胞群体15。三维追踪分析使用 Imaris 10.0 软件进行,方法如上所述。如图4所示,追踪成功,共获得25条轨迹,与3 dpf时视顶盖中预期存在的小胶质细胞数量相符16。仅需极少的手动轨迹校正。图5展示了一次成功追踪实验所能提取数据的示例。巨噬细胞与内皮细胞的同时标记使得研究人员能够量化小胶质细胞相对于后者的空间位置,从而随时间可视化每个细胞与最近内皮细胞之间的相对距离,并分析潜在相互作用的发生频率和数量(图5)。

图1:实验流程概览。(A)斑马鱼胚胎的准备与麻醉。(B)样品的固定与定位。(C)图像采集。(D)图像处理与运动性数据提取。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2:斑马鱼胚胎中小胶质细胞的成像及其与脑内细胞环境的相互作用。(A)3 dpf 斑马鱼胚胎头部和脑的明场图像(背侧视图),标注了视顶盖和后脑。由于胚胎斑马鱼脑体积小且具有光学透明性,此阶段可对其进行整体成像。(B-D)通过使用转基因品系,如(B,C)Tg(mpeg1:eGFP)gl22 和(D)Tg(mpeg1:mcherry)gl23,并聚焦于视顶盖(OT),可观察小胶质细胞的位置和行为。(B)利用报告基因品系 Tg(XlTubb:DsRed)zf148 可识别神经元及其细胞体,并通过共表达两种转基因的品系合并双通道图像,可视化小胶质细胞与神经元的相互作用。图中显示绿色(小胶质细胞)和红色(神经元,以品红色显示)信号的合并图像。(C,D)报告基因品系还可揭示小胶质细胞(绿色)与内皮细胞的相互作用,此处使用(C)双转基因 Tg(kdrl:cres898; actb2:LOXP-STOP-LOXP-Dsredexpress, sd5)以红色标记内皮细胞;或与胶质细胞(如少突胶质细胞及其前体细胞)的相互作用,使用(D)双转基因 Tg(olig2:EGFP; mpeg1:mcherry) 品系。1:视顶盖中的少突胶质细胞及其前体细胞;2:小脑中的广树突神经元。比例尺 = 50 µm。缩写:dpf = 受精后天数;OT = 视顶盖;HB = 后脑。请点击此处查看该图的放大版本。

图33天斑马鱼胚胎中皮肤巨噬细胞与小胶质细胞的形态学与空间分布差异 (A,B背侧视图 Tg(mpeg1:eGFPgl22 3 天龄斑马鱼胚胎,显示(A) 实质性小胶质细胞(由品红色星号标记)与皮肤巨噬细胞(白色星号标记),根据其在z轴方向上的相对位置进行鉴别,如(B),显示的是使用 z 轴颜色编码渲染的单色 3D 图像。C,D) 侧视图(CA 和(DB,展示z轴深度 mpeg1:eGFP+ 胚胎头部内的细胞,并突出显示皮肤巨噬细胞相对于小胶质细胞的浅表定位。E-K每个星号所指示细胞的高倍放大图像 A 和 B,提供不同形态之间详细的可视化对比E-G) 阿米巴样小胶质细胞和 (H-K细长的皮肤巨噬细胞。比例尺= 30 µm缩写:dpf = 受精后天数。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图4在3天龄斑马鱼胚胎中追踪小胶质细胞 (A) 3 dpf Tg( 的头部背侧视图kdrl:cres898; actb2LoxP-STOP-LoxP-DsRed表达,sd5;mpeg1:eGFPgl22)三重转基因胚胎,显示小胶质细胞(绿色)和血管的表面重建(品红色)。B-D) 小胶质细胞运动的代表性追踪图,时间跨度为 (B3.5 小时时间窗口内,可观察到单个细胞遵循复杂的轨迹。C) 时间序列细节,显示上方区域的放大视图 B 由虚线方框标示的区域。展示了视频中的六个帧(间隔45分钟),记录了小胶质细胞与其微环境中内皮细胞建立瞬时接触的过程。D) 视顶盖内单个小胶质细胞迁移轨迹,其中X、Y、Z轴代表空间维度。比例尺 = 50 µm缩写:dpf = 受精后天数。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图5数据获取结果的可视化。 使用所述方案可获得的空间数据示例。图中显示了(A) 小胶质细胞的平均移动速度,(B)它们在1小时内移动的平均距离,(C)其均方位移,以及(D)它们在不同时期的空间分布。血管的表面渲染还允许测量任意时刻小胶质细胞与内皮细胞之间的最短距离,包括在(E单细胞水平以及作为(F)全球平均值。对于 AB,以及 D每个点代表一个单独的细胞。N = 一个胚胎。 请点击此处以查看此图的放大版本。
补充文件 1: 请点击此处下载该文件。
本方案可实现 体内 脊椎动物胚胎中小胶质细胞动态的成像及获得的运动性数据的可视化。小胶质细胞在发育中的大脑中的定植发生于胚胎发生的早期阶段,并早于神经发生、星形胶质细胞发生、少突胶质细胞发生及其他多种细胞过程等关键事件的高峰期17因此,小胶质细胞在调控脑发育的特定方面发挥着重要作用也就不足为奇了18,例如通过调控神经元的分化、迁移和存活19,20,21以及突触修剪5 和髓鞘形成22,23,24.
功能失调的小胶质细胞在神经发育障碍的发病机制和/或进展中的作用也正日益受到关注25。事实上,小胶质细胞在发育中大脑的早期出现使其暴露于不同的生理状态26 和环境变化之中。考虑到小胶质细胞在啮齿类动物和人类中均为长寿命细胞,并通过局部前体细胞的自我更新在生命周期中持续维持27,28,29,这种暴露可能产生显著影响。我们认为,本方案可作为一种有力工具,用于更深入地表征小胶质细胞在脑形态发生的各个连续阶段中,随着其发育、成熟并建立网络时,在不同生理状态下的行为特征。
利用此处所述的实验装置,我们已成功对长达6天龄的斑马鱼幼鱼进行了成像并获取了数据。将分析扩展至更晚的发育阶段也可能取得成功,但需要调整成像装置,以考虑样本尺寸的增加,尤其是沿z轴方向的增大。在尝试此类扩展时,我们建议重点关注保持较低的信噪比和快速的扫描时间,因为这些是成功分析的关键参数。
建议最少成像时间为1小时,以实现小胶质细胞的追踪;本方案已测试的最长成像窗口为8小时。此外,为便于追踪分析,应尽可能缩短帧间时间间隔,理想范围为30秒至60秒。这将有助于在后续分析中获得更准确、更详细的追踪数据。因此,特别是在检测多个荧光染料时,必须避免光谱重叠,确保两种荧光染料发射光谱之间有足够的分离度,以实现同时采集且无信号串扰。
已有其他可用于高质量斑马鱼大脑延时成像的实验方案30,但本方案是首个能够成功在较长时间内追踪胚胎发育过程中所有小胶质细胞运动的方法。尽管本文所述工作流程主要聚焦于生理条件下小胶质细胞的追踪,但其同样可轻松应用于病理状态下小胶质细胞的分析。事实上,斑马鱼中已建立了多种神经发育障碍模型,例如自闭症31、癫痫32和精神分裂症33,以及神经退行性疾病34 和癌症35,这些模型为研究疾病状态下小胶质细胞的反应与行为提供了独特的机会。
值得注意的是,该追踪方案具有高度的通用性,也可用于阐明各种细胞类型在斑马鱼胚胎不同解剖区域中的迁移模式,从而可能拓展出本文所述小胶质细胞研究范围之外的其他应用。此外,通过整合多种荧光转基因品系的能力,我们能够分辨小胶质细胞与脑微环境中其他细胞类型之间的空间关系,并以非侵入性的方式在延时成像记录中可视化细胞间的相互作用与信号交流。这有助于揭示小胶质细胞行为的生理意义,并推动对这些高度迁移性细胞的更深入表征。
作者声明无利益冲突。
作者谨向Nicolas Bayens教授致以诚挚的感谢,感谢他慷慨提供了本研究所必需的共聚焦显微镜的使用权限。 本工作部分由比利时科学基金(FNRS)资助,资助编号为F451218F和UG03019F;阿尔茨海默病研究基金会(SAO-FRA)(资助对象:V.W.);A.M. 获得了FNRS研究奖学金的支持。图 1 在biorender.com上制作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1 L 繁殖缸 | Tecniplast | ZB10BTE | |
| 1-苯基-2-硫脲(PTU) | Sigma-Aldrich | P7629 | 用 E3 培养基稀释至 0.2 mM,以防止胚胎色素沉积 |
| 底部玻璃成像皿 | FluoroDish | FD3510-100 | |
| 一次性刻度移液管 | avantor | 16001-188 | |
| 干式恒温块加热器 | Novolab | Grant QBD4 | 用于将低熔点琼脂糖维持在 37 °C |
| 氨基苯甲酸乙酯甲磺酸盐(Tricaine) | Sigma-Aldrich | E10521-50G | |
| Imaris 10.0 | Oxford Instruments | 分析软件 | |
| Imaris 文件转换器 | Oxford Instruments | https://imaris.oxinst.com/big-data | |
| 激光扫描共聚焦显微镜 | Nikon | Eclipse Ti2-E | |
| 亚甲蓝 | Sigma-Aldrich | M9140-25G | |
| 微量移液器加载吸头(microloader tips) | Eppendorf | 5242956003 | |
| NuSieve GTG 琼脂糖 | Lonza | 50081 | |
| 培养皿(90 mm) | avantor | 391-0559 | |
| 蛋白酶 K(Pronase) | Sigma-Aldrich | 11459643001 | |
| 不锈钢镊子 Dumont No. 5 | FineScienceTools | 11254-20 | |
| 体视显微镜 | Leica | Leica M80 | 用于胚胎固定操作 |
| 解剖针(teasing needle) | avantor | 76549-024 |