利用延时成像技术,完整观察再生过程 水螅 可以对类球体进行追踪。本方案描述了类球体的生成方法。 水螅 类器官,讨论了多种固定策略,并详细说明了如何利用转盘共聚焦显微镜以及光片荧光显微镜进行长期活体成像。
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利用延时成像技术,完整观察再生过程 水螅 可以对类球体进行追踪。本方案描述了类球体的生成方法。 水螅 类器官,讨论了多种固定策略,并详细说明了如何利用转盘共聚焦显微镜以及光片荧光显微镜进行长期活体成像。
水螅 以其卓越的再生能力而闻名。值得注意的是,微小的再生片段能够 水螅 组织,称为 水螅 类球体可建立一个组织中心 从头合成一旦建立,该组织中心会引导周围组织分化为相应的口腔结构。数天内,球状体便可发育成一个虽小但结构完整的水螅体。这一过程相对较短的时间尺度使得对整个再生过程进行连续的延时成像成为可能,为研究再生的时空动态提供了独特的机会。本文中,我们展示了一套详细的操作流程,并呈现了再生过程中延时成像数据集的代表性结果 水螅 类球体。本方案包含类球体生成的详细步骤,以及用于成像的最优样品选择指南。我们讨论了适用于活体样品长期成像的固定策略,并展示了使用转盘共聚焦显微镜和光片显微镜的成像方法。此处所述原理可广泛应用于其他可通过长期成像研究动态形态发生过程的模型系统。
水螅 是一种小型淡水水螅,以其卓越的再生能力而闻名。从其身体中部切下的组织片段会折叠成一个中空的球形结构,该结构由 水螅的两个上皮层,即外胚层和内胚层。在再生过程中,这些 水螅 类球体建立一个组织中心 从头合成1大约3天内,身体轴逐渐伸长,头部和足部末端的细胞发生分化。由于这一过程时间较短,整个再生过程可通过活体成像完整记录。时间序列成像数据在揭示其特征性的膨胀与收缩循环方面发挥了重要作用。 水螅 类球体在再生过程中经历的变化2由这些渗透驱动的机械振荡所产生的组织拉伸有助于原肠胚形成组织者(organizer)的定位3.
成功的长期活体成像需要快速的图像采集以避免运动伪影,同时需尽量减少光照以防止对样本造成光损伤。传统的单点扫描共聚焦显微镜无法满足这些要求。然而,目前已开发出先进的成像技术。在本实验方案中,我们将重点介绍两种广泛应用的成像模式:转盘共聚焦显微镜(spinning disk confocal microscopy, SDCM)和光片荧光显微镜(light-sheet fluorescence microscopy, LSFM)。SDCM利用一个带有针孔阵列的高速旋转圆盘4,该设计可在保持共焦特性的同时,实现样本中多个点的同步激发与检测。这种并行采集方式显著加快了成像速度,从而能够无运动干扰地捕获动态样本。此外,更短的曝光时间也显著降低了光毒性。然而,由于成像深度有限,对较大结构进行活体成像仍具挑战性。
光片显微镜(LSFM)因其使用一束薄层光来激发仅处于该平面内的荧光分子而得名5。与通过限制检测到的发射光来实现轴向分辨率的针孔不同,光片显微镜通过限制被激发的体积来建立轴向分辨率。检测物镜与光片垂直放置,以90°角收集荧光信号。这种方法使得相机可在单次曝光中采集整个被照明平面上的荧光信号,从而提高成像速度并最小化光毒性。常见的LSFM构型基于一个或两个水平放置的检测物镜,其额外优势在于可从多个角度对同一样本进行成像。若显微镜配备两个检测物镜,则可同时从两侧对样本成像6。或者,也可通过旋转样本以从多个角度获取图像。
近年来,用于研究活体Hydra的成像技术取得了显著进展,使得研究人员能够观察到与再生相关的形态变化,甚至可追踪到神经元活动的动力学过程7,8,9,10。本文在先前已发表的实验方案6,11基础上进行拓展,重点展示对再生中Hydra球状体进行活体成像的多种方法。我们描述了从小片段组织生成Hydra球状体的方法,并提供了识别正确折叠样本的指导原则。文中详细列出了三种常用于活体成像的样品固定策略的操作步骤。对于倒置显微镜(SDCM 常用的配置)成像,通常将球状体固定在琼脂糖微孔中,使其可在保持在视野范围内的同时自由移动和旋转。氟乙烯丙烯(FEP)常用于样品固定,因其折射率(1.34)接近水(1.33)。FEP 薄膜可通过热成型加工成定制的成像腔室,以满足特定实验需求。类似地,将球状体包埋于玻璃毛细管内的琼脂糖中,是光片荧光显微镜(LSFM)的标准方法。尽管该技术限制了每根毛细管中可容纳的样品数量,但有利于实现多视角检测所需的样品旋转。最后,我们演示了如何使用 SDCM 和 LSFM 进行活体成像,并讨论了根据实验目标选择合适成像技术的关键考虑因素。尽管本实验方案针对Hydra优化设计,但其基本原理广泛适用于其他依赖长期成像来研究动态形态发生过程的模式系统。
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所述所有操作均按照瑞士动物研究的国家伦理准则进行。实验开始前,Hydra 应正常喂养,每周 3 次,持续至少 2 周。用于实验的 Hydra 应健康12,无性器官且不处于出芽状态。最近出芽的 Hydra(因其长度较群体中其他 Hydra 更短而可被识别)也应避免使用。
1. 水螅(Hydra)球状体的制备(图1)

图1:Hydra 类球体的制备。(A)展示Hydra类球体制备过程的示意图。类球体通过重建Wnt3+组织中心来打破对称性,从而驱动体轴形成、伸长和分化。(B)第一次切割位于身体中段,即B2与B3区域之间的边界处,如(A)所示。(C)将所得的每一半在膨大部分下方再进行一次切割。(D)将产生的组织环切开,并根据环的大小分成2-4个组织片段。比例尺:250 µm。请点击此处查看该图的放大版本。
| 培养基 | 成分 | 储存温度 | ||
| 解离液(DM) | 3.6 mM KCl、6 mM CaCl₂、1.2 mM MgSO₄、6 mM 柠檬酸钠、6 mM 丙酮酸钠、4 mM 葡萄糖和 12.5 mM TES(pH 6.9) | 4 °C | ||
| 水螅 培养基(HM) | 1 mM CaCl₂, 0.2 mM NaHCO₃, 0.02 mM KCl, 0.02 mM MgCl₂ 和 0.2 mM Tris-HCl (pH 7.4) | 室温 | ||
表1:培养基成分与保存条件。

图2:展开与折叠类球体的总体概述。 (A-D)展开类球体按折叠程度从最低到几乎完全折叠排列。展开类球体的特征是外胚层未覆盖内胚层的区域(蓝色箭头所示)。 (E)过小类球体的示例。 (F-G)大小适中的折叠类球体(250–350 µm)。 (H)过大型球体的示例。 图像使用Echo公司的Revolve混合显微镜(RVL2-K),在倒置模式下,采用4.0倍物镜和透射光相机(彩色),在4孔玻璃底成像板中采集。比例尺:250 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。
2. 装载策略
注意:显微镜的布局与实验设计共同决定了实验中最合适的装片策略。本文介绍了多种可用于不同应用的装片技术。

图3:Hydra 类球体活体成像的固定方法。(A)含(中间两个腔室)和不含(外侧腔室)类球体的琼脂糖孔。(B)在氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)孔中固定的类球体。(C)包埋于琼脂糖中并固定在玻璃毛细管内的类球体。成像时,将琼脂糖柱略微推出玻璃毛细管,因此类球体应靠近琼脂糖柱底部(绿色箭头),同时保持良好分离。距离底部过远的类球体(红色箭头)无法有效成像。请点击此处查看该图的放大版本。

图 4:适用于所述样品固定策略的成像装置示意图。 (A)类球体固定于琼脂糖微孔中,并在倒置式旋转盘共聚焦显微镜上进行成像。(B)类球体固定于氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)腔室中,并使用适合多孔成像的光片荧光显微镜进行成像6。为清晰起见,位于检测物镜1对面的第二个检测物镜未显示。(C)类球体包埋于琼脂糖中,并装载至玻璃毛细管内,用于采用与(B)不同配置的显微镜进行光片荧光显微成像。请点击此处查看此图的放大版本。
3. 转盘共聚焦显微镜
4. 光片荧光显微镜
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我们成功生成了再生过程的长期延时数据集 水螅 使用旋转盘共聚焦显微镜(SDCM)和光片荧光显微镜(LSFM)对类球体进行成像。在两种成像系统中,类球体的再生过程均正常进行:在3天内打破对称性、伸长,并发育出触手和基足。图 5A, 图6A, 补充视频1和补充视频2)。经过长时间成像后,再生的动物变得过于活跃,开始移出焦平面,甚至完全移出视野范围(图 5A).
利用荧光标记,我们观察了Hydra再生过程中至关重要的动态细胞过程。例如,Hydra球形体能够快速重组其肌动蛋白纤维8。尽管大部分肌动蛋白结构是继承而来的,但在组织片段不同末端折叠在一起的区域,这种结构组织必须重新建立。通过共聚焦显微镜(SDCM),我们捕捉到一个具有无序肌动蛋白区域的球形体,该区域随后发生了重排与重组...
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SDCM 和 LSFM 均适用于生成再生水螅球状体的长期延时成像数据集。Hydra 样品的成像基于各自不同的光学原理,因此每种技术都具有独特的优点和局限性(表2)。当无需获得样品完整且高分辨率的图像时,优先选择 SDCM。该方法可在单次实验中同时对多个样品进行成像,因此特别适用于测试不同条件(如药物处理)的实验。此外,SDCM 数据集的处理与分析较为简便,是两种技术中更快捷且更易操作的一种。然而,当需要全面的空间信息时,LSFM 是更优的选择。LSFM 在成像对光敏感性较高的样品时也具有优势。尽管与单点扫描共聚焦显微镜相比,SDCM 已显著降低了光毒性,但仍会使整个样品反复暴露于光照之下。而 LSFM 仅激发一个极薄的光学切面,从而最大限度地减少了光照暴露和光损伤13,14。然而,LSFM 的学习曲线较陡峭。采集后的数据处理,包括多视角图像配准与融合,可能较为复杂且对计算资源要求较高。尽管在建立标准化分析流程后可显著提升工作效率,但 LSFM 通常因视场更宽、z 轴堆栈...
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作者声明不存在利益冲突。
我们感谢FMI先进成像与显微技术平台的Laure Plantard提供的宝贵建议。本工作由诺华研究基金会资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 20×/0.8 Plan-Apochromat物镜 | Zeiss | 440640-9903-000 | 用于转盘共聚焦显微镜 |
| 20x/1.0 W Plan-Apochromat水浸物镜 | Zeiss | 421452-9700-000 | 在Zeiss Lightsheet 7中用作检测物镜 |
| FEP腔室安装用3D打印支架 | 定制 | ||
| 4孔玻璃底成像板(#1.5H) | Ibidi | 80427 | |
| 琼脂糖 | Carl Roth | 3810.4 | |
| FEP腔室用铝制模具 | 定制 | ||
| 氯化钙 | Sigma-Aldrich | C4901 | |
| 压缩空气罐 | Durable | POWERCLEAN STANDARD 400 | |
| 细胞培养皿(6 cm) | Thermo Fisher Scientific | 150288 | |
| D-(+)-葡萄糖 | Sigma-Aldrich | G8769 | |
| FEP薄膜(127 μm厚度) | Adtech Polymer Engineering | ||
| 羧基修饰FluoSpheres荧光微球(0.2 μm,深红色) | Thermo Fisher Scientific | F8807 | |
| 玻璃毛细管 | Brand | 701904 | |
| 玻璃巴斯德吸管(150 mm) | VWR | 612-1701 | |
| Hydra vulgaris | |||
| 成像软件 | Visitron | VisiView | 用于转盘共聚焦显微镜 |
| 倒置光学显微镜 | Zeiss | Axio observer 7 | 用于转盘共聚焦显微镜 |
| 光片显微镜 | Leica | Viventis Deep LS2 | |
| 光片显微镜 | Zeiss | Lightsheet 7 | |
| 低熔点琼脂糖 | Thermo Fisher Scientific | R0801 | |
| 氯化镁 | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| 硫酸镁 | Sigma-Aldrich | M2643 | |
| 微型手术刀 | pfm medical | 200300745 | |
| 移液球 | |||
| 活塞式移液器 | Brand | 701932 | |
| 氯化钾 | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| 安全本生灯 | INTEGRA Biosciences | FIREBOY plus | |
| sCMOS相机 | Photometrics | Prime 95B | 用于转盘共聚焦显微镜 |
| 碳酸氢钠 | Fluka Analytical, Sigma-Aldrich | 71630 | |
| 二水合柠檬酸钠 | Sigma-Aldrich | W302600 | |
| 丙酮酸钠 | Sigma-Aldrich | P2256 | |
| 转盘共聚焦扫描单元(50 μm针孔) | Yokogawa | CSU-W1 | 用于转盘共聚焦显微镜 |
| 体视显微镜 | Leica | M80 | |
| TES | Sigma-Aldrich | T1375 | |
| 热塑成型机 | 余姚金泰机械厂 | Jintai JT-18 | |
| 组织培养皿(10 cm) | VWR | 734-2321 | |
| Tris-HCl缓冲液 | Roche Diagnostics | 10812846001 |
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