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Research Article
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Dieses Protokoll beschreibt eine Technik zur Visualisierung des Makrophagenverhaltens und des Todes bei embryonalen Zebrafischen während einer Mycobacterium marinum-Infektion. Schritte zur Herstellung von Bakterien, Infektionder tenatierter Embryonen und intravitale Mikroskopie sind enthalten. Diese Technik kann auf die Beobachtung von Zellverhalten und Tod in ähnlichen Szenarien mit Infektion oder sterile Entzündung angewendet werden.
Zebrafish ist ein ausgezeichneter Modellorganismus für die Untersuchung des angeborenen Immunzellverhaltens aufgrund seiner transparenten Natur und der Abhängigkeit ausschließlich von seinem angeborenen Immunsystem während der frühen Entwicklung. Das Infektionsmodell des Zebrafischs Mycobacterium marinum (M. marinum) hat sich bei der Untersuchung der Immunantwort des Wirts gegen mykobakterielle Infektionen etabliert. Es wurde vorgeschlagen, dass verschiedene Makrophagenzell-Todestypen zu den verschiedenen Ergebnissen einer mykobakteriellen Infektion führen werden. Hier beschreiben wir ein Protokoll mit Intravital-Mikroskopie, um den Tod von Makrophagenzellen in Zebrafisch-Embryonen nach einer M. marinum-Infektion zu beobachten. Zebrafisch transgene Linien, die speziell Makrophagen und Neutrophile kennzeichnen, werden durch intramuskuläre Mikroinjektion von fluoreszierend M. marinum entweder im Mittelhirn oder im Rumpf infiziert. Infizierte Zebrafisch-Embryonen werden anschließend auf niedrigschmelzender Agarose montiert und durch konfokale Mikroskopie in X-Y-Z-T-Dimensionen beobachtet. Da langzeitige Live-Bildgebung niedrige Laserleistung erfordert, um Photobleichungen und Phototoxizität zu vermeiden, wird eine stark exsemitende transgene empfohlen. Dieses Protokoll erleichtert die Visualisierung der dynamischen Prozesse in vivo, einschließlich Immunzellmigration, Interaktion mit Wirtspathogenen und Zelltod.
Eine mykobakterielle Infektion hat gezeigt, dass sie zum Tod von Immunzellenführt 1. Beispielsweise löst ein abgeschwächter Stamm Apoptose in Makrophagen aus und enthält die Infektion. Jedoch, ein virulenter Stamm wird lytische Zelltod auslösen, was bakterielle Verbreitung1,2. In Anbetracht der Auswirkungen dieser verschiedenen Arten von Zelltod auf die antimykobakterielle Reaktion des Wirts ist eine detaillierte Beobachtung des Todesfälles von Makrophagenzellen während einer mykobakteriellen Infektion in vivo erforderlich.
Die herkömmlichen Methoden zur Messung des Zelltodes sind die Verwendung von toten Zellflecken, wie Annnexin V, TUNEL oder Acridin orange/propidiumiodid Färbung3,4,5. Diese Methoden sind jedoch nicht in der Lage, Licht auf den dynamischen Prozess des Zelltodes in vivo zu werfen. Die Beobachtung des Zelltodes in vitro wurdebereits durch Live-Bildgebung 6 erleichtert. Ob die Ergebnisse jedoch die physiologischen Bedingungen genau imitieren, bleibt unklar.
Zebrafische waren ein ausgezeichnetes Modell für die Untersuchung von Host Anti-Mycobacterium Antworten. Es hat ein hochkonserviertes Immunsystem ähnlich dem des Menschen, ein leicht zu manipulierendes Genom, und die frühen Embryonen sind transparent, was eineliveeBildgebung 7,8,9ermöglicht. Nach einer Infektion mit M. marinum bilden erwachsene Zebrafische typische reife Granulomstrukturen, und embryonale Zebrafische bilden frühe Somaulom-ähnliche Strukturen9,10. Der dynamische Prozess der angeborenen Immunzell-Bakterien-Interaktion wurde zuvor im Zebrafisch M. marinum Infektionsmodell11,12untersucht. Aufgrund der hohen räumlich-zeitlichen Auflösung bleiben die Details rund um den Tod der angeborenen Immunzellen jedoch weitgehend undefiniert.
Hier beschreiben wir, wie der Prozess des makrophagenlytischen Zelltodes visualisiert wird, der durch eine mykobakterielle Infektion in vivo ausgelöst wird. Dieses Protokoll kann auch auf die Visualisierung zellulärer Verhalten in vivo während der Entwicklung und Entzündung angewendet werden.
Zebrafische wurden unter Standardbedingungen in Übereinstimmung mit Labortierrichtlinien zur ethischen Überprüfung des Tierschutzes (GB/T 35823-2018) aufgezogen. Alle Zebrafischexperimente in dieser Studie wurden genehmigt (2019-A016-01) und wurden am Shanghai Public Health Clinical Center, Fudan University, durchgeführt.
1. M. marinum Einzelzell-Inokulum-Vorbereitung (Abbildung 1)
2. Zebrafisch Embryo Vorbereitung
3. Infektion über bakterielle Mikroinjektion
4. Live Imaging der Infektion
5. Einzelzellige UV-Bestrahlung zur Induzieren von Apoptose und Live Imaging
6. Bildverarbeitung
Mycobacterium-Infektion kann verschiedene Wirtsreaktionen basierend auf den Infektionswegen auslösen. In diesem Protokoll werden Zebrafischembryonen durch intramuskuläre Mikroinjektion fluoreszierender Bakterien in das Mittelhirn oder den Rumpf infiziert (Abbildung 3) und durch konfokale Live-Bildgebung beobachtet. Eine Infektion über diese beiden Routen wird die Infektion lokal einschränken, die angeborene Immunzellrekrutierung und den anschließenden Zelltod verursacht.
Die Visualisierung der Details des angeborenen Immunzelltodes ist eine Herausforderung. Der Lytische Zelltod tritt über ein sehr kurzes Zeitfenster auf und erfordert eine hochauflösende Mikroskopie, um zu beobachten. Auch die hohe Beweglichkeit angeborener Immunzellen ermöglicht es ihnen, aus dem Beobachtungsgebiet zu wandern. In diesem Protokoll lösen wir dieses Problem, indem wir mehrere Embryonen parallel beobachten. Eine Reihe von Zebrafisch-Embryonen kann auf einem einzigen Glasmikroskop-Dia für Infektionen montiert werden, und bis zu 10 Embryonen können auf der gleichen 35 mm Glasbodenschale für live-Bildgebung montiert werden (Abbildung 4). Durch die Nutzung eines Live-Datenmodells der konfokalen Mikroskopie kann mehr als ein Embryo gleichzeitig beobachtet werden. Dies erhöht die Effizienz der Live-Bildgebung und erhöht die Wahrscheinlichkeit, den gesamten lytischen Zelltodprozess zu erfassen, erheblich.
Das angeborene Immunsystem ist die erste Verteidigungslinie gegen mykobakterielle Infektionen, und zwei Schlüsselkomponenten sind die Makrophagen und die Neutrophilen. Hier verwenden wir zuvor gemeldete Tg(coro1a:eGFP;lyzDsRed2) und Tg(mpeg1:loxP-DsRedx-loxP-eGFP;lyz:eGFP), um die Makrophagen und die Neutrophilen in vivo16,17,18zu unterscheiden. Ein Makrophagen, das stark mit Bakterien vermischt war, wurde rund und zeigte eine reduzierte Beweglichkeit, mit eventuellen zytoplasmatischen Schwellungen, Bruch der Zellmembran und schneller Verbreitung des zytoplasmatischen Gehalts. Bei diesen Ereignissen handelt es sich um typische morphologische Veränderungen des lytischen Zelltodes, wie zuvor berichtet (Abbildung 5A)16. UV-Bestrahlung wurde verwendet, um Zellen auszulösen, um Apoptose in Zebrafischen20,21zu erleiden. In Übereinstimmung mit diesem Begriff zeigten UV-bestrahlte Makrophagen typische apoptotische Zellphänotypen wie Zellschrumpfung, Kernfragmentierung und Chromatinkondensation (Abbildung 5B)22,23. In Kombination mit der Verwendung von Cerulean-fluoreszierendem M. marinum19wurde in vivo eine dreifarbige Live-Bildgebung der Interaktion zwischen Makrophagen, Neutrophilen und M. marinum erreicht. Wir beobachteten auch, dass Makrophagen aktiv phagozytose und verbreiten können M. marinum (Ergänzende Abbildung 3A). Jedoch, Neutrophile hatten begrenzte phagozytische Fähigkeit und schnell unterzog lytischen Zelltod ohne offensichtliche bakterielle Engorgement (Supplemental Figure 3B). Neutrophile könnten durch die Phagozytose von nur wenigen toten M. marinum ausgelöst werden, die nicht Cerulean-Fluoreszenz ausdrücken, oder einfach durch Phagozytose von begrenzten toten Zellresten.

Abbildung 1: Schematische Darstellung der Herstellung von Einzelzellbakterien. Nach dem beschriebenen Prozess wurden Einzelzell-Cerulean-fluoreszierende M. marinum-Bestände erzeugt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 2: Diagramm der Zebrafisch-Embryomontage für die Mikroinjektion. (A) Schematische Darstellung des Montageprozesses. (B) Zebrafischembryonen wurden seitlich zur Infektion des Rumpfes montiert. (C) Zebrafisch-Embryonen wurden mit nach oben gerichteten Köpfen zur Infektion des Mittelhirns montiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 3: Positionierung für Mikroinjektion. (A) Der rote Pfeil zeigt die Injektionsstelle für Infektionen des Stammbereichs an. (B) Der rote Pfeil zeigt die Injektionsstelle für Mittelhirninfektionen an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 4: Montage von Zebrafischembryonen für die Live-Bildgebung. (A) Bei einer Mittelhirninfektion wurden Zebrafisch-Embryonen mit nach unten gerichtetem Kopf montiert. (B) Für die Rumpfregion Infektion wurden Zebrafisch-Embryonen seitlich mit der Injektionsstelle in der Nähe des Bodens der Glasbodenschale montiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Abbildung 5: Typische morphologische Veränderungen bei der M. marinum-Infektion induzierten makrophagenlytischen Zelltod und UV-induzierte Makrophagen-Apoptose. (A) Zeitraffer-Bildgebung eines Makrophagens (Mac), das sich einem lytischen Zelltod unterzieht, sobald es stark mit M. marinumversunken ist. Das Mittelhirn des 3 dpf Tg(coro1a:eGFP;lyzDsRed2) Zebrafischembryons wird durch Eine Mikroinjektion mit Cerulean-fluoreszierendem M. marinum (ca. 500 cfu) infiziert. Bilder sowohl für den Overlay-Kanal (oberes Panel) als auch für den DIC-Kanal (unteres Panel) werden bereitgestellt. T 00:00 ist 5 h 20 min nach der Infektion. Weiße gestrichelte Linien = Umriss der Zellmembran; schwarze gestrichelte Linien = Schwellung Zytoplasma; schwarze Pfeile = gebrochene Zellmembran; rote gestrichelte Linien = schnell verlorener zytoplasmatischer Gehalt. (B) Zeitraffer-Bildgebung der UV-bestrahlten Makrophagen. Eine GFP+-Zelle im Mittelhirnbereich von 3 dpf Tg(mfap4:eGFP) wird durch UV bestrahlt und anschließend mit Zeitraffer-Bildgebung. Weiße gestrichelte Linien = Umriss der Zellmembran; schwarze Pfeile = kernnukleare Fragmentierung und Chromatinkondensation. Skalenbalken = 15 m. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Abbildung 1: Umweltkammer für Live-Bildgebung eingerichtet. (A) Stellen Sie den digitalen Regler ein, um die Temperatur bei 28,5 °C zu halten. (B) Setzen Sie Feuchttücher in der Kammer, um Feuchtigkeit zu gewährleisten und die Verdunstung von Eiwasser zu verhindern. (C) Schließen Sie die Abdeckung der Kammer und warten Sie mindestens 30 min auf die Temperaturstabilisierung, bevor Sie mit der Live-Bildgebung beginnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Abbildung 2: Konfokale Panel-Einstellung für Live-Bildgebung. (A) Darstellung der Einstellung des Erfassungsbereichs. (B) Darstellung der Laserleistung und Spektrumeinstellungen. (C) Darstellung mehrerer Aufträge und Schleifeneinstellung im Live-Datenmodus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Ergänzende Abbildung 3: Makrophagen verbreiten Infektion und Neutrophile unterziehen lytischen Zelltod nach M. marinum Infektion. (A) Makrophagen, die M. marinum im Stamm eines 2 dpf Tg(coro1a:eGFP;lyz:DsRed2) Zebrafischembryon simert, der mit Cerulean-fluoreszierendem M. marinum infiziert ist(ca. 100 cfu). (B) Neutrophil (Neu) unterziehenlytischen Zelltod ohne offensichtliche M. marinum beladen im Stammbereich von 3 dpf Tg(mpeg1:LRLG;lyz:eGFP) Zebrafisch embryo infiziert durch Cerulean-fluoreszierende M. marinum (ca. 100 cfu) durch Mikroinjektion. Die grüne Farbe wird LRLG und der roten Farbe eGFP zugewiesen, um den lytischen Zelltodprozess besser zu verankern. Pfeile in Cyan zeigen Zielzellen an. Pfeile in rot zeigen auf die Zellen, die im Nächsten Frame Zytoplasma-Inhalte freisetzen. Pfeile in grün zeigen auf die abgestorbenen Zellen, die gerade ihren Zytoplasma-Gehalt verloren haben. Skalenbalken = 25 m. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.

Video 1: Ein makrophage stark mit M. marinum beladener Wird lytischer Zelltod, bezogen auf Abbildung 5A. Zeitraffer-Bildgebung (63x Objektiv) für 9 min und 18 s bei 3 Bildern pro Sekunde (fps) des Mittelhirnbereichs eines 3 dpf Tg(coro1a:eGFP;lyzDsRed2) Zebrafischembryon, der mit Cerulean-fluoreszierendem M. marinuminfiziert ist. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen (Rechtsklick zum Download).

Video 2: Ein Makrophagen erleidet Apoptose nach UV-Bestrahlung, bezogen auf Abbildung 5B. Zeitraffer-Bildgebung (63x Objektiv) von 74 min bei 6 fps der Mittelhirnregion eines 3 dpf Tg(mfap4:eGFP) Zebrafischembryons. Eine GFP+-Zelle im Mittelhirnbereich der Embryonen wird durch UV bestrahlt und anschließend mit Zeitraffer-Bildgebung. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen (Rechtsklick zum Download).

Video 3: Ein Makrophagen verbreitet M. marinum, bezogen auf die ergänzende Abbildung 3A. Zeitraffer-Bildgebung (63x Objektiv) von 24 min bei 3 fps des Stammbereichs von 2 dpf Tg(coro1a:eGFP;lyz:DsRed2) Zebrafisch-Embryo, der mit Cerulean-fluoreszierendem M. marinuminfiziert ist. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen (Rechtsklick zum Download).

Video 4: Ein Neutrophiler erleidet einen lytischen Zelltod ohne offensichtliche M. marinum engorgement, bezogen auf die ergänzende Figur 3B. Zeitraffer-Bildgebung (63x Objektiv) von 7 min 30 s bei 3 fps des Stammbereichs von 3 dpf Tg(mpeg1:LRLG;lyz:eGFP) Zebrafisch-Embryo mit Cerulean-fluoreszierendem M. marinuminfiziert. Bitte klicken Sie hier, um dieses Video anzusehen (Rechtsklick zum Download).
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Dieses Protokoll beschreibt eine Technik zur Visualisierung des Makrophagenverhaltens und des Todes bei embryonalen Zebrafischen während einer Mycobacterium marinum-Infektion. Schritte zur Herstellung von Bakterien, Infektionder tenatierter Embryonen und intravitale Mikroskopie sind enthalten. Diese Technik kann auf die Beobachtung von Zellverhalten und Tod in ähnlichen Szenarien mit Infektion oder sterile Entzündung angewendet werden.
Wir danken Dr. Zilong Wen für die gemeinsame Nutzung von Zebrafischstämmen, Dr. Stefan Oehlers und Dr. David Tobin für die gemeinsame Nutzung der Ressourcen von M. marinum, Yuepeng He für die Unterstützung bei der Figurenvorbereitung. Diese Arbeit wurde von der National Natural Science Foundation of China (81801977) (B.Y.), dem Outstanding Youth Training Program of Shanghai Municipal Health Commission (2018YQ54) (B.Y.), Shanghai Sailing Program (18YF1420400) (B.Y.) und Open Fund of Shanghai Key Laboratory of Tuberculosis (2018YQ54) (B.Y.) (B.Y.) unterstützt.
| 0,05 % Tween-80 | Sigma | P1379 | |
| 10 mL Spritze | Solarbio | YA0552 | |
| 10 % OADC | BD | 211886 | |
| 3-Aminobenzoesäure | Sigma | E10521 | |
| 5 μ m Filter | Mille X | SLSV025LS | |
| 50 μ l/ml Hygromycin | Sangon Biotech | A600230 | |
| 7H10 | BD | 262710 | |
| 7H9 | BD | 262310 | |
| A Glasboden 35 mm Schale | In Vitro Scientific | D35-10-0-N | |
| Agarose | Sangon Biotech | A60015 | |
| Konfokalmikroskop | Leica | TCS SP5 II | |
| Umweltkammer | Pecon | temp control 37-2 digital | |
| Eppendorf Microloader | Eppendorf | Nr.5242956003 | |
| Glasmikroskop Objektträger | Bioland Scientific LLC | 7105P | |
| Glycerol | Sangon Biotech | A100854 | |
| Inkubator | Keelrein | PH-140(A) | |
| M.marinum | ATCC BAA-535 | ||
| Mikroinjektionsnadel | World Precision Instruments | IB100F-4 | |
| Mikroinjektor | Eppendorf | Femtojet | |
| Mikromanipulator | NARISHIGE | MN-151 | |
| msp12:cerulean | Ref.: PMID 25470057; 27760340 | ||
| Phenolrot | Sigma | P3532 | |
| PTU | Sigma | P7629 | |
| Einfacher konkaver Glas-Objektträger | Sail Brand | 7103 | |
| Sonicator | SCICNTZ | JY92-IIDN | |
| Spektralphotometer (OD600) | Eppendorf AG | 22331 Hamburg | |
| Stereomikroskop | OLYMPUS | SZX10 | |
| Tg(mfap4:eGFP) | Ref.: PMID 30742890 | ||
| Tg(coro1a:eGFP; lyzDsRed2) | Ref.: PMID 31278008 | ||
| Tg(mpeg1:LRLG; lyz:eGFP) | Ref.: PMID 27424497; 17477879 |