Das vorliegende Protokoll beschreibt eine einfache Technik zur intravitalen Bildgebung der Milchdrüse der laktierenden Maus mittels konfokaler Laserscanning- und Multiphotonenmikroskopie.
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Methodenartikel
Das vorliegende Protokoll beschreibt eine einfache Technik zur intravitalen Bildgebung der Milchdrüse der laktierenden Maus mittels konfokaler Laserscanning- und Multiphotonenmikroskopie.
Die Brustdrüse stellt ein Modell par excellence für die Untersuchung von Epithelfunktionen dar, einschließlich des Gewebeumbaus, der Zellpolarität und der sekretorischen Mechanismen. Während der Schwangerschaft dehnt sich die Drüse von einem primitiven duktalen Baum, der in ein Fettpolster eingebettet ist, zu einem stark verzweigten Alveolarnetzwerk aus, das für die Bildung und Sekretion von Kolostrum und Milch vorbereitet ist. Nach der Geburt liefert die Drüse alle Nährstoffe, die für das Überleben des Neugeborenen erforderlich sind, einschließlich membranbeschichteter Lipidtröpfchen (LDs), Proteine, Kohlenhydrate, Ionen und Wasser. Verschiedene Milchbestandteile, darunter Laktose, Kaseinmizellen und Magermilchproteine, werden in den Alveolarzellen synthetisiert und durch Exozytose an der apikalen Oberfläche aus den Vesikeln sezerniert. LDs werden von den Synthesestellen im rauen endoplasmatischen Retikulum zur Zellspitze transportiert, sind mit Zellmembranen bedeckt und werden durch einen einzigartigen apokrinen Mechanismus sezerniert. Andere vorgeformte Bestandteile, darunter Antikörper und Hormone, werden durch Transzytose von der serosalen Seite des Epithels in die Milch transportiert. Diese Prozesse sind für die Intravitalmikroskopie zugänglich, da die Brustdrüse eine Hautdrüse ist und daher direkt für experimentelle Manipulationen zugänglich ist. In dieser Arbeit wird ein einfaches Verfahren beschrieben, um die Kinetik der LD-Sekretion in situ, in Echtzeit, an lebenden anästhesierten Mäusen zu untersuchen. Bor-Dipyrromethen (BODIPY)665/676 oder Monodansylpentan werden verwendet, um die neutrale Lipidfraktion transgener Mäuse zu markieren, die entweder lösliches EGFP (enhanced green fluoreszierendes Protein) im Zytoplasma exprimieren oder ein membrangesteuertes Peptid, das entweder mit EGFP oder tdTomato fusioniert ist. Die membranmarkierten Fusionsproteine dienen als Marker für Zelloberflächen, und die Lipidfarbstoffe lösen LDs ≥ 0,7 μm auf. Zeitrafferbilder können mit der konfokalen Standard-Laserscanning-Mikroskopie bis zu einer Tiefe von 15-25 μm oder mit der Multiphotonenmikroskopie für die Bildgebung tiefer im Gewebe aufgenommen werden. Die Brustdrüse kann während der gesamten Operation mit pharmakologischen Wirkstoffen oder Fluoreszenzfarbstoffen gebadet werden, um bei Bedarf eine Plattform für akute experimentelle Manipulationen zu bieten.
Die Intravitalmikroskopie der Brustdrüse der Maus erregt zunehmend Aufmerksamkeit als leistungsfähige Methode zur Analyse einer ganzen Reihe biologischer Phänomene, einschließlich der Herkunft und Differenzierung von Stammzellen 1,2, des Fortschreitens metastasierender Tumoren 3,4,5 und der Rolle duktaler Makrophagen während der Brustentwicklung und -involution6. Durch die Entwicklung der Intravitalen Subzellulären Mikroskopie (ISMic)7 wurden die Untersuchungen auf den Membranverkehr und die sekretorischen Mechanismen während der Laktationausgeweitet 8,9 und die Oxytocin-vermittelte Kontraktion von Myoepithelzellen 9,10. Es wurden zwei Hauptmethoden entwickelt, die sich die Zugänglichkeit der Drüse zwischen Haut und Körperwand zunutze machen.
Beim ersten Ansatz wird ein Acryl- oder Glasfenster in die Haut eingesetzt und mit einem Metallsicherungsring 1,3,11 gesichert. Die Mäuse vertragen die Operation gut, und verschiedene Phänomene können intermittierend über mehrere Wochen am selben Tier analysiert werden. Diese Methode hat sich als besonders nützlich fürdie Abstammungsverfolgung 1,12 und die Überwachung der Invasion und des Fortschreitens von Mammatumoren in situerwiesen 3,11. Eine Auflösung unterhalb der Ganzzellebene erwies sich jedoch als schwierig, da die Drüse noch an der Körperwand befestigt ist und somit Bewegungsartefakten ausgesetzt ist, die durch Atmung und Herzschlag verursacht werden.
Beim zweiten Zugang wird die Drüse chirurgisch auf einem Hautlappen mit intaktem Gefäßsystem freigelegt und auf dem Mikroskoptisch mit Spacern 4,9,13 stabilisiert. Ein Teil der Drüse wird so effektiv von der Bauchdecke getrennt und Bewegungsartefakte werden minimiert. In den meisten Fällen wird das freiliegende Parenchym direkt auf dem Deckglas mit der Bauchseite nach unten auf einem inversen Mikroskop platziert. In einer kürzlichen Modifikation wurde die Maus in Rückenlage auf ein aufrechtes Mikroskop gelegt, und die freiliegende Drüse wurde in einer flüssigkeitsgefüllten Zelle geschützt, die mit einem Deckglas2 verschlossen war. Diese letztere Konfiguration ermöglicht den Zugang zur Parenchymoberfläche für experimentelle Manipulationen während der Bildgebung. Eine Auflösung von bis zu <1 μm ermöglicht in beiden Fällen die Analyse intrazellulärer Prozesse, wie z. B. die Verfolgung von Lipidtröpfchen (LDs) in Brustepithelzellenzeigt 9.
Das vorliegende Protokoll beschreibt ein einfaches Verfahren zur intravitalen Bildgebung von Brustepithelzellen auf subzellulärer Ebene am Beispiel der Biogenese, des Transports und der Sekretion von LDs während der Stillzeit. Dieser Ansatz ist auf viele andere Prozesse anwendbar, einschließlich des Transports und der Sekretion von Milchproteinen14, der Transzytose von Proteinen von der erosalen Seite des Epithels zum Alveolallumen15,16 und des Umbaus der Drüse während der Involution 17,18.
Mäuse, die ein fluoreszierendes Protein exprimieren, werden für die meisten intravitalen Experimente bevorzugt, um die Auswahl geeigneter Bereiche für die Bildgebung zu erleichtern und als morphologischer Referenzmarker. Es steht eine breite Palette geeigneter transgener und knock-in-Mäuse zur Verfügung, die fluoreszierende Proteinmarker in zellulären Kompartimenten, Zytoskelettelementen, Membranen und Organellen exprimieren19. In den gegebenen Beispielen wurde die EGFP-Cyto-FvB-Maus verwendet, bei der ein verstärktes grün fluoreszierendes Protein (EGFP) auf das Zytoplasma in den meisten Zellen20 gerichtet ist (als EGFP-Zyto bezeichnet), und die C57BL/6J-Tomate (mT/mG) Maus21, bei der es sich um eine doppelt fluoreszierende Cre-Linie handelt, die für tdTomato- und EGFP-Gene kodiert. Die EGFP-Expression wird durch Cre-vermittelte Exzision des tdTomato-Gens ermöglicht. Beide Fluorophore werden in den meisten Zellen durch eine vom MARCKS-Protein abgeleitete Folge auf die Plasmamembrangerichtet 21. In dieser Arbeit werden Mäuse, die das rote tdTomato-Fluorophor exprimieren, als tdTomatomembr (mT) bezeichnet, und Mäuse, die EGFP exprimieren, werden nach Exzision des tdTomato-Gens als EGFPmembr (mG) bezeichnet.
Mäuse haben fünf Paare von Brustdrüsen auf beiden Seiten der ventralen Mittellinie, drei im Brustbereich (mit den Nummern 1-3) und zwei im Leistenbereich (mit den Nummern 4-5) (Abbildung 1A). Für ISMic sind die Leistendrüsen am leichtesten zugänglich und am einfachsten zu stabilisieren, da sie am weitesten von den globalen Bewegungen entfernt sind, die mit der Atmung und dem Herzschlag im Thorax verbunden sind.
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Alle Tierverfahren wurden vom Institutional Animal Care and Use Committee des Center for Cancer Research, des National Cancer Institute, der National Institutes of Health in Übereinstimmung mit dem Leitfaden des US National Research Council für die Pflege und Verwendung von Labortieren, der Richtlinie des US Public Health Service zur humanen Pflege und Verwendung von Labortieren, und der Leitfaden für die Pflege und Verwendung von Versuchstieren. Für diese Arbeit wurden die Drüsen Nummer 4 von weiblichen primiperen Mäusen (im Alter von 4-5 Monaten, Tag 10 der Laktation) chirurgisch in der rechten Rückenlage präpariert (Abbildung 1A).
1. Vorbereitung der Tiere
2. Ablauf der Operation
3. Vorbereitung der Bildgebung
4. Mikroskopie
5. Euthanasie
6. Erstellung von Echtzeit-Videos
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Milch wird aus polarisierten Alveolarepithelzellen sezerniert, die sich während der Schwangerschaft von den Knospen eines ausgedehnten duktulären Baumes differenzieren26 (Abbildung 2A). Vorläufer für die Milchsynthese werden über basale/laterale Membranen assimiliert und fertige Produkte werden über die apikale Oberfläche in einen zentralen "Milchraum" sezerniert. Die basale Seite jeder Alveole ist von einer sternförmigen Anordnung von Myoepithelzellen bedeckt (
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Ob ein Ein- oder Multiphotonenmikroskop verwendet werden soll, hängt von den gestellten Fragen, der Art und Lage des abzubildenden Gewebes und der erforderlichen Auflösung ab. Multiphotonenmikroskope basieren auf der Erzeugung von zwei oder mehr niederenergetischen Photonen im nahen Infrarot, die Gewebe mit geringerer Phototoxizität in größerer Tiefe durchdringen können als Ein-Photonen-Mikroskope29,30. Außerdem wird das Fluoroph...
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Keiner der Autoren hat widersprüchliche Interessen geltend zu machen.
Die Autoren danken Sherry Rausch und Samri Gebre (National Cancer Institute, NIH) für das Tiermanagement und die Pflege sowie James Mather für die Hilfe bei der Herstellung einer Reihe von Abstandshaltern aus Kunststoff. Diese Forschung wurde [teilweise] durch das Intramural Research Program des NIH unterstützt.
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| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 488 Laser | Melles-Griot-CW | Laser 50 mW | |
| 60x PLAPON Öl-Immersionsobjektiv (NA 1.42) | Olympus | 1-U2B933 | Objektiv Konfokales Mikroskop |
| 633 Laser | Melles-Griot-CW | He-Ne Laser 12 mW | |
| 63x Objektiv (NA 1.40, HC PL APO CS2) | Leica | 11506350 | Objektiv Zwei-Photonen-Mikroskop |
| BA 410-460 nm | Chroma | - | Bandpassfilter |
| BA 495-540 nm | Chroma-Bandpassfilter | ||
| BA 505-605 nm | Chroma-Bandpassfilter | ||
| BA 655-755 nm | Chroma-Bandpassfilter | ||
| Bordipyrromethan (BODIPY) 665/676 | Thermo Fisher Scientific | B3932 | Lipidperoxiationssensor |
| Carbomer-940 | Snowdrift Farm | 739601480651 | |
| Gelkatheter | Terumo | SV27EL | Geflügelte Infusionssets |
| Kauterisierer | Braintree Scientific, Inc | GEM 5917 | Kautersystem |
| CMV-Cre Maus | Jackson Labor | 006054 | Maus Linie |
| Deckglas | Bioptechs-30mm | Durchmesser Decklippe für inverses Mikroskop | |
| Curity 4x4 Zoll Allzweck Schwamm | Gaze Covidien | 9024 | Schwamm |
| EGFPcyto Maus | Jackson Labor | 003291 | Mauslinie |
| Fiji/ImageJ Software | Open | Source-Freies | Software-Tool |
| Feine Pinzette | Braintree Scientific, Inc | FC003 8 | Gewebezange |
| Fluoview 1000 Mikroskop | Olympus | FV1000 | Konfokales |
| Mikroskop FluoView Software | Mikroskop und Zwei-Photonen-Mikroskop | ||
| Handheld Elektrorasierer | Braintree Scientific, Inc | CLP-8786-451A | Akku-Clipper |
| Wärmekissen | Braintree Scientific, Inc | DPIP | Heizkissen für Tiere |
| HyD-Detektoren | Leica-Leica | 4Tune Spektraldetektor | |
| Imaris Software | Bitplane / Oxford Instrumente-Kommerzielles | Software-Tool | |
| Ingisht X3 abstimmbarer Laser | Spectra Physics | Insight X3 | abstimmbarer Puls-Laser |
| Isofluran | VetOne | 13985-046-40 | Anästhetikum |
| Ketamin | VetOne | 13985-702-10 | Anästhetikum |
| LAS X Software | Software-Tool | ||
| Mai-Tai abstimmbarer Laser | Spectra Physics | Mai-Tai | Laser |
| MetaMorph | Molecular | Devices-Kommerzielles | Software-Tool |
| Monodansylpentan AUTODOT | Abcepta | Sm1000a | Lipid-Tröpfchen-Farbstoff |
| MPE-RS Mikroskop | Olympus | IX70 | Zwei-Photonen-Mikroskop |
| mT/mG Maus | Jackson Labor | 007676 | Mauslinie |
| Objektivheizung | Bioptechs | 150819 | Objektivheizung für konfokale und Zwei-Photonen-Mikroskope |
| Sauerstoffgesättigte Atemkammer | Patterson Scientific | 78933385, SAS3 und EVAC4 | Gasanästhesie- und Evakuierungssystem |
| Parafilm | Heathrow Scientific | HS234526B | Halbtransparenter, flexibler, thermoplastischer |
| Folien-PMT-Detektor | Detektoren | ||
| PMT-Detektor | LSM-Technologie | Sonderanfertigungen | Non-Descan-Detektoren |
| Pumpe | Harvard Apparat | 703602, 704402 | Nanomit-Injektor und -Controller |
| Kochsalzqualität | Biologisch | 114-055-721EA | Normale Kochsalzlösung |
| Scharfe Schere mit stumpfem Ende | Braintree Scientific, Inc | SCT-S 508 | Chirurgische Schere |
| Spritze | Covidien | 22-257-150 | 1mL Tuberkulinspritze |
| TCS SP8 Tauchspektralmikroskop | Leica | SP8 | Zwei-Photonenmikroskop |
| Pinzette | Braintree Scientific, Inc | FC032 | Gewebezange |
| Xylazin | VetOne | 13985-704-10 | Anästhetikum |
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