1. השגת עוברים עבור בדיקת הפוטו-המרה
בביצוע הכלאה פנימית של דגי זברה טרנסגניים המבטאים PCFP, נבחרים העוברים הזוהרים ביותר, שהם הומוזיגוטים, והם גדלים בטמפרטורה של 28.5 °C עד לשלב העוברי הרצוי15.
הערה 1: סבב בחירה מקדמי זה יאפשר סריקה של עוברים בעוצמת לייזר נמוכה, ובכך למנוע פוטוטוקסיות ופוטובליצ'ינג.
הערה 2: אנו ממליצים להשתמש בתאורה בעוצמה נמוכה בעת הדמיון של עוברים ולשמור אותם בתנאי חשיכה, בשל הרגישות הגבוהה של PCFPs, כגון Kaede ו-KikGR, לחשיפה לאור, כולל אור יום.
2. הטמעה
- בתוך כלי זכוכית המכיל מי-ביצים, בצעו דה-כוריאונציה (הסרת מעטפת הביצה) לעוברים תחת מיקרוסקופ סטריאוסקופי באמצעות פינצטה.
- הרדימו את העוברים על ידי העברת עובר שעבר דה-כוריאונציה לתוך תמיסת Tricaine בריכוז 0.16 mg/ml (3-amino benzoic acidethylester, Sigma-Aldrich) (40μl של תמיסת מקור בריכוז 4 mg/ml בתוך 1 ml של תווך E3 1X).
הערה 1: העבירו את העוברים באמצעות פיפטה מזכוכית או פיפטה עם קצה חתוך (P1000) כדי למזער את הסיכון לפגיעה בעוברים.
הערה 2: אין לחשוף עוברים צעירים לאחר הסרת הדכוריון (dechorionated) לאוויר או להעלותם לממשק המים/אוויר, מכיוון שהביצים נסדקות בקלות תחת מאמץ מכני.
- העבירו את העובר המורדם למכסה של כלי תרבית ושמרו על העובר בנפח המינימלי האפשרי של תוצר.
- העבירו את העובר אל תוך אגרוז על ידי שאיבה של העובר עם אגרוז בעל טמפרטורת התכה נמוכה של 1% (LMA, Lonza) בטמפרטורה של 30 °C המכיל 0.16 mg/ml Tricaine, והניחו אותו על זכוכית הכיסוי של כלי תרבית בעל תחתית מזכוכית כיסוי (MatTek Corp. Ashland MA USA). לאחר מכן, כווןו את העובר בעזרת טיפ פלסטי חלק (למשל טיפ של Microloader Pipette חתוך, Eppendorf) וכאשר ה-LMA התבלגט, כסו את האגרוז בתמיסת 0.16 mg/ml Tricaine.
הערה 1: יש להמיס 1% LMA ב-60 °C ולשמור על האגרוז המומס ב-30 °C.
3. פוטו-המרה
- באמצעות מיקרוסקופ קונפוקאלי הפוך המצויד במקור לייזר של 405 ננומטר, 488 ננומטר ו-561 ננומטר, כגון Zeiss LSM 710, הדמיאו את הדגימה באמצעות סריקת z-Stack המכסה את כל מבנה הדגימה שתוכנן לעבור פוטו-המרה ומעקב מאוחר יותר באמצעות לייזר של 488 ננומטר (כלומר, לייזר Ar בהספק 30 mW, בעוצמה של 5-7%, גלאי המכוון ל-493-540 nm) ולייזר 561 nm (כלומר, לייזר DPSS 561 בהספק 10 mW, בעוצמה של 7-9%, גלאי המכוון ל-587-651) לסריקת הרקמה/איבר לאיתור פלואורסצנציה ירוקה ואדומה של החלבונים העוברים פוטו-המרה, בהתאמה.
הערה 1: עבור הסריקה לפני הפוטו-המרה (photoconversion), השתמשנו בעדשה אובייקטיבית Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
הערה 2: סרקו תמיד לבדיקת פלואורסצנציה אדומה לפני הניסוי כדי לשלול נוכחות של PCFP שהומר לאדום באופן מקרי.
- בחרו בכלי ה-Time series והגדירו 2 מחזורים ללא מרווח (אחד עבור שלב טרום-הפוטוקונוורסיה ואחד עבור שלב פוסט-הפוטוקונוורסיה).
- בחרו בכלי ה-Regions והגדירו אזור עניין (ROI) אחד או יותר לצורך פוטוקונוורסיה.
הערה 1: אנו ממליצים לקבוע תחילה את רמת הדיוק שבה האזור שהומר בפועל פוטו-כימית על ידי הלייזר הסורק ב-ROI תואם ל-ROI שנבחר בתוכנה, וזאת על ידי מדידת שטח הרקמה/תאים שהומרו פוטו-כימית בכל שלושת הצירים (בכיווני xy ו-z) בדגימה מקובעת שבה לא צפויה תנועה של תאים או חלבונים. עבור ההגדרות המתוארות ביישום זה, ה-ROI תאם את האזור שהומר פוטו-כימית בדיוק רב, אך הדבר תלוי בעדשה שנעשה בה שימוש ובכמות הלייזר שהופעלה לצורך ההמרה הפוטו-כימית. ניתן לצמצם את גודל ה-ROI לגודלו של תא בודד, בהתאם לממספר האפרטורה (numerical aperture) של העדשה, למקדם הזום ולכמות אור הלייזר שנעשה בה שימוש להמרה הפוטו-כימית.
- בחרו בכלי ה-Bleaching והגדירו את תחילת ההבהרה לאחר סריקה 1 מתוך 2. השתמשנו בלייזר דיודה של 30 mW באורך גל של 405 nm לצורך פוטו-המרה, וביצענו אופטימיזציה קפדנית כדי להגיע לכמות המינימלית של אור לייזר הדרושה להמרה מלאה; דבר זה הושג בעיקר על ידי שינוי עצימות אור הלייזר, מספר סבבי הסריקה של ה-ROI וזמן הפיקסל (כלומר, מהירות הסריקה).
הערה 1: לצורך המרת פוטונים (photoconversion) השתמשנו בעדשת אובייקטיב Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
הערה 2: יש לקבוע את הספק הלייזר ואת מספר החזרות באופן אמפירי עבור כל הגדרה ניסיונית, ולוודא שהם מבטיחים פוטוקונברסיה מלאה מ-PCFP ירוק לאדום בתוך ה-ROI, תוך שימוש בכמות המינימלית הדרושה של אור לייזר כדי להפחית פוטוטוקסיות. אנו ממליצים להתחיל את הבדיקות באמצעות הספק לייזר נמוך (למשל> 3 %, המקביל ל-0.03 mW במישור העדשה) בשילוב עם מספר נמוך של חזרות (למשל> 20), ולאחר מכן להעלות את הספק הלייזר עד להשגת פוטוקונברסיה מלאה, שבניסיונינו הושגה בהספק לייזר של 10% (המקביל ל-0.1 mW במישור העדשה). תחת תנאים אלו, כל העוברים שנבדקו שרדו את תוכנית הטיפול. עם זאת, הבחנו כי קרום החלמון רגיש לפולסי לייזר ועלול להינזק בקלות, דבר הגורם למות העובר. מסיבה זו, פוטוקונברסיה עלולה לגרום לתמותת עוברים אם מיקום רקמת המטרה קרוב לגוף החלמון.
- סרוק את הדגימה ב-z-Stack באמצעות לייזרים של 488 nm ו-561 nm כדי להדמיא את הפלואורסצנציה הירוקה שנותרה ואת הפלואורסצנציה האדומה של ה-PCFP שעברה פוטו-המרה.
הערה 1: עבור הסריקה לאחר הפוטו-המרה, השתמשנו ב-Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
4. הוצאת העובר מהאגרוז
- יש לשפוך את התמיסה ולהוציא בזהירות את העובר מה-1% LMA בעזרת מחט או טיפ פלסטיק חלק.
- יש להחזיק את העובר במי ביצים (egg water) בחושך בטמפרטורה של 28.5 °C עד לשלב ההתפתחות הרצוי.
הערה 1: חשוב שהעוברים ימשיכו להתפתח במי ביצים, במיוחד במהלך הימים הראשונים של ההתפתחות בזמן התארכות גוף העובר. למעשה, רקמות/איברים עובריים מסוימים משנים את מיקומם במהלך ההתפתחות, ולכן דורשים אוריינטציות ספציפיות במהלך ההטמעה, התלויות ברקמה/באיבר הספציפי הנבדקים ובשלב ההתפתחות הרצוי לניתוח.
5. הטמעה מחדש
- המשיכו כפי שמתואר בסעיף 2.) של פרוטוקול זה.
6. מעקב אחר רקמה שעברה פוטו-המרה בשלבים עובריים מאוחרים יותר
- סריקה של אזור העניין (z-Stack) באמצעות לייזרים של 488 nm ו-561 nm עבור אותות פלואורסצנציה ירוקים ואדומים, בהתאמה.
הערה 1: עבור הסריקה x שעות לאחר הפוטו-המרה, השתמשנו בעדשת Plan Apochromat 20x/NA 0.8.
הערה 2: מאחר שפרוטוקול זה אינו משפיע על ההתפתחות התקינה של העובר, ניתן לצפות בעובר שעבר המרה פוטונית בשלבי התפתחות מאוחרים יותר (לשם כך, יש לפעול לפי ההנחיות בסעיפים 4 - 6).
7. תוצאות מייצגות
דוגמה לבדיקת פוטו-המרה (photoconversion assay) מוצגת ב-איור 1. עקבנו אחר תאי אנדותל במהלך התפתחות דגי zebrafish (לסקירה של האנטומיה הווסקולרית של דג zebrafish מתפתח, ראו16). בהתאם לכך, השתמשנו בקו דג zebrafish Tg(kdrl:nlsKikGR)hsc7 המבטא KikGR בתוך גרעיני תאי אנדותל17. עוברים הומוזיגוטים המבטאים את החלבון בעוצמה גבוהה גודלו ב-28.5 °C עד 48 שעות לאחר ההפריה (hpf). לאחר הסרת המעטפת (dechorionation), העוברים הורדמו והוטמעו ב-LMA, כאשר הצד הקדמי-גבי של העובר מופנה כלפי זכוכית המכסה לצורך ויזואליזציה טובה יותר של כלי הדם בראש. השתמשנו במיקרוסקופ קונפוקאלי הפוך (Zeiss LSM 710 Meta) המצויד בלייזרים הפועלים ב-405 nm, 488 nm ו-561 nm, ובעדשה מסוג Plan Apochromat 20x/NA 0.8 עבור בדיקת הפוטו-המרה ומעקב נוסף אחר החלבון שעבר פוטו-המרה. כפי שמוצג ב-איור 1A, לפני הפוטו-המרה, KikGR בוטה בתוך רקמת אנדותל וניתן היה לזהותו רק כפלואורסצנציה ירוקה באמצעות לייזר Argon של 488 nm. סריקות ביקורת עם לייזר DPSS 561-10 של 561 nm עבור פלואורסצנציה אדומה לא זיהו KikGR שעבר פוטו-המרה לפני תהליך הפוטו-המרה (איור 1A). לאחר מכן, ה-ROI עבר פוטו-המרה מלאה באמצעות לייזר Diode של 405 nm (בעוצמה של 10%, 20 חזרות), וכלי הדם בראש נסרקו שוב באמצעות לייזרים של 488 nm ו-561 nm (איור 1B). כפי שמוצג ב-איור 1B, KikGR ירוק עבר המרה מלאה לאדום בתוך ה-ROI. לאחר בדיקת הפוטו-המרה, העובר הוצא מהאגרוז וגודל ב-28.5 °C במי ביצים. לבסוף, העובר נצפה שוב 24 שעות לאחר הפוטו-המרה, סביב 72 hpf, כדי לעקוב אחר תאי האנדותל שעברו פוטו-המרה בשלבים מאוחרים יותר (איור 1C). לשם כך, העובר הוטמע ב-LMA, והדגימה נסרקה שוב באמצעות לייזרים של 488 nm ו-561 nm. כפי שמוצג ב-איור 1C, בתוך רקמת אנדותל הנובעת מה-ROI שעבר פוטו-המרה, נצפו חלבוני KikGR שעברו פוטו-המרה ושאינם כאלה, וזאת בשל היציבות של KikGR שעבר פוטו-המרה לפלואורסצנציה אדומה וסינתזה מחדש של KikGR ירוק חדש שלא עבר פוטו-המרה.

איור 1. פוטו-המרה של KikGR במהלך התפתחות zebrafish. (A,B) אזור ספציפי של כלי הדם האנדותליאליים בראש עבר פוטו-המרה ב-48 hpf בעוברים טרנסגניים Tg(kdrl:nlsKikGR)hsc7 ו-(C) נצפה שוב 24 שעות לאחר הפוטו-המרה (סביב 72 hpf). מוצגים הערוצים של פלואורסצנציית KikGR (ירוק), KikGR שעבר פוטו-המרה (אדום) וערוצים ממוזגים (merged). עיגולים מקווקווים מסמנים את ה-ROI לפני, אחרי ו-24 שעות לאחר הפוטו-המרה. התמונות הן במבט גבי של עובר ה-zebrafish, כאשר החלק הקדמי (anterior) נמצא בתחתית. סרגי קנה מידה: 50 μm.
| חלבון (ראשי תיבות) | עירור (nm) | פליטה (nm) | מקדם כיבוי (EC) | ניצולת קוונטית (QY) | מבנה רבעוני | בהירות | יישום | סימוכין |
| Kaede_G | 508 | 518 | 99 | 0.9 | טטramer | 259 | מעקב אחר תאים | 2,6 |
| Kaede_R | 572 | 580 | 60 | 0.3 | טטramer | 59 |
| KikGR_G | 507 | 517 | 54 | 0.7 | טטramer | 112 | מעקב אחר תאים | 3,6,8-10 |
| KikGR_R | 583 | 593 | 35 | 0.6 | טטramer | 68 |
| mKikGR_G | 505 | 515 | 49 | 0.7 | מונומר | 101 | מעקב דינמי, דימויי רזולוציה-על | 13 |
| mKikGR_R | 580 | 591 | 28 | 0.6 | מונומר | 53 |
| EosFP_G | 506 | 516 | 72 | 0.7 | טטramer | 150 | מעקב אחר תאים | 5,20 |
| EosFP_R | 571 | 581 | 41 | 0.5 | טטramer | 67 |
| tdEos_G | 506 | 516 | 34 | 0.7 | דימר טנדמי | 165 | דימויי רזולוציה-על | 12,14,21 |
| tdEos_R | 569 | 581 | 33 | 0.6 | דימר טנדמי | 59 |
| mEos2_G | 506 | 519 | 56 | 0.7 | מונומר | 140 | מעקב דינמי, דימויי רזולוציה-על | 11,18 |
| mEos2_R | 573 | 584 | 46 | 0.7 | מונומר | 90 |
| Dendra2_G | 490 | 507 | 45 | 0.5 | מונומר | 67 | מעקב דינמי, דימויי רזולוציה-על | 4,11 |
| Dendra2_R | 553 | 573 | 35 | 0.55 | מונומר | 57 |
טבלה I. תכונות של חלבונים פלואורסצנטיים ניתנים להמרה פוטוכימית (photoconvertable). בטבלה מוצגים השם הנפוץ ו/או ראשי התיבות עבור כל PCFP, אורכי גל שיא של עירור (Ex) ופליטה (Em), מקדמי כיבוי מולריים (EC, 10-3 M-1 cm-1), נבחרות קוונטית (QY), מבנה רבעוני רלוונטי פיזיולוגית, בהירות יחסית (כאחוז מ-EGFP), יישום ומקורות. הטבלה עובדה מתוך Day and Davidson, 20101.
| PCFP | Zebrafish transgenic lines | Source |
| Kaede | Tg(elavl3:Kaede)rw0130a | Okamoto Lab |
| Tg(EPV.TP1-Mmu.Hbb:Kaede) | |
| Tg(ins:Kaede) | |
| Tg(isl1:Gal4-VP16,14xUAS:Kaede) | |
| Tg(lhx5:Kaede)b1204/+ | ZIRC |
| Tg(myl7:kaede) | |
| Tg(olig2:Kaede) | |
| Tg(UAS-E1b:Kaede)s1999t | ZIRC |
| Tg(UAS:Kaede)rk8 | ZIRC |
| Tg(vsx2:Kaede)nns2 | Higashijima Lab |
| KikGR | Tg(kdrl:nlsKikGR) | |
| Tg(krt4:NTR-KikGR) | |
| Tg(myl7:nlsKikGR) | |
| Tg(sox10:KikGR) | |
| Tg(UAS:KikGR) | |
| EosFP | Tg(sox10:EosFP) | |
| Tg(sox10:nlsEosFP) | |
| Dendra | Tg(-8mpx:Dendra2) | |
| Tg(UAS:Dendra-kras) | |
טבלה II. קווי Zebrafish טרנסגניים המבטאים PCFP. נתונים שהושגו ממאגר המידע של Zebrafish Model Organism Database (ZFIN, http://zfin.org/). זמינות הקווים ב-Zebrafish International Resource Center (ZIRC, http://zebrafish.org/zirc/) מצוינת בטבלה.