מיקרוסקופיה פלואורסצנטית מבוססת יריעות אור היא הכלי בעל הערך הרב ביותר בביולוגיה התפתחותית. נושא מרכזי במחקרים השוואתיים הוא שונות הסביבה. הפרוטוקול שלנו מתאר מסגרת ניסיונית להדמיה חיה בו זמנית של דגימות מרובות, ולכן מטפל בנושא זה באופן פעיל.
Method Article
* These authors contributed equally
מיקרוסקופיה פלואורסצנטית מבוססת יריעות אור היא הכלי בעל הערך הרב ביותר בביולוגיה התפתחותית. נושא מרכזי במחקרים השוואתיים הוא שונות הסביבה. הפרוטוקול שלנו מתאר מסגרת ניסיונית להדמיה חיה בו זמנית של דגימות מרובות, ולכן מטפל בנושא זה באופן פעיל.
מיקרוסקופיית פלואורסצנטיות מבוססת יריעות אור מציעה פתרונות יעילים לחקר תהליכים מורכבים בכמה קשקשים רלוונטיים ביולוגית. הגדרות מבוססות תא לדוגמה, אשר תוכננו במיוחד כדי לשמר את השלמות התלת מימדית של הדגימה ובדרך כלל כוללות סיבוב מדגם, הן הבחירה הטובה ביותר בביולוגיה התפתחותית. למשל, הם שימשו כדי לתעד את כל מורפוגנזה עוברית של זבוב הפירות Drosophila melanogaster ואת חיפושית הקמח האדום Tribolium castaneum. עם זאת, פרוטוקולי הדמיה חיים זמינים רבים מספקים רק מסגרות ניסיוניות לעוברים בודדים. במיוחד עבור מחקרים השוואתיים, גישות כאלה אינן נוחות, שכן דגימות בתמונה רציפה מושפעות מהשונות הסביבתית. כמו כן, זה מגביל את מספר הדגימות שניתן לציין בתוך זמן נתון. אנו מספקים מסגרת ניסיונית להדמיה חיה בו זמנית המגבירה את התפוקה בהגדרות מבוססות תא מדגמי ובכך מבטיחה תנאי סביבה דומים לכל הדגימות. ראשית, אנו מספקים קו מנחה לכיול עבור מיקרוסקופים פלואורסצנטיים של יריעות אור. שנית, אנו מציעים שיטת הרכבה עבור עוברים מרובים התואמת לסיבוב מדגם. שלישית, אנו מספקים מודלים תלת מימדיים למופת של הדמיה חיה של Drosophila, שעבורם אנו ממקמים שלושה קווים מהונדסים עם גרעינים מתויגים פלואורסצנטיים, כמו גם של טריבוליום, שעבורו אנו משווים את הביצועים של שלושה קווי משנה מהונדסים הנושאים את אותו טרנסג'ין, אך במקומות גנומיים שונים. הפרוטוקול שלנו תוכנן במיוחד למחקרים השוואתיים מכיוון שהוא מטפל באופן פעיל בשונות הסביבה, שתמיד קיימת בהדמיה חיה רציפה. זה חשוב במיוחד לניתוחים כמותיים ואפיון של פנוטיפים חריגים, הנובעים למשל מניסויי נוקאאוט. כמו כן, הוא מגדיל את התפוקה הכוללת, וזה מאוד נוח כאשר הגישה למיקרוסקופים פלואורסצנטיים יריעות אור מוגבלת. לבסוף, שיטת ההרכבה המוצעת יכולה להיות מותאמת עבור מיני חרקים אחרים ואורגניזמים מודל נוסף, למשל, זברה, עם בעצם שום מאמץ אופטימיזציה.
מיקרוסקופיה פלואורסצנטית היא אחת מטכניקות ההדמיה החיוניות ביותר במדעי החיים, במיוחד בביולוגיה התאית וההתפתחותית. במיקרוסקופים פלואורסצנטיים קונפוקאליים1, שהם המדינה-of-the-art עבור הדמיית פלואורסצנטיות תלת מימדית מאז אמצע שנות התשעים, אותה עדשה משמשת עבור עירור פלואורופור וזיהוי אור פליטה. קרן הלייזר לתאורה מרגשת את כל הפלואורופורים לאורך ציר התאורה/זיהוי והאות המופרך בהתאמה מופלה לפני הגילוי על ידי חור סיכה. לפיכך, עבור כל תמונה דו מימדית, כל הדגימה מוארת. כתוצאה מכך, עבור כל תמונה תלת מימדית, כלומר, ערימה של תמונות דו מימדיות רצופות, הדגימה כולה מוארת כמה עשרות עד כמה מאות פעמים2, אשר מקדם photobleaching ו phototoxicity3.
לפני כמעט עשרים שנה, טכנולוגיה מבוססת יריעות אור4 התגלתה כחלופה מבטיחה להדמיית פלואורסצנטיות תלת מימדית ובכך הפכה לכלי רב ערך בביולוגיה התפתחותית5. בגישה זו, תאורה וזיהוי הם decoupled. עדשת התאורה משמשת ליצירת יריעת אור בעומק של מיקרומטרים בודדים בלבד במישור המוקד של עדשת הגילוי המאורגמת בניצב. לפיכך, עבור כל תמונה דו מימדית, רק נפח מישורי דק סביב מישור המוקד מואר. כתוצאה מכך, עבור כל תמונה תלת מימדית, הדגימה כולה מוארת רק פעם אחת, אשר מקטין מאוד photobleaching ו phototoxicity6. מסיבה זו, מיקרוסקופים פלואורסצנטיים של יריעות אור (LSFMs) מציעים פתרונות יעילים לחקר תהליכים מורכבים בכמה קשקשים רלוונטיים ביולוגית והם, אם כן, בעלי ערך מיוחד בביולוגיה התפתחותית, שבה דגימות גדולות כמו כמה מילימטרים יש לנתח ברמה התת-תאית.
מבחינה היסטורית, LSFMs כבר מדגם תא מבוסס7,8. בהגדרות אלה, צירי התאורה (x) והזיהוי (z) מסודרים בדרך כלל בניצב לציר הכבידה (y). תאי מדגם מציעים חופש ניסיוני בשפע. ראשית, הם מספקים קיבולות חיץ הדמיה גדולות, אשר בתורו מקל על השימוש במערכת זלוף כדי לשלוט בסביבה, למשל, כדי לשמור על טמפרטורה מסוימת9 או ליישם גורמי לחץ ביוכימיים. כמו כן, הם תומכים בשיטות הרכבה מותאמות אישית10 המותאמות לצרכים הניסיוניים המתאימים תוך שמירה על תלת מימד, במקרים מסוימים דינמי11, שלמות הדגימה. בנוסף, הגדרות מבוססות תא מדגם מצוידות בדרך כלל בפונקציית סיבוב המשמשת לסובב את הדגימות סביב ציר y ובכך לדמות אותם לאורך שניים, ארבעה או אפילו יותר כיוונים. מאז עוברים של אורגניזמים מודל נפוץ הם, בהקשר של מיקרוסקופיה, גדול יחסית, הדמיה רצופה לאורך גחון הגב, לרוחב, ו / או צירי גוף אחוריים מספק ייצוג מקיף יותר. זה מאפשר למשל מעקב ארוך טווח אחר תאים שזזים לאורך נתיבי העברה תלת מימדיים מורכבים12,13.
מיקרוסקופ פלואורסצנטי מבוסס גיליון אור יושם בהרחבה כדי לחקור את המורפוגנזה העוברית של Drosophila melanogaster, הן באופן שיטתי14,15, כמו גם עם דגש ספציפי על ההיבטים הביופיזיים של הפיתוח. לדוגמה, הוא שימש לאיסוף נתונים מורפוגנטיים ברזולוציה גבוהה על מנת לזהות קשר ביומכני בין פולשניות אנדודרם והרחבת ציר במהלך התארכות חיידקים16 ועוד כדי לקשר את הזרימה התאית המורכבת עם דפוסי יצירת כוח במהלך gastrulation17. זה גם שולב עם טכניקות המדינה-of-the-art אחרים, למשל, אופטוגנטיקה כדי לחקור את הרגולציה של איתות Wnt במהלך דפוס אחורי-ראשי באפידרמיס18.
עם זאת, לימוד מין אחד בלבד אינו מספק תובנות על התפתחות ההתפתחות. כדי להבין עובריות בהקשר הפילוגנטי, נערך מחקר אינטנסיבי עם אורגניזמים חלופיים של מודל חרקים. אחד המינים הנחקרים ביותר הוא חיפושית הקמח האדום טריבוליום קסטנאום, מזיק תבואה מאוחסן רלוונטי מבחינה כלכלית19, אשר מורפוגנזה עוברית כבר דימוי שיטתי עם LSFM20. המורפוגנזה העוברית של שני מינים אלה שונה להפליא בכמה היבטים, למשל, מצב פילוח21, כמו גם היווצרות והשפלה של ממברנות חוץ-עובריות22. ההיבט האחרון כבר נותח בהרחבה באמצעות LSFMs. לדוגמה, הוכח כי סרוסה, רקמה עוברית נוספת העוטפת ומגנה על עובר הטריבוליום מפני סכנות שונות עבור החלק הטוב יותר של העובר שלה23,24, משמש גם "נהג" מורפוגנטי עבור תהליך הנסיגה שלה במהלך סגירת הגב25. יתר על כן, הוכח כי במהלך gastrulation, אזור מסוים של blastoderm נשאר מעוגן קרום vitelline על מנת ליצור תנועות רקמה אסימטרית26 ו, בעקבות תצפית זו, כי נזילות רקמות אזורית מאפשרת לתאים לעזוב ברצף את קצה הסרוסה במהלך סגירת חלון סרוסה27.
בכל Drosophila- ו טריבוליוםהקשורים מחקרים שצוטטו לעיל, LSFMs מבוססי תא מדגם שימשו. ברוב המקרים, העוברים נרשמו בכיוונים מרובים באמצעות פונקציית הסיבוב לדוגמה. אמנם לא צוין במפורש, ניתן להניח כי הם נרשמו בנפרד ובכך עצמאי אחד את השני מבחני הדמיה חיים רציפים, בדומה לעבודה הקודמת שלנו על Tribolium20,28. בתרחישים מסוימים, גישה כזו מקובלת, אך במיוחד בגישות השוואתיות כמותיות, שונות סביבתית יכולה לעוות את התוצאות. לדוגמה, זה זמן רב ידוע כי המהירות ההתפתחותית של חרקים הוא תלוי טמפרטורה29, אבל מחקר עדכני יותר עולה כי ב Drosophila, הטמפרטורה עשויה להשפיע גם על הריכוז של מורפוגנים30. כתוצאה מכך, אם מאפיינים מסוימים של עובר, למשל, הפרופורציות הדינמיות, שיעורי החלוקה ומהירויות ההגירה של התאים, צריכים להיות מכמתים במדויק, נדרשות חזרות מספיקות ללא שונות סביבתית. זה ממזער סטיות תקן ושגיאות תקן, אשר בתורו מקל על הסמיכות עם תנאים ניסיוניים אחרים, אפילו רק שוליים שונים.
עם זאת, LSFMs מבוססי תא לדוגמה מיועדים בעיקר לתוכן גבוה ולא למאמרי תפוקה גבוהים. שלא כמו מיקרוסקופים קונפוקליים, אשר מצוידים בדרך כלל עם מנגנוני הידוק סטנדרטיים עבור שקופיות מיקרוסקופיה, צלחות פטרי וצלחות היטב, כמעט כל LSFMs מבוססי תא מדגם להשתמש במנגנוני הידוק מבוססי גליל. מנגנונים אלה מיועדים למחזיקי מדגם בהתאמה אישית התואמים לסיבוב כמו גם10לא פולשניים , אך בדרך כלל אינם מיועדים ליותר מדגם אחד20,31,32. מסגרת להדמיה חיה בו זמנית של שני עוברים או יותר, שבה היתרונות של הגדרות מבוססות תא מדגם אינם נפגעים, מטפלת בבעיית השונות הסביבתית ובכך מגדילה את הערך של LSFMs למחקרים השוואתיים.
בפרוטוקול שלנו, אנו מציגים מסגרת ניסיונית להדמיה חיה השוואתית ב- LSFMs מבוססי תא מדגם (איור 1A) שבה ציר y משמש כאפשרות "לערום" עוברים. ראשית, אנו מספקים הנחיית כיול מבוססת מיקרוספרה פלואורסצנטית עבור LSFMs מבוססי תא מדגם, וזה חשוב במיוחד עבור מכשירים שאין להם עוזר כיול. שנית, אנו מתארים שיטת הרכבה לעוברים מרובים המבוססת על מחזיק קורי העכביש28 (איור 1B)התואמת לסיבוב הדגימה ובכך מאפשרת הדמיה בו זמנית של דגימות מרובות בכיוונים מרובים (איור 1C). מספר עוברים מיושרים על גבי סרט agarose דק, ולאחר הכניסה לתוך תא המדגם, עבר ברציפות דרך גיליון האור כדי לרכוש תמונות תלת מימדיות. שלישית, אנו מספקים שלוש ערכות נתונים הדמיה חיה למופת עבור Drosophila, כמו גם עבור טריבוליום. עבור הראשון, אנו ממקסמים קווים מהונדסים עם גרעינים בעלי תווית פלואורסצנטית. עבור האחרון, אנו משווים את הביצועים של קווי משנה מהונדסים הנושאים את אותו טרנסג'ין, אך במקומות גנומיים שונים. לבסוף, אנו דנים בחשיבות ההקבלה ביחס להדמיה חיה השוואתית ושונותסביבתית 33, דנים במגבלת התפוקה של המסגרת הניסיונית שלנו ומעריכים את התאמת הגישה שלנו לאורגניזמים מודל אחרים.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
1. עבודת הכנה
2. כיול של LSFMs מבוססי תא מדגם באמצעות מיקרוספרות פלואורסצנטיות
הערה: מטרת הכיול היא ליישר את נקודות המוקד של עדשות התאורה והזיהוי (איור 2A),שכן זוהי הנחת היסוד לתמונות ברורות. יש לכייל LSFMs באופן קבוע, לפחות פעם אחת בכל 3-4 שבועות.
3. אוסף עוברי דרוזופילה
4. אוסף עוברי טריבוליום
הערה: לנוחותך, תוכנית של הליך איסוף ביצי טריבוליום מסופקת (איור 3A) שאליו מתייחסים גם המספרים בתוך הסוגריים בשלב זה.
5. נתרן היפוכלוריט מבוסס dechorionation
הערה: הן עוברי דרוסופילה והן עוברי טריבוליום מכוסים על ידי כוריון, שכבת חלבון מגן ומפזרת אור בכבדות שאינה חיונית להתפתחות נאותה כל עוד העוברים נשמרים לחים לאחר ההסרה. פרוטוקול ההקלה לעוברים של שני המינים זהה.
6. הרכבה של עוברים מרובים באמצעות מחזיק קורי העכביש
7. הדמיה חיה השוואתית ב- LSFMs מבוססי תא מדגם
8. אחזור וטיפוח נוסף של עוברים בתמונה
9. תיעוד עיבוד ומטה-נתונים של נתוני תמונה
הערה: לעיבוד נתוני תמונה, מומלץ להפיק את IMAGEJ FIJI35 (imagej.net/Fiji/Downloads). FIJI אינה דורשת התקנה וגירסאות 32 סיביות וכן 64 סיביות זמינות. אחת הפורמטים הנפוצים ביותר עבור נתוני LSFM היא תבנית קובץ התמונה המתויגת (TIFF), המאפשרת אחסון של ערימות תמונות בצורה של גורם מכיל TIFF.
10. תצוגה חזותית של נתונים
הערה: קו מנחה זה להמחנאת נתונים מתמקד בעיקר ביצירת מטריצות תמונה של הקרנה מרבית z המציגות מספר עוברים מוקלטים לאורך מספר כיוונים ו/או לאורך זמן. השלבים הבאים מתארים את שגרת הפריטים החזותיים של הנתונים שהוחלה על ערכות הנתונים לדוגמה ליצירת האיורים המוצגים וסרטי הווידאו המקושרים במקטע תוצאות מייצגות.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
הפרוטוקול שלנו מתאר מסגרת ניסיונית להדמיה חיה פלואורסצנטית השוואתית בתא מדגם מבוסס LSFMs. לדוגמה, ניתן להשתמש במסגרת כדי לחבר (i) עוברים משני מינים או יותר, (ii) עוברים של קווים שבהם גנים אחד או יותר מופקים בתוספת פקדים מסוג בר, (iii) עוברים מרובים מאותו קו מהונדס, (iv) עוברים מקווים מהונדסים שונים, או (v) עוברים מקווי משנה הנושאים את אותו טרנסגן אבל במקומות גנומיים שונים. בסעיף זה, אנו מספקים דוגמאות לשני התרחישים האחרונים.
ביישום המופתי הראשון שלנו, אנו מראים את הדינמיקה של אות הפלואורסצנטיו...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
אחד מאזורי היישום הבלעדיים של LSFMs הוא ביולוגיה התפתחותית. במשמעת זו, יש חשיבות להסתכל על דגימות חיות, אחרת לא ניתן לתאר תהליכים מורפוגנטיים באופן דינמי. מסגרת ניסיונית להדמיה חיה בו זמנית ב- LSFMs מבוססי תא מדגם, כמתואר כאן, נוחה משתי סיבות עיקריות.
ניתן לטפל בשונות הסביבה, שהיא בלתי נמנעת בהדמיה חיה רציפה, באופן פרו-אקטיבי. בהדמיה חיה הקשורה לעובר חרקים, אנו רואים למשל את הרגישות הבאה. תרבויות איסוף הביצים עשויות להיות בגילאים שונים בזמן איסוף העוברים. ב Drosophila, הוכח כי זה משפי...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
למחברים אין מה לחשוף.
אנו מודים לארנסט ה. ק. סטלייזר על ההזדמנות להשתמש במשאביו, כמו גם להערותיו החשובות בנוגע לכתב היד, אניטה אנדרול על תמיכתה בהדמיה החיה של טריבוליום, סוון פלאת' על התמיכה הטכנית, כמו גם לאילן דייוויס, ניקול גריידר וג'רולד שוביגר על שיתוף קווי הדרוסופלה המהונדסים שלהם דרך מרכז המניות בלומינגטון.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| צלחת 6 בארות | אורנג' סיינטיפיק | 4430500 | <חזק> צלחת |
| 24 בארות | Orange Scientific | 4430300 | רק להדמיה חיה הכוללת Tribolium |
| 35 מ"מ ואוסלאש; צלחת פטרי | פישר סיינטיפיק | 153066 | רק להדמיה חיה הכוללת Drosophila. |
| 90 מ"מ ואוסלאש; צלחת פטרי | פישר סיינטיפיק | L9004575 | |
| 100 ומיקרו; מסננת תאים בגודל רשת | m BD Biosciences | 352360 | |
| 250 ומיקרו; m מסננת בגודל רשת | VWR International | 200.025.222-038 | רק להדמיה חיה הכוללת Tribolium |
| 300 ומיקרו; m מסננת בגודל רשת | VWR International | 200.025.222-040 | רק להדמיה חיה הכוללת Tribolium |
| 710 ומיקרו; m מסננת בגודל רשת | VWR International | 200.025.222-050 | רק להדמיה חיה הכוללת Tribolium |
| 800 ומיקרו; m מסננת בגודל רשת | VWR International | 200.025.222-051 | רק להדמיה חיה הכוללת Tribolium |
| 405 קמח חיטה דק | Demeter e.V. | SP061006 | רק להדמיה חיה הכוללת Tribolium |
| מדיום דרוזופילה זמין מסחרית | Genesee Scientific | 66-115 | רק להדמיה חיה הכוללת Drosophila / מדיום Drosophila מותאם אישית ניתן להשתמש גם |
| במיקרוספירות פלואורסצנטיות, 1.0 ומיקרו; מ &אוסלאש; | Thermo Fisher Scientific | T7282 | |
| שמרים יבשים לא פעילים | Genesee Scientific | 62-108 | |
| אגרוז נמס נמוך | קארל רוט | 6351.2 | |
| בקבוקונים צרים | Genesee Scientific | 32-109 | רק להדמיה חיה הכוללת Drosophila |
| מברשת צבע קטנה | VWR International | 149-2121 | |
| נתרן היפוכלוריט (NaOCl), ~12% פעיל Cl | Carl Roth | 9062.3 | זהירות: נתרן היפוכלוריט הוא |
| קמח מלא | Demeter e.V. | SP061036 | רק להדמיה חיה הכוללת Tribolium / בריטניה: |
| בקבוקונים רחבים | Genesee Scientific | 32-110 | רק להדמיה חיה הכוללת Drosophila |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission