Gli espianti consentono di quantificare i cambiamenti di forma su larga scala in 3D. Per illustrare ciò, abbiamo espiantato somite quattro (N = 3) da embrioni precoci di zebrafish ottenuti da un incrocio tra linee eterozigoti Utr::mCherry (Tg(actb2:mCherry-Hsa.UTRN); e119Tg) e H2B::GFP (Tg(h2az2a:h2az2a-GFP); kca6Tg). L'utrofina è una proteina legante l'actina e la linea Utr::mCherry mostra la distribuzione delle strutture filamentose dell'actina. Questo transgene è stato utilizzato qui come marcatore per i contorni cellulari. H2B::GFP è un istone marcato in fluorescenza e di conseguenza segna la distribuzione della cromatina, fornendo una descrizione efficace della posizione e della forma nucleare, nonché figure mitotiche che evidenziano la divisione cellulare.
Abbiamo valutato il successo del protocollo di espianto durante l'imaging. Abbiamo osservato che in un somite danneggiato durante la dissezione l'integrità del tessuto somite è compromessa, con molte cellule che si dissociano ed estrudono dal somite espiantato e/o molte cellule che muoiono, il che può essere notato dalla presenza di nuclei frammentati nel canale nucleare. Gli espianti riusciti sono rimasti sani per 4-6 ore, dopodiché sono stati osservati cambiamenti nell'integrità del somite con le cellule che si dissociavano dall'espiante e morivano.
Nel canale dell'utrofina, abbiamo eseguito la segmentazione manuale degli espianti in MATLAB (R2018b) su z-slice distanziate ogni 10 μm. Abbiamo sviluppato un algoritmo personalizzato in MATLAB per la segmentazione, che è disponibile gratuitamente per il download (https://github.com/sundar07/SomSeg). Nell'algoritmo, è possibile impostare il file, il fotogramma e la z-slice da segmentare, seguiti da un prompt dell'utente, che consente di disegnare manualmente un contorno attorno alla regione di interesse. Questo è stato ripetuto per più z-slice e tracciato, che ha mostrato l'arrotondamento degli espianti nel tempo in 3D (Figura 3A). Inoltre, sono state ottenute anche informazioni complementari sulla forma dei tessuti utilizzando il canale nucleare. Per questo, abbiamo utilizzato Mastodon (versione 1.0.0-beta-19, https://github.com/mastodon-sc/mastodon), un plugin FIJI15 , per ottenere le posizioni del centroide dei nuclei attraverso il rilevamento dei punti. Per prima cosa abbiamo convertito i file tif dal microscopio al formato xml/hdf5 in FIJI, dopodiché è stato aperto un nuovo progetto utilizzando il plugin Mastodon. Nel plugin, abbiamo scelto l'opzione di rilevamento spot, in cui abbiamo definito una regione di interesse che copriva l'espianto e abbiamo utilizzato la differenza del rivelatore gaussiano con un diametro di 5 μm e un fattore di qualità di 25 per il rilevamento dei spot. Abbiamo quindi trasferito le posizioni del centroide dei nuclei a MATLAB e utilizzato una funzione incorporata (convhull) per ottenere un guscio convesso (Figura 3B), che ha caratterizzato la geometria dell'espianto. Questo ha mostrato in modo simile l'arrotondamento degli espianti nel tempo (Figura 3B). I dati dei nuclei consentono inoltre di quantificare i movimenti cellulari mediante il tracciamento in 3D e una variazione del numero di cellule nel tempo. D'altra parte, il canale dell'utrofina consente la quantificazione dei cambiamenti nelle forme cellulari man mano che gli espianti diventano più rotondi. Insieme, questi parametri sono preziosi per caratterizzare le proprietà intrinseche dei materiali dei somiti, che aiutano a sviluppare descrizioni fisiche efficaci dei cambiamenti di forma su scala tissutale.
Gli espianti consentono inoltre di caratterizzare in modo quantitativo gli stress da contatto con i tessuti vicini. Per illustrare ciò, abbiamo isolato manualmente due somiti e li abbiamo posizionati in stretta vicinanza e abbiamo osservato la loro dinamica (N = 2). Per questo esperimento, l'orientamento dei somiti rispetto agli assi del corpo in vivo non è stato tracciato. È interessante notare che, nel tempo, i somiti espiantati hanno aderito l'uno all'altro lungo una superficie, mentre le superfici libere, cioè le regioni lontane dal sito di contatto, si sono arrotondate (Figura 4). Ciò suggerisce che le forze adesive superano le sollecitazioni generate dalla tensione superficiale nei siti di contatto negli espianti. Questo può essere ulteriormente caratterizzato seguendo i cambiamenti di forma come descritto sopra e quantificando gli angoli di contatto tra i due tessuti nel tempo in 3D. Pertanto, gli espianti forniscono un sistema interessante per quantificare le forze concorrenti in azione che portano a specifiche forme di tessuto, le cui implicazioni possono poi essere esplorate in vivo.

Figura 1: Preparazione di espianti di singolo somite. L'embrione di pesce zebra (A) viene prima dechorionato (B), seguito dalla rimozione della pelle e del tuorlo (C). La regione contenente somite dell'embrione viene quindi selezionata rimuovendo il resto dei tessuti (D, E). Le regioni intorno al somite di interesse vengono quindi rimosse in serie (F-H) per isolare infine un singolo somite (I), seguito da un'imaging time-lapse utilizzando un microscopio a foglio di luce (sezione z centrale del somite mostrata qui) (J). Abbreviazioni: S = somite; N = notocorda; LPM = mesoderma a placche laterali; A = anteriore; P = posteriore. Le linee tratteggiate indicano le posizioni di taglio. Barra di scala = 50 μm in tutti i pannelli. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Assemblaggio della camera di imaging a foglio di luce. (A-D) Una striscia di membrana FEP (dimensioni in (B)) è avvolta attorno al supporto della membrana, montata sulla camera di imaging e la membrana è incollata alla camera di imaging. (E-F) Il giorno seguente, il supporto della membrana viene rimosso e uno stampo per immagini (dimensioni in (E)) viene posizionato al centro della camera di imaging in agarosio a basso punto di fusione. L'intera unità viene mantenuta a 4 °C per 30 minuti, dopodiché lo stampo viene rimosso e la camera con il trogolo viene utilizzata per l'imaging degli espianti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Analisi 3D delle forme dei tessuti. (A) I contorni delle cellule sono stati visualizzati con utrofina marcata in fluorescenza (Utr::mCherry) e i nuclei sono stati visualizzati con istone marcato in fluorescenza (H2B::GFP). I contorni dell'espianto sono stati segmentati manualmente a più profondità utilizzando MATLAB e mostrati qui. (B) I nuclei (rosso) sono stati rilevati nello stesso espiante utilizzando Mastodon, un plug-in FIJI, e sottoposti a un guscio convesso (ciano), che informa sulla geometria dell'espianto. Si noti che l'arrotondamento degli espianti è evidente in entrambe le analisi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: I somiti espiantati aderiscono l'uno all'altro. Due somiti isolati da embrioni e posti manualmente in stretta vicinanza tendono ad aderire nel tempo (N = 2). Più z-slice con un intervallo di fotogrammi di 2 minuti sono state acquisite utilizzando un microscopio a foglio luminoso e le sezioni centrali dei somiti provenienti da punti temporali selezionati sono mostrate qui. I contorni delle cellule sono stati visualizzati con Utrophin (Utr::mCherry) marcata in modo fluorescente. Barra della scala = 25 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.