C. elegans è un potente organismo modello per la ricerca in genetica, biologia cellulare e biologia molecolare, perché sono facilmente coltivabili in laboratorio, hanno un breve tempo di generazione e durata della vita, condividono un alto grado di omologia proteica con i mammiferi e hanno una struttura corporea trasparente che consente la visualizzazione in vivo di proteine fluorescenti e coloranti1. Come risultato dell'uso di lunga data di C. elegans come importante sistema modello in una serie di campi, tra cui la biologia dello sviluppo e l'invecchiamento, la loro crescita e sviluppo sono ben compresi, il loro genoma è stato completamente sequenziato e sono stati creati una serie di potenti strumenti genetici, tra cui librerie di alimentazione RNAi a livello di genoma e migliaia di ceppi mutanti e transgenici. Storicamente, i C. elegans sono coltivati come popolazioni su terreni di crescita solidi di nematodi agar (NGM) e i fenotipi sono valutati manualmente mediante osservazione diretta o mediante imaging e analisi a valle. La microscopia fluorescente viene utilizzata per catturare una varietà di fenotipi molecolari utilizzando coloranti o tag fluorescenti espressi transgenicamente in singoli C. elegans. L'imaging fluorescente comporta tipicamente il fissaggio o la paralisi di un animale su vetrini contenenti sottili cuscinetti di agarosio, che è invasivo e spesso letale. Comporta anche l'uso di sostanze chimiche, come il levamisolo o l'azoturo di sodio, che possono potenzialmente interferire con il processo molecolare di interesse 2,3. Insieme, questi approcci consentono di raccogliere dati trasversali a livello di popolazione su un'ampia gamma di fenotipi, ma non consentono il monitoraggio dei singoli animali nel tempo.
Negli ultimi anni, sono emersi diversi approcci per coltivare C. elegans isolati, consentendo ai ricercatori di catturare i cambiamenti dinamici nei fenotipi fisiologici e molecolari degli animali nel tempo utilizzando nuove tecnologie di imaging. Una categoria di approccio colturale di C. elegans sono i dispositivi microfluidici, tra cui WormFarm4, il chip Nemalife5 e il chip "behavior" di Chronis et al.6, tra i vari altri 7,8,9. Correlati a questi sono metodi di coltura a base liquida, che utilizzano piastre multi-pozzetto per caratterizzare singoli vermi o piccole popolazioni nel tempo10,11. I sistemi di microfluidica e micropiastre forniscono eccellenti misurazioni quantitative delle risposte fenotipiche in C. elegans fino a un singolo animale, ma l'ambiente di coltura presenta una limitazione chiave. La stragrande maggioranza delle ricerche passate su C. elegans, in particolare nel campo dell'invecchiamento, è stata completata su terreni solidi a base di agar. La coltura liquida fa sì che C. elegans nuoti continuamente e rappresenti un contesto ambientale distinto che può alterare la biologia sottostante. Ad esempio, gli animali allevati in terreni liquidi hanno drasticamente alterato il contenuto di grassi e l'espressione genica - in particolare per i geni coinvolti nella risposta allo stress - rispetto agli animali coltivati su NGM solido12,13 a base di agar. Una categoria alternativa di metodi di imaging per singolo animale coinvolge dispositivi di polidimetilsilossano (PDMS) che isolano i singoli animali su supporti solidi, nel tentativo di imitare più da vicino l'ambiente standard sperimentato dai vermi coltivati su NGM solido in coltura di gruppo su piastre di Petri. Il WorMotel è un dispositivo PDMS a 240 pozzetti progettato per allevare singoli animali su supporti solidi. Ogni pozzetto è riempito con un NGM modificato utilizzando agarosio a basso punto di fusione al posto dell'agar e seminato con cibo batterico, creando un ambiente solido simile al sistema di coltura più comune che utilizza piastre di Petri. Le pareti del pozzo sono rotonde, consentendo a ciascun animale di essere ripreso indipendentemente dalla posizione nel pozzo (evitando l'oscuramento visivo causato da un animale vicino a un muro in una piastra multi-pozzo). Il solfato di rame in uno stretto fossato che circonda ogni pozzo è usato come deterrente per mantenere gli animali nei loro pozzi14,15. Una limitazione di questo approccio è che il solfato di rame è inefficace nel prevenire la fuga dei vermi quando sono presenti condizioni ambientali avverse, tra cui restrizioni dietetiche, batteri patogeni o sostanze chimiche che inducono stress cellulare (ad esempio, paraquat).
Un secondo sistema che utilizza mezzi solidi è il Worm Corral, che impiega un idrogel per creare un piccolo ambiente sigillato per ogni verme su un vetrino, consentendo il monitoraggio a lungo termine di animali isolati individualmente16. Una limitazione chiave è che gli animali devono essere sigillati nell'ambiente come uova, richiedendo l'uso di animali sterili per prevenire la riproduzione e limitando i trattamenti farmacologici a una singola applicazione. Le sperimentazioni multidose di farmaci possono essere eseguite nel WorMotel conducendo più cicli di esposizione prima di trasferire i vermi al dispositivo o aggiungendo localmente ulteriori farmaci ai pozzetti durante l'esperimento; Tuttavia, in quest'ultimo caso, la dose di esposizione effettiva dopo l'aggiunta di un farmaco aggiuntivo a un pozzetto esistente è difficile da quantificare con precisione e dipende dalla rapidità con cui il farmaco si degrada. Sia il WorMotel che il Worm Corral sono eccellenti per l'imaging in campo chiaro o in campo oscuro per acquisire informazioni relative all'attività e alla fisiologia animale (ad esempio, crescita e sviluppo). Mentre questi sistemi possono essere utilizzati per monitorare la fluorescenza, nella nostra esperienza, il PDMS utilizzato per creare le altre tecnologie di imaging a singolo verme è incline a formare microbolle, catturare il particolato e altre piccole anomalie che generano artefatti fluorescenti irregolari che interferiscono con la visualizzazione e la quantificazione della fluorescenza coerente, specialmente nell'intervallo di emissione per GFP, il fluoroforo più comune utilizzato nella ricerca su C. elegans. Ad oggi, l'imaging a fluorescenza vivo di singoli animali di C. elegans in modo longitudinale si basa principalmente su dispositivi microfluidici17.
Qui, descriviamo un nuovo metodo per la coltura di singoli C. elegans su supporti solidi che è compatibile sia con gli interventi avversivi che con l'imaging fluorescente diretto. Questo approccio è concettualmente simile ad altre tecnologie di imaging a singolo verme, tranne per il fatto che il chip PDMS stampato su misura viene sostituito con microvassoi in polistirene disponibili in commercio originariamente sviluppati per saggi di microcitotossicità (comunemente chiamati anche vassoi Terasaki)18. Questi microvassoi sono dotati di pozzetti che possono essere riempiti con terreni solidi e seminati con cibo batterico, imitando da vicino l'ambiente sperimentato dagli animali con la metodologia standard di coltura NGM solida. Ogni pozzetto è circondato da una barriera avversiva di acido palmitico piuttosto che di solfato di rame. L'acido palmitico è comunemente usato per impedire ai vermi di fuggire dai mezzi solidi, utilizzando la coltura di gruppo standard su piastre di Petri in esperimenti in cui i vermi sono sfidati con un ambiente avversivo come la restrizione dietetica o l'esposizione a un fattore di stress chimico. I microvassoi producono anche uno sfondo fluorescente minimo e coerente, consentendo l'imaging fluorescente degli animali direttamente nel loro ambiente di coltura. Questo nuovo sistema di coltura a base di agar solido per singolo animale non solo consente di tracciare i singoli animali per tutta la vita e monitorare la crescita, lo sviluppo, l'attività e la durata della vita, ma è anche compatibile con la microscopia fluorescente diretta. Poiché i vermi possono essere fotografati senza paralisi o fissazione, i biomarcatori di fluorescenza in vivo possono essere quantificati longitudinalmente nei singoli animali che rimangono sui loro terreni di coltura, consentendo l'osservazione dei cambiamenti dinamici nel corso della vita di ciascun animale. Questo sistema di coltura è anche compatibile con i sistemi automatizzati di attuale generazione per il monitoraggio della durata della vita e altre metriche sanitarie14,19. Forniamo un protocollo dettagliato per la coltura di singoli C. elegans in questo sistema basato su microvassoi, discutiamo potenziali insidie e risoluzione dei problemi e discutiamo i vantaggi e le limitazioni relativi ad altri sistemi e, in particolare, un protocollo WorMotel aggiornato e ottimizzato15.
Ogni ambiente di coltura a singolo verme è costituito da un microvassoio montato all'interno di un vassoio standard a pozzetto singolo utilizzando un adattatore personalizzato stampato in 3D (Figura 1A). I pozzetti sono riempiti con terreni di crescita di nematodi agarosio a basso punto di fusione (lmNGM), seminati con batteri concentrati come fonte di cibo e circondati da un rivestimento di acido palmitico per impedire ai vermi di fuggire (Figura 1B). Lo spazio tra il microvassoio e le pareti della piastra a pozzetto singolo è riempito con cristalli di acqua satura per mantenere l'umidità (Figura 1B). Un rivestimento detergente viene applicato al coperchio del vassoio per evitare la formazione di condensa. Un singolo verme viene aggiunto a ciascun pozzetto e il vassoio a pozzetto singolo viene sigillato con Parafilm per mantenere l'umidità e consentire lo scambio di ossigeno. Fino a sei microvassoi possono ragionevolmente essere preparati in parallelo da un singolo ricercatore praticato.