ここには、微細加工されたマルチウェルデバイスの固体培地上で単離された個々の線虫を培養するための最適化されたプロトコルが提示されます。このアプローチにより、個々の動物を生涯を通じて監視して、活動、体のサイズと形状、運動の形状、生存など、老化と健康に関連するさまざまな表現型を確認できます。
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ここには、微細加工されたマルチウェルデバイスの固体培地上で単離された個々の線虫を培養するための最適化されたプロトコルが提示されます。このアプローチにより、個々の動物を生涯を通じて監視して、活動、体のサイズと形状、運動の形状、生存など、老化と健康に関連するさまざまな表現型を確認できます。
線虫 Caenorhabditis elegansは 、そのシンプルで安価な培養技術、迅速な繁殖サイクル(~3日)、短い寿命(~3週間)、および遺伝子操作と分子分析のための多数の利用可能なツールにより、老化研究で使用される最も一般的なモデルシステムの1つです。生存分析を含む C.エレガンスの老化研究を実施するための最も一般的なアプローチは、ペトリプレートの固体線虫増殖培地(NGM)上で数十〜数百匹の動物の集団を一緒に培養することです。このアプローチは動物の集団に関するデータを収集しますが、ほとんどのプロトコルは個々の動物を経時的に追跡しません。ここでは、WorMotelsと呼ばれる微細加工ポリジメチルシロキサン(PDMS)デバイスで個々の動物を長期間培養するための最適化されたプロトコルを紹介します。各装置では、NGMを含む小さなウェルで最大240匹の動物を培養でき、各ウェルは硫酸銅を含む堀で分離され、動物が逃げるのを防ぎます。このホワイト ペーパーでは、元の WorMotel の説明に基づいて、各デバイスの成形、準備、および装着に関する詳細なプロトコルを提供し、一般的な技術的問題の説明とトラブルシューティングのアドバイスを提供します。このプロトコルには、少量のNGMの一貫した負荷、NGMと細菌性食品の両方の一貫した乾燥、薬理学的介入を提供するためのオプション、PDMSデバイスの再利用に関する指示と実際的な制限、および低湿度環境でも乾燥を最小限に抑えるためのヒントがあります。この技術により、ペトリプレートの固体培地での集団培養の標準的な技術と同様の環境で、刺激された活動、刺激されていない活動、体のサイズ、運動形状、健康寿命、生存など、さまざまな生理学的パラメーターの縦断的モニタリングが可能になります。この方法は、自動顕微鏡および分析ソフトウェアと組み合わせて使用 すると、ハイスループットデータ収集と互換性があります。最後に、この技術の限界、およびマイクロトレイを使用して単離された線虫を固体培地上で培養する最近開発された方法とのこのアプローチの比較について説明します。
Caenorhabditis elegans は、その短い世代時間(約3日)、短い寿命(約3週間)、実験室での培養の容易さ、哺乳類との分子プロセスと経路の高度な進化的保存、および遺伝子操作技術の幅広い利用可能性のために、老化研究で一般的に使用されます。老化研究の文脈では、 C.エレガンスは 、生きている動物の晩年の表現型の分析のために、長寿データと高齢者集団の迅速な生成を可能にします。ワーム老化研究を実施するための典型的なアプローチは、6cmペトリプレート内の固体寒天線虫増殖培地(NGM)上で20〜70匹の動物のグループで維持されているワームの集団の寿命を手動で測定することを含む1。年齢同期集団を使用すると、集団全体の個々の動物の寿命または断面表現型を測定できますが、この方法では、個々の動物の特性を経時的に監視することはできません。このアプローチも労働集約的であるため、テストできる母集団のサイズが制限されます。
個々のC.エレガンスの寿命を通して縦断的にモニタリングできる培養方法は限られており、それぞれに異なる長所と短所があります。WormFarm2、NemaLife3、および「挙動」チップ4、とりわけ5,6,7を含むマイクロ流体デバイスは、個々の動物の経時的なモニタリングを可能にする。マルチウェルプレートを使用して液体培養でワームを培養することも同様に、個々の動物またはC.エレガンスの小さな集団のいずれかを経時的にモニタリングすることを可能にします8,9。液体環境は、ペトリプレートの固体培地上の一般的な培養環境とは異なる環境状況を表しており、脂肪含有量やストレス応答遺伝子の発現など、老化に関連する動物生理学の側面を変える可能性があります10,11。これらの研究を、老化したC.エレガンスについて収集されたデータの大部分と直接比較する能力は、潜在的に重要な環境変数の違いによって制限されます。Worm Corral12は、典型的な固体培地培養をより厳密に再現する環境で個々の動物を収容するために開発された1つのアプローチです。Worm Corralには、ヒドロゲルを使用した顕微鏡スライド上に各動物用の密閉チャンバーが含まれており、孤立した動物の縦方向のモニタリングが可能です。この方法では、標準的な明視野イメージングを使用して、体のサイズや活動などの形態学的データを記録します。しかしながら、動物は胚としてヒドロゲル環境に置かれ、そこでそれらは生涯を通じて邪魔されないままである。これには、条件付き無菌変異体またはトランスジェニック遺伝的背景の使用が必要であり、各新規変異または導入遺伝子を条件付き不妊でバックグラウンドに交配する必要があるため、遺伝子スクリーニングの能力と、治療は胚として動物に一度しか適用できないため、薬物スクリーニングの能力の両方が制限されます。
Fang-Yenラボによって開発された代替方法は、WorMotel13,14と呼ばれる微細加工ポリジメチルシロキサン(PDMS)デバイスの個々のウェル内の固体培地上でワームを培養することを可能にする。各デバイスは、単一ウェルトレイ(すなわち、96ウェルプレートと同じ寸法)に配置され、ワームがウェル間を移動するのを防ぐために、嫌悪溶液で満たされた堀によって分離された240ウェルを有する。各ウェルは、その寿命の間、単一のワームを収容することができます。デバイスは吸水性ポリアクリルアミドゲルペレット(「水結晶」と呼ばれる)に囲まれており、トレイは湿度を維持し、メディアの乾燥を最小限に抑えるためにParafilmラボフィルムで密封されています。このシステムにより、個々の動物の健康寿命と寿命のデータを収集できますが、固体培地を使用すると、公開されたC.エレガンスの寿命研究の大部分で動物が経験した環境をよりよく再現できるため、より直接的な比較が可能になります。最近、PDMSデバイス16の代わりに、微小細胞毒性アッセイ15に元々使用されていたポリスチレンマイクロトレイを使用して同様の技術が開発された。マイクロトレイ法は、固体培地上で培養されたワームの個別化されたデータの収集を可能にし、典型的には逃げを引き起こす条件(例えば、ストレッサーまたは食事制限)の下でワームを収容する能力が向上し、トレードオフは、各マイクロトレイが96匹の動物しか収容できないというトレードオフである16、ここで使用されるマルチウェル装置は最大240匹の動物を収容することができる。
ここでは、プレート間の一貫性と複数のデバイスの並列調製に最適化されたマルチウェルデバイスを調製するための詳細なプロトコルを示します。このプロトコルは、Fang-Yen研究所13の元のプロトコルから採用されました。具体的には、汚染を最小限に抑え、固体培地と細菌の食物源の両方の一貫した乾燥を最適化し、RNAiと薬物を送達する技術の説明があります。このシステムは、個人の健康寿命、寿命、および体のサイズや形状などの他の表現型を追跡するために使用できます。これらのマルチウェルデバイスは、寿命を測定するための既存のハイスループットシステムと互換性があり、従来の寿命実験に伴う手作業の多くを排除し、個々の C.エレガンス における自動化された直接的な寿命測定と健康追跡の機会を大規模に提供します。
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1.原液および培地の調製
注意: マルチウェルデバイスの準備を開始する前に、次のストック溶液と培地を準備してください。
2. 3Dマルチウェルデバイス金型の印刷
注: 各デバイスは、カスタム 3D プリント金型を使用して PDMS から成形されます。1つの金型で必要な数のデバイスを製造できます。ただし、複数のデバイスを同時に準備しようとする場合は、各デバイスを並行して作成するために1つの3Dプリントされた金型が必要です。
3.マルチウェル装置の準備
注:このセクションでは、3Dプリントされた金型を使用してPDMSマルチウェルデバイスを作成する方法について説明します。
4.バクテリアを縞模様にする
注意: ワームがマルチウェルデバイス上にある間に、ワームの食料源として使用されるバクテリアの準備を開始します。最も一般的な細菌は、 大腸菌 株OP50(またはRNAi実験用のHT115株)です。ワームをデバイスに追加する少なくとも 2 日前に、この手順を完了してください。
5.培地ローディング用のマルチウェル装置の準備
注意: デバイスを構成するシリコーンPDMS材料の表面は疎水性であり、少量の井戸と嫌悪堀がそれぞれNGMと硫酸銅で満たされるのを防ぎます。この問題を回避するために、酸素プラズマを使用して、デバイスの表面特性を一時的に親水性に変更し、限られた時間枠(最大~2時間)内に井戸と堀を充填できるようにします。このセクションでは、プラズマ洗浄プロセスを完了するための手順について説明します。プラズマクリーンの長引く効果がスポッティングを妨げる可能性があるため、デバイスウェルにバクテリアを見つける少なくとも1日前に、このステップを完了してください。セクション5〜7のタイミングを考えると、技術者あたりのこれらのステップの実際の制限は、並列に3つのデバイスです。
6. ウェルにlmNGMを充填する
注意: ドライビーズバスインキュベーターをオンにして、ステップ5.1から予熱する必要があります。浴槽が90°Cに達していることを確認してください。
7.堀に硫酸銅を加える
注意: このデバイスの井戸は連続した堀に囲まれています。ここでは、堀は硫酸銅で満たされており、硫酸銅は忌避剤として機能し、ワームが井戸から逃げるのを防ぎます。
8.オートクレーブ水結晶の追加
注意: プレート内の湿度を維持し、lmNGMの乾燥を防ぐために、各デバイスは飽和吸水性ポリアクリルアミド結晶で囲まれています。
9.年齢同期ワーム集団の準備
注:次の手順では、4番目の幼虫期(L4)でマルチウェルデバイスに追加する準備ができているワームの同期された集団が生成されます。ただし、開発のさまざまな段階にあるワームを追加することもできます。この手順は、L4 が必要な場合は、ワームをデバイスに追加する 2 日前に完了する必要があります。希望するライフステージに合わせて同期のタイミングを調整します。
10.細菌培養物への接種
注:細菌は、 C.エレガンス、最も一般的には 大腸菌 株OP50またはHT115の主要な食料源として使用されます。細菌は10倍濃縮されており、これは調製された培養物の量に含まれるべきである。デバイスを見つける前日に細菌培養を準備します。
11.濃縮されたバクテリアで井戸を見つける
注:少量の濃縮細菌が各ウェルに追加され、デバイス上の寿命全体にわたってワームに餌を与えるのに十分です。ワームをウェルに加える前に、細菌培養物を乾燥させる必要があります。各ウェルの培地容量は、添加した細菌量(5 μL)に比べて小さい(14〜15 μL)ため、細菌培地の化学物質含有量はウェルの化学環境に影響を与える可能性があります。これを説明するために、細菌を濃縮して塩水に再懸濁し、低浸透圧ストレスを回避しながら枯渇したLBを除去します。この段階で追加されるlmNGMレシピ(ステップ1.3〜1.4を参照)に塩は追加されません。
12.マルチウェルデバイスへのワームの追加
13.長期使用のためのデバイスの準備の終了
注意: これらの手順により、実験期間中、デバイスのウェルが水和されたままになります。
14. データの収集
注:この研究の目的は、培養方法論を説明することです。一度装着されると、マルチウェルデバイスは、さまざまな表現型の縦方向モニタリングと互換性があります。ここでは、最も一般的なパラメータのいくつかを測定するための基本的なガイダンスが提供されます。
15.デバイスの再利用
注意: 実験が完了した後、マルチウェルデバイスは洗浄して最大3回再利用できます。追加の再利用は、おそらく培地からの化学物質またはPDMS材料の壁に蓄積する細菌によって引き起こされる、ワームの表現型に影響を与え始めます。
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WorMotel培養システムを使用して、寿命、健康寿命、活動など、さまざまなデータを収集できます。発表された研究では、寿命と健康寿命13,14、静止と睡眠22,23,24、および行動25を研究するためにマルチウェルデバイスを利用しています。寿命は、手動で、または画像の収集とダウンストリームの画像分析を通じてスコアリングできます。前者のアプローチでは、1〜3日ごとに刺激(プレートを叩いたり、青色光にさらされたりするなど)に続いてワームを手動で観察し、ペトリプレート1の標準的な方法と同様に、動きが観察されない場合は死んでいるとスコアを付けることができます。後者のアプローチは似ていますが、刺激が適用された後に撮影された画像間のフレーム間の違いを比較...
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WorMotelシステムは、何百もの孤立した C.エレガンスの 個別化されたデータを経時的に収集するための強力なツールです。発生停止、運動行動、および老化のアプリケーションにマルチウェルデバイスを使用した以前の研究に続いて、この作業の目標は、活動、健康、および寿命をより高いスループットの方法で長期間監視するためのマルチウェルデバイスの準備を最適化することでした。この作業は、元のプロトコル13からのステップの多くを最適化し、技術的困難を提示し得る重要なポイントを強調し、プレートおよび他の材料の再利用に関する議論を提供する、マルチウェルデバイスを準備するための詳細なプロトコルを提供する。
スケーリングの目的で、現在、通常の週に10〜20台のデバイスを準備しているラボとして、デバイスを再利用できるかどうか、再利用できる場合はどの程度再利用できるかが最重要でした。PDMS装置の準備は、ペトリプレート上で伝統培養を行うよりも時間と費用の両面で高いコストがかかりますが、これらの高いコストは、PDMSまたはシステムの他のコンポー...
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著者らは、開示すべき利益相反はないと述べています。
この研究は、NIH R35GM133588からG.L.S.、米国医学アカデミー触媒賞、アリゾナ州理事会が管理するアリゾナ州技術研究イニシアチブ基金、およびエリソン医学財団によってサポートされました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 2.5ポンド重量 | CAPバーベル | RP-002.5 | |
| アクリルシート(6インチx 4インチx 3/8インチ) | ファルケンデザイン | ACRYLIC-CL-3-8 / 1224 | 大きなシートを小さいサイズにカット |
| アンピシリンナトリウム塩 | Sigma-Aldrich | A9518 | |
| オートクレーブスクイーズボトル | Nalgene | 2405-0500 | |
| バクト寒天 | BD Difco | 214030 | |
| バクトペプトン | Thermo Scientific | 211677 | |
| Basin, 25 mL | VWR | 89094-664 | 使い捨てピペット洗面器 |
| キャビネット式真空デシケーター | SP Bel-Art | F42400-4001 | 乾燥剤を使用する必要はなく、真空チャンバーとして使用するだけです。 |
| CaCl2 | Acros Organics | 349615000 | |
| Caenorhabditis elegans N2 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | N2 | 野生型 |
| カルベニシリン株 | GoldBio | C-103-25 | |
| 遠心分離機 | Beckman | 360902 | |
| コレステロール | ICN Biomedicals Inc | 101380 | |
| 圧縮酸素タンク | エアガス | UN1072 | |
| CuSO4 | Fisher Chemical | C493-500 | |
| ドライビーズバスインキュベーター | フィッシャーサイエンティフィック | 11-718-2 | |
| 大腸菌OP50 | Caenorhabditis Genetics Center (CGC) | OP50 | C. elegansの標準的な実験室用食品 |
| エタノール | ミリポア | ex0276-4 | |
| フロクスウリジン | 研究製品 国際 | F10705-1.0 | |
| ハイブリダイゼーションオーブン | Techne | 731-0177 | PDMS混合物を硬化させるために使用される、同様のオーブンで十分です |
| インキュベーター | シェルラボ | 2020 | 20度;ワーム株と37°を維持するためのCインキュベーター。バクテリアを育てるCインキュベーター |
| イソプロピル ß-D-1-チオガラクトピラノシド (IPTG) | GoldBio | I2481C100 | |
| K2HPO4 | >Fisher Chemical | P288-500 | |
| KH2PO4 | Fisher Chemical | P286-1 | |
| Kimwipes | KimTech | 34155 | Task |
| wipes LB Broth, Lennox | BD Difco | 240230 | |
| 低融点アガロース | 研究製品国際 | A20070-250.0 | |
| MgSO4 | Fisher Chemical | M-8900 | |
| マイクロ波 | シャープ | R-530DK | |
| マルチチャンネルリピートピペット、20–200 µL LTS EDP3 | レイニン | 17013800 | 使用された正確なモデルはもう販売されておらず、同様のモデルのカタログ番号が提供されています |
| NaCl | Fisher Bioreagents | BP358-1 | |
| Nunc OmniTray | Thermo Scientific | 264728 | Clear polystyrene trays |
| Parafilm M | Fisher Scientific | 13-374-10 | ダブルワイド (4 in) |
| ペトリプレート、100 mM | VWR | 25384-342 | |
| ペトリプレート、60 mM | フィッシャーサイエンティフィック | FB0875713A | |
| プラズマクリーナー | プラズマエッチング株式会社 | PE-50 | |
| PLATINUM真空ポンプ | JBインダストリー | DV-142N | |
| PolyJet 3Dプリンタ | Stratasys | Objet500 Connex3 | PolyJet 3Dプリンティングサービス(メーカー:Vero Rigid;仕上げ:マット;カラー:グロス;解像度:X軸:600dpi、Y軸:600dpi、Z軸:1600dpi) |
| 振とうインキュベーター | Lab-Line | 3526CC | |
| smartSpatula | LevGo, Inc. | 17211 | 使い捨てスパチュラ |
| 高吸水性樹脂 (AgSAP Type S) | M2 Polymer Technologies | Type S | 本文では「水晶」と呼ばれ |
| SYLGARD 184 シリコーンエラストマーベース | The Dow Chemical Company | 2065622 | |
| SYLGARD 184 シリコーンエラストマー硬化剤 | The Dow Chemical Company | 2085925 | |
| シリンジフィルター (0.22 & micro;m) | ネスト・サイエンティフィック・USA社 | ||
| シリンジ、10mL | フィッシャーサイエンティフィック | 14955453 | |
| TWEEN 20 | Thermo Scientific | J20605-AP | 洗剤 |
| 真空ポンプオイル | VWR | 54996-082 | |
| VeroBlackPlus | Stratasys | RGD875 | 硬質 3D プリント フィラメント |
| 計量ボート | Thermo Scientific | WB30304 | PDMS 混合物の量に十分な大きさ |
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