RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
ja
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Abinaya Sundari Thooyamani*1, Elias Shahin*2, Sanako Takano1, Amnon Sharir2, Jimmy K. Hu1,3
1School of Dentistry,University of California Los Angeles, 2The Institute of Biomedical and Oral Research, Faculty of Dental Medicine,Hebrew University of Jerusalem, 3Molecular Biology Institute,University of California Los Angeles
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ex vivo ライブイメージングは、生体組織における細胞の動きや相互作用のダイナミックなプロセスを研究するための強力な技術です。ここでは、培養された成体マウス切歯全体の歯上皮細胞をライブトラッキングするために2光子顕微鏡法を実装するプロトコルを紹介します。
成長を続けるマウス切歯は、成体上皮幹細胞や間葉系幹細胞の調節や歯の再生を研究するための扱いやすいモデル系として注目されています。これらの前駆細胞集団は、組織の恒常性を維持し、失われた細胞を応答的に再生するために、活発に分裂、移動、分化します。しかし、固定された組織切片を用いた従来の解析では、細胞の動きや相互作用のダイナミックなプロセスを捉えることができず、その制御を研究する能力が制限されていました。この論文では、外植片培養システムでマウス切歯全体を維持し、多光子タイムラプス顕微鏡を使用して歯上皮細胞をライブトラックするプロトコルについて説明します。この技術は、歯科研究のための既存のツールボックスに追加され、研究者が生体組織内の細胞の挙動と組織に関する時空間情報を取得することを可能にします。この方法論は、研究者が歯の再生と再生の両方で起こる動的な細胞プロセスを制御するメカニズムをさらに探求するのに役立つと期待しています。
過去20年間で、マウス切歯は成体幹細胞の調節と歯の再生の原理を研究するための非常に貴重なプラットフォームとして浮上してきました1,2。マウス切歯は継続的に成長し、動物の生涯を通じて再生します。これは、上皮幹細胞と間葉系幹細胞の両方を維持することによって行われ、自己複製して歯のさまざまな細胞型に分化することができます1,2。歯の上皮幹細胞はエナメル質マトリックスを分泌する髄芽細胞を生じさせるのに対し、歯の間葉系幹細胞は歯芽細胞、セメント芽細胞、線維芽細胞を生じさせ、それぞれ象牙質、セメント質、歯根膜を形成します3,4,5,6。この新しい細胞の絶え間ない供給は、組織の恒常性を維持し、咀嚼の摩耗や損傷のために失われた古い細胞の交換を可能にします7,8。したがって、歯科幹細胞の維持と分化を調節する細胞および分子メカニズムの解明は、関心が高まっている分野である歯の再生を理解する上で中心的な役割を果たします。
解剖学的には、成体マウス切歯の大部分は顎骨に包まれています。歯の切歯縁が露出している間、切歯の頂端はソケット内に収まり、歯根膜と結合組織を介して周囲の骨にしっかりと取り付けられています(図1A、B)。切歯の頂端は歯の成長領域でもあり、上皮層と間葉系歯髄の両方で歯の幹細胞と前駆細胞を維持しています9,10,11,12,13。具体的には、歯の上皮幹細胞は、頂端芽として知られる上皮の球状端(唇頸管ループとも呼ばれる)に維持されています(図1C)。腸上皮や表皮と同様に、切歯の上皮再生は、主に活発に循環する幹細胞と、頸管ループの内側に存在する移行増幅細胞14、15、16、17と呼ばれるその高度に増殖する中間子孫によって支えられています。しかし、切歯上皮が再生中に静止幹細胞を含み、利用するかどうかは、まだ決定されていない。対照的に、根尖歯髄では活性型と静止期の歯間葉系幹細胞の両方が同定されており、静止幹細胞は損傷修復中に活性化される予備集団として機能する13,18。
マウス切歯の再生と再生の生物学に関する発見の多くは、組織学的調査の結果であり、サンプルは明確な時間的分岐点で採取され、固定され、処理され、特定の平面に沿ってミクロン単位の薄切りに切断されます。系統追跡や遺伝的摂動を可能にするさまざまなマウスモデルの組織学的切片の詳細な分析を通じて、科学者たちは、さまざまな前駆細胞集団の細胞系統、ならびに切歯の恒常性と損傷の修復を制御する遺伝的およびシグナル伝達経路を特定しました19,20,21.しかし、切片内の非生命細胞の静的な2次元(2D)画像では、細胞の形状変化、動き、細胞動態など、生体組織における細胞の挙動や空間的組織の全範囲を捉えることはできません。組織切片では解決できない時間スケールで発生するこれらの急速な細胞変化を検出および測定するには、別の戦略が必要です。さらに、このような情報を取得することは、歯の細胞がどのように相互作用し、さまざまなシグナル刺激に反応し、組織の構造と機能を維持するために自己組織化するかを理解する上でも重要です。
2光子顕微鏡を用いた4次元(4D)深部組織イメージングの出現22は、3つの空間次元と時間分解能を統合した技術であり、培養組織の外植片、オルガノイド、さらには組織をその場で時空間的に検査することを可能にし、組織学的分析の固有の限界を克服しました23,24,25,26 .例えば、発生中の歯上皮の4Dライブイメージングは、組織の成長、シグナル伝達中心の形成、および歯の上皮形態形成を調整する細胞分裂と移動の時空間パターンを明らかにしました27,28,29,30,31,32.成体マウス切歯では、最近、4Dイメージングが、歯の上皮損傷修復中の細胞挙動を研究するために適応されています。ライブイメージングにより、基底層の層中間細胞が基底層の髄芽細胞に直接変換され、損傷した上皮を再生できることが明らかになり、上皮損傷修復の従来のパラダイムに挑戦します15。
ここでは、口唇頸管ループの上皮細胞に着目して、成体マウス切歯の解剖、培養、イメージングについて述べる(図1)。この技術により、歯細胞の活力を12時間以上維持し、蛍光標識された細胞を単一細胞の分解能でライブトラッキングすることができます。このアプローチにより、通常の培養条件下、または遺伝的、物理的、化学的摂動に対する応答における細胞の動きと移動、および細胞の形状と分裂配向の動的な変化を調べることができます。
すべてのマウスは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)またはエルサレムヘブライ大学(HUJI)の病原体のない動物施設で飼育されました。マウスを用いたすべての実験は、それぞれの動物管理委員会(IACUC)によって承認された規制およびプロトコルに従って実施されました(ARC-2019-013;UCLA)または(MD-23-17184-3;HUJI)です。実験ステップの一般的なワークフローを 図2Aに示します。このプロトコルで使用されるすべての機器、試薬、および材料に関連する詳細については、 材料表 を参照してください。
1. 溶液およびゲルの調製
2. 成体マウス下顎骨の摘出
3. マウス切歯全体の単離
注:切歯のさらなる分離は、明視野解剖顕微鏡で行われます。
4.切歯上皮子宮頸部ループを露出させるための歯周組織の除去
5. 外植片培養のための組織包埋
6. 切歯外植片のタイムラプス顕微鏡検査
注:この実験では、開口数1の25倍の水浸対物レンズを備えた正立顕微鏡を使用しました。一般に、深部組織イメージングには、高開口数の水浸レンズが最適です。
成体マウス切歯の頂端領域は下顎骨内に包まれているため(図1)、増殖領域内に存在する前駆細胞を可視化してライブトラッキングするために直接アクセスすることはできません。そこで、顎骨から切歯全体を抽出し、2光子タイムラプス顕微鏡用の外植片培養系で維持する方法を開発しました(図2)。ここでは、歯上皮の唇頸部ループ領域における細胞増殖と移動のダイナミックなプロセスを捉えた代表的な結果について説明します。
実験手順を実証するために、歯の上皮で緑色蛍光を発現する2つの異なるマウスモデルを使用しました。最初のマウスラインはK14Creです。R26rtTAです。ここで、K14Cre(MGI:2680713)は、ケラチン14プロモーター35からCreリコンビナーゼを発現し、R26rtTA対立遺伝子36(MGI:3584524)の上皮における逆テトラサイクリン制御トランスアクチベーターの発現を活性化する。ドキシサイクリンを投与すると、rtTAはtetO-H2B-GFP対立遺伝子37(MGI:3043783)からヒストンH2B-GFP発現を誘導し、上皮細胞核を緑色蛍光で標識します。これは、細胞の追跡や細胞分裂の検出に特に役立ちます。この実験では、H2B-GFP発現を活性化するために、生贄にする前にドキシサイクリン食を24時間動物に与えました。2番目のマウスラインはK14Creです。R26mT/mG、R26mT/mG(MGI:3803814)はCreレポーター38である。Cre活性がない場合、細胞は赤色蛍光を発する膜局在tdTomato(mT)を発現します。Cre媒介組換えにより、細胞は膜GFP(mG)を発現します。K14クレ;したがって、R26mT/mGは上皮細胞膜を緑色蛍光で標識し、非上皮細胞を赤色にします。これにより、細胞の形状、分裂、動きを簡単に視覚化できます。
まず、下顎骨を解剖し(図3A)、切歯の周囲の骨をすべて体系的に切除しました(図3B-G)。これにより、上皮に損傷を受けていない全切歯が得られました(図3H)。K14Creの緑色蛍光を検査することにより、歯上皮の無傷性を確認しました。R26rtTAです。tetO-H2B-GFPおよびK14Cre;R26mT/mGマウス(図4A、B、E、F)。この段階では、不透明な歯周組織がまだ頂端切歯を覆っているため、頸椎ループは光散乱のためにぼやけて見え、同様に下流のタイムラプスイメージングを妨げます(図4C、G)。そのため、歯周組織を慎重に除去し、各切歯で頸椎ループのある歯上皮が識別できるようにしました(図4D、H)。
次に、切歯を低融点アガロースに包埋し、 図2に示すように、2光子ライブイメージング用の灌流セットアップで培養しました。この演習では、歯上皮の頸椎ループ領域に着目し、14時間にわたって5分ごとに4μm間隔でzスタック画像を撮影しました(図5A)。特に、H2B-GFPシグナルは、活発な細胞分裂がある子宮頸部ループの通過増幅領域で主に観察されました(図5B)。これは、開放クロマチンでのH2B-GFP交換が高く、これらの活性細胞でのDNA複製後のヌクレオソームへの取り込みが多いためである可能性が高い39。
その後、ImageJを用いてタイムラプス画像を調べたところ、H2B-GFPシグナル40の分離に基づいて、イメージング期間を通じて多数の細胞分裂を観察することができました(補足ビデオS1および補足ビデオS2)。これは、外植片培養において組織が十分に維持され、細胞が活性であったことを示した。具体的には、有糸分裂細胞の中期プレートでの染色体の凝縮と整列を観察し、その後、後期に2つの娘細胞に分離する様子を観察することができました(図5C-N、ImageJプラグインTrackMateを使用して手動で追跡)。これらの分割の大部分は、基底膜に対して垂直または斜めの角度であった(図5C-Kおよび補足ビデオS1)。基底膜に平行な水平方向の分裂も検出できたが、発生頻度は低い(図5L-Nおよび補足ビデオS2)。歯上皮の細胞質分裂は、5〜10分以内に急速に起こることが多いことを指摘することが重要です。その結果、5分を超えるタイムラプス間隔では、これらの分割の一部を見逃す可能性があります。
細胞分裂イベントはK14Creでも明らかでした。R26mT/mG子宮頸管ループでは、すべての上皮細胞膜が緑色で標識されています(図6A)。有糸分裂細胞は、細胞の丸めと細胞質分裂によって同定でき(補足動画S3)、垂直および水平の両方の細胞分裂が観察可能であり(図6B-G)、H2B-GFPで得られた結果と同様でした。まとめると、これらの結果は、このプロトコルが、異なる細胞内構造を蛍光標識するマウス遺伝子モデルと組み合わせた場合に、切歯外植片の細胞挙動を調査するための強力なツールとして役立つことを示しています。

図1:マウスの顎と切歯の子宮頸管ループの概略図。 (A)切歯のかなりの部分が顎骨に埋め込まれています。成長領域は歯の頂端に位置し、その継続的な成長を支えています(濃い緑色の矢印)。(B)歯周組織に囲まれた頂端切歯の拡大。歯はエナメル質と象牙質で構成されており、それぞれ髄芽細胞と歯芽細胞によって形成される高度に石灰化した構造です。(C)歯の上皮前駆細胞と通過増幅細胞が唇頸部ループに存在し、より遠位上皮に髄芽細胞を生じさせることを示す頂端切歯の矢状切片(濃い緑色の破線矢印)。唇頸椎ループと比較して、舌側頸椎ループはサイズが小さく、通常は髄芽球を形成しません。歯の間葉系幹細胞は歯髄(紫色の領域)に存在し、歯芽細胞を生じさせます。略語:En =エナメル質;De =象牙質;Am =アメロ芽球;Od = 歯芽細胞;TAC = トランジット増幅細胞;laCL =唇頸椎ループ;liCL = 舌側頸椎ループ。 この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図2:ライブイメージングのためのマウス切歯外植片の維持。 (A)切歯の解剖から、ライブイメージング用の低融点アガロースへの組織の包埋まで、プロトコルの主要なステップを示す概略図。イメージング中に栄養素を一定に供給するために灌流セットアップが使用され、培養は37°Cに維持されます。 (B-D) ライブイメージング用の培養皿と灌流チャンバーの設定のステップバイステップのデモンストレーション。メディアの入口と出口は、それぞれピンクと黄色の矢印で示されています。略語: ACBR = Atmospheric Control Barrier Ring。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図3:マウス切歯全体の単離。(A)無傷の顎。(B-H)骨を徐々に取り除き、切歯全体を露出させました。BおよびCの赤い破線は、切歯ソケットの舌側と頬側を覆う膜骨を削り取った後の頂端切歯の露出した軟部組織を示しています(プロトコルのステップ3.3-3.5)。(D-G)青い矢印は、歯全体を分離するために除去された顆、大臼歯、および歯槽骨を表します(プロトコルのステップ3.6)。スケールバー = 2 mm (H)。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図4:ライブイメージングのための歯周組織の除去。(A-H)(A-D)K14Creからの代表的なサンプル。R26rtTAです。tetO-H2B-GFP、および(E-H)K14Cre;R26mT/mGマウスは、プロトコルのデモンストレーションに使用しました。解剖前は、歯上皮におけるGFPの発現が骨を通して見えた(A、E、黄色の矢印)。白い破線は、解剖されていない切歯の輪郭を描いています。E' は舌側を示します。単離された切歯(B、C、F、G)では、GFP蛍光は最初に頂端切歯を覆う歯周組織(白と赤の矢印)によって回折されました。FおよびGの赤色蛍光は、非上皮細胞を標識します。歯周組織を切除することで、緑色の蛍光頸部ループ(D、H、緑色の矢印)をはっきりと遮るもののない視界を得ることができます。スケールバー = 2 mm (A,E);1.25 mm(B、F);および300μm(C、D、G、H)。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

図5:K 14 Creのタイムラプス顕微鏡。 研究26rtTA;tetO-H2B-GFP頸椎ループ。 (A)タイムラプスのセットアップを示す概略図。(B)K14Creの代表的なz平面。R26rtTAです。tetO-H2B-GFP切歯唇頸椎ループは、主に細胞が活発に分裂する移行増幅領域においてH2B-GFPによる核標識を示す。黄色のボックスは、以下に示す拡大画像の一般的な領域を表しています。(C-K)(L-N) タイムラプス画像は、BMに対する垂直および斜めの細胞分裂を示す。 (L-N) タイムラプス画像は、BMに対する水平方向の細胞分裂の例を示しています。 (D,G,J,M) 中期または後期の細胞は、中央のパネルに表示されます。各トラッキングされた分割の回路図を右側に示します。スケールバー in N = 36 μm (B);5 μm(C-N)。略語:BM = 基底膜。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。

Figure 6: K 14 Creのタイムラプス顕微鏡。R26mT/mG頸椎ループ。 (A)K14Creの代表的なz平面。R26mT/mG 切歯唇頸部ループ。すべての上皮細胞は膜GFPを発現します。黄色のボックスは、拡大図で示された細胞追跡の領域を表します。(B-G)BMに対する(B-D)水平細胞分裂と(E-G)垂直細胞分裂の両方を捉えたタイムラプス画像(C,F)中央のパネルは、有糸分裂細胞の丸みを示しています。各トラッキングされた分割の回路図を右側に示します。スケールバー = 35 μm (A);5μm(B-G)。略語:BM = 基底膜。この図の拡大版をご覧になるには、ここをクリックしてください。
補足図S1:自家製灌流ディッシュ。 (A)35mmの培養皿を使用して灌流皿を作ることができます。倒立顕微鏡でイメージングを行う場合は、ガラス底のディッシュを使用できます。(B)釘を炎で加熱します。(C)熱した釘を使って、皿の両側に2つの開口部(白い矢じり)を作ります。(D)2本の鈍い端の16G針を、1本をメディアインレットとして、もう1本をメディアアウトレットとして、エポキシ接着剤を使用して開口部に貼り付けます。ガス灌流が必要な場合は、3番目の開口部/針を皿に追加できます。 このファイルをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ビデオS1: K14Creのライブイメージング。R26rtTAです。tetO-H2B-GFP 切歯唇頸椎ループ、垂直および斜めの細胞分裂を示す。 セルは手動で追跡され、異なる色のドットは異なる母/娘セルのペアを表します。スケールバー = 30 μm (左フレーム);7 μm(右フレーム)。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ビデオS2: K14Creのライブイメージング。R26rtTAです。tetO-H2B-GFP 切歯唇頸椎ループ、水平細胞分裂の一例を示す。 水平方向の分割は 10 秒のマークで行われ、青いドットを使用して手動で追跡されます。スケールバー = 30 μm (左フレーム);7 μm(右フレーム)。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
補足ビデオS3: K14Creのライブイメージング。R26mT/mG 切歯唇頸椎ループ、垂直および水平両方の細胞分裂を示す。 セルは手動で追跡され、異なる色の円は母/娘セルの異なるペアを表します。スケールバー = 30 μm (左フレーム);7 μm(右フレーム)。 このビデオをダウンロードするには、ここをクリックしてください。
著者には開示すべき利益相反はありません。
Ex vivo ライブイメージングは、生体組織における細胞の動きや相互作用のダイナミックなプロセスを研究するための強力な技術です。ここでは、培養された成体マウス切歯全体の歯上皮細胞をライブトラッキングするために2光子顕微鏡法を実装するプロトコルを紹介します。
カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)の先端光学顕微鏡/分光法研究所とカリフォルニアナノシステム研究所(RRID:SCR_022789)のライカマイクロシステムセンターオブエクセレンスが、2光子顕微鏡を提供してくれたことに感謝します。ASは、イスラエル科学財団のISF 604-21の支援を受けました。JHは、NIH/NIDCRのR03DE030205とR01DE030471の支援を受けました。ASとJHは、米国・イスラエル二国間科学財団(BSF)からの助成金2021007の支援も受けています。
| 24ウェル、平底組織培養プレート | オリンパスプラスチック | 25-107 | |
| 25x HC IRAPO motCORR水浸漬対物レンズ | ライカ | 11507704 | |
| アスコルビン酸(ビタミンC) | Acros Organics | 352685000 | |
| D-(+)-グルコースbioxtra | シグマ アルドリッチ | G7528 | |
| デルタ T システム | Bioptechs | 0420-4 | 温度制御、培養皿、灌流セットアップを含む |
| 解剖顕微鏡 - LEICA S9E | Leica | LED300 SLI | |
| DMEM/F12 | Thermo Scientific | 11039047 | フェノールレッドを含まない基礎培地 |
| フェザー手術用ブレード (#15) | フェザー | 72044-15 | |
| ファインフォーセプス | F.S.T | 11252-23 | |
| グルタマックス | Thermo Scientific | 35050-061 | グルタミン代替品 |
| Leica SP8-DIVE (25X HC IRAPO motCORR 水浸対物レンズを装備) | ライカ | n/a | |
| 低融点アガロー | スNuSieve | 50080 | |
| 非必須アミノ酸 (100x) | Thermo Scientific | 11140-050 | |
| ペニシリン–ストレプトマイシン | Thermo Scientific | 15140122 | 10,000 U/mL |
| ペトリ皿 | Gen Clone | 32-107G | 90 mm |
| ラット血清 | バレーバイオメディカル | AS3061SC | ライブイメージング用に処理 |
| されたカミソリ刃#9 | VWR | 55411-050 | |
| ハンドル | FST10003-12 | ||
| さみ | FST37133 | ||
| 鋸歯状鉗子 | FST11000-13 | ||
| スプリングハサミ | FST91500-09 |