このプロトコルは、針の面取りのプロセス中に加圧された空気を針に送達するための空気圧システムの組み立てを説明しています。このプロトコルでは、シャープなマイクロインジェクション針を作成するための面取りプロセスと、針の相対的な開口部のサイズを測定する方法についてさらに説明しています。
方法論記事
このプロトコルは、針の面取りのプロセス中に加圧された空気を針に送達するための空気圧システムの組み立てを説明しています。このプロトコルでは、シャープなマイクロインジェクション針を作成するための面取りプロセスと、針の相対的な開口部のサイズを測定する方法についてさらに説明しています。
マイクロインジェクション針は、ゲノム改変試薬、CRISPRコンポーネント(ガイドRNA、Cas9タンパク質、ドナーテンプレート)、トランスポゾンシステムコンポーネント(プラスミド、トランスポゼースmRNA)を発生中の昆虫胚に送達するための重要なツールです。鋭利なマイクロインジェクション針は、これらの修飾剤の送達中に特に重要です。なぜなら、それらは注入される胚への損傷を最小限に抑えるのに役立ち、それによって、斜めのない針による注射と比較してこれらの胚の生存率を高めるのに役立つからです。さらに、針の面取りは、物体(カバーガラスの側面、注入される胚の表面など)に対して針先をランダムに壊すことによって針先を壊すことによって開かれた針と比較して、針から針までより一貫した針を生成します。マイクロインジェクション針を一定の圧力で針に送り込む湿式面取りのプロセスにより、針を面取りする人は、針が開いているとき(気泡の存在)を知ることができ、針の開口部がどれだけ大きく作られたかを相対的に示すことができます。針の相対的な開口部のサイズは、平衡に達して針の先端から気泡が流れなくなるまで、針に供給される空気圧を調整することによって決定できます。平衡に達する圧力が低いほど、針のサイズは大きくなります。逆に、圧力が高いほど、針のサイズは小さくなります。
昆虫の遺伝子組み換えは、もともとルービンとスプラドリングによってショウジョウバエで開発されたプロセスであり、長年にわたり、このプロセスは他の種で遺伝子組み換えを作成するために変更されてきました1。このプロセスは、発生中の胚2,3,4内の特定の時間と場所で胚にマイクロインジェクションされた修飾成分の正確な送達に依存しています。鋭利なマイクロインジェクション針は、蚊4,5,6,7,8,9やシロバエ10などの一部の昆虫の遺伝子改変の過程における重要なツールであるが、カイコ11などの他の昆虫にとってはそれほど重要ではない。鋭い針は、遺伝子組み換え昆虫を作ろうとするとき、成功と失敗の間の重要な要素であることがよくあります2,4。通常、マイクロキャピラリーガラス針は、ガラスが弾力性を持つポイントまでガラスを加熱することによって引っ張られ、キャピラリーを先細りの閉じた先端針に引き込むことができます。針を使用する前に、注射用の鋭い先端を作成するように針を開く必要があります。従来、針は、針の先端を何か(スライド/カバースリップの端、または胚など)に優しくブラッシングすることで開き、先端から少量のガラスが割れ、ランダムに鋭い先端が作られます2,3。ややランダム性の低いプロセスは、針を光学的に平らで回転する研磨プレートに短時間すばやく下げるドライベベルで、針の先端から少量のガラスが摩耗し、先端が鋭くなります。ドライベベルは、針先を何かにブラッシングするよりも少しランダムではありません。以下に説明するプロトコルは、面取りされる針に圧縮空気を供給し、液体層の下で面取りすることにより、面取りプロセスをさらに一歩進めて、針が開かれるとすぐに気泡が見えるようにします。このプロトコルは、信頼性の高いシャープなマイクロインジェクション針を製造する方法を詳述しています。液体層の下で面取りすることは、上記のようにランダムに針を折るよりも改善されており、ユーザーが面取りプロセスに関するフィードバックを受け取るため、面取りする人は針が開いているときと針の開口部が比較的大きいかを知ることができます。針先の相対的な開口部のサイズを知ることで、面取りする人はさまざまな開口部サイズの針を作成できます。針の開口部のサイズが異なれば、利点も異なります。例えば、針の開口部のサイズが大きいほど、高粘度の注射剤の混合物に対応できますが、開口部の針が小さいほど、注入される胚へのダメージが少なくなります。
空気は、レギュレーターと、改良型空気圧調整注入システム2に基づくウレタンチューブのシステムを使用してニードルに供給されます。空気が一定の圧力で針に供給されている間、針は液体の層の下で面取りされます。面取り加工は、1)針を研磨面まで下げる、2)針を短時間面取りする、3)針を液層の表面下に保持しながら研磨板から離して持ち上げる、4)研磨板の回転を止めて気泡が出ないか確認する、の5段階の工程を繰り返しています。気泡が存在しない場合は、気泡が表示されるまでステップ 1 から 4 が繰り返されます。5)気泡が存在すると、空気圧を調整して、針の相対的な開口部のサイズを決定できます。気泡の形成を止めるために必要な圧力が低ければ低いほど、針先の開口部は大きくなります。
注:以下に説明するプロトコルでは、Sutter BV-10マイクロキャピラリーベベルを使用します。ただし、このプロトコルは、面取りされた任意のモデルマイクロキャピラリーで使用するために変更できます。
1. レギュレーター、圧力計、エア供給チューブの組立
2.ホウケイ酸針の面取り
3.斜めの針の相対的な開口部のサイズを決定する
注意: 面取りされた針の相対的な開口部のサイズを決定するには、手順2.13で行います。以下の手順では、このプロセスについて詳しく説明します。
上記の手順により、一貫して鋭いマイクロインジェクション針が得られます。鋭利な針は、蚊の胚などの柔らかい絨毛膜昆虫の胚に、胚膜からの抵抗がほとんどまたはまったくないのが特徴です。蚊の胚を遺伝子組み換えのためにマイクロインジェクションすると、胚の膜は比較的弾力性があります。鈍い針を胚の膜に押し付けると、胚の膜がへこみます(図4B)。針を引っ張ると、メンブレンは元の形状に戻ります。十分な圧力がかかると、鈍い針は最終的に膜を引き裂き、胚形質が漏れ出す可能性があります。針が鋭いほど、針が胚の膜に押し付けられるときに発生するくぼみは少なくなります(図4E)。膜を引き裂く代わりに、鋭い針が膜をすり抜け、胚にほとんどまたはまったく損傷を与えません。理想的な針を使用すると、針が胚に滑り込むときに胚膜のへこみがほとんどなくなります。
メリーランド大学昆虫変換施設(UM-ITF)は、学界や産業界のクライアント向けに遺伝子組み換え昆虫を作製するサービス施設です。この施設では、蚊の胚のマイクロインジェクションに斜めの針を使用しています。2023年1月から2023年12月までの期間に、UM-ITFは56のクライアントプロジェクトに12,795個のネッタイシマカの胚を注入した(表1)。面取り針の使用により、UM-ITFはプロジェクト全体で注射後の平均ハッチを31%に維持することができました(表2)。さらに、UM-ITFは、プロジェクト後のクライアントへのフォローアップによって決定される96%の注入成功率を維持することができた(表2)。注入の成功は、注入された注入材料(CRISPRガイド、Cas9タンパク質、トランスポゾンベクタープラスミドなど)が、これらの材料が遺伝子改変を作成できる方法でプロジェクトの胚に送達されたかどうか、基本的には、CRISPR Indelの作成、クライアントのトランスポゾンベースのベクターの挿入、または注入品質管理ベクターの挿入(トランスポゾンはプロモータープラスマーカーで終わる)の証拠があったかどうかの尺度です。言い換えれば、注射された成分が適切に機能していた場合、注射は遺伝子組み換えを引き起こすのに十分だったのでしょうか。遺伝子組み換えプロジェクトの成功には多くの要因がありますが、鋭い針を使用した高品質のマイクロインジェクションが成功の鍵となります。上記のプロトコルに記載されている手順を使用して針を面取りすることにより、UM-ITFは一貫して高品質のシャープなマイクロインジェクション針を製造できるため、UM-ITFは一貫して成功した注射を行うことができます。

図1:エアシステムコンポーネントとマイクロキャピラリーへの接続の概略図。 空気は、空気供給(家庭用空気またはエアシリンダー)からウレタンチューブのシステムを介して毛細管に供給されます。ウレタンチューブは、ホースコネクタとホースクランプからなるホース接続部(HC)によりレギュレーター(R)と圧力計に接続されています。ホース接続は、レギュレーター(R)と圧力計のベースにある10-32スレッドメス接続にねじ込まれます。レギュレーター(R)にはTコネクタ(T)が接続されており、圧力計とニードルホルダー(NH)の間に空気をこぼします。ウレタンチューブは、ニードルホルダー(NH)に付属のルアーコネクター(LC)によってニードルホルダーに接続されています。エアサプライへの接続は、使用するエアサプライによって異なります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:マニピュレーターの部品とエアのセットアップ。 マニピュレーター部品:a.粗調整ノブ、b.微調整ノブ、c.キャリパー、d.WPIニードルホルダー、e.角度ゲージ、f.リテーニングクランプと自転車フェンダークリップ、g.ルアーアダプターとルアーホースコネクター、h.ウレタンチューブ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:研磨板の回転に対する針の配置 (A)面取り時の適切な針の配置。面取りする針は、回転に垂直で回転と一直線に向き合った回転研磨板上に配置する必要があります。回転は針の先端から離れます。(B)不適切な針の配置。この方向での研磨板の回転では、研磨板の表面が針先の下や針先を過ぎるのではなく、針先に押し付けられます。この向きでは、面取りがスムーズに行われない場合があります。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:非鋭針と鋭針による針挿入の比較(A-C)非鋭針と(D-F)鋭針。(A)および(D)は、針が胚と接触する前に捕捉されました。(B)と(E)は針が胚膜を貫通する直前の点、(C)と(F)は針が刺さった直後の点です。(B)の白い矢印は、鋭利でない針を突き刺すためにより大きな圧力を加える必要があるため、胚膜がへこんでいることを示しています。(E)の黒い矢印は、針が鋭いため、針のピアスが簡単に行われるため、くぼみがないことを示しています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表1:2023年1月から2023年12月までのUM-ITF Aedesのプロジェクト UM-ITF ネッタイシマカマイクロインジェクションプロジェクトのリストと、各プロジェクトに注入された胚の数、これらの注入された胚から孵化した幼虫の数、および注入された胚ごとに孵化した幼虫の割合。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
表2:UM-ITF Aedesプロジェクトの結果。 UM-ITFは、昆虫の遺伝子改変のためのマイクロインジェクションサービスを提供するサービス施設です。この表は、2023年1月から2023年12月までにITFが注入したAedesプロジェクトの数を示しています。プロジェクトのフォローアップ要求に応答し、その応答がインジェクションプロジェクトの成功または失敗を示したクライアントの数。成功したプロジェクトの数、成功したプロジェクトは、注射材料が発生中の胚にマイクロインジェクションされ、注射が遺伝子改変を生成できるようにしたものであり、遺伝子組み換えがないために成功しなかったと見なされたプロジェクトの数。2023年1月から2023年12月までの期間におけるネッタイシマカのマイクロインジェクションプロジェクトの平均孵化率。プロジェクトの成功率とクライアントの応答率。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
蚊の遺伝子組み換えは、胚盤葉前胚3,4,5,6,7,8への改変材料(プラスミド、ガイドRNA、またはタンパク質)の精密なマイクロインジェクションに依存している。このプロセスに重要なのは、注入中に胚を容易に突き刺す鋭い針です2,4。鋭利な針は、膜をすり抜けて修飾材料を送達し、マイクロインジェクション後の注入部位で胚形質が漏れることなく胚から引き抜くことができます(個人的な観察)。
マイクロインジェクションの針は、最初に引っ張られたときに閉じられており、注射前に開く必要があります2。従来、マイクロインジェクション用の針は、胚を保持するカバースリップまたはスライドガラスの縁、胚自体、または何らかの他の材料に対して針を優しくブラッシングすることによって開かれてきた2。ただし、針を物体に当てて開くと、一貫性のない結果が得られます(個人的な観察)。針が鋭くなるほど折れることもあれば、針が非常に鈍くなり、前述のように、注入されている胚が損傷し、それらが修正されなくなるか、最悪の場合、胚が死滅する可能性があります。あるいは、針を胚に挿入することによって針を開くこともできます。このプロセスにより、針が壊れて注射の準備が整います。ただし、ランダムな結果も生成され、非常に鋭い針が作成されることがありますが、多くの場合、注射に使用する前に針を胚材料で詰まらせます。針の面取りには余分な時間と労力がかかりますが、このプロセスではより一貫して鋭い針が生成されます。
蚊の遺伝子組み換えもまた、発生中の胚が細胞化する前に胚をマイクロインジェクションする必要がある時間依存性のプロセスである4,5,6,7,8。針を何かにぶつけたり、胚に針を挿入したりして針を開くとき、胚がすでに注入用に設定され、成長が続いているときに、開いて鋭い針を見つけるのにかかる時間がかかります。最良の場合、針を開いて鋭い針を作るのに1〜2分しかかかりませんが、他の場合には、その注射ラウンドのために設定された卵子が古いほど長い時間がかかる場合があります。面取りの利点は、事前に行われ、胚が注射用に設定されるとすぐに針を使用できるため、胚が注射に最適な発生段階にあることが確認できることです。
上記のプロトコルはSutter BV-10ベベラー用に開発され、使用されていますが、プロトコルは任意のベベラーで使用するために変更できます。主な要因は、面取り面取り面が針が面取りされる液体の少量を保持できなければならないということです。
マイクロインジェクション針を面取りし、空気源が針の裏側に圧縮空気を供給することには、2つの利点があります。まず、空気圧は一貫した針を生成するのに役立ちます。同じ供給空気圧で面取りプロセスが開始されると、一貫して鋭い針が生成され、気泡が最初に現れると面取りが停止します。気泡の初期形成を観察するためには、研磨板の回転が初期気泡形成を覆い隠さないように、研磨板を瞬間的に停止させることが重要です。気泡の証拠が研磨板が動いているときにのみ見える場合は、針の開口部が大きすぎる可能性があります。供給される空気の圧力が面取りが開始されるたびに同じであること、気泡が逃げ始めるとすぐに面取りが停止されること(プレートが動いていないときに視覚化される)、およびプレートが動いているときに気泡が見えないことが重要である第2の利点は、針が開かれると、 開口部のサイズは、針先から気泡が逃げなくなるまで供給された空気の圧力を下げることによって相対的に測定できます。気泡が先端から流れなくなる圧力に注意することで、相対的な開口部のサイズを推測できます。気泡が流れなくなる圧力が低いほど、針先の開口部が大きくなり、圧力が高いほど先端の開口部のサイズが小さくなります。相対的な開口部のサイズを知ることは、より粘性があり、したがって注入針を詰まらせる可能性が高い注入混合物を使用する場合に役立ちます。この相対的な開口サイズの測定を使用すると、より粘度の高い注入混合物を提供できるニードルを作成できます。もちろん、開口部のサイズが大きい針を使用する場合、いくつかのトレードオフがあります。具体的には、注入された胚は注入後に漏れる可能性が高く、注入された胚の生存率が低くなる可能性がある。
著者は何も開示していません。
筆者は、以下の方々に感謝いたします。メリーランド大学昆虫変身施設のスタッフ:Channa Aluvihare、Robert Alford、Daniel Gay。彼らの献身的な仕事がなければ、昆虫変身施設は存在しなかったでしょう。この原稿を校正してくれたヴァネッサ・メルデナー・ハレル。
| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1.0 mm O.D. マイクロキャピラリー | ワールド精密機器 | ||
| ベベラー 台座オイル | サッター機器 | 008 | |
| 自転車 フェンダー クリップ | VeloOrange | Rクリップ 4パック | https://velo-orange.com/products/vo-r-clip-4-pack |
| ブームスタンド 顕微鏡 | AmScope | AMScope 3.5X-90X 三眼 LED ブームスタンド ステレオ顕微鏡または | |
| 同等品 BV-10 ベベラー | サッターインスツルメント | BV-10 | |
| ダイヤモンド砥粒板 | Sutter Instruments | 104F | Diamond Abrasive Plate - extra fine (0.2 µ to 1.0 µ tip sizes) |
| ガスケット, Buna-N | Clippard Instrument Laboratory, Inc. | 11761-2-pkg | T または L コネクタの接続をシールするために使用されます。これらの部品にまだ含まれていない場合は |
| Hose Clamp | Clippard Instrument Laboratory, Inc. | 5000-2-pkg | |
| ホースコネクタ | Clippard Instrument Laboratory, Inc. | CT4-pkg | 5ホースコネクタが必要 |
| マイクロインジェクション ニードルホルダー | ワールドプレシジョンインスツルメンツ | MPH3-10 | 外径1mmのマイクロキャピラリー用ニードルホルダー |
| P-2000 | サッターインスツルメンツ | 任意のニードルプーラー | |
| Photo-Flo 200 Solution | B&H 写真、ビデオ、オーディオ | BH #KOPF200P MFR#1464510 | 湿潤剤 |
| 圧力計 | Clippard Instrument Laboratory, Inc. | PG-100 | 0-100 psi ゲージ |
| 基準芯 | サッター計器 | X050300 | |
| 基準芯ホルダー | サッター計器 | M100019 | |
| レギュレータ | Clippard Instrument Laboratory, Inc. | 01-Mar | 接続に #10-32 ポートが必要 |
| ゴム パッキン シート 6 inx 6 | |||
| 15002-2-pkg | |||
| ねじ付きバー | ねじ付きロッドまたはねじ付き端部付きバーのいずれか。スレッドは 10 から 32 である必要があります。 | ||
| ウレタンチューブ | Clippard Instrument Laboratory, Inc. | URH1-0804-BLT-050 |
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