タイムラプスイメージングを用いて、 ヒドラ 球体の再生過程を完全に追跡できます。このプロトコルでは 、ヒドラ 球体の生成方法を説明し、さまざまな取り付け戦略を論じ、回転ディスク共焦点顕微鏡および光シート蛍光顕微鏡を用いた長期ライブイメージングの実施方法を詳述します。
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タイムラプスイメージングを用いて、 ヒドラ 球体の再生過程を完全に追跡できます。このプロトコルでは 、ヒドラ 球体の生成方法を説明し、さまざまな取り付け戦略を論じ、回転ディスク共焦点顕微鏡および光シート蛍光顕微鏡を用いた長期ライブイメージングの実施方法を詳述します。
ハイドラは その卓越した再生能力で知られています。驚くべきことに、 ヒドラ 組織の小さな再生断片である ヒドラ 球体は 、新たに組織化する組織体を形成することができます。確立されると、この組織は周囲の組織を適切な口腔構造へと誘導します。数日以内に球状体は小さく、しかし完全に模様のあるポリプに発達します。このプロセスの比較的短い時間スケールにより、プロセス全体の連続したタイムラプス撮影が可能となり、再生の時空間的ダイナミクスを研究するユニークな機会を提供します。ここでは、再生中の ヒドラ 球体のタイムラプスデータセットを生成するための詳細なワークフローと代表的な結果を示します。プロトコルには球状体生成の詳細な手順と、画像診断に最適なサンプル選択のガイドラインが含まれています。本研究では、生体サンプルの長期イメージングに適したマウント戦略について論じ、回転円盤コフォーカス顕微鏡とライトシート顕微鏡の両方を用いたイメージング手法を実演します。ここで述べた原理は、長期イメージングを用いて動的な形態形成過程を研究できる他のモデルシステムにも広く適用可能です。
ヒドラは小さな淡水性ポリプで、その卓越した再生能力で最もよく知られています。体の中央から切り取られた組織断片は折りたたまれ、ヒドラの二つの上皮層である外胚葉と内胚葉からなる中空の球状体になります。再生中、これらのヒドラ球体は新たなオーガナイザーを形成します。約3日以内に体の軸が伸び、頭と足の末端の細胞が分化します。この比較的短い時間枠のおかげで、再生プロセス全体をライブイメージングで記録できます。タイムラプスデータセットは、ヒドラ球体が再生2期に経験する特徴的な膨張と縮縮のサイクルを明らかにするのに重要な役割を果たしています。これらの浸透圧駆動の機械的振動によって生じる組織の伸縮は、オーガナイザー3の局在化に寄与します。
長期のライブイメージングを成功させるには、動きのアーティファクトを避けるために迅速な画像取得が必要であり、同時に試料の光損傷を防ぐために光の照射を最小限に抑える必要があります。従来の単点走査共焦点顕微鏡はこれらの要件を満たしていません。しかし、高度な技術も開発されています。本プロトコルでは、スピニングディスク共焦点顕微鏡(SDCM)とライトシート蛍光顕微鏡(LSFM)という2つの広く人気のあるモダリティに焦点を当てます。SDCMはピンホール4の配列を備えた高速回転ディスクを利用します。この設計により、共焦点性を保ちつつ、試料内の複数の点を同時に励起・検出することが可能です。この並列取得によりイメージングが大幅に加速し、動くサンプルの動きを使わずにキャプチャすることが可能になります。さらに、露光時間の短縮は光毒性を大幅に低減します。それでも、画像深さが限られているため、大きな構造物のライブイメージングは困難です。
LSFMの名前は、この平面5内でのみ蛍光色体を励起させるために使われる薄い光のシートに由来しています。ピンホールが検出される放射光を制限して軸方向の分解能を生み出すのに対し、ライトシート顕微鏡は励起体積を制限することで軸方向の分解能を確立します。検出用物は直交に配置され、蛍光を光シートに対して90°の角度で集めます。これにより、カメラは照明面全体から蛍光信号を一度の露光で収集でき、獲得速度が向上し、光毒性を最小限に抑えられます。1つまたは2つの水平に配置された検出目標物を中心に構成される一般的なLSFMジオメトリは、同じ試料を複数の角度から画像化できるという追加の利点があります。顕微鏡に2つの検出対象物を装備していれば、試料を同時に2面からイメージングできます6。あるいは、サンプルを回転させて複数の角度から見ることもできます。
生きたヒドラの研究に用いられる画像技術は近年大きく進歩し、再生に関連する形態変化をニューロン活動動態7,8,9,10まで観察できるようになりました。ここでは、既に発表されたプロトコル6,11を拡張し、再生中のヒドラ球体のライブイメージングにおける多様なアプローチの実証に焦点を当てます。小さな組織断片からヒドラ球体を生成する方法を説明し、適切に折りたたまれたサンプルを特定するためのガイドラインを提供します。ライブイメージングでよく使われる3つの取り付け方法について、ステップバイステップの説明をまとめています。逆立顕微鏡でのイメージング(SDCMの一般的な形状)では、球体は通常アガロースウェルに取り付けられます。これにより、彼らは視野内に留まりながら自由に動き回ることができます。フルオロエチレンプロピレン(FEP)は、屈折率(1.34)が水(1.33)に近いため、取り付けに一般的に使用されます。FEPホイルは特定の実験ニーズに合わせてカスタムイメージングチャンバーに熱成形可能です。同様に、アガロースに球体をガラス毛細血管内に埋め込むことはLSFMの標準的なアプローチです。この技術は毛細管あたりのサンプル数を制限しますが、マルチビュー検出に必要な回転を容易にします。最後に、SDCMとLSFMの両方を用いたライブイメージングの実施方法を示し、実験目的に応じて適切な技術を選択する際の重要な考慮点について議論します。このプロトコルはHydra向けに最適化されていますが、その基礎原理は、長期イメージングで動的な形態形成過程を研究する他のモデルシステムにも広く適用可能です。
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記載されたすべての手順は、スイスの動物研究に関する国家規則の倫理ガイドラインに従って実施されました。実験を始める前に、ハイドラは週3回、少なくとも2週間は正常に与えるべきです。実験に使われるヒドラは健康であるべきで、性器官もなく芽も出ない。最近芽が出たヒドラも避けるべきで、群れ内の他のヒドラに比べて体長が短いため識別されます。
1. ヒドラ 球体の調製(図1)

図1: ヒドラ 球体調製。 (A) ヒドラ 球体の生成を示す回路図。球体は、軸の形成、伸長、分化を駆動するWnt3+オーガナイザーを再確立することで対称性を破ります。(B)最初の切断は、B2とB3の境界である中央部で行われ、(A)に示されています。(C)各半分は腫れた部分のすぐ下で再度切断されます。(D) 生成された組織リングは切り開き、リングの大きさに応じて2〜4個の組織片に分割されます。スケールバー:250μm。 この図の拡大版はこちらをクリックしてください。
| メディア | 作曲 | 保管温度 | ||
| 解離媒体(DM) | 3.6 mM KCl、6 mM CaCl2、1.2 mM MgSO4、6 mM クエン酸ナトリウム、6 mM ピルビン酸ナトリウム、4 mM グルコース、12.5 mM TES(pH 6.9) | 4°C | ||
| ハイドラ ・ミディアム(HM) | 1 mM CaCl2、0.2 mM NaHCO3、0.02 mM KCl、0.02 mM MgCl2、0.2 mM トリスHCl(pH 7.4) | 室温 | ||
表1:メディアの構成と保管。

図2:展開および折りたたまれた球体の概要。 (A-D) 展開された球体は、最も折りたたまれないものからほぼ完全に折りたたまれたものまで配置されています。折りたたみのない球体は、外胚葉が内胚葉を覆っていない領域(青い矢じりで示される)で識別されます。(E) 小さすぎる球体の例。(F-G)最適サイズ(250〜350μm)の折りたたみ球体。(H) 大きすぎる球体の例。画像は、EchoのRevolveハイブリッド顕微鏡(RVL2-K)を用いて4ウェルガラス底イメージングプレートで取得され、逆モードで4.0倍対物レンズと透過光カメラ(カラー)を用いました。スケールバー:250μm。 この図の拡大版はこちらをクリックしてください。
2. マウント戦略
注:顕微鏡のレイアウトと実験設計の組み合わせによって、実験に最適な取り付け戦略が決まります。ここでは、さまざまな用途に用いられる取り付け技術について説明します。

図3:ライブイメージングのための ヒドラ 球体の取り付け。 (A) (中央の2つの部屋)と(外部の部屋)を持つアガロース井戸。(B) FEPウェルに搭載された球体。(C) アガロースに埋め込まれ、ガラス毛細管内に埋め込まれた球体。画像診断では、アガロース柱がガラス毛細血管からわずかに押し出されます。したがって、球体はアガロース柱(緑色の矢じり)の下部近くに配置しつつ、十分に分離して配置すべきです。底部から遠すぎる球状体(赤い矢じり)は効果的に画像化できません。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。

図4:記載されたマウント戦略に適したイメージングセットアップの回路図。 (A) アガロースウェルにマウントされ、逆回転円盤共焦点顕微鏡で画像化された球体。(B) FEPチャンバーに搭載され、多孔イメージングに適したライトシート蛍光顕微鏡でイメージングされた球体6.明確化のために、2つ目の検出目標は検出目標1の反対側に配置されており、表示されていません。(C) アガロースに埋め込まれ、ガラスキャピラリーに取り付けられた球体で、(B)とは異なる構成の顕微鏡を用いた光シート蛍光顕微鏡。 この図の拡大版はこちらをクリックしてご覧ください。
3. 回転ディスク共焦点顕微鏡法
4. ライトシート蛍光顕微鏡法
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回転円盤共焦点顕微鏡(SDCM)と光シート蛍光顕微鏡(LSFM)の両方を用いて 、ヒドラ 球体の再生のための長期タイムラプスデータセットを成功裏に生成しました。再生は両方の画像設定で正常に起こり、球体は対称性を破り、伸長し、触手と足を3日以内に発達させました(図5A、 図6A、 補足映像1、補足映像2)。長時間の画像撮影の後、再生した動物は動きが鈍くなり、焦点が合わず、視野から完全に外れて動くようになりました(図5A)。
蛍光マーカーを用いて、 ヒドラ の再生に不可欠な動的な細胞プロセスを可視化しました。例えば、 ヒドラ 球体はアクチン線維を急速に再編成します。アクチン組織の多くは遺伝しますが、組織の両端...
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SDCMとLSFMはどちらも再生中のヒドラ球体の長期タイムラプスデータセットを生成するのに適しています。各技術の光学原理は異なり、それぞれ独自の利点と制約があります(表2)。サンプルの完全かつ高解像度の表示が不要な場合、SDCMが好まれます。複数のサンプルを1つの実験で画像化できるため、薬物治療など様々な条件の試験に特に有用です。さらに、SDCMデータセットは処理・解析が容易であり、この手法がより高速でアクセスしやすいものです。しかし、包括的な空間的概要が不可欠な場合、LSFMが好まれるアプローチです。また、LSFMは高光感度の試料のイメージングにも有利です。SDCMは単点走査共焦点顕微鏡に比べて光毒性を大幅に低減しますが、試料全体を繰り返し照射します。LSFMは薄い光学面のみを励起し、光の露光と光損傷を最小限に抑えます13,14。しかし、LSFMは学習曲線が急です。マルチビューレジストレーションや融合...
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著者たちは利益相反がないと宣言しています。
FMI先端イメージング・顕微鏡施設のローレ・プランタールさんの貴重なご意見に感謝申し上げます。この研究はノバルティス研究財団の支援を受けました。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 20×/0.8 Plan-Apochromat objective | Zeiss | 440640-9903-000 | スピンディスク共焦点顕微鏡用 |
| 20x/1.0 W Plan-Apochromat water dipping objective | Zeiss | 421452-9700-000 | Zeiss Lightsheet 7の検出レンズとして使用 |
| 3DプリントされたFEPチャンバー用ホルダー | カスタムメイド | ||
| 4ウェルガラス底イメージングプレート(#1.5H) | Ibidi | 80427 | |
| アガロース | Carl Roth | 3810.4 | |
| FEPチャンバー用アルミニウムモールド | カスタムメイド | ||
| 塩化カルシウム | Sigma-Aldrich | C4901 | |
| 缶入りエア | Durable | POWERCLEAN STANDARD 400 | |
| 細胞培養プレート(6cm) | Thermo Fisher Scientific | 150288 | |
| D-(+)-グルコース | Sigma-Aldrich | G8769 | |
| FEPフォイル(127μm厚) | Adtech Polymer Engineering | ||
| FluoSpheres カルボキシレート改質(0.2μm、ダークレッド) | Thermo Fisher Scientific | F8807 | |
| ガラスキャピラリー | Brand | 701904 | |
| ガラス製パスツールピペット(150mm) | VWR | 612-1701 | |
| Hydra vulgaris | |||
| イメージングソフトウェア | Visitron | VisiView | スピンディスク共焦点顕微鏡用 |
| 倒立光学顕微鏡 | Zeiss | Axio observer 7 | スピンディスク共焦点顕微鏡用 |
| ライトシート顕微鏡 | Leica | Viventis Deep LS2 | |
| ライトシート顕微鏡 | Zeiss | Lightsheet 7 | |
| 低融点アガロース | Thermo Fisher Scientific | R0801 | |
| 塩化マグネシウム | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| 硫酸マグネシウム | Sigma-Aldrich | M2643 | |
| マイクロスカルペル | pfm medical | 200300745 | |
| ピペットバルブ | |||
| ピストンロッドトランスファーペット | Brand | 701932 | |
| 塩化カリウム | Sigma-Aldrich | P9333 | |
| 安全バーンナー | INTEGRA Biosciences | FIREBOY plus | |
| sCMOSカメラ | Photometrics | Prime 95B | スピンディスク共焦点顕微鏡用 |
| 重炭酸ナトリウム | Fluka Analytical, Sigma-Aldrich | 71630 | |
| クエン酸ナトリウム二水和物 | Sigma-Aldrich | W302600 | |
| ピルビン酸ナトリウム | Sigma-Aldrich | P2256 | |
| スピンディスク共焦点スキャンユニット(50μmのピンホール) | Yokogawa | CSU-W1 | スピンディスク共焦点顕微鏡用 |
| ステレオスコープ | Leica | M80 | |
| TES | Sigma-Aldrich | T1375 | |
| 熱成形機 | Yuyao Jintai Machine Factory | Jintai JT-18 | |
| 組織培養皿(10cm) | VWR | 734-2321 | |
| Tris-HClバッファー | Roche Diagnostics | 10812846001 |
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