ニワトリ胚のex ovo 培養

Chick <em>ex ovo</em> Culture
JoVE Science Education
Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick
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JoVE Science Education Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick
Chick ex ovo Culture

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06:48 min
April 30, 2023

Overview

モデル生物としてのニワトリ(Gallus gallus domesticus)の強みは、胚が母鶏の体外で発生するため、容易に実験操作を加えることが可能なことです。多くのテクニックにより殻の中(in ovo)のニワトリ胚の研究が可能となりますが、発生後期の胚へのアクセスは難しくなります。しかし、ニワトリ胚はex ovoつまり殻の外でも培養可能なのです。ex ovo培養法の大きな利点は、殻や卵内の胚の配置に邪魔されることなく組織にアクセスできることです。特に発生後期の胚を利用したいときに役に立ちます。

ex ovo培養法には、全卵黄培養と外植体培養の2通りのやり方があります。全卵黄培養は、殻を壊し卵の内容物を容器に移して培養する方法です。一方、外植体培養は、卵黄から胚を切り出し、膜の張力を保つためにマウントして培養します。膜の張力を維持することが正常に発生させるための鍵となります。

このビデオでは、全卵黄培養と外植体培養の基本プロトコルや培養のノウハウを解説しています。さらに、ex ovo培養法の実験へのアプリケーション例や後期発生胚の顕微鏡法や遺伝子操作への応用方法を紹介しています。

Procedure

ニワトリは、ほとんどの発生が母鶏の体外で進むため、発生メカニズムの研究に広く用いられるモデル生物です。そうとはいっても、ある実験系では卵の殻が胚へのアクセスの妨げとなります。しかし幸いにもある実験用具を使えばニワトリは殻の外つまり”ex ovo”でも培養が可能なのです。このビデオでは、ex ovo培養の基本原理、2種類のメソッドの各工程、このテクニックを利用した発生研究のアプリケーション例を紹介していきます。

まずは、ex ovo培養の基本テクニックを学んでいきましょう。

ニワトリ胚は、卵黄膜と密接に関わりながら発生していきます。卵の中には卵黄の他にもアルブミンつまり卵白があり、胚を保護しタンパク質の供給源となっています。卵の中身全てを容器に移して行う全卵黄培養により殻の外での培養が可能となります。あるいは、胚組織を切り出し外植体培養を行うこともできます。このどちらの手法も殻に穴を開けるウィンドウ法を用いることに比べ明白な利点を持ち合わせています。

発生後期の胚は、膜に血管が張り巡らされているためウィンドウ法を用いることが困難になります。そのためこの時期には、ex ovo培養法が好まれます。

また、そのままイメージング台にセットできるため、ex ovo培養は高分解能イメージングに適しています。さらに、殻を取り除いた胚は、顕微鏡手術やマイクロインジェクション法のような多くの実験操作にも有用です。

通常ニワトリ胚は殻に保護され、殻から必須ミネラルを受け取りながら成長するため、殻の外での培養は特別なケアが求められます。例えば、無菌かつ湿度のある環境での培養やアルブミン又は培養液による栄養補給が必須となります。培養が長期に及ぶ場合にはカルシウム源として砕いた卵の殻も必要です。また、正常な胚発生には、胚を支えるための膜の張力がとても重要となるため、正常な膜形態を維持して培養することがex ovo培養成功の鍵となります。

基本を学んだところで、実際に培養方法を見ていきましょう。全卵黄培養を行うには、目的の発生ステージ直前まで37.5℃でインキュベートすることから始めます。

その間に培養設備を整えておきましょう。通常ペトリ皿、秤量皿、ハンモックを使用し卵の内容物を保持します。最初にUVライト又はエタノールで全ての道具を滅菌しておきます。そして、培養中の湿度を維持するために滅菌水を満たした容器を準備します。

卵の準備が整ったら、数分間卵を水平に置き、胚が上側に来るようにします。その後、卵の底部分にヒビを入れ、内容物を容器に移します。そして最後に湿度を保つために容器にカバーをしてからインキュベーターに戻し、目的の発生段階に達したら実験を開始します。

次のex ovo培養法は、外植体培養です。殻から胚を取り出した後、さらに数ステップが加わります。

この方法では、発生胚がくっついた卵黄膜を卵黄から優しく剥がす操作が必要になります。そしてその膜をマウントし、膜の張力を維持します。そのためには、ガラスリング上にピント張らせるか、単にフィルターペーパーにくっつけても大丈夫です。

マウント後は培養液を加え、それらを容器にセットし、容器を水で満たします。外植した胚はインキュベーターに戻し、さらに24時間まで培養可能です。

ここまでex ovo培養の原理を学んできました。ここからはアプリケーション例を見ていきます。

発生の進んだ胚の遺伝子発現を変化させたいときに ex ovo培養が活躍します。その方法のひとつが、電流を利用して遺伝子を導入するエレクトロポレーション法です。ex ovo培養された胚はイメージングに大変適しているため、胚全体を蛍光イメージングすることで遺伝物質の取り込みを効率的に実施できます。

細胞ダイナミクスのリアルタイムイメージング解析にもex ovo培養が利用されます。ヒトがん細胞はニワトリ胚の漿尿膜又はCAMの血管に定着し腫瘍を形成します。

腫瘍が形成された後に蛍光粒子を直接血流に注入し、リアルタイムでの追跡が可能です。腫瘍組織内に蓄積した蛍光粒子が血管形成又は血管新生の指標となります。

外植テクニックを用いることで全胚培養を行えますが、実験によっては培養前に胚組織を切り出した方が良い例があります。例えば、発生中の神経組織の場合、切り取ってカバーガラス上で成長させることができます。その後神経堤と呼ばれる特殊な細胞集団が組織から離れて移動していく様子が観察できます。実験用薬剤を処置後にタイムラプスイメージングを行い細胞移動の制御因子を特定できます。

ここまで、ex ovo培養についてご覧いただきました。このビデオでは、ex ovo培養法の原理、全卵黄培養と 外植体培養の基本メソッド、そして今日の研究への応用例を紹介しました。ご覧いただきありがとうございました。

Transcript

The chick is a versatile model organism for the study of developmental pathways because most of its development takes place outside of the mother. Nonetheless, the eggshell prevents access to the embryo for some forms of experimentation. Fortunately, chicks can be incubated outside of the shell, or “ex ovo,” using some commonly available lab supplies. In this video, you will learn about the principles of ex ovo culture, step-by-step procedures for two different culture methods, and applications of the technique in developmental studies.

Before talking about how to raise chicks ex ovo, let’s go over some principles of the technique. Within the egg, the chick develops in close association with the vitelline membrane surrounding the yolk. The remaining volume is filled with albumin, or egg white, which protects the embryo and serves as a source of protein.

Culture outside of the shell can be performed via whole yolk culture, using all of the egg contents in a simple container. Alternatively, embryonic tissues can be excised and grown in ex ovo explant culture. Both of these techniques have distinct advantages over the use of windowed eggs.

First, windowing later stage chicken embryos is complicated due the presence of many crucial blood vessels, which develop within the membranes that surround the chick. This makes the ex ovo method preferable for working with chicks at later stages.

Second, because they can fit within imaging rigs, ex ovo culture setups are more amenable to high-resolution imaging.

Furthermore, removing embryos from the shell exposes a greater number of tissues for experimental manipulations like microsurgery and microinjection.

Since the chick relies upon the eggshell for protection and essential minerals, embryo survival without this structure requires some extra care. For instance, housing must be designed to maintain a sterile, humid environment, and nutrients must be provided in the form of albumin or culture medium. For long-term culture, crushed shell is also required as a calcium source. Furthermore, since tension on the membranes supporting the embryo is important for normal development, successful ex ovo culture additionally depends upon housing that maintains normal membrane morphology.

Now that you know the basics, it’s time to chicken out! To prepare eggs for whole yolk ex ovo culture, begin by incubating them at 37.5 °C until just before the desired stage.

While you’re waiting, prepare the housing. Petri dishes, weigh boats, and hammocks are commonly used to hold the egg contents. First, sterilize all components by treatment with UV light or ethanol.

Additionally, prepare an outer chamber filled with sterile water to maintain humidity during incubation.

When the eggs are ready, set them in a horizontal position for a few minutes so the embryo rises to the top. Then crack the bottom of the shell and carefully transfer the egg contents into the housing. Finally, cover the housing vessel to maintain humidity, and place the setup into an incubator until the desired age is reached for downstream processing.

An alternative ex ovo strategy, explant culture, requires a few additional steps after removing the embryo from the shell.

In this technique, the vitelline membrane is gently separated from the yolk, carrying the developing embryo with it.

Then, the membrane is mounted in order to maintain tension, which can be done by pulling the tissue tight around a glass ring or by simple adherence to filter paper.

After mounting, culture medium is added to cover the tissue, and the embryo is placed in a humidified chamber.

The explanted embryos can now be returned to an incubator for up to 24 hours of further development.

After learning the principles and methods of ex ovo culture, we’re ready for some fowl play.

ex ovo culture is particularly useful when you need to alter gene expression in older embryos. One approach to this is electroporation, in which an electric current is used to permeabilize cell membranes for the delivery of genetic material. Since the ex ovo cultured embryos are also highly accessible for imaging, the uptake of genetic material can easily be validated through fluorescent imaging of whole embryos.

Real-time imaging of cell dynamics is also possible using ex ovo culture. Human cancer cells can form tumors by co-opting blood vessels of the chick chorioallantoic membrane, or CAM. After tumor formation, fluorescent particles can be injected directly into to the bloodstream and tracked in real time. Accumulation of particles in tumor tissue can be used as an indicator of angiogenesis, or the formation of new blood vessels.

Although whole embryos can be cultured using explant techniques, some experiments require that embryonic tissues be dissected prior to culture. For example, developing neural tissue can be excised and grown on glass cover slips. After a period of incubation, a specific population of cells known as the neural crest can be observed migrating away from the tissue. Treatment with experimental agents and timelapse imaging can then be used to test factors controlling cell migration.

You’ve just watched JoVE’s guide to chick ex ovo culture. This video covered the principles of ex ovo culture, the basics of whole-yolk and explant methods, and some of the ways these techniques are used in labs today. Thanks for watching!