Explantaten maken het mogelijk om grootschalige vormveranderingen in 3D te kwantificeren. Om dit te illustreren, hebben we miet vier (N = 3) geëxplanteerd uit vroege zebravisembryo's verkregen uit een kruising tussen Utr::mCherry (Tg(actb2:mCherry-Hsa.UTRN); e119Tg) en H2B::GFP (Tg(h2az2a:h2az2a-GFP); kca6Tg) heterozygote lijnen. Utrofine is een actinebindend eiwit en de Utr::mCherry-lijn toont de verdeling van filamenteuze actinestructuren. Dit transgen werd hier gebruikt als marker voor celcontouren. H2B::GFP is een fluorescerend gelabeld histon en markeert bijgevolg de verdeling van het chromatine, waardoor een effectieve beschrijving van de nucleaire locatie en vorm wordt gegeven, evenals mitotische figuren die de celdeling benadrukken.
We beoordeelden het succes van het explantatieprotocol tijdens de beeldvorming. We hebben waargenomen dat in een somiet die tijdens dissectie is beschadigd, ofwel de integriteit van het somietweefsel wordt aangetast, waarbij veel cellen dissociëren en extruderen uit de geëxplanteerde somiet, en/of veel cellen afsterven, wat kan worden opgemerkt door de aanwezigheid van gefragmenteerde kernen in het nucleaire kanaal. Succesvolle explantaten bleven 4-6 uur gezond, waarna veranderingen in de integriteit van somiet werden waargenomen met cellen die dissocieerden van de explantatie en afstierven.
In het utrofinekanaal hebben we handmatige segmentatie van explantaten uitgevoerd in MATLAB (R2018b) op z-plakjes met een tussenruimte van elke 10 μm. We hebben in MATLAB een op maat gemaakt algoritme ontwikkeld voor segmentatie, dat gratis kan worden gedownload (https://github.com/sundar07/SomSeg). In het algoritme kunnen het bestand, het frame en de z-slice die moeten worden gesegmenteerd, worden ingesteld, gevolgd door een gebruikersprompt, waarmee handmatig een overzicht rond het interessegebied kan worden getekend. Dit werd herhaald voor meerdere z-slices en uitgezet, wat een afronding van explantaten in de tijd in 3D liet zien (Figuur 3A). Daarnaast werd ook aanvullende informatie over de weefselvorm verkregen met behulp van het nucleaire kanaal. Hiervoor gebruikten we Mastodon (versie 1.0.0-beta-19, https://github.com/mastodon-sc/mastodon), een FIJI15-plug-in , om kerncentroïdposities te verkrijgen door middel van spotdetectie. We hebben eerst de tif-bestanden van de microscoop geconverteerd naar xml/hdf5-formaat in FIJI, waarna een nieuw project werd geopend met behulp van de Mastodon-plug-in. In de plug-in kozen we voor de optie voor spotdetectie, waarbij we een interessegebied definieerden dat de explant bedekte en het verschil van een Gauss-detector met een diameter van 5 μm en een kwaliteitsfactor van 25 gebruikten voor het detecteren van vlekken. Vervolgens brachten we de posities van het kerncentrum over naar MATLAB en gebruikten we een ingebouwde functie (convhull) om een convexe romp te verkrijgen (Figuur 3B), die de geometrie van de explantatie kenmerkte. Dit toonde op dezelfde manier afronding van explantaten in de tijd (Figuur 3B). De kerngegevens maken het bovendien mogelijk om celbewegingen te kwantificeren door tracking in 3D en een verandering in celaantal in de loop van de tijd. Aan de andere kant maakt het utrofinekanaal kwantificering mogelijk van veranderingen in celvormen naarmate explantaten ronder worden. Samen zijn deze parameters waardevol voor het karakteriseren van intrinsieke materiaaleigenschappen van somieten, wat helpt bij het ontwikkelen van effectieve fysische beschrijvingen van vormveranderingen op weefselschaal.
Explantaten maken het ook mogelijk om contactspanningen met naburige weefsels op een kwantitatieve manier te karakteriseren. Om dit te illustreren, hebben we handmatig twee somieten geïsoleerd en dicht bij elkaar geplaatst en hun dynamiek geobserveerd (N = 2). Voor dit experiment werd de oriëntatie van de somieten ten opzichte van de in vivo lichaamsassen niet gevolgd. Interessant is dat in de loop van de tijd de geëxplanteerde somieten zich aan elkaar hechtten langs één oppervlak, terwijl de vrije oppervlakken, d.w.z. gebieden weg van de contactplaats, naar boven werden afgerond (Figuur 4). Dit suggereert dat de kleefkrachten de spanningen overwinnen die worden veroorzaakt door oppervlaktespanning op contactplaatsen in explantaten. Dit kan verder worden gekarakteriseerd door vormveranderingen te volgen zoals hierboven beschreven en door contacthoeken tussen de twee weefsels in de loop van de tijd in 3D te kwantificeren. De explantaten bieden dus een aantrekkelijk systeem voor het kwantificeren van concurrerende krachten in actie die leiden tot specifieke weefselvormen, waarvan de implicaties vervolgens in vivo kunnen worden onderzocht.

Figuur 1: Bereiding van enkelvoudige somiete explantaten. Het zebravisembryo (A) wordt eerst gedechorioneerd (B), gevolgd door verwijdering van huid en dooier (C). Het somiet-bevattende gebied van het embryo wordt vervolgens geselecteerd door de rest van de weefsels (D, E) te verwijderen. Gebieden rond de somiet van belang worden vervolgens serieel verwijderd (F-H) om uiteindelijk een enkele somiet (I) te isoleren, gevolgd door time-lapse-beeldvorming met behulp van een light-sheet microscoop (middelste z-sectie van somiet hier getoond) (J). Afkortingen: S = somiet; N = notochord; LPM = mesoderm van de laterale plaat; A = anterieur; P = posterieur. Stippellijnen geven de snijposities aan. Schaalbalk = 50 μm in alle panelen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 2: Assemblage van de beeldkamer met lichte vellen. (A-D) Een FEP-membraanstrip (afmetingen in (B)) wordt om de membraanhouder gewikkeld, op de beeldkamer gemonteerd en het membraan wordt op de beeldkamer gelijmd. (E-F) De volgende dag wordt de membraanhouder verwijderd en wordt een beeldvormende mal (afmetingen in (E)) in het midden van de beeldkamer geplaatst in laagsmeltende agarose. Het hele apparaat wordt gedurende 30 minuten op 4 °C gehouden, waarna de mal wordt verwijderd en de kamer met de trog wordt gebruikt voor beeldvorming van explantaten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 3: 3D-analyse van weefselvormen. (A) Celcontouren werden gevisualiseerd met fluorescerend gelabeld utrofine (Utr::mCherry) en kernen werden gevisualiseerd met fluorescerend gelabeld histon (H2B::GFP). De contouren van de explantatie werden handmatig gesegmenteerd op meerdere dieptes met behulp van MATLAB en hier getoond. (B) Kernen (rood) werden gedetecteerd in dezelfde explantatie met behulp van Mastodon, een FIJI-plug-in, en onderworpen aan een convexe romp (cyaan), die informatie geeft over de geometrie van de explantatie. Opmerking Het naar boven afronden van explantaten is duidelijk in beide analyses. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 4: Geëxplanteerde somieten hechten zich aan elkaar. Twee somieten geïsoleerd uit embryo's en handmatig dicht bij elkaar geplaatst, hebben de neiging zich na verloop van tijd te hechten (N = 2). Meerdere z-plakjes met een frame-interval van 2 minuten werden verkregen met behulp van een light-sheet microscoop en middelste secties van somieten van geselecteerde tijdstippen worden hier getoond. Celcontouren werden gevisualiseerd met fluorescerend gelabeld Utrophin (Utr::mCherry). Schaalbalk = 25 μm. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.