Opisano obrazowanie rozwoju naczyń mózgowych u larw danio pręgowanego. Dostępne są również techniki ułatwiające obrazowanie 3D i modyfikujące rozwój naczyń mózgowych za pomocą zabiegów chemicznych.
Artykuł metodologiczny
Opisano obrazowanie rozwoju naczyń mózgowych u larw danio pręgowanego. Dostępne są również techniki ułatwiające obrazowanie 3D i modyfikujące rozwój naczyń mózgowych za pomocą zabiegów chemicznych.
Danio pręgowany to potężne narzędzie do badania biologii rozwojowej i patologii in vivo. Niewielki rozmiar i względna przezroczystość zarodków danio pręgowanego sprawiają, że są one szczególnie przydatne do wizualnego badania procesów, takich jak rozwój serca i naczyń krwionośnych. W kilku ostatnich badaniach transgeniczny danio pręgowany, który wykazuje ekspresję EGFP w komórkach śródbłonka naczyń krwionośnych, wykorzystano do obrazowania i analizy złożonych sieci naczyniowych w mózgu i siatkówce za pomocą mikroskopii konfokalnej. Opisy służą do przygotowania, leczenia i obrazowania zarodków danio pręgowanego, które wykazują ekspresję wzmocnionego białka zielonej fluorescencji (EGFP), a następnie wygenerowania kompleksowych renderingów 3D układu naczyniowo-mózgowego. Protokoły obejmują leczenie zarodków, obrazowanie konfokalne i protokoły fiksacji, które zachowują fluorescencję EGFP. Ponadto podano przydatne wskazówki dotyczące uzyskiwania wysokiej jakości obrazów struktur naczyniowo-mózgowych, takich jak usuwanie oka bez uszkadzania pobliskiej tkanki nerwowej. Omówiono potencjalne pułapki związane z obrazowaniem konfokalnym, a także kroki niezbędne do generowania rekonstrukcji 3D ze stosów obrazów konfokalnych przy użyciu ogólnodostępnego oprogramowania open source.
Danio pręgowany dostarcza potężnego systemu do badania biologii rozwojowej, a względna przejrzystość ich zarodków jest podatna na badania oparte na obrazowaniu1. Danio pręgowany jest obecnie od dziesięcioleci wykorzystywany jako model rozwoju kręgowców. Teleosty, w tym danio pręgowany, mają uproszczony układ naczyniowy kręgowców, który nie ma rozsądnego homologu u bezkręgowców. Krew jest pompowana z przedniej komory dwukomorowego serca przez skrzela, gdzie jest natleniona. Krew ze skrzeli zbiega się w aorcie grzbietowej i przechodzi przez tętnice, które rozgałęziają się na coraz mniejsze naczynia, docierając ostatecznie do naczyń włosowatych w tkankach narządów. W naczyniach włosowatych uwalniany jest tlen i pochłaniany jest dwutlenek węgla. Po żylnej stronie naczyń włosowatych krew przepływa do coraz większych żył i ostatecznie jest wciągana do tylnej komory serca, gdzie cykl się powtarza.
Dorosły danio pręgowany może złożyć 200 lub więcej jaj na raz, a po zapłodnieniu szybko się rozwijają2. W ciągu jednego dnia oś ciała jest dobrze rozwinięta, w tym mięśnie, które kurczą się i poruszają zarodkiem wewnątrz błony kosmówkowej. Od 2 do 7 dni po zapłodnieniu (dpf) rozwija się większość układów organizmu, w tym oczy i ośrodkowy układ nerwowy, który może koordynować pływanie w kierunku pożywienia lub z dala od jasnego światła. Do 7 zarodków dpf jest wystarczająco małych, aby umożliwić wizualizację za pomocą mikroskopii. Linie transgeniczne, które wyrażają białka fluorescencyjne, można obrazować za pomocą mikroskopii konfokalnej lub fluorescencyjnej. Obrazowanie konfokalne można połączyć z oprogramowaniem typu open source3 w celu tworzenia renderingów 3D kompletnych struktur naczyniowych w zarodkach danio pręgowanego, które zapewniają perspektywę biologii systemowej rozwoju naczyniowego. Badania dotyczące zmian w złożoności naczyń krwionośnych i naczyń mózgowych skorzystają z tego protokołu, ponieważ pozwala on na analizę sieci naczyniowych na poziomie systemowym4,5. Przedstawiono kompilację metod i zasobów, aby umożliwić łatwe przyjęcie tych technik w badaniach, które wymagają obrazowania struktur naczyniowych u embrionalnego danio pręgowanego. Efektywność kosztowa danio pręgowanego jako modelu zwierzęcego łączy się z nowymi technologiami obrazowania, aby zapewnić nowe platformy do oceny angiogennego wpływu szlaków molekularnych na rozwój kręgowców i homeostazę.
1. Hodowla danio pręgowanego, tworzenie zarodków i leczenie
2. Konfokalne obrazowanie struktur naczyniowo-mózgowych w utrwalonych zarodkach danio pręgowanego
3. 3D Rekonstrukcja embrionalnej naczyniowości mózgowej danio pręgowanego
Rekonstrukcja 3D struktur naczyniowych zapewnia kompleksową i interesującą wizualnie perspektywę rozwoju danio prążkowanego. Ryciny 1 i 2 przedstawiają metody w sposób, w jaki są one zazwyczaj wykonywane. Rycina 3 pokazuje kilka kątów struktur naczyniowych w embrionie danio prążkowanego w 6 dpf, który wykazuje ekspresję EGFP w komórkach śródbłonka. Przy jednolitym zielonym lub białym kolorze trudniej jest ocenić intensywność sygnału; pseudokolorowanie przypisuje intensywność obrazu na podstawie tabeli przeglądowej i pozwala na lepsze postrzeganie głębi, gdy struktury na siebie nachodzą. Przykład pseudokolorowanego obrazu 3D naczyń w 6 dpf danio prążkowanego przedstawiono na Rycynie 4. Obrazowanie fluorescencyjne żywych embrionów może być wykorzystane do badania charakterystyk fizjologicznych, obejmujących ruch oka i ciała oraz aktywność serca. Ryciny 3 i 4 pokazują reprezentatywne wyniki uzyskane tymi metodami z użyciem opisanej transgenicznej linii danio prążkowanego. Rozdzielczość obrazowania zależy od charakterystyki mikroskopu, jednak jasność sygnału EGFP jest wystarczająca do uzyskania dobrej jakości obrazu w większości systemów komercyjnych. Rekonstrukcja i renderowanie reprezentacji 3D są powtarzalne, a opcje dostępne w tym oprogramowaniu open-source zapewniają konsekwentnie dobre wyniki.

Rysunek 1. Usunięcie oka. A) Utrwalony zarodek w 3 dpf z igłą wolframową umieszczoną obok oka. Z tej pozycji nacinana jest tkanka wokół oka. B) Oko wypada, a znajdujące się pod nim mięśnie gałkowe i nerw wzrokowy zostają przecięte. Pusty oczodół zaznaczono przerywanym okręgiem. C) Ten sam zarodek zostaje odwrócony i zamontowany w metylocelulozie, tak aby nienaruszone oko było skierowane do góry. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku.

Rysunek 2. Krok po kroku rekonstrukcja 3D stosu obrazów konfokalnych. A) Otwarcie pliku (4104.1.ids) załadowanego w programie Fiji za pomocą Plugins>LOCI>Bioformat w celu wyboru. B) Po zlokalizowaniu przekroju z obszarem zainteresowania wybrano regulację progu, jak pokazano. C) Próg został ustawiony na 214 za pomocą górnego suwaka, a następnie wybrano opcję apply. D) Wywołano widok 3D, jak pokazano. E) Przedstawiono rekonstrukcję 3D danio przebrzuchłego z nienaruszonym okiem w celu orientacji. F) Obraz został powiększony i obrócony. G) Utworzono film z obrotem o 360 stopni, jak pokazano. Aby zobaczyć powiększoną wersję tego rysunku, kliknij tutaj.

Rycina 3. Perspektywy z rekonstrukcji 3D. A) Widok przyśrodkowy zarodka w 6 dpf obrazowany obiektywem 10x; otwór gębowy znajduje się po prawej stronie, wewnątrz nie widać skrzeli. B) Widok boczny tego samego zarodka, zwróć uwagę, że płetwa tworzy pętlę w środku. C) Ten sam zarodek obrazowany obiektywem 20x, widok przyśrodkowy, zwróć uwagę na rozdzielczość skrzeli. D) Widok boczny obrazowania obiektywem 20x. Płetwa znajduje się na prawej krawędzi panelu. E) Widok przednio-przyśrodkowy obrazowania obiektywem 20x, zwróć uwagę na skrzela wewnątrz otworu gębowego. F) Brzuch tego samego zarodka obrazowany obiektywem 20x, głowa skierowana w prawo. Zwróć uwagę na układ naczyniowy na worku żółtkowym w dolnym prawym rogu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4. Różnice w intensywności w embrionie w 6 dpf. Obraz rekonstrukcji w 6 dpf z wykorzystaniem pseudokolorowej tabeli wyszukiwania (LUT) dla intensywności sygnału. W celu orientacji zaznaczono jamę ustną, mózg, skrzela i worek żółtkowy. Aby wyświetlić większą wersję tej ryciny, kliknij tutaj.

Rysunek 5. Film zrekonstruowanego układu naczyniowego u 4 dpf zebrafish. Ryba została zobrazowana w rozdzielczości 2.5 μm. Obrazy przedstawiają jedną połowę zarodka. Porównaj struktury naczyniowe ze strukturami u zebrafish poddanego działaniu GSI, przedstawionymi na Rysunku 6. Zwróć uwagę na niższą gęstość naczyń krwionośnych w głowie oraz większe skrzela. (Patrz plik uzupełniający „Zfish_spin.avi” w sekcji Pobieranie)

Rysunek 6. Film 3D układu naczyniowego w embrionie traktowanym GSI w 4. dniu po zapłodnieniu (dpf). Obrazowanie ryby wykonano w odstępach 2,5 μm od strony bocznej do linii środkowej. Porównaj struktury naczyniowe z rybą kontrolną w 4. dniu po zapłodnieniu przedstawioną na Rysunku 5. Wygięty grzbiet i mniejszy rozmiar są typowe dla embrionów traktowanych tym związkiem chemicznym. (Patrz plik uzupełniający „GSI-treated_4dpf_fish.avi” w sekcji Downloads)
Opisane tutaj metody stanowią podstawę do wizualnych badań układu naczyniowego w rozwoju danio pręgowanego. Żywe próbki można wykorzystać do oceny parametrów fizjologicznych, takich jak tętno i objętość udaru serca, podczas gdy próbki utrwalone można wykorzystać do obrazowania konfokalnego o wysokiej rozdzielczości. Drosophila i C. elegans pozwalają na obrazowanie całego ciała, ale danio pręgowany są kręgowcami i stanowią użyteczny model dla tkanek kręgowców, w tym układu naczyniowego wyściełanego komórkami śródbłonka. Badania te mogą obejmować znaczące linie transgeniczne i zasoby genomiczne pochodzące ze społeczności badawczej danio pręgowanego. Rekonstrukcja 3D i renderowanie obrazów konfokalnych z embrionalnego danio pręgowanego, jak opisano tutaj, pozwala na podejście biologii systemowej do rozgałęzień naczyń krwionośnych i gęstości naczyń krwionośnych, co nie jest możliwe w przypadku większych modeli zwierzęcych, takich jak szczury i myszy. Ponadto, jako owodniowce, danio pręgowany rozwija się w modyfikowalnym środowisku (bufor E3), w którym można łatwo dodać substancje chemiczne, które hamują określone enzymy lub inne procesy wpływające na rozwój naczyń krwionośnych. Stężenie i czas dostarczania substancji chemicznej mogą być zmieniane, co umożliwia badaczowi precyzyjne dostrojenie warunków leczenia.
1. Modyfikacje i rozwiązywanie problemów
Modyfikacje tego systemu mogą obejmować transgeniczne linie danio pręgowanego, które wyrażają EGFP lub inne białka fluorescencyjne w różnych wzorcach specyficznych dla tkanek, narządów lub regionów10. Ponadto niedawno opublikowano analizę zmian neowaskularnych w siatkówce danio pręgowanego5. Problemy z pigmentacją u starszych zarodków i dorosłych danio pręgowanego można skompensować poprzez krzyżowanie z liniami transgenicznymi, które nie wytwarzają pigmentów łuskowatych ani pigmentu siatkówki. Problemy ze zmniejszoną fluorescencją zwykle wynikają z niewłaściwych warunków utrwalania. Optymalna jest paraformaldehyd (4%) przez 1 dzień, ale silniejsze utrwalacze, takie jak aldehyd glutarowy, tetratlenek osmu lub alkohol, mogą niszczyć fluorescencję EGFP. Po utrwaleniu zarodki powinny być przechowywane w PBS w temperaturze 4 °C i zawsze chronione przed bezpośrednim działaniem promieni słonecznych.
2. Ograniczenia tej techniki
Jakość i rozdzielczość renderingów 3D wykonanych za pomocą tego protokołu zależy od jakości generowanych obrazów. Przenikanie światła przez te zarodki jest ograniczone do płaszczyzny środkowej strzałkowej przy użyciu standardowego mikroskopu konfokalnego. Ten aspekt obrazowania ogranicza głębokość obrazowania u starszych zarodków i dorosłych, ale bardziej zaawansowane systemy mikroskopii wielofotonowej pozwalają na obrazowanie na większych głębokościach.
3. Znaczenie w odniesieniu do istniejących metod
Protokół ten zapewnia podejście do analizy sieci naczyń krwionośnych na poziomie systemów, które mogą obejmować całe zwierzę. Wcześniejsze reprezentacje takich danych często opierały się na seriach obrazów ułożonych razem, ale renderowanie 3D zapewnia lepszą rozdzielczość zaangażowanych relacji przestrzennych.
4. Przyszłe zastosowania
Nowe osiągnięcia w obrazowaniu i przetwarzaniu tkanek zapewnią wiele nowych zastosowań dla tych metod, które mogą obejmować uczynienie starszych zarodków lub dorosłych przezroczystymi11-14. Zwiększona przezroczystość znacznie zwiększy penetrację tkanek przez lasery konfokalne i wielofotonowe. Co więcej, wraz ze wzrostem prędkości kamer i fotopowielaczy, wkrótce może być możliwe tworzenie renderingów 3D ryb w czasie rzeczywistym, zapewniając4-ty wymiar analizy.
5. Kroki krytyczne
Krytycznym krokiem w tym protokole jest przygotowanie do obrazowania, które obejmuje prawidłowe utrwalenie. Obrazowanie powinno być wykonane tak szybko, jak to możliwe po utrwaleniu, za pomocą wysokiej jakości obiektywów, które mają najlepsze dostępne otwory numeryczne. Rozdzielczość zależy od zastosowanego systemu obrazowania, więc systemy wysokiej jakości są na ogół lepsze. Generowanie renderingów 3D wymaga dużej ilości pamięci w przypadku nowszych, wysokiej klasy komputerów z dużą ilością pamięci i dobrymi procesorami graficznymi.
Opisany tutaj system biologii wizualnej został zoptymalizowany dla transgenicznych danio pręgowanego, które wyrażają EGFP w komórkach śródbłonka naczyń krwionośnych, chociaż metody te można dostosować do transgenicznych zarodków, które wyrażają GFP lub inne białka fluorescencyjne w populacjach neuronów, mięśni, gruczołów lub dowolnej liczby innych komórek. Główną zaletą pracy z tym systemem jest możliwość badania, co dzieje się w całym zarodku w dowolnym momencie tego okresu rozwojowego, u zwierząt stałych i/lub żywych.
Nie ma nic do ujawnienia.
Autorzy dziękują byłym i obecnym członkom naszych laboratoriów, którzy pomogli rozwinąć te techniki. Częściowe finansowanie udzielone DE w ramach grantu z Kalifornijskiego Instytutu Medycyny Regeneracyjnej/CIRM (RN1-00538).
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| N – Fenylotiomocznik | Alfa Aesar, katalog #41972 | 0.2 M w buforze E3, przechowywany na 4 ° Bufor C | |
| E3 | Sigma | 5 mM NaCl, 0,17 mM KCl, 0,33 mM CaCl2, 0,33 mM MgSO4 | |
| Mikroskop konfokalny | Nikon | D-EclipseC1 na Nikon TE-2000U | |
| Naczynia ze szklanym dnem | Mat-Tek | ||
| GSI IX/DAPT | N-[N-(3,5-Difluorofenacetyl-L-alanyl)]-S-fenyloglicyno-butylowy ester EMD Biosciences | ||
| 24-dołkowe | Becton-Dickinson, kat# 351147 | Pipety transferowe BD Falcon | |
| VWR, kat. #414004-001 | Jednorazowe pipety transferowe VWR | ||
| Metyloceluloza | Alfa Aesar, kat#43146 | 3% w buforze E3 | |
| NRD 4/6 Pokarm dla ryb | Krewetki solankowe Krewetki solankowe suszone | ||
| Krewetki solankowe Bezpośrednie | żywe | ||
| druty wolframowe | Małe części # TW-016-60 | 0,016" OD | |
| Tricaine | VWR # 101107-950 | Metanosulfonian trikainy 250 mg/L w buforze E3 |