Ten artykuł opisuje metodę generowania embrionów chimerycznych, które są przeznaczone do testowania specyficznego dla gatunku wkładu grzebienia nerwowego i/lub innych tkanek w rozwój twarzoczaszki.
Artykuł metodologiczny
Ten artykuł opisuje metodę generowania embrionów chimerycznych, które są przeznaczone do testowania specyficznego dla gatunku wkładu grzebienia nerwowego i/lub innych tkanek w rozwój twarzoczaszki.
Generowanie chimerycznych embrionów to szeroko rozpowszechnione i skuteczne podejście do badania losów komórek, interakcji tkankowych i specyficznego dla gatunku wkładu w rozwój histologiczny i morfologiczny zarodków kręgowców. W szczególności wykorzystanie zarodków chimerycznych ustaliło znaczenie grzebienia nerwowego w kierowaniu specyficzną dla gatunku morfologią kompleksu twarzoczaszki. Opisana tu metoda wykorzystuje dwa gatunki ptaków, kaczkę i przepiórkę, o niezwykle różnej morfologii twarzoczaszki. Metoda ta znacznie ułatwia badanie molekularnej i komórkowej regulacji specyficznego dla gatunku wzorca w kompleksie twarzoczaszki. Eksperymenty na chimerycznych zarodkach przepiórek i kaczek ujawniły już interakcje tkankowe za pośrednictwem grzebienia nerwowego i autonomiczne zachowania komórkowe, które regulują specyficzny dla gatunku wzór w szkielecie twarzoczaszki, mięśniach i powłokach. Ogromna różnorodność pochodnych grzebieni nerwowych sugeruje znaczny potencjał przyszłych zastosowań systemu chimerycznego przepiórka-kaczka do zrozumienia rozwoju, chorób i ewolucji kręgowców.
Szkielet twarzy rozwija się w wyniku wzrostu i fuzji wielu procesów twarzy, które składają się z grzebienia nerwowego i mezenchymii mezenchymów otoczonych warstwami nabłonka ektodermalnym i endodermalnym1-11. Zdarzenia morfogenetyczne w każdym procesie są regulowane przez odrębne interakcje sygnalizacyjne między mezenchymą a otaczającym nabłonkiem12-16. Zmiany w tych oddziaływaniach sygnalizacyjnych i/lub ich efektorach przyczyniają się do fenotypów choroby i mogą być również istotne dla ewolucji szkieletu twarzoczaszki 17,18. W związku z tym wyjaśnienie czasu i charakteru interakcji tkankowych ma ogromny potencjał, aby poszerzyć naszą wiedzę na temat biologii rozwojowej i ewolucyjnej twarzoczaszki.
Wykorzystanie chimerycznych embrionów do badania interakcji tkankowych ma długą historię w biologii rozwojowej. Podejście to zostało zapoczątkowane przez Hansa Spemanna i jego laboratorium, którzy odkryli embrionalne "organizatory" poprzez przeszczepianie tkanek między zarodkami różnych gatunków. Spemann był mistrzem technik mikrochirurgicznych, którego umiejętności manualne zostały uzupełnione przez opracowanie specjalistycznych narzędzi, w szczególności pipety Spemann. Viktor Hamburger był doktorantem w laboratorium Hansa Spemanna we Freiburgu w latach dwudziestych XX wieku, kiedy to przeprowadzono pierwsze eksperymenty transplantacyjne, które doprowadziły do Nagrody Nobla dla Spemanna. Kiedy Hamburger przeniósł się na Uniwersytet Waszyngtoński w St. Louis w 1935 roku, szczegółowo opisał proces tworzenia mikropipety Spemann w swoim Podręczniku embriologii eksperymentalnej19. Drew Noden był doktorantem w laboratorium Hamburgera na Uniwersytecie Waszyngtońskim do 1972 roku. Po przeniesieniu się na University of Massachusetts w Amherst, a następnie na Cornell University, Noden kontynuował produkcję i używanie mikropipet Spemann do swoich przeszczepów chirurgicznych z udziałem chimerów przepiórek i piskląt. Podczas studiów magisterskich jeden z autorów (Rich Schneider) szkolił się z Drew Nodenem na Uniwersytecie Cornella w latach 1995-1998. Poniższy protokół tworzenia mikropipety Spemann opiera się na opisach napisanych przez Hamburgera i Nodena i zawiera późniejsze modyfikacje dokonane przez Schneidera.
Wykorzystanie chimer piskląt przepiórczych do badania rozwoju twarzoczaszki, a zwłaszcza do zrozumienia wkładu komórek grzebienia nerwowego, zostało zapoczątkowane przez Nodena i Le Douarina na początku lat siedemdziesiątych, recenzowane w Le Douarin et al20. Podejście to zostało szeroko przyjęte w wielu badaniach i przez wielu innych badaczy 1,4,5,21-38. Równoważne tempo wzrostu i morfologii przepiórek i piskląt sprawia, że przeszczepy w ich obrębie są idealne do badania losu komórek i śledzenia linii. Jednak ze względu na podobieństwa między przepiórką a pisklęciem, zmiany morfologiczne wywołane przez komórki dawcy są trudne do rozszyfrowania. W przeciwieństwie do tego, inne systemy chimeryczne ptaków obejmowały kaczkę domową jako sposób badania mechanizmów, które sprawiają, że zarodki różnią się anatomicznie39-50. Mówiąc dokładniej, system chimeryczny przepiórka-kaczka oferuje wiele korzyści w rozpoznawaniu wpływu dawcy na gospodarza i odwrotnie. Po pierwsze, zarodki przepiórek i kaczek różnią się wielkością i kształtem ciała, co zapewnia bezpośredni sposób na zbadanie specyficznych dla dawcy lub gospodarza mechanizmów tworzenia wzorców poprzez oznaczanie różnych domen ekspresji genów (ryc. 1 A i B). Po drugie, zarodki przepiórek i kaczek mają znacznie różne tempo dojrzewania, przy czym przepiórki wykluwają się w ciągu 17 dni, a kaczki w ciągu 28 dni. Przeszczepiony grzebień nerwowy zachowuje swoje wewnętrzne tempo dojrzewania w środowisku gospodarza, a zatem możliwa jest identyfikacja czasowych zmian w ekspresji genów, interakcjach tkankowych, histogenezie i morfogenezie51-57. Wreszcie, przeciwciało jądrowe przeciw przepiórkom (Q¢PN) pozwala na trwałe odróżnienie od siebie wkładów komórkowych dawcy i gospodarza poprzez rozpoznanie białka, które jest wszechobecne w komórkach przepiórczych, ale nieobecne w komórkach kaczki.
1. Przygotuj igły wolframowe
2. Przygotuj pipety Spemann
3. Sterylizuj i inkubuj jaja
4. Jaja okienne
5. Wizualizacja zarodków i przygotowanie do operacji
6. Oddziel tkankę dawcy od zarodka dawcy
7. Oddziel tkankę gospodarza i przeszczep tkankę dawcy
8. Kolekcja Chimer
Przed dalszą analizą, skuteczność przeszczepu musi zostać oceniona. W przypadku analiz histologicznych, morfologicznych lub ekspresji genów na próbkach tkanek komórki przepiórcze powinny być wykrywane za pomocą immunohistochemii przy użyciu przeciwciała Q¢PN, jak opisano36. W przypadku analiz RNA specyficzny dla danego gatunku wkład w tkanki będące przedmiotem zainteresowania można obliczyć przy użyciu strategii opartej na PCR58. Po potwierdzeniu skuteczności przeszczepu można ocenić dalsze morfologiczne lub molekularne pomiary wyników w chimerach. Interakcje między komórkami grzebienia nerwowego dawcy a otaczającymi tkankami pochodzącymi od gospodarza, które leżą u podstaw prawidłowej histogenezy i morfogenezy kompleksu twarzoczaszki, były wcześniej szeroko badane. W szczególności mezenchyma grzebienia nerwowego kieruje specyficzną dla gatunku morfologią twarzy 7,13,51,59, wzoru piór 52, wzoru mięśni56 i chrząstki53,57 poprzez regulację ekspresji genów gospodarza. Na przykład mezenchyma grzebienia nerwowego decyduje, kiedy kość tworzy się w żuchwie, regulując czasowo ekspresję Bmp4 55.
Ostatnio, badania koncentrowały się na interakcjach tkankowych zachodzących bardzo wcześnie w rozwoju twarzoczaszki. W związku z tym eksperymenty z wykorzystaniem chimer kaczek przepiórczych wykazały, że zarodki gospodarza wpływają na migrację grzebieni nerwowych poprzez określanie granic morfologicznych. Oznacza to, że w chimerycznych zarodkach quck komórki grzebienia nerwowego przepiórki dawcy migrują do łuku żuchwowego kaczki gospodarza w sposób podobny do kaczki (ryc. 1D). Pomimo tego wkładu gospodarza w wielkość populacji grzebienia nerwowego, grzebień nerwowy dawcy nadal generuje szkielet żuchwy, który jest podobny do przepiórki pod względem wielkości i kształtu (ryc. 1E).

Rysunek 1. System chimeryczny przepiórka-kaczka. (A) czaszki przepiórek i (B) kaczek wykazują znaczne różnice w wielkości i kształcie, a stąd idealnie nadają się do użycia systemu chimerycznego do badania rozwoju twarzoczaszki (zmodyfikowanego z Tokia et al.Rozdział 56). (C) Eksperymentalny projekt generowania jednostronnych chimerycznych zarodków quck z dopasowanych do stadium zarodków przepiórek i kaczek HH9.5. Fałd nerwowy jest usuwany z jednej strony zarodków przepiórczych i przeszczepiany do zarodków kaczek po usunięciu równoważnego fragmentu fałdu nerwowego. (D) Komórki dawcy przepiórki (zielone) można obserwować w chimerach za pomocą przeciwciała antyprzepiórczego (Q¢PN), jak pokazano w widoku brzusznym chimerycznego zarodka HH12. (F) W żuchwach kuczka w HH38 chrząstka Meckla pochodząca od dawcy przepiórki jest krótsza i prostsza niż obserwowana w przypadku chrząstki Meckla pochodzącej od gospodarza kaczki przeciwległej, która jest większa i zakrzywiona. Przedruk Tokita et al., Dev. Bio. 306, 377 (2007) za zgodą Elsevier.
Grzebień nerwowy to przejściowa populacja komórek embrionalnych, która intensywnie migruje w całym zarodku i różnicuje się w różne typy komórek, w tym chondrocyty i osteoblasty, które przyczyniają się do szkieletu twarzoczaszki. Przeszczepienie grzebienia nerwowego w układzie chimerycznym przepiórki i kaczki w znacznym stopniu przyczyniło się do naszego zrozumienia interakcji tkankowych i szlaków sygnałowych, które regulują rozwój szkieletu twarzoczaszki. Jednak biorąc pod uwagę ogromny potencjał grzebienia nerwowego do generowania komórek mięśni gładkich, adipocytów, melanocytów, komórek Schwanna i neuronów, system chimery przepiórki i kaczki ma ogromny potencjał dla przyszłych zastosowań, szczególnie w połączeniu z szybkim postępem biologii komórek macierzystych i medycyny regeneracyjnej. Ponieważ zarówno przepiórka, jak i kaczka są gatunkami hodowanymi komercyjnie, w różnych gospodarstwach dostępna jest łatwa dostawa stosunkowo niedrogich zapłodnionych jaj. W związku z tym technika ta powinna być dostępna dla badaczy działających w szerokim zakresie budżetów i przestrzeni obiektu.
Chociaż ta technika jest bardzo potężna, pozostaje kilka ograniczeń. Podobnie jak w przypadku innych technik chirurgicznych, jakość i żywotność chimer przepiórek zależy od umiejętności chirurgicznych badacza, a zatem będzie więcej różnic między- i wewnątrzosobniczych między eksperymentami w porównaniu z innymi modelami, takimi jak te wykorzystujące genetykę myszy. Co więcej, istnieją również różnice w tempie rozwoju i etapach rozwoju poszczególnych zarodków, co przyczynia się do odtwarzalności i powodzenia każdego przeszczepu. Ptasie zarodki są również bardzo podatne na odwodnienie, dlatego kluczowe kroki podczas operacji obejmują utrzymywanie niskiego poziomu światła, czas spędzony pod mikroskopem do minimum, zamykanie jaj taśmą w jak największym stopniu oraz wysoką wilgotność w inkubatorze pooperacyjnym, aby uniknąć wysuszenia.
Jeśli chodzi o żywotność chimer, zwykle przeżywa od 50 do 75%, chociaż odsetek ten może się zmniejszać wraz z wiekiem etapu pobierania. Podczas typowej 4-6 godzinnej sesji chirurgicznej doświadczony chirurg może wygenerować 10-15 chimer. Sukces przeszczepów zależy również w dużej mierze od jakości narzędzi. Dobre narzędzia prowadzą do bardziej spójnych, powtarzalnych wyników. Użycie palnika propanowego do produkcji igieł wolframowych pozwala na wykonanie niezwykle ostrych igieł. Rodzaj użytej pochodni ma duże znaczenie, ponieważ kontroluje wielkość płomienia. Można również zastosować ostrzenie elektrolityczne, ale takie podejście nawet nie zbliża się do produkcji igieł tak ostrych. Użyj prętów wolframowych zamiast nawiniętego drutu, aby igły można było wyprostować.
Mikropipeta firmy Spemannow, choć czasochłonna i trudna do wykonania, jest idealnym narzędziem do transferu tkanek. Pipetę można dostosować do różnych rozmiarów otworów i można jej używać wielokrotnie. Kluczowym czynnikiem przy użyciu mikropipety Spemann jest posiadanie pewnej ilości płynu w pipecie przed dotknięciem końcówki do powierzchni zarodka. Część płynu zawsze wypływa na zewnątrz, gdy dojdzie do kontaktu z łąkotką nad zarodkiem. Naciśnięcie na membranę pozwala na bardzo precyzyjne wyrzucenie płynu i tkanki przeszczepu, podczas gdy lekkie puszczenie na membranie delikatnie zasysa tkankę przeszczepu dawcy do pipety. Utrzymanie niewielkiego dodatniego ciśnienia na membranie utrzymuje tkankę przeszczepu dawcy na końcówce pipety podczas transferu, A niewielki dodatkowy nacisk na przeponę pozwala na celowe umieszczenie tkanki przeszczepu dawcy w gospodarzu.
W celu ochrony pipety Spemann podczas przechowywania i sterylizacji, wyjmij gruszkę z szerokiego końca i ostrożnie włóż stożkową końcówkę do bańki. Umieść pipetę Spemann w szklanej probówce, przykryj górną część folią aluminiową i autoklaw przed zabiegiem. Po tym, jak wiele pipet jest gotowych do ponownej sterylizacji do zabiegu chirurgicznego, odwróć pipety, podgrzej je prawie do wrzenia w tym samym roztworze wody destylowanej i detergentu do szkła, a następnie kilkakrotnie spłucz wodą destylowaną. Pipety do autoklawowania w ich indywidualnych probówkach. Gumowa rurka tworząca membranę i gumowa bańka powinny być wymieniane po kilku sterylizacjach lub gdy staną się ciemne i sztywne.
Wiele elementów tego protokołu wiąże się z niebezpiecznym sprzętem. Na przykład procedura wytwarzania mikropipet Spemann obejmuje trzy rodzaje płomieni, a także podgrzewanie, ciągnięcie, przedmuchiwanie, gięcie, cięcie i polerowanie szkła. Dlatego noszenie odpowiednich środków ochrony osobistej (PPE), które zwiększają bezpieczeństwo, takich jak gogle i fartuch laboratoryjny, ma kluczowe znaczenie. Ponadto, ponieważ wiele osób cierpi na alergie na jajka lub może się z nimi rozwinąć, zawsze używaj rękawiczek podczas obchodzenia się z jajkami. Mając na uwadze te środki ostrożności, system chimeryczny kaczki przepiórczej jest bezpieczną, wydajną i stosunkowo dostępną metodą, która ma wiele przyszłych zastosowań.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca została sfinansowana przez grant F32 (DE021929) Narodowego Instytutu Badań Stomatologicznych i Twarzoczaszkowych (NIDCR) dla J.L.F. oraz grant NIDCR R01 DE016402 dla R.A.S.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 1x PBS | TEK | TEKZR114 | |
| Hank' s BSS bez czerwieni fenolowej | Invitrogen | 14025-092 | |
| Neutral Red | Sigma Aldrich | N4638-5G | 0,22 µ m Igły |
| 18 G | BD | ||
| 5 ml | Kleszcze | ||
| nr 5 | Narzędzia do nauki | 11252-20 | |
| Nożyczki proste | Narzędzia do nauki | 14028-10 | |
| Nożyczki zakrzywione | Narzędzia do nauki o naprawach | 14029-10 | |
| Pipeta | Spemann | Ręcznie robiony w laboratorium | |
| Uchwyt | Szklana popielniczka i modelina | ||
| Palnik alkoholowy | Fisher | 04-245-1 | |
| Przezroczysta taśma | 3M Scotch | 600 | |
| Szklany pręt do mieszania | Fisher | 11-380C | Końcówka jest zwężona i zaokrąglona za pomocą płomienia |
| Drut wolframowy (0,004 x 3 cale) | A-M Systems | 7190 | Końcówka jest naostrzona płomieniem w palniku propanowym |
| Palnik | Bunsun Fisher Scientific | S49117 | |
| Pipeta Pasteura | Fisherbrand | 22-183-632 | 9-calowa (229 mm) |
| rurka gumowa | Fisher Scientific | 14-178C | bursztynowa, cienkościenna kauczuk naturalny; grubość ścianki: 0,0625 cala / 1,6 mm; OD OD: 0,375 cala / 9,5 mm; ID: Butla z propanem 0,25 cala / 6,4 mm |
| BernzOmatic | UL2317 | TX-9 z latarką typu "A" z przykręcaną mosiężną latarką "płomienia ołówka" | |
| Ołówek diamentowy Fisher | Scientific | 22-268912 | |
| Żarówki gumowe | Fisherbrand | S32325 |
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie