Tutaj prezentujemy protokół wprowadzający zestaw nowych eksperymentów ex-ovo i podejść do modelowania fizycznego do badania mechaniki morfogenezy podczas wczesnego skręcania mózgu u zarodków piskląt.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Tutaj prezentujemy protokół wprowadzający zestaw nowych eksperymentów ex-ovo i podejść do modelowania fizycznego do badania mechaniki morfogenezy podczas wczesnego skręcania mózgu u zarodków piskląt.
Rozwój embrionalny jest tradycyjnie badany z perspektywy genetyki biomolekularnej, ale fundamentalne znaczenie mechaniki w morfogenezie staje się coraz bardziej dostrzegane. W szczególności embrionalne serce i rurka mózgowa pisklęcia, które w miarę rozwoju ulegają drastycznym zmianom morfologicznym, są jednymi z głównych kandydatów do badania roli sił fizycznych w morfogenezie. Postępujące zgięcie brzuszne i skręt w prawo rurkowatego embrionalnego mózgu pisklęcia zachodzi na najwcześniejszym etapie asymetrii narządów lewo-prawych w rozwoju embrionalnym piskląt. Błona witelinowa (VM) ogranicza grzbietową stronę zarodka i jest zaangażowana w dostarczanie siły niezbędnej do wywołania skrętu rozwijającego się mózgu. Poniżej przedstawiamy połączenie nowych eksperymentów ex-ovo i modelowania fizycznego w celu zidentyfikowania mechaniki skręcania mózgu. Na 11. etapie Hamburgera-Hamiltona zarodki są pobierane i hodowane ex ovo (w pożywce). Maszyna wirtualna jest następnie usuwana za pomocą wyciągniętej rurki kapilarnej. Kontrolując poziom płynu i poddając zarodek działaniu granicy faz płyn-powietrze, napięcie powierzchniowe płynu w pożywce może być wykorzystane do zastąpienia mechanicznej roli VM. Przeprowadzono również eksperymenty mikrochirurgiczne w celu zmiany położenia serca, aby znaleźć wynikową zmianę w chiralności skrętu mózgu. Wyniki uzyskane w ramach tego protokołu ilustrują fundamentalne role mechaniki w sterowaniu morfogenezą.
Współczesne badania nad biologią rozwojową koncentrują się głównie na zrozumieniu rozwoju z perspektywy genetyki molekularnej1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. Wiadomo, że zjawiska fizyczne odgrywają kluczową rolę w morfogenezie, czyli powstawaniu formy biologicznej14,15,16,17; Jednak konkretne mechaniczne mechanizmy rozwoju pozostają w dużej mierze niezbadane. Zgięcie brzuszne i skręcenie w prawo pierwotnej rurki mózgowej po etapie 11 Hamburgera-Hamiltona (HH 11)18 to dwa główne procesy, które przyczyniają się do zmiany kształtu embrionalnego19,20. W szczególności mechanizm fizyczny leżący u podstaw rozwoju skrętnego w mózgu embrionalnym pozostaje nie w pełni poznany.
Skręt embrionalny u zarodka pisklęcia jest jednym z najwcześniejszych zdarzeń morfogenetycznych asymetrii lewo-prawo (L-R) w rozwoju. Gdy proces asymetrii L-R jest zaburzony, wystąpią wady wrodzone, takie jak situs inversus, izomeria lub heterotaksja21.
Tutaj prezentujemy protokół, który łączy eksperymenty ex-ovo22,23 z modelowaniem fizycznym w celu scharakteryzowania sił mechanicznych podczas wczesnego rozwoju embrionalnego mózgu. Celem przedstawionej metody jest zidentyfikowanie sił mechanicznych odpowiedzialnych za skręt mózgu oraz czynników wpływających na stopień skrętu we wczesnym okresie rozwoju12. Opierając się na obserwacji eksperymentalnej, że błona witelinowa (VM) ogranicza grzbietową stronę zarodka, postawiliśmy hipotezę, że VM zapewnia siłę niezbędną do wywołania skrętu rozwijającego się mózgu. Dlatego w tej metodzie usunęliśmy część maszyny wirtualnej, która obejmuje obszar mózgu, aby poznać wpływ na skręt mózgu. Ponadto zastosowano metodę przyłożenia napięcia powierzchniowego płynu, aby potwierdzić mechaniczną rolę VM i oszacować siłę potrzebną do skrętu mózgu, czego wcześniej nie robiono. Pomiar sił podczas morfogenezy embrionalnej jest trudnym zadaniem. Warto zauważyć, że w pionierskim badaniu Campàs i współpracownicy24 opracowali nowatorską metodę ilościowego określania stresu komórkowego za pomocą wstrzykniętych mikrokropel. Niemniej jednak metoda ta była ograniczona do pomiaru sił na poziomie komórkowym, a zatem nie miała zastosowania do sił sondy na poziomie tkanki lub organizmu. Protokół przedstawiony w niniejszym artykule został opracowany w celu częściowego wypełnienia tej luki.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
1. Przygotowanie pożywki do hodowli tkankowej
2. Inkubacja jaj
3. Wyciągnij szklane naczynia włosowate
4. Metoda nośnika bibuły filtracyjnej
5. Pobieranie i przygotowanie zarodków
6. Wywoływanie napięcia powierzchniowego
7. Modelowanie fizyczne naprężeń powierzchniowych/sił VM
8. Zmiana kierunku pętli serca
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tym badaniu, VM zarodka w HH11 został usunięty od przedniego końca do zgięcia klatki piersiowej. Zarodki zostały zobrazowane za pomocą systemu OCT. Na tym etapie skręcanie cewy mózgowej jeszcze się nie rozpoczęło (Rysunek 1A). Po inkubacji do HH15-16, zarodki z usuniętym VM wykazywały zmniejszone skręcenie cewy mózgowej, około 35 stopni (Ryc. 1B) w porównaniu z zarodkami kontrolnymi, które wykazują skręt około 90 stopni. Kiedy poziom pożywki zosta...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Podczas gdy zjawiska fizyczne odgrywają integralną rolę w morfogenezie 26,27,28,29,30, konkretne mechanizmy mechaniczne, wraz z koordynacją mechanizmów mechanicznych i molekularnych, pozostają w dużej mierze niezbadane. Wiadomo, że zgięcie brzuszne i skręt w prawo pierwotnego mózgu to dwa centralne procesy, które przyczyniają się do wczesnej morfogenezy embrio...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Z.C. dziękuje za wsparcie ze strony funduszu startowego Dartmouth oraz stypendium Branco Weiss- Society for Science, zarządzanego przez ETH Zurich. Autorzy dziękują doktorom Larry'emu A. Taberowi, Benjamenowi A. Filasowi, Qiaohang Guo i Yunfei Shi za pomocne dyskusje, a także anonimowym recenzentom za komentarze. Materiał ten opiera się na pracach wspieranych przez National Science Foundation Graduate Research Fellowship w ramach grantu nr 1. DGE-1313911. Wszelkie opinie, ustalenia, wnioski lub zalecenia wyrażone w tym materiale są opiniami autora (autorów) i niekoniecznie odzwierciedlają poglądy National Science Foundation.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| Zapłodnione Specyficzne, wolne od patogenów jaja kurze White Leghorn | Charles River | ||
| Optyczna tomografia koherentna Mikroskop | Thorlabs | GAN220C1 | |
| Elastomer silikonowy | Smooth-On, Inc. | EcoFlex 00-50 | |
| Mikroskop preparacyjny | Leica | MZ8 | |
| Dulbecco' s Zmodyfikowany Orzeł" s Medium (DMEM) | Lonza | 12-604F | |
| Antybiotyki | Sigma | P4083 | |
| Surowica dla piskląt | Sigma | C5405 | |
| Ściągacz do mikropipet | Sutter Instrument | Model P-30 | |
| Bibuła filtracyjna | Whatman | 5202-110 | |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanami (PBS) | Corning | 21-040-CV | |
| Comsol MultiPhysics | |||
| 3D | Mikroskop Rhino 5 | ||
| dołączony do OCT | Nikon | FN1 | |
| Cyfrowa lustrzanka jednoobiektywowa | EOS | Buntownik T3i |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE
Poproś o pozwolenie