RESEARCH
Peer reviewed scientific video journal
Video encyclopedia of advanced research methods
Visualizing science through experiment videos
EDUCATION
Video textbooks for undergraduate courses
Visual demonstrations of key scientific experiments
BUSINESS
Video textbooks for business education
OTHERS
Interactive video based quizzes for formative assessments
Products
RESEARCH
JoVE Journal
Peer reviewed scientific video journal
JoVE Encyclopedia of Experiments
Video encyclopedia of advanced research methods
EDUCATION
JoVE Core
Video textbooks for undergraduates
JoVE Science Education
Visual demonstrations of key scientific experiments
JoVE Lab Manual
Videos of experiments for undergraduate lab courses
BUSINESS
JoVE Business
Video textbooks for business education
Solutions
Language
pl_PL
Menu
Menu
Menu
Menu
A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Research Article
Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
Erratum Notice
Important: There has been an erratum issued for this article. View Erratum Notice
Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Ten protokół opisuje technikę wizualizacji zachowania i śmierci makrofagów u embrionalnego danio pręgowanego podczas infekcji Mycobacterium marinum. Uwzględniono etapy przygotowania bakterii, zakażenia zarodków i mikroskopii przyżyciowej. Technika ta może być stosowana do obserwacji zachowania komórek i śmierci w podobnych scenariuszach obejmujących infekcję lub sterylny stan zapalny.
Danio pręgowany jest doskonałym organizmem modelowym do badania zachowania wrodzonych komórek odpornościowych, ze względu na swoją przezroczystość i poleganie wyłącznie na wrodzonym układzie odpornościowym we wczesnym okresie rozwoju. Model zakażenia Mycobacterium marinum (M. marinum) został dobrze ugruntowany w badaniu odpowiedzi immunologicznej gospodarza na zakażenie prątkami. Sugeruje się, że różne typy śmierci komórek makrofagów prowadzą do różnych wyników infekcji prątkami. W tym miejscu opisujemy protokół wykorzystujący mikroskopię przyżyteczną do obserwacji śmierci komórek makrofagów w zarodkach danio pręgowanego po zakażeniu M. marinum. Linie transgeniczne danio pręgowanego, które specyficznie znakują makrofagi i neutrofile, są zakażone poprzez domięśniowe mikrowstrzyknięcie fluorescencyjnie znakowanego M. marinum w śródmózgowie lub tułów. Zakażone zarodki danio pręgowanego są następnie umieszczane na niskotopliwej agarozie i obserwowane za pomocą mikroskopii konfokalnej w wymiarach X-Y-Z-T. Ponieważ długoterminowe obrazowanie na żywo wymaga użycia niskiej mocy lasera, aby uniknąć fotowybielania i fototoksyczności, zdecydowanie zaleca się stosowanie transgenicznego produktu o silnej ekspresji. Protokół ten ułatwia wizualizację dynamicznych procesów in vivo, w tym migracji komórek odpornościowych, interakcji z patogenem gospodarza i śmierci komórki.
Wykazano, że infekcja prątkowa powoduje śmierć komórek immunologicznych gospodarza1. Na przykład atenuowany szczep wywoła apoptozę w makrofagach i powstrzyma infekcję. Jednak zjadliwy szczep wywoła śmierć komórek litycznych, powodując rozprzestrzenianie się bakterii1,2. Biorąc pod uwagę wpływ tych różnych typów śmierci komórek na odpowiedź przeciwprątkową gospodarza, potrzebna jest szczegółowa obserwacja śmierci komórek makrofagów podczas infekcji prątkami in vivo.
Konwencjonalne metody pomiaru śmierci komórek polegają na użyciu barwienia martwych komórek, takich jak Annnexin V, TUNEL lub barwienie pomarańczą akrydynową/jodkiem propidyny3,4,5. Metody te nie są jednak w stanie rzucić światła na dynamiczny proces śmierci komórki in vivo. Obserwacja śmierci komórek in vitro została już ułatwiona dzięki obrazowaniu na żywo6. Jednak to, czy wyniki dokładnie naśladują warunki fizjologiczne, pozostaje niejasne.
Danio pręgowany był doskonałym modelem do badania reakcji antyprątkowych gospodarza. Ma wysoce konserwatywny układ odpornościowy podobny do ludzkiego, łatwy do manipulowania genom, a wczesne zarodki są przezroczyste, co pozwala na obrazowanie na żywo7,8,9. Po zakażeniu M. marinum dorosłe rybo pręgowany tworzą typowe dojrzałe struktury ziarniniaka, a embrionalny danio pręgowany tworzy wczesne struktury podobne do ziarniniaka9,10. Dynamiczny proces interakcji między komórkami odpornościowymi a bakteriami został już wcześniej zbadany w modelu zakażenia danio pręgowanego M. marinum11,12. Jednak ze względu na wysokie wymagania dotyczące rozdzielczości przestrzenno-czasowej, szczegóły dotyczące śmierci wrodzonych komórek odpornościowych pozostają w dużej mierze nieokreślone.
Tutaj opisujemy, jak zobrazować proces śmierci komórek litycznych makrofagów wywołany infekcją mykobakteryjną in vivo. Protokół ten może być również stosowany do wizualizacji zachowania komórek in vivo podczas rozwoju i stanu zapalnego.
Danio pręgowany były hodowane w standardowych warunkach, zgodnie z wytycznymi dla zwierząt laboratoryjnych dotyczących etycznego przeglądu dobrostanu zwierząt (GB/T 35823-2018). Wszystkie eksperymenty z danio pręgowanym w tym badaniu zostały zatwierdzone (2019-A016-01) i przeprowadzone w Centrum Klinicznym Zdrowia Publicznego w Szanghaju, Uniwersytet Fudan.
1. M. marinum Preparat inokulum jednokomórkowego (
2. Przygotowanie zarodków danio pręgowanego
3. Zakażenie za pomocą mikroiniekcji bakteryjnej
4. Obrazowanie infekcji na żywo
5. Promieniowanie UV pojedynczych komórek w celu wywołania apoptozy i obrazowania na żywo
6. Przetwarzanie obrazu
Zakażenie prątkami może wywołać różne reakcje gospodarza w zależności od drogi infekcji. W tym protokole zarodki danio pręgowanego są zakażone przez domięśniowe mikrowstrzyknięcie fluorescencyjnie znakowanych bakterii do śródmózgowia lub tułowia (Ryc. 3) i obserwowane za pomocą konfokalnego obrazowania na żywo. Zakażenie tymi dwiema drogami lokalnie ograniczy infekcję, powodując wrodzoną rekrutację komórek odpornościowych, a następnie śmierć komórki.
Wizualizacja szczegółów wrodzonej śmierci komórek odpornościowych jest wyzwaniem. Śmierć komórek litycznych zachodzi w bardzo krótkim czasie i wymaga mikroskopii o wysokiej rozdzielczości do obserwacji. Ponadto wysoka ruchliwość wrodzonych komórek odpornościowych pozwala im na migrację poza obszar obserwacji. W tym protokole rozwiązujemy ten problem, obserwując równolegle wiele zarodków. Szereg zarodków danio pręgowanego można zamontować na pojedynczym szklanym szkiełku mikroskopowym w celu infekcji, a do 10 zarodków można zamontować na tej samej szklanej misce o średnicy 35 mm do obrazowania na żywo (Rysunek 4). Korzystając z modelu danych na żywo w mikroskopii konfokalnej, można obserwować więcej niż jeden zarodek jednocześnie. Zwiększa to wydajność obrazowania na żywo i znacznie zwiększa prawdopodobieństwo uchwycenia całego procesu śmierci komórki litycznej.
Wrodzony układ odpornościowy jest pierwszą linią obrony przed infekcją mykobakteryjną, a dwoma kluczowymi składnikami są makrofagi i neutrofile. Tutaj wykorzystujemy wcześniej zgłoszone Tg(coro1a:eGFP; lyzDsRed2) i Tg(mpeg1:loxP-DsRedx-loxP-eGFP; lyz:eGFP) w celu rozróżnienia makrofagów i neutrofili in vivo16,17,18. Makrofag silnie nabrzmiały bakteryjnie stawał się okrągły i wykazywał zmniejszoną ruchliwość, z ewentualnym obrzękiem cytoplazmatycznym, pęknięciem błony komórkowej i szybkim rozprzestrzenianiem się zawartości cytoplazmatycznej. Zdarzenia te są typowymi zmianami morfologicznymi śmierci komórek litycznych, jak wcześniej opisano (Rysunek 5A)16. Naświetlanie promieniowaniem UV zostało wykorzystane do wywołania apoptozy komórek u danio pręgowanego20,21. Zgodnie z tym pojęciem, makrofagi napromieniowane promieniowaniem UV wykazywały typowe apoptotyczne fenotypy komórek, takie jak kurczenie się komórek, fragmentacja jądrowa i kondensacja chromatyny (Rysunek 5B)22,23. W połączeniu z użyciem cerulean-fluorescencyjnej M. marinum19, uzyskano trzykolorowe obrazowanie na żywo interakcji między makrofagami, neutrofilami i M. marinum in vivo. Zaobserwowaliśmy również, że makrofagi mogą aktywnie fagocytozę i rozprowadzać M. marinum (rysunek uzupełniający 3A). Jednak neutrofile miały ograniczoną zdolność fagocytarną i szybko ulegały śmierci komórek litycznych bez widocznego obrzęku bakteryjnego (rysunek uzupełniający 3B). Neutrofile mogą być wywołane przez fagocytozę tylko kilku martwych M. marinum, które nie wyrażają fluorescencji Cerulean, lub po prostu przez fagocytozę ograniczonych szczątków martwych komórek.

Rysunek 1: Schemat ideowy przygotowania bakterii jednokomórkowych. Jednokomórkowe stada cerulean-fluorescencyjne M. marinum zostały wygenerowane zgodnie z opisanym procesem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 2: Schemat mocowania zarodka danio pręgowanego do mikroiniekcji. (A) Schemat ideowy procesu montażu. (B) Zarodki danio pręgowanego montowano z boku w celu zakażenia okolicy tułowia. (C) Zarodki danio pręgowanego były umieszczane z głowami skierowanymi do góry w celu zakażenia śródmózgowia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Umiejscowienie do mikroiniekcji. (A) Czerwona strzałka wskazuje miejsce wstrzyknięcia w przypadku infekcji okolicy tułowia. (B) Czerwona strzałka wskazuje miejsce wstrzyknięcia w przypadku infekcji śródmózgowia. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Ryc. 4: Montaż zarodków danio pręgowanego do obrazowania na żywo. (A) W przypadku infekcji śródmózgowia embriony danio pręgowanego montowano z głowami skierowanymi w dół. (B) W przypadku zakażenia okolicy tułowia, zarodki danio pręgowanego montowano z boku w miejscu wstrzyknięcia blisko dna naczynia ze szklanym dnem. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rycina 5: Typowe zmiany morfologiczne w zakażeniu M. marinum indukowane śmiercią komórek litycznych makrofagów i apoptozą makrofagów indukowaną promieniowaniem UV. (A) Obrazowanie poklatkowe makrofaga (Mac) przechodzącego śmierć komórki litycznej, gdy jest ona mocno nabrzmiała M. marinum. Śródmózgowie 3 dpf Tg(coro1a:eGFP; lyzDsRed2) zarodek danio pręgowanego jest zakażony przez Cerulean-fluorescencyjny M. marinum (~500 jtk) poprzez mikroiniekcje. Dostępne są obrazy zarówno dla kanału nakładki (górny panel), jak i kanału DIC (dolny panel). T 00:00 to 5 h 20 min po zakażeniu. Białe przerywane linie = kontur błony komórkowej; czarne przerywane linie = pęczniejąca cytoplazma; czarne strzałki = pęknięta błona komórkowa; Czerwone przerywane linie = szybko tracona zawartość cytoplazmatyczna. (B) Obrazowanie poklatkowe makrofagów napromieniowanych promieniowaniem UV. Jedna komórka GFP+ w obszarze śródmózgowia 3 dpf Tg (mfap4: eGFP) jest naświetlana promieniowaniem UV, a następnie następuje obrazowanie poklatkowe. Białe przerywane linie = kontur błony komórkowej; Czarne strzałki = fragmentacja jądrowa i kondensacja chromatyny. Podziałka = 15 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek uzupełniający 1: Komora środowiskowa przygotowana do obrazowania na żywo. (A) Ustaw sterownik cyfrowy tak, aby utrzymywał temperaturę na poziomie 28.5 °C. (B) Umieść wilgotne chusteczki w komorze, aby zapewnić wilgotność i zapobiec parowaniu wody jajecznej. (C) Zamknij pokrywę komory i odczekaj co najmniej 30 minut na ustabilizowanie się temperatury przed rozpoczęciem obrazowania na żywo. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek uzupełniający 2: Ustawienie panelu konfokalnego do obrazowania na żywo. (A) Przedstawienie ustawień panelu akwizycji. (B) Przedstawienie ustawień mocy i widma lasera. (C) Reprezentacja wielu zadań i ustawień pętli w trybie danych na żywo. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek uzupełniający 3: Makrofagi rozprzestrzeniają infekcję, a neutrofile ulegają śmierci komórek litycznych po zakażeniu M. marinum. (A) Makrofagi rozsiewające M. marinum w pniu 2 dpf Tg(coro1a:eGFP; lyz:DsRed2) zarodek danio pręgowanego zakażony przez Cerulean-fluorescencyjny M. marinum (~100 jtk). (B) Neutrofile (Neu) ulegające śmierci komórki litycznej bez widocznego M. marinum obciążonego w obszarze tułowia 3 dpf Tg (mpeg1:LRLG; lyz:eGFP) zarodek danio pręgowanego zakażony przez cerulean-fluorescencyjny M. marinum (~100 jtk) za pomocą mikroiniekcji. Kolor zielony jest przypisany do LRLG, a kolor czerwony jest przypisany do eGFP dla lepszej wizualizacji procesu śmierci komórki litycznej. Strzałki w kolorze niebieskozielonym wskazują komórki docelowe. Strzałki w kolorze czerwonym wskazują komórki, które mają zamiar uwolnić zawartość cytoplazmy w następnej klatce. Strzałki w kolorze zielonym wskazują martwe komórki, które właśnie straciły zawartość cytoplazmy. Podziałka = 25 μm. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Wideo 1: Makrofag silnie obciążony M. marinum ulega śmierci komórki litycznej, związanej z Rysunek 5A. Obrazowanie poklatkowe (obiektyw 63x) przez 9 min i 18 s przy 3 klatkach na sekundę (kl./s) obszaru śródmózgowia 3 dpf Tg(coro1a:eGFP; lyzDsRed2) zarodek danio pręgowanego zakażony cerulano-fluorescencyjnym M. marinum. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Wideo 2: Makrofag ulega apoptozie po naświetlaniu promieniami UV, związanymi z Rysunek 5B. Obrazowanie poklatkowe (obiektyw 63x) trwające 74 minuty przy 6 kl./s obszaru śródmózgowia zarodka danio pręgowanego o ciśnieniu 3 dpf Tg(mfap4:eGFP). Jedna komórka GFP+ w obszarze śródmózgowia zarodków jest naświetlana promieniowaniem UV, a następnie wykonywana jest obrazowanie poklatkowe. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Wideo 3: Makrofag rozprzestrzenia M. marinum, związany z rysunkiem uzupełniającym 3A. Obrazowanie poklatkowe (obiektyw 63x) trwające 24 minuty przy 3 kl./s obszaru tułowia 2 dpf Tg(coro1a:eGFP; lyz:DsRed2) zarodek danio pręgowanego zakażony Cerulean-fluorescencyjnym M. marinum. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).

Wideo 4: Neutrofile ulega śmierci komórki litycznej bez widocznego obrzęku M. marinum, co jest związane z rysunkiem uzupełniającym 3B. Obrazowanie poklatkowe (obiektyw 63x) 7 min 30 s przy 3 kl./s obszaru tułowia 3 dpf Tg (mpeg1:LRLG; lyz:eGFP) zarodek danio pręgowanego zakażony cerule-fluorescencyjnym M. marinum. Kliknij tutaj, aby wyświetlić ten film (kliknij prawym przyciskiem myszy, aby pobrać).
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ten protokół opisuje technikę wizualizacji zachowania i śmierci makrofagów u embrionalnego danio pręgowanego podczas infekcji Mycobacterium marinum. Uwzględniono etapy przygotowania bakterii, zakażenia zarodków i mikroskopii przyżyciowej. Technika ta może być stosowana do obserwacji zachowania komórek i śmierci w podobnych scenariuszach obejmujących infekcję lub sterylny stan zapalny.
Dziękujemy Dr. Zilong Wen za podzielenie się szczepami danio pręgowanego, Dr. Stefanowi Oehlersowi i Dr. Davidowi Tobinowi za podzielenie się zasobami związanymi z M. marinum, Yuepeng He za pomoc w przygotowaniu figury. Praca ta była wspierana przez Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych Chin (81801977) (B.Y.), Wybitny Program Szkolenia Młodzieży Miejskiej Komisji Zdrowia w Szanghaju (2018YQ54) (B.Y.), Shanghai Sailing Program (18YF1420400) (B.Y.) oraz Open Fund of Shanghai Key Laboratory of Tuberculosis (2018KF02) (B.Y.).
| 0,05% Stostrzykawka Tween-80 | Sigma | P1379 | |
| 10 ml | Solarbio | YA0552 | |
| 10% OADC | BD | 211886 | |
| kwas 3-aminobenzoesowy | Sigma | E10521 | |
| 5 μ m filtr | Mille X | SLSV025LS | |
| 50 μ l/ml higromycyny | Sangon Biotech | A600230 | |
| 7H10 | BD | 262710 | |
| 7H9 | BD | 262310 | |
| Szklana dna 35 mm miska | In Vitro Scientific | D35-10-0-N | |
| Agaroza | Sangon Biotech | A60015 | |
| Mikroskop konfokalny | Leica | TCS SP5 II | |
| Komora środowiskowa | Pecon | temp control 37-2 cyfrowy | |
| mikroładowarka | Eppendorf Eppendorf | No.5242956003 | |
| Szkiełko mikroskopowe | Bioland Scientific LLC | 7105P | |
| A100854 | glicerol | Sangon Biotech | |
| Keelrein | PH-140(A) | ||
| M.marinum | ATCC BAA-535 | ||
| Igła do mikroiniekcji | World Precision Instruments | IB100F-4 | |
| Mikrowtryskiwacz | Eppendorf | Femtojet | |
| Mikromanipulator | NARISHIGE | MN-151 | |
| msp12: cerulean | Ref.: PMID 25470057; 27760340 | ||
| Czerwień fenolowa | Sigma | P3532 | |
| PTU | Sigma | P7629 | |
| Szkiełko mikroskopowe z pojedynczą wklęsłością | Marka | żagla 7103 | |
| Sonicator | SCICNTZ | JY92-IIDN | |
| Spektrofotometr (OD600) | Eppendorf AG | 22331 Hamburski | |
| mikroskop stereoskopowy | OLYMPUS | SZX10 | |
| Tg(mfap4:eGFP) | Ref.: PMID 30742890 | ||
| Tg(coro1a:eGFP; lyzDsRed2) | Ref.: PMID 31278008 | ||
| Tg(mpeg1:LRLG; lyz:eGFP) | Ref.: PMID 27424497; 17477879 |