C. elegans są potężnym organizmem modelowym do badań w dziedzinie genetyki, biologii komórkowej i biologii molekularnej, ponieważ łatwo je hodować w laboratorium, mają krótki czas generacji i długość życia, mają wysoki stopień homologii białek ze ssakami i mają przezroczystą strukturę ciała, która pozwala na wizualizację in vivo fluorescencyjnych białek i barwników1. W wyniku długotrwałego stosowania C. elegans jako głównego systemu modelowego w wielu dziedzinach, w tym w biologii rozwoju i starzeniu się, ich wzrost i rozwój są dobrze poznane, ich genom został w pełni zsekwencjonowany i stworzono wiele potężnych narzędzi genetycznych, w tym biblioteki odżywiania RNAi obejmujące cały genom oraz tysiące zmutowanych i transgenicznych szczepów. Historycznie rzecz biorąc, C. elegans są hodowane jako populacje na stałych pożywkach wzrostowych nicieni agarowych (NGM), a fenotypy są oceniane ręcznie albo przez bezpośrednią obserwację, albo przez obrazowanie i dalszą analizę. Mikroskopia fluorescencyjna służy do uchwycenia różnych fenotypów molekularnych za pomocą barwników lub transgenicznie wyrażonych znaczników fluorescencyjnych u poszczególnych C. elegans. Obrazowanie fluorescencyjne zazwyczaj polega na unieruchomieniu lub sparaliżowaniu zwierzęcia na szkiełkach zawierających cienkie poduszki agarozowe, co jest inwazyjne i często śmiertelne. Wiąże się to również ze stosowaniem substancji chemicznych, takich jak lewamizol lub azydek sodu, które mogą potencjalnie zakłócać proces molekularny będący przedmiotem zainteresowania2,3. Łącznie podejścia te umożliwiają gromadzenie przekrojowych danych na poziomie populacji w szerokim zakresie fenotypów, ale nie pozwalają na śledzenie poszczególnych zwierząt w czasie.
W ostatnich latach pojawiło się kilka podejść do hodowli izolowanych C. elegans, co pozwala badaczom na uchwycenie dynamicznych zmian w fizjologicznych i molekularnych fenotypach zwierząt w czasie przy użyciu nowych technologii obrazowania. Jedną z kategorii podejścia do hodowli C. elegans są urządzenia mikroprzepływowe, w tym między innymi WormFarm4, chip5 oraz chip "behavior" firmy Chronis et al.6, między innymi7,8,9. Związane z nimi są metody hodowli oparte na płynach, które wykorzystują płytki wielodołkowe do charakteryzowania pojedynczych robaków lub małych populacji w czasie10,11. Mikrofluidyka i systemy mikropłytek zapewniają doskonałe pomiary ilościowe reakcji fenotypowych u C. elegans aż do pojedynczego zwierzęcia, ale środowisko hodowli stanowi kluczowe ograniczenie. Zdecydowana większość wcześniejszych badań nad C. elegans, szczególnie w dziedzinie starzenia, została zakończona na stałych podłożach na bazie agaru. Płynna kultura powoduje, że C. elegans pływa w sposób ciągły i reprezentuje odrębny kontekst środowiskowy, który może zmienić podstawową biologię. Na przykład zwierzęta hodowane w płynnych pożywkach mają drastycznie zmienioną zawartość tłuszczu i ekspresję genów - szczególnie w przypadku genów zaangażowanych w reakcję na stres - w porównaniu ze zwierzętami hodowanymi na stałym NGM12,13. Alternatywna kategoria metod obrazowania na pojedynczych zwierzętach obejmuje urządzenia z polidimetylosiloksanu (PDMS), które izolują poszczególne zwierzęta na pożywkach stałych, starając się bardziej naśladować standardowe środowisko doświadczane przez robaki hodowane na stałym NGM w hodowli grupowej na płytkach Petriego. WorMotel to 240-dołkowe urządzenie PDMS przeznaczone do hodowli pojedynczych zwierząt na pożywkach stałych. Każda studzienka jest wypełniana zmodyfikowanym NGM przy użyciu niskotopliwej agarozy zamiast agaru i wysiewana pokarmem bakteryjnym, tworząc stałe środowisko podłoża podobne do najpopularniejszego systemu hodowli wykorzystującego płytki Petriego. Ściany studni są okrągłe, co pozwala na obrazowanie każdego zwierzęcia niezależnie od lokalizacji w studni (unikając wizualnego zaciemnienia spowodowanego przez zwierzę w pobliżu ściany w płycie wielostudziennej). Siarczan miedzi w wąskiej fosie otaczającej każdą studnię jest używany jako środek odstraszający do trzymania zwierząt w ich studniach14,15. Ograniczeniem tego podejścia jest to, że siarczan miedzi jest nieskuteczny w zapobieganiu ucieczce robaków, gdy występują awersyjne warunki środowiskowe, w tym ograniczenia dietetyczne, bakterie chorobotwórcze lub substancje chemiczne wywołujące stres komórkowy (np. Parakwat).
Drugim systemem, który wykorzystuje stałe podłoże, jest Worm Corral, który wykorzystuje hydrożel do tworzenia małego, szczelnego środowiska dla każdego robaka na slajdzie, umożliwiając długoterminowe monitorowanie indywidualnie izolowanych zwierząt16. Kluczowym ograniczeniem jest to, że zwierzęta muszą być zamknięte w środowisku jako jaja, co wymaga użycia bezpłodnych zwierząt w celu zapobieżenia reprodukcji i ogranicza leczenie farmakologiczne do jednego zastosowania. Wielodawkowe próby leków można przeprowadzić w WorMotelu poprzez przeprowadzenie wielu rund ekspozycji przed przeniesieniem robaków do urządzenia lub poprzez miejscowe dodawanie dodatkowych leków do studzienek podczas eksperymentu; Jednak w tym drugim przypadku rzeczywista dawka narażenia po dodaniu dodatkowego leku do istniejącego odwiertu jest trudna do precyzyjnego określenia ilościowego i zależy od tego, jak szybko lek ulega degradacji. Zarówno WorMotel, jak i Worm Corral doskonale nadają się do obrazowania w jasnym lub ciemnym polu w celu uchwycenia informacji związanych z aktywnością i fizjologią zwierząt (np. wzrostem i rozwojem). Chociaż systemy te mogą być używane do monitorowania fluorescencji, z naszego doświadczenia wynika, że PDMS używany do tworzenia innych technologii obrazowania pojedynczych robaków jest podatny na tworzenie mikropęcherzyków, wychwytywanie cząstek stałych i inne drobne nieprawidłowości, które generują nieregularne artefakty fluorescencyjne, które zakłócają spójną wizualizację fluorescencji i kwantyfikację, szczególnie w zakresie emisji GFP, najpowszechniejszego fluoroforu stosowanego w badaniach nad C. elegans. Do tej pory obrazowanie fluorescencyjne na żywo poszczególnych zwierząt C. elegans w sposób podłużny opiera się głównie na urządzeniach mikroprzepływowych17.
Tutaj opisujemy nowatorską metodę hodowli poszczególnych C. elegans na stałych podłożach, która jest kompatybilna zarówno z interwencjami awersyjnymi, jak i bezpośrednim obrazowaniem fluorescencyjnym. Podejście to jest podobne w koncepcji do innych technologii obrazowania pojedynczego robaka, z wyjątkiem tego, że niestandardowo formowany chip PDMS został zastąpiony dostępnymi na rynku mikrotacami polistyrenowymi pierwotnie opracowanymi do testów mikrocytotoksyczności (powszechnie nazywanymi również tacami Terasaki)18. Te mikrotace zawierają studzienki, które można wypełnić stałymi pożywkami i zasiać pokarmem bakteryjnym, ściśle naśladując środowisko doświadczane przez zwierzęta przy użyciu standardowej metodologii hodowli ciał stałych NGM. Każda studnia jest otoczona awersyjną barierą z kwasu palmitynowego, a nie siarczanu miedzi. Kwas palmitynowy jest powszechnie stosowany w celu zapobiegania ucieczce robaków z pożywki stałej, przy użyciu standardowej hodowli grupowej na płytkach Petriego w eksperymentach, w których robaki są poddawane awersyjnemu środowisku, takiemu jak ograniczenia dietetyczne lub narażenie na stresor chemiczny. Mikrotacki wytwarzają również minimalne i spójne tło fluorescencyjne, umożliwiając obrazowanie fluorescencyjne zwierząt bezpośrednio w ich środowisku hodowlanym. Ten nowy system hodowli pojedynczych zwierząt na bazie agaru nie tylko pozwala na śledzenie poszczególnych zwierząt przez całe życie oraz monitorowanie wzrostu, rozwoju, aktywności i długości życia, ale jest również kompatybilny z bezpośrednią mikroskopią fluorescencyjną. Ponieważ robaki mogą być obrazowane bez paraliżu lub fiksacji, biomarkery fluorescencyjne in vivo można określić ilościowo w ujęciu wzdłużnym u poszczególnych zwierząt pozostających na pożywce hodowlanej, co pozwala na obserwację dynamicznych zmian w ciągu życia każdego zwierzęcia. Ten system hodowli jest również kompatybilny z automatyczną generacją systemów do śledzenia długości życia i innych wskaźników zdrowotnych14,19. Przedstawiamy szczegółowy protokół hodowli poszczególnych C. elegans w tym systemie opartym na mikrotacach, omawiamy potencjalne pułapki i rozwiązywanie problemów oraz omawiamy zalety i ograniczenia w stosunku do innych systemów, a w szczególności zaktualizowany i zoptymalizowany protokół WorMotel15.
Każde środowisko hodowli pojedynczych robaków składa się z mikrotacki zamontowanej wewnątrz standardowej tacki jednodołkowej za pomocą niestandardowego adaptera wydrukowanego w 3D (Rysunek 1A). Studnie są wypełnione niskotopliwymi pożywkami hodowlanymi nicieni agarozowych (lmNGM), obsiane skoncentrowanymi bakteriami jako źródłem pożywienia i otoczone powłoką z kwasu palmitynowego, aby zapobiec ucieczce robaków (Rysunek 1B). Przestrzeń między tacą mikro a ściankami płytki jednodołkowej jest wypełniona nasyconymi kryształkami wody, aby utrzymać wilgotność (Rysunek 1B). Na pokrywę tacki nakładana jest powłoka detergentowa, aby zapobiec kondensacji. Do każdej studzienki dodaje się pojedynczego robaka, a tacę z pojedynczą studzienką uszczelnia się Parafilmem, aby utrzymać wilgoć i umożliwić wymianę tlenu. Jeden doświadczony badacz może przygotować równolegle do sześciu mikrotac.