Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

После эндокарда ткани движения через ячейки Photoconversion в Zebrafish эмбриона

6.2K просмотров

DOI:

10.3791/57290

20 февраля 2018 г.

* These authors contributed equally

В этой статье

Краткое содержание

Этот протокол описывает метод для photoconversion Каэдэ флуоресцентный белок в эндокарда клетки живых zebrafish эмбриона, который позволяет отслеживать эндокарда клеток во время предсердно-канал и предсердно сердца клапан развития .

Аннотация

Во время эмбриогенеза клетки претерпевают динамические изменения в поведение клеток, и расшифровка сотовой логику этих изменений является основополагающей целью в области биологии развития. Открытие и разработка photoconvertible белков значительно помог наше понимание этих динамических изменений, предоставляя метод оптически highlight клеток и тканей. Однако хотя photoconversion, покадровой микроскопия и анализ изображений последующих оказались весьма успешными в раскрытии сотовой динамике в органы как мозг или глаз, этот подход обычно не используется в развивающихся сердце проблемы, связанные с быстрым движением сердца во время сердечного цикла. Этот протокол состоит из двух частей. Первая часть описывает метод для photoconverting и впоследствии отслеживания эндокарда клетки (ЭЭС) во время данио рерио предсердно-канал (AVC) и предсердно сердца клапан развития. Метод предполагает височно остановки сердца с наркотиками в целях точного photoconversion занять место. Сердца разрешается возобновить избиение после удаления препарата и эмбрионального развития обычно продолжается до тех пор, пока сердце снова остановился за разрешением изображений photoconverted ЭЭС в точке позднее развития время. Второй частью протокола описывает метод анализа изображений для количественного определения длины photoconverted или не photoconverted региона в АВК в молодых эмбрионов путем сопоставления флуоресцентного сигнала от трехмерной структуры на двумерной карте . Вместе эти две части протокола позволяет изучить происхождение и поведение клеток, которые составляют данио рерио AVC и предсердно сердечного клапана и потенциально могут быть применены для изучения мутантов, morphants или эмбрионов, которые были обработаны с Реагенты, которые нарушают AVC и/или клапан развития.

Введение

Данио рерио в настоящее время является одним из самых важных позвоночных моделей для изучения клеточных и развития процессов в естественных условиях. Это во многом объясняется данио рерио оптической прозрачности и ограниченой к генетике, что делает его мощным модель для применения оптических методов, связанных с генетически закодированный photoresponsive белка технологий1. Специфичные для изучения развития сердца, данио рерио получать достаточно кислорода через распространение таким образом, что даже мутантов без сердцебиение может выжить через первую неделю развития, позволяя анализы последствий развития генов и возмущенных поток крови на сердце морфогенеза невозможно в большинстве позвоночных животных2.

Данио рерио трубка сердца формируется 24 часа пост оплодотворение (hpf). Вскоре после его формирования трубка сердце начинает активно биться. От 36 hpf, ясно сужение отделяет атриум из желудочка. Этот регион сужение называют предсердно канал (AVC) и ячейки в этой области изменения от плоскоклеточный морфология шестигранника морфология3. Данио рерио предсердно клапан морфогенеза начинается около 48 h пост оплодотворения. 5 дней пост оплодотворение, две листовки клапан расширения в АВК и предотвращения обратного потока крови из желудочков в зимнем саду во время сердечного цикла4. Отслеживание клетки во время формирования AVC и клапан является сложной задачей, как быстрое биение сердца делает его трудно следовать клетки через традиционными покадровой микроскопии5,6. Этот протокол, адаптированный Стид et al., 20167, описывает метод, использующий Tg (fli1a:gal4FFubs, UAS:kaede)8 данио рерио трансгенные линии, в котором белка photoconvertible Каэдэ выражается в эндотелиальные клетки, включая эндокарда. Наркотиков 2,3-butanedione-2-monoxime (BDM) используется для временной остановки сердца биться, позволяя точной photoconversion ЭЭС между 36 и 55 hpf и с высоким разрешением изображений photoconverted ЭЭС в определенное время развития точках. Ранее было показано, что photoconverted ЭЭС с помощью этого метода может оставаться отличимые от их нереализованный соседей или более пяти дней после времени photoconversion7. Этот протокол также подробно метод, используемый для анализа изображений photoconverted ЭЭС в эмбрионов, моложе, чем 48 hpf, которая успешно использовалась следовать ткани движений во время развития AVC (Боселли et al., в печати)9. Мы надеемся на то, что читатели найдут этот протокол полезным для изучения AVC и клапан развития в нормальных эмбрионов, а в мутантов, morphants или наркотики лечение эмбрионов. Для более общего протокола, касающегося отслеживания ячейки с помощью photoconvertible белков во время разработки данио рерио пожалуйста, просмотрите статью, Ломбардо et al., 201210.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка пресс-формы и монтаж агарозы

  1. Создайте форму с размерами, показано на рисунке 1 с помощью 3D-принтер или традиционные механические инструменты.
  2. Пипетка около 1,5 мл растопленного агарозы 1% в 35-мм пластиковые крепления блюдо. Место прессформа в жидком агарозы, заботясь, чтобы избежать захвата воздуха между плесень и агарозы. Поместите блюдо на 4 ° C, дождитесь агарозы твердеет (это занимает около 5 минут), а затем удалить пластиковые плесень.
  3. Чтобы сохранить монтаж блюдо для последующего использования, Обложка блюдо с крышкой, а затем обернуть блюдо и крышку плотно с парафина. Монтаж блюдо может затем храниться крышкой лицевой стороной вниз на срок до 5 дней при 4 ° C.
  4. Заранее подготовьте 1 мл аликвоты 0,7% низкой температурой плавления агарозы в 1,5 мл Eppendorf трубы для использования в день монтажа.
    Примечание: Агарозы скважин монтаж блюдо будет деформироваться течением времени как вода испаряется, если парафина плотно не обернута вокруг блюда.

2. получение эмбрионов для Photoconversion

  1. Incross тг (fli1a:gal4FFubs, UAS:kaede) линии и расти примерно 200 эмбрионов в среде эмбриона в темноте на 28,5 ° C. Для более подробной информации о том, как крест линии данио рерио пожалуйста, обратитесь к JoVE науки образования базы данных11.
  2. После 5 h, но до 24 ч, лечить эмбрионы с 1-фенил-2-тиомочевины (ПТУ), чтобы предотвратить образование пигмента (0,003% ПТУ в среде эмбриона).
  3. Около 1 час до начала photoconversion, экрана эмбрионов под люминесцентные Стереоскоп и выберите 5 здоровых эмбрионов, которые появляются выразить яркий зеленый флуоресценции. Чтобы избежать воздействия эмбрионов окружающего света во избежание photoconverting Kaede в клетках неспецифической рекомендуется использовать низк интенсивности света при визуализации эмбрионов.

3. внедрение

  1. Подготовка 10 мл монтажа СМИ: 0.02% tricaine и 50 мм BDM в среде эмбриона.
  2. Добавить 2 мл среды монтажа Монтаж блюдо и позволяют 15-30 мин для решения диффундируют в агарозы.
  3. В то же время Расплавьте 1 мл Алиготе агарозы низкую температуру плавления (LMP) 0,7%, поставив трубку в блоке 70 ° C тепла для около 5 мин.
    1. Ждать LMP агарозы немного остыть, а затем добавить 25 мкл 8 мг/мл tricaine раствора и 40 мкл раствора 1 М BDM трубки агарозы низкой температурой плавления. Микс, закупорить вверх и вниз, затем передать трубку до 38 ° C тепла блок держать LMP агарозы в жидком состоянии.
  4. В Петри блюдо с эмбриона среде, тщательно dechorionate предварительный отбор эмбрионов под стереомикроскопом, с помощью щипцов, стараясь не повредить эмбрионов.
  5. Трансфер эмбрионов в отдельное блюдо, содержащий 2 мл монтажа СМИ.
    1. При останове сердца эмбрионов (занимает около 5-10 мин), переноса эмбрионов для монтажа блюдо и организовать эмбрионов в лунки с помощью щипцов, чтобы они лежат на 25 градусов, хвосты, указывая в направлении более глубокие части колодца, желток, вверх.
    2. Когда примерно на месте, удалите средства массовой информации, внедрить эмбрионы в ~ 200 мкл 0,7% агарозном LMP, содержащие tricaine и BDM эмбрионы и скорректировать позиции эмбрионов, наклоняя эмбрионов слева или справа при необходимости.
  6. Подождите, пока LMP агарозы наборы (занимает около 5 минут), затем добавить средне монтажа на блюдо. Эмбрионы теперь готовы быть photoconverted.
    Примечание: Tricaine и BDM используются анестезировать эмбрионы и остановить сердце эмбриона, соответственно. Монтаж средств массовой информации может быть подготовлен за день до изображений, но убедитесь, что для защиты от света.
    Примечание: Правильное позиционирование эмбрионы важно дать четкие лазерные путь к клетки, которую хочется photoconvert. Расположите голова эмбриона недалеко от начала хорошо так, что свет лазера не придется ехать далеко, чтобы достичь эмбрион, и таким образом, чтобы после photoconversion эмбрионы можно легко демонтируются.

4. Photoconversion

  1. На вертикальном конфокального микроскопа (как Leica SP8) оснащены 405 нм, 488 нм и 561 Нм лазерного источника, найдите эмбриона в сердце с помощью передаваемых белый свет (brightfield) и объектива (как Leica HCX IRAPO Л, 25 ×, н.а. 0,95 цель). Проверить наличие красной флуоресценции Каэдэ, используя 561 Нм лазер (то есть, DPSS 561 лазер, в ~ 5% интенсивности, детектор на 589-728 Нм). Затем Визуализируйте эндокарда, используя 488 нм лазер (то есть, 30 МВт мультилинии Аргонового лазера на ~ 5% интенсивности, детектор на 502-556 Нм).
  2. Режим «FRAP» на приобретение программного обеспечения микроскопа. Выбрать мощность лазера ~ 1% для обеих 488 нм и 561 Нм лазеры.
  3. Сосредоточиться на плоскости интерес, выберите регион интерес (ROI), затем photoconvert клетки, используя диод 405 нм лазерные лазера 25% мощности, просматривающей ROI три раза. Недостаточно Каэдэ следует photoconverted в ROI, сканировать 405 нм лазер над районом три раза снова. Повторите этот шаг для всех ROIs.
  4. Вернуться в режим «TCS SP8» на программное обеспечение и получить z стека, используя 561 Нм и 488 нм лазеры последовательно. Убедитесь в том выбрать опцию «двунаправленные» для увеличения скорости обработки изображений.
    Примечание: Как долго он принимает для photoconvert и изображения каждого эмбриона варьируется. Сердце биться как известно иметь важное значение для развития нормальной сердца клапан, так что избежать, сохраняя сердца, остановились на более чем 30 мин, даже если это означает, что вы не успели photoconvert все 5 эмбрионов.
    Примечание: Во время процесса photoconversion, использование ПЛТ детекторы, а после photoconversion, рекомендуется использовать гибридные детекторы, равным «подсчета» режим. Это потому, что гибридные детекторы более чувствительны и способны производить лучшее качество изображения, но легко повреждаются при загорании.

5. Отключение photoconverted эмбрионов

  1. После photoconversion используйте Пипетки стеклянные для нажимать слегка чуть выше головы эмбриона разорвать LMP агарозы, а затем нежно сосать эмбриона.
    1. Извлечения эмбриона из стеклянной пипетки в 35-мм Петри, содержащих среды эмбриона с ПТУ (чтобы смыть BDM, содержащие среднего).
    2. Переноса эмбриона в скважину на 6-ну пластины, содержащих среды эмбриона с ПТУ. Во время этого шага убедитесь, что держать сведению которой эмбрион переходит в которой хорошо, как это важно соотнести положение photoconverted клеток на позднее этапах своего развития.
  2. Теперь, когда эмбрионы будут удалены из содержащих среднего BDM, их сердца следует бить снова в около 5 мин возвращения эмбрионов в темноте на 28,5 ° C, чтобы позволить эмбрионов продолжать нормально развиваться.

6. imaging photoconverted клеток на позднее эмбриональных стадиях

  1. На стадии желаемого остановить сердце и повторно вставлять эмбрионов как в шаге 3 этого протокола, с важной разницей, что эмбрионы должны рассматриваться с БДМ в отдельных, отмеченные блюда для эмбрионов.
  2. Для эмбрионов до 62 hpf, приобрести z стеки эндокарда, используя 561 Нм и 488 нм для красный и зеленый люминесцентной сигналов, соответственно. Для эмбрионов на этапах старше 62 hpf, используйте multiphoton лазерные набор для 940 нм для изображения зеленый Каэдэ вместо 488 нм лазер.

7. изображение анализ для эмбрионов до 48 hpf

Примечание: Ткани движения АВК может быть трудным для анализа из-за своей сложной трехмерной структуры. Чтобы измерить длину photoconverted региона в AVC между двумя регионами не photoconverted или длина номера photoconverted региона в AVC между двумя регионами photoconverted, это может быть желательным для сопоставления трехмерной структуры на двумерной карте. Изображения photoconverted эмбрионы, полученные до 48 hpf могут быть проанализированы с использованием следующий метод.

  1. Импорт изображений в Matlab или любого аналогичного программного обеспечения.
  2. Разграничивать вручную ROI, т.е. эндокарда и применить маску, чтобы удалить сигнал за пределами этого региона.
  3. Примените порога интенсивности на изображении для определения точки на эндокарда и печать их в трех измерениях. Изолируйте точек, соответствующих узкой и наиболее прямой частью АВК, путем удаления вручную точки никакого интереса по предсердия и желудочка, используя команду стереть в программном обеспечении.
  4. Используйте цилиндр для определяющих точек, представляющих полученные таким образом AVC.
  5. Определите справочной системы для сравнения нескольких образцов. Например принять центр масс AVC точек как происхождение эталонной системы и оси установлены цилиндра как оси z.
    1. Убедитесь, что положительный z позиции всегда соответствуют той же стороне сердца (желудочков или предсердий).
    2. Проект AVC точек на плоскости x-y и использовать эллипса с учетом их.
    3. Вращайте эндокарда точек вокруг оси z, так что главной оси эллипса и y справочной системы являются параллельными и положительный y значения соответствуют к внутренней стороне АВК в отношении эмбриона.
  6. Сегмент АВК, вырезать трехмерного объекта dataset с некоторые самолеты, полученные путем поворота полуплоскости {y = 0, x > 0} в z направлении.
    1. Проект интенсивность соседних пикселов на этих самолетах и определить эндотелия и последовательным образом. Например черту вручную от фибрилляции желудочков сторону AVC на половину толщины эндотелия.
    2. Интерполировать точек линий, представляющих эндотелия с трехмерной сплайна с использованием панели сплайна представляют АВК с поверхностью.
      Примечание: Количество плоскостей резания определяет как точность сегментации и время потребление этого шага. Как правило 8 самолетов являются достаточно для достижения хороших результатов.
  7. Определите орбитальное положение каждой точки на поверхности AVC, с помощью цилиндрических координат.
    1. В каждом азимутальном положении определите параметрической кривой вдоль поверхности АВК, расчет длины дуги на поверхности между последовательными точками.
    2. Для каждой параметрической кривой определите точку на кривой ближе к центру AVC к нулю. Точки АВК таким образом полностью описаны в их азимутальном положении и их положение на параметрической кривой.
  8. Разворачиваться АВК в двумерное изображение, используя параметрический положение точек.
  9. Найти по краям региона для количественного определения как края бинарного образа Бинаризация соотношение интенсивностей photoconverted и не photoconverted каналы. При необходимости вручную измените результат.
  10. Рассчитайте длину дуги между краями для вычисления длины ткани как функция азимутальном положении.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Пример photoconverted эмбриона на 48 hpf и снова imaged на 80 hpf показан на рисунке 2, фильмы 1 и 2. Подвергая Каэдэ 405 нм свет необратимо преобразует из белка из его флуоресцентный зеленый формы флуоресцентные красный форму, позволяя поведение клеток, помечены зеленый или красный формы следует придерживаться в отношении их дифференциально цветные соседи при формировании клапана. Можно увидеть, что несколько photoconverted ...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Сроки photoconversion: Хотя Каэдэ остается ярко выраженный в ЭЭС, даже на 96 hpf, следует отметить, что по мере развития эмбриона, лазерный свет рассеивает больше прежде чем он достигнет AVC, затрудняя замкнутых photoconversion Каэдэ. В эмбриональных стадий позднее 55 hpf, воздухоплавание предсердия и желудочка также означает, что фиолетовый лазерный луч используется для photoconversion не может достичь AVC клетки без первого прохождения через Атриум или желудочка. Это означает, что помимо 55 hpf, чтобы photocon...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Конфликта интересов не объявлен.

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить Энн-Laure Duchemin, Дениз Duchemin, Натали Faggianelli и Basile ГУРЧЕНКОВ за помощь дизайн и сделать плесень, указанных в настоящем Протоколе. Эта работа была поддержана FRM (DEQ20140329553), НРУ (АНР-15-CE13-0015-01, АНР-12-ISV2-0001-01), программа следователя ЭМБО молодых, Европейское сообщество, КЧП CoG N ° 682938 компьютерные и Грантом АНР-10-LABX-0030-INRT, французский государственный фонд управляется Agence Nationale de la Recherche под рамки программы Investissements будущее меткой НРА-10-IDEX-0002-02.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
Materials
Необходимое оборудование для выращивания рыбы и сбора икры (подробности см. в Книге о рыбках данио-рерио22).
Стереомикроскоп
Вертикальный конфокальный микроскоп (оснащен лазерами, работающими на длинах волн 488 нм, 561 нм и 405 нм, перестраиваемым многофотонным лазером и объективом Leica HCX IRAPO L, 25 ×, N.A. 0,95)LeicaLeica SP8
Heat blockThermoScientific88870001
чашкой для культуры тканей размером 35 мм x 10 мм Falcon353001
6-луночная пластинаFalcon353046
чашка
Щипцы
Стеклянная пипетка
Форма <
стронг>Реагенты
8 мг/мл Исходный раствор трикаина 
1 м стоковый раствор
UltraPure низкая температура плавления агарозыInvitrogen16520-050
AgaroseLonza50004
PTU (1-фенил-2-тиомочевина)Sigma AldrichP7629
Зародышевая среда: 30x стоковый раствор
Software
Matlab оснащен наборами инструментов для анализа изображений, подгонки кривых, биоформатов MathWorks
8 мг/мл стокового раствора трикейна
200 мг порошка трикаина (этил3-аминобензоата метансульфоновой кислоты)Sigma-AldrichE10521
25 мл Danieau
Отрегулируйте до pH 7, аликвоту и храните при -20 °°; С 
1 M BDM стоковый раствор
1 г BDMSigma-Aldrich112135
10 мл ddH2O
Aliquot и хранить при температуре -20°°; C
Embryo medium: 30x стоковый раствор
50,7 г NaClSigma-Aldrich7647-14-5
0,78 г KClSigma-Aldrich7447-40-7
1,47 г Сульфат магнияSigma-Aldrich  7487-88-9
2,1 г Тетрагидрат нитрита кальцияSigma-Aldrich13477-34-4
19,52 г ГЕПЕС (4-(2-гидроксиэтил)-1-пиперазинэтансульфоновая кислота)Sigma-Aldrich7365-45-9
Довести до pH 7,2 и хранить при комнатной температуре
Mold
PlasСмолаCLEARАсига
Плюс 39  3D-принтер Freeform PicoAsiga
ПетриBDM

Ссылки

  1. Chow, R. W., Vermot, J. The rise of photoresponsive protein technologies applications in vivo: a spotlight on zebrafish developmental and cell biology. F1000Res. 6, (2017).
  2. Sehnert, A. J. Cardiac troponin T is essential in sarcomere assembly and cardiac contractility. Nat Genet. 31, 106-110 (2002).
  3. Peal, D. S., Lynch, S. N., Milan, D. J. Patterning and development of the atrioventricular canal in zebrafish. J Cardiovasc Transl Res. 4, 720-726 (2011).
  4. Boselli, F., Freund, J. B., Vermot, J. Blood flow mechanics in cardiovascular development. Cell Mol Life Sci. 72 (13), 2545-2559 (2015).
  5. Steed, E., Boselli, F., Vermot, J. Hemodynamics driven cardiac valve morphogenesis. Biochim Biophys Acta. , (2015).
  6. Boselli, F., Vermot, J. Live imaging and modeling for shear stress quantification in the embryonic zebrafish heart. Methods. , (2015).
  7. Steed, E. klf2a couples mechanotransduction and zebrafish valve morphogenesis through fibronectin synthesis. Nat Commun. 7, 11646(2016).
  8. Herwig, L. Distinct cellular mechanisms of blood vessel fusion in the zebrafish embryo. Curr Biol. 21 (22), 1942-1948 (2011).
  9. Boselli, F., Steed, E., Freund, J., Vermot, J. Anisotropic shear stress patterns predict the orientation of convergent tissue movements in the embryonic heart. Development. , (2017).
  10. Lombardo, V. A., Sporbert, A., Abdelilah-Seyfried, S. Cell Tracking Using Photoconvertible Proteins During Zebrafish Development. J. Vis. Exp. (67), (2012).
  11. JoVE Science Education Database. Biology II: Mouse, Zebrafish, and Chick. Zebrafish Breeding and Embryo Handling. , JoVE. Cambridge, MA. (2017).
  12. Watanabe, Y. Inhibitory effect of 2,3-butanedione monoxime (BDM) on Na(+)/Ca(2+) exchange current in guinea-pig cardiac ventricular myocytes. Br J Pharmacol. 132 (6), 1317-1325 (2001).
  13. Jou, C. J., Spitzer, K. W., Tristani-Firouzi, M. Blebbistatin effectively uncouples the excitation-contraction process in zebrafish embryonic heart. Cell Physiol Biochem. 25 (4-5), 419-424 (2010).
  14. Pestel, J. Real-time 3D visualization of cellular rearrangements during cardiac valve formation. Development. 143 (12), 2217-2227 (2016).
  15. Swinburne, I. A., Mosaliganti, K. R., Green, A. A., Megason, S. G. Improved Long-Term Imaging of Embryos with Genetically Encoded alpha-Bungarotoxin. PLoS One. 10 (8), e0134005(2015).
  16. Kaufmann, A., Mickoleit, M., Weber, M., Huisken, J. Multilayer mounting enables long-term imaging of zebrafish development in a light sheet microscope. Development. 139 (17), 3242-3247 (2012).
  17. Marchant, J. S., Stutzmann, G. E., Leissring, M. A., LaFerla, F. M., Parker, I. Multiphoton-evoked color change of DsRed as an optical highlighter for cellular and subcellular labeling. Nat Biotechnol. 19 (7), 645-649 (2001).
  18. Dempsey, W. P. In vivo single-cell labeling by confined primed conversion. Nat Methods. 12 (7), 645-648 (2015).
  19. Mohr, M. A., Pantazis, P. Single neuron morphology in vivo with confined primed conversion. Methods Cell Biol. 133, 125-138 (2016).
  20. Mohr, M. A., Argast, P., Pantazis, P. Labeling cellular structures in vivo using confined primed conversion of photoconvertible fluorescent proteins. Nat Protoc. 11 (12), 2419-2431 (2016).
  21. Mohr, M. A. Rational Engineering of Photoconvertible Fluorescent Proteins for Dual-Color Fluorescence Nanoscopy Enabled by a Triplet-State Mechanism of Primed Conversion. Angew Chem Int Ed Engl. 56 (38), 11628-11633 (2017).
  22. Dempsey, W. P., Fraser, S. E., Pantazis, P. PhOTO zebrafish: a transgenic resource for in vivo lineage tracing during development and regeneration. PLoS One. 7 (3), e32888(2012).
  23. Dempsey, W. P., Qin, H., Pantazis, P. In vivo cell tracking using PhOTO zebrafish. Methods Mol Biol. 1148, 217-228 (2014).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

BDMKaede