$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Точная ориентация образца является жизненно важной частью эффективного использования микроскопической установки. Однако ручная ориентация образцов часто невозможна при использовании многоракурсной системы световых листов, учитывая требования к подготовке образцов в пробирке. Таким образом, чтобы проверить, существуют ли стереотипные позиции, которые эмбрионы занимают в хорионе, эмбрионы рыбок данио были визуализированы при 70% эпиболии (около 7 часов после оплодотворения (HPF)), поскольку в центре внимания этого исследования была покадровая визуализация от гаструляции до ранних стадий сомита. Когда образцы были подготовлены непосредственно перед визуализацией при 70% эпиболии, эмбрионы не показали специфической ориентации, которая часто наблюдается в образцах. Поскольку это часто нежелательно, образцы готовили задолго до гаструляции и хранили в микроцентрифужных пробирках при соответствующей температуре до начала визуализации. В этих условиях, при 70% эпиболии (N = 3; n = 87 эмбрионов), ориентации эмбрионов могут быть классифицированы следующим образом: (1) горизонтальными, когда животно-растительная ось (AV) эмбриона была ортогональна длинной оси полимерной трубки, (2) вертикальными, когда ось AV параллельна длинной оси полимерной трубки, и (3) косыми, когда ось АВ находилась под острым углом (рис. 3А). Горизонтальное положение было представлено меньше всего, в то время как вертикальное и косое положения наблюдались в равной степени (рис. 4).
Когда эмбрионы были оставлены в трубах, эмбрионы были стабильны в этих соответствующих положениях до 90% эпиболии, после чего большинство эмбрионов изменили свою ориентацию. Таким образом, потребовался второй раунд документирования ориентаций на стадии эмбриогенеза почек (около 10 HPF), чтобы учесть измененные ориентации. Это было сделано для самостоятельно подготовленных образцов. Ранее сообщалось, что для визуализации ранних стадий сомитов эмбрион с хордой, ортогонально длинной оси полимерной трубки, является идеальной ориентацией, поскольку он позволяет визуализировать множественные двусторонние сомиты, формирующиеся вдоль оси15. Когда образцы были подготовлены до гаструляции (N = 3, n = 93 эмбриона), около 25% эмбрионов демонстрировали эту ориентацию (рис. 4), и эти эмбрионы оставались стабильными в этой ориентации, по крайней мере, до стадии 8-сомита, что согласуется с предыдущими отчетами15. Остальные эмбрионы демонстрировали различные другие ориентации на стадии зачатка (классифицированы на рисунках 3B и 4); Однако многие из них переориентировались в горизонтальное положение во время раннего формирования сомитов. Интересно, что аналогичный процент эмбрионов имел горизонтальную ориентацию на стадии бутона, независимо от того, был ли образец подготовлен до гаструляции, при 70% эпиболии или непосредственно перед стадией бутонов. Таким образом, время подготовки образца представляется менее важным для горизонтальной ориентации, представляющей интерес для визуализации сомитных стадий, в отличие от того, что наблюдалось при визуализации при 70% эпиболии.
Преимуществом многоракурсной системы является возможность просмотра одного и того же образца под разными углами. Однако для эмбрионов рыбок данио на упомянутых стадиях количество просмотров, необходимых для получения клеточного разрешения по всему эмбриону, неясно. Чтобы охарактеризовать это, эмбрионы рыбок данио были визуализированы с использованием объектива 20x/1 NA в группе обнаружения с коэффициентом увеличения 1, что соответствовало толщине светового листа 4,57 мкм. При таких настройках зародыш покрывал все поле зрения sCMOS-камеры с размером пикселя 6,5 мкм и площадью 1920 на 1920 пикселей. Микроинъекция мРНК флуорофора, меченного гистоном (H2A-mCherry) в эмбрионы 1-клеточной стадии, полученные из трансгенной линии, маркирующей актиновые филаменты (Utr-GFP), позволила визуализировать как ядра, так и клеточные мембраны в эмбрионе. Для выполнения многоракурсного слияния эмбрионов с различными угловыми интервалами проводили 360° получение двойных трансгенных эмбрионов, а также бусин в пробирке с интервалом каждые 30° (n = 3 эмбриона при 70% эпиболии; n = 3 эмбриона на стадии почки) или 45° (n = 3 эмбриона при 70% эпиболии; n = 3 эмбриона на стадии почки) с интервалом около 100 срезов в каждом углу и интервалом среза 2 мкм. За счет пропуска альтернативных углов во время обработки изображений при съемке под углом 30° и 45° дополнительно предоставлялись наборы данных под углом 60° и 90°.
Затем полученные изображения регистрировались с использованием информации о бусинах, а регистрационные данные переносились в набор данных об эмбрионе, как описано в разделе протокола. Успешная регистрация с помощью плагина BigStitcher была достигнута для различных сборов, за исключением набора данных 90°, что, вероятно, связано с меньшим охватом образца с каждого угла. Чтобы преодолеть это, эмбрионы были визуализированы каждые 90° с примерно 400 срезами под каждым углом и интервалом среза 2 мкм, как на 70% стадии эпиболии, так и на стадии почки, которые были успешно зарегистрированы (n = 3 эмбриона на каждой стадии).
Следующим шагом было выполнение многоракурсного слияния и деконволюции зарегистрированных наборов данных. Это было сделано с 4-кратным понижением дискретизации для ускорения вычислений. Как видно на примере представления ядер с индивидуальных ракурсов и мультипроекционного реконструированного эмбриона (рис. 5), отдельные ракурсы охватывают меньшее поле зрения, что при слиянии дает изображение всего эмбриона. Для представления ядра были обнаружены с помощью Mastodon (https://github.com/mastodon-sc/mastodon), плагина на основе FIJI, который можно добавить в раздел «Управление сайтами обновлений» меню «Помощь» в FIJI и получить доступ к нему в меню плагинов после добавления. Для детектирования соответствующие изображения сначала конвертировались в формат XML/hdf5, а затем выполнялось ядерное детектирование с помощью плагина «Detection» компании Mastodon с DoG-детектором (диаметр 6 мкм и порог качества 80).
Среди различных объединенных изображений набор данных 90° показал очень высокий фон в глубине образца, что сделало его непригодным для проведения какой-либо количественной оценки. Таким образом, в отличие от более мелких образцов, таких как эмбрионы дрозофилы, которые часто визуализировались с интервалом 90° в других исследованиях 9,22, то же самое не рекомендуется для визуализации эмбрионов ранних рыбок данио-рерио с использованием объектива 20x/1 NA. Между 30°, 45° и 60° объединенными наборами данных качественно не было существенной разницы в информации о ядрах (рис. 6B, верхний ряд); тем не менее, более тонкие структуры, такие как границы ячеек, оказались гораздо лучше разрешенными с помощью набора данных с углом 30° по сравнению с остальными (рисунок 6C, верхний ряд).
Чтобы подтвердить это наблюдение, Mastodon был использован для обнаружения ядер на объединенных изображениях, полученных при визуализации через каждые 30°, 45° и 60°. Для анализа были выбраны три области на объединенных изображениях, по одной на глубине 20 мкм (рис. 6A), 50 мкм и 100 мкм от поверхности эмбриона. Для сравнения эффективности обнаружения ядер на изображениях было выполнено описанное выше детектирование с идентичными параметрами на объединенных изображениях с разных угловых интервалов. Во всех проанализированных областях каждое ядро было обнаружено независимо от слитых изображений, полученных при визуализации с шагом 30°, 45° или 60° (рис. 6B, нижний ряд). Таким образом, глобулярные структуры, такие как ядра, могут быть визуализированы в любом из вышеуказанных угловых интервалов без потери информации.
Для анализа клеточных границ использовали Tissue Analyzer23, плагин FIJI, обычно используемый для сегментации клеток 24,25,26. Как и в Mastodon, плагин Tissue Analyzer может быть добавлен в раздел «Управление сайтами обновлений» меню «Справка» в FIJI и доступен в меню плагинов после добавления. Границы клеток были сегментированы с помощью алгоритма водораздела с параметрами по умолчанию и сильным размытием в диапазоне от 1,5 до 2 в зависимости от глубины ткани и слабым размытием 1. Эти параметры поддерживались постоянными во всех анализах, что облегчало простое сравнение. Когда сегментированные изображения вручную сравнивались с исходными входными изображениями, наблюдались ошибки, когда программное обеспечение либо не смогло обнаружить границу ячейки, либо нарисовало несуществующие границы ячеек (рис. 6C, нижний ряд). Количество ошибок, допущенных плагином тканевого анализатора, было нормализовано к общему количеству обнаруженных связей в регионе и рассчитано как «Ошибка сегментации границ». Несмотря на то, что эти ошибки присутствовали во всех проанализированных областях, количество ошибок резко возросло на объединенных изображениях, полученных при визуализации на угловых интервалах 45° и 60°, по сравнению с 30° (рис. 6D). Это указывало на то, что разрешение на объединенных изображениях становилось все хуже при увеличении углового интервала. Таким образом, для сегментации более тонких структур, таких как границы ячеек, более узкий угловой интервал упрощает последующую обработку.

Рисунок 1: Подготовка образцов с использованием полимерных пробирок. (А) Полимерная пробирка из хранящихся микроцентрифужных пробирок берется с помощью щипцов. (B) Прикрепление пробирки к кончику микропипетки объемом 200 мкл. (В) Аспирация эмбрионов с помощью пипетки в пробирку. (Д,Э) Полимерная трубка с эмбрионами стадии почки, видимыми на дне пробирки. (F) Полимерные трубки помещают на чашку Петри с E3 для затвердевания агарозы. (G) Хранение полимерных пробирок в микроцентрифужной пробирке, заполненной Е3. (H) Собранный держатель образца с установленной полимерной трубкой. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Рабочий процесс анализа изображений Multiview и регистрация с использованием бусин. (A) Конвейер анализа многоракурсных изображений. (B) На изображении показано окно "Multiview Explorer" в BigStitcher, плагине FIJI, где каждый вид отображается в виде одной строки и содержит информацию об угле, канале, регистрации, точках интереса и PSF. Все команды, описанные в протоколе, отображаются при выборе представления и последующем щелчке правой кнопкой мыши, как показано во всплывающем меню. Выбранные виды можно визуализировать в окне BigDataViewer, как показано на рисунке. (C) Репрезентативное изображение бусин до (слева) и после регистрации (справа), полученное с помощью изображений с угловыми интервалами 30°. Все угловые виды были выбраны и отображены. Масштабные линейки: 75 μм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Обзор стандартных ориентаций эмбрионов. Репрезентативные изображения ориентаций, в которые попадают эмбрионы в хорион на 70% эпиболии (А) и стадии почки (В). В верхнем ряду каждой панели изображены изображения в светлом поле, полученные с помощью системы световых листов, а в нижнем ряду — репрезентативные мультфильмы. Стрелки в (B) указывают на положение хорды, которая использовалась для определения ориентации. Ap, животный столб; Vp, растительный столб; А, передний; , задний. Масштабные линейки: 100 μм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Статистика различных ориентаций эмбрионов. (А) В столбце с укладкой указано процентное соотношение эмбрионов, которые попадают в указанную ориентацию при 70% эпиболии при подготовке образцов перед гаструляцией. (B) В сложенных столбцах указано процентное соотношение эмбрионов, которые попадают в указанные ориентации на стадиях зачатков при подготовке образцов до гаструляции (слева), при 70% эпиболии (в центре) и на стадиях зачатков (справа). N, число независимых кладок, из которых были получены эмбрионы; n, общее количество эмбрионов. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Представление ядер из мультипроекционного реконструированного эмбриона. (А) 3D-диаграмма рассеяния представляет собой ядра, обнаруженные в мультипроекционно-реконструированном эмбрионе, изображенном с угловым интервалом 30̛°. Каждый круг представляет собой ядро, а центроид положения ядер нанесен на график. Ядерные координаты были получены с помощью Mastodon, плагина для Фиджи. (B) 3D-диаграммы рассеяния ядер из трех репрезентативных изображений одного и того же эмбриона, изображения которых находятся на расстоянии 60° друг от друга. Цвета для каждого ядра были присвоены случайным образом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 6: Сравнение информации сотового масштаба в объединенных изображениях. (A) На изображении слева показан снимок эмбриона, реконструированного с помощью мультиракурса на глубине 20 мкм от поверхности. Желтым кругом обозначена область, используемая для дальнейшего анализа. Масштабные линейки: 50 μм (на всех панелях). (B) Репрезентативные необработанные изображения ядер на глубине 20 мкм от поверхности эмбриона из трех наборов данных, визуализированных с шагом 30°, 45° и 60° соответственно (вверху). Ядра обнаружены (выделены зеленым цветом) на тех же изображениях Mastodon, плагина для Фиджи (внизу). (C) Репрезентативные необработанные изображения на глубине 20 мкм от поверхности эмбриона из трех наборов данных, полученных с интервалом 30°, 45° и 60° соответственно, с использованием актинового маркера Utr-GFP (вверху). Границы, сегментированные с помощью Tissue Analyzer, плагина FIJI, показаны для тех же изображений (внизу). Стрелки указывают на ошибки, допущенные анализатором тканей при сегментации границ, при этом желтая стрелка представляет отсутствующую границу, а белая стрелка представляет неправильно обнаруженные границы, когда визуально кажется, что границ нет. (D) Ящичковая диаграмма показывает процент ошибок, допущенных тканевым анализатором между многоракурсными реконструированными эмбрионами, визуализированными каждые 30°, 45° и 60° на разной глубине. Погрешности указывают на 1,5-кратный межквартильный диапазон. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.