在这里, 我们提出了一个协议, 介绍了一套新的前蛋实验和物理建模方法来研究早期鸡胚脑扭转的形态发生机制。
胚胎发育通常是从生物分子遗传学的角度来研究的, 但力学在形态发生中的基本重要性越来越被人们所认识。特别是, 胚胎小鸡心脏和脑管, 经过剧烈的形态学变化, 因为他们的发展, 是主要的候选者, 研究物理力量在形态发生中的作用。小管状胚胎鸡脑的渐进腹侧弯曲和向右扭转发生在鸡胚胎发育的器官水平左-右不对称的最早阶段。卵黄膜 (VM) 约束胚胎的背侧, 并有牵连提供必要的力量, 以诱发发展中的大脑扭转。在这里, 我们提出了新的前蛋实验和物理建模的组合, 以确定大脑扭转的力学。在汉堡-汉密尔顿阶段 11, 胚胎是收获和培养的前蛋 (在媒体)。然后使用拉毛管将 VM 移除。通过控制流体的水平和将胚胎置于流体-空气界面上, 介质的流体表面张力可以用来代替 VM 的机械作用。同时进行显微外科实验, 改变心脏的位置, 以发现脑扭转的手性改变。该协议的结果说明了力学在驱动形态发生中的基本作用。
现代发展生物学研究主要集中在从分子遗传学的角度理解发展问题1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13. 众所周知, 物理现象在形态发生中起着中心作用, 或产生生物形态14,15,16,17;然而, 具体的发展机械机制仍然很大程度上研究忽略。在汉堡包-汉密尔顿阶段11 (HH 11)18中, 原始脑管的腹壁弯曲和向右扭转是导致胚胎形状变化的两个主要过程1920。特别是, 胚胎大脑扭转发育的物理机制仍然不完全理解。
鸡胚的胚胎扭转是左-右 (l-R) 发育不对称的最早形态发生事件之一。当 l-R 不对称的过程受到扰动时, 诸如内脏、异构或heterotaxia等出生缺陷将发生在21中。
在这里, 我们提出一个协议, 其中结合前蛋实验22,23与物理建模, 以表征机械力在早期胚胎脑发育。所提出的方法的目的是确定在早期开发过程中负责大脑扭转的机械力和影响扭转程度的因素12。通过实验观察, 卵黄膜 (vm) 对胚胎的背侧有一定的约束, 我们假设 vm 提供了诱发发育脑扭转的必要力量。因此, 在这个方法中, 我们删除了覆盖大脑区域的 VM 的一部分, 以找出对大脑扭转的影响。此外, 采用流体表面张力的方法, 以确定 VM 的机械作用, 并提供了对大脑扭转所需的力量的估计, 这是以前没有做过的。在胚胎形态发生过程中测量力是一项艰巨的任务。值得注意的是, 在一项开创性的研究中, Campàs 和同事24开发了一种新的方法, 用注射 microdroplets 量化细胞应力。然而, 这种方法仅限于测量细胞水平的力量, 因此不适用于组织或生物体级的探针力。本文提出的协议部分填补了这一空白。
虽然物理现象在形态发生中扮演一个不可分割的角色26,27,28,29,30, 具体的机械机制, 以及协调机械和分子机制, 仍然主要未探索。据了解, 原脑的腹壁弯曲和向右扭转是导致早期胚胎形态发生的两个中心过程18,31,…
The authors have nothing to disclose.
陈竺承认达特茅斯创业基金和 Branco 的科学研究协会的支持, 由瑞士联邦管理。作者感谢 Drs. 泰伯、Benjamen a. Filas、Qiaohang 郭和云飞仕为有益的讨论, 以及匿名评论者的意见。该材料是根据国家科学基金会研究生研究金资助的工作提供的。DGE-1313911。本材料所表达的任何意见、发现和结论或建议都是作者的观点, 并不一定反映国家科学基金会的观点。
Fertilized Specific pathogen-free White Leghorn chicken eggs | Charles River | ||
Optical Coherent Tomography Microscope | Thorlabs | GAN220C1 | |
Silicone elastomer | Smooth-On, Inc. | EcoFlex 00-50 | |
Dissecting microscope | Leica | MZ8 | |
Dulbecco’s Modified Eagle’s Medium (DMEM) | Lonza | 12-604F | |
Antibiotics | Sigma | P4083 | |
Chick serum | Sigma | C5405 | |
Micropipette puller | Sutter Instrument | Model P-30 | |
Filter paper | Whatman | 5202-110 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Corning | 21-040-CV | |
Comsol MultiPhysics | Comsol | ||
3D computer graphics software | Rhino 5 | ||
Microscope attached with OCT | Nikon | FN1 | |
Digital single-lens reflex camera | EOS | Rebel T3i |