C. elegans, genetik, hücresel biyoloji ve moleküler biyoloji araştırmaları için güçlü bir model organizmadır, çünkü laboratuvarda kolayca kültürlenirler, kısa bir üretim süresine ve ömrüne sahiptirler, memelilerle yüksek derecede protein homolojisini paylaşırlar ve floresan proteinlerin ve boyaların in vivo görselleştirilmesine izin veren şeffaf bir vücut yapısına sahiptirler1. C. elegans'ın gelişim biyolojisi ve yaşlanma da dahil olmak üzere bir dizi alanda büyük bir model sistem olarak uzun süredir kullanılmasının bir sonucu olarak, büyüme ve gelişmeleri iyi anlaşılmış, genomları tamamen sıralanmış ve genom çapında RNAi besleme kütüphaneleri ve binlerce mutant ve transgenik suş da dahil olmak üzere bir dizi güçlü genetik araç yaratılmıştır. Tarihsel olarak, C. elegans katı agar nematod büyüme ortamı (NGM) üzerinde popülasyonlar olarak yetiştirilir ve fenotipler doğrudan gözlem veya görüntüleme ve aşağı akış analizi ile manuel olarak değerlendirilir. Floresan mikroskopi, bireysel C. elegans'ta boyalar veya transjenik olarak eksprese edilmiş floresan etiketleri kullanarak çeşitli moleküler fenotipleri yakalamak için kullanılır.Floresan görüntüleme tipik olarak, bir hayvanı invaziv ve genellikle ölümcül olan ince agaroz pedleri içeren slaytlara sabitlemeyi veya felç etmeyi içerir. Ayrıca, levamisol veya sodyum azid gibi kimyasalların kullanımını da içerir ve bu da potansiyel olarak ilgilenilen moleküler sürece müdahale edebilir 2,3. Birlikte, bu yaklaşımlar kesitsel, popülasyon düzeyinde verilerin geniş bir fenotip yelpazesinde toplanmasına izin verir, ancak zaman içinde bireysel hayvanların izlenmesine izin vermez.
Son yıllarda, izole C. elegans'ı yetiştirmek için çeşitli yaklaşımlar ortaya çıkmış ve araştırmacıların yeni görüntüleme teknolojilerini kullanarak zaman içinde hayvanların fizyolojik ve moleküler fenotiplerindeki dinamik değişiklikleri yakalamalarına olanak sağlamıştır. C. elegans kültür yaklaşımının bir kategorisi, WormFarm4, Nemalife çip5 ve Chronis ve ark.6'nın 'davranış' çipi de dahil olmak üzere mikroakışkan cihazlardırve diğerleri 7,8,9'dur. Bunlarla ilgili olarak, zaman içinde bireysel solucanları veya küçük popülasyonları karakterize etmek için çok kuyucuklu plakalar kullanan sıvı bazlı kültür yöntemlerivardır 10,11. Mikroakışkanlar ve mikroplaka sistemleri, C. elegans'taki fenotipik tepkilerin tek bir hayvana kadar mükemmel nicel ölçümlerini sağlar, ancak kültür ortamı önemli bir sınırlama sunar. C. elegans'ta, özellikle yaşlanma alanında, geçmiş araştırmaların büyük çoğunluğu, katı agar bazlı medya üzerinde tamamlanmıştır. Sıvı kültür, C. elegans'ın sürekli yüzmesine neden olur ve altta yatan biyolojiyi değiştirebilecek farklı bir çevresel bağlamı temsil eder. Örneğin, sıvı ortamda kültürlenen hayvanlar, agar bazlı katı NGM12,13 üzerinde kültürlenen hayvanlara göre, yağ içeriğini ve gen ekspresyonunu - özellikle stres tepkisinde yer alan genler için - büyük ölçüde değiştirmiştir. Tek hayvanlı görüntüleme yöntemlerinin alternatif bir kategorisi, Petri plakaları üzerindeki grup kültüründe katı NGM üzerinde kültürlenen solucanların yaşadığı standart ortamı daha yakından taklit etmek amacıyla, katı ortam üzerinde bireysel hayvanları izole eden polidimetilsiloksan (PDMS) cihazlarını içerir. WorMotel, bireysel hayvanları katı ortamlarda kültürlemek için tasarlanmış 240 kuyucuklu bir PDMS cihazıdır. Her kuyucuk, agar yerine düşük erimeli agaroz kullanılarak modifiye edilmiş bir NGM ile doldurulur ve bakteriyel gıdalarla tohumlanır, böylece Petri plakaları kullanılarak en yaygın kültür sistemine benzer katı bir ortam ortamı yaratılır. Kuyu duvarları yuvarlaktır ve kuyudaki konumdan bağımsız olarak her hayvanın görüntülenmesine izin verir (çok kuyulu bir plakadaki bir duvarın yakınındaki bir hayvanın neden olduğu görsel belirsizlikten kaçınır). Her kuyuyu çevreleyen dar bir hendekte bulunan bakır sülfat, hayvanları kuyularında tutmak için caydırıcı olarak kullanılır14,15. Bu yaklaşımın bir sınırlaması, bakır sülfatın, diyet kısıtlaması, patojenik bakteriler veya hücresel strese neden olan kimyasallar (örneğin, paraquat) dahil olmak üzere engelleyici çevresel koşullar mevcut olduğunda solucanların kaçmasını önlemede etkisiz olmasıdır.
Katı ortam kullanan ikinci bir sistem, bir slayttaki her solucan için küçük bir sızdırmaz ortam oluşturmak için bir hidrojel kullanan ve bireysel olarak izole edilmiş hayvanların uzun süreli izlenmesine izin veren Worm Corral'dır16. Önemli bir sınırlama, hayvanların yumurta olarak çevreye kapatılması gerektiği, üremeyi önlemek için steril hayvanların kullanılmasını gerektirmesi ve ilaç tedavilerinin tek bir uygulamayla sınırlandırılmasıdır. Çok dozlu ilaç denemeleri, WorMotel'de solucanları cihaza aktarmadan önce birden fazla maruz kalma turu gerçekleştirerek veya deney sırasında kuyucuklara topikal olarak ek ilaçlar ekleyerek gerçekleştirilebilir; Bununla birlikte, ikinci durumda, mevcut bir kuyucuğa ek bir ilaç eklendikten sonra gerçek maruz kalma dozunun kesin olarak ölçülmesi zordur ve ilacın ne kadar hızlı bozulduğuna bağlıdır. Hem WorMotel hem de Worm Corral, aktivite ve hayvan fizyolojisi (örneğin, büyüme ve gelişme) ile ilgili bilgileri yakalamak için parlak alan veya karanlık alan görüntüleme için mükemmeldir. Bu sistemler floresanı izlemek için kullanılabilse de, deneyimlerimize göre, diğer tek solucanlı görüntüleme teknolojilerini oluşturmak için kullanılan PDMS, özellikle C. elegans araştırmasında kullanılan en yaygın florofor olan GFP emisyon aralığında, tutarlı floresan görselleştirme ve nicelleştirmeye müdahale eden düzensiz floresan artefaktlar üreten mikrokabarcıklar oluşturmaya, partikülleri yakalamaya ve diğer küçük anormalliklere eğilimlidir. Bugüne kadar, C. elegans bireysel hayvanlarının uzunlamasına bir şekilde canlı floresan görüntülemesi öncelikle mikroakışkan cihazlara dayanmaktadır17.
Burada, bireysel C. elegans'ı katı ortam üzerinde kültürlemek için hem engelleyici müdahaleler hem de doğrudan floresan görüntüleme ile uyumlu yeni bir yöntem tarif ediyoruz. Bu yaklaşım, özel olarak kalıplanmış PDMS çipinin, başlangıçta mikro sitotoksisite testleri için geliştirilen ticari olarak temin edilebilen polistiren mikro tepsilerle (yaygın olarak Terasaki tepsileri olarak da adlandırılır) değiştirilmesi dışında, konsept olarak diğer tek solucanlı görüntüleme teknolojilerine benzerdir18. Bu mikro tepsiler, katı ortamlarla doldurulabilen ve bakteriyel gıdalarla tohumlanabilen, standart katı NGM kültür metodolojisi altında hayvanların yaşadığı çevreyi yakından taklit eden kuyucuklara sahiptir. Her kuyu, bakır sülfat yerine palmitik asidin engelleyici bir bariyeri ile çevrilidir. Palmitik asit, solucanların katı ortamlardan kaçmasını önlemek için, solucanların diyet kısıtlaması veya kimyasal bir stresöre maruz kalma gibi engelleyici bir ortamla zorlandığı deneylerde Petri plakaları üzerinde standart grup kültürünü kullanarak yaygın olarak kullanılır. Mikro tepsiler ayrıca minimal ve tutarlı floresan arka plan üreterek hayvanların doğrudan kültür ortamlarında floresan görüntülemesine olanak tanır. Bu yeni tek hayvanlı katı agar tabanlı kültür sistemi, yalnızca yaşam boyunca bireysel hayvanların izlenmesine ve büyümenin, gelişmenin, aktivitenin ve ömrün izlenmesine izin vermekle kalmaz, aynı zamanda doğrudan floresan mikroskobu ile de uyumludur. Solucanlar felç veya fiksasyon olmadan görüntülenebildiğinden, in vivo floresan biyobelirteçleri, kültür ortamlarında kalan bireysel hayvanlarda uzunlamasına ölçülebilir ve her hayvanın ömrü boyunca dinamik değişikliklerin gözlemlenmesine izin verir. Bu kültür sistemi, kullanım ömrünü ve diğer sağlık ölçümlerini izlemek için mevcut nesil otomatik sistemlerle de uyumludur14,19. Bu mikrotepsi tabanlı sistemde bireysel C. elegans'ı kültürlemek için ayrıntılı bir protokol sunuyoruz, potansiyel tuzakları ve sorun gidermeyi tartışıyoruz ve diğer sistemlere göre avantajları ve sınırlamaları ve özellikle güncellenmiş ve optimize edilmiş bir WorMotel protokolü15'i tartışıyoruz.
Her tek solucan kültürü ortamı, özel bir 3B yazdırılmış adaptör kullanılarak standart bir tek kuyucuklu tepsinin içine monte edilmiş bir mikro tepsiden oluşur (Şekil 1A). Kuyucuklar düşük erimeli agaroz nematod büyüme ortamı (lmNGM) ile doldurulur, besin kaynağı olarak konsantre bakterilerle tohumlanır ve solucanların kaçmasını önlemek için palmitik asit kaplaması ile çevrilidir (Şekil 1B). Mikro tepsi ile tek kuyucuklu plakanın duvarları arasındaki boşluk, nemi korumak için doymuş su kristalleri ile doldurulur (Şekil 1B). Yoğuşmayı önlemek için tepsi kapağına bir deterjan kaplaması uygulanır. Her bir kuyucuğa tek bir solucan eklenir ve tek kuyucuklu tepsi, nemi korumak ve oksijen değişimine izin vermek için Parafilm ile kapatılır. Altı adede kadar mikro tepsi, tek bir deneyimli araştırmacı tarafından paralel olarak makul bir şekilde hazırlanabilir.