细胞标记和注射胚胎发展小鼠心脏

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Biology

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Summary

我们描述了一系列的方法来注入染料,DNA载体,病毒和细胞,以监测来自于胚胎或多能干细胞内的小鼠胚胎在胚胎天(E)9.5和后期阶段内源性和移植细胞的两个细胞命运和表型的发展。

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Hiriart, E., van Vliet, P., Dirschinger, R. J., Evans, S. M., Puceat, M. Cell Labeling and Injection in Developing Embryonic Mouse Hearts. J. Vis. Exp. (86), e51356, doi:10.3791/51356 (2014).

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Abstract

测试或胚胎多能干细胞衍生体外协议的命运导致了有争议的结果并不一定反映其在体内的潜力。优选地,这些细胞应放置在一个适当的胚胎的环境,以获得它们的明确的表型。此外,细胞谱系与染料或逆转录病毒载体标记细胞后跟踪在小鼠的研究大多停留仅限于早期小鼠胚胎仍然具有发育不良的器官。为了克服这些局限性,我们设计的标准和超声介导微注射协议,在小鼠胚胎E9.5和发展的后期阶段注入不同药物在心脏的目标区域。胚胎植体或胚胎培养,然后向左或进一步发展在子宫内 。这些试剂包括荧光染料,病毒的shRNA,或干细胞来源的祖细胞。我们的方法允许保存的福器官同时监测迁移和标记和/或注射细胞命运nction。这些技术可以扩展到其他器官,将是非常有益的发展生物学重点解决生物学问题。

Introduction

十年多前,人类胚胎干细胞(HuESCs)已被来自人类囊胚1。从那时起,这些细胞已成为一个重要的研究领域其中涉及在人类发育生物学问题未得到满足的对象。 HuESCs已进一步在再生医学提供了希望。近年来,人体诱导多能干细胞(iPS细胞)已经产生从患者特异性体细胞提供遗传病2的模型。许多体外协议对胚胎或诱导多能干细胞对各种细胞系,包括心脏谱系3的分化,已有报道。在分化的细胞通常是由RNA和蛋白质的表达,免疫染色和/或在体外功能性测试的表型分析。然而,多能干细胞衍生必须被放置在一个合适的胚胎的环境,以测试它们是否充分获得大公他们的胚胎对口升的命运,以及他们是否概括了真正的体内响应区域提示功能。而组织工程是有前途的,但还没有提供适当的体内所有已知的和未知的线索显影胚胎组织4,5。

在胚胎中,包括小鼠胚胎的染料或逆转录病毒载体的细胞标记,都带来了重要的信息,以细胞谱系的心脏发育6在胚胎起源。例如,染料注射到小鼠胚胎体外 ,接着在体外培养离体心脏的心包空间,用于标记心外膜细胞和它们的后代7。然而,染料和逆转录病毒细胞标记已大多应用于小鼠早期胚胎仍然不发达的器官,或鸡胚,这是更方便8。一个例外是大脑,这是比较容易瞄准在电子商务mbryos 9,10。这种方法还没有被应用到跳动的胚胎小鼠心脏。

为配合直接标记用染料或病毒,并进行血统跟踪更先进的阶段小鼠胚胎和成年小鼠的细胞标记方法已被结合利用Cre /液氧技术,转基因小鼠的分析。的酶Cre /液氧的方法11功能但是由于用来驱动重组酶表达的基因调控区域的时空特异性,与酶Cre /液氧重组12的效率一定的局限性。此外,这种方法并不能完全解决细胞迁移导向采集细胞命运的具体问题,因为它不仅可以激活用于驱动Cre重组酶的表达调控区域后标记一个前兆。它也不能适用于人类胚胎明显的道德问题。

由于这些限制,我们设计了一系列新的protocols到的目标区域的各种细胞标记剂,例如荧光染料,病毒,基因表达调节剂,如的shRNA和基于DNA的细胞标记的载体,或细胞在小鼠胚胎在E9.5和发展的后期阶段的注入心脏。

将DNA /细胞注射用立体显微镜和一个简单的微注射装置结合的体外胚胎培养到48小时,或离体心脏或胚胎外植体培养48-72小时。我们还报告在小鼠胚胎心脏在子宫内的超声介导的微注射协议该技术允许监测胚胎13的发展,并允许长期随访injectates和/或标记的细胞。

我们发现,这些方法保存器官的功能,并提供了比在体外测试的干细胞潜能的比较有代表性的环境。它也提供了机会,跟随迁移的标记和/或注射的细胞来监测他们的命运。最终,这应该产生一个更好地了解区域组织图案和关键生物过程。

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Protocol

1。准备

动物的程序

取得动物伦理委员会的批准,并按照工作的组织指导方针与病毒,HuESC和/或iPSC的(适用时),以及鼠标操作,获得小鼠胚胎,并进行小鼠手术。对于定时交配,插头的日子被认为是胚胎一天(五)0.5 / 0.5天后coitum。

  1. 显微注射针:
    对于子宫外显微注射,用移液管拔出器/ beveller获得一个1或10微米的内部顶端直径和锋利和锥尖的形状,分别注入的DNA或细胞拉玻璃移液管(1.2 mm外径的硼硅酸盐毛细管)。对于超声介导注射,使用定制的无菌针头,其中有一个外/内直径为1.14 mm/0.53毫米(外径/内径),与50 /35μm的外径/内径一角。
  2. 硅填充培养皿:
    作为手册,准备硅。填一毫米直径的干净的玻璃60培养皿中〜1cm的弹性体层。避免产生气泡。
  3. 工具:
    保持在操作过程中之前和所有外科手术器械无菌的。
  4. DNA的制备:
    新增3微克DNA和12微升的Opti-MEM中一管。加入3μL脂质体2000和12μL的Opti-MEM在另一试管中。孵育5分钟,在室温下,混合两种溶液。立即使用。
  5. 细胞的制备:
    制备10 6个细胞的悬浮液/ ml的DMEM(Dulbecco氏Eagle培养基,高葡萄糖,50%大鼠血清)。 50微升的最终细胞悬浮液是足够的8-10胚胎。
  6. 染料的制备:
    用绿色荧光CDCFDA-SE在25毫克/毫升DMSO中。准备20μL分装和储存在-20°C。在无菌生理盐水或PBS在使用前稀释1:100 / 1:200。
  7. 病毒制剂:
    使用商业第三代PGK-GFP表达慢病毒用〜10 9 -10 10 TRA滴度nsducing单位/ ml的DMEM。对于慢病毒的制备,见Tiscornia 14穿戴个人防护装备,安全地使用和处置的病毒。

E9.5和E10.5胚胎2。收集的体外注射

  1. 安乐死怀孕小鼠在胚胎一天9.5或10.5。
  2. 消毒鼠标的胸部和腹部,用70%的乙醇。
  3. 使下腹正中切口,打开腹腔和检索子宫角在室温在PBS和两个PBS洗涤后,将其传送到一个​​硅胶填充的培养皿用M16媒介。
  4. 针的子宫角与昆虫标签的硅氧烷层,使子宫血管的侧面是在底部。
  5. 切细镊子子宫的表面上,并且蜕膜的盖在1毫米的表面之下。
  6. 轻轻铺开蜕膜的墙壁检索胚胎卵黄囊。
  7. 储存胚胎在37℃,C在M16培养基中的细胞注射前。对于注射,每个胚转移至聚硅氧烷盘充满M16培养基预先加热到37℃。

3,DNA或细胞注射在立体显微镜下

  1. 填补从背面玻璃吸管与Hamilton注射器和摇移液管,以在尖端除去气泡。
  2. 将吸管上的显微注射持有人;设定的保压压力为50(DNA)或30(细胞)帕斯卡,而注射压力为150(DNA)到300(小区)帕斯卡。注射时间设定为0.2秒(DNA)或0.5秒(细胞)。这些设置可能会根据微量注射器和吸管的类型略有不同。
  3. 通过卵黄囊引脚胚胎硅胶底脚不沾胚胎正确。关注心脏的区域,并打开囊略高于这一地区。
  4. 添加围绕胚胎4个引脚,以防止细胞注射过程中的任何运动。
  5. 使用显微操纵器(设置为手动),slowl以45°的心包以上的角度y的位置的移液管尖,只是将被注入(图1)心脏的区域的上方。
  6. 使移液管进入感兴趣区域并触发注射。取出吸管尽快。确保心脏是正常的DNA /细胞注射后跳动。

4,胚胎,离体心脏和外植体培养

  1. 培养的胚胎E9.5在25%的M2培养基及75%大鼠血清,补充有青霉素/链霉素,预热,在37℃和氧化,用40%O 2。
  2. 加入2ml培养基中25毫升玻璃管中,轻轻地添加胚胎和含氧化合物,用40%O 2的拧紧盖在管之前。孵育达36小时,在37℃,同时旋转或摇动(30转/分钟)。
  3. 在期望的时间点( 24小时),仔细解剖的心用细镊子,而不触及的心,首先去capitating胚胎;对心脏很容易消费使用远端流出道拉出。
  4. 文化离体心脏再36-48小时的DMEM与基质胶涂层刀片在12孔板设置50%的FCS。见代尔和帕特森(2013年)对心脏文化15的改进协议。
  5. 使该地区的利益的任何外植体。作为一个例子,解剖房室管(AVC)和它培养48小时胶原1型凝胶16。

5,在心脏I N子宫内超声引导下注射

  1. 超声波机及微量的设置:
    1. 采用高分辨率超声系统具有40 MHz的换能器和显微注射设置在轨道上。
    2. 在每次注射69 NL设定在微量的注射量。请参见制造商的注射手册,编程微量。
  2. 该核注射的制备njection设置和注射:
    1. 放置一个玻璃微的微量。以确保有效注入,第一涂层与矿物油的吸移管的内侧,通过吸至最大容积。然后再弹出的油,留1-2毫米的油针内。
    2. 吸出注射液,直到最大音量为止。要小心,不要触摸任何表面有针尖,因为这将钝尖,使注射变得更加困难。
    3. 为了稳定注射过程中含有胚胎的子宫角,使用修改过的培养皿中,在中间的孔(直径2.5 cm),覆盖着薄薄的硅膜用小切口切中心,切口部位它上面放置。通过定位盘的边缘下3-4团块粘土稳定的鼠标处理表上的培养皿。
  3. 注射过程:
    1. 刮胡子怀孕小鼠的腹部(在所需的萌芽阶段)之前anestheSIA去除毛发。治疗腹部用化学脱毛剂以除去残留的毛发和消毒用70%乙醇。
    2. 通过一个面罩麻醉怀孕鼠标与氧/异氟醚。用3-5%的异氟醚在100%氧气初始麻醉,其次是1-1.5%,该过程的其余部分中。确保鼠标有足够的轻轻捏它的爪子和/或尾部麻醉。
    3. 将鼠标处理表上的鼠标仰卧(设置为加热,在37℃)并覆盖眼睛用润滑剂以防止角膜脱水。
    4. 应用电极凝胶在电极上并用胶带将爪子到电极来监测心脏速率,呼吸速率,和心电图检查。定位直肠温度计来监测体温。
    5. 验证:第一,鼠标是通过怀孕和可视化超声计数的胚胎。应用超声凝胶上腹部和定位在膀胱以上的扫描头。为了保持一致性,首先形象化膀胱,和计数在左胚胎和右子宫角,从膀胱的位置开始。确保胚胎的心是正常跳动。
    6. 如果鼠标是怀孕了,放置在培养皿未来的切口部位用粘土以上。按盘小幅上腹部,这样的菜是直接接触。
    7. 取出盘子并再次消毒腹部。做一个1.5-2厘米腹正中切口,约0.75-1厘米以上的阴道,打开腹腔和腹膜。以免伤到内脏。
    8. Exteriorize左侧或右侧子宫角用钳子,轻轻走过的菜硅膜拉,并再次稳定在粘土的菜。防止大规模拉或操纵,因为这可能会引起子宫血管和女性和/或胚胎夭亡出血。
    9. 再算上胚胎,以确保有足够的记录保存其中的胚胎注射。
    10. 应用超声凝胶对Uterine牛角图像的心脏,防止脱水。
    11. 图像的第一胚胎被注入。检查胚胎心脏的正常跳动,并保持胚胎的头脚和左右方向的记录。如有必要,请重新放置子宫角稍,以确保正确的方向。如果这被证明很难,就移动到下一个胚胎。
    12. 用显微注射针头小心刺穿子宫,以45°角的胚胎上述定位针,( 图3)略微外心包。心外膜细胞标记,图像的心脏在四腔心切和定位针,使其指向对房室沟( 图3)。如果角度需要调整,拔出针头,并重新定位。请勿在子宫内针调整角度,因为这可能会破坏针。避免穿刺其它组织,如四肢或胎盘。
    13. 移动针到心包壁,并用温和的,但迅速的运动刺穿它。在一般情况下,会有一些阻力,但移动针太快可能导致针尖刺穿心脏本身。小费应该结束了在房室沟的心包腔。在心包出血的情况下,血细胞将作为白色雪花状图案可见。如果是这样的情况下,停止注射胚胎和移动到另一个胚胎。
    14. 注射注射液。最大限度地注入700 NL进入心包空间,以防止对心脏发育造成不利影响。监控适当注入心包轻微,颞肿胀。
    15. 注射后,拔出注射针,并确认注射液仍然可以被喷射,以确保针没有被组织碎片堵塞。
    16. 重新定位表处理图像并注入下一个胚胎。保持注射的胚胎的数量来最大限度3-4(在一个子宫角),以防止延长麻醉,以允许在相对的子宫角控制的胚胎,并确保该过程不干扰胚胎发育。
    17. 注射胚胎的期望数目后,除去过量的超声凝胶,轻轻放置子宫角放回腹部在其适当的位置上。
    18. 通过使用1层缝合腹膜和腹肌,和缝合线的第二层对皮肤闭合的母体腹部。
    19. 注射用鼠标止痛药的首次剂量。使用一个注射0.05-0.1毫克/公斤丁丙诺啡15分钟结束麻醉和三个附加注射用12小时的时间间隔之前。
    20. 停止麻醉和监测鼠标从过程充分恢复。房子的孕鼠在个别笼的后续所需的持续时间。

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Representative Results

使用上述的注射协议,细胞可以被标记和/或注射到小鼠胚胎心脏。作为概念验证,几个实例示于其中的注射方案和体外 AVC的外植体,离体心脏,或全胚胎培养液合并( 图1)。

图1显示了细胞注射前胚胎的制备。在E9.5胚胎从其蜕膜同时保持卵黄囊( 图1A)的完整性除去。卵黄囊被打开略高于心脏( 图1B)。移液器逼近( 图1C)和细胞注入。的心脏保持其形状( 图1D),并保持了跳动。

为了解决在发育生物学,如上皮间质,以转化(EMT)更具体的生物学问题,一个E9.5 AVC外植体与一个sh注入在于下调所需的心内膜细胞的内皮-间充质转变( 图2A)的蛋白质的RNA。控制胚胎被注入了一个空骨架载体。同样地,表达GFP的Sox9基因的启动子控制下的色调细胞衍生的内皮前瓣膜细胞注射在AVC在E10.5,其次是48小时外植心脏培养。这些细胞获得的EMT标志物如骨膜类似于内源性内膜细胞( 图2B2C)。

这些体外方法是比较容易的,但仅限于短期随访(最大48-72小时)。超声引导下注入程序提供了一个技术上更具挑战性的方法,但长期的选项,甚至产后, 子宫内跟进。在子宫内注射染料或病毒载体来标记细胞在特定的心脏区域的示于图3A-3 STRONG>Ç。用这种方法,心外膜细胞的特异性标记可以用荧光染料( 图3D3E),或病毒( 图3F)来实现,并且该方法可以在与细胞或替代injectates进行扩展。

图1
图1细胞注射在心脏A:在卵黄囊E9.5胚胎B:打开卵黄囊刚刚高于心脏之后,可视化的心脏。下面的插图显示心脏的放大率,并指出在AV运河C:对AVC D中的吸管做法:后48小时培养(H =心脏)注入胚胎。

图2 图2注射shRNA的在E9.5胚胎,防止心内膜细胞在心脏外植体离体 EMT的AVC的:控制骨架载体或shRNA的注射连同lipotectamine在E9.5的AVC小鼠胚胎; 3小时后,在AVC中解剖出来并生长在胶原凝胶中,以触发内膜细胞的EMT。 shRNA的下调是所需的EMT的BC蛋白质:设计了Sox9基因的启动子的控制下表达GFP的色调细胞衍生瓣膜细胞的E10.5胚胎的AVC注射。在心脏中培养2天(B)中 ,并随后固定并染色用抗骨膜素抗体(C)。插图显示在AVC区域的放大率。


。图3 在子宫内注入答 :方案描述的实验装置。怀孕的鼠标定位仰卧和培养皿硅油膜切口部位以上稳定。 1 =微量注射器,2 =传感器,3 =培养皿用硅胶膜,4 =超声波凝胶,5 =鼠标与子宫角(红色),6 =培乐多黏土,7 =鼠标操控台B:一个静止画面超声电影(M模式),显示前注射针和胚胎心脏的位置。阴心电图显示在底部(绿色),以及心脏和呼吸率中的右下方(黄色)。 H =心脏C:超声图像显示注射时针头和胚胎心脏的位置。插页:前端已通过心包,但不接触心肌,从而使喷出吃了可以注入的房室沟的心包空间。黑色虚线标示的心房(A)和心室(V)的边界D:全挂载E11.5小鼠胚胎的图像显示在心包空间的染料荧光强E:E11.5一个具有代表性的部分胚胎小鼠心脏出了荧光染料(CDCFDA-SE,绿色)注射后4小时心包和心外膜细胞标记。细胞核用DAPI标记(蓝色)。 LA =左心房,左心室=左心室,RA =右心房,RV =右心室F:一个E14.5胚胎小鼠心脏显示注射后3天花叶心外膜细胞标记与表达GFP的慢病毒代表部分。为了证实GFP特异的GFP蛋白也沾上了绿色荧光蛋白抗体(红色)。细胞核用DAPI标记(蓝色)。

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Discussion

上述心内体外注射的协议是为了在中期阶段(E9.5-E11.5)的小鼠胚胎心肌保护作用至少48小时。这些注射的方法允许在空间上有针对性的注射DNA或细胞。在图1-3所示的几个实施例提供了概念证明划定离体所发生的受限制的心脏区域,例如心内膜或心外膜细胞的EMT的发育过程的生物体内的分子机制。最重要的是,这些协议提供了一个机会,以遵循注射的细胞,如在适当的胚胎的环境中,一个迄今尚未满足的挑战人胚细胞或huESC衍生物的迁移和命运。 在体内标记(如心外膜细胞的于图3)与饱和或限制染料或病毒的稀释使得细胞(亚)种群的谱系追踪太短以及长项bASIS,而不需要的Cre / lox位技术(尽管结合这些技术可能是有用的为好)。

进行观察,同时应用这些协议的几个关键步骤。首先,将胚胎对光线很敏感。因此,建议实行注射方案在立体显微镜下,这样的程序可以进行与内每个胚胎15分钟,高再现性和效率。在同一行中,整个超声介导的注射过程应在30分钟内进行,以保持胚胎的一个很好的可行性,并且不会损害其在子宫内的发展。子宫操纵应保持在最低限度。另外,应该指出的是,手术对妊娠小鼠倾向于导致早产(比正常时提前1-2天)。然而,新生儿应该是一般健康和正常发育。另外,在移液管通过子宫壁,卵黄囊和胚胎的渗透到达心包和最后的心肌是细致的过程(步骤5.3.13)。这一步要仔细,轻轻地做。为了优化,建议执行若干短期染料注射,以确定重复性和排除注射非目标区域。最后,我们还没有发现相关的注射程序上面给出的例子发育心脏缺陷。但是,更详细的,阶段逐阶段,形态和功能的分析应该执行过程中所关注的阶段,以完全确定的正常发育和功能。

这些技术的局限性几种。 (ⅰ)注射的立体显微镜下由小鼠胚胎的光照和温度敏感性的限制。这可以通过显微注射过程的实践中,以便尽可能快地被克服,定期更换或温热的培养基中,在暗室内工作。 (ii)本恩v胚或外植体的IVO培养的时间有限制,而相比之下, 在子宫内超声引导注射,这允许长期随访。活体染料趋向于几乎立刻标记细胞并保持可见最多三到四天后喷射。然而,染料的强度将通过连续的细胞分裂稀释。用慢病毒标记的细胞可以克服这个问题。然而,病毒的摄取需要几个小时和24-48小时,这防止短期分析后表达是最佳的。 (iii)该超声介导的喷射是由设备的成本的限制。在40兆赫传感器的分辨率足以满足中期和晚期胚胎,但更多的前E11.5限制了阶段。

总之,我们建议,上述的心脏注射协议应在中间阶段的小鼠胚胎中使用。在体外技术与胚胎的培养,离体心脏,或植兼容秒。 体内过程允许进行长期随访,包括产后发展。这些技术将在测试人类干细胞衍生的分化潜能在一个适当的环境,以及在解决发育生物学的具体问题,如细胞的迁移和区域线索,这是在路上的关键事件对塑造一个功能心脏显著帮助。此外,可能在将来被用于其它器官比心脏的,依赖于可用的体外培养的协议和/或在体内发育阶段的调查方法,我们和其他人10。

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Disclosures

作者什么都没有透露。

Acknowledgments

作者承认该基金会Leducq(二尖瓣)和国民新电倒拉RECHERCHE(授予ANR Specistem)为这项研究提供资金。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Setups/Hardware
40 MHz Transducer VisualSonics MS550S
Microinjector VisualSonics
Microinjector Eppendorf 5242
Micromanipulator  Eppendorf 5171
Nitrogen required to pressurize the injector
Rail system VisualSonics
rotator to rotate glass tube with embryos inside the incubator
Standard incubator 5% CO2, 37 °C
stereomicroscope Zeiss Discovery. V8
Vevo 2100 VisualSonics
Microinjection
Borosilicate capillary tubes World Precision Instrument KTW-120-6 1.2-μm external diameter
Pipette puller Sutter Model P87
Microinjection needles Origio-Humagen C060609 OD/ID 1.14 mm/53 mm, with 50/35 μm OD/ID tip
Hamilton syringes 
Petri dishes 10-cm diameter
Mineral oil Sigma M8410
Silicon membrane Visualsonics 4.3 x 4.3 cm
Play-Doh
Isoflurane Vet One
hair removal agent  Nair
Eye lubricant Optixcare 31779
Electrode gel (Signa) Parker
Suture Sofsilk 5-0 S1173
Ultrasound gel Aquasonic
Buprenex Buprenex (buprenorphine hydrochloride) Reckitt Benckiser Pharmaceuticals Inc. NDC 12496-0757-1 0.05-0.1 mg/kg in saline
Other
Silicone Elastomer Dow Corning Sylgard 184
Glass petridishes Fine Science Tools 60-mm diameter
Insect pins Fine Science Tools 26002-20
Media and culture reagents
Optimem medium Life Technologies 51985026
M2 medium Sigma M7167
Dulbecco’s Eagle Medium Lonza BE12-640F high glucose and 50% rat serum
M16 medium Sigma M7292
Rat serum Janvier ODI 7158
Pennicilin/streptomycin Life Technologies 15140-12
oxygen 40% Air liquid required to oxygenate the embryo culture medium
Fetal calf serum Fisher RVJ35882
Matrigel BD 356230
Collagen type I BD 354236 to coat culture dishes for explant culture
Culture dishes Dutcher /Orange 131020
Injectates
CDCFDA-SE Invitrogen/Molecular Probes C1165 25 mg/ml DMSO. Store at -20 °C. Dilute 1:100-200 in saline before use.
PGK-GFP-expressing lentivirus  ~8E9 transducing units/ml DMEM
Lipofectamine 2000 Life Technologies 11668019

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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