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We demonstrate a method for grafting cultured cells into defined sites of early mouse embryos to determine their in vivo potential. We also introduce an optimized electroporation method that uses glass capillaries of known diameter, allowing the precise delivery of exogenous DNA into a few cells in the embryos.
操纵小鼠早期胚胎和文化是一个功能强大且主要是利用不足的技术增强这个模型系统的价值。相反地,细胞培养物已被广泛用于发育生物学的研究。然而,它确定在体外培养的细胞是否真正代表在体内的细胞类型是重要的。移植细胞成胚胎,随后开发期间的贡献的评估是一种有用的方法,以确定在体外培养的细胞的潜力。在这项研究中,我们描述了用于移植的细胞置于定义早期植入后的小鼠胚胎,随后离体培养的部位的方法。我们还介绍了一个使用已知直径的玻璃毛细管,允许接收与两个高转染效率和低的细胞死亡的外源DNA的细胞数的精确定位和调整优化的电穿孔法。这些技术,它不需要任何属ecialized设备,使实验操作的原肠胚形成和早期器官形成阶段的小鼠胚胎成为可能,从而在培养的细胞亚群的承诺和遗传操作原位对细胞分化的影响进行分析。
细胞培养已被广泛应用在发育生物学研究中。小鼠胚胎干细胞(ESC)和外胚层干细胞(EpiSCs)可以分化成在体外所有三种胚层,并且是细胞分化早期哺乳动物胚胎发育的有用模型。这些细胞系的衍生开辟了体外操纵和本地化信号事件和转录网络在早期胚胎图案形成操作的详细调查的机会。然而,它确定在培养完成的任何操作的体内相关性仍然是重要的。对早期胚胎来源的小鼠胚胎干细胞在体内的潜力进行了评估通过引入它们放回植入前胚胎(桑椹胚或囊胚)1。然而,这代表外胚层细胞在胚胎着床后EpiSCs不能有效地在植入前胚胎2,3集成。我们previo我们的研究结果表明,EpiSCs可以有效地生成嵌合体,促进所有胚层,当移植到着床后的胚胎4。因此,为了评价在体外培养的细胞的最好方法是将它们引入到它们相应的体内环境。
电穿孔是一种广泛使用的方法,提供外源分子导入靶细胞在体内和体外实验 。电能可以生成大量的细胞膜,允许外源脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA),以进入细胞孔。其中一个这种技术的最大挑战是最佳的细胞活力结合高electrotransfection效率5,6。为在胚胎组织核酸电穿孔,镀金电极已最常被使用,允许细胞在一个宽广的空间范围7-9定位。为了获得更多的LOCAlized基因转移,一个针状电极已被用来实现一个焦点的电场10,11。使用这种方法,作者表明,电穿孔后,约为30-60细胞已经占用的DNA构建11。不过,似乎能准确调节电穿孔细胞的数量保持很难与一个固定宽度电极。毛细管电穿孔技术已被用于递送质粒到单个细胞12-14中 。然而,这种技术还没有得到应用电穿孔质粒胚胎体外。最近,一个微型装置已报道在早期着床后小鼠胚胎15局部地电穿孔几远侧内脏内胚层细胞(小于4细胞)。然而,它仍然是未知的,这设备是否能够有效地靶向外胚层和中胚层离体进行。
在这项研究中,我们描述了两种新的方法来评估在后早期细胞和基因功能-implantation胚胎。我们首先演示了如何移植体外培养的细胞变成早期小鼠胚胎中定义的网站,以评估它们在体内的潜力。在移植细胞及其后代的融合,所有标记的由例如遗传标记(绿色荧光蛋白(GFP),可以通过组织特异性蛋白的免疫染色来进一步检查4;其次,我们描述一种改进的方法,以精确地将DNA传递在通过电穿孔胚胎定位的位点。而不是使用一个针状电极,我们插入一个细金属丝的细尖玻璃毛细管内,并表明,该变形例可以提供的DNA,以少量的细胞具有较高的效率和有限的细胞死亡。此外,我们还表明,采用玻璃毛细管不同的开口尺寸,我们可以控制电穿孔细胞的数量。因此,我们认为这种方法可以有很大的应用研究早期胚胎图案涉及少数ØF细胞。
所有的动物实验是按照英国内政部规定如动物(科学程序)规定的法案(1986)在项目许可数量四千四百三十五分之六十〇。为了收集胚胎在特定发育阶段,定时交配共设置了O / N。中午找到一个阴道塞的一天被定胚胎一天(五)0.5。
1.剖析E7.5或E8.5着床后胚胎体外培养
2.准备胚胎培养液
4. Graftin摹培养细胞到E7.5或E8.5小鼠胚胎
5.手工电穿孔材料和设备安装(需准备以下的电穿孔实验进阶):
6,电穿孔E7.5或E8.5小鼠胚胎
嫁接
EpiSCs该无所不在表达EGFP(R04-GFP,从E6.5外胚层衍生,和C2,从mESCs衍生体外)4是手动从培养皿刮出并移植到不同的网站E7.5胚胎(图2A)。将胚胎体外培养和24小时后进行分析。供体细胞的分布通过荧光显微镜进行评估。如果供体细胞掺入,它们增殖和主机胚胎(图2B)内其衍生物分散。它已经观察到含有在宿主胚(图2A, 和图2B)有效地结合10月16日的细胞移植物,但是,接枝更多的细胞不会导致更好chimaerism。相反,移植细胞产生的未掺入的团块(图2C和2D)。
电穿孔
要在ssess我们的电系统的效率,我们提供绿色荧光蛋白表达质粒(pCAG-GFP和pCAG-Cre重组:GFP)在胚胎特定的网站。符合先前的研究图11,在胚胎中检测到GFP +细胞后电穿孔( 图2E与2G)1-2小时。当远端外胚层细胞在原始社会后期连胜阶段的胚胎进行电,标记细胞24小时培养(图2E和2F)后促成了神经外胚层。这一结果对应很好地外胚层细胞在原肠胚期胚胎17知天命的地图。类似地,当GFP表达质粒在E8.5(2-5个体节)电穿孔在原条,GFP +细胞促进了近轴中胚层(图2G和2H),与已故原条18的公知的命运地图一致。此外,我们观察到的贡献从电穿孔的细胞的所有三种胚层(图2I-K)这表明电穿孔过程不会损害体内细胞的行为。然而,我们也注意到,虽然外胚层(E7.5)或原条细胞(E8.5)进行了针对性,某些内胚层细胞还电穿孔(图3C和表1)。
一种利用毛细管电极的主要优点是,电穿孔的细胞的数量可以被控制,简单地通过改变其开口的直径。为了确定电穿孔的细胞的数量,胚胎固定电穿孔后2小时,在成像wholemount上的共焦显微镜。 GFP +细胞的数量是手动计算在共焦的z栈。表1表明,对于一个给定的阶段中,由多个小区增加从20至30微米的结果中的DNA摄取的玻璃毛细管的开口尺寸。当单个开口大小级之间比较(E7.5与E8.5),发现更多的细胞在后期被电。这种效果可能是由于存在于羊膜腔在E8.5的DNA的浓度较高。因为DNA溶液与绿色食用色素混合,我们可以使用绿色,以评估在羊膜腔DNA浓度。在显微镜下,很明显的是,当与E8.5胚相比,DNA注射后的绿色的颜色是在E7.5胚胎的空腔轻得多。虽然DNA溶液相同浓度注入E7.5和E8.5的胚胎,多个DNA溶液在E8.5胚胎为了羊膜腔以完全填充它,因为它们在大小。抽出注射针后,总有一定程度的从羊膜腔DNA溶液的泄漏,并且由于穿孔是在比较早期胚胎羊膜腔的大小大,则很可能是有比例更泄漏从E7.5 E8.5比胚胎,从而导致较低的DNA浓度。的不同数量的染细胞还可能是由于在不同阶段的不同直径的细胞或诱导的跨膜电压(ITV)阈值。
电穿孔的一个缺点是相关联的细胞死亡。类似于传统的镀金或针状电极,使用毛细管电极电穿孔也导致细胞死亡。电穿孔后的目标区域中的颜色出现较暗相比邻近区域(图3A和3B),表明某种程度的细胞死亡的必须发生在这一区域中。为了进一步确定所造成的电穿孔程序死细胞的数量,胚胎染色用荧光细胞膜不透核染料。死细胞的细胞核进行标记,用膜不透远红光荧光染料。染色确认这毛细管电穿孔技术只导致小的数目邻近电穿孔部位死细胞(图3D和Ta的BLE 1)。
我们注意到,虽然死细胞出现在电现场,GFP +细胞和死细胞也最独特的彼此(图3E和3F)。此外,当在E8.5尾侧外胚层电穿孔用pCAG-GFP和20微米的玻璃毛细管开口,大量的GFP +细胞的48小时培养中(图3G和3H)后进行检测。两者合计,这些结果表明大多数的 GFP +细胞中检测到2小时电穿孔后仍存活在进一步培养。
我们后24小时体外培养打进的 GFP +细胞的数量。六个胚胎电穿孔pCAG-GFP在E7.5,使用20微米直径的毛细管开口。 107±31(平均值±标准差) 的 GFP +细胞/胚胎进行检测。因为在培养物(2小时)的开始,9细胞进行电穿孔,平均每个胚胎( 仲>表1),这表明,电穿孔的细胞进行3-4司内2小时。平均气泡从E7.5倍增时间至E8.5胚胎是6-7小时内所有细胞除了那些在腹侧节点19,20。这表明,电穿孔过程不妨碍正常的细胞生长。
图1.电路图表示电穿孔设置。在其羊膜腔含胚胎DNA溶液置于两个电极之间。电流在所选定的参数是由方波脉冲发生器(电源)提供的。万用表串联连接,检测电流通过胚胎。 请点击此处查看该图的放大版本。
图3.分销GFP + 细胞和死细胞的电穿孔后的胚胎 (AC)pCAG-Cre重组酶:GFP质粒电穿孔到E8.5的尾部横向外胚层细胞(2-5体节期)胚胎(毛细管开孔尺寸:20微米)(A)的 2小时后的程序,该目标区域呈暗颜色(白色箭头)相比,胚胎的其他部分。插图示出电穿孔区域的放大图。(B)的明场图像(灰度)覆盖有绿色荧光通道表示电穿孔的细胞(绿色)。(C)的共焦的z切片显示出2内胚层细胞(绿色)也采取了质粒时,尾部的横向外胚层细胞进行有针对性的。细胞核示于红色(DF)pCAG-Cre重组:GFP的质粒电穿孔在E8.5胚胎的节点的尾部方面(毛细管开口尺寸:30微米)。胚胎中培养2小时。电穿孔的细胞中显示绿色和死细胞为红色。(D)中的电穿孔的区域包含的 GFP +细胞以及死细胞。在白盒的区域中一个共焦显微镜进一步分析。的z叠层的人工计数表明,有33的GFP +细胞和 23的死细胞在这个区域。只有两个细胞均为阳性两个荧光团。(E和F)共焦的z切片从白盒装区域D中的XYZ视图,示出的 GFP +细胞是分离的死细胞。细胞核以蓝色显示(G和H)pCAG-Cre重组:GFP的质粒电穿孔到几大公在E8.5胚胎的尾侧外胚层的ls(毛细管开口尺寸:20微米)和成像后两(G)和 48(H)的小时体外培养注:(H)的胚胎进行培养后切断为两半。除去头部和心脏地区。比例尺(A,B,D,G和H)= 250微米;比例尺(C,E和F)= 100微米。 请点击此处查看该图的放大版本。
开口毛细管的直径 | 胚胎阶段 | 电穿孔效率:没有。胚胎含有绿色荧光蛋白+细胞 2H /总无后。中电穿孔胚胎(无。GFP +胚胎在24或48小时培养后发育正常) | GFP平均数+细胞 ,每个胚胎±标准差(n = NO。检验胚胎) | 数按每个胚胎GFP +内胚层细胞±标准差(n = NO。检验胚胎) |
20微米 | E7.5(LS-LB) | 7/9(7) | 9±3(n = 4时) | 4±2(n = 4时) |
为30μm | E7.5(LS-LB) | 十五分之十三(12) | 17±2(n = 4时) | 6±1(n = 4时) |
20微米 | E8.5(2-5体节) | 12个/ 13(10) | 21±4(n = 4时) | 11±4(n = 4时) |
为30μm | E8.5(2-5体节) | 2/2(2) | 33和26(N = 2) | 14和16(N = 2) |
pCAG-Cre重组酶的表1电穿孔效率:在小鼠胚胎GFP质粒。
缩写:LS,已故原条的阶段; LB:后期萌芽阶段。胚根据上演Downs和戴维斯12
嫁接
用于细胞移植实验的关键步骤是细胞的相干串的插入理想地在一个单一的动作,避免了丛的解体。这种技术需要在控制口吸管一些练习。如果供体细胞掺入以及在宿主,其衍生物将分散在胚胎。为了进一步确定分散供体衍生的细胞是否分化适当的宿主,免疫染色可以在胚胎切片来执行。如果供体细胞是不与主机环境相兼容,它们或者不能被检测(因为它们是从胚胎排出)或形成培养后的胚胎未掺入团块。如果这两个分散的细胞和细胞块进行了观察,这可能表明过多的细胞移植和过度供体细胞不能与周围的宿主细胞相互作用导致丛形成。在这种情况下,包含其他移植物可以进行细胞的数量较少。
细胞移植技术的主要限制是它不可能确定随时间超过48小时一直没有实现,因为鼠离体培养的细胞的全部体内潜力。然而,如果结合超声引导细胞注射,它可能会向在子宫内培养的细胞转移到胚胎。总之,细胞移植实验已经广泛应用在我们的组和给予我们关于各种细胞类型4,21,22 的体内潜在有价值的线索。它是一种通用的技术来评估在早期胚胎着床后在体外培养的细胞的体内潜在。
电穿孔
虽然在本研究中,我们只表明,它是有效的是使用毛细管电穿孔技术目标外胚层,我吨,还可以有意地靶向其它胚层如内胚层细胞。用于毛细管电穿孔技术的关键步骤是尽量减少电穿孔每个胚(<5%的胚胎分钟)所花费的时间以来的PBS是非常不理想的早期小鼠胚胎。我们的数据上面已经表明,在大部分地区,在胚胎中,电穿孔不影响胚胎的生长。然而,电的节点造成畸形发展,导致胚胎的过早死亡。这可能是由于形成重要的信号的中心23上的细胞的损伤或死亡。因此,这个区域就必须避免与这种技术。另一个需要注意的是,正如结果部分,而外胚层或原条细胞进行有针对性的,有内胚层细胞也被电。这可能是因为DNA通过下外胚层上皮间隙到达内胚层。内胚层是由上皮细胞,并在我们的经验日ESE细胞具有更高的倾向占用的DNA。因此,应用这种技术的命运映射时,必须评估哪些细胞最初占用的DNA是非常重要的。
还应当指出的是,虽然pCAG-GFP和pCAG-Cre重组:GFP的质粒可以有效地使用在本研究中所示的电穿孔参数递送,其他DNA构建的效率可能会发生变化,并且需要单独优化。在DNA浓度,电穿孔电压或脉冲数改变可以如果质粒被发现是困难的转染来制备。
总之,我们已优化的毛细管电系统能够高效,重复地提供绿色荧光蛋白或酶Cre:GFP质粒到极少数的细胞在有限的细胞死亡的胚胎。由于该方法不需要昂贵的或高度专业化的设备,它可以是对细胞跟踪研究或在测试中异位表达或条件缺失邻的效果大用处在早期胚胎˚F基因,如果电在胚胎携带两侧装接loxP条件突变等位基因进行。因此,该电穿孔技术为理解上的细胞通过细胞基础的细胞内在因素的作用在局部野生型胚胎的环境的上下文中有用的官能工具。
The authors have no conflicts of financial or other interest to declare.
We thank Filip Wymeersch and Anestis Tsakiridis for comments on the manuscript, staff in the SCRM animal unit for help with animal maintenance and Prof. Stuart Forbes for immunohistochemistry reagents. This work was supported by MRC grant Mr/K011200/1 and the China Scholarship Council
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Forceps | Dumostar | T5390 | |
Dissecting stereomicroscope | Zeiss | Stemi 2000-C | |
Stereomicroscope system with fluorescence | Nikon | AZ100 | |
Inverted microscope with a digital camera | Olympus | Olympus BX61 | |
Inverted confocal microscope | Leica Microsystems | Leica TCS SP8 | |
Low melting point agarose | Life Technologies | 16520-050 | |
Pasteur pipettes | Fisher Scientific | 11397863 | |
30mm Petri dishes | Fisher Scientific | 121V | |
4-well plates | Thermo scientific | 179820 | |
M2 medium | Sigma-Aldrich | M7167 | |
Phosphate Buffered Saline (PBS) | Life Technologies | 10010015 | |
Paraformaldehyde (PFA) | Sigma-Aldrich | P6148 | |
Pipettes | NICHIRYO | Nichipet | |
tips | Greiner Bio One | 685280 | |
Cell culture incubator | SANYO | MCO-17AIC | |
Roller culture apparatus | BTC Engineering | ||
Syringe filters 0.45µm, sterile | Sigma-Aldrich | 10462100 | |
Glasgow Minimum Essential Medium (GMEM) | Sigma-Aldrich | G5154 | |
non-essential amino acids (NEAA) | Life Technologies | 11140050 | |
L-glutamine | Fisher Scientific | SH30549.01 | |
Sodium pyruvate solution | Fisher Scientific | SH30239.01 | |
Penicillin and Streptomycin 10.000UI/ml | Lonza | DE17-602E | |
Gas Cartridge for Portable Meker Burner | COLEMAN | COLEMAN 250 | |
Thin Wall Borosilicate Capillary Glass with Fillament, OD 1.0 mm, ID 0.78 mm | Harvard Apparatus | 640798 | |
Aspirator tube assemblies for calibrated microcapillary pipettes | Sigma-Aldrich | A5177-5EA | |
Flaming/Brown micropipette puller | Sutter Instrument Company | P-97 | |
Microforge | De Fonbrune | BS030301 | |
Pneumatic pico pump | World Precision Instruments | PV830 | |
Microloader tips | Eppendorf | 5242956.003 | |
ECM 830 square wave pulse generator | BTX | 45-0002 | |
Green food coloring dye | Sigma-Aldrich | C.I. 42053 | |
A far-red cell membrane-impermeable nuclear dye | Biotium | 40060-T | |
pCAG-Cre:GFP | Addgene | #13776 | |
pCAG-GFP | Addgene | #16664 | |
Multimeter | Excel | XL830L | |
Micromanipulators | Leitz | ||
0.2mm diameter platinum wire | Agar Scientific | E404-2 | |
Anti-GFP antibody | Abcam | ab13970 | |
Goat anti-Chicken IgY, HRP | Santa Cruz | sc-2428 | |
Liquid DAB+ Substrate Chromogen System | Dako | K3467 | |
4',6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) | Life Technologies | D21490 | |
A far-red fluorescence nuclear counterstain | Life Technologies | T3605 |
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