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Method Article
El desarrollo embrionario requiere una coordinación a gran escala del movimiento celular. La ablación láser mediada por excitación de dos fotones permite la ablación tridimensional controlada espacialmente de grandes grupos de células profundas. Además, esta técnica puede sondear la reacción de las células que migran colectivamente in vivo a las perturbaciones en su entorno mecánico.
La morfogénesis implica muchos movimientos celulares para organizar las células en tejidos y órganos. Para un desarrollo adecuado, todos estos movimientos deben estar estrechamente coordinados, y la evidencia acumulada sugiere que esto se logra, al menos en parte, a través de interacciones mecánicas. Probar esto en el embrión requiere perturbaciones físicas directas. Las ablaciones con láser son una opción cada vez más utilizada que permite aliviar las restricciones mecánicas o aislar físicamente dos poblaciones celulares entre sí. Sin embargo, muchas ablaciones se realizan con un láser ultravioleta (UV), que ofrece una resolución axial limitada y penetración en el tejido. Aquí se describe un método para extirpar volúmenes profundos, significativos y espacialmente bien definidos utilizando un microscopio de dos fotones. Las ablaciones se demuestran en una línea de pez cebra transgénica que expresa la proteína verde fluorescente en el mesendodermo axial y se utiliza para cortar el mesendodermo axial sin afectar el ectodermo suprayacente o la célula de la yema subyacente. El comportamiento celular se monitorea mediante imágenes en vivo antes y después de la ablación. El protocolo de ablación se puede utilizar en diferentes etapas de desarrollo, en cualquier tipo de célula o tejido, a escalas que van desde unas pocas micras hasta más de cien micras.
Las interacciones célula-célula juegan un papel vital en el desarrollo. Las células proporcionan señales que sus vecinas directas, o células más lejanas, pueden percibir, influyendo así en su destino y / o comportamiento. Muchas de estas señales son de naturaleza química. Por ejemplo, en los eventos de inducción bien caracterizados, un grupo celular produce moléculas difusibles que afectan el destino de otra población celular1. Otras señales, sin embargo, son mecánicas; las células ejercen fuerzas y restricciones sobre sus vecinos, que los vecinos perciben y a los que responden2.
Una forma de estudiar la importancia de estas interacciones célula-célula in vivo es eliminar algunas células y observar el desarrollo posterior. Desafortunadamente, las técnicas disponibles para eliminar o destruir células son limitadas. Las células se pueden extraer quirúrgicamente3,4, utilizando agujas o alambres pequeños, pero tales tratamientos son invasivos, no muy precisos y generalmente se realizan bajo un estereomicroscopio, lo que impide la obtención de imágenes inmediatas bajo un microscopio. Además, apuntar a las células profundas implica perforar un agujero en los tejidos suprayacentes, creando perturbaciones no deseadas. Los fotosensibilizadores codificados genéticamente, como KillerRed, se han utilizado para inducir la muerte celular a través de la iluminación con luz5. Los fotosensibilizadores son cromóforos que generan especies reactivas de oxígeno tras la irradiación de la luz. Su principal limitación es que requieren iluminaciones de luz largas (alrededor de 15 min), lo que puede ser difícil de lograr si las células se mueven, y que inducen la muerte celular a través de la apoptosis, que no es inmediata.
Finalmente, las ablaciones con láser han sido desarrolladas y ampliamente utilizadas en los últimos 15 años6,7,8,9,10,11,12. Un rayo láser se enfoca en la célula / tejido objetivo. Induce su ablación a través del calentamiento, la fotoablación o la ablación inducida por plasma; el proceso involucrado depende de la densidad de potencia y el tiempo de exposición13. La mayoría de los protocolos de ablación utilizan láseres UV por su alta energía. Sin embargo, la luz UV es absorbida y dispersada por los tejidos biológicos. Por lo tanto, apuntar a las células profundas requiere una alta potencia láser, que luego induce daños en tejidos más superficiales y fuera del plano. Esto limita el uso de láseres UV a estructuras superficiales y explica su resolución axial relativamente baja. La óptica no lineal (la llamada microscopía de dos fotones) utiliza propiedades no lineales de la luz para excitar un fluoróforo con dos fotones de aproximadamente media energía en el dominio infrarrojo. Cuando se aplica a las ablaciones, esto tiene tres ventajas principales. En primer lugar, la luz infrarroja está menos dispersa y menos absorbida que la luz UV por los tejidos biológicos14, lo que permite llegar a estructuras más profundas sin aumentar la potencia láser requerida. En segundo lugar, el uso de un láser pulsado de femtosegundo proporciona densidades de potencia muy altas, creando una ablación a través de la inducción plasmática, que, contrariamente al calentamiento, no se difunde espacialmente15. En tercer lugar, la densidad de potencia que induce la formación de plasma se alcanza solo en el punto focal. Gracias a estas propiedades, las ablaciones con láser de dos fotones se pueden utilizar para apuntar con precisión a las células profundas sin afectar el entorno del tejido circundante.
Las migraciones colectivas son un excelente ejemplo de procesos de desarrollo en los que las interacciones célula-célula son fundamentales. Las migraciones colectivas se definen como migraciones celulares en las que las células vecinas influyen en el comportamiento de una célula16. La naturaleza de estas interacciones (químicas o mecánicas) y cómo afectan la migración celular puede variar mucho y, a menudo, no se entiende por completo. La capacidad de eliminar células y observar cómo esto afecta a las demás es fundamental para desentrañar aún más estos procesos colectivos. Hace unos años, establecimos, utilizando enfoques quirúrgicos, que la migración del polster durante la gastrulación del pez cebra es una migración colectiva17. El polster es un grupo de células que constituye las primeras células interiorizantes en el lado dorsal del embrión18. Estas células, marcadas en verde en la línea transgénica Tg(gsc:GFP), se encuentran en lo profundo del embrión, debajo de varias capas de células epiblásticas. Durante la gastrulación, este grupo lidera la extensión del mesodermo axial, migrando desde el organizador embrionario hasta el polo animal19,20,21,22,23 (Figura 1A). Establecimos que las células requieren contacto con sus vecinas para orientar su migración en la dirección del polo animal. Sin embargo, una mejor comprensión de las bases celulares y moleculares de esta migración colectiva implica la eliminación de algunas células para ver cómo esto influye en las restantes. Por lo tanto, desarrollamos ablaciones de volúmenes grandes y profundos utilizando una configuración de microscopía de dos fotones. Aquí, demostramos el uso de este protocolo para cortar el polster en su medio y observar las consecuencias en la migración celular mediante el seguimiento de núcleos marcados con Histone2B-mCherry.
Todo el trabajo con animales fue aprobado por el Comité ético N 59 y el Ministère de l'Education Nationale, de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche bajo el número de expediente APAFIS#15859-2018051710341011v3. Algunos de los pasos que se describen a continuación son específicos de nuestro equipo y software, pero podrían adaptarse fácilmente a diferentes equipos.
1. Preparación de la inyección
2. Preparación embrionaria
3. Preparación del microscopio de dos fotones
NOTA: En este protocolo se utilizan dos láseres. Uno se utiliza para obtener imágenes de GFP (a 920 nm) y realizar ablaciones (a 820 nm). Se le conocerá como el láser verde / ablación. El otro se utiliza a 1160 nm para obtener imágenes de mCherry. Se le conocerá como el láser rojo.
4. Montaje del embrión
5. Localización del embrión e imágenes previas a la ablación
Figura 1: Resultado exitoso de las ablaciones con láser. (A) Esquema de un embrión gastrulante al 70% de epibolia en vista dorsal; pAM: mesodermo axial posterior; la flecha negra marca la dirección de la migración de polster; El cuadrado negro indica un campo de visión típico para las ablaciones en el polster. (B) Esquema de montaje de embriones para el corte de polster. Vista lateral. El embrión está montado de tal manera que el plano del polster es perpendicular al eje óptico. (C) supervivencia y (D) morfología de embriones control y ablacionados a las 24 h post-fecundación. La barra de escala es de 300 μm. (E) Secuencia de tiempo de la ablación con láser en el polster de un embrión Tg(gsc:GFP) que expresa Histone2B-mCherry. Las vistas con el canal verde solo son proyecciones máximas. El primer plano muestra el área ablacionada que contiene restos celulares. Las vistas con canales verdes y rojos (mostrados como magenta) son cortes XY y XZ antes y después de la ablación (el rayo verde representa la ablación). Las rodajas de XZ muestran que los tejidos suprayacentes (núcleos magenta sin expresión de GFP) no se han visto afectados por la ablación de las estructuras subyacentes. La caja discontinua amarilla corresponde al ROI seleccionado para el tratamiento de ablación con láser. La barra de escala es de 50 μm en vistas grandes y 25 μm en primer plano. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
6. Ubicación del objetivo y ablación con láser
Profundidad (μm) | Marcos de tratamiento |
-30 | 1 |
-35 | 1-2 |
-40 | 1-2 |
-45 | 2 |
-50 | 2-3 |
-55 | 3 |
-60 | 3-4 |
-65 | 4 |
-70 | 4 |
-75 | 4-5 |
-80 | 4-5 |
-85 | 5 |
-90 | 5 |
-95 | 5-6 |
-100 | 6 |
-105 | 6 |
Tabla 1: Número sugerido de marcos de tratamiento con láser en función de la profundidad celular objetivo en el embrión (0 es la superficie del embrión).
7. Verificación e imágenes posteriores a la ablación
Figura 2: Resultados negativos de las ablaciones con láser. (A) Ejemplos típicos de posibles fallos en la ablación con láser. Las vistas XY grandes son proyecciones máximas, la vista XZ es una sección reconstruida. El área tratada con láser se encuentra entre las dos puntas de flecha blancas. Tres planos focales se resaltan en la sección reconstruida y se muestran a la derecha. Corresponden a tres tipos diferentes de fallas. El plano 1 muestra que las células por encima del polster han sido ablacionadas. Esto se puede identificar por la presencia de desechos autofluorescentes en este plano focal (ver primer plano) sobre el polster (ver posición del plano 1 en la sección reconstruida). Esto probablemente resulta de una definición incorrecta de la región a ablacionar. El plano 2 muestra células que han sido blanqueadas pero no ablacionadas. Se pueden identificar como la señal de baja fluorescencia que aún revela contornos celulares intactos (ver de cerca). El plano 3 muestra células intactas, que apenas han sido blanqueadas por el tratamiento con láser. Esto podría deberse a una definición incorrecta de la región a ablacionar o a un tratamiento deficiente. En las situaciones representadas en los planos 2 y 3, es posible volver a aplicar el tratamiento de ablación a las células diana no ablacionadas. La barra de escala es de 50 μm en vistas grandes y 20 μm en primeros planos. (B) Un ejemplo típico de burbujas (marcadas por asteriscos blancos) formadas por cavitación debido a un tratamiento con láser demasiado intenso. Tales burbujas no se limitan a un plano Z, a veces incluso abarcando toda la altura del polster, deformando los tejidos vecinos. La barra de escala es de 50 μm. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
8. Análisis de datos
Figura 3: El aislamiento de la mitad anterior del polster afecta la direccionalidad celular. (A) Reconstrucciones 3D de un embrión Tg(gsc:GFP) que expresa Histone2B-mCherry (mostrado en magenta), antes y después de una ablación con láser cortando el polster en su centro. Los núcleos pertenecientes a la mitad anterior del polster están marcados con un punto magenta y rastreados a lo largo del tiempo antes y después de la ablación (ver Película S1). La barra de escala es de 50 μm. (B) Como medida de la persistencia de la migración, dirección autocorrelación de las células pertenecientes a la parte anterior del polster antes y después de la ablación. Las células muestran un movimiento continuo antes de la ablación, que disminuye drásticamente después de la ablación, lo que indica la pérdida de la migración orientada al colectivo. La autocorrelación de la dirección también se midió en las células que forman la mitad anterior del polster de un embrión no ablacionado, como control. Los sobres del gráfico indican un error estándar. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Para cortar el polster en su medio, se montó un embrión Tg(gsc:GFP), inyectado con ARNm Histone2B-mCherry en la etapa epibólica del 70%, como se describe en el paso 4. El polster se identificó por expresión de GFP, y el embrión se montó de modo que el plano del polster sea perpendicular al eje óptico (Figura 1B). Inclinar el embrión lejos de esta posición complicará el procedimiento. La luz tendrá que atravesar más tejidos para llegar a los planos de ablación, y los pl...
Aquí, describimos un protocolo que utiliza óptica no lineal para realizar ablaciones de volumen profundas y espacialmente bien definidas. El paso más crítico del protocolo es encontrar condiciones de tratamiento que proporcionen suficiente energía para permitir las ablaciones, pero no demasiada energía, para evitar el exceso de escombros o cavitación. La cantidad de energía entregada en el sitio objetivo depende principalmente de: (1) la potencia de salida del láser, (2) la calidad de la alineación del láser, ...
Los autores no declaran intereses contrapuestos.
Agradecemos a Emilie Menant por el cuidado de los peces, a la Instalación de Bioimagen Politécnica, en particular a Pierre Mahou, por la asistencia con imágenes en vivo en sus equipos, en parte con el apoyo de la Région Ile-de-France (interDIM) y la Agence Nationale de la Recherche (ANR-11-EQPX-0029 Morphoscope2, ANR-10-INBS-04 France BioImaging). Este trabajo fue apoyado por las subvenciones ANR 15-CE13-0016-1, 18-CE13-0024, 20-CE13-0016, y el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en el marco del acuerdo de subvención Marie Skłodowska-Curie No 840201, el Ministère de l'Enseignement Supérieur et de la Recherche y el Centre National de la Recherche Scientifique.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
25x water immersion objective | Olympus | XLPLN25XWMP2 | |
Agarose | PanReac AppliChem | A8963,0500 | |
Data analysis software : Matlab | Math Works | ||
Electro-optic modulator (EOM) | ConOptics | 350-80LA | |
Embryo Medium (EM) solution | Westerfield, M. The Zebrafish Book. A Guide for the Laboratory Use of Zebrafish (Danio rerio), 5th Edition. University of Oregon Press, Eugene (Book). (2000). | ||
Environmental chamber chamber | Okolab | H201-T-UNIT-BL | |
EOM driver | ConOptics | 302RM | |
Fluorescence source | Lumencor | SOLA | |
Glass bottom dishes | MatTek | P35G-0-10-C | |
Glass capillaries | Harvard Apparatus | 300085 | Outside diameter 1.0 mm, inside diameter 0.58 mm |
Glass pipettes | Volac | D810 | Tip should be fire polished |
Green/ablation laser | Spectra Physics | Mai Tai HP DeepSee | |
Histone2B-mCherry mRNA | Synthesized from pCS2-H2B-mCherry plasmid (Dumortier& al. 2012) | ||
Image analysis software: IMARIS | Bitplane | ||
ImSpector software | Abberior Instruments Development Team | ||
Injection mold | Adapative Science Tools | I-34 | |
Microloader tips | Eppendorf | 5242956003 | |
Micromanipulator | Narishige | MN-151 | |
Micropipette puller | Sutter | P-1000 | |
mMESSAGE mMACHINE SP6 Transcription Kit | Invitrogen | AM1340 | |
Penicillin-Streptomycin | Thermofisher | 15140-122 | 10 000 units penicillin and 10 mgstreptomycin per ml |
Photomultiplier tube (PMT) | Hammamatsu | H7422-40 | |
PicoPump (Air injector) | World Precision Instrument | PV820 | |
Red laser | Spectra Physics | OPO/Insight DeepSee | |
RNAse free water for injection | Sigma | W3500 | |
Spreadsheet software: Excel | Microsoft | ||
Stereomicroscope | Nikon | SMZ18 | |
Tg(gsc:GFP) zebrafish line | Doitsidou, M. et al. Guidance of primordial germ cell migration by the chemokine SDF-1. Cell. 111 (5), 647–59, doi: doi.org/10.1016/S0092-8674(02)01135-2 (2002). | ||
TriM Scope II microscope | La Vision Biotech |
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