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Method Article
Le développement embryonnaire nécessite une coordination à grande échelle du mouvement cellulaire. L’ablation laser médiée par l’excitation à deux photons permet l’ablation en 3 dimensions contrôlée spatialement de grands groupes de cellules profondes. De plus, cette technique permet de sonder la réaction des cellules qui migrent collectivement in vivo à des perturbations dans leur environnement mécanique.
La morphogenèse implique de nombreux mouvements cellulaires pour organiser les cellules en tissus et organes. Pour un bon développement, tous ces mouvements doivent être étroitement coordonnés, et l’accumulation de preuves suggère que cela est réalisé, au moins en partie, par des interactions mécaniques. Tester cela dans l’embryon nécessite des perturbations physiques directes. Les ablations au laser sont une option de plus en plus utilisée qui permet d’alléger les contraintes mécaniques ou d’isoler physiquement deux populations cellulaires l’une de l’autre. Cependant, de nombreuses ablations sont effectuées avec un laser ultraviolet (UV), qui offre une résolution axiale et une pénétration tissulaire limitées. Une méthode est décrite ici pour ablation de volumes profonds, significatifs et spatialement bien définis à l’aide d’un microscope à deux photons. Les ablations sont démontrées dans une lignée transgénique de poisson zèbre exprimant la protéine fluorescente verte dans le mésendoderme axial et utilisées pour couper le mésendoderme axial sans affecter l’ectoderme sus-jacent ou la cellule vitellin sous-jacente. Le comportement cellulaire est surveillé par imagerie en direct avant et après l’ablation. Le protocole d’ablation peut être utilisé à différents stades de développement, sur n’importe quel type de cellule ou de tissu, à des échelles allant de quelques microns à plus d’une centaine de microns.
Les interactions cellule-cellule jouent un rôle essentiel dans le développement. Les cellules fournissent des signaux que leurs voisines directes, ou des cellules plus éloignées, peuvent percevoir, influençant ainsi leur destin et / ou leur comportement. Beaucoup de ces signaux sont de nature chimique. Par exemple, dans les événements d’induction bien caractérisés, un groupe cellulaire produit des molécules diffusibles affectant le devenir d’une autre population cellulaire1. D’autres signaux, cependant, sont mécaniques; les cellules exercent des forces et des contraintes sur leurs voisins, que les voisins perçoivent et auxquels ils réagissent2.
Une façon d’étudier l’importance de ces interactions cellule-cellule in vivo est d’éliminer certaines cellules et d’observer le développement ultérieur. Malheureusement, les techniques disponibles pour éliminer ou détruire les cellules sont limitées. Les cellules peuvent être enlevées chirurgicalement3,4, à l’aide d’aiguilles ou de petits fils, mais ces traitements sont invasifs, peu précis et généralement effectués sous stéréomicroscope, empêchant l’imagerie immédiate au microscope. De plus, cibler les cellules profondes implique de percer un trou dans les tissus sus-jacents, créant ainsi des perturbations indésirables. Des photosensibilisateurs génétiquement codés, tels que KillerRed, ont été utilisés pour induire la mort cellulaire via l’éclairage lumineux5. Les photosensibilisateurs sont des chromophores qui génèrent des espèces réactives de l’oxygène lors de l’irradiation lumineuse. Leur principale limite est qu’ils nécessitent de longs éclairages lumineux (environ 15 min), ce qui peut être difficile à réaliser si les cellules se déplacent, et qu’ils induisent la mort cellulaire par apoptose, qui n’est pas immédiate.
Enfin, les ablations au laser ont été développées et largement utilisées au cours des 15 dernières années6,7,8,9,10,11,12. Un faisceau laser est focalisé sur la cellule/le tissu ciblé. Il induit son ablation par chauffage, photoablation ou ablation induite par plasma; le processus impliqué dépend de la densité de puissance et du temps d’exposition13. La plupart des protocoles d’ablation utilisent des lasers UV pour leur haute énergie. Cependant, la lumière UV est à la fois absorbée et diffusée par les tissus biologiques. Ainsi, le ciblage des cellules profondes nécessite une puissance laser élevée, qui induit ensuite des dommages dans des tissus plus superficiels et hors plan. Cela limite l’utilisation des lasers UV aux structures superficielles et explique leur résolution axiale relativement faible. L’optique non linéaire (appelée microscopie à deux photons) utilise les propriétés non linéaires de la lumière pour exciter un fluorophore avec deux photons d’environ une demi-énergie dans le domaine infrarouge. Lorsqu’il est appliqué aux ablations, cela présente trois avantages principaux. Tout d’abord, la lumière infrarouge est moins diffusée et moins absorbée que la lumière UV par les tissus biologiques14, ce qui permet d’atteindre des structures plus profondes sans augmenter la puissance laser requise. Deuxièmement, l’utilisation d’un laser pulsé femtoseconde fournit des densités de puissance très élevées, créant une ablation par induction plasmatique qui, contrairement au chauffage, ne diffuse pas spatialement15. Troisièmement, la densité de puissance induisant la formation de plasma est atteinte au point focal uniquement. Grâce à ces propriétés, les ablations laser à deux photons peuvent être utilisées pour cibler avec précision les cellules profondes sans affecter l’environnement tissulaire environnant.
Les migrations collectives sont un excellent exemple de processus de développement dans lesquels les interactions cellule-cellule sont fondamentales. Les migrations collectives sont définies comme des migrations cellulaires dans lesquelles les cellules voisines influencent le comportement d’une cellule16. La nature de ces interactions (chimiques ou mécaniques) et la façon dont elles affectent la migration cellulaire peuvent varier considérablement et ne sont souvent pas entièrement comprises. La capacité d’éliminer les cellules et d’observer comment cela affecte les autres est essentielle pour démêler davantage ces processus collectifs. Il y a quelques années, nous avons établi – à l’aide d’approches chirurgicales – que la migration du polster lors de la gastrulation du poisson-zèbre est une migration collective17. Le polster est un groupe de cellules qui constitue les premières cellules internalisantes de la face dorsale de l’embryon18. Ces cellules, marquées en vert dans la lignée transgénique Tg(gsc:GFP), sont situées profondément dans l’embryon, sous plusieurs couches de cellules épiblastiques. Au cours de la gastrulation, ce groupe mène l’extension du mésoderme axial, migrant de l’organisateur embryonnaire au pôle animal19,20,21,22,23 (Figure 1A). Nous avons établi que les cellules ont besoin d’un contact avec leurs voisins pour orienter leur migration dans la direction du pôle animal. Cependant, mieux comprendre les bases cellulaires et moléculaires de cette migration collective implique d’enlever certaines cellules pour voir comment cela influence les autres. Nous avons donc développé des ablations de grands volumes profonds à l’aide d’une configuration de microscopie à deux photons. Ici, nous démontrons l’utilisation de ce protocole pour couper le polster en son milieu et observer les conséquences sur la migration cellulaire en suivant les noyaux marqués avec Histone2B-mCherry.
Tous les travaux d’animaux ont été approuvés par le Comité d’Éthique N 59 et le Ministère de l’Education Nationale, de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche sous le numéro de dossier APAFIS#15859-2018051710341011v3. Certaines des étapes décrites ci-dessous sont spécifiques à nos équipements et logiciels, mais pourraient être facilement adaptées à différents équipements.
1. Préparation par injection
2. Préparation de l’embryon
3. Préparation du microscope à deux photons
REMARQUE: Deux lasers sont utilisés dans ce protocole. L’un est utilisé pour imager la GFP (à 920 nm) et effectuer des ablations (à 820 nm). On l’appellera le laser vert/ablation. L’autre est utilisé à 1160 nm pour imager mCherry. On l’appellera le laser rouge.
4. Montage de l’embryon
5. Localisation de l’embryon et imagerie pré-ablation
Figure 1: Résultat positif des ablations au laser. (A) Schéma d’un embryon gastrulant à 70% d’épibolye en vue dorsale; pAM: mésoderme axial postérieur; la flèche noire marque la direction de la migration des polsters; le carré noir indique un champ de vision typique pour les ablations dans le polster. (B) Schéma de montage d’embryons pour la séparation des polsters. Vue latérale. L’embryon est monté de telle sorte que le plan du polster soit perpendiculaire à l’axe optique. (C) la survie et (D) la morphologie des embryons témoins et ablés 24 heures après la fécondation. La barre d’échelle est de 300 μm. (E) Séquence temporelle de l’ablation au laser dans le polster d’un embryon Tg(gsc:GFP) exprimant Histone2B-mCherry. Les vues avec le canal vert uniquement sont des projections maximales. Le gros plan affiche la zone ablée contenant des débris cellulaires. Les vues avec des canaux verts et rouges (affichés sous forme magenta) sont des tranches XY et XZ avant et après l’ablation (l’éclair vert représente l’ablation). Les tranches XZ montrent que les tissus sus-jacents (noyaux magenta sans expression de GFP) n’ont pas été affectés par l’ablation des structures sous-jacentes. La boîte en pointillés jaune correspond au ROI sélectionné pour le traitement d’ablation au laser. La barre d’échelle est de 50 μm dans les grandes vues et de 25 μm dans le gros plan. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
6. Emplacement de la cible et ablation au laser
Profondeur (μm) | Cadres de traitement |
-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 |
Tableau 1 : Nombre suggéré de cadres de traitement au laser en fonction de la profondeur cellulaire ciblée dans l’embryon (0 étant la surface de l’embryon).
7. Vérification et imagerie post-ablation
Figure 2 : Résultats négatifs des ablations au laser. (A) Exemples typiques de défaillances potentielles de l’ablation au laser. Les grandes vues XY sont des projections maximales, la vue XZ est une section reconstruite. La zone traitée au laser est située entre les deux pointes de flèches blanches. Trois plans focaux sont mis en évidence dans la section reconstruite et affichés à droite. Ils correspondent à trois types d’échecs différents. Le plan 1 montre que les cellules au-dessus du polster ont été ablées. Ceci peut être identifié par la présence de débris autofluorescents sur ce plan focal (voir gros plan) au-dessus du polster (voir position du plan 1 sur la section reconstruite). Cela résulte probablement d’une définition incorrecte de la région à abréger. Le plan 2 montre des cellules qui ont été blanchies mais pas ablées. Ils peuvent être identifiés car le signal de faible fluorescence révèle encore des contours cellulaires intacts (voir gros plan). Le plan 3 affiche des cellules intactes, qui ont à peine été blanchies par un traitement au laser. Cela pourrait résulter d’une définition incorrecte de la région à ablation ou d’un mauvais traitement. Dans les situations décrites dans les plans 2 et 3, il est possible de réappliquer le traitement d’ablation aux cellules ciblées non ablées. La barre d’échelle est de 50 μm en grandes vues et de 20 μm en gros plans. (B) Un exemple typique de bulles (marquées par des astérisques blancs) formées par cavitation à cause d’un traitement au laser trop intense. De telles bulles ne se limitent pas à un plan Z, parfois même s’étendant sur toute la hauteur du polster, déformant les tissus voisins. La barre d’échelle est de 50 μm. Veuillez cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.
8. Analyse des données
Figure 3 : L’isolement de la moitié antérieure du polster affecte la directionnalité cellulaire. (A) Reconstructions 3D d’un embryon Tg(gsc:GFP) exprimant Histone2B-mCherry (affiché en magenta), avant et après une ablation au laser coupant le polster en son milieu. Les noyaux appartenant à la moitié antérieure du polster sont marqués d’un point magenta et suivis dans le temps avant et après l’ablation (voir le film S1). La barre d’échelle est de 50 μm. (B) Comme mesure de la persistance de la migration, auto-corrélation de direction des cellules appartenant à la partie antérieure du polster avant et après l’ablation. Les cellules affichent un mouvement continu avant l’ablation, qui diminue considérablement après l’ablation, indiquant une perte de migration orientée vers le collectif. L’auto-corrélation de direction a également été mesurée sur des cellules formant la moitié antérieure du polster d’un embryon non ablée, comme témoin. Les enveloppes du graphique indiquent une erreur type. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Pour couper le polster en son milieu, un embryon Tg(gsc:GFP), injecté avec des ARNm Histone2B-mCherry a été monté au stade épiboly à 70%, comme décrit à l’étape 4. Le polster a été identifié par l’expression de GFP, et l’embryon a été monté de manière à ce que le plan du polster soit perpendiculaire à l’axe optique (Figure 1B). Incliner l’embryon loin de cette position compliquera la procédure. La lumière devra traverser plus de tissus pour atteindre le...
Nous décrivons ici un protocole qui utilise une optique non linéaire pour effectuer des ablations volumiques profondes et spatialement bien définies. L’étape la plus critique du protocole est de trouver des conditions de traitement qui fournissent suffisamment d’énergie pour permettre des ablations, mais pas trop d’énergie, afin d’éviter des débris excessifs ou une cavitation. La quantité d’énergie délivrée sur le site cible dépend principalement de: (1) la puissance de sortie du laser, (2) la qual...
Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.
Nous remercions Emilie Menant pour les soins aux poissons, le Centre polytechnique de bioimagerie, en particulier Pierre Mahou, pour son aide à l’imagerie en direct sur leurs équipements en partie soutenus par la Région Ile-de-France (interDIM) et l’Agence Nationale de la Recherche (ANR-11-EQPX-0029 Morphoscope2, ANR-10-INBS-04 France BioImaging). Ces travaux ont été soutenus par les subventions ANR 15-CE13-0016-1, 18-CE13-0024, 20-CE13-0016 et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne dans le cadre de la convention de subvention Marie Skłodowska-Curie n° 840201, du ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche et du 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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