Studiare Wnt segnalazione Durante Patterning di condurre Airways

Riepilogo

L'uso di topi reporter accoppiati a tutto il monte e sezione colorazione, microscopia e in vivo facilita l'analisi dei meccanismi alla base della normale patterning del tratto respiratorio. Qui si descrive come queste tecniche hanno contribuito all'analisi di segnalazione Wnt durante lo sviluppo tracheale.

Abstract

Wnt signaling pathways play critical roles during development of the respiratory tract. Defining precise mechanisms of differentiation and morphogenesis controlled by Wnt signaling is required to understand how tissues are patterned during normal development. This knowledge is also critical to determine the etiology of birth defects such as lung hypoplasia and tracheobronchomalacia. Analysis of earliest stages of development of respiratory tract imposes challenges, as the limited amount of tissue prevents the performance of standard protocols better suited for postnatal studies. In this paper, we discuss methodologies to study cell differentiation and proliferation in the respiratory tract. We describe techniques such as whole mount staining, processing of the tissue for confocal microscopy and immunofluorescence in paraffin sections applied to developing tracheal lung. We also discuss methodologies for the study of tracheal mesenchyme differentiation, in particular cartilage formation. Approaches and techniques discussed in the current paper circumvent the limitation of material while working with embryonic tissue, allowing for a better understanding of the patterning process of developing conducting airways.

Introduzione

Lo sviluppo delle vie respiratorie è avviata da embrionali giorno 9 (E9) con la comparsa di cellule positive Nkx2.1 nel endodermico ventrale foregut ^1,2. Esofago-tracheale separazione tubo si risolverà da E11.5 quando i tubi possono essere distinte come entità distinte, ognuna circondata dal tessuto mesenchimale ^3. Wnt svolge un ruolo chiave nella specifica delle vie respiratorie come l'eliminazione di Wnt2 e Wnt2b, espressa dal mesenchima splancnico e la cancellazione di β-catenina dal epitelio respiratorio endodermico si tradurrà in agenesia del polmone ^4,5. I nostri studi precedenti hanno stabilito che la cancellazione di WLS, un recettore carico mediazione secrezione di tutti i ligandi Wnt, dai risultati del tratto respiratorio endodermico a ipoplasia polmonare, difetti di sviluppo vascolare polmonare e mis-patterning del tracheale mesenchima ^6,7. Questi dati supportano l'importanza del cro epitelio-mesenchimaless parlare nel differenziamento cellulare e specifica, come è stato mostrato anche in altri studi ^8,9.

Lo studio delle prime fasi di sviluppo del polmone si basa su genetica, in vitro ed ex vivo tecniche che hanno permesso di comprendere meglio i meccanismi di guida identità respiratoria ^10-16. Intere culture espianto polmone all'interfase liquido dell'aria sono stati ampiamente utilizzati per studiare gli effetti di fattori di crescita nelle prime fasi di polmonare branching morfogenesi ^10,17,18. Mentre questo metodo è usato come lettura dei cambiamenti morfologici, come morfogenesi di ramificazione, e la modulazione dell'espressione genica, è limitato allo studio delle prime fasi del processo di sviluppo, la cultura stessa non supporta lo sviluppo di vascolarizzazione ^17. Sviluppo di tracheale cartilagine richiede tempi di incubazione più lunghi che possono essere non compatibili con questa tecnica di coltura.

per Analyze il ruolo di segnalazione Wnt durante la formazione del tratto respiratorio, abbiamo adattato le tecniche standard per soddisfare le esigenze dei nostri studi embrionali. Abbiamo modificato i volumi, i tempi di colorazione, trattamento ciclismo per paraffina e la tempistica per la compensazione del tessuto tracheale-polmonare. L'obiettivo principale di ottimizzare le tecniche descritte nel presente studio è stato quello di analizzare le prime fasi di sviluppo tracheale nei topi che si svolgono da E11 a E14.5. Utilizzando il topo giornalista linea Axin2LacZ noi siti precisamente determinati di attività / β-catenina Wnt in via di sviluppo mesenchima tracheale. Abbiamo anche adattato procedura di colorazione lectina per tutto il tessuto tracheale monte. Così, siamo stati in grado di visualizzare condensazioni mesenchimali e prevedere siti dove chondrogenesis avrà luogo. La colorazione di tutto il monte e sezioni di tessuto embrionale ottenuti da topi WlsShhCre, insieme con tecniche di microscopia avanzate, ci ha permesso di svelare il ruolo di ligandi Wnt prodotte dal TRAepitelio endotracheale nella trachea patterning.

Protocollo

Gli animali sono stati alloggiati in condizioni esenti da organismi patogeni. I topi sono stati trattati secondo protocolli approvati dalla CCHMC Institutional Animal Care e del Comitato Usa (Cincinnati, OH USA). I topi utilizzati nel corso di questi studi sono stati mantenuti in uno sfondo misto.

1. monte intero X-galattosidasi colorazione

1. Euthanize femmina incinta a E11.5 a E14.5, da CO ₂ inalazione. Mettere gli animali nella camera di CO _2, caricare la camera con CO _2. Mantenere gli animali in camera per un minimo di 5 min. Eseguire il metodo secondario di eutanasia da dislocazione cervicale.
2. Pulire zona addominale con etanolo (EtOH) 70% ed eseguire laparotomia con un'unica incisione mediana addominale. Utilizzare forbici chirurgiche e modello standard (seghettate dritto) pinza.
3. Isolare corna uterine con pinze e forbici sottili e collocare immediatamente il tessuto in capsula di Petri contenente raffreddato soluzione PBS. Mantenere il tessuto in ghiaccio fino procedereall'isolamento di embrioni.
4. Isolare embrioni da corna uterine. Sezionare il tessuto polmonare tracheale embrionali utilizzando microscopio da dissezione. Utilizzare pinze punta fine e forbici per tenere e forare il tessuto uterino e del concepimento rilasciando gli embrioni.
   1. Rimuovere restante membrane embrionali. Con l'aiuto di lame ago tagliare la testa di embrioni e la parte inferiore del corpo sotto il diaframma. Individuare fegato come un punto di riferimento.
   2. Dopo isolamento della regione toracica dell'embrione, procedere a rimuovere i lati laterali della parete del corpo, della colonna vertebrale e cuore con lame aghi. Fare attenzione durante la rimozione del cuore per evitare lesioni del tessuto tracheale. Infine, attenzione, separare l'esofago dalla trachea tirando l'esofago con l'assistenza di lame aghi. Mantenere il tessuto in soluzione PBS in ghiaccio.
5. Posizionare il tessuto in 4 ml di vite fiale cappuccio con pipette di vetro o di trasferimento. Fissare tessuto polmonare tracheale in 4% paraformaldeide (PFA) in PBS per 30 min. Dopo la fissazione,lavare tessuti con PBS. Mentre il risciacquo, preparare la soluzione X-gal colorazione (aggiungere 5 mm K ₃ Fe (CN) _6, (100 ml 0,5 m stock) 5 mm K ₄ Fe (CN) ₆ (100 l 0,5 m stock) 2 mM MgCl _2, ( 20 l 1 m stock) 0,01% NaDOC (50 ml 2% stock), 0,02% NP ₄ O (100 ml 2% stock), 1 mg / ml di X-gal (500 ml di 20 mg / ml di magazzino) e 9.13 ml di acqua distillata per portare a volume finale di 10 ml).
6. Rimuovere ogni residuo PBS e aggiungere 2 ml di soluzione di colorazione X-gal per la fiala di vetro. Mettere in fiale vassoio agitatore. tessuti Stain 1 a 2 ore nella soluzione colorante X-gal. Incubare il tessuto in soluzione X-gal per 4 ore per l'ulteriore elaborazione e incorporamento.
7. Bloccare la reazione dei tessuti di lavaggio a 3% dimetilsolfossido-PBS. Sciacquare in PBS, 3 volte per 5 minuti ogni lavaggio e conservare in etanolo al 70%.
8. Riempire Petri con una soluzione all'1% di agarosio / PBS. Lasciare agarosio solidificare. Usando pipette di vetro, posizionare il tessuto sulla cooperazione agarosiopiastre ATED riempite con soluzione PBS. Fotografare supporti interi usando un microscopio da dissezione. Selezionare il filtro appropriato per campo chiaro.
9. Per distinguere meglio i siti di campioni processo di colorazione X-gal per paraffina e sezionamento. I campioni in cassette a maglia fine.
   1. Per elaborare i campioni per paraffina utilizzano un processore automatizzato e impostare un breve ciclo come segue: sei cambi di alcol: 5 min prima modifica e 3 minuti per ogni variazione residua. Tre variazioni di xilene: 5 min prima modifica e 3 min prossime due modifiche. I passi precedenti vengono eseguiti a 30 ° C. Infine, eseguire tre cambi di paraffina a 62 ° C: 25 min, 8 min e 5 min.
10. campioni Orient per l'integrazione con il tessuto disteso sul fondo di incorporare barca. Aggiungere con cautela paraffina a riempire la barca embedding. Raffreddare immediatamente sul piatto freddo di incorporare stazione fino solidifica paraffina. Rimuovere blocco da incorporare barca. Utilizzando un microtomo, generare 6 micron sriflessioni. sezioni Mount su pretrattati-diapositive e diapositive a secco su vetrino più caldo insieme a 42 ° C per 1 ora.
11. Cuocere scorre durante la notte in forno a 56 ° C. Collocare i vetrini in rack. Deparaffinare vetrini con tre cambi di 100% xilene, 10 minuti ciascuno. Utilizzare colorazione piatti riempito con 200 ml di xilene.
12. Reidratare diapositive utilizzando serie graduata EtOH (100%, 70%, 50% e 30%, 1 min per punti) in PBS prima controcolorazione con rosso nucleare da 10 a 30 sec. Sciacquare i vetrini con acqua di rubinetto tre volte per 5 minuti ogni volta per eliminare l'eccesso di Nuclear Fast Red.
13. Disidratare i vetrini in una serie graduata di EtOH (50%, 70% e 100% EtOH) prima del lavaggio in tre cambi di xilene (20 buchi ogni cambio) e coprire scivolare con mezzo di montaggio a base di xilene.

2. lectina colorazione

1. Sezionare E13.5 e E14.5 tracheale tessuto polmonare come descritto nei punti da 1.1 a 1.4. Usando pipette di vetro posto tessuto in flaconcini con tappo a vite. Fissare tessuto polmonare tracheale con 2 ml di2% soluzione PFA notte a 4 ° C. Dopo la fissazione, lavare i campioni in PBS per tre volte per 10 minuti ogni lavaggio.
2. Preparare tampone di bloccaggio, solitamente un volume finale di 10 ml di soluzione. Aggiungere 0,1 g di BSA (1%) a 8 ml di PBS. Lasciare BSA per sciogliere. Aggiungere 0,2 ml di siero di capra (2%) 0.03ml di Triton X-100 (0,3%). Portare il volume finale a 10 ml con PBS. campioni del blocco per 1 h in 0,5 ml di tampone di bloccaggio a temperatura ambiente.
3. Rimuovere tampone bloccante con una pipetta di trasferimento e sostituirlo con una soluzione lectina composto da 50 mg / mL di lectina, 10% siero di capra e PBS. Utilizzare 250 ml di soluzione di lectina per campione. Incubare per una notte a 4 ° C. Assicurarsi di coprire la fiala di vetro contenente il tessuto con un foglio di alluminio. Dopo incubazione con soluzione lectina, risciacquare campioni in PBS per tre volte per 10 min.
4. Luogo espianti in rivestito agarosio capsule di Petri contenenti abbastanza PBS per coprire i campioni. Fotografare monta interi utilizzando un microscopio a fluorescenza-dissezione. Selezionare il appropFiltro riate per rilevare la fluorescenza. Lectina PNA ben si abbina alla GFP.

3. monte intero Immunofluorescenza e microscopia confocale

1. Isolare tessuto polmonare tracheale, trasferimento a 4 ml vite vetro fiale tappo e fissare durante la notte nel 4% PFA. tessuto E11.5 può essere fissato in 2% PFA. Conservare in metanolo 100%. I campioni possono essere conservati fino a diversi mesi a -20 ° C.
2. Rimuovere il metanolo con una pipetta di trasferimento e permeabilize campioni utilizzando Bleach di Dent (4 parti Metanolo, 1 parte di DMSO e 1 parte il 30% _di H ₂ O ₂₎ per 2 ore. tessuto Hydrate in una serie graduata di metanolo diluito in PBS come segue: 100% metanolo, 75% metanolo, 50% metanolo, 25% metanolo, 100% PBS. Incubare 10 minuti a temperatura ambiente durante ogni fase di idratazione.
3. Tessuto Block in 0.5% reagente bloccante diluito in PBS (vedi Materiali particolari) per due ore a temperatura ambiente con agitazione.
4. Diluire anticorpo primario nel bloccaresoluzione (Sox9 1: 100, Nkx2.1 1: 200, αSMA 1: 250) e incubare campioni notte a 4 ° C. Lavare i campioni con PBS cinque volte a temperatura ambiente. Eseguire ogni lavaggio per 1 ora.
5. Applicare anticorpo secondario ad una diluizione 1: 500 in soluzione bloccante 0,5%. selezionare con attenzione anticorpi secondari per evitare legame tra anticorpi secondari. Incubare per una notte a 4 ° C in camera oscura. Lavare i campioni tre volte per 20 minuti a temperatura ambiente. Disidratare campioni in una serie graduata di metanolo diluito in PBS come segue: 25% metanolo, 50% metanolo 75% di metanolo, 100% metanolo, 10 min ogni passo.
   Nota: Assicurarsi che i campioni rimangono coperte con un foglio di alluminio e ridurre al minimo l'esposizione alla luce. Tissue può essere conservato a 4 ° C per diverse settimane fino fotografato.
6. Campioni di trasferimento a su ordine piastre di scena, rimuovere il metanolo e chiaro con circa 200 ml di soluzione chiara di Murray ^19,20 (2 parti benzilico benzoato, 1 parte di alcool benzilico) immediatamente BEFl'imaging minerale. Fotografia usando un microscopio confocale. Elaborare e analizzare immagine utilizzando il software di imaging.

4. proliferazione cellulare

1. Iniettare E11.5 topi incinta intra-peritoneally con una soluzione di BrdU ad una concentrazione di 100 ug BrdU / g di peso corporeo. Sacrificio femminile come descritto nella sezione 1 del protocollo e isolare embrioni a E12.5 e E13.5. Usando lame di coltello, teste di consumo e la parte inferiore del corpo al di sotto della cavità toracica.
2. Mettere il tessuto toracico in 4 ml di vite fiale tappo e fissare in 1 ml di PFA 4% durante la notte. Lavare i campioni con PBS due volte per 5 min e disidratano campioni attraverso una serie di etanolo diluito in acqua distillata fino al 70% di etanolo come segue: 30%, 50% e 70% di etanolo, per 5 minuti ogni passo.
   1. I campioni di medie dimensioni dello schermo cassette. tessuti Processo per incorporamento di paraffina utilizzo e il processore automatizzato. Impostare un ciclo come segue: sei cambi di alcol per 8 minuti ciascuno, tre cambi di xilene per 6 minuti ciascuno, tre cHANGES di paraffina, per 25 minuti, 9 min e 8 min.
3. Incorpora in paraffina orientare il tessuto nella posizione desiderata per generare 6 trasversali micron o sezioni longitudinali, come descritto nella sezione 1. Posizionare sezioni su vetrini e consentire il tessuto di aderire a scivolare sulla slitta insieme più calda a 42 ° C per 1 ora.
4. scivoli cuocere, su un fianco, durante la notte in forno a 56 ° C. Collocare i vetrini in rack di plastica. scivoli Sparaffinare per immersione in tre cambi di 100% xilene, 10 min a cambio. Utilizzare 200 ml di xilene per sommergere completamente diapositive. Reidratare diapositive utilizzando serie graduata EtOH (100%, 70%, 50% e 30%, 5 min per passo con agitazione) di PBS (5 min).
5. Eseguire recupero dell'antigene utilizzando 10 mM tampone citrato, pH 6. Per preparare 100 ml di miscela di tampone citrato 18 ml di 0,1 M di acido citrico monoidrato e 82 ml di 0,1 M citrato di sodio.
   1. I campioni in vasi Coplin di plastica pieni di soluzione di antigene recupero e forno a microonde per 6,5 minuti ad alta potenza. Aggiungere disacqua distillata a vaschetta Coplin per compensare evaporata-citrato buffer e riscaldare alla potenza del 40% per 6 min.
   2. Riempire vaschetta Coplin verso l'alto con l'acqua, e riscaldare di nuovo al potere il 40% per 6 min. volte a microonde possono variare in base a microonde utilizzata.
   3. Lasciare vetrini raffreddare per 20 minuti a temperatura ambiente prima vetrini lavaggio in acqua distillata per 1 min, seguito da PBS per 5 min. Dopo il PBS lavare, vetrini blocco per 2 ore in una soluzione bloccante contenente TBS (2.425 g di Tris base e 8,765 g di NaCl diluito in 1 L di acqua distillata) 10% di siero asino e 1% BSA.
6. Aggiungere anticorpi primari diluiti in soluzione bloccante (TBS contenente 10% di siero Ciuchino e 1% BSA). BrdU (marcatore mitosi), Nkx2.1 (epitelio delle vie respiratorie), Sox9 (cellule che daranno luogo alla cartilagine) e αSMA (cellule muscolari lisce). Incubare i vetrini durante la notte, a 4 ° C. Utilizzare il metodo di sovrapposizione per conservare gli anticorpi. Applicare 180 ml di anticorpi di una guarnizione e quindi collegare slitta come se la copertura antiscivoloping.
7. Staccare la guarnizione immergendo i vetrini in acqua distillata. Dopo la rimozione della guarnizione, lavare anticorpo primario non legato eseguendo sei 5 min lavaggi con TBS contenente 0,1% Tween-20.
   1. Incubare i vetrini con anticorpo secondario diluito in soluzione bloccante alla diluizione di 1: 200, per 1 ora a temperatura ambiente. Selezionare accuratamente anticorpi secondari per evitare indesiderate legame tra di loro. Rimuovere l'anticorpo secondario non legato eseguendo tre a cinque lavaggi minuti con TBS contenente 0,1% di Tween.
   2. Lavare i vetrini in 0,1 M di base Tris due volte per 5 minuti e poi 0,05 di base M Tris due volte per 5 min. I vetrini possono essere lasciato in 0,05 di base M Tris mentre coversliping utilizzo dei supporti di montaggio con o senza DAPI (1,5 mg / ml). Conservare i vetrini nella cartella di diapositive a 4 ° C e al riparo dalla luce coprendo cartella con un foglio di alluminio.
8. Visualizza colorazione e fotografia utilizzando un microscopio a fluorescenza automatizzato. Contare etichettati cellule e cellule totali per campo fotografato al20X e 40X per determinare i rapporti di cellule proliferanti di cellule totali.

Risultati

attività / β-catenina Wnt

Tutta la colorazione monte Lac-Z è stato rilevato nel tessuto tracheale-polmonare di embrioni isolati da giornalista Axin2 ^{Lac Z} topi ^11. Siti di colorazione indicano l'attività / β-catenina Wnt. Analisi di sezioni di montare tutto colorazione determinato che Wnt attività / β-catenina era presente nel mesenchima della trachea e mesenchima delle regi...

Discussione

Eventi sottostanti morfogenesi del tratto respiratorio sono state comprese, in particolare i processi necessari per il patterning delle vie aeree di conduzione. Studi precedenti hanno utilizzato ex vivo le tecniche di cui espianti in via di sviluppo sono coltivate all'interfase aria-liquido o incorporato in matrigel ^21,22. Questi studi hanno dimostrato come fattori di crescita influenzano il patterning della trachea sviluppo e la formazione di tracheale cartilagine. Una limitazione a questi studi...

Materiali

Name	Company	Catalog Number	Comments
Anti Sox9 ab.	Millipore	AB5535	1:400 , rabbit
Anti Sox9 ab.	Santa Cruz	Sc-20095	1:50, rabbit
Anti Smooth Muscle Actin ab.	Sigma	A5228	1:2k, mouse
Anti NKX2.1 ab.	Seven Hills	n/a	1:100, guinea pig
Anti NKX2.1 ab.	Seven Hills	n/a	1:400, mouse
Anti Brdu ab.	Abcam	AB1893	1:200, sheep
Anti Brdu ab.	Santa Cruz	Sc-32323	1:4k, mouse
PNA Lectin	Sigma	L 7381
Secondary antibodies	Life technologies		Alexa fluor Molecular probes
K3Fe(CN)6	Sigma	P8131
K4Fe(CN)6	Sigma-Aldrich	P3289
MgCl2	Sigma-Aldrich	M9272
NaDOC	Life Technologies	89905
NP4O	Life Technologies	85124
Alcian Blue 8GX	Sigma	A-3157
Fisher brand super-frost plus	Fisher	12-550-15
PFA (16%)	EMS	15710
PBS	Gibco	70011-044
Fetal Calf Serum	Sigma	11K413
Blocking reagent	Invitrogen		Component of TSA kit #2    ( T20932)
BrDu	Sigma	B5002-5g
Vectashield mounting medium	Vector labs	H-1000
Permount	Fisher	SP15-500
Tissue-loc cassettes Histoscreen	Fisher	C-0250-GR
Biopsy cassettes	Premiere	BC0109	Available in different colors
Nuclear fast red  Kernechtrot 0.1%	Sigma	N3020
Citric acid	Sigma	C1909-500G
Sodium citrate tribasic dihydrate	Sigma	S4641-1Kg
Trizma hydrochloride	Sigma	T5941-500G
Xylene	Pharmco-AAPER	399000000
Ethanol	Pharmco-AAPER	111000200
Micro knives	FST	10318-14
Dumont #5 ceramic coated	FST	11252-50
Dumont #5CO	FST	11295-20
Dumont # 5	FST	91150-20
Thermo/Shandon Excelsior ES	Thermo Fisher
Microtome	Leica	RM2135
Nikon i90	Nikon		Wide field microscope
NikonA1Rsi	Nikon		Confocal microscopy. Settings:NikonA1 plus camera, scanner: Galvano, detector:DU4. Optics Plan Apo lambda 10X. Modality: Widefield fluorescence laser confocal.
Leica MS 16 FA	Leica		Fluorescence Dissecting microscope
Zeiss	Zeiss		Automated fluorescence microscope
Leica Application suite	Leica		Leica imaging software
NIS	Nikon		Nikon imaging software
IMARIS	Bitplane		Imaging processing software