Name: imaging cleared embryonic and postnatal hearts at single-cell resolution
Uploaded: 2016-10-07T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 30 s
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We thank M.W. laboratory members for scientific discussion. This work is supported by AHA [13SDG16920099] to M.W., and by National Heart, Lung, and Blood Institute grants [R01HL121700] to M.W. Images were captured in the Imaging Core Facility at the Albany Medical College.

Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati approvati dal Comitato di Cura e uso istituzionale animali (IACUC) a Albany Medical College ed eseguite secondo la guida NIH per la cura e l&#39;uso di animali da laboratorio. 1. Preparazione della soluzione NOTA: Il Rosa26Cre ERT2 15, R26R-Confetti 16, αMHC-Cre 17, e Rosa26-mTmG (mTmG) 20 linee di topo sono state acquistate sul mercato cTnT-Cre 18 è stato un dono dal Dott Jiao presso l&#39;Università di Alabama NFATc1-Cre.. era un dono di Dr. Bin Zhou all&#39;Albert Einstein college of Medicine 19. I topi sono stati sacrificati per inalazione di anidride carbonica in un locale chiuso per almeno 60 secondi seguiti da mezzi fisici di verifica morte per toracotomia bilaterale, decapitazione o dislocazione cervicale. <ol><li> Preparare Tamoxifen. Sciogliere 10 mg di tamoxifene in 10 ml di oi semi di girasolel. Una volta che si è completamente sciolto, aliquotare e conservare a -20 ° C. </li><li> Preparare soluzione salina tamponata con fosfato (PBS). Sciogliere Na 2 HPO 4 (1,41,96 mila g), KH 2 PO 4 (0,24,496 mila g), NaCl (8,0669 g) e KCl (0,20,129 mila g) in 1 L di acqua distillata e regolare il pH a 7,4. </li><li> Preparare PBST: 0.1% Tween-20 soluzione in PBS sciogliendo 100 ml di Tween-20 in 100 ml di PBS. </li><li> Preparare tampone di bloccaggio. Rendere 3% di siero albumina bovina (BSA) soluzione bloccante sciogliendo 3 g di BSA in 100 ml di PBST contenente 0,2% Tween-20. </li><li> Preparare CUBIC-1 (reattivo 1). Mescolare 25% in peso di urea, 25% in peso di N, N, N &#39;, N&#39;-tetrakis etilendiammina (2-idrossipropil) e il 15% in peso di Triton X-100 in dH 2 O. </li><li> Preparare CUBIC-2 (reattivo 2). Mescolare 50 wt% di saccarosio, 25% in peso di urea, 10% in peso di 2, 2 &#39;, 2&#39; &#39;- nitrilotrietanolo e lo 0,1% (v / v) Triton X-100 in dH 2 O. </li><li> Preparare Sca le A2: 4 M urea, 10% w / v di glicerolo e 0,1% w / v Triton X-100 in DH 2 O. Regolare il pH a 7,7. </li><li> Preparare Sca le B4: 8 M urea e 0,1% w / v Triton X-100 in dH 2 O. Regolare il pH a 8,7. </li><li> Preparare Sca le 70: 4 M urea, 70% w / v di glicerolo e 0,1% w / v Triton X-100 in dH 2 O. </li></ol> 2. Tamoxifen Induzione, isolamento degli embrioni e la fissazione <ol><li> Tamoxifene Induzione e isolamento Embryo <ol><li> Utilizzando un protocollo sondino ricurvo approvato (ACUP 13-12.007), sonda gastrica i topi di sesso femminile R26Cre ERT2 Confetti (collegato da R26Cre ERT2 topi maschi) con 10 mg / g di Tamoxifen al giorno embrionale di sviluppo E7.75 33. Al giorno embrionale 9,5 (E9.5) o E10.5, eutanasia i topi femmina con CO 2 e dislocazione cervicale. </li><li> Dopo la verifica della morte del mouse (vedi Sezione 1 Nota), aprire il mouse cavità addominale con le forbici e sezionare il corno uterino, rimuovere gli strati di tubo uterino con l&#39;aiuto di forbici e pinzette, e reaffittare gli embrioni dal 23,24 tuba uterina. <ol><li> Trasferire gli embrioni di una capsula di Petri contenente PBS (pH 7,4). Sotto il microscopio da dissezione, rimuovere gli strati non-embrionali (chorion, sacco vitellino e amnion) con l&#39;aiuto di una pinzetta. </li></ol></li><li> Utilizzando le pinzette e forbici, raccogliere i campioni femminili del mouse e della coda degli embrioni per la genotipizzazione come riportato in precedenza 22. Usando una pipetta di plastica, trasferire ogni embrione in un pozzetto di una piastra ben 48 contenente 1 ml di PBS 1x. </li><li> Sotto un microscopio a fluorescenza, identificare le GFP / RFP / CFP embrioni positivi tramite un microscopio invertito con una macchina fotografica. Sbucciare via il pericardio con una pinzetta e ruotare il cuore / embrione con l&#39;aiuto di pinzette ricurve per determinare il numero di cloni fluorescenti su entrambi i lati del cuore con i filtri GFP / RFP / CFP. Non sono necessari tagli. </li></ol></li><li> Dopo aver identificato GFP / RFP / CFP embrioni positivi, lavare rapidamente gli embrioni per due volte (2 min ciascuna) con PBS 1x in the 48 ben piastra su un agitatore a temperatura ambiente (RT). Questo rimuoverà il sangue in eccesso. </li><li> Fissare l&#39;embrione / cuore embrionale utilizzando 4% paraformaldeide (PFA) a temperatura ambiente. Il tempo di fissazione dipende dall&#39;età e del tessuto dimensioni embrionale. Per E9.5 fissare l&#39;embrione per 2 ore a temperatura ambiente. Gli embrioni fase embrionale fine richiedono un tempo più lungo di fissazione, che può anche essere prolungata fino a 24 ore per il cuore postnatale. ATTENZIONE: Paraformaldeide è tossico, evitare il contatto con la pelle, gli occhi e le mucose. </li><li> Dopo la fissazione, lavare l&#39;embrione / cuore nel 48 ben piatto due volte (10 minuti ciascuno) con 1x PBS su un agitatore a temperatura ambiente. Questo rimuove l&#39;eccesso di PFA dall&#39;embrione / cuore. Gli embrioni vengono poi ulteriormente trattati per tutto il monte di colorazione e di compensazione dei tessuti. </li></ol> 3. monte intero colorazione NOTA: Dopo PFA fissaggio l&#39;embrione / cuore è sottoposto a tutto il monte colorazione come segue. <ol><li> Permeabilize l&#39;embrione / cuore in un 48 ben piastra con 1 ml di 0,1% PBST per 2 ore su piastra agitatore a RT. </li><li> A seguito di permeabilizzazione, immergere l&#39;embrione / cuore in 1 ml di tampone di bloccaggio, per 2 ore o durante la notte su un agitatore a 4 ° C. </li><li> Immergere l&#39;embrione / cuore al endoteliali cellule-specifiche anticorpi PECAM (CD31), diluito (1: 100) in 0,3 ml di tampone di bloccaggio per 48 ore su piastra agitatore a 4 ° C. </li><li> Lavare l&#39;embrione / cuore con PBST 5 volte, 30 min ciascuno a temperatura ambiente sulla piastra shaker. Ciò elimina la non-specifico anticorpo primario legato in eccesso dal tessuto. </li><li> Immergere l&#39;embrione / cuore in Alexa Fluor 647 capra anticorpo secondario anti-topo, diluito (1: 1.000) in 1 ml di tampone di bloccaggio per 48 ore su piastra agitatore a 4 ° C. </li><li> Ripetere il passaggio 3.4 per lavare l&#39;anticorpo secondario. </li><li> Post-fix l&#39;embrione / cuore con 4% PFA per 1 ora a temperatura ambiente sulla piastra shaker e lavare due volte con PBS 5 minuti ciascuno. </li><li> Colorare l&#39;embrione / cuore con la macchia nucleare di 4 &#39;, 6-diamidino-2-phenylindole (DAPI) (diluito in PBST a concentrazione di 0,01 mg / ml) per 10 min a tavola oscillante a RT. Seguire con due lavaggi PBS su 5 minuti ciascuno. </li></ol> 4. Embrione / Clearing cuore con Sca l e o metodo CUBIC NOTA: dopo tutto il monte colorazione, l&#39;embrione / cuore è sottoposto sia alla Sca le o il metodo del tessuto compensazione cubi. La scelta del metodo dipende dalle dimensioni del tessuto ed età embrionale. Per E11.5 o embrioni età precedenti, l&#39;uso Sca l e metodo tessuto compensazione, mentre per gli embrioni di età superiore o cuori postnatali il metodo tessuto compensazione CUBIC è preferito. <ol><li> Scala del tessuto Metodo Clearing <ol><li> Incubare l&#39;embrione / cuore con 1 ml di Sca l soluzione e A2 in un flaconcino scintillazione (avvolti in carta stagnola) con occasionali agitando delicatamente (a mano) per 48 ore a 4 ° C. </li><li> Dopo l&#39;incubazione Sca l e A2, incubare l&#39;embrione / cuore con 1 ml di Sca l soluzione e B4 a 4 ° C nella stessa fiala con occasionali agitando delicatamente per anotil suo 48 hr. </li><li> Incubare l&#39;embrione / cuore per un altro 48 ore con 1 ml Sca l e 70 a 4 ° C con occasionale agitazione delicata. Monte embrione utilizzando il 90% di glicerolo (vedere paragrafo 5.1). </li></ol></li><li> CUBIC tessuto Metodo Clearing <ol><li> Per tutta la dell&#39;embrione / cuore compensazione cubo, immergere ogni embrione / cuore in 1 ml di Cubic-1 con occasionali delicata agitazione per 48 ore a 37 ° C 7. Dopo 48 ore, sostituire la soluzione con lo stesso volume di reagente CUBIC fresco 1, e incubare il campione per ulteriori 48 ore a 37 ° C, con occasionale agitazione con mano. </li><li> Lavare il CUBIC-1 trattati cuore / embrione con PBS 1X diverse volte a temperatura ambiente agitando delicatamente con la mano. Questo rimuove l&#39;eccesso di soluzione CUBIC-1. </li><li> Dopo aver lavato i cubico-1 con PBS, immergere gli embrioni / cuori in CUBIC-2 soluzione (1 g per dell&#39;embrione / cuore) per 48 ore a 37 ° C con occasionali agitando delicatamente con la mano. Questo segue dell&#39;embrione / montaggio con glicerolo cuore (vedi sezione 5.2). </li></ol></li></ol> 5. Montaggio del campione e Imaging NOTA: Gli embrioni o organi eliminato in Sca l e 70 o cubica-2 soluzione possono essere esposte direttamente con scala 70 e Cubic-2 soluzione come il mezzo di imaging, rispettivamente. Tuttavia, considerando la vulnerabilità dei campioni embrionali ai reagenti di compensazione, se i campioni non sono essere ripreso immediatamente, ma conservati a lungo termine, conservare i campioni a 90% glicerolo seguendo il protocollo di seguito. <ol><li> Direttamente immergere la Sca Le cancellata campione in 1 ml di 90% glicerolo e conservare a 4 ° C fino imaging. </li><li> Lavare il campione trattato cubica con PBS 1x due volte, 5 min ciascuna e sequenzialmente incubare il campione con 1 ml di 30%, 50%, 70% e soluzione di glicerolo 90% ciascuno per 30 min. </li><li> Per l&#39;imaging, trasferire il campione a fondo piatto di vetro Petri con una quantità minima di 90% glicerolo e illustrati cloni con un microscopio confocale equipaggiato con due funzionalità fotoni. </li><li> Immagine cuore o embrione in glicerolo con un / 0.3 NA 10X, 25X un / 0.8 NA immersione, o di una lente obiettivo correttiva 40X / 1.2 NA acqua. Immagine DAPI utilizzando 2-fotoni da un titanio coerente: zaffiro laser camaleonte. La scelta del microscopio e lente obiettivo dipenderà dallo scopo degli esperimenti, ad esempio per super-risoluzione, un microscopio a fluorescenza foglio leggero potrebbe essere utilizzato. </li></ol>

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The authors declare no competing financial interests.

L&#39;isolamento embrione è un passo molto importante. embrioni E9.5 sono molto fragili e di piccole dimensioni, in modo da la cura dovrebbe essere presa per non danneggiare le strutture dell&#39;embrione / cardiaci durante l&#39;isolamento. Gli strati aggiuntivi non embrionali che avvolgono l&#39;embrione / cuore devono essere rimossi con attenzione soprattutto quando l&#39;imaging tutta dell&#39;embrione. Questo permette la penetrazione di anticorpi e di compensazione miscela in profondità all&#39;interno dei tessut...

Morfogenesi cardiaca è un evento sequenziale che richiede l&#39;organizzazione spaziotemporale di quattro diversi tipi di cellule progenitrici cardiache in settori distinti del cuore, e richiede anche più reti di regolazione genetica di orchestrare questo processo per formare il 1,2 cardiaca funzionale. Cardiac specificazione, differenziazione, patterning, e la maturazione della camera sono regolati da fattori di trascrizione cardiogeno 3. Mutazione genetica o aberrazione posttranscriptional di questi fattori nelle cellule progenitrici cardiache possono provocare sia letalità embrionale o difetti cardiaci congeniti (CHD) 4. Lo studio della morfogenesi cardiaca richiede una comprensione dei dettagli inerenti strutturali in tre dimensioni (3D) e singola etichetta lignaggio cellule progenitrici cardiache tracciamento durante lo sviluppo cardiaco promuoverà la comprensione della morfogenesi cardiaca. Un certo numero di sezione metodi basati tomografia ad alta risoluzione sono stati sviluppati in the negli ultimi decenni a immagine Struttura organo 5,6; tuttavia, questi metodi richiedono costosi, strumenti specializzati, il lavoro esteso, e la mancanza di organizzazione strutturale dettagliata alla risoluzione di singola cellula nel volumetrico finale ricostruita immagine 7,8. L&#39;imaging volumetrico 3D a livello di singola cellula fornisce un mezzo per studiare la differenziazione delle cellule progenitrici e comportamento cellulare in vivo 7. Tuttavia, la luce tessuto dispersione rimane l&#39;ostacolo principale per l&#39;imaging cellule e strutture in 3D in profondità all&#39;interno del cuore intatto. I lipidi sono una fonte importante di diffusione della luce, e la rimozione dei lipidi e / o regolazione della differenza di indice di rifrazione tra i lipidi e le aree circostanti sono potenziali approcci per aumentare la trasparenza del tessuto 8. Negli ultimi anni, un certo numero di metodi di compensazione del tessuto sono stati sviluppati, che riducono l&#39;opacità dei tessuti e diffusione della luce, come BABB (alcool benzilico e benzile benzoate miscela) e DBE (tetraidrofurano e dibenzylether); ma in questi metodi, fluorescenza quenching rimane un problema 8-10. Il solvente basa metodi idrofili, come SeeDB (fruttosio / thioglycerol) e 3DISCO (diclorometano / dibenzylether), conserva segnali fluorescenti, ma non rende l&#39;intero organo trasparente 7,8,11. In confronto, il metodo tessuto-clearing CLARITY rende l&#39;organo trasparente, ma richiede un dispositivo per elettroforesi specializzata per rimuovere i lipidi 8,12, come fa PACT (tecnica passiva chiarezza), che richiede anche idrogel incorporamento 7,13. Per informazioni dettagliate su tutti i metodi di tessuto-compensazione disponibili, fare riferimento alla Tabella 1 a Richardson e Lichtman, et al. 7. Nel 2011, Hama et al. Casualmente scoperto una miscela idrofila &#39;Sca Le&#39; (urea, glicerolo e Triton X-100 miscela) che rende il cervello di topo ed embrione traspaent mentre completamente preservando segnali fluorescenti da cloni etichettati 14. Questo permette l&#39;imaging del cervello intatto ad una profondità di diversi millimetri e ricostruzione su larga scala di popolazioni neuronali e proiezioni a una risoluzione subcellulare. Susaki et al. ulteriormente migliorata Sca Le aggiungendo amminoalcoli e sviluppato il &#39;cubica (chiare, senza ostacoli cocktail di brain imaging e analisi computazionale) Metodo tessuto compensazione, che ha aumentato la solubilizzazione fosfolipide, riduzione dei tempi di compensazione, e ha permesso per l&#39;imaging a fluorescenza multicolore 8. Nel presente studio, approfittando della Sca Le e Cubic tecniche del tessuto di compensazione e alta risoluzione sezionamento ottico 3D, i singoli cloni all&#39;interno del cuore durante cardiogenesis sono stati rintracciati utilizzando Rosa26Cre ERT2 15, R26R-Confetti 16, αMHC-Cre 17, cTnT-Cre 18, </strong&gt; NFATc1-Cre 19, e Rosa26-mTmG (mTmG) 20 linee di mouse. La combinazione del metodo tutto il monte colorazione (WMS) sviluppato in precedenza 21,22 con metodi di compensazione tessuto ulteriormente consentiti per la colorazione di altre proteine in cloni etichettati e per lo studio del loro comportamento in un contesto volumetrica 3D. La combinazione di compensazione tessuti e WMS permette una migliore comprensione dei ruoli dei diversi geni e proteine ​​durante lo sviluppo cardiaco, e l&#39;eziologia di difetti cardiaci congeniti. Questo protocollo può essere applicato per studiare altre differenziazione di cellule progenitrici, comportamento cellulare, ed eventi morfogenesi organo durante lo sviluppo.

<table><tbody><tr><td>2,2&amp;prime;,2&amp;prime;&amp;rsquo;-nitrilotriethanol&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>90279</td><td></td></tr><tr><td>4% Paraformaldehyde in PBS</td><td>Affymetrix</td><td>19943</td><td></td></tr><tr><td>BSA</td><td>Fischer Scientific&amp;nbsp;</td><td>BP16000</td><td></td></tr><tr><td>N,N,N&amp;rsquo;,N&amp;rsquo;-tetrakis(2-hydroxypropyl) ethylenediamine&amp;nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>122262</td><td></td></tr><tr><td>Phosphate Buffer Saline</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P5368-10PAK</td><td></td></tr><tr><td>Triton&amp;nbsp;X-100</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T8787</td><td></td></tr><tr><td>Urea</td><td>Sigma Aldrich</td><td>U-1250</td><td></td></tr><tr><td>Sucrose</td><td>Sigma Aldrich</td><td>84097</td><td></td></tr><tr><td>Glycerol</td><td>Sigma Aldrich</td><td>G8773</td><td></td></tr><tr><td>Tamoxifen</td><td>Sigma Aldrich</td><td>T5648</td><td></td></tr><tr><td>Sunflower seed oil</td><td>Sigma Aldrich</td><td>S5007</td><td></td></tr><tr><td>Tween 20</td><td>Sigma Aldrich</td><td>P1379</td><td></td></tr><tr><td>PECAM (CD31)</td><td>BD Pharmingen&amp;nbsp;</td><td>550274</td><td></td></tr><tr><td>Alexa Fluor 647&amp;nbsp;</td><td>Invitrogen</td><td>A-21247</td><td></td></tr><tr><td>DAPI nuclear stain</td><td>Sigma Aldrich</td><td>D9542</td><td></td></tr><tr><td>37&lt;sup&gt;o&lt;/sup&gt;C Incubator</td><td>Thermoscientific Fischer</td><td>Heratherm, Compact Microbiological Incubators</td><td></td></tr><tr><td>48 well plates</td><td>Cell Treat</td><td>229148</td><td></td></tr><tr><td>Analytical Balance</td><td>Metler Toledo</td><td>PB153-S/FACT</td><td></td></tr><tr><td>Confocal microscope</td><td>Zeiss</td><td>Zeiss 510 confocal microscope</td><td></td></tr><tr><td>Disecting Microscope</td><td>Unitron</td><td>Z850</td><td></td></tr><tr><td>Fluorescent microscope</td><td>Zeiss</td><td>Observer. Z1</td><td></td></tr><tr><td>Germinator 500 Glass Bead Sterilizer</td><td>CellPoint Scientific</td><td>GER-5287-120V</td><td></td></tr><tr><td>Light Source</td><td>SCHOTT</td><td>ACE I</td><td></td></tr><tr><td>Pair of Scissors</td><td>Fine Science Tools</td><td>14084-08</td><td></td></tr><tr><td>Petri dish 60 mm x15 mm&amp;nbsp;</td><td>TPP Techno Plastic Products AG</td><td>93060</td><td></td></tr><tr><td>Rocker II&amp;nbsp; Platform Rocker</td><td>Boekel Scientific</td><td>260350</td><td></td></tr><tr><td>Scintillating tubes</td><td>Fischer Scientific&amp;nbsp;</td><td>03-337-26</td><td></td></tr><tr><td>Transfer pipette</td><td>Samco Scientific</td><td>202</td><td></td></tr><tr><td>Tweezers</td><td>Fine Science Tools</td><td>11251-20</td><td></td></tr></tbody></table>

imaging cleared embryonic and postnatal hearts at single-cell resolution

Singolo tracing clonale e analisi a livello intero cuore può determinare il comportamento delle cellule progenitrici cardiache e differenziazione durante lo sviluppo cardiaco, e consentire lo studio delle basi cellulari e molecolari della morfogenesi cardiaca normale e anormale. Recenti tecnologie emergenti di retrospettive singole analisi clonali rendono lo studio della morfogenesi cardiaca a risoluzione singola cella fattibile. Tuttavia, l&#39;opacità dei tessuti e la dispersione della luce del cuore come la profondità delle immagini è aumentata Hinder di imaging intero-cuore con una risoluzione di singola cellula. Per superare questi ostacoli, un sistema di compensazione intero embrione che può rendere il cuore altamente trasparente sia per l&#39;illuminazione e la rilevazione devono essere sviluppati. Fortunatamente, negli ultimi anni, sono stati segnalati molti metodologie per sistemi di compensazione intero organismo, come la chiarezza, la Sca le, SeeDB, ClearT, 3DISCO, cubi, DBE, BABB e PACT. Questo laboratorio è interessato ai meccanismi cellulari e molecolari della cartaIAC morfogenesi. Recentemente, abbiamo stabilito singola linea cellulare tracciare tramite il ROSA26-Cre ERT2; sistema ROSA26-Confetti alle cellule di etichette scarsamente durante lo sviluppo cardiaco. Abbiamo adattato diverse metodologie embrio-clearing interi compresi Sca le e cubi (chiare, senza ostacoli cocktail di imaging cerebrale e analisi computazionale) per cancellare l&#39;embrione in combinazione con tutto il monte colorazione di immagine singoli cloni all&#39;interno del cuore. Il cuore è stato ripreso con successo ad una risoluzione di singola cellula. Abbiamo trovato che le Sca può cancellare il cuore embrionale, ma non può efficacemente eliminare cuore postnatale, mentre CUBIC può cancellare cuore postnatale, ma danneggia il cuore embrionale sciogliendo il tessuto. I metodi qui descritti permetteranno lo studio della funzione genica in una sola risoluzione clone durante morfogenesi cardiaca, che, a sua volta, può rivelare basi cellulari e molecolari dei difetti cardiaci congeniti.

Imaging del cuore embrionale eliminato Formazione del cuore dei vertebrati è un processo morphogenic spatiotemporally regolata e dipende dall&#39;organizzazione e la differenziazione delle cellule progenitrici da quattro diverse fonti 1. Le cellule del primo campo cuore della mezzaluna cardiaca si piega verso la linea mediana ventrale per formare un tubo lineari cuore. Le cellule dal secondo campo cuore, inizialmen...

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Imaging Cleared Embryonic and Postnatal Hearts at Single-cell Resolution

We describe a protocol to volumetrically image fluorescent protein labeled cells deep inside intact embryonic and postnatal hearts. Utilizing tissue-clearing methods in combination with whole mount staining, single fluorescent protein-labeled cells inside an embryonic or postnatal heart can be imaged clearly and accurately.

Imaging Azzerato embrionale e postnatale Cuori a risoluzione di una singola cella

Single clonal tracing and analysis at the whole-heart level can determine cardiac progenitor cell behavior and differentiation during cardiac development, ...

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Research

JoVE Journal

Developmental Biology

8.1K Views.  Albany Medical College. We describe a protocol to volumetrically image fluorescent protein labeled cells deep inside intact embryonic and postnatal hearts. Utilizing tissue-clearing methods in combination with whole mount staining, single fluorescent protein-labeled cells inside an embryonic or postnatal heart can be imaged clearly and accurately. 

Video: Imaging Cleared Embryonic and Postnatal Hearts at Single-cell Resolution

Analysis of Cardiomyocyte Development using Immunofluorescence in Embryonic Mouse Heart

During heart development, the generation of myocardial-specific structural and functional units including sarcomeres, contractile myofibrils, intercalated discs, and costameres requires the coordinated assembly of multiple components in time and space. Disruption in assembly of these components leads to developmental heart defects. Immunofluorescent staining techniques are used commonly in cultured cardiomyocytes to probe myofibril maturation, but this ex vivo approach is limited by the extent to which myocytes will fully differentiate in culture, lack of normal in vivo mechanical inputs, and absence of endocardial cues. Application of immunofluorescence techniques to the study of developing mouse heart is desirable but more technically challenging, and methods often lack sufficient sensitivity and resolution to visualize sarcomeres in the early stages of heart development. Here, we describe a robust and reproducible method to co-immunostain multiple proteins or to co-visualize a fluorescent protein with immunofluorescent staining in the embryonic mouse heart and use this method to analyze developing myofibrils, intercalated discs, and costameres. This method can be further applied to assess cardiomyocyte structural changes caused by mutations that lead to developmental heart defects.

Mutations that lead to congenital heart defects benefit from in vivo investigation of cardiac structure during development, but high-resolution structural studies in the mouse embryonic heart are technically challenging. Here we present a robust immunofluorescence and image analysis method to assess cardiomyocyte-specific structures in the developing mouse heart.

Analisi di Cardiomyocyte Sviluppo usando immunofluorescenza in cuore embrionali di topo

During heart development, the generation of myocardial-specific structural and functional units including sarcomeres, contractile myofibrils, intercalated ...

Ricerca

Biologia dello sviluppo

Analysis of Coronary Vessels in Cleared Embryonic Hearts

Whole mount visualization of the embryonic coronary plexus from which the capillary and arterial networks will form is rendered problematic using standard microscopy techniques, due to the scattering of imaging light by the thick heart tissue, as these vessels are localized deep within the walls of the developing heart. As optical clearing of tissues using organic solvents such as BABB (1 part benzyl alcohol to 2 parts benzyl benzoate) has been shown to greatly improve the optical penetration depth that can be achieved, we combined clearance of whole, PECAM1-immunostained hearts, with laser-scanning confocal microscopy, in order to obtain high-resolution images of vessels throughout the entire heart. BABB clearance of embryonic hearts takes place rapidly and also acts to preserve the fluorescent signal for several weeks; in addition, samples can be imaged multiple times without loss of signal. This straightforward method is also applicable to imaging other types of blood vessels in whole embryos.

We present a protocol for the analysis of coronary vessels in whole embryonic murine hearts up to E15.5, using standard immunological staining methods followed by optical clearance and confocal microscopy. This technique enables visualization of blood vessels throughout the entire heart without the need for time-consuming analysis of serial sections.

Analisi dei vasi coronarici in sgomberati cuori embrionali

Whole mount visualization of the embryonic coronary plexus from which the capillary and arterial networks will form is rendered problematic using standard ...

Quantitative Whole-mount Immunofluorescence Analysis of Cardiac Progenitor Populations in Mouse Embryos

The use of ever-advancing imaging techniques has contributed broadly to our increased understanding of embryonic development. Pre-implantation development and organogenesis are two areas of research that have benefitted greatly from these advances, due to the high quality of data that can be obtained directly from imaging pre-implantation embryos or ex vivo organs. While pre-implantation embryos have yielded data with especially high spatial resolution, later stages have been less amenable to three-dimensional reconstruction. Obtaining high-quality 3D or volumetric data for known embryonic structures in combination with fate mapping or genetic lineage tracing will allow for a more comprehensive analysis of the morphogenetic events taking place during embryogenesis.
This protocol describes a whole-mount immunofluorescence approach that allows for the labeling, visualization, and quantification of progenitor cell populations within the developing cardiac crescent, a key structure formed during heart development. The approach is designed in such a way that both cell- and tissue-level information can be obtained. Using confocal microscopy and image processing, this protocol allows for three-dimensional spatial reconstruction of the cardiac crescent, thereby providing the ability to analyze the localization and organization of specific progenitor populations during this critical phase of heart development. Importantly, the use of reference antibodies allows for successive masking of the cardiac crescent and subsequent quantitative measurements of areas within the crescent. This protocol will not only enable a detailed examination of early heart development, but with adaptations should be applicable to most organ systems in the gastrula to early somite stage mouse embryo.

Here, we describe a protocol for whole mount immunofluorescence and image-based quantitative volumetric analysis of early stage mouse embryos. We present this technique as a powerful approach to qualitatively and quantitatively assess cardiac structures during development, and propose that it may be widely adaptable to other organ systems.

Analisi quantitativa intero-monta immunofluorescenza delle popolazioni di cellule progenitrici cardiache in embrioni di topo

The use of ever-advancing imaging techniques has contributed broadly to our increased understanding of embryonic development. Pre-implantation development ...

Microinjection-based System for In Vivo Implantation of Embryonic Cardiomyocytes in the Avian Embryo

Interpreting the relative impact of cell autonomous patterning versus extrinsic microenvironmental influence on cell lineage determination represents a general challenge in developmental biology research. In the embryonic heart, this can be particularly difficult as regional differences in the expression of transcriptional regulators, paracrine/juxtacrine signaling cues, and hemodynamic force are all known to influence cardiomyocyte maturation. A simplified method to alter a developing cardiomyocyte's molecular and biomechanical microenvironment would, therefore, serve as a powerful technique to examine how local conditions influence cell fate and function. To address this, we have optimized a method to physically transplant juvenile cardiomyocytes into ectopic locations in the heart or the surrounding embryonic tissue. This allows us to examine how microenvironmental conditions influence cardiomyocyte fate transitions at single cell resolution within the intact embryo. Here, we describe a protocol in which embryonic myocytes can be isolated from a variety of cardiac sub-domains, dissociated, fluorescently labeled, and microinjected into host embryos with high precision. Cells can then be directly analyzed in situ using a variety of imaging and histological techniques. This protocol is a powerful alternative to traditional grafting experiments that can be prohibitively difficult in a moving tissue such as the heart. The general outline of this method can also be adapted to a variety of donor tissues and host environments, and its ease of use, low cost, and speed make it a potentially useful application for a variety of developmental studies.

In this method, embryonic cardiac tissues are surgically microdissected, dissociated, fluorescently labeled, and implanted into host embryonic tissues. This provides a platform for studying the individual or tissue level developmental organization under ectopic hemodynamic conditions, and/or altered paracrine/juxtacrine environments.

Sistema basato su microiniezione per In Vivo l'impianto di cardiomiociti embrionali nell'embrione aviaria

Interpreting the relative impact of cell autonomous patterning versus extrinsic microenvironmental influence on cell lineage determination represents a ...

Live Imaging of Early Cardiac Progenitors in the Mouse Embryo

The first steps of heart development imply drastic changes in cell behavior and differentiation. While analysis of fixed embryos allows studying in detail specific developmental stages in a still snapshot, live imaging captures dynamic morphogenetic events, such as cell migration, shape changes, and differentiation, by imaging the embryo as it develops. This complements fixed analysis and expands the understanding of how organs develop during embryogenesis. Despite its advantages, live imaging is rarely used in mouse models because of its technical challenges. Early mouse embryos are sensitive when cultured ex vivo and require efficient handling. To facilitate a broader use of live imaging in mouse developmental research, this paper presents a detailed protocol for two-photon live microscopy that allows long-term acquisition in mouse embryos. In addition to the protocol, tips are provided on embryo handling and culture optimization. This will help understand key events in early mouse organogenesis, enhancing the understanding of cardiovascular progenitor biology.

We present a detailed protocol for mouse embryo culture and imaging that enables 3D + time imaging of cardiac progenitor cells. This video-toolkit addresses the key skills required for successful live imaging otherwise hard to acquire from text-only publications.

Imaging dal vivo dei primi progenitori cardiaci nell'embrione di topo

The first steps of heart development imply drastic changes in cell behavior and differentiation. While analysis of fixed embryos allows studying in detail ...

Immunostaining of Dissected Zebrafish Embryonic Heart 

Zebrafish embryo becomes a popular in vivo vertebrate model for studying cardiac development and human heart diseases due to its advantageous embryology and genetics 1,2. About 100-200 embryos are readily available every week from a single pair of adult fish. The transparent embryos that develop ex utero make them ideal for assessing cardiac defects 3. The expression of any gene can be manipulated via morpholino technology or RNA injection 4. Moreover, forward genetic screens have already generated a list of mutants that affect different perspectives of cardiogenesis 5. 
Whole mount immunostaining is an important technique in this animal model to reveal the expression pattern of the targeted protein to a particular tissue 6. However, high resolution images that can reveal cellular or subcellular structures have been difficult, mainly due to the physical location of the heart and the poor penetration of the antibodies. 
 Here, we present a method to address these bottlenecks by dissecting heart first and then conducting the staining process on the surface of a microscope slide. To prevent the loss of small heart samples and to facilitate solution handling, we restricted the heart samples within a circle on the surface of the microscope slides drawn by an immEdge pen. After the staining, the fluorescence signals can be directly observed by a compound microscope. 
Our new method significantly improves the penetration for antibodies, since a heart from an embryonic fish only consists of few cell layers. High quality images from intact hearts can be obtained within a much reduced procession time for zebrafish embryos aged from day 2 to day 6. Our method can be potentially extended to stain other organs dissected from either zebrafish or other small animals.

Immunostaining of Dissected Zebrafish Embryonic Heart

A rapid way to conduct immunostaining of zebrafish embryonic heart is described. Compared to the whole mount immunostaining approach, this method dramatically increases the penetration of the antibodies, which allows obtaining high resolution images that reveal cellular/subcellular structures in the heart within a much reduced processing time.

Immunocolorazione di Dissected Cuore Zebrafish embrionali

Zebrafish embryo becomes a popular in vivo vertebrate model for studying cardiac development and human heart diseases due to its advantageous embryology ...

Biologia

Microscopia a foglio luminoso e pulizia dei tessuti per un imaging cardiaco completo

Light-Sheet Imaging to Reveal Cardiac Structure in Rodent Hearts

Light-sheet microscopy (LSM) plays a pivotal role in comprehending the intricate three-dimensional (3D) structure of the heart, providing crucial insights into fundamental cardiac physiology and pathologic responses. We hereby delve into the development and implementation of the LSM technique to elucidate the micro-architecture of the heart in mouse models. The methodology integrates a customized LSM system with tissue clearing techniques, mitigating light scattering within cardiac tissues for volumetric imaging. The combination of conventional LSM with image stitching and multiview deconvolution approaches allows for the capture of the entire heart. To address the inherent trade-off between axial resolution and field of view (FOV), we further introduce an axially swept light-sheet microscopy (ASLM) method to minimize out-of-focus light and uniformly illuminate the heart across the propagation direction. In the meanwhile, tissue clearing methods such as iDISCO enhance light penetration, facilitating the visualization of deep structures and ensuring a comprehensive examination of the myocardium throughout the entire heart. The combination of the proposed LSM and tissue clearing methods presents a promising platform for researchers in resolving cardiac structures in rodent hearts, holding great potential for the understanding of cardiac morphogenesis and remodeling.

Autore in primo piano: imaging personalizzato su foglio luminoso per lo studio delle strutture miocardiche nei cuori dei roditori

The protocol utilizes advanced light-sheet microscopy along with adapted tissue clearing methods to investigate intricate cardiac structures in rodent hearts, holding great potential for the understanding of cardiac morphogenesis and remodeling.

Imaging a foglio luminoso per rivelare la struttura cardiaca nei cuori dei roditori

Light-sheet microscopy (LSM) plays a pivotal role in comprehending the intricate three-dimensional (3D) structure of the heart, providing crucial insights ...

Bioingegneria

Cell Labeling and Injection in Developing Embryonic Mouse Hearts

Testing the fate of embryonic or pluripotent stem cell-derivatives in in vitro protocols has led to controversial outcomes that do not necessarily reflect their in vivo potential. Preferably, these cells should be placed in a proper embryonic environment in order to acquire their definite phenotype. Furthermore, cell lineage tracing studies in the mouse after labeling cells with dyes or retroviral vectors has remained mostly limited to early stage mouse embryos with still poorly developed organs. To overcome these limitations, we designed standard and ultrasound-mediated microinjection protocols to inject various agents in targeted regions of the heart in mouse embryos at E9.5 and later stages of development. &#160;Embryonic explant or embryos are then cultured or left to further develop in utero. These agents include fluorescent dyes, virus, shRNAs, or stem cell-derived progenitor cells. Our approaches allow for preservation of the function of the organ while monitoring migration and fate of labeled and/or injected cells. These technologies can be extended to other organs and will be very helpful to address key biological questions in biology of development.

We describe a series of methods to inject dyes, DNA vectors, virus, and cells in order to monitor both cell fate and phenotype of endogenous and grafted cells derived from embryonic or pluripotent cells within mouse embryos at embryonic day (E)9.5 and later stages of development.

Etichettatura cellulare e iniezione nello sviluppo embrionali Cuori mouse

Testing the fate of embryonic or pluripotent stem cell-derivatives in in vitro protocols has led to controversial outcomes that do not necessarily reflect ...

Imaging Azzerato embrionale e postnatale Cuori a risoluzione di una singola cella

Riepilogo

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Capitoli in questo video

Analisi di Cardiomyocyte Sviluppo usando immunofluorescenza in cuore embrionali di topo

Analisi dei vasi coronarici in sgomberati cuori embrionali

Analisi quantitativa intero-monta immunofluorescenza delle popolazioni di cellule progenitrici cardiache in embrioni di topo

Sistema basato su microiniezione per In Vivo l'impianto di cardiomiociti embrionali nell'embrione aviaria

Imaging dal vivo dei primi progenitori cardiaci nell'embrione di topo

Immunocolorazione di Dissected Cuore Zebrafish embrionali

Imaging a foglio luminoso per rivelare la struttura cardiaca nei cuori dei roditori

Imaging a foglio luminoso per rivelare la struttura cardiaca nei cuori dei roditori

Imaging a foglio luminoso per rivelare la struttura cardiaca nei cuori dei roditori

Etichettatura cellulare e iniezione nello sviluppo embrionali Cuori mouse