マウス胎児腸全体培養システム<em&gt;生体外</em&gt;シグナル伝達経路の操作と絨毛開発の3次元ライブイメージング

要約

Improved imaging technology is allowing three-dimensional imaging of organs during development. Here we describe a whole organ culture system that allows live imaging of the developing villi in the fetal mouse intestine.

要約

胎児の腸内のほとんどの形態形成のプロセスは、発達段階的な変化のスナップショットを提供し、固定した組織の薄い部分から推論されてきた。薄連続切片から三次元情報が原因完全連続切片を再構築し、連続切片上の組織の適切な向きを維持することの難しさを解釈するために挑戦することができます。グロッセらによる最近の知見。、2011腸¹の現像絨毛の形態形成を理解する上で三次元情報の重要性を強調している。単独でラベルされた腸細胞の三次元再構成は、腸管上皮細胞の大部分が頂端および基底表面の両方に接触することを実証した。さらに、上皮の頂端表面でのアクチン細胞骨格の三次元再構成は、腸管腔が連続しており、二次管腔は、複数のアーチファクトであることが示されectioning。これら2点は、腸管上皮におけるinterkinetic核移動の実証とともに、以前に¹思った層別化多列上皮としないように開発する腸上皮を定義しました。上皮三次元的に観察する能力は、この点を実証し、胎児の腸上皮形態形成を再定義する精液だった。多光子イメージング技術と三次元再構築ソフトウェアの進化により、無傷の、現像器官を視覚化する能力が急速に向上している。二光子励起は、高解像度の組織への損傷が少ない深い浸透を可能にする。二光子イメージングとウォルトンら全体の胎児のマウスの腸の3D再構成は、2012年には絨毛伸長²のパターンを定義することができました。ここでは、許可する絨毛およびその培養系の拡張のex vivoで開発を可能にする全器官培養系を記述する腸を三次元的にその開発中に撮像される。

概要

Each intestinal villus is composed of two main tissue compartments: an epithelial surface layer and a mesenchymal core. The mouse small intestine is formed at embryonic day 10 when a sheet of endoderm closes and seals to form a tube of epithelium surrounded by mesenchymal cells³. This flat tube of epithelium undergoes rapid proliferation, growing both in length and girth and undergoes dramatic rearrangements involving dynamic cell shape changes¹. At the same time, the surrounding mesenchyme also undergoes many developmental processes including the formation of the vascular plexus, differentiation of smooth muscle and recruitment of enteric neurons⁴. In the proximal small intestine at embryonic day 14.5, condensations (clusters) of Hedgehog- and PDGF-responsive cells begin to form adjacent to the epithelium^2,5. Formation of mesenchymal clusters continues to spread along the length of the intestine so that they cover the entirety of the small intestine by embryonic day 16.5². As mesenchymal clusters form, the epithelial cells closest to the clusters begin to withdraw from the cell cycle, while the other epithelial cells continue to proliferate. Those cells directly above the mesenchymal cluster that have withdrawn from the cell cycle begin to change shape as the emerging villus buckles into the lumen. Further growth of the villus is driven in part by the continued proliferation of the epithelium between the emerging villi. The mesenchymal clusters remain tightly adhered to the epithelium of the growing villus and continue to express a variety of signaling molecules. The wave of villus emergence propagates along the length of the small intestine following the formation of mesenchymal clusters. As the intestine continues to grow and the intervillus region extends between emerging villi, new mesenchymal clusters form adjacent to the intervillus epithelium and further rounds of villus emergence and growth ensue⁶.

Synchronized development of the epithelium and mesenchyme is essential for villus morphogenesis. Signaling molecules are secreted from one layer to the other where receptors receive and transduce the signal message in order to coordinate development between the epithelium and mesenchyme. Mesenchymal clusters act as signaling centers and express a variety of developmental morphogens^7-10. Disruption of cluster formation or pattern results in loss of villus emergence and pattern. Inhibition of PDGF signaling results in fewer clusters and fewer villi and those villi that do form are misshapen following the abnormal clusters¹¹. Loss of Hedgehog signaling results in complete loss of cluster formation and failure of villus emergence^2,12. Together, these data demonstrate that clusters coordinate development of the villus epithelium with its mesenchymal core.

Using this whole organ culture system, we are able to alter signaling involved in epithelial-mesenchymal cluster cross-talk to determine the role of those signals in villus morphogenesis. Two-photon confocal optical sectioning and reconstruction afford the ability to visualize cluster formation and villus emergence in three-dimensions and better understand the spatial relationships between the mesenchymal clusters and their overlying epithelium. Extending the culture system to four dimensions, we can capture z-stacks of developing clusters and villi over time and observe these interactions. Ultimately, the ability to follow villus development in this manner and observe changes that occur with altered signaling will revolutionize the understanding of epithelial mesenchymal interactions in villus morphogenesis.

プロトコル

注：すべてのマウスを人道的に実験動物医学ミシガン大学医学部号機大学によって承認されたプロトコルを使用し、動物の使用およびケアに関する研究委員会のガイドラインに従って取り扱った。

1全臓器培養システム

1. 培地および培養プレートの調製
   1. 組織培養フードでは、ストックボトルからBGJbメディアの5ミリリットルを除去し、ペニシリン/ストレプトマイシンを5ml加える。 （ペニシリン/ストレプトマイシンで）BGJb培地49 mlに5 mg / mlのアスコルビン酸の1ミリリットルを加えることで、50ミリリットルコニカルチューブ内のメディアの作業ストックを準備します。
   2. トランスウェルのそれぞれの下に1ミリリットルを追加することによって、6ウェル培養プレートを準備します。
      注記：すべての6トランスウェルを使用しない場合は、後で使用するために、新鮮な無菌6ウェルプレートに余分なトランスウェル移動します。 3 10センチメートル無菌ペトリ皿のそれぞれに作業BGJbメディアの3ミリリットルを追加します。
2. 解剖の準備
   1. 70％のETHAに解剖ツールを浸すとNOL作業中にきれいな道具を保管してください。
   2. 大きな氷​​のバケツに解剖エリアを設定し、氷上でBGJbメディアを6ウェル培養プレートから10cmペトリ皿を置きます。解剖と文化のための腸の準備中に、できるだけ多くの氷の上で作業。
   3. 胎児の腸の収穫のために頸椎脱臼により安楽死の前にイソフルラン（100μL）をチャンバー内での成体雌マウスを麻酔。
   4. 母親から胎児を収穫した後、タイラーステージングチャート¹³に従って慎重にそれぞれの胎児を上演。日常的に、単一のゴミ内で観察された発生段階で最大24時間の変動などの各胎児の年齢を決定するために、後の性交日に依存しないでください。
3. 胎児の腸の解剖
   1. 前腸の除去に断頭によって胎児を安楽死させる。
   2. 1×ダルベッコのリン酸緩衝生理食塩水（DPBS）で各腸を分析した後、ナンプラーBGJbメディアを作業した10センチメートルペトリ皿にそれをCE。
   3. 慎重に胃および上部十二指腸から胃や膵臓から脾臓を除去します。
   4. 静かに腸がまっすぐにさせることが可能とだけ十分な接続を分離する限り添付大網を残すように注意しながら大網を分離。
      注：E14.5より古い腸以上24時間未満培養されたもののために、静かに管腔内容が腸を通って流れるようにし、切断端から排出されるために可能にするために3等分腸を分離する。培養はE13.5前に始まっただし、漿膜が正常に腸の長さにわたって成長を可能にするために、腸の3つのセグメントを分離する前に、培養24時間後まで待ちます。
   5. 培養プレート（1.1.2）のトランスウェル上に腸の部分を転送するために口のピペットを使用してください。
   6. 彼らはtranswel渡って真っ直ぐになるように、必要に応じて静かに腸の位置を変更lである。
      注：腸管を通って管腔内容物を移動させ始めると、腸がねじれは、腸へのバックアップや損傷の原因となります。
4. 文化と治療
   1. トランスウェルの下に（追加された組換えタンパク質または薬理学的阻害剤と作動媒体）、トランスウェルの下から培地を除去処理培地700μlのを追加します。
   2. 腸の上に処理媒体の滴ずつ300μlのを追加し、それがトランスウェルを通して浸すことができます。必要に応じて腸の位置を変更。
   3. 処理媒体は、少なくとも一日一回またはより頻繁に治療試薬の半減期に応じて変化する。
5. 治療試薬の局在化のためのタンパク質源浸したアガロースビーズの調製
   1. 彼らの貯蔵容器にアガロースビーズを再懸濁し、1.5mlマイクロチューブにアガロースビーズを100μlを移す。
   2. 無菌1×pHのチューブの残りの容量を埋めるosphate-緩衝生理食塩水（PBS）と、それらを洗浄するためにビーズを混ぜて。ビーズが底に沈殿した後、ビーズの上から、PBSをオフにピペッティングすることを可能にするために数分間ラックにマイクロチューブを置きます。無菌1×PBSでマイクロチューブを補充し、さらに2回の洗浄工程を繰り返します。
   3. 2回の治療のために所望の濃度で目的のタンパク質を準備します。
   4. 2倍のタンパク質原液5μlの水で洗浄したアガロースビーズを5μlを混合し、静かに、タンパク質中のビーズを攪拌する。静かに10〜15分毎に混合、1時間チューブを氷上に置きます。
   5. 腸にビーズを配置する前に、滅菌1×PBS中で簡単にビーズをすすぐ。
6. アガロースビーズの配置
   1. 静かに引っ張らキャピラリー針で口のピペットを用いて腸の上にアガロースビーズを配置します。乱暴な取り扱いが腸を損傷し、損傷した領域に絨毛の発達を防ぐことができますように細心の注意を払ってビーズを配置します。
   2. 腸蠕動運動や培養時間にわたる腸のオフにロールバックされます置かれたビーズの約半分を受けるので、分析に必要とされる2倍のビーズを配置します。
7. 培養された腸の固定
   1. 慎重にトランスウェルの下から処理媒体を除去し、3分間空気乾燥腸を可能にします。
   2. その後定着時間の残りのための固定液2mlで腸の上部をカバーする、2分間のトランスウェルの下の固定液1ミリリットルを追加します。 4℃でまたは室温で2時間、4％パラホルムアルデヒドのO / Nで固定してください。

固定腸の2イメージング

1. ホールマウントイメージング
   1. 1X DPBS100μlのスライド上で（内因性蛍光を含む）全体の腸を置きます。優しく腸を配置する鉗子を使用してください。
   2. 組織MOを作るために慎重に70％グリセロール100μlのDPBSを削除し、すぐに追加するには、実験室の組織を使用して、透明な再およびイメージングの可能性の深さを増加させる。
      注：腸のさらなる浸透が望まれる場合、代わりに70％グリセロール中に腸を取り付ける、10〜30分間、フォーカスクリア溶液の数滴で腸を浸す。ピペットでフォーカスクリアソリューションオフとマウント解除と腸をマウントします。
   3. 粘土にカバースリップの四隅を浸し、腸を平坦からカバースリップを保つために、スライドとカバーガラスの間にスペーサーとして使用するために、粘土の少量を拾う。
   4. 綿棒で塗布溶融しVALAPでスライド上にカバーガラスを密封。
   5. イメージ直立または倒立型共焦点顕微鏡のいずれかで、腸。詳細については、議論を参照してください。
2. （腸の構造の断面図のために）固定された腸のビブラトーム切片
   1. 小さなプラスチック金型7％アガロース（10×10×15ミリメートル）に埋め込む腸とにアガロースブ​​ロックを許可する冷却して凝固。
   2. 瞬間接着剤でビブラコレクションステージにプラスチック金型及びグルーアガロースブ​​ロックからアガロースブ​​ロックを削除します。
   3. 氷冷1X DPBSで収集段階を埋める。
   4. 100〜150ミクロンの間の厚さでセクションをカット。厚い部分は、断面が深く可視化すること（セクション2.1.2で説明します）決済ソリューションを使用してください。
   5. 4℃での保存のために6ウェルプレートのウェル内に収集段階からビブラトーム切片を注ぐ。
3. 固定、ビブラトーム切片の組織の免疫蛍光染色
   1. 1X DPBSで24ウェルプレートにウェル当たり5-12ビブラトームのセクションを配置します。
   2. 1X DPBSを削除し、ウェルあたり透過処理溶液500μlを加える。静かに、室温で25分間サンプルを揺する。
   3. 透過処理した後、1×PBSでサンプルを3回洗浄する。
   4. ブロッキング溶液500μlに、少なくとも30分間のサンプルをブロックします。
   5. ブロックした後、電子メールブロッキング溶液で希釈した一次抗体を500μlとブロッキング溶液をXchangeは、4℃のCO / Nでサンプルを保つ。
      注：凍結し、パラフィン切片上でうまく動作し、一次抗体希釈液は、通常、しかし、一般的に、このプロトコル（ 例えば、BrdU）のではうまく機能しない核抗原回復を必要とする抗体、あまりにビブラトーム切片上でうまく動作します。
   6. 翌日、ブロッキング溶液で15分間、試料を毎回3回洗浄する。
   7. 洗浄後、ブロッキング溶液中に希釈した二次抗体を500μlを適用します。光から蛍光団を保護し、室温で2時間に45分のためのサンプルを揺するようにアルミホイルで24ウェルプレートを包みます。
   8. 15分ごとに1×PBSでサンプルを3回洗浄し、2.4節で説明したようにスライド上のビブラトーム切片をマウントします。
4. 取付ビブラトーム切片
   1. ビブラトームダブルSTIの薄切りを切断して取り付けるためのスライドを準備するCKテープとスライドの長辺に沿ってそれらを配置する。
   2. 慎重に1×100μlのPBSの低下をスライド上に両面テープの間に5-10ビブラトームセクションを配置。
   3. すべてのセクションを展開するとスライド全体で単一層にそれらを広げた。
   4. フラットに座ってからカバースリップを妨げる余分なアガロースまたは不均一なビットを削除します。
   5. 慎重にビブラトーム切片の周囲から過剰1X PBSを吸収するために実験室組織を使用しています。
   6. ビブラトーム切片の上部に水性封入剤のドロップを追加し、その後カバースリップ。
   7. 綿棒で塗布溶融しVALAPでスライド上にカバーグラスを密封。
   8. イメージ直立または倒立型共焦点顕微鏡のいずれかでビブラトーム切片。イメージングシステムの選択についての詳細は、説明を参照してください。

全腸の3。ライブイメージング

腸fetuseから収穫E12.5後のsは、そのままに接続された大網で、成功した上記のシステムを用いて、培養中の絨毛を開発しています。したがって、このエキソビボシステムは、経時的な形態形成の三次元ビューを再構成することができる現像腸の生のz断面画像の捕捉を可能にする。

1. ライブイメージングの設定
   1. 細かいメッシュのスクリーンに個別のポリカーボネート膜を接着する瞬間接着剤を使用してください。これは直立共焦点顕微鏡の浸漬レンズ下の場所に腸を保持するための支持足場を提供します。ライブイメージング顕微鏡の選択についての詳細については、議論のセクションを参照してください。
   2. 中央ウェルの培養プレートにメッシュスクリーンを配置します。
   3. ポリカーボネート膜上に解剖し、腸を置き、両端に瞬間接着剤を一滴加える。腸に固定するだけの十分な接着剤を使用してくださいではなく、コート、それ！
   4. ポリカーボネート以下のフェノールレッドを含まない培養培地を追加します。培養プレートの中央ウェル中の膜。
   5. 湿度を提供するために、培養プレートの外縁に水を加える。
   6. イメージングしながら、腸の動きを制御するために、メディアの3ミリリットルの1×PBS中のキシラジンの5溶液：胎児の腸は、培養中の収縮の蠕動様の波を起こしているので、1を100μlを追加。この投与量は、絨毛の発達を損なうことなく、約8〜10時間、腸の動きを制御します。
   7. 腸の横断ビューの場合は3〜4％アガロース溶液中でのライブ腸を埋め込み、ビブラトーム上の厚い部分（150〜500μm）をカット。切断された腸の剛性とアガロースの剛性を合わせて、経験的に発達段階を決定した。一般的に、3％アガロース溶液はE14.5よりも若い腸に適していますし、4％溶液腸E15-E16に適しています。
   8. （3.1.1項のように）メッシュスクリーンに貼付されたポリカーボネート膜にビブラトーム切片を接着し、セクション3.1.2-3.1.6で説明したように文化。
   9. 調整可能なテーブル付きのアップライトスタンドに二光子共焦点蛍光顕微鏡（690-1,040 nmの励起レーザー）を使用したライブイメージングを実施する。
   10. GFPシグナルのための最高の解像度と深い浸透を提供するから900nmに同調二光子レーザー。イメージングながら、組織への損傷を低減します。また、可能な限り低い発光レーザのパワーを設定する組織損傷を減少させる。典型的には、二光子レーザーに12％の電力を使用して、GFPの良好な励起を得る。

結果

このシステムは、薬理学的試薬または組換えタンパク質とシグナル伝達の操作を可能として、胎児腸の全体の外植片の培養は、腸の開発を調整シグナル伝達分子の位置、分布、および期間の分析が可能になります。トランスウェル培養系（ 図1Aは 、ウォルトンらから再生される^{。2012）2が}組織上に薬物またはタンパク質浸したアガロースビーズを配置するこ...

ディスカッション

動的な性質と途上腸の複雑な組織の相互作用は、これらの形態形成イベントの完全な理解を持つように3次元可視化を必要とします。イメージング技術の進化により、能力が/開発の改善とそれに、器官形成時の空間的なコミュニケーションと相互作用の理解が大幅に強化されている詳細に絨毛の形態形成を調べた。

全体腸を培養するための別の方法も試験されているが、...

資料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Fine dissecting forceps	Fine Science Tools	11254-20	2 pairs
70% Ethanol
1x sterile Dulbecco's Phosphate-Buffered Saline (DPBS)	Gibco	14040-133	500 ml
6 well plates	Costar	3516
24 well plates	Costar	3524
60 x 15 mm petri dishes	Falcon	451007
Transwell plates, 24 mm inserts, 8.0 mm polycarbonate membranes	Corning Costar	3428	6 inserts per plate
BGJb media	Invitrogen	12591-038	500 ml
PenStrep (10,000U/ml Penicillin; 10,000 mg/ml Streptomycin)	Gibco	15140
Ascorbic Acid	Sigma	A0278	make 5 mg/ml stock, filter, aliquot and store at -20 °C
Mouth pipet (Drummond 1-15 inch aspirator tube assembly)	Fisher	21-180-10	remove the aspirator assembly and replace it with a 1,000 µl pipet tip which acts as an adaptor to plug in a 6 inch glass Pasteur pipet.
6 inch glass pasteur pipets
Capillary Tubes	World Precision Instruments	TW100F-4	pull to needles
4% Paraformaldehyde			made in 1 x PBS, pH to 7.3
Culture plates	Falcon	353037
Fine mesh stainless steel screen	purchase at hardware store
Polycarbonate membranes	Thomas scientific	4663H25	alternatively, cut Corning Costar 3428 membranes off of transwell supports
Instant glue	purchase at hardware store	gel based preferrably
35 x 10 mm plates	Falcon	351008
7% agarose	Sigma	A9414	prepare w/v in 1x DPBS, heating to dissolve in a waterbath
minutien pins	Fine Science Tools	26002-20
Phenol red free media (DMEM)	Gibco	21063-029
Xylazine (100 mg/ml)	AnaSed	139-236
Matrigel	BD	356231	basement membrane matrix, growth factor reduced, phenol red-free
3-4% agarose	Sigma	A9414	prepare w/v in 1x DPBS, heating to dissolve in a waterbath
Imaging of fixed intestines
Name of Material/Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
vaseline	purchase at pharmacy		used to make VALAP: equal parts vaseline, lanolin, paraffin
lanolin	Sigma	L7387	used to make VALAP: equal parts vaseline, lanolin, paraffin
paraffin	Surgipath	39601006	used to make VALAP: equal parts vaseline, lanolin, paraffin
70% glycerol in 1 x PBS
Focus clear and Mount Clear	CelExplorer Labs Co.	F101-KIT
Modeling clay	purchase at art supply store
double stick tape
cotton applicator swabs
plastic molds, 10mm x 10mm x 5 mm)	Tissue Tek	4565
slides
coverslips
lab wipe	Kimberly Clark	34155	lint free delicate task wipe
Theiler staging chart			http://www.emouseatlas.org/emap/ema/theiler_stages/ downloads/theiler2.pdf
Leica SP5X confocal microscope	Leica		Used to conduct the live imaging
Leica DMI 6000 stand	Leica		Used to conduct the live imaging
Aqueous mounting medium (Prolong Gold)	Molecular Probes	P36930
Name of Material/Equipment	Company	Catalog Number	Comments/Description
24 well plate	Costar	3524
Triton X-100	Sigma	T-8787	used to make Permeabilization solution: 0.5% Triton X-100 in 1 x PBS
Goat serum			used to make Blocking Solution: 4% Goat serum, 0.1% Tween20 in 1x PBS
Tween20	Sigma	P9416