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Method Article
ここでは、ゼブラフィッシュの膵臓β細胞のカルシウムイメージングとグルコース刺激のためのプロトコールを in vivoで紹介します。
膵臓のβ細胞は、血糖値に応じてインスリンを産生および分泌することにより、全身のグルコース恒常性を維持します。β細胞機能の欠陥は、糖尿病につながる可能性のある高血糖症に関連しています。インスリン分泌の過程で、β細胞はCa2+の流入を経験します。したがって、遺伝的にコードされたカルシウムインジケーター(GECI)を使用してグルコース刺激Ca2+流入をイメージングすることは、β細胞機能を研究する道を提供します。これまでの研究で、GCaMP6を発現する単離されたゼブラフィッシュ島は、定義されたグルコース濃度で刺激すると有意なCa2+活性を示すことが示されていました。しかし、β細胞がグルコースにどのように反応するかを研究することは、単独でではなく、それらが全身的に結合し、血管新生され、密に神経支配されている本来の環境で研究することが最も重要です。この目的のために、この研究では、発生の初期段階にあるゼブラフィッシュの幼生の光学的透明性を活用して、in vivoでβ細胞の活性を明らかにしました。ここでは、in vivoでのβ細胞機能を調査するためのCa2+イメージングおよびグルコース刺激の詳細なプロトコルを示します。この技術により、β細胞内の協調したCa2+ダイナミクスをシングルセルの分解能で監視することができます。さらに、この方法は、低分子やペプチドなどのあらゆる注射可能な溶液での作業に適用できます。全体として、このプロトコルは、ゼブラフィッシュモデルがin vivoでの膵島の協調性を調査し、環境および遺伝的要素がβ細胞機能にどのように影響するかを特徴付ける可能性を示しています。
膵臓のβ細胞は、グルコースに応答してインスリン分泌のユニークな能力を示します。炭水化物が豊富な食事の後、血糖値は上昇してβ細胞に入り、そこですぐに代謝されてATPが生成されます。ATP/ADPの細胞内比が増加すると、ATP依存性のK+ チャネルが閉鎖され、細胞膜が脱分極し、電位依存性のCa2+ チャネルが活性化されます。細胞内Ca2+ の急速な増加は、β細胞によるインスリン顆粒分泌を刺激します。
マウスの無傷の膵臓内の膵島細胞のイメージングは要求が厳しく、臓器全体の外部化が必要です。非侵襲的なin vivoイメージングの強力な代替手段は、マウスの眼の前房(AC)に膵島を移植することです1。マウスのACに移植された膵島は、in vivo環境を模倣し、縦断的研究とCa2+イメージングin vivo 2,3を可能にします。それにもかかわらず、膵島血行再建術のプロセスは、膵島移植後数週間かかる場合があります4。したがって、β細胞が血管新生され、生物の代謝状態と関連している元の天然環境を維持し、in vivo シングルセルイメージング分解能を達成することは、依然として非常に困難で時間がかかります。
これらの制限を克服するために、研究者はβ細胞でGECIを発現するゼブラフィッシュのトランスジェニック系統を開発し、これにより、β細胞5,6,7,8,9におけるCa2+流入をリアルタイムで可視化できるようになりました。これらのツールを用いたところ、細胞培養において、ゼブラフィッシュβ細胞は、マウスやヒトの膵島と同様に、グルコース上昇に対して保存された応答を示すことがわかりました。さらに、ゼブラフィッシュの幼生の光学的透明度により、β細胞の本来の環境における機能を調べることができました。重要なことは、受精後4日(dpf)という早い時期に、ゼブラフィッシュの初代膵島のβ細胞は、ウロコルチン3(ucn3l)のゼブラフィッシュのオルソログなどの成熟マーカーを発現し、生理学的範囲のグルコースに対するin vitro応答を示すことです6。また、ゼブラフィッシュ島は密集して血管新生し、神経支配されている10。この段階でのβ細胞の遺伝子アブレーションは、耐糖能障害を引き起こします。さらに、ゼブラフィッシュは、インスリンやスルホニル尿素などのグルコース低下剤に対して保存された応答を示しており、一次膵島がグルコース応答性でグルコースレベルを制御する全身的に結合した組織であることを示しています。これらの特殊な特性により、ゼブラフィッシュはin vivo11,12の膵島β細胞活性を研究するためのユニークなモデルとなっています。
Ca2+イメージングとゼブラフィッシュの循環内に直接の同時グルコース注入のためのプロトコルにより、β細胞のグルコース応答性をin vivoで調査することができます。このプロトコルは、高い時間的および空間的分解能と組み合わせて定義されたグルコース濃度の注射を可能にし、グルコースに対するβ細胞の協調応答とin vivoでのファーストレスポンダー β細胞の存在を完全に明らかにします13。さらに、このプロトコルは、化合物や小さなペプチドなど、任意の注射可能な溶液に適合させることができます。全体として、この方法論は、in vivoでのβ細胞協調を調査し、環境および遺伝的要素がβ細胞の機能にどのように影響するかを特徴付けるためのゼブラフィッシュモデルの強みを示しています。
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本研究で用いた既定のトランスジェニック系統は 、Tg(ins:GCaMP6s;cryaa:mCherry)6, Tg(ins:cdt1-mCherry;cryaa:CFP)14.すべての実験は、欧州連合およびドイツの法律(Tierschutzgesetz)に準拠し、ドレスデン工科大学およびザクセン州立委員会(承認番号:AZ 24D-9168,11-1/2013-14, TV38/2015, T12/2016, T13/2016, TVV50/2017, TVV 45/2018, TVV33-2019)の承認を得て実施されました。この研究では、動物保護法(TierSchVersV §14)に記載されているように、受精後5日(dpf)段階を超えないゼブラフィッシュの幼生に対して、 すべての生体内 ライブイメージングとグルコース注射、および実験手順が行われました。EU指令2010/63/EUによると、これらの初期のゼブラフィッシュステージを使用すると、3Rの原則に従って実験動物の数が減少します。
1. 事前準備
注:このプロトコルは、Tg(ins:cdt1-mCherry;cryaa:CFP);Tg(ins:GCaMP6s;cryaa:mCherry)ダブルトランスジェニック幼虫。これらの動物では、インスリンプロモーターがcdt1-mCherryの発現を促進し、個々のβ細胞の核を赤色蛍光で標識します。GCaMP6sは、細胞内Ca2+レベルに応答して緑色蛍光の変化を示します。GCaMP6のβ細胞における特異的発現により、他の細胞タイプや組織からの干渉なしに、個々の細胞のグルコース応答性の特性評価が可能になります。
2.ゼブラフィッシュの幼虫のマウント
注:ダブルトランスジェニック Tg(ins:cdt1-mCherry;cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s;cryaa:mCherry) 胚を0.03%(20μM)の1-フェニル2-チオ尿素(PTU)で処理し、受精後24時間以降から色素沈着を抑制します。4.5 dpfで、マウント直前にTricaineの最終濃度の0.04%を使用して幼虫に麻酔をかけます。
3. β細胞の同時注入とCa2+ イメージング
注:発達の遅れにより膵臓の上部に過剰な卵黄がある幼虫は、卵黄の脂質が画質を妨げるため、イメージングに使用しないでください。さらに、光退色や光毒性を避けるために、低レーザー出力(0.5%〜5%)が使用されます。
4. 個々のβ細胞のGCaMP蛍光微量の定量
注:動物の動きが多すぎる場合は、FIJIプラグインの 記述子ベースのシリーズ登録(2d / 3d + t)17を使用してムービーを安定させることができます。
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このプロトコルを使用して、個々のβ細胞の天然環境におけるグルコース応答を特徴付けました。この目的のために、ゼブラフィッシュの幼生はガラス底のペトリ皿に取り付けられています。3Dマニピュレータを使用して、SVを標的として、ガラスキャピラリーを循環器に挿入しました(図1および図2)。これにより、定義さ?...
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このプロトコルでは、β細胞のネイティブ微小環境におけるCa2+ ダイナミクスを単一細胞分解能で調査しました。これは、ゼブラフィッシュのβ細胞を循環中のグルコース注射で刺激し、GCaMP6を使用してCa2+ ダイナミクスを記録することで可能になります。
このプロトコルには、主に3つの利点があります。まず、研究者は、ゼブラ...
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著者は、競合する金銭的利益を宣言しません。
ニコライ・ニノフは、ドレスデン工科大学のドレスデン再生治療センターとドイツ糖尿病研究センター(DZD)から資金提供を受けたほか、ドイツ研究財団(DFG)と国際研究トレーニンググループ(IRTG 2251)から研究助成金を受け、代謝性疾患における免疫学的および細胞戦略も受けました。CRTDの光学顕微鏡施設には、すべてのイメージング技術のサポートに感謝しています。CRTDの魚類施設には、魚の技術支援とサポートに感謝します。
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Name | Company | Catalog Number | Comments |
35 mm diameter glass-bottom dishes | Mattek | P35G-1.5-14-C | We use this glass-bottom dish to mount the zebrafish larvae and perform confocal microscopy |
Blue-Green filter cube | ZEISS | 489038-9901-000 | Filter Set 38 HE |
Confocal Microscope | ZEISS | LSM 980 | |
D-(+)-Glucose | Sigma-Aldrich | G7528 | |
Excel (2016) | https://www.office.com/ | ||
Femtojet | Eppendorf | 5252000013 | This equipment is a pneumatic micropump, which allows precise volume delivery and is accompanied by a capillary holder. We use the micropump Femtojet (injection pressure between 500-1000 hPa; compensation pressure = 0 hPa; and delivery time = 1 second). |
Femtotips, glass capillaries ready to be used. | Eppendorf | 5242952008 | This are ready to use glass capillaries that can substitute the pulled-capillaries. |
FIJI, using ImageJ Version: 1.51c | https://fiji.sc/ | ||
Fluorescence lamp | ZEISS | 423013-9010-000 | Illuminator HXP 120 V |
Glass capillaries 3.5" | Drummonds Scientific Company | 3-000-203-G/X | We use these glass capillaries to prepare the injection capillaries by pulling them with a capillary -puller |
Injectman | Eppendorf | 5192000019 | This equipment allows for 3D manipulation of the capillary holder |
Low melting agarose | Biozym | Art. -Nr.: 840101 | We use the agarose to mount the zebrafish onto the glass-bottom dish |
Microloader tip for glass microcapillaries 0.5 – 20 µL, 100 mm | Eppendorf | 5242956003 | Long tips for loading the glass capillaries with the solutions |
Micro-tweezers | Dumont Swiss made | 0102-4-PO | We use the micro-tweezers to move the zebrafish larvae during the mounting and to cut off the tip of the glass capillary (eg. Dumont, size 4). |
Mineral oil | Sigma-Aldrich | M5904 | We use the mineral oil to calibrate the drop size to inject |
P-1000 Next Generation Pipette Puller | Science Products | P-1000 | We use this capillary puller to prepare the glass capillary using the Drumond capillaries. We use the P-1000 capillary puller with the following parameters: Heat: 650, Pull: 20, Vel: 160, Time: 200, Pressure: 500. |
PTU (1-phenyl-2-thiourea ) | Sigma-Aldrich | P7629 | We use this compound to inhibit pigmentation during zebrafish development |
Red Filter Cube | ZEISS | 000000-1114-462 | Filter set 45 HQ TexasRed |
Stereo microscope | ZEISS | 495015-0001-000 | SteREO Discovery.V8 |
Syringe filters, sterile. Pore size 0.2 µm | Pall Corporation | 4612 | We use these to filter all the solutions and prevent the capillary needle clothing |
Transgenic Zebrafish line:Tg(ins:cdt1-mCherry;cryaa:CFP); Tg(ins:GCaMP6s;cryaa:mCherry) | |||
tricaine methanesulfonate (MS222) | Sigma-Aldrich | E10521 | We use this compound to anesthetize the fish larvae |
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