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Aqui, um protocolo passo-a-passo otimizado é fornecido para fixação, imunostaining e secção de embriões para detectar filopodia de sinalização especializada chamada citonês no desenvolvimento de tecidos de camundongos.
A padronização do tecido de desenvolvimento e a homeostase do tecido pós-desenvolvimento dependem da entrega controlada de sinais celulares chamados morfogens. Os morfogens agem de forma dependente de concentração e tempo para especificar programas transcricionais distintos que instruem e reforcem o destino celular. Um mecanismo pelo qual os limiares apropriados de sinalização de morfogênio são assegurados é através da entrega das proteínas de sinalização por filopodia especializada chamada citonemes. Os citonemes são muito finos (≤200 nm de diâmetro) e podem crescer até comprimentos de várias centenas de mícrons, o que torna sua preservação para análise de imagem fixa desafiadora. Este artigo descreve um método refinado para manuseio delicado de embriões de camundongos para fixação, imunostaining e seção espessa para permitir a visualização de citonemas usando microscopia confocal padrão. Este protocolo foi usado com sucesso para visualizar citonemes que conectam compartimentos de sinalização celular distintos durante o desenvolvimento de tubos neurais do rato. A técnica também pode ser adaptada para detectar citonemas entre tipos de tecidos para facilitar o interrogatório de sinalização de desenvolvimento em resolução sem precedentes.
O desenvolvimento embrionário é orquestrado através da ativação coordenada de vias de sinalização de morfogênio. Os morfogênios são proteínas pequenas e secretas que são categorizadas em Sonic Hedgehog (SHH), transformando o fator de crescimento β (TGF-β)/proteína morfogênica óssea (BMP), local de integração relacionado com asas (WNT) e famílias de fatores de fibroblasto e de crescimento epidérmico (FGF/EGF). Os morfogênios são produzidos e liberados de centros de organização celular durante o desenvolvimento de tecidos e estabelecem gradientes de sinalização em campos de organização de células para informar a morfogênesetecidual 1,2,3,4,5. Uma representação de gradientes de morfogênio é encontrada no sistema nervoso em desenvolvimento, onde o sistema nervoso central presuntivo é padronizado através da ativação da via morfogênio. Este tecido, chamado de tubo neural, é composto por gradientes opostos de SHH secretados pela placa ventral-mais notochord e piso, e WNTs/BMPs secretados da placa dorsal, para padronizar regiões progenitoras neurais distintas6. O tubo neural é comumente usado para interrogar a integridade do gradiente de morfogênio em pesquisas de desenvolvimento.
A formação de gradiente de morfogênio depende de uma regulação rigorosa da dispersão de sinal7. Um mecanismo celular pelo qual isso ocorre é através da formação de filopodia de sinalização longa chamada citonês que facilitam a entrega direta de morfogênios de células produtoras de sinais para populações específicas de células-alvo. Citonemes foram observados para estender centenas de micrômetros para depositar morfogens em membranas celulares receptoras de sinal 8,9. A interrupção do transporte de morfogênio mediado por cítonmo leva a anomalias de desenvolvimento em moscas e vertebrados, destacando sua importância durante a padronização tecidual 10,11,12,13,14.
Até o momento, citonês foram documentados em modelos de Drosophila, pintinhos e zebrafish, mas a imagem das estruturas em embriões mamíferos em desenvolvimento continua desafiando 8,9,15. Um obstáculo para efetivamente a imagem de citonês em complexos tecidos mamíferos in situ é sua natureza fina e frágil, o que os torna suscetíveis a danos pelos métodos convencionais de fixação8. Tínhamos desenvolvido e otimizado protocolos para uma microscopia eletrônica modificada fixação (MEM-fix) para preservar cítons em células cultivadas e habilitar seu estudo usando microscopia confocal16,17.
O uso da técnica de correção de MEM permitiu a identificação de algumas das moléculas envolvidas na formação de cítonma induzida pelo SHH e função 11,16,17. No entanto, a confirmação desses achados no contexto fisiologicamente relevante da padronização do tubo neural exigiu o desenvolvimento de novas técnicas para fixação e tecido embrionário de camundongos. Um protocolo para corrigir embriões de camundongos de uma maneira que mantenha a integridade do cítonmo e permita a imunostaining e a posterior secção de tecido embrionário para análise confocal é descrito aqui. Este protocolo foi desenvolvido utilizando uma proteína fluorescente verde de membrana (GFP) para rotular extensões de membrana das células produtoras de SHH no tubo neural em desenvolvimento. A implementação deste protocolo abordará questões sem resposta relativas à prevalência e significância das citonemas no desenvolvimento de sistemas mamíferos.
Este protocolo segue as diretrizes aprovadas de cuidados com animais do Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais (IACUC) e do Hospital de Pesquisa Infantil de São Judas. Todas as cepas foram cruzadas cinco gerações para a cepa C57BL/6J.
1. Isolamento do embrião e coloração de montagem inteira
2. Incorporação, secção e montagem de embriões
3. Imagem
O uso de um molde maior de uma placa de 12 poços com 2,5-3 mL de solução agarose por poço foi ideal para incorporar e suspender vários embriões durante um curto período de tempo (Figura 1A). A área em excesso permite uma orientação correta ao cortar o bloco de agarose para secção. Ao cortar o bloco de agarose, é importante manter o excesso de agarose ao longo da parte inferior do bloco onde ele será colado à fita no suporte do objeto. O embrião deve estar na metade superior do bloco (Figura 1B). No entanto, a seção inferior não deve ser muito grande, pois o excesso de bloco aumenta as chances de alterar o ângulo de corte à medida que a lâmina empurra para dentro do bloco durante a seção. Exemplos de seções corretamente orientadas são mostrados (Figura 1C,D).
Ao desenvolver este protocolo, a seção vibratome foi comparada com a secção criostat. Seção criostat do tecido raramente preservada extensões celulares (Figura 2 criostat e figura 3A,B vibratome). As seções de criostatia permitiram a detecção de alguns fragmentos de membrana gfp-positivo entre células do tubo notochord e neural (Figura 2A da ponta de flecha) e entre células de tubo neural adjacentes (Figura 2B, B' pontas de flecha). No entanto, a coloração F-actin de extensões celulares nas células mesenquimais altamente filamentosas ao redor do tubo neural foi prejudicada em seções criostat (Figura 2C, C' seta, vs Figura 3C,D). Estes resultados criostat indicam que apenas alguns traços de extensões celulares quebradas permanecem seguindo este método. Assim, a secção vibratome é preferível preservar eficientemente essas delicadas extensões para análise posterior.
A interrupção mínima de seções de embriões inteiros e tecidos individuais é essencial para imagens de alta qualidade de extensões celulares. As seções teciduais submetidas a qualquer dobra ou dobramento serão evidentes pela ausência do notochord ou de uma grande separação (>30 μm) entre a placa notochord e o piso ventral do tubo neural (Figura 3B). Isso é geralmente acompanhado pela perda de células mesenquimais que normalmente circundam o tubo neural (Figura 3A, seta). As seções danificadas também resultarão na perda de extensões de membrana celular visíveis migrando entre células epiteliais (Figura 3B em comparação com a Figura 3A, pontas de flecha). Mesmo pequenas distorções nas seções podem causar fragmentação de extensões baseadas em actina e grandes lacunas para se formar entre células (Figura 3D, pontas de flecha, em comparação com a Figura 3C bem preservada), ressaltando a necessidade de manuseio delicado em todas as etapas.
Figura 1: Exemplo de E9.5 Shh-Cre; Rosa26 mTmG manchado, incorporado e seccionado embrião. (A) Um único embrião em uma placa de 12 poços, embutido em 4% de LMP agarose. (B) Exemplo de um embrião corretamente orientado dentro do bloco de agarose reduzido ao tamanho para montagem de vibratome. O excesso de bloco de agarose está presente ao longo do fundo. (C) Imagem de campo brilhante de seção de embrião de 100 μm de espessura embutida em LMP agarose. (D) Imagem de imunofluorescência de uma seção após a remoção da agarose. MGFP (verde) anti-GFP representa células que expressam Shh no tecido, com outras linhagens celulares expressando membrana Tomate (vermelho), DAPI em azul. O tubo neural (suporte) e o notochord mGFP positivo (seta) são claramente visíveis. Barras de escala = 1 cm (A), 5 mm (B) e 100 μm (C,D). Abreviaturas: LMP = ponto de fusão baixo; mGFP = membrana verde proteína fluorescente; Shh = Sonic Hedgehog; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenildole. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Exemplo de placa do piso do tubo neural seccionada por criostat e notochord com extensões de membrana fragmentada. (A) 20 μm de espessura E9,5 Shh-Cre; Seção Rosa26 mTmG 19,20,21 manchada para GFP (verde), F-actin (vermelho) e DAPI (azul). punctas mGFP são visíveis entre o notochord e a placa de piso (ponta de flecha) e (B,B') migrando entre células adjacentes do tubo neural. (C,C') A coloração f-actin não detecta quaisquer citonemas claras em células mesenquimais ao redor do tubo neural (seta). Barras de escala = 20 μm. Abreviaturas: mGFP = proteína fluorescente verde da membrana; Shh = Sonic Hedgehog; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenildole. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Exemplos de seções de tecido vibratome vibratome ideal e subótimal e coloração da placa do piso do tubo neural, notochord e células circundantes. Exemplos de seções delicadamente manuseadas (A,C), em comparação com (B) uma seção de tecido dobrado e (D) uma seção mal manuseada a partir de um Shh-Cre; Rosa26 mTmG e um embrião ShhGFP/+ 19,20,21. Seções bem manuseadas permitem a detecção de citonês entre células epiteliais de placa de piso localizadas adjacentes (A, pontas de flecha). O notochord adjacente do tubo neural (A, mGFP-expressing) e as células mesenquimais (A, seta) devem ser visíveis. (C,D) As seções manchadas de F-actin e DAPI devem ter espaçamento consistente de células mesenquimais e citonês baseados em F-actin (setas) ao redor do tubo neural e notochord (C). Qualquer pequeno dobramento ou interrupção das seções pode causar lacunas e fragmentos de ato de F quebrados (D, pontas de flecha). Barras de escala = 10 μm. Abreviaturas: mGFP = proteína fluorescente verde da membrana; Shh = Sonic Hedgehog; DAPI = 4',6-diamidino-2-fenildole. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Este protocolo foi desenvolvido para a preservação de citonemas delicadas em seções de tecido embrionário para microscopia de fluorescência de alta resolução. Até o momento, a visualização de citonês no tecido em vários organismos modelos tem se apoiado em grande parte na expressão ectópica de proteínas fluorescentes rotuladas usando imagens de tecido vivo. Infelizmente, o uso de imagens vivas fluorescentes é raramente propício à análise de proteínas expressas endógenas, pode introduzir restrições de tempo e requer estágios de imagem especializados e microscópios. O método de coloração e secção descrito aqui preserva citonês e outras extensões celulares para permitir a imunohistoquímica para a eventual detecção de proteínas expressas endógenas. Essa tecnologia facilitará novas percepções sobre como os morfogens são transportados através de diferentes tecidos in vivo e expande o escopo de sistemas de modelos onde citonemes podem ser estudados.
Este protocolo utiliza coloração de montagem total e seção de vibratome, o que evita o uso de soluções de equilíbrio, como glicerol ou soluções crioprotetores, como sacarose. Tem como objetivo minimizar o manuseio de tecidos seccionados para permitir a preservação máxima das extensões celulares. O manuseio reduzido do tecido após a secção proporcionou resultados consistentemente melhores na preservação geral das citonemas. Assim, a secção do embrião é um dos passos finais antes da imagem.
Mem-fix, uma técnica de fixação desenvolvida para a preservação de cântons de células cultivadas, consiste em uma combinação de glutaraldeído e PFA que permite uma melhor preservação 3D da arquitetura celular inata comparável às suas dimensões vivas16,17. Infelizmente, a correção de MEM não foi útil para a fixação de embriões porque o glutaraldeído pode auto-fluoresce e limita severamente a penetração de anticorpos e a ligação de epítope nas células devido à atividade transversal de alta proteína22,23. Assim, os protocolos de secção pós as condições de fixação da PFA foram otimizados para permitir a preservação de extensões celulares em tecido embrionário. Embora a PFA possa preservar extensões semelhantes a cíton em tecido embrionário, a análise de imagem deve ser realizada com cautela. A PFA pode causar desidratação parcial de células e tecidos individuais, levando à redução de volume menor e à formação de pequenos espaços extracelulares dentro do tecido fixo.
Este protocolo evita as etapas extras de resaturação de sacarose para crioproteção e limpeza tecidual porque soluções de sacarose ou glicerol podem causar uma pequena resaturação do tecido24. O pequeno inchaço resultante pode destruir extensões celulares fixas e citonês migrando entre células e através de tecidos. Isso ficou evidente quando comparava vibratoma de seção grossa com seções de criostat. Embora o aumento da espessura do tecido tenha melhorado a preservação de citonês intactos, as seções criostatas resaturadas de sacarose consistentemente apresentaram menor incidência de citonês detectáveis.
A otimização deste protocolo revelou que seções de 100 μm de espessura foram as melhores para garantir a preservação de citonemas intactas. Seções mais finas são tipicamente usadas para imagens porque a maioria dos microscópios confocal só são capazes de imagens em resolução suficiente para visualizar extensões celulares a uma profundidade de ~20-40 μm sem limpar25. No entanto, as forças mecânicas e distorções aplicadas às células embrionárias da lâmina enquanto cortam seções finas destrói citonês. Seções mais grossas permitem uma maior área de profundidade dentro da seção, preservando extensões intactas dentro do tecido. Além disso, o uso de seções mais grossas permite a facilidade de manuseio para evitar dobras excessivas ou dobras das seções teciduais.
Este protocolo foi otimizado para a máxima preservação de citonemas no tecido de embriões de camundongos E8-10.5. A manipulação mínima do tecido após a secção proporcionou uma preservação global consistentemente melhorada das citonês. É provável que mais otimização seja necessária para adaptar a técnica para estágios de desenvolvimento posteriores e seções de tecido adulto devido ao aumento do tamanho e da complexidade tecidual. Isso exigirá secção seguida de coloração de imunofluorescência. Esse tecido pode exigir etapas adicionais de limpeza e adaptação do manuseio de tecidos durante a secção para preservar extensões semelhantes a cítonmo. Essas etapas adicionais precisarão ser consideradas e tratadas para futuras aplicações deste protocolo.
Os autores não têm interesses concorrentes para declarar.
As imagens foram adquiridas usando microscópios mantidos pelo Núcleo de Imagem de Biologia Celular e Molecular do Hospital de Pesquisa Infantil de St. Jude. Cepas de rato foram obtidas de JAX. Este trabalho foi apoiado pelo Instituto Nacional de Saúde do Grant R35GM122546 (SKO) e pela ALSAC do Hospital de Pesquisa Infantil de São Judas.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
12-well plate; Nunc Cell-Culture Treated | Thermo Scientific | 150628 (Fisher Scientific 12-565-321) | |
24-Well Plate, Round Nunc | Thermo Fisher Scientific | 142475 | |
60 mm dish | Corning, Falcon | 353004 (Fisher Scientific 08772F) | |
Absorbant towels (Professional Kimtech Science Kimwipes) | Kimberly-Clark KIMTECH | 34155 (Fisher Scientific 06666A) | |
Actin Red 555 ReadyProbes Reagent | Invitrogen | R37112 | |
Alexa Fluor 488 AffiniPure F(ab')2 Fragment Donkey Anti-Chicken IgY (IgG) (H+L) | Jackson Immunoresearch Lab Inc | 703-546-155 | 1:1,000 working concentration |
Bead Bath 6L 230V | Lab Armor | Item #12L048 (Mfr. Model #74220-706) | set to 55 °C |
chicken anti-GFP | Aves Labs | SKU GFP-1020 | 1:250 working concentration |
CO2 chamber | plexiglass chamber connected to a CO2 emitting line. | ||
Confocal laser-scanning microscope | Leica Microsystems | model: Leica TCS SP8 | |
DAPI Solution (1 mg/mL) | Thermo Fisher Scientific | 62248 | |
Dissecting scissors (Vannas Scissors) | World Precision Instruments | 14003 | |
Dulbecco's Modified Eagle Medium, high glucose, no glutamine | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 11960044 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 0.1-2.5 µL | Eppendorf | 3123000012 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 0.5-10 µL | Eppendorf | 3123000020 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 100-1,000 µL | Eppendorf | 3123000063 | |
Eppendorf Research Plus single channel pipette, 20-200 µL | Eppendorf | 3123000055 | |
Feather Disposable Scalpel #10 | Fisher Scientific | Catalog No.NC9999403 | |
Fetal Bovine Serum, certified, United States | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 16000044 | |
Fisherbrand Fine Point High Precision Forceps | Fisher Scientific | 22-327379 | |
Fisherbrand Labeling Tape | Fisher Scientific | 15-954 | |
Formaldehyde, 16%, methanol free, Ultra Pure EM Grade | Polysciences | 18814-10 | |
Hank's Balanced Salt Solution (HBSS) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 14025 | |
ImmEdge Hydrophobic Barrier Pap Pen | Vector laboratories | H-4000 | |
Leica Application Suite X (LAS X) with LIGHTNING | Leica Microsystems | Microscope software | |
L-Glutamine (200 mM) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 25030081 | |
Low Melting Point Agarose- UltraPure | Invitrogen | 16520 | |
MEM Non-Essential Amino Acids Solution (100x) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 11140050 | |
Moria MC 17 BIS Perforated Spoon | Fine Science Tools | 1037018 | |
Mounting media (ProLong Diamond Antifade Mountant) | Thermo Fisher Scientific, Invitrogen | P36961 | |
Mouse: B6.129X1(Cg)-Shhtm6Amc/J (ShhGFP/+) | The Jackson Laboratory | Strain #:008466 | |
Mouse: B6.Cg-Shhtm1(EGFP/cre)Cjt/J (Shh-Cre) | The Jackson Laboratory | Strain #:005622 | |
Mouse: C57BL/6J (B6) | The Jackson Laboratory | Strain #:000664 | |
Mouse: Gt(ROSA)26Sortm4(ACTB-tdTomato,-EGFP)Luo/J (Rosa26 mTmG) | The Jackson Laboratory | Strain #:007576 | |
Normal Goat Serum | Jackson ImmunoResearch | 005-000-121 (Fisher Scientific NC9660079) | |
PBS + Ca2+ + Mg2+ | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 14040133 | |
Premium Microcentrifuge Tubes: 1.5 mL | Fisher Scientific | 05-408-129 | |
SHARP Precision Barrier Tips, Extra Long for P-10 and Eppendorf 10 µL | Denville Scientific | P1096-FR | |
SHARP Precision Barrier Tips, For P-1000 and Eppendorf 1,000, 1,250 µL | Denville Scientific | P1126 | |
SHARP Precision Barrier Tips, For P-20 and Eppendorf 20 µL | Denville Scientific | P1121 | |
SHARP Precision Barrier Tips, For P-200 and Eppendorf 200 µL | Denville Scientific | P1122 | |
Sodium Azide | Sigma-Aldrich | S8032 | |
Sodium Pyruvate (100 mM) (100x) | Thermo Fisher Scientific, Gibco | 11360070 | |
Super Glue | Gorilla | ||
SuperFrost Plus microscope slides | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
TPP centrifuge tubes, volume 15 mL, polypropylene | TPP Techno Plastic Products | 91015 | |
TPP centrifuge tubes, volume 50 mL, polypropylene | TPP Techno Plastic Products | 91050 | |
Transfer pipette, polyethylene | Millipore Sigma | Z135003 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T9284 | |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | P1379 | |
Vari-Mix Platform Rocker | Thermo Fisher Scientific | 09-047-113Q | set to 20 RPM |
Vibratome | Leica Biosytems | VT1000 S |
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