Method Article
В этой статье описано, как выполнить хирургический метод ингибирования образования эпидермиса раны во время регенерации конечностей аксолотля путем немедленного наложения швов на всю толщину кожи над плоскостью ампутации. Этот метод позволяет исследователям исследовать функциональные роли раневого эпидермиса на ранних стадиях регенерации конечностей.
Классические эксперименты в регенеративной биологии саламандры за последнее столетие давно установили, что раневой эпидермис является важнейшей сигнальной структурой, которая быстро формируется после ампутации и необходима для регенерации конечностей. Однако методы изучения его точной функции на молекулярном уровне в течение последних десятилетий были ограничены из-за нехватки точных функциональных методов и геномной информации, доступной в модельных системах саламандр. Интересно, что недавнее множество технологий секвенирования в сочетании с выпуском различных геномов саламандр и появлением методов функционального генетического тестирования, включая CRISPR, позволяет повторно посетить эти основополагающие эксперименты с беспрецедентным молекулярным разрешением. Здесь я описываю, как выполнить классически разработанную операцию полного кожного лоскута (FSF) у взрослых аксолотлей, чтобы ингибировать образование эпидермиса раны сразу после ампутации. Раневой эпидермис обычно образуется в результате дистальной миграции эпителиальных клеток в коже проксимально к плоскости ампутации, чтобы изолировать рану от внешней среды. Операция влечет за собой немедленное наложение швов на кожу всей толщины (которая включает в себя как эпидермальные, так и дермальные слои) над плоскостью ампутации, чтобы препятствовать миграции эпителиальных клеток и контакту с основными поврежденными мезенхимальными тканями. Успешные операции приводят к ингибированию образования бластемы и регенерации конечностей. Комбинируя этот хирургический метод с современным молекулярным и функциональным анализом, исследователи могут начать раскрывать молекулярные основы функции эпидермиса раны и биологии во время регенерации конечностей.
С тех пор, как Лаззаро Спалланцани сообщил об этом в 17681 году, регенерация конечностей саламандры была одним из наиболее хорошо изученных природных регенеративных явлений, которое восхищало биологов на протяжении веков. Успешная регенерация конечностей зависит от формирования, роста и последующего формирования недифференцированной клеточной структуры, известной как бластема. Исследователи добились значительных успехов в понимании клеточного состава бластемы, а также того, какие поддерживающие ткани и типы клеток необходимы для ее формирования2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13 . Тем не менее, скоординированные сигнальные механизмы между различными тканями и типами клеток, которые приводят к инициации образования бластемы, остаются плохо изученными.
Ключевым требованием для успешного образования и регенерации бластемы является раневой эпидермис, преходящий и специализированный эпителий, который покрывает плоскость ампутации в течение 12 часов после ампутации10. После ампутации эпителиальные клетки из неповрежденной кожи проксимально к травме быстро мигрируют по плоскости ампутации, образуя тонкий раневой эпителий14. По мере того, как бластема образуется в последующие недели, ранний раневой эпидермис развивается в более толстую эпителиальную сигнальную структуру, называемую апикальной эпителиальной шапкой (AEC)15. В то время как кожа нормальной полной толщины содержит как эпителиальный, так и дермальный слой, разделенный базальной пластинкой, раневой эпидермис / AEC состоит только из эпителиального слоя и не имеет базальной пластинки16,17. Отсутствие базальной пластинки и дермы обеспечивает прямой контакт между эпителиальными клетками раны и подлежащими тканями, что облегчает двунаправленную передачу сигналов между двумя компартментами, что имеет решающее значение как для образования бластемы, так и для поддержания 17,18.
Классические экспериментальные исследования разработали различные инновационные хирургические методы для зондирования функции и необходимости эпидермиса / AEC раны путем ингибирования его образования. Эти методы включали наложение швов19 или пересадку кожи полной толщины 20,21 над плоскостью ампутации, немедленное зашивание ампутированной конечности в полость тела22 и непрерывное ежедневное удаление или облучение раннего раневого эпидермиса и AEC23,24. В целом, эти эксперименты не только установили важность раневого эпидермиса / AEC, но и дополнительно определили его роль в раннем гистолизе тканей, а также в поддержании пролиферации клеток-предшественников и бластемального роста13 на протяжении всей регенерации.
Однако эти предыдущие исследования были в значительной степени ограничены гистологическим окрашиванием, а также тритиированными импульсами тимидина для отслеживания пролиферации клеток. Фактически, пересмотр этих классических экспериментов с современными технологиями секвенирования и функциональными методами у саламандр был сделан только недавно и привел к открытию дополнительных ролей для эпидермиса раны в модуляции воспаления и деградации / осаждения ECM на ранних стадиях регенерации25. С высвобождением различных последовательностей генома саламандры и транскриптома26,27,28,29,30,31,32,33,34, а также растущим числом функциональных методов, доступных у видов саламандр11,35,36,37,38 В настоящее время исследователи имеют хорошие возможности для того, чтобы начать разгадывать молекулярные механизмы, приводящие к образованию, функции и развитию эпидермиса раны.
К сожалению, некоторые из этих классических методов, используемых для ингибирования образования эпидермиса раны, являются технически сложными, представляя трудности для воспроизводимости между биологическими репликами в одном и том же эксперименте. Например, поддержание кожных трансплантатов может быть сложной задачей, поскольку трансплантаты могут в конечном итоге упасть с конечности хозяина, а ежедневное удаление раневого эпидермиса / AEC затруднено без повреждения подлежащих тканей. Кроме того, зашивание ампутированной конечности в полость тела является сложной задачей, а также требует дополнительной травмы в месте введения. С другой стороны, наложение швов на всю толщину кожи непосредственно над плоскостью ампутации относительно просто, технически воспроизводимо и приводит к минимальному повреждению тканей. Этот хирургический метод полного кожного лоскута (FSF) был ранее разработан Энтони Мешером в 1976 году у взрослых тритонов (Notophthalmus viridiscens). Он продемонстрировал, что операция FSF ингибирует формирование и функцию эпидермиса раны, запрещая как миграцию эпителиальных клеток над плоскостью ампутации, так и прямой контакт между эпителиальными клетками и подлежащими тканями.
Здесь эта хирургическая процедура показана шаг за шагом с использованием конечности аксолотля. В сочетании с современными молекулярными технологиями и технологиями секвенирования этот метод может оказаться очень полезным для исследователей, чтобы углубить наше понимание формирования и функции эпидермиса / AEC раны во время регенерации конечностей.
Все эксперименты на животных проводились в соответствии с IACUC (Протокол No: 11-32) и руководящими принципами AAALAC в Гарвардском университете.
1. Подготовка растворов и настройка для анестезии и восстановления
2. Выполнение хирургической процедуры полного лоскута кожи
3. Послеоперационное восстановление и уход
4. Оценка успешности операции под стереомикроскопом
ПРИМЕЧАНИЕ: Мы рекомендуем проверять животных под стереомикроскопом не реже одного раза в неделю, чтобы оценить целостность полного лоскута кожи и успех операции.
Этот хирургический протокол позволит полностью ингибировать формирование раневого эпидермиса (рисунок 1) и, в конечном счете, регенерацию конечностей. Успешная операция приводит к отсутствию образования бластемы примерно через 2-3 недели в зависимости от размера животного, в то время как контрольные регенерирующие конечности должны нормально образовывать бластему.
Исследователи должны осматривать зашитую конечность невооруженным глазом каждые 2-3 дня, чтобы убедиться, что швы не выскочили и что не образуется бластема. Если один или несколько швов выскакивают, раневой эпидермис все еще может образоваться, что приводит к небольшой или большой бластеме и неудачной операции (рисунок 2). Кроме того, исследователи должны осматривать зашитую конечность не реже одного раза в неделю под стереомикроскопом, чтобы убедиться, что тонкий раневой эпидермис не проявляется нигде на поверхности ампутации. Для сравнения, исследователи должны также изучить контрольную регенерирующую конечность, которая должна иметь раневой эпидермис над плоскостью ампутации и образовывать бластему в течение 2-3 недель. Раневой эпидермис будет казаться тонким и прозрачным, в то время как нормальная кожа будет казаться более непрозрачной и бледно-розовой (почти белой), светло-желтой или темно-зеленой у лейкозистических, альбиносных или диких аксолотлей соответственно.
Если исследователи хотят собрать ткань до стадии формирования бластемы через 2-3 недели, они должны осмотреть ошённые конечности перед сбором образца, чтобы убедиться, что швы остались на месте и что небольшой раневой эпидермис не сформировался. Кроме того, сечение сагитально через ушную ткань конечности и выполнение гистологических анализов в любой момент времени также может проверить наличие дермы из полного кожного лоскута, окружающего всю плоскость ампутации, и отсутствие раневого эпидермиса (рисунок 3).
Рисунок 1: Схема этапов операции полного лоскута кожи.
Шаги протокола пронумерованы и схемированы здесь. Пунктирные линии обозначают плоскости ампутации на этапах 1 и 3 протокола. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Примеры успешных и неудачных операций по полному лоскуту кожи.
Репрезентативное изображение конечности, которая перенесла успешную операцию (слева), неудачную операцию (справа) и контрольную регенерирующую конечность (без операции) через 25 дней после ампутации (dpa). Успешная операция имеет плоскую плоскость ампутации, где был наложен шов весь кожный лоскут, тогда как неудачная операция имеет небольшую бластему. Наконечники стрел обозначают плоскость ампутации, а белые пунктирные линии помогают визуализировать отсутствие бластемы в успешной операции и наличие бластем в неудачной операции и контролировать регенерирующие конечности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Гистологическое окрашивание нормальных регенерирующих и ушибленных FSF конечностей.
(А-Б') Репрезентативные яркие изображения пикро-мальорных окрашенных участков от регенерирующих (A-A') и зашитых аксолотльных конечностей (B-B') при 7 дПа. Вставки в A и B показаны в A' и B' соответственно. Коллаген-тяжелый кожный слой выравнивает и покрывает всю плоскость ампутации в зашитых конечностях. Плоскость ампутации обозначается наконечниками стрел в A-B. Шкала брусков составляет 500 мкм. Эта цифра была адаптирована из Tsai et al.25. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В этой статье описывается протокол выполнения операций по удалению лоскута кожи в аксолотльских конечностях для ингибирования образования эпидермиса раны. Хотя эта операция относительно проста и технически воспроизводима по сравнению с другими методами ингибирования образования раневого эпидермиса, существует несколько критических шагов, которые могут повлиять на успех операции. Во-первых, при вытягивании неповрежденного полного кожного лоскута над открытыми подлежащими тканями крайне важно, чтобы кожа всей толщины не была повреждена каким-либо образом. Повреждение кожного лоскута все еще может привести к образованию небольшого раневого эпидермиса, что может привести к небольшому бластемоподобному росту. Во-вторых, убедитесь, что швы не выпадают во время послеоперационного ухода, так как это также может привести к образованию небольшого раневого эпидермиса. К этому моменту важно свести к минимуму потенциальный контакт между ушной конечностью и любыми поверхностями, особенно в течение первой недели после операции. Несколько способов предотвратить это влечет за собой размещение и обезболивание аксолотля в достаточно большом контейнере, чтобы у аксолотля было достаточно места для перемещения после операции.
Эта операция также имеет несколько ограничений. Возможно, наиболее примечательным является то, что успех операций можно оценить только двумя способами: используя рассекающий прицел в течение первых двух недель операции для поиска отсутствия раневого эпидермиса и / или проверяя, образуется ли бластема в течение 3 недель. Хотя эти методы эффективны, они имеют относительно низкую пропускную способность. Разработка будущих трансгенных репортерных аксолотлей для раневых эпидермис-специфических маркеров может помочь в более быстром скрининге успешных и неудачных операций. Кроме того, эту операцию сложнее выполнить на молодых животных, так как неповрежденная кожа более хрупкая. Таким образом, рекомендуется использовать субвзрослые или взрослые аксолотли.
Хотя эта операция была первоначально разработана у N. viridiscens19, она была легко адаптирована для аксолотлей25,39 и, вероятно, может быть применена и к другим видам саламандр. В целом, применение этого метода к будущим регенеративным исследованиям конечностей позволит исследователям как разработать больше инструментов для решения биологии раневого эпидермиса, так и определить основные механизмы, определяющие его функцию в инициировании образования бластемы.
Авторам нечего раскрывать.
Автор благодарит Дага за его постоянное ободрение и непоколебимую поддержку, а также членов лаборатории Мелтона за их полезные отзывы и комментарии к рукописи. Автор также хотел бы поблагодарить Гарвардское управление по ресурсам животных (OAR) за их самоотверженный уход за животными.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Curved spring scissors | Fine Scientific Tools | 15009-08 | |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate (Tricaine) | Sigma-Aldrich | 886-86-2 | |
Forceps | Fine Scientific Tools | 11252-40 | Need two pairs |
Nylon monofilament sutures (9-0) | Roboz | SUT-1000-21 | |
Sodium bicarbonate | Sigma-Aldrich | S5761 | |
Stereo microscope | Leica | MZ6 | |
Sulfamerazine sodium salt | Sigma-Aldrich | 127-58-2 | |
Surgical scissors | Fine Scientific Tools | 14002-14 |
Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи
Запросить разрешениеThis article has been published
Video Coming Soon
Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены