Method Article
Gelişmekte olan zebra balığı optik tektumunda mikroglia hücrelerinin canlı görüntülemesini gerçekleştirmek için hızlı taramalı konfokal mikroskopiden yararlanan ve bu hücrelerin dinamiklerinin in vivo analizine olanak tanıyan bir yöntem gösteriyoruz.
Mikroglia oldukça dinamik hücrelerdir ve beyin parankiminin göçü ve kolonizasyonu, uygun beyin gelişimi ve işlevi için çok önemli bir adımdır. Dışarıdan gelişen zebra balığı embriyoları, mikrogliaları floresan olarak etiketleyen iyi karakterize edilmiş transgenik raportör çizgileri ile birlikte, zebra balığını bu tür çalışmalar için ideal bir omurgalı modeli haline getiren optik şeffaflığa sahiptir. Bu yazıda, mikroglia hücrelerinin dinamiklerini in vivo ve fizyolojik koşullar altında görselleştirmek için zebra balığı modelinin benzersiz özelliklerinden yararlanıyoruz. Zebra balığı embriyosunun optik tektumundaki mikroglia hücrelerinin zaman atlamalı bir kaydını kaydetmek için konfokal mikroskopi kullanıyoruz ve daha sonra, hücrelerin göç yolunu, ortalama hızını ve farklı gelişim aşamalarında optik tektumdaki dağılımını elde etmek için IMARIS 10.0 yazılımını kullanarak izleme verilerini çıkarıyoruz. Bu protokol, çeşitli bağlamlarda mikroglia davranışının fizyolojik önemini aydınlatmak için yararlı bir araç olabilir ve bu oldukça hareketli hücrelerin daha derin bir karakterizasyonuna katkıda bulunabilir.
Merkezi sinir sisteminde (CNS) yerleşik makrofajlar olarak mikroglia, yetişkin beynindeki tüm glial hücrelerin %15'ini oluşturan nöronal olmayan belirgin bir popülasyonu temsil eder. Mikroglia biyolojisi çalışmak, gelişim, fizyoloji ve hastalıktaki yerleşik önemleri nedeniyle son yıllarda artan bir ilgi kazanmıştır1. Fizyolojik koşullar altında, mikroglial hücreler oldukça dinamiktir ve sürekli olarak beyin parankimini inceler 2,3. Bu davranış, mikroglia'nın beyni kolonize etmesine ve nöronal devreyişekillendirme 4, sinaptik budama5 ve vaskülogenez6 gibi gelişiminde çok önemli roller oynamasına izin verir. Ayrıca, bu doğal dinamik doğa, mikroglia'nın CNS'yi enfeksiyon, yaralanma veya homeostazdan herhangi bir sapma belirtileri açısından sürekli olarak izlemesine izinverir 7. Bu karmaşık hücre dinamiklerini incelemek için, mikroglia'nın uzay ve zaman boyunca canlı görüntülenmesi vazgeçilmezdir. Neyse ki, dışarıdan gelişen zebra balığı embriyolarının optik şeffaflığı, mikrogliaları floresan olarak etiketleyen iyi karakterize edilmiş transgenik raportör hatlarının mevcudiyeti ile birleştiğinde, zebra balığını bu tür araştırmalar için ideal bir omurgalı modeli olarak konumlandırmaktadır. Zebra balığı embriyolarında canlı görüntüleme, ameliyat veya kapsamlı doku manipülasyonu gerektirmeyen, CNS durumundaki olası bozulmaları en aza indiren, invaziv olmayan bir yaklaşım sunar. Bu, mikroglial hücreleri incelerken kritik bir husustur, çünkü hücre dışı ortamdaki ince değişikliklere bile karşı oldukça hassastırlar8.
Burada, zebra balığı embriyosundaki 3D mikroglial hücre hareketlerini başarılı bir şekilde izlemek için bir kılavuz sunuyoruz ve gelişmekte olan beyin parankiminin bozulmamış mimarisi içinde mikroglia davranışının benzeri görülmemiş bir görünümüne izin veriyoruz (protokolün grafiksel bir genel bakışı için Şekil 1'e bakın). Bu adım adım protokol, zebra balığı mikrogliasının farklı gelişim aşamalarında nasıl kurulacağını ve görüntüleneceğini ve göç kalıpları ve çevresel ipuçlarına yanıtları hakkında değerli bilgiler sağlamak için mikroglia hücre motilitesi hakkında yüksek çözünürlüklü verilerin nasıl çıkarılacağını ayrıntılarıyla açıklar. Ayrıca, bu protokolün canlı çok renkli görüntüleme gerçekleştirmek için uyarlanabileceğini ve böylece nöronlar3, oligodendrositler9 ve endotel hücreleri10 dahil olmak üzere komşu hücreleri işaretleyen transgenik çizgilerle kombinasyon halinde mikroglia'yı incelemek için uygulanabilirliğini genişlettiğini gösteriyoruz ( Şekil 2'de gösterildiği gibi). Mikroglia davranışının dinamiklerini gerçek zamanlı olarak ve doğal ortamlarında doğrudan gözlemlemeye ve karakterize etmeye olanak tanıyan araç kutusuna ekleyerek, bu protokol hem fizyoloji hem de hastalıkta erken gelişim sırasında mikroglia işlevselliğinin daha iyi aydınlatılmasına katkıda bulunacaktır.
Zebra balığı, FELASA42 ve kurumsal (Université Libre de Bruxelles, Brüksel, Belçika; ULB) yönergeleri ve düzenlemeleri. Tüm deneysel prosedürler ULB'den ULB Hayvan Refahı Etik Komitesi (CEBEA) tarafından onaylanmıştır.
1. Zebra balığı yetiştiriciliği ve embriyo hazırlama
NOT: Mikroglia da dahil olmak üzere makrofajlarda floresan eGFP proteinini eksprese eden zebra balığı transgenik hattı Tg(mpeg1:eGFP)gl22 , bu protokolde gösterilen izleme verilerini oluşturmak için kullanılmıştır. Diğer makrofaj raportör hatları ZIRC'den temin edilebilir ve ayrıca kullanılabilir. Transgenik çizgiyi seçerken, yüksek bir sinyal yoğunluğunun görüntü elde etmeyi ve hücre segmentasyonunu kolaylaştıracağını dikkate almak önemlidir.
2. Zebra balığı montajı
3. İzleme analizi ve veri aktarımı
Yeşil floresan proteini (eGFP) eksprese eden mikroglial hücreler ve Tg(mpeg1:eGFPgl22) cinsinden DsRed eksprese eden endotelyal hücreler; KDRL:CRES898; actb2: loxP-STOP-loxP-DsRedexpress, sd5) üçlü transgenik embriyolar14 , açıklanan protokole göre 3 dpf'de görüntülendi. Tek bir zebra balığı embriyosu, %1 düşük erime noktalı agaroz içine bir alt cam plaka üzerine monte edildi ve görüntüleme işlemi, edinme süresi boyunca embriyonun büyümesini engellemedi. Timelapse, 10x 0.45 NA kuru objektif lensi ile donatılmış ticari bir nokta taramalı konfokal mikroskopi sistemi kullanılarak kaydedildi ve mikroglia ve endotel hücrelerini görüntülemek için sırasıyla 488 nm ve 561 nm uyarma lazerleri kullanıldı. Ek olarak, zaman aralığı, görüntü çözünürlüğü, piksel boyutu ve z adımı sırasıyla 30 saniye (s), 1024x1024, 0.49 μm ve 2.5 μm idi. Timelapse kayıt 3,5 saat (s) sürdü.
Elde edilen görüş alanı, embriyonun tüm başını kapsıyordu, ancak analiz, gelişimin ilk haftasında olduğu gibi, özellikle optik tektuma odaklandı, mikroglia esas olarak dorsal orta beynin bu bölgesinin nöronal soma tabakası ile sınırlıdır ve araştırmacıların tüm popülasyonu aynı anda görselleştirmesine izin verir15. 3D izleme analizi, yukarıda açıklandığı gibi Imaris 10.0 kullanılarak gerçekleştirildi. Şekil 4'te gösterildiği gibi, izleme başarılı oldu ve optik tektumda 3 dpf16'da bulunan beklenen mikroglia hücresi sayısıyla eşleşen 25 parça ile sonuçlandı. Minimum bir manuel iz düzeltmesi gerekliydi. Şekil 5'te , başarılı bir izleme deneyinden çıkarılması mümkün olan verilerin bir örneği gösterilmektedir. Makrofajların ve endotel hücrelerinin eşzamanlı olarak etiketlenmesi, mikroglia'nın ikincisine göre konumunun ölçülmesine izin vererek, araştırmacıların her bir hücrenin zaman içinde en yakın endotel hücresine olan göreceli mesafesini görselleştirmesine ve potansiyel etkileşimlerin sıklığını ve sayısını incelemesine olanak tanır (Şekil 5).
Şekil 1: Deneysel prosedüre genel bakış. (A) Zebra balığı embriyo hazırlığı ve anestezisi. (B) Numune montajı ve konumlandırma. (C) Görüntü elde etme. (D) Görüntü işleme ve hareketlilik verilerinin çıkarılması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 2: Zebra balığı embriyosunda mikroglia görüntüleme ve beyin hücresel ortamı ile etkileşimler. (A) 3 dpf embriyonik zebra balığı kafasının ve beyninin (sırt görünümü), optik tektum ve arka beyni etiketleyen parlak alan görüntüsü. Embriyonik zebra balığının beyni, küçük boyutu ve optik şeffaflığı nedeniyle bu aşamada bütünüyle görüntülenebilir. (B-D) Mikroglia konumu ve davranışı, (B,C) Tg(mpeg1:eGFP)gl22 ve (D) Tg(mpeg1:mcherry)gl23 gibi transgenik hatların kullanılması ve OT'ye odaklanılmasıyla görselleştirilebilir. (B) Nöronlar ve hücre gövdeleri, raportör hattı Tg(XlTubb:D sRed)zf148 kullanılarak tanımlanabilir ve mikroglia-nöron etkileşimleri, her iki transgeni birlikte ifade eden çizgilerde iki kanalın birleştirilmesiyle görselleştirilebilir. Görülen, yeşil (mikroglia) ve kırmızı (macenta cinsinden nöronlar) sinyallerin bir birleşimidir. (C,D) Raportör çizgileri ayrıca endotel hücreleri ile mikroglia (yeşil) etkileşimlere ışık tutabilir, burada (C) çift Tg(kdrl:cre s898; actb2: LOXP-STOP-LOXP-Dsredekspres, sd5) transgenikler veya oligodendrositler ve öncüleri gibi glial hücrelerle, (D) çift Tg (olig2: EGFP; mpeg1: mcherry ) transgenik hat. 1: OT'deki oligodendrositler ve progenitör hücreler, 2: beyincikteki eurydendroid nöronları. Ölçek çubukları = 50 μm. Kısaltmalar: dpf = döllenmeden sonraki günler; OT = optik tektum; HB = arka beyin. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: 3 dpf zebra balığı embriyosunda deri makrofajları ve mikroglia arasındaki morfolojik ve mekansal eşitsizlik. (A,B) (A) parankimal mikroglia hücrelerini (macenta yıldızlarla işaretlenmiş) ve cilt makrofajlarına (beyaz yıldız) karşı (A) parankimal mikroglia hücrelerini (macenta yıldızlarla işaretlenmiş) ve cilt makrofajlarına (beyaz yıldız) gösteren, (B) 'de görüldüğü gibi, z ekseni boyunca göreceli konumlarına göre tanımlanan bir Tg(mpeg1:eGFP)gl22 zebra balığı embriyosunun dorsal görünümü), z ekseni renk kodlamasıyla oluşturulan tek renkli 3D görüntüyü gösterir. (C,D) (C) A ve (D) B'nin, embriyonun kafasındaki mpeg1:eGFP + hücrelerinin z derinliklerini gösteren ve mikroglial hücrelere kıyasla cilt makrofajlarının yüzeysel lokalizasyonunu vurgulayan yanal görünümü. (E-K) A ve B'de bir yıldızla gösterilen her hücrenin yüksek büyütmesi, (EG) amoeboid mikroglia ve (H-K) uzamış cilt makrofajları arasındaki farklı morfolojilerin ayrıntılı bir görselleştirmesini sağlar. Ölçek çubukları= 30 μm. Kısaltma: dpf = döllenmeden sonraki gün sayısı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: 3 dpf zebra balığı embriyosunda mikroglial hücrelerin izlenmesi. (A) 3 dpf Tg(kdrl:cres898; actb2: LOXP-STOP-LOXP-Dsredekspres, sd5; mpeg1: eGFPGL22) üçlü transgenik embriyo, mikroglia (yeşil) ve damarların yüzey görüntüsünü (macenta) gösterir. (B-D) (B) 3,5 saatlik bir zaman penceresi boyunca mikroglia hareketlerinin temsili takibi. Bireysel hücrelerin karmaşık yörüngeleri takip ettiği görülmektedir. (C) Kesikli kare ile çevrelenmiş B'deki bölgenin büyütülmüş bir görünümünü gösteren zaman atlamalı çekimden ayrıntı. Filmden altı kare (45 dakika arayla) sunulmakta ve mikrogliaların mikro çevrelerinde endotel hücreleri ile geçici temaslar kurduğunu belgelemektedir. (D) X, Y ve Z eksenleri uzamsal boyutları temsil ederken, optik tektum içindeki bireysel mikroglial hücre göçünün yörüngeleri. Ölçek çubuğu = 50 μm. Kısaltma: dpf = döllenmeden sonraki gün sayısı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 5: Elde edilen verilerin görselleştirilmesi. Açıklanan protokol kullanılarak elde edilebilecek uzamsal veri örneği. Grafikler (A) mikroglial hücrelerin ortalama hızını, (B) 1 saatte kat ettikleri ortalama mesafeyi, (C) ortalama kare yer değiştirmelerini ve (D) farklı zamanlarda uzaydaki dağılımlarını göstermektedir. Damarın yüzey oluşturması, herhangi bir zamanda mikroglia ve endotel hücreleri arasındaki en kısa mesafenin, hem (E) tek hücre düzeyinde hem de (F) küresel ortalama olarak ölçülmesine de izin verdi. A, B ve D için her nokta tek bir hücreyi temsil eder. N = bir embriyo. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Ek Dosya 1: Bu Dosyayı indirmek için lütfen buraya tıklayın.
Mevcut protokol, omurgalı bir embriyoda mikroglia dinamiklerinin in vivo olarak görüntülenmesini ve elde edilen motilite verilerinin görselleştirilmesini sağlar. Gelişmekte olan beynin mikroglia kolonizasyonu, embriyogenez sırasında çok erken gerçekleşir ve nörojenez, astrogliogenez, oligodendrogenez ve diğer birçok hücresel süreç gibi kritik olaylardan önce gelir17. Bu nedenle, mikroglia'nın beyin gelişiminin18 belirli yönlerini şekillendirmede önemli işlevler oynaması şaşırtıcı değildir, örneğin, nöronal farklılaşma, göç ve hayatta kalma 19,20,21'in yanı sıra sinaptik budama5 ve miyelinasyon 22,23,24.
Disfonksiyonel mikroglia'nın nörogelişimsel bozuklukların patogenezine ve/veya ilerlemesine katkısı da giderek daha fazla kabul görmektedir25. Gerçekten de, oluşan beyinde mikroglia'nın erken varlığı, bu hücreleri farklı fizyolojik durumlara26 ve çevresel değişikliklere maruz bırakır. Mikroglia'nın hem kemirgenlerde hem de insanlarda uzun ömürlü hücreler olduğu ve yerel ataların 27,28,29 kendini yenilemesi yoluyla yaşam boyu korunduğu göz önüne alındığında, bunun önemli bir etkisi olabilir. Bu protokolün, beyin morfogenezinin ardışık adımları sırasında geliştikçe, olgunlaştıkça ve ağlarını kurdukça, bu farklı fizyolojik durumlarda mikroglia'nın davranışını daha iyi karakterize etmek için güçlü bir araç olarak hizmet edebileceğine inanıyoruz.
Burada açıklanan kurulumu kullanarak, 6 dpf kadar eski zebra balığı larvaları hakkında başarılı bir şekilde görüntüledik ve veri elde ettik. Analizin daha sonraki gelişim aşamalarına genişletilmesi büyük olasılıkla başarılı olacaktır, ancak görüntüleme kurulumunun, özellikle z ekseni boyunca artan örneklem boyutunu dikkate alacak şekilde ayarlanmasını gerektirecektir. Bunu denerken, başarılı bir analiz için temel parametreler oldukları için düşük sinyal-gürültü oranını ve hızlı tarama süresini korumaya odaklanmanızı öneririz.
Mikroglia takibine izin vermek için minimum 1 saatlik bir görüntüleme süresi öneriyoruz; Bu protokolle test edilen en uzun görüntüleme penceresi 8 saattir. Ayrıca, izleme analizinin çerçeveler arasındaki zaman aralığını mümkün olduğunca kısa, ideal olarak 30 sn ile 60 sn arasında tutması önemlidir. Bu, aşağı akış analizlerinde daha doğru ve ayrıntılı izleme verilerine olanak tanır. Bu nedenle, özellikle birden fazla florofor tespit ediliyorsa, spektral örtüşmeyi önlemek ve sinyal sızıntısı olmadan eşzamanlı bir edinime izin vermek için iki florofor emisyon spektrumu arasında yeterli ayrımı sağlamak esastır.
Zebra balığı beyninin yüksek kaliteli timelapse kaydı için başka protokoller de mevcuttur30, ancak bu, embriyonik gelişim sırasında tüm mikroglia hareketinin uzun bir süre boyunca nasıl başarılı bir şekilde izleneceğini gösteren ilk protokoldür. Burada sunulan iş akışı fizyolojik bir bağlamda mikroglia'nın izlenmesine odaklanmış olsa da, patolojide mikroglia analizine kolayca uygulanabilir. Gerçekten de, otizm31, epilepsi32 ve şizofreni33 gibi çeşitli nörogelişimsel bozukluk modelleri, aynı zamanda nörodejenerasyon34 ve kanser35, zebra balıklarında hastalık koşullarında mikroglial yanıtı ve davranışı belirlemek için benzersiz fırsatlar sağlayan oluşturulmuştur.
Özellikle, bu izleme protokolü çok yönlüdür ve zebra balığı embriyosunun çeşitli anatomik bölgeleri boyunca çeşitli hücre tiplerinin göç modellerine ışık tutmak için etkili olabilir, böylece bu makalede açıklanan mikroglial araştırma kapsamının ötesinde ek uygulamalar için potansiyel olarak yollar açabilir. Ayrıca, birden fazla floresan transgenik çizgiyi birleştirme yeteneğinden yararlanarak, mikroglia ile beyin mikroçevresinin diğer hücre tipleri arasındaki uzamsal ilişkiyi ayırt etme yeteneği kazanırız ve timelapse kayıtları boyunca hücresel etkileşimleri ve çapraz konuşmaları görselleştirme potansiyeli ile invaziv olmayan bir şekilde. Bu, mikroglia davranışının fizyolojik önemini çözmede etkili olabilir ve bu oldukça hareketli hücrelerin daha derin bir karakterizasyonuna katkıda bulunabilir.
Yazarlar herhangi bir çıkar çatışması beyan etmemektedir.
Yazarlar, bu çalışma için gerekli olan konfokal mikroskoba cömertçe erişim sağladığı için Profesör Nicolas Bayens'e içten şükranlarını sunarlar. Bu çalışma kısmen Bilimsel Araştırma Fonları (FNRS) tarafından Hibe Numaraları F451218F ve UG03019F altında finanse edilmiştir, Alzheimer Araştırma Vakfı (SAO-FRA) (VW'ye),, FNRS'den bir Araştırma Bursu tarafından desteklenmektedir. Şekil 1, biorender.com tarihinde oluşturulmuştur.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1 L Breeding tanks | Tecniplast | ZB10BTE | |
1-phenyl-2-thiourea (PTU) | Sigma-Aldrich | P7629 | Diluted to 0.2 mM in E3 to prevent embryo pigmentation |
Bottom glass imaging dish | FluoroDish | FD3510-100 | |
Disposable Graduated transfer pipette | avantor | 16001-188 | |
Dry block heater | Novolab | Grant QBD4 | To keep low melting agarose at 37 °C |
Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate (Tricaine) | Sigma-Aldrich | E10521-50G | |
Imaris 10.0 | Oxford Instruments | analysis software | |
Imaris File Converter | Oxford Instruments | https://imaris.oxinst.com/big-data | |
Laser-scanning confocal microscope | Nikon | Eclipse Ti2-E | |
Methylene blue | Sigma-Aldrich | M9140-25G | |
microloader tips | Eppendorf | 5242956003 | |
NuSieve GTG Agarose | Lonza | 50081 | |
Petri dishes (90 mm) | avantor | 391-0559 | |
Pronase | Sigma-Aldrich | 11459643001 | |
Stainless Steel Forceps Dumont No. 5 | FineScienceTools | 11254-20 | |
Stereo microscope | Leica | Leica M80 | To mount the embryos |
teasing needle | avantor | 76549-024 |
Bu JoVE makalesinin metnini veya resimlerini yeniden kullanma izni talebi
Izin talebiThis article has been published
Video Coming Soon
JoVE Hakkında
Telif Hakkı © 2020 MyJove Corporation. Tüm hakları saklıdır