Op lichtplaten gebaseerde fluorescentiemicroscopie is het meest waardevolle hulpmiddel in de ontwikkelingsbiologie. Een belangrijk probleem in vergelijkende studies is de variantie van de omgeving. Ons protocol beschrijft een experimenteel kader voor gelijktijdige live beeldvorming van meerdere specimens en pakt dit probleem daarom proactief aan.
Op lichtplaat gebaseerde fluorescentiemicroscopie biedt efficiënte oplossingen om complexe processen op meerdere biologisch relevante schalen te bestuderen. Op de monsterkamer gebaseerde opstellingen, die specifiek zijn ontworpen om de driedimensionale integriteit van het monster te behouden en meestal voorzien zijn van monsterrotatie, zijn de beste keuze in ontwikkelingsbiologie. Ze zijn bijvoorbeeld gebruikt om de volledige embryonale morfogenese van de fruitvlieg Drosophila melanogaster en de rode meelkever Tribolium castaneum te documenteren. Veel beschikbare live beeldvormingsprotocollen bieden echter alleen experimentele kaders voor enkele embryo’s. Vooral voor vergelijkende studies zijn dergelijke benaderingen lastig, omdat opeenvolgend afgebeelde exemplaren worden beïnvloed door omgevingsafwijkingen. Verder beperkt dit het aantal exemplaren dat binnen een bepaalde tijd kan worden afgeteld. We bieden een experimenteel raamwerk voor gelijktijdige live beeldvorming dat de doorvoer in op de monsterkamer gebaseerde opstellingen verhoogt en zo zorgt voor vergelijkbare omgevingsomstandigheden voor alle monsters. Ten eerste bieden we een kalibratierichtlijn voor lichtplaatfluorescentiemicroscopen. Ten tweede stellen wij een montagemethode voor meerdere embryo’s voor die compatibel is met monsterrotatie. Ten derde bieden we voorbeeldige driedimensionale live imaging datasets van Drosophila, waarvoor we drie transgene lijnen naast elkaar plaatsen met fluorescerend gelabelde kernen, evenals van Tribolium, waarvoor we de prestaties vergelijken van drie transgene sublijnen die hetzelfde transgeen dragen, maar op verschillende genomische locaties. Ons protocol is speciaal ontworpen voor vergelijkende studies omdat het proactief omgevingsafwijkingen aanpakt, die altijd aanwezig zijn in sequentiële live beeldvorming. Dit is vooral belangrijk voor kwantitatieve analyses en karakterisering van aberrationele fenotypes, die bijvoorbeeld het gevolg zijn van knock-out experimenten. Verder verhoogt het de algehele doorvoer, wat zeer handig is wanneer de toegang tot fluorescentiemicroscopen van lichtplaten beperkt is. Ten slotte kan de voorgestelde montagemethode worden aangepast voor andere insectensoorten en andere modelorganismen, bijvoorbeeld zebravissen, zonder optimalisatie-inspanning.
Fluorescentiemicroscopie is een van de meest essentiële beeldvormingstechnieken in de biowetenschappen, vooral in de cel- en ontwikkelingsbiologie. In confocale fluorescentiemicroscopen1, die sinds het midden van de jaren negentig state-of-the-art zijn voor driedimensionale fluorescentiebeeldvorming, wordt dezelfde lens gebruikt voor fluorofoor excitatie en emissielichtdetectie. De verlichtingslaserstraal prikkelt alle fluoroforen langs de verlichtings-/detectieas en het betreffende storingssignaal wordt vóór detectie door een pinhole gediscrimineerd. Daarom wordt voor elk tweedimensionaal beeld het hele exemplaar verlicht. Bijgevolg wordt voor elk driedimensionaal beeld, d.w.z. een stapel ruimtelijk opeenvolgende tweedimensionale beelden, het hele exemplaar enkele tientallen tot enkele honderden kerenverlicht 2, wat fotobleaching en fototoxiciteitbevordert 3.
Bijna twintig jaar geleden kwam lichtplaattechnologie4 naar voren als een veelbelovend alternatief voor driedimensionale fluorescentiebeeldvorming en werd zo een waardevol hulpmiddel in de ontwikkelingsbiologie5. In deze benadering worden verlichting en detectie ontkoppeld. De verlichtingslens wordt gebruikt om een lichtplaat te genereren met een diepte van slechts enkele micrometers binnen het brandpuntsvlak van de loodrecht gerangschikte detectielens. Daarom wordt voor elk tweedimensionaal beeld slechts een dun vlak rond het brandpuntsvlak verlicht. Bijgevolg wordt voor elk driedimensionaal beeld het hele exemplaar slechts één keer verlicht, wat fotobleaching en fototoxiciteit sterk vermindert6. Om deze reden bieden lichtplaatfluorescentiemicroscopen (LSFMs) efficiënte oplossingen om complexe processen op meerdere biologisch relevante schalen te bestuderen en zijn daarom van bijzondere waarde in de ontwikkelingsbiologie, waar monsters zo groot als enkele millimeters op subcellulair niveau moeten worden geanalyseerd.
Historisch gezien zijn LSFM ‘s op de steekproefkamer gebaseerd7,8. In deze opstellingen staan de verlichtingsassen (x) en detectieassen (z) meestal loodrecht op de zwaartekrachtas (y). Monsterkamers bieden voldoende experimentele vrijheid. Ten eerste bieden ze grote beeldbuffercapaciteiten, wat op zijn beurt het gebruik van een perfusiesysteem vergemakkelijkt om de omgeving te beheersen, bijvoorbeeld om een specifieke temperatuur9 te handhaven of biochemische stressoren toe te passen. Verder ondersteunen ze aangepaste montagemethoden10 die zijn afgestemd op de respectieve experimentele behoeften met behoud van de driedimensionale, in sommige gevallen dynamische11, integriteit van het monster. Bovendien zijn op de monsterkamer gebaseerde opstellingen meestal uitgerust met een rotatiefunctie die wordt gebruikt om de monsters rond de y-as te draaien en ze zo langs twee, vier of zelfs meer richtingen te weergeven. Aangezien embryo’s van veelgebruikte modelorganismen in de context van microscopie relatief grote, opeenvolgende beeldvorming langs de ventrale dorsale, laterale en/of voorste-posterieure lichaamsassen zijn, biedt een uitgebreidere weergave. Dit maakt bijvoorbeeld het mogelijk om cellen op lange termijn te volgen die zich langs complexe driedimensionale migratiepaden12,13bewegen .
Lichtbladgebaseerde fluorescentiemicroscopie is uitgebreid toegepast om de embryonale morfogenese van Drosophila melanogasterte bestuderen, zowel systematisch14,15 als met een specifieke focus op de biofysische aspecten van ontwikkeling. Het werd bijvoorbeeld gebruikt om morfogenetische gegevens met hoge resolutie te verzamelen om een biomechanisch verband te detecteren tussen endoderm-invaginatie en asuitbreiding tijdens kiembandverlenging16 en verder om de complexe cellulaire stroom te relateren met krachtgeneratiepatronen tijdens gastrulatie17. Het is ook gecombineerd met andere state-of-the-art technieken, bijvoorbeeld optogenetica om de regulatie van Wnt-signalering tijdens voor-posterieure patronen in de epidermis18te onderzoeken .
Het bestuderen van slechts één soort geeft echter geen inzicht in de evolutie van de ontwikkeling. Om embryogenese binnen de fylogenetische context te begrijpen, is intensief onderzoek uitgevoerd met alternatieve insectenmodelorganismen. Een van de meest uitgebreid onderzochte soorten is de rode meelkever Tribolium castaneum, een economisch relevante opgeslagen graanplaag19, waarvan de embryonale morfogenese ook al systematisch is afgebeeld met LSFM20. De embryonale morfogenese van deze twee soorten verschilt opmerkelijk in verschillende aspecten, bijvoorbeeld de segmentatiemodus21, evenals de vorming en afbraak van extra-embryonale membranen22. Dit laatste aspect is al uitgebreid geanalyseerd met behulp van LSFMs. Zo is aangetoond dat de serosa, een extra-embryonaal weefsel dat het Tribolium-embryo omhult en beschermt tegen verschillende gevaren voor het grootste deel van zijn embryogenese23,24, ook fungeert als de morfogenetische “driver” voor zijn eigen terugtrekkingsproces tijdens dorsale sluiting25. Verder is aangetoond dat tijdens gastrulatie een bepaald gebied van het blastoderm verankerd blijft aan het vitellinemembraan om asymmetrische weefselbewegingen te creëren26 en, na deze observatie, dat geregionaliseerde weefselfluïdisatie cellen in staat stelt om de serosarand opeenvolgend te verlaten tijdens serosa-raamsluiting27.
In alle hierboven genoemde drosophila-en tribolium-geassocieerdestudies zijn LSFMs op basis van de steekproefkamer gebruikt. In de meeste gevallen werden de embryo’s in meerdere richtingen geregistreerd met behulp van de monsterrotatiefunctie. Hoewel niet expliciet vermeld, kan worden aangenomen dat ze individueel en dus onafhankelijk van elkaar zijn geregistreerd in opeenvolgende live beeldvormingstesten, vergelijkbaar met ons eerdere werk over Tribolium20,28. In bepaalde scenario’s is een dergelijke benadering aanvaardbaar, maar vooral in kwantitatieve vergelijkende benaderingen kan omgevingsafwijking de resultaten verstoren. Het is bijvoorbeeld al lang bekend dat de ontwikkelingssnelheid van insecten temperatuurafhankelijk is29, maar een recentere studie suggereert verder dat in Drosophilade temperatuur ook de concentratie van morfogenen30kan beïnvloeden . Als bepaalde kenmerken van embryogenese, bijvoorbeeld de dynamische verhoudingen, de delingspercentages en migratiesnelheden van cellen, nauwkeurig moeten worden gekwantificeerd, zijn voldoende herhalingen zonder omgevingsafwijking vereist. Dit minimaliseert standaardafwijkingen en standaardfouten, wat op zijn beurt het naast elkaar plaatsen vergemakkelijkt, zelfs slechts marginaal uiteenlopende experimentele omstandigheden.
LSFMs op basis van de steekproefkamer zijn echter voornamelijk ontworpen voor testtesten met een hoog gehalte in plaats van voor hoge doorvoer. In tegenstelling tot confocale microscopen, die meestal zijn uitgerust met gestandaardiseerde klemmechanismen voor microscopieglaasjes, Petrischalen en putplaten, gebruiken bijna alle op de monsterkamer gebaseerde LSFMs op cilinder gebaseerde klemmechanismen. Deze mechanismen zijn bedoeld voor op maat gemaakte monsterhouders die rotatiecompatibel en niet-invasiefzijn 10, maar meestal niet zijn ontworpen voor meer dan één monster20,31,32. Een kader voor gelijktijdige levende beeldvorming van twee of meer embryo’s, waarbij de voordelen van op de steekproefkamer gebaseerde opstellingen niet in het gedrang komen, pakt het probleem van de omgevingsafwijking aan, waardoor de waarde van LSFM’s voor vergelijkende studies toeneemt.
In ons protocol presenteren we een experimenteel kader voor vergelijkende live beeldvorming in op de steekproefkamer gebaseerde LSFMs (figuur 1A) waarin de y-as wordt gebruikt als een optie om embryo’s te “stapelen”. Ten eerste bieden we een fluorescerende microsfeergebaseerde kalibratierichtlijn voor op monsterkamers gebaseerde LSFMs, wat vooral belangrijk is voor instrumenten zonder kalibratieassistent. Ten tweede beschrijven we een montagemethode voor meerdere embryo’s op basis van de spinnenwebhouder28 (figuur 1B) die compatibel is met monsterrotatie en dus gelijktijdige beeldvorming van meerdere monsters in meerdere richtingen mogelijk maakt (figuur 1C). Verschillende embryo’s worden uitgelijnd op een dunne agarosefilm en, na inbrengen in de monsterkamer, achtereenvolgens door het lichtblad bewogen om driedimensionale beelden te verkrijgen. Ten derde bieden we drie voorbeeldige live imaging datasets voor Drosophila en voor Tribolium. Voor de eerste, we naast transgene lijnen met fluorescerend gelabelde kernen. Voor de laatste vergelijken we de prestaties van transgene sublijnen die hetzelfde transgeen dragen, maar op verschillende genomische locaties. Tot slot bespreken we het belang van parallellisatie met betrekking tot vergelijkende live beeldvorming en omgevingsafwijking33, bespreken we de doorvoerlimiet van ons experimentele kader en evalueren we de aanpassing van onze benadering van andere modelorganismen.
Een van de exclusieve toepassingsgebieden van LSFMs is ontwikkelingsbiologie. In deze discipline is het van belang om naar levende exemplaren te kijken, anders kunnen morfogenetische processen niet op een dynamische manier worden beschreven. Een experimenteel kader voor de gelijktijdige live beeldvorming in op de steekproefkamer gebaseerde LSFM’s, zoals hier beschreven, is om twee belangrijke redenen handig.
Omgevingsafwijkingen, die onvermijdelijk zijn bij sequentiële live beeldvorming, kunn…
The authors have nothing to disclose.
We danken Ernst H.K. Stelzer voor de mogelijkheid om zijn middelen te gebruiken, evenals zijn waardevolle opmerkingen over het manuscript, Anita Anderl voor ondersteuning met de Tribolium live imaging, Sven Plath voor technische ondersteuning, evenals Ilan Davis, Nicole Grieder en Gerold Schubiger voor het delen van hun transgene Drosophila-lijnen via het Bloomington Stock Center.
6-well plate | Orange Scientific | 4430500 | |
24-well plate | Orange Scientific | 4430300 | Only for live imaging involving Tribolium |
35-mm Ø Petri dish | Fisher Scientific | 153066 | Only for live imaging involving Drosophila. |
90-mm Ø Petri dish | Fisher Scientific | L9004575 | |
100-µm mesh size cell strainer | BD Biosciences | 352360 | |
250-µm mesh size sieve | VWR International | 200.025.222-038 | Only for live imaging involving Tribolium |
300-µm mesh size sieve | VWR International | 200.025.222-040 | Only for live imaging involving Tribolium |
710-µm mesh size sieve | VWR International | 200.025.222-050 | Only for live imaging involving Tribolium |
800-µm mesh size sieve | VWR International | 200.025.222-051 | Only for live imaging involving Tribolium |
405 fine wheat flour | Demeter e.V. | SP061006 | Only for live imaging involving Tribolium |
commercially available Drosophila medium | Genesee Scientific | 66-115 | Only for live imaging involving Drosophila / Custom-made Drosophila medium may also be used |
fluorescent microspheres, 1.0 µm Ø | Thermo Fisher Scientific | T7282 | |
inactive dry yeast | Genesee Scientific | 62-108 | Only for live imaging involving Tribolium |
low-melt agarose | Carl Roth | 6351.2 | |
narrow vials | Genesee Scientific | 32-109 | Only for live imaging involving Drosophila |
small paint brush | VWR International | 149-2121 | |
sodium hypochlorite (NaOCl), ~12% active Cl | Carl Roth | 9062.3 | Caution: sodium hypochlorite is corrosive |
whole wheat flour | Demeter e.V. | SP061036 | Only for live imaging involving Tribolium / United Kingdom: wholemeal flour |
wide vials | Genesee Scientific | 32-110 | Only for live imaging involving Drosophila |