Her beskriver vi beregningsværktøjer og metoder, der muliggør visualisering og analyse af tre- og firedimensionelle billeddata for museembryoner i forbindelse med aksial forlængelse og segmentering, opnået ved in toto optisk projektionstomografi og ved levende billeddannelse og helmonteret immunofluorescensfarvning ved hjælp af multifotonmikroskopi.
Somitogenese er et kendetegn for hvirveldyrs embryonale udvikling. I årevis har forskere studeret denne proces i en række organismer ved hjælp af en bred vifte af teknikker, der omfatter ex vivo- og in vitro-tilgange. Imidlertid er de fleste undersøgelser stadig afhængige af analysen af todimensionelle (2D) billeddannelsesdata, hvilket begrænser korrekt evaluering af en udviklingsproces som aksial forlængelse og somitogenese, der involverer meget dynamiske interaktioner i et komplekst 3D-rum. Her beskriver vi teknikker, der gør det muligt for musens levende billeddannelsesindsamling, behandling af datasæt, visualisering og analyse i 3D og 4D at studere de celler (f.eks. Neuromesodermale forfædre), der er involveret i disse udviklingsprocesser. Vi leverer også en trinvis protokol til optisk projektionstomografi og helmonteret immunfluorescensmikroskopi i museembryoner (fra prøveforberedelse til billedoptagelse) og viser en pipeline, som vi udviklede til at behandle og visualisere 3D-billeddata. Vi udvider brugen af nogle af disse teknikker og fremhæver specifikke funktioner i forskellige tilgængelige software (f.eks. Fiji / ImageJ, Drishti, Amira og Imaris), der kan bruges til at forbedre vores nuværende forståelse af aksial forlængelse og somitdannelse (f.eks. 3D-rekonstruktioner). Alt i alt understreger de her beskrevne teknikker vigtigheden af 3D-datavisualisering og analyse i udviklingsbiologi og kan hjælpe andre forskere til bedre at adressere 3D- og 4D-billeddata i forbindelse med hvirveldyrs aksiale udvidelse og segmentering. Endelig anvender værket også nye værktøjer til at lette undervisningen i hvirveldyrs embryonale udvikling.
Vertebrat kropsaksedannelse er en meget kompleks og dynamisk proces, der forekommer under embryonal udvikling. I slutningen af gastrulation [i musen, omkring embryonal dag (E) 8.0] bliver en gruppe epiblast-stamceller kendt som neuromesodermale forfædre (NMP’er) en vigtig drivkraft for aksial forlængelse i en hoved til hale-sekvens, der genererer neuralrøret og paraxialt mesodermalt væv under nakke-, bagagerums- og haledannelse 1,2,3,4 . Interessant nok synes den position, som disse NMP’er indtager i den kaudale epiblast, at spille en nøglerolle i beslutningen om at differentiere til mesoderm eller neuroektoderm5. Selvom vi i øjeblikket mangler et præcist molekylært fingeraftryk for NMP’er, menes disse celler generelt at co-udtrykke T (Brachyury) og Sox2 5,6. De nøjagtige mekanismer, der regulerer NMP-skæbnebeslutninger (dvs. om de tager neurale eller mesodermale ruter) begynder kun at blive præcist defineret. Tbx6-ekspression i den primitive streak-region er en tidlig markør for NMP-skæbnebeslutning, da dette gen er involveret i induktion og specifikation af mesoderm 6,7. Interessant nok synes tidlige mesodermceller at udtrykke høje niveauer af Epha18, og Wnt / β-catenin-signalering samt Msgn1 viste sig også at spille vigtige roller i paraxial mesodermdifferentiering og somitdannelse 9,10. En komplet rumlig-tidsmæssig analyse af NMP’er på et enkeltcelleniveau vil helt sikkert være medvirkende til fuldt ud at forstå de molekylære mekanismer, der styrer mesodermspecifikationen.
Dannelsen af somitter (hvirvler prækursorer) er et centralt træk ved hvirveldyr. Under aksial forlængelse bliver den paraksiale mesoderm segmenteret i en række bilaterale gentagne enheder kendt som somitter. Antallet af somitter og den tid, der kræves til dannelsen af nye segmenter, varierer mellemarterne 11,12. Somitogenese involverer periodiske signalsvingninger (kendt som “segmenteringsuret”), der kan observeres ved den cykliske ekspression af flere gener af Notch-, Wnt- og Fgf-signalvejene i den præsomitiske mesoderm (f.eks. Lfng)11,12. Den nuværende model for somitogenese postulerer også eksistensen af en “modningsbølgefront”, en række komplekse signalgradienter, der involverer Fgf-, Wnt- og retinsyresignalering, der definerer positionen af den bageste grænse for hver ny somit. En koordineret interaktion mellem “segmenteringsuret” og “modningsbølgefronten” er derfor grundlæggende for dannelsen af disse hvirvelforløbermoduler, da forstyrrelser i disse vigtige morfogenetiske processer kan resultere i embryonal dødelighed eller i dannelsen af medfødte misdannelser (f.eks. Skoliose)13,14,15.
På trods af betydelige nylige fremskridt inden for billeddannelsesteknikker, bioimageanalysemetoder og software er de fleste undersøgelser af aksial forlængelse og somitogenese stadig afhængige af enkelt-/isolerede todimensionelle billeddata (f.eks. sektioner), som ikke tillader en fuld flerdimensionel vævsvisualisering og komplicerer en klar differentiering mellem patologiske misdannelser (dvs. på grund af mutationer) ifølge normal morfologisk variation, der forekommer under embryonal udvikling16 . Billeddannelse i 3D har allerede afdækket nye morfogenetiske bevægelser, der tidligere ikke blev identificeret ved standard 2D-metoder 17,18,19,20, hvilket fremhæver kraften i in toto-billeddannelse til at forstå mekanismerne for hvirveldyr somitogenese og aksial forlængelse.
3D- og 4D-mikroskopi af museembryoner, især levende billeddannelse, er teknisk udfordrende og kræver kritiske trin under prøveforberedelse, billedindsamling og databehandling for at muliggøre nøjagtig og meningsfuld rumlig-tidsmæssig analyse. Her beskriver vi en detaljeret protokol for levende billeddannelse og helmonteret immunofluorescensfarvning af museembryoner, der kan bruges til at studere både NMP’er og mesodermale celler under aksial forlængelse og segmentering. Derudover beskriver vi også en protokol til optisk projektionstomografi (OPT) af ældre embryoner og fostre, der tillader 3D in toto visualisering og kvantificering af patologiske abnormiteter, der kan skyldes problemer under somitogenese (f.eks. Knoglefusion og skoliose)13,21,22. Endelig illustrerer vi kraften i 3D-billeddannelsesrekonstruktioner i studiet og undervisningen i hvirveldyrsegmentering og aksial forlængelse.
Aksial forlængelse og segmentering er to af de mest komplekse og dynamiske processer, der forekommer under hvirveldyrs embryonale udvikling. Brugen af 3D- og 4D-billeddannelse med enkeltcellesporing er i nogen tid blevet anvendt til at studere disse processer i både zebrafisk og kyllingeembryoner, for hvilke tilgængelighed og dyrkningsbetingelser letter kompleks billeddannelse 19,44,45,46,47,48,49…
The authors have nothing to disclose.
Vi vil gerne takke Olivier Pourquié og Alexander Aulehla for LuVeLu-reporterstammen, SunJin-laboratoriet for RapiClear-testprøven, Hugo Pereira for hjælpen ved hjælp af BigStitcher, Nuno Granjeiro for at hjælpe med at oprette det levende billeddannelsesapparat, IGC-dyreanlægget og tidligere og nuværende medlemmer af Mallo-laboratoriet for nyttige kommentarer og støtte i løbet af dette arbejde.
Vi takker for den tekniske støtte fra IGC’s Advanced Imaging Facility, som støttes af portugisisk finansiering ref# PPBI-POCI-01-0145-FEDER-022122 og ref# PTDC/BII-BTI/32375/2017, medfinansieret af Lisboa Regional Operational Programme (Lisboa 2020), under Portugal 2020-partnerskabsaftalen, gennem Den Europæiske Fond for Regionaludvikling (FEDER) og Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, Portugal). Arbejdet beskrevet i dette manuskript blev støttet af tilskud LISBOA-01-0145-FEDER-030254 (FCT, Portugal) og SCML-MC-60-2014 (Santa Casa da Misericórdia, Portugal) til M.M., forskningsinfrastrukturen Congento, projekt LISBOA-01-0145-FEDER-022170 og ph.d.-stipendiet PD/BD/128426/2017 til A.D.
Agarose low gelling temperature | Sigma | A9414 | Used to mounting embryos (e.g. for OPT) |
Amira software | Thermofisher | – | Commerial software tool |
Anti-Brachyury (Goat polyclonal) | R and D Systems | AF2085 RRID:AB_2200235 | For immunofluorescence |
Anti-Sox2 (Rabbit monoclonal) | Abcam | ab92494 RRID:AB_10585428 | For immunofluorescence |
Anti-Tbx6 (Goat polyclonal) | R and D Systems | AF4744 RRID:AB_2200834 | For immunofluorescence |
Anti-Laminin111 (Rabbit polyclonal) | Sigma | L9393 RRID:AB_477163 | For immunofluorescence |
Anti-goat 488 (Donkey polyclonal) | Molecular Probes | A11055 RRID:AB_2534102 | For immunofluorescence |
Anti-rabbit 568 (Donkey polyclonal) | ThermoFisher Scientific | A10042 RRID:AB_2534017 | For immunofluorescence |
Benzyl Alcohol (99+%) | (any) | – | Used to clear embryos (component of BABB) |
Benzyl Benzoate (99+%) | (any) | – | Used to clear embryos (component of BABB) |
Bovine serum albumin | Biowest | P6154 | For immunofluorescence |
Coverglass 20×20 mm #0 | (any) | – | 100um thick |
Coverglass 20×20 mm #1 | (any) | – | 170um thick |
Coverglass 20×60 mm #1.5 | (any) | – | To use as “slides” |
DAPI (4’,6-Diamidino-2- Phenylindole Dihydrochloride) | Life Technologies | D3571 | For immunofluorescence |
Drishti software | (open source) | – | Free software tool |
EDTA | Sigma | ED2SS | For demineralization |
Fiji/ImageJ software | (open source) | – | Free software tool |
Glycine | NZYtech | MB01401 | For immunofluorescence |
Huygens software | Scientific Volume Imaging | – | Commerial software tool |
HyClone defined fetal bovine serum | GE Healthcare | #HYCLSH30070.03 | For live imaging |
Hydrogen peroxide solution 30 % | Milipore | 1085971000 | For clearing |
Imaris software | Bitplane / Oxford instruments | – | Commerial software tool |
iSpacers | SunJin Lab | (varies) | Use as spacers for preparations |
L-glutamine | Gibco | #25030–024 | For live imaging medium |
Low glucose DMEM | Gibco | 11054020 | For live imaging medium |
M2 medium | Sigma | M7167 | To dissect embryos |
Methanol | VWR | VWRC20847.307 | For dehydration and rehydration steps |
Methyl salicylate | Sigma | M6752 | Used to clear embryos |
Paraformaldehyde | Sigma | P6148 | Used in solution to fix embryos |
Penicillin-streptomycin | Sigma | #P0781 | For live imaging medium |
PBS (Phosphate-buffered saline solution) | Biowest | L0615-500 | – |
RapiClear | SunJin Laboratory | RapiClear 1.52 | Used to clear embryos |
Secure-Sea hybridization chambers | Sigma | C5474 | Use as spacers for preparations |
simLab software | SimLab soft | – | Commerial software tool |
Slide, depression concave glass – 75×25 mm | (any) | – | To mount thick embryos. |
Triton X-100 | Sigma | T8787 | For immunofluorescence |