该协议描述了一种冷冻损伤模型,以诱导成年斑马鱼中几个尾部肌层的严重损伤。该方法为研究非哺乳动物脊椎动物严重丧失组织后的骨骼肌再生提供了一种新方法。
骨骼肌在轻微损伤后通过激活卫星样干细胞进行更新和恢复。肌肉组织的严重损伤通常会导致人类纤维化。与哺乳动物相比,斑马鱼具有更高的先天器官再生能力,为研究器官广泛损伤后的组织修复提供了强大的模型。在这里,描述了一种冷冻损伤模型,以诱导成年斑马鱼尾柄的四个肌层严重损伤。定制的冷冻探头设计用于贴合体型,并可重复地损伤从皮肤到中线的外侧肌肉组织。重要的是,身体完整性保持不变,鱼继续游泳活动。通过组织切片上肉瘤蛋白的组织学染色和荧光染色来评估骨骼肌的变化。这种方法将开辟新的研究途径,旨在了解骨骼肌的退化如何诱导修复反应,从而重新激活成年斑马鱼的肌源程序。
在脊椎动物中,各种组织的受损部分在生命周期中经历稳态更新和恢复。这种更新和恢复能力通常取决于感受态干细胞的存在或成熟细胞的增殖能力1,2。骨骼肌包括有丝分裂后肌纤维,其与局部干细胞相关,称为卫星细胞3,4,5,6。因此,该组织包含用于有效密封中断连续性区域或修复小伤口的细胞源。然而,哺乳动物骨骼肌中较大的体积损失通常伴随着非再生修复,例如纤维化7。动物模型可以为促进广泛受损器官再生的生物学机制提供新的见解。
斑马鱼是一种成熟的模式生物,具有很高的再生能力。成年斑马鱼可以再生其尾鳍的截肢部分或心室的切除顶点8,9,10,11。此外,以前已将冷冻损伤方法应用于研究斑马鱼的鳍和心脏再生12,13,14,15。在内脏的情况下,冷冻损伤方法具有诱导细胞死亡而不破坏器官完整性的优点,从而模仿生理条件16,17。组织碎片在伤口愈合过程中通过自然清除分解,然后是修复过程。然而,这种方法是否可以应用于骨骼肌仍有待确定。
在鱼类中,横向肌肉组织使躯干在游泳过程中能够左右弯曲18.骨骼肌被组织成同色异构体,称为肌粒,它们被结缔组织隔开5,19。斑马鱼可以在轻微的组织破坏后再生肌肉,例如由激光消融或刺伤引起的组织破坏20,21,22,23,24,但整个肌层是否可以在广泛损伤后再生仍然未知。这种知识上的差距可能是由于缺乏合适的伤害模型。该协议建立了一种新的方法来诱导骨骼肌的广泛损伤,跨越多个肌层。所描述的冷冻损伤方法基于用预冷的不锈钢仪器快速冷冻和解冻肌纤维。尽管受到广泛的破坏,但鱼类的健康并没有受到严重损害。整个肌粒可以恢复,因此,这项工作为研究成年斑马鱼肌肉组织再生机制提供了新的模型系统。
斑马鱼提供了一种脊椎动物模式生物来研究肌肉再生的机制。大多数现有的损伤方法,如激光消融或刺伤,导致相对较小的组织破坏20,21,22,23。已对眼外肌进行了大切除术26。然而,由于切割体壁对健康有害,这种手术方法可能不太适合侧向肌肉组织。为了避免这种侵入性手术,该协议描述了一种较轻的损伤形式,但会对尾柄造成严重损害。这种方法依赖于表面操作,允许非常精确地瞄准身体一侧的几个子宫肌层。冷冻损伤模型的优势在于其可重复性和产生广泛肌肉退化的能力;基于这些优势,该模型为研究身体如何对显着肌肉损失做出反应提供了新的途径。
极端寒冷的应用导致热休克,其破坏受影响肌肉组织中的质膜和细胞器27。结果,受伤的肌纤维经历了“意外”细胞死亡28。因此,受损组织可以通过伤口清除的自然机制被吸收。斑马鱼对冷冻损伤手术的耐受性很好,因为这项研究的存活率接近 100%,因为预冷探针在确切的持续时间内正确定位在身体上。但是,如果伤口太宽(例如,如果施加的压力太大或冷冻损伤的持续时间太长),鱼可能会在手术后不久表现出异常的游泳运动,并且动物应该被安乐死作为人道终点。对于其他鱼类,冷冻探针的暴露时间应根据身体的大小进行调整。
冷冻损伤后,鱼可以恢复游泳活动,没有任何异常运动的症状。然而,冷冻受伤的鱼游泳的动态性不如对照鱼,这表明有一些轻微的损伤。需要进一步量化冷冻损伤后不同时间点的鱼类行为,以确定游泳性能的时间变化。
冷冻损伤方法对尾柄其他非肌肉组织的影响仍有待阐明。显然,最外层的身体层(即皮肤)因手术而受损。在这种情况下,冷冻损伤方法可以为研究伤口愈合、鳞屑再生和色素沉着模式的恢复提供新的策略。此外,子宫肌层的脉管系统和神经支配也可能受到冷冻损伤的影响,这些主题需要进一步研究。
冷冻损伤模型以前已用于研究斑马鱼心脏再生13,14,15,29。与心室切除方法10相比,该方法显示出一些优势,因为富含胶原蛋白的疤痕的瞬时沉积,可以更好地模拟人类的梗死愈合反应30。值得注意的是,斑马鱼可以在多次冷冻损伤后再生心脏31。有趣的是,冷冻损伤也被应用于斑马鱼鳍,导致组织溶解过程12。与经典的鳍截肢相反,剩余的冷冻损伤残肢包含一个扭曲的边缘,其中有死物质和健康细胞的混合物。对斑马鱼器官(心脏和鳍)的研究表明,即使在广泛的组织损伤后,斑马鱼也能恢复其原始功能成分的强大能力。冷冻损伤的骨骼肌是否激活修复和再生过程之间的相互作用值得未来的研究。
The authors have nothing to disclose.
我们感谢V. Zimmermann的鱼类护理,以及Thomas Bise博士,Catherine Pfefferli博士和Lea Gigon启动该项目及其初步结果。这项工作得到了瑞士国家科学基金会的支持,资助号为310030_208170。
Program | |||
ImageJ | National Institutes of Health (NIH) | ||
Photoshop Version 23.5.3 | Adobe | ||
Material/ Equipment | |||
35/10 mm Petri Dish | Greiner Bio-one | Item No.: 627102 | |
Camera | Sony | / | HDR-PJ410 |
Cryostat | Histcom | HRA C50 | |
Formaldehyde ~36% | Sigma-Aldrich | 47630 | |
Macro 50 mm f/2.8 EX DG lens | Sigma | / | Discontinued lense |
Peel-A-Way Embedding Truncated Molds T8 | Polyscience, Inc. | 18985 | |
Slides Superfrost Plus | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Sponge | any | any | flat sponge, c.a. 7cm x 3 cm x 1 cm |
Stainless steel cryoprobe | Custom-made | / | specifics in the article |
Sucrose | Sigma-Aldrich | 84100 | |
Surgical scissors | Any | / | |
TCS SP2 | Leica | / | Discontinoued product |
Tissue-Tek O.C.T. compound | Sakura Finetek | 4583 | |
Tricaine (Anestethic) | Sigma | E10521 | |
Dyes and Antibodies | |||
Dapi | Sigma | 10236276001 | Concentration: 1/2000 |
Phalloidin-Atto-565 (F-actin) | Sigma | 94072 | Concentration: 1 / 500 |
Tropomyosin (TPM1) | DHSB | CH1 | Concentration: 1 / 50 |
Recipies/Solutions | |||
1x PBS | 123 mM NaCl | Sigma | |
2.7 mM KCl | Sigma | ||
10 mM Na2HPO4 | Sigma | ||
1.8 mM KH2PO4 | Sigma | ||
AFOG solution | 3 g Fuchsin | Fisher Scientific | |
2 g Orange G | Sigma | ||
1 g Anilin blue | Fulka AG | ||
200 ml acifidied distilled H2O (pH 1.1) |