激光消融是研究生物系统再生的一项广泛应用技术。提出的方案描述了使用标准激光扫描共生显微镜进行激光消融,以及斑马鱼横向线中再生内泌细胞的后续延时成像。
毛细胞是机械感细胞,可以调解听觉。这些细胞在人类受损后不会再生,但它们在非哺乳动物脊椎动物(如斑马鱼)中自然补充。斑马鱼横向线系统是一个有用的模型,用于描述感觉毛细胞再生。横向线由头发细胞器官组成,称为神经瘤,由一串内膜细胞(INMC)连接在一起。INMC作为祖细胞,在发育过程中产生新的神经瘤。INMC 可以修复细胞死亡创建的横向线系统中的间隙。此处介绍了一种使用传统的激光扫描共生显微镜和转基因鱼在 INMC 中表达绿色荧光蛋白的选择性 INMC 消融方法。然后,延时显微镜用于监测 INMC 再生并确定间隙闭合率。这表示不需要专用设备的细胞消融的可访问协议,例如高功率脉冲紫外激光器。消融协议可能服务于更广泛的利益,因为它可能有助于其他细胞类型的消融,使用的工具集已经可供许多用户使用。该技术将进一步实现不同条件下和不同遗传背景下的 INMC 再生表征,从而促进对感觉祖细胞再生的理解。
最渐进的听力损失的核心是感觉毛细胞的破坏,这些细胞将外在的听觉刺激转化为大脑可检测到的神经冲动。耳蜗毛细胞死亡导致永久性听力损失,因为成年哺乳动物缺乏在损伤后再生这些细胞的能力。相反,非哺乳动物脊椎动物,如斑马鱼,可以再生因声学创伤或耳毒性侮辱而失去的毛细胞。斑马鱼机械感横向线是一个简单和容易操纵的器官系统,可用于研究毛细胞再生1,2,3。
横向线由称为神经瘤的小感觉斑块组成,这些斑块在发育过程中由一串称为内膜细胞(INMC)的拉长细胞连接。鉴于其增殖能力作为明显的干细胞,产生新的头发细胞包含器官,INMC的行为是社区非常感兴趣的4,5。与INMC相关的许多研究都表明,附近的Schwann细胞抑制其增殖,这些细胞缠绕在横向线神经周围,可能通过Wnt/β-catenin信号的抑制剂。6,7,8.虽然对 INMC 增殖和分化到新神经瘤的调控已经描述得很清楚,但管理 INMC 在消融后再生的机制尚未阐明。该协议作为一种消融单个 INMC 和分析其后续再生行为的方法。
各种破坏毛细胞、支持细胞和整个神经瘤的方法已经发表,以及监测恢复的方法。化学消融对毛细胞有效,但有毒化学物质的剂量,如CuSO4必须显著增加,以消除其他横向细胞类型9。虽然荧光显微镜下的电融是破坏 INMC 以研究再生的一种有效而简单的方法,但很难狭隘地瞄准,因此可能会造成重大的附带损害。因此,这可以掩盖 INMC 特定行为10 、11的各个方面。激光消融协议已经采用,但它们要求使用一般实验室或成像设施中不一定存在的专用设备(即高功率脉冲紫外激光器12)。此处描述的方法可与配备普通 405 nm 激光的激光扫描共电显微镜执行,通常用于成像 DAPI 和其他蓝色荧光。这种方法的一个优点是,在细胞损伤之前和之后可以立即进行共声成像,而无需使用任何其他激光控制系统或转移到配备脉冲激光的另一台显微镜上。
一种类似的方法被描述为斑马鱼脊髓13的消融神经元。但是,上一种方法需要用于细胞消融的 FRAP 模块,这不是此协议的要求。此外,鉴于不同细胞类型(即转基因荧光的亮度、体内的深度和细胞形状)的不同属性,根据使用的细胞类型,可能需要进行重大修改。此处详述的协议更有可能对更肤浅的细胞有效,因为使用相同方法演示感觉毛细胞消融。还概述了一个再生测定,以评估消融后 INMC 的恢复率,这不是上述研究的一个特点。
本文详细介绍的基于激光的细胞消融协议通过优化激光条件、消融前和消融成像以及延时显微镜,捕获 INMC 的再生能力。这些要素汇集在一起,全面描绘了 INMC 的再生和差距缩小。虽然此协议在这里用于销毁 INMC,但它可能应用于需要可靠和有效评估细胞消融的其他工作。它也是一种可访问的技术,因为它可以在任何配备 405 nm 激光的共合显微镜上进行。
该协议描述了一种通用的激光细胞消融方法,可以在任何配备近紫外线激光(405 nm 波长)的共合体显微镜上执行。该协议解决了以前采用的方法的限制,如电融(造成更普遍的损伤11)和脉冲UV激光消融(需要额外的专用设备12。前和后消融共合成像提供有关实验成功的快速反馈。随后的延时显微镜为细胞类型的再生提供了一个简单的检测,对于感官系统发育至关重要。
对在神经瘤和 INMC 中强烈表达 GFP 的转基因斑马鱼进行预筛选至关重要。具有明亮荧光的幼虫和原始衍生神经瘤的大致均匀间距是激光消融的候选选择。即使在这些鱼中,偶尔也会有变暗的 INMC,可能在第一次逃脱检测。这些细胞在激光消融后可以留在后面,防止在 INMC 之间形成真正的间隙。应调整数字增益,以在消融前成像期间显示这些调光器,以便它们也可以与 405 nm 激光瞄准(步骤 8.2)。
同样,激光瞄准有时不会完全摧毁细胞;相反,它会漂白荧光,导致未能创造真正的差距。这些细胞通常会在延时显微镜期间增加荧光。与T-PMT成像一起,在消融后成像步骤中的增益调整有助于确保所有目标细胞都得到有效去除。它通常需要两个或三个单独的细胞消融,以在 INMC 字符串中产生间隙。细胞死亡可以通过在目标细胞中出血或颗粒状外观来检测;不过,这可能需要激光瞄准后短暂的等待期(在某些情况下,不久之后会观察到明显的凋亡或坏死数字)。
此程序的一个限制是,在优化激光条件并成功进行 INMC 再生之前,可能需要多次实验试验。激光功率和激光的总停留时间可能需要对不同的样品进行轻微的调整。研究发现,过度的激光应用会损害横向线路自身修复的能力。这包括 1) 单个细胞过度暴露激光照射,可能对周围组织造成额外损伤,以及 2) 字符串中太多细胞的消融,导致更大的间隙。用户必须在充分照射细胞之间取得平衡,以确保其破坏,不要过度暴露细胞,因为细胞可能会减慢或阻止再生。通过适当的设置,发现可以移除 INMC,而不会对后侧线神经造成明显损伤,这表明与电融11不同,此协议将附带损害降至最低。在观察到的间隙中,没有形成新的神经瘤,大概是因为横向线神经完好无损,底层胶质细胞仍然和抑制 INMC 6、7、8、11的增殖。
证明这种共理激光消融方法也可以应用于其他细胞类型,特别是在那些表面上位于动物体内的细胞类型,包括感觉毛细胞(图4)。类似的方案可用于吸收皮肤细胞,以检查伤口修复或神经元的斧头再生研究,如前面描述的13。预计这项技术将成为实验室实验的有益补充,这些实验室拥有共体显微镜,但没有用于激光消融的其他专门设备。
The authors have nothing to disclose.
这项工作由NIH R15赠款1R15DC015352-01A1和佩斯大学内部资金来源资助。鱼线由弗拉基米尔·科尔日14号、凯蒂·金特15号、16号和詹姆斯·赫德斯佩斯实验室提供。我们要感谢A.詹姆斯·赫德斯佩斯和他的小组成员对这些实验的反馈,以及佩斯大学的同事的支持。RStudio 的物流回归分析尤其得到了我们同事马修·艾洛-拉门斯的协助。
12-well PTFE Printed Slides | Electron Microscopy Sciences | 63425-05 | |
15 mM Tricaine stock solution | Sigma | E10521 | 15 mM Tricaine in reverse osmosis water |
1X E3 + 600 µM Tricaine | Dilute 15 mM Tricaine stock 25X in 1X E3 media | ||
1X E3 media | Dilute 60X E3 media to 1X in reverse osmosis water (16.7 ml/L) | ||
60 X E3 media | All components purchased from Sigma-Aldrich | 34.4 g Nacl, 1.52 g Kcl, 5.8 g CaCl2.2H2O, 9.8 g MgSO4.7H20 in 1 liter reverse-osmosis water | |
Bx60 Compound microscope with mercury arc lamp fluorescence | Olympus | ||
LSM 700 confocal microscope equipped with 405 nm, 488 nm, and 555 or 561 nm lasers | Carl Zeiss Microscopy, LLC | A 5 mW 405 nm laser was used for ablation; Ablations and imaging were performed through a 63x Plan-Apochromat objective with an NA of 1.40 | |
FIJI/ImageJ Image processing software | Multiple contributors | Downloadable at https://fiji.sc/ | |
Dissecting needle modified into hair knife | Fisher Scientific | 19010 | An eyelash was glued onto the end of a wood-handled dissecting needle |
Microsoft Excel software | Microsoft Corp. | Google sheets is a no-cost alternative to Microsoft Excel | |
Glass bottom 35 mm dishes with no. 1.5 coverslip, 20 mm window | Mattek Corporation | P35G-1.5-20-C | 35 mm petri dish, 20 mm glass window |
Immersol 518F Immersion Oil | Fisher Scientific | 12-624-66A | |
Low Gelling Agarose | Sigma Life Science | A9414-256 | |
Corning Netwell Insert with 74 um Polyester Mesh, 24 mm Insert | Millipore Sigma | CLS3479-48EA | |
Rstudio software | Rstudio PBC | Downloadable at https://rstudio.com/ | |
SMX-168-BL Stereo microscope | Motic | ||
Transfer Pipette | Fisher Scientific | 13-711-7M | |
ZEN software | Carl Zeiss Microscopy, LLC |