التقاط إصلاح الأنسجة في الزرد اليرقات مع الوقت الفاصل بين Brightfield Stereomicroscopy
Summary
We present a protocol for capturing the dynamics of zebrafish larval tail fin regeneration on a whole-tissue scale using brightfield-based stereomicroscopy. This technique enables capturing the regeneration dynamics with single cell resolution. This methodology can be adapted to any stereomicroscope equipped with a CCD camera and time-lapse software.
Abstract
The zebrafish larval tail fin is ideal for studying tissue regeneration due to the simple architecture of the larval fin-fold, which comprises of two layers of skin that enclose undifferentiated mesenchyme, and because the larval tail fin regenerates rapidly within 2-3 days. Using this system, we demonstrate a method for capturing the repair dynamics of the amputated tail fin with time-lapse video brightfield stereomicroscopy. We demonstrate that fin amputation triggers a contraction of the amputation wound and extrusion of cells around the wound margin, leading to their subsequent clearance. Fin regeneration proceeds from proximal to distal direction after a short delay. In addition, developmental growth of the larva can be observed during all stages. The presented method provides an opportunity for observing and analyzing whole tissue-scale behaviors such as fin development and growth in a simple microscope setting, which is easily adaptable to any stereomicroscope with time-lapse capabilities.
Introduction
The ability of an organism to orchestrate tissue repair processes after injury is crucial for its survival 1. While all animals have the capacity to heal their wounds, the extent to which tissues regenerate differs greatly among species. Vertebrate species such as zebrafish, salamanders and frog tadpoles have the remarkable ability to regenerate lost tissues, including their appendages, portions of their eyes, heart, and central nervous system 2-4. Mammalian species, such as the African spiny mouse and rabbits, are capable of regenerating holes in their pinnae 5-7, and humans and mice regenerate portions of their liver as well as their digit tips during fetal and juvenile stages 8-12. Although it is not well understood yet why and how certain species regenerate tissues more effectively than others, the presence of similar genetic pathways suggests that these mechanisms may lie dormant in species without great regeneration potential 13,14. Thus elucidating tissue repair and regeneration mechanisms in species with satisfactory regeneration outcomes will benefit regeneration in humans.
We have chosen the larval zebrafish tail fin as a paradigm to demonstrate its regeneration with time-lapse brightfield stereomicroscopy. The zebrafish larval tail fin is anatomically simple as compared to the more complex adult structures, consisting of a two-layered, infolded epithelium with somatosensory axons innervating the skin that surrounds medially located mesenchymal cells 15. Despite the anatomical differences, larval tail fin regeneration is somewhat comparable to adult fin regeneration in terms of the molecular signatures and the outgrowth responses 16,17. As compared to the adult fin, imaging larval tail fin regeneration has however several advantages: 1) larval fin regeneration is completed within just 2-3 days 16, 2) larvae can be mounted in low-melt agarose, and 3) larvae do not require feeding until ~ 5 days post fertilization (dpf) due to the presence of the yolk sac. This makes zebrafish larvae ideal for observing tissue repair dynamics in vivo.
The presented method enables the capture of detailed dynamics underlying the early processes of fin regeneration. Many studies have utilized fluorescence-based confocal microscopy to study cellular and subcellular biological processes in embryonic and larval zebrafish. Sophisticated confocal imaging setups are however often not accessible to everyone and highly expensive as compared to other imaging techniques. In contrast, the presented methodology utilizes a Discovery V12 stereomicroscope equipped with Axiovision software and a time-lapse module, thus providing a more affordable alternative to expensive imaging equipment to examine tissue behaviors. We demonstrate that this method can be utilized for imaging tissue regeneration with high temporal resolution at a minimal cost. The implications for this method could extend beyond basic biology to advance mammalian regeneration studies using organ cultures, for therapeutic development through pharmacological and genetic screens, and it can serve as a teaching tool in a classroom setting.
Protocol
Representative Results
Discussion
يسمح الطريقة المعروضة لرصد التئام الجروح وترميم الأنسجة في العيش اليرقات الزرد في الجسم الحي مع مرور الزمن التصوير على stereomicroscope brightfield، وذلك باستخدام بسيط نسبيا مجموعة المتابعة. يتطلب هذا الإجراء بعض الجوانب الهامة التي اختبرناها، والتي سوف تحسين نتائج: 1) تركيزات منخفضة الاغاروز (~ 0.5٪) وتقليل العوائق نمو اليرقات الزرد تزايد مستمر، 2) إزالة الاغاروز حول زعنفة مهمة لا لإخفاء عملية الشفاء، 3) محاصرة الاغاروز في شبكة بلاستيكية تحتفظ الاغاروز والحيوانية في وضع مستقر في جميع أنحاء الداخلي، و4) بيئة تسيطر عليها درجة الحرارة المناسبة، وهو أمر ضروري لبقاء اليرقات. تكيفنا حضانة غرفة ساخنة 23،24، الذي يستخدم التفاف فقاعة التي سجلت على الورق المقوى، وسخان قبة سلكي للسيطرة على درجة الحرارة ودوران الهواء السليم مع تقلبات طفيفة خلالإجراء التصوير. هذه الغرفة بسيطة وفعالة من حيث التكلفة يمكن أن تكون على استعداد لتناسب أي المجهر. وقد استخدمت وغرفة الحضانة ساخنة مماثلة أيضا بالنسبة للفئران التصوير والتنمية فرخ 24،29.
ونقترح أن اليرقات بترت قبل هي التي شنت لصورة ما قبل البتر، demounted للبتر، وremounted للتصوير مرور الزمن. على الرغم من أنه من الممكن لتنفيذ هذه الخطوات في خطوة واحدة في غرفة التصوير النهائية، في تجربتنا وجدنا أن بتر زعنفة الذيل على ساترة الزجاج ليس الأمثل، لأنه يمزق الأنسجة و لا يؤدي إلى قطع نظيفة. طريقة بتر القائم على الاغاروز باستخدام إبرة حقنة ووصف في الأصل من قبل كواكامي وزملاؤه (2004) 16 وأيضا، في تجربتنا، مثالية لأداء بتر الأطراف. وهكذا، فإن سلسلة معقدة بدلا من الخطوات التي قدمناها له ما يبرره جيدا ويضمن نتيجة تجديد المثلى.
أظهرنا أن larvآل الزرد في 2 DPF ولا يمكن تصوير ما يصل إلى 1.5 أيام في الاغاروز وحل تريكين. كنا تريكين (PH7) الحل الأمثل درجة الحموضة أعد مع الملح المحيط الفوري، والتي لا تتعارض مع صحة العينة للفترة التصوير المقدمة. ونحن مع ذلك سابقا أظهرت أيضا أن استخدام تريكين في Danieau المتوسطة يسمح الوقت الفاصل بين التصوير من 2.5 DPF الزرد اليرقات على المجهر متحد البؤر لا يقل عن 2 أيام 30. وهكذا، يمكن أن الظروف المثلى عازلة تمتد الصحة اليرقات وطول التصوير. بدلا من ذلك، يمكن استخدام تركيزات أقل تريكين للتخدير، أو 2-فينوكسييثانول، التي وجدنا جيد التحمل خلال مراحل اليرقات والكبار عند 28 درجة مئوية لمدة لا تقل عن 60 ساعة.
لتجنب عيوب في تجديد الزعانف، ونحن إزالة الاغاروز من زعنفة الذيل قبل التصوير. بياناتنا تظهر أنه في غضون 1.5 أيام تمت إعادة إنشاء الزعنفة إلى حوالي 60٪. هذا المعدل تجديد يتسق مع دراسة سابقة تحديد 3 أيام فيليالي متوسط الوقت للزعنفة الذيل تجديد في يرقات الزرد تصل إلى 6 DPF 16. بيد أنه يمكن استخدام أساليب بديلة لالاغاروز لتركيب الأسماك للتصوير. على سبيل المثال، جلطات البلازما رقيقة 31 أو المفلورة الإثيلين والبروبيلين (محطة إثراء الوقود) أنابيب المغلفة مع ميثيل ومليئة تركيزات الاغاروز منخفضة جدا (0.1٪) وقد أوصى للضوء ورقة المجهري 32 و قد تكون مناسبة لأسلوبنا المقدمة. ومع ذلك، فإننا لا ننصح ميثيل و 0.1٪ الاغاروز، لأنها تتطلب أن العينة هي التي شنت على الجزء السفلي من الغرفة نظرا لعدم وجود تصلب هذه الوسائط. سوف تركيزات عالية جدا من ميثيل تولد علاوة على ذلك جيوب الهواء بناء على خبرتنا، وهذه قد تتداخل مع إجراء التصوير. إذا فضلت وسائل الإعلام هذه مع استخدام الغرفة السفلى، من المهم أن المسافة العمل المناسبة بين عدسة موضوعية والعينة موجودة. وتجدر الإشارة إلى أن مويوصى إيثيل سيللولوز كوسيلة تصاعد فقط لمدة تصل إلى 1 في اليوم، لأنها قد تتداخل مع صحة اليرقات 32.
تركيب العينة في الغطاء قد يؤدي إلى بطء الانجراف نحو الانخفاض الجاذبية. لذا فمن المستحسن أن صورة مقاطع متعددة في كل نقطة زمنية، والتي يمكن أن تكون إما المتوقعة في طائرة واحدة أو الصور فقط التي هي في المستوى البؤري يمكن استخراجها لتجميع الفيلم النهائي. يمكن تصوير العينة في الغرفة السفلى تكون منهجية بديلة لتجنب الانجراف نحو الانخفاض المحتمل. جلطات البلازما يمكن أن تكون مفيدة لتجنب الانجراف، والبلازما ستتمسك طبقة يغلف الخارجية (EVL، محيط بالأدمة) 31، وبالتالي قد استقرار العينة. ولكن هذا يحتاج لفحصها، وكذلك كيف يمكن الحفاظ على الزرد اليرقات طويلة في تجلط البلازما دون التدخل في الصحة اليرقات أو تجديد الزعانف.
تم تجميعها دينا فيلم استخدام المقاطع الفردية (26 ميكرون)من سجلت ض المكدس، الذي غطى سمك الكامل للزعنفة (~ 10 ميكرون)، والتي تمثل المحتملين ض الانجراف الزعنفة أثناء إجراء التصوير. من أجل الحفاظ على المعلومات 3-D، فمن الممكن أيضا أن المشروع مداخن-Z في الصور واحدة. لأن هذا قد يؤدي إلى التشويش من الصورة، قد يكون المطلوب brightfield إزالة التفاف. البرامج، مثل Deconvolve أو X3 Autoquant يمكن استخدامها لهذا الغرض. بدلا من ذلك، خوارزميات رياضية (الموصوفة في تادرس 33) يمكن تطبيقها للحصول على وظيفة نقطة انتشار نسبة عالية إشارة إلى الضوضاء (SNR). الحصول على SNR عالية تمثل واحدة من العقبات الرئيسية في brightfield إزالة التفاف. على الرغم من أن هذه الطريقة يتطلب التباين العالي ورقيقة سمك العينة، سيكون من المناسب للتصوير من زعنفة الذيل نتيجة لانخفاض عرضه.
وهناك ميزة واضحة عن طريقة التصوير قدمت هو أنه قابل للتكيف بسرعة إلى أي stereomicroscope مجهزة كاميرا CCDد البرمجيات الوقت الفاصل بين ويقدم بديلا منخفض التكلفة لأنظمة التصوير متحد البؤر أكثر تكلفة. في حين أن هذا الأسلوب لا تستخدم مضان للكشف عن الخلايا، ويمكن تمديدها لهذه التطبيقات من خلال استخدام نظام آلي للتحكم في مصراع وبعد التصوير إزالة التفاف البرمجيات 34. وهذا من شأنه تمكين المستخدمين لمواصلة مراقبة عمليات إصلاح الجرح وتجديد مع خلية واحدة أو قرار التحت خلوية على مدى فترات زمنية أطول.
وضوح بصري والسهولة التي الجنينية والزرد اليرقات يمكن التعامل معها، والقدرة على التكيف من هذا الأسلوب لأي stereomicroscope يجعلها مناسبة لتدريس علم الأحياء الفقارية الأساسي في إعداد الفصول الدراسية. يمكن لهذا الأسلوب تزويد الطلاب بفهم أفضل للعمليات البيولوجية الأساسية الكامنة وراء إصلاح الأنسجة وتجديدها. العمليات البيولوجية الأخرى التي تم التقاطها باستخدام طريقة مماثلة هي التطور الجنيني الزرد 23،34 والقلبوظيفة (غير منشورة). هذا الأسلوب يوفر أيضا إمكانية لإصلاح مراقبة الجرح وتجديد في اليرقات التي تم التلاعب بها وراثيا ودواء.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We thank the MDI Biological Laboratory animal core service facility for zebrafish maintenance. Research reported in this publication was supported by Institutional Development Awards (IDeA) from the National Institute of General Medical Sciences of the National Institutes of Health under grant numbers P20GM104318 (for COBRE) and P20GM103423 (INBRE) and Department of Defense – USAMRAA (W81XWH-BAA-1) grant.
Materials
| Reagents | |||
| Bullseye Agarose (MidSci, Cat. No. BE-GCA500) | |||
| Low-melt agarose (Fisher BioReagents, Cat No. BP1360-100) | |||
| 1-phenyl-2-thiourea [Alfa Aesar, Cat No. L06690] | |||
| Instant Ocean Aquarium Salt (Pet store) | |||
| Methylene Blue (0.1% solution) (Sigma, Cat. No. M9140) | |||
| Tricaine (Ethyl 3-aminobenzoate methanesulfonate, Sigma-Aldrich, Cat. No. E10505) | |||
| 2-Phenoxyethanol (Sigma-Aldrich, Cat. No. 77699) | |||
| Petri Dish 35 x 15 mm (BD Falcon, Cat. No 351008) | |||
| Petri Dish 60 x 15 mm (BD Falcon, Cat. No 351007) | |||
| Petri Dish 100 x 25 mm (BD Falcon, Cat. No 351013) | |||
| 5.75 inch boroschillate glass pipets (Fisher) | |||
| 35 mm Glass Top Glass Bottom Dish (MatTek Corporation, Cat No. D35-20-0-TOP) Glass: 0.085-0.115mm | |||
| Superfrost/Plus microscope slides (Fisherbrand, Cat No. 12-550-15) | |||
| Glass coverslips (Electron Microscopy Services, Cat No. 72191-75) | |||
| Glass coverslips (Warner Instruments, Cat. No. CS-18R15) | |||
| Phifer Phiferglass Insect Screen Charcoal – 48" (Home Depot) | |||
| DOW CORNING® HIGH VACUUM GREASE | |||
| Microloader pipette tips 20 µl (Eppendorf, Cat. No. 930001007) | |||
| Fine Scissors – Sharply Angled Up (Fine Science Tools, Cat. No. 14037-10) | |||
| 3 mL Luer-Lok™ disposable syringe (BD, Cat. No. 309657) | |||
| 60 mL Luer-Lok™ disposable syringe (BD, Cat. No. 309653) | |||
| 23-gauge syringe needles (BD, Cat. No. 305145) | |||
| Dumont #5 Forceps (Fine Science Tools, Cat. No. 11295-00) | |||
| Equipment | |||
| LabDoctor Mini Dry Bath (MidSci) | |||
| Zeiss Discovery.V12 compound microscope | |||
| Zeiss Plan Apo S 3.5X objective | |||
| Zeiss AxioCam MRm | |||
| Zeiss Axiovision software, Release 4.8.2SP1 (12-2011) |
References
- San Miguel-Ruiz, J. E., García-Arrarás, J. E. Common cellular events occur during wound healing and organ regeneration in the sea cucumber Holothuria glaberrima. BMC Dev Biol. 7, 115 (2007).
- Poss, K. D., Keating, M. T., Nechiporuk, A. Tales of regeneration in zebrafish. Dev Dyn. 226, 202-210 (2003).
- Akimenko, M. A., Marí-Beffa, M., Becerra, J., Old Géraudie, J. Old questions, new tools, and some answers to the mystery of fin regeneration. Dev Dyn. 226, 190-201 (2003).
- Slack, J. M. Regeneration research today. Dev Dyn. 226, 162-166 (2003).
- Seifert, A. W., et al. Skin shedding and tissue regeneration in African spiny mice (Acomys). Nature. 489, 561-565 (2012).
- Goss, R. J., Grimes, L. N. Epidermal downgrowths in regenerating rabbit ear holes. J Morphol. 146, 533-542 (1975).
- Williams-Boyce, P. K., Daniel, J. C. Comparison of ear tissue regeneration in mammals. J Anat. 149, 55-63 (1986).
- Allan, C. H., et al. Tissue response and Msx1 expression after human fetal digit tip amputation in vitro. Wound Repair Regen. 14, 398-404 (2006).
- Borgens, R. B. Mice regrow the tips of their foretoes. Science. 217, 747-750 (1982).
- Han, M., Yang, X., Lee, J., Allan, C. H., Muneoka, K. Development and regeneration of the neonatal digit tip in mice. Dev Biol. 315, 125-135 (2008).
- Muneoka, K., Allan, C. H., Yang, X., Lee, J., Han, M. Mammalian regeneration and regenerative medicine. Birth Defects Res C Embryo Today. 84, 265-280 (2008).
- Takeo, M., et al. Wnt activation in nail epithelium couples nail growth to digit regeneration. Nature. 499, 228-232 (2013).
- Akimenko, M. A., Johnson, S. L., Westerfield, M., Ekker, M. Differential induction of four msx homeobox genes during fin development and regeneration in zebrafish. Development. 121, 347-357 (1995).
- Reginelli, A. D., Wang, Y. Q., Sassoon, D., Muneoka, K. Digit tip regeneration correlates with regions of Msx1 (Hox 7) expression in fetal and newborn mice. Development. 121, 1065-1076 (1995).
- Brien, G. S., et al. Coordinate development of skin cells and cutaneous sensory axons in zebrafish. Journal of Comparative Neurology. 520, 816-831 (2012).
- Kawakami, A., Fukazawa, T., Takeda, H. Early fin primordia of zebrafish larvae regenerate by a similar growth control mechanism with adult regeneration. Dev Dyn. 231, 693-699 (2004).
- Yoshinari, N., Ishida, T., Kudo, A., Kawakami, A. Gene expression and functional analysis of zebrafish larval fin fold regeneration. Dev Biol. 325, 71-81 (2009).
- Westerfield, M. . The zebrafish book. A guide for the laboratory use of zebrafish (Danio rerio). , (2000).
- Detrich, H. W., Westerfield, M., Zon, L. I. The Zebrafish: Cellular and Developmental Biology, part A. Preface. Methods Cell Biol. 100 (13), (2010).
- Dahm, N. -. V. a. . Zebrafish: A Practical Approach, Issue 975. , 303 (2002).
- Detrich, H., Westerfield, M., Zon, L. . The Zebrafish: 2nd Edition Genetics, Genomics and Informatics. , (2005).
- Concha, M. L., Adams, R. J. Oriented cell divisions and cellular morphogenesis in the zebrafish gastrula and neurula: a time-lapse analysis. Development. 125, 983-994 (1998).
- Distel, M., Köster, R. W. In vivo time-lapse imaging of zebrafish embryonic development. CSH Protoc. 2007, (2007).
- Kulesa, P. M., Kasemeier-Kulesa, J. C. Construction of a Heated Incubation Chamber around a Microscope Stage for Time-Lapse Imaging. CSH Protoc. 2007, (2007).
- . Bitplane. Imaris V 6.1.0 Reference Manual. , (2008).
- Abramoff, M. D., Magalhaes, P. J., Ram, S. J. . Image Processing with ImageJ. , 36-42 (2004).
- Schindelin, J., et al. Fiji: an open-source platform for biological-image analysis. Nat Methods. 9, 676-682 (2012).
- Mateus, R., et al. In vivo cell and tissue dynamics underlying zebrafish fin fold regeneration. PLoS One. 7, e51766 (2012).
- Jones, E. A., et al. et al.Dynamic in vivo imaging of postimplantation mammalian embryos using whole embryo culture. Genesis. 34, 228-235 (2002).
- Rieger, S., Senghaas, N., Walch, A., Köster, R. W. Cadherin-2 controls directional chain migration of cerebellar granule neurons. PLoS Biol. 7, e1000240 (2009).
- Langenberg, T., Brand, M., Cooper, M. S. Imaging brain development and organogenesis in zebrafish using immobilized embryonic explants. Dev Dyn. 228, 464-474 (2003).
- Kaufmann, A., Mickoleit, M., Weber, M., Huisken, J. Multilayer mounting enables long-term imaging of zebrafish development in a light sheet microscope. Development. 139, 3242-3247 (2012).
- Tadrous, P. J. A method of PSF generation for 3D brightfield deconvolution. J Microsc. 237, 192-199 (2010).
- Distel, M., Babaryka, A., Köster, R. W. Multicolor in vivo time-lapse imaging at cellular resolution by stereomicroscopy. Dev Dyn. 235, 1100-1106 (2006).
