Burada, fare embriyolarının üç ve dört boyutlu görüntü verilerinin, toto optik projeksiyon tomografisi ve multifoton mikroskobu kullanılarak canlı görüntüleme ve tam montajlı immünofloresan boyama ile elde edilen eksenel uzama ve segmentasyon bağlamında görselleştirilmesini ve analizini sağlayan hesaplamalı araç ve yöntemleri açıklamaktayız.
Somitogenez, omurgalı embriyonik gelişiminin bir işaretidir. Yıllardır, araştırmacılar bu süreci ex vivo ve in vitro yaklaşımları kapsayan çok çeşitli teknikler kullanarak çeşitli organizmalarda inceliyorlar. Bununla birlikte, çoğu çalışma hala iki boyutlu (2D) görüntüleme verilerinin analizine dayanmaktadır, bu da karmaşık bir 3D alanda oldukça dinamik etkileşimler içeren eksenel genişleme ve somitogenez gibi gelişimsel bir sürecin doğru bir şekilde değerlendirilmesini sınırlar. Burada, bu gelişimsel süreçlerde yer alan hücreleri (örneğin, nöromezodermal progenitörler) incelemek için fare canlı görüntüleme elde etme, veri kümesi işleme, görselleştirme ve 3D ve 4D olarak analiz etme tekniklerine izin veren teknikleri açıklıyoruz. Ayrıca, fare embriyolarında optik projeksiyon tomografisi ve tam montajlı immünofloresan mikroskopisi için adım adım bir protokol sağlıyoruz (numune hazırlamadan görüntü elde etmeye kadar) ve 3D görüntü verilerini işlemek ve görselleştirmek için geliştirdiğimiz bir boru hattını gösteriyoruz. Bu tekniklerden bazılarının kullanımını genişletiyoruz ve eksenel genişleme ve somit oluşumu (örneğin, 3D rekonstrüksiyonlar) hakkındaki mevcut anlayışımızı geliştirmek için kullanılabilecek farklı yazılımların (örneğin, Fiji / ImageJ, Drishti, Amira ve Imaris) belirli özelliklerini vurguluyoruz. Toplamda, burada açıklanan teknikler, gelişim biyolojisinde 3D veri görselleştirme ve analizinin önemini vurgulamaktadır ve diğer araştırmacıların omurgalı eksenel uzantısı ve segmentasyonu bağlamında 3D ve 4D görüntü verilerini daha iyi ele almalarına yardımcı olabilir. Son olarak, çalışma omurgalı embriyonik gelişimini öğretmeyi kolaylaştırmak için yeni araçlar da kullanmaktadır.
Omurgalı vücut ekseni oluşumu, embriyonik gelişim sırasında meydana gelen oldukça karmaşık ve dinamik bir süreçtir. Gastrulasyonun sonunda [farede, embriyonik gün (E) 8.0 civarında], nöromezodermal progenitörler (NMP’ler) olarak bilinen bir grup epiblast progenitör hücre, boyun, gövde ve kuyruk oluşumu sırasında nöral tüp ve paraksiyal mezodermal dokuları üreterek baştan kuyruğa sekansta eksenel genişlemenin önemli bir itici gücü haline gelir 1,2,3,4 . İlginçtir ki, bu NMP’lerin kaudal epiblastta işgal ettiği pozisyon, mezoderm veya nöroektoderm5’e farklılaşma kararında kilit bir rol oynamaktadır. Şu anda NMP’ler için kesin bir moleküler parmak izine sahip olmasak da, bu hücrelerin genellikle T (Brachyury) ve Sox2 5,6’yı birlikte eksprese ettiği düşünülmektedir. NMP kader kararlarını düzenleyen kesin mekanizmalar (yani, nöral veya mezodermal yollar alıp almadıkları) sadece kesin olarak tanımlanmaya başlanmaktadır. İlkel çizgi bölgesindeki Tbx6 ekspresyonu, NMP kader kararının erken bir belirtecidir, çünkü bu gen mezoderm 6,7’nin indüksiyonu ve spesifikasyonunda rol oynar. İlginç bir şekilde, erken mezoderm hücrelerinin yüksek düzeyde Epha18 eksprese ettiği görülmektedir ve Wnt / β-katenin sinyallemesinin yanı sıra Msgn1’in de paraksiyel mezoderm farklılaşmasında ve somit oluşumunda önemli rol oynadığı gösterilmiştir 9,10. NMP’lerin tek hücre düzeyinde tam bir mekansal-zamansal analizi, mezoderm spesifikasyonunu kontrol eden moleküler mekanizmaları tam olarak anlamak için kesinlikle etkili olacaktır.
Somitlerin (vertebra öncülleri) oluşumu omurgalıların önemli bir özelliğidir. Eksenel uzama sırasında, paraksiyel mezoderm, somitler olarak bilinen bir dizi iki taraflı tekrarlama biriminde bölümlere ayrılır. Somitlerin sayısı ve yeni segmentlerin oluşumu için gereken süre11,12 türleri arasında değişmektedir. Somitogenez, presomitik mezodermdeki (örneğin, Lfng) Notch, Wnt ve Fgf sinyal yollarının birkaç geninin döngüsel ekspresyonu ile gözlemlenebilen periyodik sinyal salınımlarını (“segmentasyon saati” olarak bilinir) içerir 11,12. Mevcut somitogenez modeli ayrıca, her yeni somitin arka sınırının konumunu tanımlayan Fgf, Wnt ve retinoik asit sinyalini içeren bir dizi karmaşık sinyal gradyanı olan bir “olgunlaşma dalga cephesinin” varlığını da varsaymaktadır. Bu nedenle, “segmentasyon saati” ve “olgunlaşma dalga cephesi” arasındaki koordineli bir etkileşim, bu omurların öncü modüllerinin üretilmesi için esastır, çünkü bu anahtar morfogenetik süreçlerdeki pertürbasyonlar embriyonik ölümcüllüğe veya konjenital malformasyonların oluşumuna (örneğin, skolyoz) neden olabilir13,14,15.
Görüntüleme teknikleri, biyogörüntü analiz yöntemleri ve yazılımlarındaki son zamanlardaki önemli ilerlemelere rağmen, eksenel uzama ve somitogenez ile ilgili çalışmaların çoğu, tam bir çok boyutlu doku görselleştirmesine izin vermeyen ve embriyonik gelişim sırasında meydana gelen normal morfolojik varyasyon ile patolojik malformasyonlar (yani mutasyonlar nedeniyle) arasındaki net farklılaşmayı zorlaştıran tek/izole iki boyutlu görüntü verilerine (örneğin, kesitler) dayanmaktadır16 . 3D görüntüleme, daha önce standart 2D yöntemlerle tanımlanmayan yeni morfogenetik hareketleri ortaya çıkardı17,18,19,20, omurgalı somitogenezi ve eksenel genişleme mekanizmalarını anlamak için toto görüntülemenin gücünü vurguladı.
Fare embriyolarının 3D ve 4D mikroskopisi, özellikle canlı görüntüleme, teknik olarak zordur ve doğru ve anlamlı mekansal-zamansal analize izin vermek için numune hazırlama, görüntü toplama ve veri ön işleme sırasında kritik adımlar gerektirir. Burada, eksenel genişleme ve segmentasyon sırasında hem NMP’leri hem de mezodermal hücreleri incelemek için kullanılabilecek fare embriyolarının canlı görüntüleme ve tam montajlı immünofloresan boyaması için ayrıntılı bir protokol açıklıyoruz. Ek olarak, yaşlı embriyoların ve fetüslerin optik projeksiyon tomografisi (OPT) için, somitogenez sırasındaki sorunlardan (örneğin, kemik füzyonu ve skolyoz) kaynaklanabilecek patolojik anormalliklerin toto görselleştirmesinde ve nicelleştirilmesinde 3D’ye izin veren bir protokol de tanımlıyoruz13,21,22. Son olarak, omurgalı segmentasyonu ve eksenel uzama çalışması ve öğretiminde 3D görüntüleme rekonstrüksiyonlarının gücünü gösteriyoruz.
Eksenel uzama ve segmentasyon, omurgalı embriyonik gelişimi sırasında meydana gelen en karmaşık ve dinamik süreçlerden ikisidir. Tek hücreli izleme ile 3D ve 4D görüntülemenin kullanımı, erişilebilirlik ve kültür koşullarının karmaşık görüntülemeyi kolaylaştırdığı zebra balığı ve tavuk embriyolarında bu süreçleri incelemek için bir süredir uygulanmaktadır 19,44,45,46,47,48,49 <sup class="xr…
The authors have nothing to disclose.
LuVeLu muhabir suşu için Olivier Pourquié ve Alexander Aulehla’ya, RapiClear test örneği için SunJin laboratuvarına, BigStitcher’ı kullanma yardımı için Hugo Pereira’ya, canlı görüntüleme cihazının kurulmasına yardımcı oldukları için Nuno Granjeiro’ya, IGC hayvan tesisine ve Mallo laboratuvarının geçmiş ve şimdiki üyelerine bu çalışma sırasında yararlı yorumlar ve destek için teşekkür ederiz.
Portekiz Bölgesel Operasyonel Programı (Lisboa 2020) tarafından ortaklaşa finanse edilen Portekiz fonları ref# PPBI-POCI-01-0145-FEDER-022122 ve ref# PTDC/BII-BTI / 32375/2017 tarafından desteklenen IGC’nin Gelişmiş Görüntüleme Tesisi’nin, Portekiz 2020 Ortaklık Anlaşması kapsamında, Avrupa Bölgesel Kalkınma Fonu (FEDER) ve Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT, Portekiz) aracılığıyla teknik desteğine teşekkür ederiz. Bu makalede açıklanan çalışmalar, M.M.’ye LISBOA-01-0145-FEDER-030254 (FCT, Portekiz) ve SCML-MC-60-2014 (Santa Casa da Misericórdia, Portekiz), araştırma altyapısı Congento, proje LISBOA-01-0145-FEDER-022170 ve doktora bursu PD / BD / 128426/2017 tarafından desteklenmiştir.
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 |