Dit protocol beschrijft de dissectie en de cultuur van craniale neurale Crest cellen van muismodellen, voornamelijk voor de studie van de Celmigratie. We beschrijven de gebruikte technieken voor Live Imaging en de analyse van veranderingen in snelheid en celvorm.
In de afgelopen decennia is er een toegenomen beschikbaarheid van genetisch gemodificeerde Muismodellen die worden gebruikt om menselijke pathologieën na te bootsen. Het vermogen om celbewegingen en differentiatie in vivo te bestuderen is echter nog steeds erg moeilijk. Neurocristopathies, of aandoeningen van de neurale Crest lineage, zijn bijzonder uitdagend om te studeren als gevolg van een gebrek aan toegankelijkheid van de belangrijkste embryonale stadia en de moeilijkheden bij het scheiden van de neurale kuif mesenchym van aangrenzende mesodermale mesenchym. Hier hebben we een goed gedefinieerd, routine protocol opgesteld voor de cultuur van primaire craniale neurale Crest-cellen. In onze aanpak ontleden we de rand van de muis neurale plaat tijdens de initiële neurale Crest inductiefase. Het grensgebied van de neurale plaat is explanted en gekweekt. De neurale Crest cellen vormen in een epitheliale plaat rond de grens van de neurale plaat, en door 24 h na explant, beginnen te delamineren, ondergaat een epitheliale-mesenchymale overgang (EMT) om volledig beweeglijke neurale Crest cellen geworden. Door onze tweedimensionale kweek benadering kunnen de afzonderlijke weefsel populaties (neurale plaat versus premigrerend en migrerend neurale embleem) gemakkelijk worden onderscheiden. Met behulp van Live Imaging benaderingen, kunnen we vervolgens identificeren veranderingen in neurale Crest inductie, EMT en migratie gedrag. De combinatie van deze techniek met genetische mutanten zal een zeer krachtige benadering zijn voor het begrijpen van normale en pathologische neurale Crest celbiologie.
De neurale Crest (NC) Lineage is een voorbijgaande, multipotente en migrerende populatie van cellen die uitsluitend voorkomt in gewervelde dieren tijdens de vroege embryonale ontwikkeling1,2. Neurale Crest derivaten zijn zeer divers, en omvatten glia, gladde spieren, melanocyten, neuronen en craniofaciale bot en kraakbeen3,4. Omdat de neurale kam bijdraagt aan de functie van veel orgel systemen, is deze afstamming essentieel voor menselijke embryogenese. Aberrant NC ontwikkeling is betrokken bij een breed scala van de meest voorkomende menselijke aangeboren afwijkingen (d.w.z. gespleten lip en gehemelte)5, en ook aandoeningen zoals de ziekte van Hirschsprung (hscr), Wardensburg SYNDROOM (WS), Charge Syndrome en Williams Syndrome6 ,7,8,9.
NC ontwikkeling is onderzocht in een aantal niet-zoogdier modelsystemen, waaronder Xenopus, Chick en zebravis modellen. In zoogdieren, werk in muismodellen heeft geïdentificeerd enkele van de belangrijkste genetische voorvallen onderliggende neurale Crest ontwikkeling; echter, het is moeilijker om de celbiologie van neurale Crest migratie volgen, als gevolg van de ontoegankelijkheid van de muis embryo (herzien elders10,11). Bovendien, terwijl studies in Chick, Xenopus en zebravis een genregulerend netwerk voor NC hebben opgericht, vertonen verlies van functie studies in deze diermodellen soms geen vergelijkbaar fenotype in de muis. Bijvoorbeeld, in xenopus, zebravis en Chick, niet-canonieke WNT signalering is een van de cellulaire mechanismen die het mogelijk maakt de NC te verwerven van de migratie capaciteit12,13,14,15 . Echter, in de muis, verlies van niet-canonieke WNT signalering lijkt niet te beïnvloeden migratie16. Zoals in vivo NC migratie is moeilijk te volgen voor lange perioden in de muis, het is onduidelijk of deze soorten verschillen weerspiegelen verschillende vormen van migratie, of verschillen in de moleculaire regulering.
Zoals opgemerkt, NC studies in muis zijn zeer uitdagend, omdat de ex-utero cultuur van embryo’s is bewerkelijk. Bovendien is de NC voortdurend in intiem contact met aangrenzende weefsels zoals mesoderm en neurectoderm. Recent gebruik van neurale Crest-specifieke CRE -Stuurprogramma’s of exogene kleurstoffen heeft ons de mogelijkheid gelaten de migratie-NC te laten labelen; deze benaderingen zijn echter nog steeds beperkt. Ondanks meerdere rapporten waarin verschillende technieken worden beschreven om de NC-migratie te visualiseren17,18, is het moeilijk om deze technieken op te lossen in een eenvoudige en routinematige procedure.
Het is duidelijk dat er behoefte is aan technieken die de hantering en karakterisering van zoogdier NC mogelijk maken. We richtten onze inspanningen op de muis craniale NC omdat het het primaire model is voor het bestuderen van menselijke craniofaciale ontwikkeling en neurocristopathies. We hebben onze aanpak verfijnd op basis van verschillende interessante rapporten waarin de primaire cultuur van NC-cellen19,20,21wordt beschreven. Hier beschrijven we grondig de optimale cultuur technieken voor het explanteren van primaire NC-cellen. We demonstreren de Live Cell imaging-methode en het optimale gebruik van verschillende matrices om de cultuur platen te Coat. Ons protocol beschrijft hoe de migratie van levende NC-cellen wordt vastgelegd met behulp van een omgekeerde Microscoop, die bedoeld is als richtsnoer voor gebruik met andere microscopen, evenals een gedetailleerde samenvatting van onze cellulaire analyses.
Het verwachte resultaat van de explant moet een prachtig aangelegde verdeling zijn van cellen die duidelijk worden onderscheiden onder de Microscoop, waarbij men drie verschillende populaties cellen kan zien die (i) neurale plaat vertegenwoordigen, (II) voortrek kende, en, (III) migratie neurale Crest cellen. We laten zien hoe het Celgedrag aan de grens van de migratie populatie van cellen wordt geanalyseerd tijdens de epitheel-mesenchymale overgang. We concentreerden ons ook op het bestuderen van volledig migrerende cellen voor celsnelheid, afstand en celmorfologie.
Het bestuderen van de neurale Crest-cellen in zoogdieren is voor wetenschappers een uitdaging geweest vanwege de in utero aard van de ontwikkeling van zoogdieren. In vivo studies zijn moeilijk op te zetten, omdat het embryo moet worden gemanipuleerd onder omstandigheden die het leven in de baarmoeder nabootsen. In de praktijk is het bijna onmogelijk om deze (E8 +) embryo’s langer dan 24 uur te reproducen, vooral voor Live beeldvorming. Bovendien, neurale Crest inductie en migratie optreden gelijktijdig met neurale buis sluiting en embryonale draaien in de muis; Dit is een cruciale en stressvolle morfogenetische gebeurtenis, die vaak faalt wanneer embryo’s worden gekweekt ex utero. Zo is het succespercentage van ex-utero -benaderingen over het algemeen laag. Het gebruik van vereeuwigd NC-cellen21 is een nuttig hulpmiddel om dierlijk gebruik te verminderen en het kan een betere bron van neurale Crest-cellen bieden voor langetermijnanalyse, transfectie en verrijkings studies. Echter, er is duidelijk een behoefte om betrouwbare cultuur primaire neurale Crest cellen. Onze methode is van toepassing op de muis knock-out of voorwaardelijke genetische modellen. Een vergelijkbare methode voor de onze is beschreven voor andere neurale kuif populaties20; echter, onze methode grondig beschrijft de stap-voor-stap isolatie van Murine craniale NC cellen. We beschrijven ook het gebruik van verschillende matrices en de migratie-analyseprocedure in detail.
Om tot consistente resultaten te komen, constateerden we dat bijzondere aandacht werd besteed aan het klaarzetten tijdens de selectie van embryo’s. Niet verrassend, het aantal somieten correleert met verschillende stadia in craniale NC ontwikkeling. Daarom is de kennis van de embryo anatomie zeer belangrijk voordat er experimentele gegevens worden verworven. Deze aanpak kan vervolgens worden aangepast naar het isoleren van discrete populaties van neurale Crest cellen, afhankelijk van de biologische vraag en de doelcellen.
Zodra de embryo’s zijn geselecteerd en ontleed, kunnen mesodermale cellen gemakkelijk worden onderscheiden en moeten ze worden verwijderd om een betere visualisatie mogelijk te maken en verontreiniging te verminderen. Voor langere-termijn culturen, de neurale plaat weefsel kan worden verwijderd bij 24 h van plating om besmetting door zenuwweefsel te voorkomen. Een verdere verfijning zou kunnen zijn het gebruik van fluorescerende Lineage labeling (bijvoorbeeld met behulp van een Wnt1:: CRE of Sox10:: creert drivers in combinatie met fluorescerende verslaggevers24,25) om te onderscheiden van neurale Crest cellen van andere weefsels zoals weergegeven in figuur 2c.
Eerdere rapporten hebben gewezen op het potentieel van plating muis NC explant culturen op verschillende matrices, meestal op commerciële ECM hydrogels, fibronectin en collageen I20,21,26. In onze handen worden muis craniale NC-explant culturen met succes geteeld op alle drie de matrices, in concentraties die in originele rapporten zijn gespecificeerd (gegevens worden niet weergegeven). De initiële verfijnde aanpak die we hebben aangepast voor onze NC-explant culturen gebruikten een commerciële hydrogel als de matrix van keuze, die voornamelijk bestond uit laminine en collageen21(Figuur 3A – B). Echter, de samenstelling van deze hydrogel is niet duidelijk gedefinieerd, met onbekende groeifactor en eiwitgehalte. Als zodanig hebben we sindsdien onze aanpak verschoven naar plating muis NC explant culturen op fibronectin (Figuur 3C – D). Fibronectin is goed gedefinieerd en sterk uitgedrukt in de ECM-en kelder membranen waarlangs NC-cellen migrerenin vivo28,29,30. Om een fibronectin-matrix te optimaliseren die het beste de neurale Crest-Celmigratie en-morfologie repliceert zoals gezien met behulp van de hydrogel, hebben we NC-celgedragingen vergeleken die werden tentoongesteld op de hydrogel tegen een titratie van 0,25 – 30 μg/mL fibronectine, en 1 μg/mL fibronectin gedefinieerd als het verstrekken van ideale eigenschappen (gegevens niet weergegeven). Wij zijn van mening dat dit voorbereidende werk kan bijdragen tot de totstandbrenging van een kader voor de systematische vergelijking van matrices, zoals fibronectine, tegen de eerder beschreven, namelijk collageen en laminine32,33,34. Het zou vooral interessant zijn om de muis NC-Celmigratie capaciteit op fibronectin versus collageen I te vergelijken, gezien het feit dat collageen-IA1 endogeen wordt uitgescheiden door de muis, aviaire en menselijke NC-cellen28,30,31,32. Collageen I is daarom even relevant als fibronectin bij de afweging van matrix keuze. Het is ook de moeite waard te erkennen dat de biologische beschikbaarheid van groeifactoren in de media kan worden gewijzigd door verschillende matrix componenten, vooral gezien het hoge serum gehalte van onze media. Om dit te overwinnen, werken we momenteel aan het produceren van serum vrije gedefinieerde cultuuromstandigheden. Deze gedefinieerde media worden met succes gebruikt in neurale Crest-inductie protocollen in het pluripotente stamcel veld, maar vereisen verdere optimalisatie voor ons NC explant cultuur systeem33,34. Ons werk kan ook dienen als uitgangspunt voor de raffinage van andere soorten NC-cellen zoals hart-en romp-NC, en voor latere studies van NC-differentiatie. Het belangrijkste is dat dit protocol de isolatie van craniale NC-cellen voor een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk maakt. We voor ogen studies over gerichte migratie, 3D-migratie en invasie. Cellen die op deze manier zijn geïsoleerd, kunnen worden behandeldin vitrovoor een aantal analyses. Cellen kunnen bijvoorbeeld gemakkelijk worden behandeld met verschillende kleine moleculen om specifieke eiwitten te targeten, ze kunnen op gedefinieerde tijdstippen worden behandeld en wegwassende werking-experimenten kunnen worden ontworpen om het herstel van het Celgedrag te bepalen (Figuur 4). Langere termijn cultuur voor transfectie en differentiatie assays is mogelijk, evenals passage van cellen (gegevens niet weergegeven). De levensvatbaarheid, de capaciteit van de celvernieuwing en de multi potentie moeten echter na het doorvoeren worden gevalideerd. De op glas dekstroken geplateerde cellen kunnen ook worden gebruikt in immunofluorescentie kleurings protocollen, na Live beeldvorming. Ten slotte vertegenwoordigt deze aanpak een enorm krachtig systeem voor het bestuderen van migratie van NC van genetische Muismodellen22,23,24,25.
The authors have nothing to disclose.
We zijn de King’s College London Biological Services unit dankbaar, met name Tiffany Jarvis en Lynsey Cashnella voor hun voortdurende steun. We danken Derek Stemple, Mamoru Ishii en Robert Maxson voor advies en hulp met reagentia tijdens de eerste oprichting van dit protocol. We danken Dheraj Taheem voor hulp bij gamma-bestraling van STO-cellen. Wij danken de Liu en Krause Labs, vooral Tommy Pallett, voor de grote steun. Dit werk werd gefinancierd door subsidies van de BBSRC (BB/R015953/1 tot KJL/MK), een student van het MRC doctoraatsprogramma (LD), Newland Pedley Fund (ALM) en KRIPI’S II, algemeen secretariaat van onderzoek en technologie (GSRT), ministerie van onderwijs en religieuze Zaken, Griekenland en Fondation Santé (naar SGGM).
bFGF | R&D systems | 233-FB | |
b-mercaptoethanol | Gibco | 31350-010 | |
Tissue culture flasks | Corning | 430639 | 25cm2 culture flasks |
DMEM (4500 mg/L glucose) | Sigma | D5671 | |
Dulbecco's phosphate-buffered saline (dPBS) | Sigma | D8537 | |
Ethanol | Fisher Chemicals | E/0650DF/C17 | |
Fetal Bovine Serum | Sigma | TFS AA 10-155 | |
Fetal Bovine Serum (ES Cell FBS) | Gibco | 26140079/16141-079 | |
Fibronectin bovine plasma | Sigma | F1141 | |
Gelatin from bovine skin | Sigma | G9382 | |
L-glutamine | Sigma | G7513 | |
Glass-bottomed, multi-well 24-well tissue culture plate | Ibidi | 82406 | Glass-bottomed, No 1.5, 24-well tissue culture dish with black sides |
Cell migration analysis tool | Ibidi | v2.0 | Manuals for this software can be found at: https://ibidi.com/manual-image-analysis/171-chemotaxis-and-migration-tool.html. |
Circularity Plug-in | ImageJ | v1.29 or later | The circularity plug-in is an extended version of ImageJ/Fiji’s Measure command, designed by Rasband, W., (2000) (wsr@nih.gov). |
LIF | ESGRO by Millipore | ESG1106 | |
Manual Cell Tracking Plug-in | ImageJ | v1.34k or later | ref Cordelieres F. Institut Curie, Orsay (France) 2005 |
Microscope Image Analysis Software | Universal Imaging Corporation | 6.3r7 | MetaMorph Software Series 6.3r7 |
MEM non-essential aminoacids 100X | Gibco | 11140-050 | |
Matrigel (ECM-based Hydrogel) | Corning | 356234 | |
Microscope | Olympus | 1X81 | Olympus 1X81 inverted microscope |
Microscope camera | Photometrics | 512B | Photometrics Cascadell 512B camera (4x UPlanFL N, 10x UPlanFL N, 20x UPlanFL N, 40x UPlanFL N objectives) |
Microscope controller | Olympus | 1X2-UCB | Olympus 1X2-UCB microscope controller |
Microscope temperature controller | Solent Scientific | RS232 | Maintained at 37°C |
Penicillin/streptomycin | Sigma | A5955 | |
Sodium Pyruvate | Sigma | S8636 | |
Statistics software | Graphpad Prism | v7.0 | |
STO feeder cells | ATCC | CRL-1503 | |
Stereomicroscope | Nikon | SMZ | |
XY microscope stage controller | Applied Scientific Instrumentation (ASI) | MS-4400 |