هنا ، نصف الأدوات والأساليب الحسابية التي تسمح بتصور وتحليل بيانات الصور ثلاثية ورباعية الأبعاد لأجنة الفئران في سياق الاستطالة المحورية والتقسيم ، والتي تم الحصول عليها عن طريق التصوير المقطعي بالإسقاط البصري ، وعن طريق التصوير الحي وتلطيخ التألق المناعي الكامل باستخدام المجهر متعدد الفوتونات.
Somitogenesis هو السمة المميزة للتطور الجنيني الفقاري. لسنوات ، كان الباحثون يدرسون هذه العملية في مجموعة متنوعة من الكائنات الحية باستخدام مجموعة واسعة من التقنيات التي تشمل النهج خارج الجسم الحي وفي المختبر. ومع ذلك ، لا تزال معظم الدراسات تعتمد على تحليل بيانات التصوير ثنائية الأبعاد (2D) ، مما يحد من التقييم السليم لعملية تنموية مثل الامتداد المحوري وتكوين السوميتوجينيسيس التي تنطوي على تفاعلات ديناميكية للغاية في مساحة 3D معقدة. هنا نصف التقنيات التي تسمح للفأر بالحصول على التصوير الحي ، ومعالجة مجموعة البيانات ، والتصور والتحليل في 3D و 4D لدراسة الخلايا (على سبيل المثال ، أسلاف الجلد المتوسط العصبي) المشاركة في هذه العمليات التنموية. كما نقدم بروتوكولا خطوة بخطوة للتصوير المقطعي بالإسقاط البصري والمجهر المناعي الكامل في أجنة الفئران (من إعداد العينات إلى الحصول على الصور) ونظهر خط أنابيب قمنا بتطويره لمعالجة وتصور بيانات صورة 3D. نحن نوسع نطاق استخدام بعض هذه التقنيات ونسلط الضوء على ميزات محددة لمختلف البرامج المتاحة (على سبيل المثال ، فيجي / ImageJ ، Drishti ، Amira و Imaris) التي يمكن استخدامها لتحسين فهمنا الحالي للامتداد المحوري وتشكيل somite (على سبيل المثال ، إعادة بناء 3D). بشكل عام ، تؤكد التقنيات الموصوفة هنا على أهمية تصور وتحليل البيانات ثلاثية الأبعاد في البيولوجيا التنموية ، وقد تساعد الباحثين الآخرين على معالجة بيانات الصور ثلاثية الأبعاد و 4D بشكل أفضل في سياق الامتداد المحوري للفقاريات وتجزئتها. وأخيرا، يستخدم العمل أيضا أدوات جديدة لتسهيل تعليم التطور الجنيني للفقاريات.
تشكيل محور جسم الفقاريات هو عملية معقدة للغاية وديناميكية تحدث أثناء التطور الجنيني. في نهاية عملية المعدة [في الفأر ، حول اليوم الجنيني (E) 8.0] ، تصبح مجموعة من الخلايا السلفية الفوقية المعروفة باسم أسلاف الجلد المتوسط العصبي (NMPs) محركا رئيسيا للامتداد المحوري في تسلسل الرأس إلى الذيل ، مما يولد الأنبوب العصبي وأنسجة الجلد المتوسط الباراكسي أثناء تكوين الرقبة والجذع والذيل1،2،3،4 . ومن المثير للاهتمام ، يبدو أن الموقع الذي تشغله هذه NMPs في الأرومة الذيلية يلعب دورا رئيسيا في قرار التمايز إلى الأديم المتوسط أو الأديم العصبي5. على الرغم من أننا نفتقر حاليا إلى بصمة جزيئية دقيقة ل NMPs ، إلا أنه يعتقد عموما أن هذه الخلايا تشترك في التعبير عن T (Brachyury) و Sox2 5,6. الآليات الدقيقة التي تنظم قرارات مصير NMP (أي ما إذا كانت تتخذ طرقا عصبية أو متوسطة الجلد) بدأت فقط في التحديد بدقة. تعبير Tbx6 في منطقة الخط البدائي هو علامة مبكرة على قرار مصير NMP ، حيث يشارك هذا الجين في تحريض ومواصفات الأديم المتوسط 6,7. ومن المثير للاهتمام ، يبدو أن خلايا الأديم المتوسط المبكرة تعبر عن مستويات عالية من Epha18 ، وإشارات Wnt / β-catenin ، وكذلك Msgn1 ، كما تبين أنها تلعب أدوارا مهمة في تمايز الأديم المتوسط الباراكسي وتكوين السوميت 9,10. من المؤكد أن التحليل المكاني الزماني الكامل ل NMPs على مستوى خلية واحدة سيكون مفيدا لفهم الآليات الجزيئية التي تتحكم في مواصفات الأديم المتوسط بشكل كامل.
تشكيل سوميت (سلائف الفقرات) هو سمة رئيسية من سمات الفقاريات. أثناء الاستطالة المحورية ، يصبح الأديم المتوسط الباراكسالي مجزأ في سلسلة من الوحدات المتكررة الثنائية المعروفة باسم somites. يختلف عدد السوميت والوقت اللازم لتشكيل شرائح جديدة بين الأنواع11,12. يتضمن تكوين السوميتوجينيسيس تذبذبات إشارات دورية (تعرف باسم “ساعة التجزئة”) يمكن ملاحظتها من خلال التعبير الدوري لعدة جينات من مسارات إشارات Notch و Wnt و Fgf في الأديم المتوسط قبل الوهمي (على سبيل المثال ، Lfng) 11,12. يفترض النموذج الحالي لتكوين السوميتوجينيسيس أيضا وجود “جبهة موجية للنضج” ، وهي سلسلة من تدرجات الإشارات المعقدة التي تنطوي على إشارات Fgf و Wnt وحمض الريتينويك التي تحدد موضع الحدود الخلفية لكل سوميت جديد. ولذلك فإن التفاعل المنسق بين “ساعة التجزئة” و “الجبهة الموجية للنضج” أمر أساسي لتوليد وحدات سلائف الفقرات هذه لأن الاضطرابات في هذه العمليات المورفوجينية الرئيسية يمكن أن تؤدي إلى الفتك الجنيني أو إلى تكوين تشوهات خلقية (مثل الجنف) 13،14،15.
على الرغم من التطورات الحديثة الكبيرة في تقنيات التصوير وطرق وبرامج تحليل الصور الحيوية ، فإن معظم دراسات الاستطالة المحورية وتكوين السميتوجينيا لا تزال تعتمد على بيانات الصور ثنائية الأبعاد المفردة / المعزولة (على سبيل المثال ، الأقسام) ، والتي لا تسمح بتصور كامل متعدد الأبعاد للأنسجة ويعقد التمييز الواضح بين التشوهات المرضية (أي بسبب الطفرات) مقابل التباين المورفولوجي الطبيعي الذي يحدث أثناء التطور الجنيني16 . وقد كشف التصوير في 3D بالفعل عن حركات مورفوجينية جديدة ، لم يتم تحديدها سابقا من خلال الطرق القياسية ثنائية الأبعاد17،18،19،20 ، مما يسلط الضوء على قوة التصوير في toto لفهم آليات تكوين الفقاريات والامتداد المحوري.
يعد الفحص المجهري 3D و 4D لأجنة الفئران ، وخاصة التصوير الحي ، تحديا تقنيا ويتطلب خطوات حاسمة أثناء إعداد العينات والحصول على الصور والمعالجة المسبقة للبيانات من أجل السماح بتحليل مكاني وزماني دقيق وذي مغزى. هنا ، نصف بروتوكولا مفصلا للتصوير الحي وتلطيخ التألق المناعي الكامل لأجنة الفئران ، والذي يمكن استخدامه لدراسة كل من NMPs وخلايا الجلد المتوسط أثناء التمديد المحوري والتقسيم. بالإضافة إلى ذلك ، نصف أيضا بروتوكولا للتصوير المقطعي بالإسقاط البصري (OPT) للأجنة والأجنة الأكبر سنا ، والذي يسمح ب 3D في تصور toto وتحديد كمية التشوهات المرضية التي يمكن أن تنتج عن مشاكل أثناء تكوين السوميتوجينيسيس (على سبيل المثال ، اندماج العظام والجنف) 13،21،22. أخيرا ، نوضح قوة إعادة بناء التصوير 3D في دراسة وتدريس تجزئة الفقاريات والاستطالة المحورية.
الاستطالة المحورية والتقسيم هما من أكثر العمليات تعقيدا وديناميكية التي تحدث أثناء التطور الجنيني للفقاريات. تم تطبيق استخدام التصوير ثلاثي الأبعاد و 4D مع تتبع خلية واحدة ، لبعض الوقت ، لدراسة هذه العمليات في كل من أجنة الزرد والدجاج ، والتي تسهل ظروف الوصول إليها واستزراعها التصوير الم?…
The authors have nothing to disclose.
نود أن نشكر أوليفييه بوركييه وألكسندر أوليهلا على سلالة مراسل LuVeLu ، ومختبر SunJin لعينة اختبار RapiClear ، وهوغو بيريرا على المساعدة في استخدام BigStitcher ، ونونو غرانجيرو للمساعدة في إعداد جهاز التصوير الحي ، ومرفق الحيوانات التابع للجنة الحكومية الدولية والأعضاء السابقين والحاليين في مختبر Mallo للحصول على تعليقات ودعم مفيدين خلال هذا العمل.
ونشكر الدعم التقني المقدم من مرفق التصوير المتقدم التابع للجنة الحكومية الدولية، والذي يدعمه التمويل البرتغالي المرجع #PPBI-POCI-01-0145-FEDER-022122 والمرجع رقم PTDC/BII-BTI/32375/2017، الذي يشترك في تمويله برنامج لشبونة التشغيلي الإقليمي (لشبونة 2020)، بموجب اتفاق الشراكة البرتغالي لعام 2020، من خلال الصندوق الأوروبي للتنمية الإقليمية (FEDER) ومؤسسة العلوم والتكنولوجيا (FCT، البرتغال). تم دعم العمل الموصوف في هذه المخطوطة من خلال منح LISBOA-01-0145-FEDER-030254 (FCT، البرتغال) و SCML-MC-60-2014 (Santa Casa da Misericórdia، البرتغال) إلى M.M.، والبنية التحتية البحثية Congento، ومشروع LISBOA-01-0145-FEDER-022170، وزمالة الدكتوراه PD/BD/128426/2017 إلى A.D.
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 |