Hier wird ein Protokoll für die Zeitrafferbildgebung der Augenmorphogenese mit einem handelsüblichen Lightsheet-Mikroskop und einer Bildverarbeitungs-Workstation zur Analyse der resultierenden Daten bereitgestellt. Dieses Protokoll beschreibt die Verfahren für die Anästhesie des Embryos, die Einbettung in Agarose mit niedriger Schmelztemperatur, die Suspension in der Bildgebungskammer, die Einrichtung der Bildgebungsparameter und schließlich die Analyse der Bilddaten mithilfe von Bildanalysesoftware.
Die Entwicklung von Wirbeltierenaugen ist ein komplexer Prozess, der gegen Ende der Embryogastrulation beginnt und die präzise Koordination der Zellmigration, -proliferation und -differenzierung erfordert. Die Zeitraffer-Bildgebung bietet einzigartige Einblicke in das Verhalten von Zellen während der Augenentwicklung, da sie es uns ermöglicht, die Okulogenese in vivo zu visualisieren. Zebrafische sind ein hervorragendes Modell, um diesen Prozess aufgrund ihres hochgradig konservierten Wirbeltierauges und ihrer Fähigkeit, sich schnell und extern zu entwickeln und gleichzeitig optisch transparent zu bleiben, zu visualisieren. Zeitraffer-Bildgebungsstudien zur Entwicklung von Zebrafischaugen werden durch die Verwendung der transgenen Zebrafischlinie Tg(rx3:GFP) erheblich erleichtert. Im sich entwickelnden Vorderhirn markiert die rx3: GFP-Expression die Zellen des einzelnen Augenfeldes, und GFP wird weiterhin exprimiert, wenn das Augenfeld evaginatiert, um ein optisches Vesikel zu bilden, das dann invaginiert, um eine optische Tasse zu bilden. Die hochauflösende Zeitrafferbildgebung der rx3: GFP-Expression ermöglicht es uns daher, das Augenprimordium durch die Zeit zu verfolgen, während es sich zur Netzhaut entwickelt. Die Lightsheet-Mikroskopie ist eine ideale Methode, um die okuläre Morphogenese im Laufe der Zeit abzubilden, da sie dickere Proben für die Fluoreszenzbildgebung durchdringen, Photobleichen und Phototoxizität minimieren und mit hoher Geschwindigkeit abbilden kann. Hier wird ein Protokoll für die Zeitrafferbildgebung der Augenmorphogenese mit einem handelsüblichen Lightsheet-Mikroskop und einer Bildverarbeitungs-Workstation zur Analyse der resultierenden Daten bereitgestellt. Dieses Protokoll beschreibt die Verfahren für die Anästhesie des Embryos, die Einbettung in Agarose mit niedriger Schmelztemperatur, die Suspension in der Bildgebungskammer, die Einrichtung der Bildgebungsparameter und schließlich die Analyse der Bilddaten mithilfe von Bildanalysesoftware. Der resultierende Datensatz kann wertvolle Einblicke in den Prozess der Augenmorphogenese sowie in Störungen dieses Prozesses infolge genetischer Mutationen, Exposition gegenüber pharmakologischen Agenzien oder anderen experimentellen Manipulationen liefern.
Die Embryonalentwicklung ist ein komplexer Prozess, der die präzise Koordination vieler verschiedener Ereignisse erfordert. Die Bildung des Wirbeltierauges beginnt im sich entwickelnden Vorderhirn, wo ein Teil der Zellen als Augenfeld spezifiziert ist. Diese Zellen evaginalieren in Richtung des Oberflächenektoderms, wodurch zwei bilaterale optische Vesikelentstehen 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Der Kontakt mit dem Oberflächenektoderm induziert dann eine Invagination des optischen Vesikels in einen optischen Becher. Das Oberflächenektoderm führt zu den vorderen Strukturen des Auges, wie der Linse und der Hornhaut, während der Sehbecher die neuronale Netzhaut und das retinale pigmentierte Epithel 1,2,3,5,6,7,8,9,10,11,12 hervorbringt. . Störungen in diesem Prozess können zu angeborenen Defekten wie Mikrophthalmie, Anaphthalmie und Kolobom (MAC) führen. Derzeit gibt es keine Möglichkeiten, diese Mängelzu beheben 3,5,6,7,9,10,11,12. Weitere Studien zu den Mechanismen der Augenmorphogenese und den Problemen, die zu MAC führen können, werden eine Wissensgrundlage liefern, die möglicherweise zu Behandlungen führen wird. Ein leistungsfähiges Werkzeug, um das dynamische Verhalten von Zellen während der Augenentwicklung zu untersuchen, ist die Zeitraffer-Bildgebung, mit der dieser Prozess in vivo und in Echtzeit visualisiert und charakterisiert werden kann.
Zebrafische (Danio rerio) sind ein hervorragendes Modell, um die frühe Augenentwicklung mit Hilfe der Zeitrafferbildgebung zu visualisieren. Sie haben ein hochkonserviertes Wirbeltierauge und besitzen die Fähigkeit, sich schnell und äußerlich zu entwickeln, während sie optisch transparentbleiben 1. Zebrafische bieten aufgrund dieser Eigenschaften, die Säugetiermodellen fehlen, eine großartige Ressource für die Zeitrafferbildgebung. Zeitraffer-Bildgebungsstudien zur Entwicklung von Zebrafischaugen werden durch die Verwendung der transgenen Zebrafischlinie Tg(rx3:GFP)13 erheblich erleichtert. Rx3 (Retinal homeobox protein 3) ist ein Transkriptionsfaktor, der für die Augenentwicklung essentiellist 14. Rx3 ist das erste der drei rx-Gene im Zebrafisch, das exprimiert wird, beginnend mit seiner Expression in der Mitte der Gastrulation, etwa 8 h nach der Befruchtung (hpf)15,16. Das rx3:GFP-Transgen kann im sich entwickelnden Vorderhirn ab dem 1-Somite-Stadium (ss), ca. 10 hpf 15,17,18,19,20, sichtbar gemacht werden. Im sich entwickelnden Vorderhirn markiert die rx3: GFP-Expression die Zellen des einzelnen Augenfeldes, und GFP (grün fluoreszierendes Protein) wird weiterhin durch den Rest der Augenmorphogenese exprimiert. Die hochauflösende Zeitrafferbildgebung der rx3: GFP-Expression ermöglicht es uns daher, das einzelne Augenfeld durch die Zeit zu verfolgen, während es sich zur Netzhaut17,18,20 entwickelt.
Zeitraffer-Bildgebungsstudien zur Entwicklung von Zebrafischen wurden hauptsächlich mit konfokaler oder Lightsheet-Mikroskopie durchgeführt. Die konfokale Mikroskopie ist insofern von Vorteil, als sie die präzise Abbildung von Proben entlang der z-Achse ermöglicht und das fluoreszierende Hintergrundsignal reduziert. Es ist jedoch begrenzt durch die Zeit, die benötigt wird, um ein Bild aufzunehmen, die Steifigkeit der Probenposition und seine Neigung zum Photobleichen und zur Phototoxizität lebender Proben. Die Lightsheet-Mikroskopie ist eine ideale Methode zur Abbildung der okulären Morphogenese im Laufe der Zeit aufgrund ihrer Fähigkeit, dickere Proben für die Fluoreszenzbildgebung zu durchdringen, erhöhte Flexibilität in der Probenorientierung, minimierte Photobleiche und Phototoxizität und Bildgebung mit hoher Geschwindigkeit 21,22,23,24,25,26,27,28,29,30 ,31. Die mit aktuellen Lichtblatt-Mikrokopiersystemen erreichbare räumliche Auflösung beträgt ca. 250-500 Nanometer (nm). Obwohl sich dies nicht wesentlich von dem unterscheidet, was mit konfokaler Mikroskopie erreicht werden kann, kann die Probe frei gedreht und aus mehreren Winkeln abgebildet werden, was sowohl die Bildgebungstiefe als auch die Auflösung verbessert und eine viel größere Flexibilität für In-vivo-Zeitraffer-Bildgebungsexperimente bietet als die konfokale Plattform27,32 . Aus diesen Gründen wird die Lightsheet-Mikroskopie schnell zur bevorzugten Methode für Zeitraffer-Bildgebungsstudien der Zebrafischentwicklung. Dieses Protokoll beschreibt die Schritte zur Quantifizierung der Okkulologenese durch die Bildgebung von Rx3:GFP transgenen Zebrafischen mit einem kommerziell erhältlichen Lightsheet-Mikroskop33 und beschreibt eine Pipeline für die Bildanalyse mit der arivis Softwareplattform.
In diesem Protokoll wurde das Lightsheet-Mikroskop verwendet, um Zeitraffer-Bildgebung der Augenentwicklung durchzuführen und die resultierenden Daten wurden analysiert. Der resultierende Datensatz kann wertvolle Einblicke in den Prozess der Augenmorphogenese sowie Störungen dieses Prozesses infolge genetischer Mutationen, Exposition gegenüber pharmakologischen Wirkstoffen oder anderen experimentellen Parametern liefern. Hier demonstrierte das Protokoll, wie dieser Datensatz erhalten werden kann und lieferte ein Beispiel dafür, wie das Volumen des Augenfeldes durch frühe Entwicklung analysiert werden kann. Diese Daten erwiesen sich als reproduzierbar und konsistent (weniger als 10% Variation des Volumens) über biologische Replikate hinweg, wobei zu berücksichtigen ist, dass geringfügige Unterschiede in der Staging-Phase des Embryos vor Beginn des Durchlaufs zu einer gewissen Variation der endgültigen Volumenmessungen führen können.
Bei der anfänglichen Positionierung des Embryos in der Kapillare und bei der Positionierung des eingebetteten Embryos vor dem Ziel ist Vorsicht geboten. Die Orientierung spielt eine wichtige Rolle, um zu verhindern, dass der Embryo wächst und sich aus der Sicht des Ziels bewegt. Die Embryonen haben eine runde Form bei 10 hpf, was es schwierig macht, eine bestimmte Orientierung in der Kapillare zu gewährleisten. Idealerweise wird der Körper des Embryos seitlich in der Kapillare positioniert. Das Laden mehrerer Embryonen in die Kapillare erhöht die Wahrscheinlichkeit, einen gut positionierten Embryo zu haben.
Bei diesem Verfahren wird der Embryo in Agarose eingebettet, um ihn vor den Bildgebungs- und Beleuchtungszielen zu suspendieren. Die Wahl der richtigen Konzentration der Agarose mit niedriger Schmelztemperatur ist von entscheidender Bedeutung. Eine zu hohe Konzentration wird den Embryo einengen und verhindern, dass er sich richtig entwickelt; Eine zu geringe Konzentration führt dazu, dass die Agarose auseinanderfällt und den Embryo nicht hält. Die für dieses Protokoll optimale Konzentration ist eine Endkonzentration von 1% niedriger SchmelztemperaturAgarose 30,31.
Ein weiteres Element, das berücksichtigt werden sollte, ist der Sättigungsgrad. Wenn das Augenfeld wächst und sich differenziert, verstärkt sich die Stärke des Rx3:GFP-Signals. Daher sollten bei der Einstellung der anfänglichen Bildgebungsparameter die Belichtung und die Laserleistung reduziert werden, um das Bild zu untersättigen. Dadurch wird verhindert, dass das Bild übersättigt wird, da der Rx3:GFP im Laufe der Zeit heller wird. Es können Änderungen vorgenommen werden, um die Untersättigung in der Bildverarbeitung zu korrigieren, aber die Übersättigung kann nicht korrigiert werden, nachdem die Bilder aufgenommen wurden.
Es gibt einige zusätzliche Änderungen, die an diesem Protokoll vorgenommen werden können, die für einige Projekte, die in diesem Dokument nicht beschrieben werden, von Vorteil sein können. Beispielsweise ist es möglich, Multiview Imaging in der Bilderfassung einzurichten. Dieser Parameter würde es ermöglichen, mehrere Embryonen an verschiedenen Positionen entlang der y-Achse in jedem Zeitintervall sequentiell abzubilden. Während es den Datensatz komplexer macht, würde es die Rate der Datenerfassung erhöhen. Darüber hinaus ist es in Bezug auf die Bildverarbeitung möglich, das Augenfeld durch andere Parameter zu quantifizieren. Hier haben wir beschrieben, wie man die Daten in Bezug auf das Augenfeldvolumen quantifizieren kann. Alternativ könnte eine Pipeline erstellt werden, um einzelne Zellen zu quantifizieren und zu verfolgen oder die Rate der optischen Vesikelevagination zu bestimmen.
Wie bereits erwähnt, wurden sowohl konfokale als auch Lightsheet-Mikroskopie verwendet, um Zeitraffer-Bildgebungsstudien von Zebrafischen durchzuführen. Lightsheet wurde speziell für dieses Projekt ausgewählt, da es eine überlegene Fähigkeit hat, durch eine dicke (>1 mm) Probe zu fotografieren, weil es mit einer Inkubationseinheit ausgestattet ist, um eine ideale Temperaturumgebung für den Zebrafischembryo aufrechtzuerhalten, und weil seine Fähigkeit, schneller als die konfokale Mikroskopie abzubilden, eine Bildaufnahme in den zahlreichen Zeitintervallen ermöglicht, die für dieses Protokoll erforderlich sind, keine begleitende Beschädigung oder Photobleiche des Embryos21, 22,23,24,25,26,27,28,29,30,31. Es ist auch wichtig zu beachten, dass das Lightsheet-Mikroskop so ausgestattet ist, dass es das Signal von mehreren Fluorophoren abbildet. Das in dieser Studie verwendete Lightsheet-Mikroskop verfügt über Festkörperlaser-Anregungslinien bei 405, 445, 488, 515, 561 und 638 nm, die für die Abbildung transgener Embryonen nützlich sein könnten, die mehr als ein fluoreszierendes Reportertransgen exprimieren.
Während dieses Protokoll Anweisungen für die Bildaufnahmeanalyse speziell mit dem Lightsheet Z.1 Dual Illumination Microscope System und der arivis Vision4D-Analysesoftware enthält, gibt es andere kommerziell erhältliche Lightsheet-Mikroskope von Leica, Olympus und Luxendo sowie Bildanalysesoftware von Imaris, mit denen ähnliche Ergebnisse erzielt werden können. Die Auswahl der Ausrüstung und Software für dieses Protokoll wurde durch die Verfügbarkeit in unserem Institut bestimmt.
Zusammenfassend wird erwartet, dass dieses Protokoll einen soliden Ausgangspunkt für die Durchführung von Zeitrafferbildern mit Lightsheet-Mikroskopie und für die Bildquantifizierung der frühen Augenentwicklung bei Zebrafischen bieten wird.
The authors have nothing to disclose.
Die in dieser Veröffentlichung berichtete Forschung wurde vom Büro des Direktors der National Institutes of Health (NIH) unter der Preisnummer S10OD020067 und vom NIH-Preis R01EY021769 (an A.C.M.) unterstützt. Wir danken Doug Harrison und Jim Begley im Arts & Sciences Imaging Center der University of Kentucky und Lucas Vieira Francisco und Evelyn M. Turnbaugh für die fachkundige Pflege von Zebrafischen.
60mL Syringe Luer-Lok Tip | BD | 309653 |
Agarose, Low Melting Temperature | Promega | V2111 |
arivis Vision4D Software | arivis | https://www.arivis.com/en/imaging-science/arivis-vision4d |
Dumoxel N3C Forceps | Dumont | 0203-N3C-PO |
E3 fish buffer (5 mM NaCl, 0.17 mM KCl, 0.33 mM CaCl2, 0.33 mM MgSO4) | ||
Glass Capillary – Size 2 (~1mm) | Zeiss | Black/701904 |
Heidelberger Extension Line 100cm | B. Braun | 4097262 |
Light & Filter Set – Royal Blue | Night Sea | SFA-LFS-RB |
Petri Dish (100 x 15 mm) | VWR | 25384-302 |
Stereomicroscope Fluorescence Adapter | NightSea | |
Teflon Tipped Plunger – Size 2 | Zeiss | #701997 |
Tg(rx3:GFP) zebrafish | This line was established by Rembold et al.13 | |
Tricaine (MS222) | Sigma | A-5040 |
Z.1 Lightsheet | Zeiss | |
Zen Software | Zeiss | https://www.zeiss.com/microscopy/us/products/microscope-software/zen.html |