מעקב אחר האבולוציה המכנית של רקמה במהלך סגירת הצינור העצבי של עובר אפרוח
Summary
פרוטוקול זה פותח כדי לנטר לאורך זמן את התכונות המכניות של רקמת הצלחת העצבית במהלך נוירולציה של עובר אפרוח. הוא מבוסס על שילוב של מיקרוסקופ ברילואין ומערכת דגירה על הבמה, המאפשרת הדמיה מכנית חיה של רקמת לוחית עצבית בעוברי אפרוחים בתרבית לשעבר .
Abstract
סגירת צינור עצבי (NTC) היא תהליך קריטי במהלך ההתפתחות העוברית. כישלון בתהליך זה עלול להוביל למומים בתעלה העצבית, ולגרום למומים מולדים או אפילו לתמותה. NTC כוללת סדרה של מנגנונים ברמה גנטית, מולקולרית ומכנית. בעוד רגולציה מכנית הפכה לנושא אטרקטיבי יותר ויותר בשנים האחרונות, היא נותרה במידה רבה לא נחקרת בשל היעדר טכנולוגיה מתאימה לביצוע בדיקות מכניות של רקמות עובריות תלת ממדיות באתרן. בתגובה, פיתחנו פרוטוקול לכימות התכונות המכניות של רקמה עוברית של תרנגולת באופן לא מגע ולא פולשני. זה מושג על ידי שילוב מיקרוסקופ Brillouin קונפוקלי עם מערכת דגירה על הבמה. כדי לחקור את מכניקת הרקמות, עובר טרום תרבית נאסף ומועבר לאינקובטור על הבמה לתרבית אקס אובו . במקביל, התמונות המכניות של רקמת הצלחת העצבית נרכשות על ידי מיקרוסקופ ברילואין בנקודות זמן שונות במהלך הפיתוח. פרוטוקול זה כולל תיאורים מפורטים של הכנת דגימות, יישום ניסויים במיקרוסקופ ברילואין, ונתונים לאחר עיבוד וניתוח. על ידי ביצוע פרוטוקול זה, חוקרים יכולים לחקור את האבולוציה המכנית של רקמה עוברית במהלך ההתפתחות לאורך זמן.
Introduction
מומים בתעלה העצבית (NTDs) הם מומים מולדים חמורים של מערכת העצבים המרכזית הנגרמים על ידי כשלים בסגירת הצינור העצבי (NTC) במהלך ההתפתחות העוברית1. האטיולוגיה של NTDs מורכבת. מחקרים הראו כי NTC כרוך ברצף של תהליכים מורפוגנטיים, כולל הרחבה מתכנסת, כיפוף של הלוח העצבי (למשל, התכווצות אפית), העלאת הקפל העצבי, ולבסוף היצמדות של הקפל העצבי. תהליכים אלה מוסדרים על ידי מנגנונים מולקולריים וגנטיים מרובים 2,3, וכל תקלה בתהליכים אלה עלולה לגרום NTDs 4,5,6. ככל שהראיות המצטברות מצביעות על כך שרמזים מכניים ממלאים תפקידים מכריעים גם במהלך NTC 3,7,8,9,10,11, ונמצאו קשרים בין גנים ורמזים מכניים 12,13,14, זה הופך להיות הכרחי לחקור את הביומכניקה של הרקמה במהלך הנוירולציה.
מספר טכניקות פותחו למדידת התכונות המכניות של רקמות עובריות, כולל אבלציה בלייזר (LA)15, דיסקציה והרפיה של רקמות (TDR)16,17, שאיפת מיקרופיפטה (MA)18, ננו-הזחה19 מבוססת מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM), מיקרו-כניסות (MI) ומיקרו-צלחות (MP)20, מיקרו-ריאולוגיה (MR) עם פינצטה אופטית/מגנטית 21,22,23וחיישנים מבוססי טיפות24., שיטות קיימות יכולות למדוד תכונות מכניות ברזולוציות מרחביות החל מקשקשים תת-תאיים ועד קשקשים רקמתיים. עם זאת, רוב השיטות הללו הן פולשניות מכיוון שהן דורשות מגע עם הדגימה (למשל, MA, AFM, MI ו- MP), הזרקת חומר חיצוני (למשל, MR וחיישנים מבוססי טיפות), או דיסקציה של רקמות (למשל, LA ו- TDR). כתוצאה מכך, זה מאתגר עבור שיטות קיימות כדי לפקח על האבולוציה המכנית של רקמת צלחת עצבית באתרו25. לאחרונה, אלסטוגרפיה של קוהרנטיות אופטית מהדהדת הראתה הבטחה למיפוי מכני ללא מגע ברזולוציה מרחבית גבוהה26.
מיקרוסקופ ברילואין קונפוקלי הוא שיטה אופטית מתפתחת המאפשרת כימות ללא מגע של ביומכניקה של רקמות ברזולוציה תת-תאית 27,28,29,30. מיקרוסקופ ברילואין מבוסס על עקרון פיזור האור הספונטני, שהוא האינטראקציה בין אור הלייזר המאורע לבין הגל האקוסטי הנגרם על ידי תנודות תרמיות בתוך החומר. כתוצאה מכך, האור המפוזר חווה שינוי תדר, המכונה הסטת ברילואין ωR, בעקבות משוואה31:
(1)
כאן, 
הוא מקדם השבירה של החומר, λ הוא אורך הגל של אור האירוע, M הוא המודולוס האורכי, ρ הוא צפיפות המסה, ו-θ היא הזווית בין אור האירוע לאור המפוזר. עבור אותו סוג של חומרים ביולוגיים, היחס בין מקדם השבירה לצפיפות 
הוא קבוע בקירוב 28,32,33,34,35,36. לפיכך, ניתן להשתמש ישירות בשינוי ברילואין כדי להעריך שינויים מכניים יחסיים בתהליכים פיזיולוגיים. ההיתכנות של מיקרוסקופ ברילואין אומתה בדגימות ביולוגיות שונות 29,37,38. לאחרונה הודגמה הדמיה מכנית בהילוך מהיר של עובר אפרוח חי על ידי שילוב של מיקרוסקופ ברילואין עם מערכת דגירה על הבמה39. פרוטוקול זה מספק תיאורים מפורטים של הכנת דגימה, יישום ניסוי ועיבוד וניתוח נתונים לאחר מכן. אנו מקווים שמאמץ זה יאפשר אימוץ נרחב של טכנולוגיית ברילואין ללא מגע לחקר רגולציה ביומכנית בהתפתחות עוברים ומומים מולדים.
Protocol
Representative Results
Discussion
ההתפתחות המוקדמת של העובר יכולה להיות מושפעת בקלות מהפרעות חיצוניות. לכן, נדרשת זהירות מרבית במהלך שאיבת הדגימה והעברתה. בעיה פוטנציאלית אחת היא ניתוק העובר מנייר הפילטר, מה שעלול להוביל להתכווצות קרום הוויטלין ולגרום לממצא מוטה של הצלחת העצבית בדימות ברילואין. יתר על כן, התכווצות זו עלו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכת על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד והתפתחות האדם ע”ש יוניס קנדי שרייבר, המכונים הלאומיים לבריאות (K25HD097288, R21HD112663).
Materials
| 100 mm Petri dish | Fisherbrand | FB0875713 | |
| 2D motorized stage | Prior Scientific | H117E2 | |
| 35 mm Petri dish | World Precision Instruments | FD35-100 | |
| Brillouin Microscope with on-stage incubator | N/A | N/A | This is a custom-built Brillouin Microscope system based on Ref. 30 |
| Chicken eggs | University of Connecticut | N/A | |
| CMOS camera | Thorlabs | CS2100M-USB | |
| EMCCD camera | Andor | iXon | |
| Ethanol | Decon Laboratories, Inc. | #2701 | |
| Filter paper | Whatman | 1004-070 | |
| Incubator for in ovo culture | GQF Manufacturing Company Inc. | GQF 1502 | |
| Ring | Thorlabs | SM1RR | |
| Microscope body | Olympus | IX73 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | S9888 | |
| On-stage incubator | Oko labs | OKO-H301-PRIOR-H117 | |
| Parafilm | Bemis | PM-996 | |
| Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15070-063 | |
| Pipettes | Fisherbrand | 13-711-6M | |
| Scissors | Artman instruments | N/A | 3pc Micro Scissors 5 |
| Syringe | BD | 305482 | |
| Tissue paper | Kimwipes | N/A | |
| Tube | Corning | 430052 | |
| Tweezers | DR Instruments | N/A | Microdissection Forceps Set |
References
- Greene, N. D. E., Copp, A. J. Neural tube defects. Annual Review of Neuroscience. 37 (1), 221-242 (2014).
- Suzuki, M., Morita, H., Ueno, N. Molecular mechanisms of cell shape changes that contribute to vertebrate neural tube closure. Development, Growth & Differentiation. 54 (3), 266-276 (2012).
- Nikolopoulou, E., Galea, G. L., Rolo, A., Greene, N. D. E., Copp, A. J. Neural tube closure: Cellular, molecular and biomechanical mechanisms. Development. 144 (4), 552-566 (2017).
- Juriloff, D. M., Harris, M. J. Mouse models for neural tube closure defects. Human Molecular Genetics. 9 (6), 993-1000 (2000).
- Copp, A. J., Greene, N. D. E. Genetics and development of neural tube defects. The Journal of Pathology: A Journal of the Pathological Society of Great Britain and Ireland. 220 (2), 217-230 (2010).
- Wang, M., De Marco, P., Capra, V., Kibar, Z. Update on the role of the non-canonical wnt/planar cell polarity pathway in neural tube defects. Cells. 8 (10), 1198 (2019).
- Galea, G. L., et al. Biomechanical coupling facilitates spinal neural tube closure in mouse embryos. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (26), E5177-E5186 (2017).
- Moon, L. D., Xiong, F. Mechanics of neural tube morphogenesis. Seminars in Cell & Developmental Biology. 130, 56-69 (2022).
- Christodoulou, N., Skourides, P. A. Distinct spatiotemporal contribution of morphogenetic events and mechanical tissue coupling during xenopus neural tube closure. Development. 149 (13), (2022).
- De Goederen, V., Vetter, R., Mcdole, K., Iber, D. Hinge point emergence in mammalian spinal neurulation. Proceedings of the National Academy of Sciences. 119 (20), 2117075119 (2022).
- Christodoulou, N., Skourides, P. A. Somitic mesoderm morphogenesis is necessary for neural tube closure during xenopus development. Frontiers in Cell and Developmental Biology. 10, 1091629 (2023).
- Nikolopoulou, E., et al. Spinal neural tube closure depends on regulation of surface ectoderm identity and biomechanics by grhl2. Nature Communications. 10 (1), 2487 (2019).
- Nychyk, O., et al. Vangl2-environment interaction causes severe neural tube defects, without abnormal neuroepithelial convergent extension. Disease Models & Mechanisms. 15 (1), 049194 (2022).
- Li, B., Brusman, L., Dahlka, J., Niswander, L. A. Tmem132a ensures mouse caudal neural tube closure and regulates integrin-based mesodermal migration. Development. 149 (17), (2022).
- Zulueta-Coarasa, T., Fernandez-Gonzalez, R. Laser ablation to investigate cell and tissue mechanics in vivo. Integrative Mechanobiology: Micro-and Nano Techniques in Cell Mechanobiology. , 128-147 (2015).
- Wiebe, C., Brodland, G. W. Tensile properties of embryonic epithelia measured using a novel instrument. Journal of Biomechanics. 38 (10), 2087-2094 (2005).
- Luu, O., David, R., Ninomiya, H., Winklbauer, R. Large-scale mechanical properties of xenopus embryonic epithelium. Proceedings of the National Academy of Sciences. 108 (10), 4000-4005 (2011).
- Maître, J. L., Niwayama, R., Turlier, H., Nédélec, F., Hiiragi, T. Pulsatile cell-autonomous contractility drives compaction in the mouse embryo. Nature Cell Biology. 17 (7), 849-855 (2015).
- Krieg, M., et al. Tensile forces govern germ-layer organization in zebrafish. Nature Cell Biology. 10 (4), 429-436 (2008).
- Zamir, E. A., Srinivasan, V., Perucchio, R., Taber, L. A. Mechanical asymmetry in the embryonic chick heart during looping. Annals of Biomedical Engineering. 31, 1327-1336 (2003).
- Bambardekar, K., Clément, R., Blanc, O., Chardès, C., Lenne, P. F. Direct laser manipulation reveals the mechanics of cell contacts in vivo. Proceedings of the National Academy of Sciences. 112 (5), 1416-1421 (2015).
- Savin, T., et al. On the growth and form of the gut. Nature. 476 (7358), 57-62 (2011).
- Almonacid, M., et al. Active diffusion positions the nucleus in mouse oocytes. Nature Cell Biology. 17 (4), 470-479 (2015).
- Campàs, O., et al. Quantifying cell-generated mechanical forces within living embryonic tissues. Nature Methods. 11 (2), 183-189 (2014).
- Campàs, O. A toolbox to explore the mechanics of living embryonic tissues. Seminars in Cell & Developmental Biology. 55, 119-130 (2016).
- Christian, Z. D., et al. High-resolution 3D biomechanical mapping of embryos with reverberant optical coherence elastography (Rev-OCE). Proceedings of SPIE. , 123670 (2023).
- Scarcelli, G., Yun, S. H. J. N. P. Confocal brillouin microscopy for three-dimensional mechanical imaging. Nature Photonics. 1 (1), 39-43 (2008).
- Scarcelli, G., et al. Noncontact three-dimensional mapping of intracellular hydromechanical properties by brillouin microscopy. Nature Methods. 12 (12), 1132-1134 (2015).
- Prevedel, R., Diz-Muñoz, A., Ruocco, G., Antonacci, G. Brillouin microscopy: An emerging tool for mechanobiology. Nature Methods. 16 (10), 969-977 (2019).
- Zhang, J., Scarcelli, G. Mapping mechanical properties of biological materials via an add-on brillouin module to confocal microscopes. Nature Protocols. 16 (2), 1251-1275 (2021).
- Boyd, R. W. . Nonlinear optics. , (2020).
- Scarcelli, G., Kim, P., Yun, S. H. In vivo measurement of age-related stiffening in the crystalline lens by brillouin optical microscopy. Biophysical Journal. 101 (6), 1539-1545 (2011).
- Scarcelli, G., Pineda, R., Yun, S. H. Brillouin optical microscopy for corneal biomechanics. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 53 (1), 185-190 (2012).
- Antonacci, G., Braakman, S. Biomechanics of subcellular structures by non-invasive brillouin microscopy. Scientific Reports. 6 (1), 37217 (2016).
- Zhang, J., et al. Tissue biomechanics during cranial neural tube closure measured by brillouin microscopy and optical coherence tomography. Birth Defects Research. 111 (14), 991-998 (2019).
- Zhang, J., et al. Nuclear mechanics within intact cells is regulated by cytoskeletal network and internal nanostructures. Small. 16 (18), 1907688 (2020).
- Elsayad, K., Polakova, S., Gregan, J. Probing mechanical properties in biology using brillouin microscopy. Trends in Cell Biology. 29 (8), 608-611 (2019).
- Poon, C., Chou, J., Cortie, M., Kabakova, I. Brillouin imaging for studies of micromechanics in biology and biomedicine: From current state-of-the-art to future clinical translation. Journal of Physics: Photonics. 3 (1), 012002 (2020).
- Handler, C., Scarcelli, G., Zhang, J. Time-lapse mechanical imaging of neural tube closure in live embryo using brillouin microscopy. Scientific Reports. 13 (1), 263 (2023).
- Chapman, S. C., Collignon, J., Schoenwolf, G. C., Lumsden, A. Improved method for chick whole-embryo culture using a filter paper carrier. Developmental dynamics: an official publication of the American Association of Anatomists. 220 (3), 284-289 (2001).
- Schmitz, M., Nelemans, B. K. A., Smit, T. H. A submerged filter paper sandwich for long-term ex ovo time-lapse imaging of early chick embryos. Journal of Visualized Experiments. (118), e54636 (2016).
- Nys, Y., Guyot, N., Nys, Y., Bain, M., VanImmerseel, F. . Improving the safety and quality of eggs and egg products, vol 1: Egg chemistry, production and consumption. , 83-132 (2011).
- Berghaus, K. V., Yun, S. H., Scarcelli, G. High speed sub-ghz spectrometer for brillouin scattering analysis. Journal of Visualized Experiments. (106), e53468 (2015).
- Hamburger, V., Hamilton, H. L. A series of normal stages in the development of the chick embryo. Journal of Morphology. 88 (1), 49-92 (1951).
- Schlüßler, R., et al. Mechanical mapping of spinal cord growth and repair in living zebrafish larvae by brillouin imaging. Biophysical Journal. 115 (5), 911-923 (2018).
- Williams, R. M., Sauka-Spengler, T. Ex ovo electroporation of early chicken embryos. STAR Protocols. 2 (2), 100424 (2021).
- Chapman, S. C., Collignon, J., Schoenwolf, G. C., Lumsden, A. Improved method for chick whole-embryo culture using a filter paper carrier. Developmental Dynamics. 220 (3), 284-289 (2001).
- Edrei, E., Scarcelli, G. Adaptive optics in spectroscopy and densely labeled-fluorescence applications. Optics Express. 26 (26), 33865-33877 (2018).
