Dit protocol beschrijft toepassingen van monsterimmobilisatie met behulp van Fibrine-stolsels, waardoor driften worden beperkt en de toevoeging en washout van reagentia tijdens live beeldvorming mogelijk is. Monsters worden overgebracht naar een druppel Fibrinogeen met kweekmedium op het oppervlak van een afdeklip, waarna polymerisatie wordt geïnduceerd door toevoeging van trombine.
Drosophila is een belangrijk modelsysteem om een breed scala aan biologische vragen te bestuderen. Verschillende organen en weefsels uit verschillende ontwikkelingsstadia van de vlieg, zoals imaginaire schijven, de larvale hersenen of eikamers van volwassen vrouwtjes of de volwassen darm, kunnen worden geëxtraheerd en in cultuur worden gehouden voor beeldvorming met time-lapse microscopie, wat waardevolle inzichten biedt in cel- en ontwikkelingsbiologie. Hier beschrijven we in detail ons huidige protocol voor de dissectie van Drosophila larvale hersenen, en presenteren we vervolgens onze huidige aanpak voor het immobiliseren en oriënteren van larvale hersenen en andere weefsels op een glazen hoeslip met behulp van Fibrine-stolsels. Deze immobilisatiemethode vereist alleen de toevoeging van Fibrinogeen en Trombine aan het cultuurmedium. Het is geschikt voor timelapse-beeldvorming met hoge resolutie op omgekeerde microscopen van meerdere monsters in dezelfde kweekschaal, minimaliseert het laterale driften dat vaak wordt veroorzaakt door bewegingen van het microscoopstadium in meerpuntsbezoekmicroscopie en maakt het mogelijk om reagentia toe te passen en te verwijderen tijdens de beeldvorming. We presenteren ook op maat gemaakte macro’s die we routinematig gebruiken om te corrigeren voor driften en om specifieke kwantitatieve informatie uit time-lapse-analyse te extraheren en te verwerken.
Drosophila blijft een belangrijk modelsysteem om een breed scala aan biologische vragen te bestuderen en blinkt al tientallen jaren uit in het bevorderen van kennis in vele disciplines. Een functie die het bijzonder opvalt, is dat het bijzonder geschikt is voor live beeldvorming. Het vermogen om subcellulaire processen of het gedrag van cellen en weefsels in realtime te volgen, blijft bijdragen aan het genereren van sleutelbegrippen die relevant zijn voor cel- en ontwikkelingsbiologie. Veel succesvolle protocollen zijn ontwikkeld door verschillende groepen om dergelijke Drosophila-monsters levend en gezond te houden om het gedrag van het monster en fluorescerende moleculen te bestuderen. Organen en weefsels van de vlieg, zoals fantasieschijven1,2,de larvale hersenen3,4,5, 6of eierkamers van volwassen vrouwtjes7,8,9,of de volwassen darm10 kunnen bijvoorbeeld worden geëxtraheerd en in cultuur worden gehouden voor beeldvorming met time-lapse microscopie. Een belangrijke uitdaging voor live beeldvorming is ervoor te zorgen dat het monster dicht bij het beeldoppervlak wordt gehouden voor een optimale resolutie en onbeweeglijk zonder afbreuk te doen aan de integriteit van het monster dat gevoelig kan zijn voor mechanische schokken. Om neurale stamcellen te bestuderen, neuroblasten of neuronen genoemd in de drosophila larvale hersenen, bijvoorbeeld, kan het houden van monsters dicht bij het beeldvormingsoppervlak worden bereikt door ze te bedekken met kweekmedia in verzegelde beeldvormingskamers11,12,13. Deze aanpak maakt media-uitwisseling echter niet gemakkelijk mogelijk, waardoor de experimentele manoeuvreerruimte wordt beperkt. Als alternatief kunnen monsters worden bereid en op afdeklips worden geplaatst die worden behandeld om de hechting van cellen te verhogen en multi-point bezoekende microscopie en uitgebreide live-cell imaging in open kweekgerechten mogelijk te maken, die media-uitwisseling mogelijk maken, maar geen gemakkelijke middelen bieden om monsterdrift of verlies tijdens media-uitwisseling te voorkomen14,15.
De Fibrin-stolselmethode die oorspronkelijk is ontwikkeld om meiose in levende kraanvlieg spermatocyten16 te bestuderen, is specifiek geschikt om deze problemen te overwinnen. Fibrinogeen wordt opgelost in een relevant kweekmedium, de monsters worden in een druppel van deze oplossing op een geschikte beeldkamer voor het glasoppervlak geplaatst en georiënteerd voordat trombine wordt toegevoegd, wat resulteert in de snelle vorming van een onoplosbaar Fibrine-stolsel, een kleverig vezelig gaas dat zich hecht aan het glasoppervlak en de monsters en tegelijkertijd de toegang van het monster tot het kweekmedium garandeert. Het medium kan vervolgens worden verwisseld zonder de stolsel- of monsterpositie te storen. Uitwisseling van kweekmedia tijdens beeldvorming is bijvoorbeeld wenselijk wanneer remmers moeten worden toegevoegd zoals in de oorspronkelijke methode of voor uitwas- of pulsachtervolgingsexperimenten of wanneer fluorescerende kleurstoffen moeten worden toegevoegd tijdens live cell imaging terwijl cellen en weefsels op hun plaats blijven. Fibrinestolsels zijn geschikt voor beeldvorming van Drosophila-weefsels en individuele cellen13,17. Fibrinestolsels kunnen verder worden gebruikt om monsters te helpen oriënteren, die vanwege hun vorm of andere eigenschappen normaal gesproken niet op de gewenste manier zouden worden georiënteerd door de monsterpositie binnen het Fibrin-stolsel en de vorm van het stolsel zelf te moduleren.
Hier geven we een update over onze huidige Fibrin-stolselgebaseerde beeldvormingsmethoden en bieden we tools voor segmentatiegebaseerde beeldanalyse en richten we ons op het gebruik van deze methode om neuroblastafdelingen in het zich ontwikkelende vliegbrein te bestuderen. We gebruiken routinematig de Fibrin-stolselmethode om meerdere monsters in verschillende stolsels in hetzelfde kweekgerecht te volgen. Dit maakt i) beeldvorming van subcellulaire gebeurtenissen zoals centrosoomgedrag of mRNA-lokalisatie live18,19, ii) het monitoren van het gedrag van monsters bij farmacologische behandeling van verschillende genotypen onder dezelfde beeldvormingsinstellingen met behulp van meerpuntsbezoekmicroscopie20, iii) het bestuderen van de effecten van acute remming van enzymen21 en iv) het minimaliseren van driften om veranderingen in de oriëntatie van celdeling van cellen binnen hun fysiologische omgeving te bestuderen bij gerichte laserablatie2. Hoewel ongewenste effecten van Trombine en Fibrinogeen en het Fibrine-stolsel empirisch moeten worden getest voor elk monster, is deze methode in principe geschikt om elk type monster te immobiliseren dat moet worden geanalyseerd door live cell imaging en in Drosophila is met succes gebruikt om meerdere aspecten van neuroblastenbiologie5,19,20te bestuderen , maar ook de dynamiek van cytosensorprojecties van vrouwelijke kiemlijnstamcellen23 en veranderingen in polariteit bij acuteaP.
Time-lapse fluorescerende beeldvorming resulteert in het genereren van complexe tijd-opgeloste 3D-gegevens sets die methoden vereisen om deze kwantitatieve informatie te extraheren. Hier beschrijven we onze verdere ontwikkeling van imagej-gebaseerde24 macro’s die kunnen worden gebruikt om te corrigeren voor drifting in hyperstacks en op maat gemaakte ImageJ-macro’s die semi-geautomatiseerde kwantificering van multi-channel fluorescentie in de celschors mogelijk maken, ontwikkeld om corticale eiwitten te kwantificeren in neuroblasten van Drosophila larvale hersenen of van individuele neuroblasten in primaire celcultuur.
Live beeldvorming van hele mount D. melanogaster larvale hersenen biedt de mogelijkheid om asymmetrische neurale stamceldelingen te observeren in omstandigheden die dicht bij een fysiologische context liggen. Het eerste deel van ons protocol introduceert onze aanpak van de dissectie van larvale hersenen. Zoals reeds vermeld13, een kritiek aspect van de voorbereiding is om te voorkomen dat de hersenen beschadigen. Het meest uitdagende aspect hiervan is om de hersenen te scheiden van de naburige fantasieschijven zonder overmatig aan de hersenen te trekken. Onze benadering van “snijden zonder trekken” is om ofwel een slijpbeweging uit te voeren met de uiteinden van een paar tangen, of om een tangpunten langs twee andere tangpunten te schuiven die de verbinding tussen weefsels vasthouden (figuur 1A) terwijl Lerit et al. zaagachtige bewegingen beschrijven met een ontleedpen. We raden de experimenteerder aan om alle benaderingen uit te proberen en de meest geschikte voor zichzelf te gebruiken. We raden ook aan om BSA- of FCS-gecoate pipettips te gebruiken in plaats van dissectietools om geïsoleerde hersenen over te dragen. De coating voorkomt dat weefsels aan het plastic blijven plakken en maakt de veilige overdracht van weefsels mogelijk terwijl ze altijd volledig ondergedompeld blijven, zonder ze te onderwerpen aan een mogelijke voorbijgaande vervorming terwijl ze tijdens de overdracht aan het dissectiegereedschap blijven plakken. Gecoate tips hebben andere voordelen om de overdracht van meerdere hersenen tegelijk mogelijk te maken, wat vooral handig is wanneer het van cruciaal belang is om de verblijfstijd van de monsters binnen een bepaald medium te regelen; ze zijn geschikt voor de overdracht van andere weefsels, zelfs kwetsbare als bijvoorbeeld dikke lichamen; ze zijn geschikt voor een breed scala aan verschillende monstergroottes door grotere uiteinden te gebruiken of het uiteinde van de punt te snijden.
Vervolgens beschrijft dit protocol het gebruik van Fibrinogeenstolling om larvale hersenen op de coverslip van een kweekschaal te immobiliseren. Een hersenen is georiënteerd binnen een daling van cultuurmedium + Fibrinogeen, waarna de stolling wordt geïnduceerd door de toevoeging van Trombine. De vorming van fibrines is geleidelijk en biedt een tijdvenster waarin de oriëntatie van het monster kan worden verfijnd, indien nodig (figuur 2C). Als een lichte compressie van het monster vereist is – wat we afraden in het geval van larvale hersenen – kan het ook fijn worden aangepast door het stolsel min of meer dicht bij het monster te drukken tijdens stap 3.4.4 en 3.5.2. Het belangrijkste voordeel van deze Fibrinogeenstolling ten opzichte van het protocol beschreven in Lerit et al., waarin hersenen zijn gemonteerd tussen een gasdoorlatend membraan en een deklip, is het vermogen om het cultuurmedium te vervangen tijdens live beeldvorming. Een mogelijk voordeel van het gebruik van een gasdoorlatend membraan ten opzichte van ons protocol zou kunnen zijn dat het een optimale oxygenatie van de monsters biedt, wat met onze aanpak beperkter zou kunnen zijn omdat hersenen van de lucht worden gescheiden door het stolsel en een medium. Om deze reden, hoewel we het effect van de hoeveelheid kweekmedium binnen het kweekgerecht niet hebben beoordeeld, stellen we voor om de hoeveelheid kweekmedium bovenop de stolsels te beperken terwijl de stolsels volledig ondergedompeld blijven.
Omdat de manipulatie van de stolsels experimenteel moeilijk en tijdrovend kan zijn, raden we de experimenteerder aan om eerst stolsels zonder monsters te manipuleren. Het moduleren van het volume van de druppel kweekmedium + Fibrinogeen op de deklip, de concentratie van Fibrinogeen of het volume en de concentratie trombine kan helpen de voorbereiding gemakkelijker te maken en kan belangrijk zijn bij het aanpassen van het protocol aan andere soorten weefsels. Met voldoende ervaring met het manipuleren van de stolsels, kunnen verschillende hersenen indien nodig in één stolsel worden geïmmobiliseerd, hoewel het de fijnafstelling van de oriëntatie bemoeilijkt. Op de coverslip kunnen verschillende stolsels worden gevormd, waardoor bijvoorbeeld monsters van verschillende genotypen kunnen worden gebeeldomd. Het is ook mogelijk om verschillende stolsels op dezelfde coverslip bloot te stellen aan verschillende cultuurmedia, hoewel er nooit voor moet worden gezorgd dat de druppels kweekmedium de verschillende stolsels bedekken. Zodra larvale hersenen zijn geïmmobiliseerd en klaar zijn voor live beeldvorming, raden we aan om de aanbevelingen van Lerit et al.13 op te volgen om overmatige fotodamage te voorkomen. We voegen alleen aan deze aanbevelingen toe om niet alleen de hersenen op 25 °C te houden tijdens live beeldvorming met een stadium-incubator, maar ook om deze fase minstens 30 minuten voor te verwarmen voor het begin van de beeldvorming. In onze handen resulteert het niet systematisch doen in een sterke focusdrift.
Het kan in sommige contexten voordelig zijn om gecorreleerde microscopie uit te voeren en een monster te repareren en te immunostaineren na live beeldvorming. Een beperking van het gebruik van Fibrin-stolsels is echter dat het bijna onmogelijk is om een brein mechanisch te isoleren van een stolsel zonder het te beschadigen. Een mogelijke manier om deze beperking te overwinnen zou kunnen zijn om methoden te ontwikkelen om Fibrine-stolsels met Plasmin af te afbraak of om stolseldemontage te induceren door toevoeging van een peptide dat de knoppen nabootst waardoor Fibrin-polymerisatie28mogelijk is. We gebruiken meestal Fibrine-stolsels op monsters variërend van enkele cellen tot 200 μM lange weefsels, maar we kunnen ook met succes immobiliseren in stolsels en beeldhersenen van volwassen hommels van meer dan 3 mm breed. De bovengrens van de steekproefgrootte die in stolsels kan worden geïmmobiliseerd, moet nog worden bepaald. Evenzo, hoewel we meestal geïmmobiliseerde monsters gedurende 4 tot 5 uur in beeld brengen, hebben we neuroblasten in primaire cultuur met succes gedurende maximaal 3 dagen in beeld brengen, wat aangeeft dat het stolsel op zijn minst de levensvatbaarheid op langere termijn niet verstoort. Integendeel, stolsels kunnen de regelmatige vervanging van het medium vergemakkelijken, een vereiste voor beeldvorming op langere termijn, zonder dat hiervoor apparaten zoals peristaltische pompen nodig zijn. Hoewel we de permeabiliteitsparameters van fibrinestolsels niet hebben gemeten, lijkt de vezelige gelachtige aard van de stolsels doordringbaar te zijn door celdoorlatende moleculen. We ontdekten dat Latrunculine A, Colcemid of 1-NAPP1, HALO-tag liganden en andere standaardkleurstoffen die in de celbiologie worden gebruikt, zonder problemen de cellen in het fibrinestolsel bereiken en tot nu toe geen moleculen zijn tegengekomen die door het stolsel zouden worden vastgehouden, wat echter een mogelijkheid is die empirisch moet worden getest.
Kortom, het gebruik van Fibrin-stolsels biedt een betrouwbare en relatief eenvoudig te implementeren manier om levende weefsels te immobiliseren voor live beeldvorming. Afgezien van het nut ervan bij het beperken van laterale drifting, is het vermogen om het cultuurmedium te veranderen tijdens live beeldvorming van onschatbare waarde gebleken voor onze chemische geneticabenadering voor het bestuderen van de asymmetrische celdeling van D. melanogaster neuroblasten21. We verwachten dat deze techniek gunstig zal zijn voor studies in een breed scala van verschillende weefsels, met name als het gaat om chemische genetica of bijvoorbeeld eiwitzelfetikettering29.
Onze MultiHyperStackReg macro is afhankelijk van de TurboReg ImageJ plugin, die opeenvolgende frames of segmenten van een stack uitlijnt, en de MultiStackReg ImageJ plugin, waarmee de transformaties op andere stacks kunnen worden toegepast. MultiHyperStackReg maakt het eenvoudig mogelijk om deze transformaties toe te passen op hyperstacks (stacks met ten minste vier dimensies). Omdat het gebruik van MultiHyperStackReg, zoals we het beschrijven, veel acties vereist en behoorlijk tijdrovend kan worden, hebben we ook de AutoHyperStackReg-macro geschreven, die automatisch alle stappen uitvoert die worden beschreven in stap 6.2 en 6.3. In tegenstelling tot MultiHyperStackReg mist AutoHyperStackReg momenteel echter de mogelijkheid om de uitlijning van een stack te berekenen op basis van een subregio van deze stack, een optie die we soms cruciaal vonden voor een bevredigende uitlijning. Een andere beperking van AutoHyperStackReg is dat het gebruik ervan beperkt is tot vertalingen en niet tot de andere transformaties die worden voorgesteld door TurboReg en MultiStackReg, terwijl MultiHyperStackReg op een hyperstack elk transformatietype kan toepassen als de gebruiker het nodig heeft. Toekomstige releases implementeren deze functies en zijn beschikbaar op GitHub30. Ten slotte biedt onze roterende linescan macro een eenvoudige manier om snel corticale signalen te meten in timelapses, zelfs als de cortex in de loop van de tijd van positie of oriëntatie verandert. Of de trackingmodus of de niet-trackingmodus het meest geschikt is voor analyse, hangt af van de kwaliteit en consistentie van het corticale signaal. De trackingmodus is gemakkelijker te gebruiken omdat de gebruiker niet hoeft te overwegen waar de cortex zal zijn voor elk tijdspunt en in de loop van de tijd grote veranderingen in positie en oriëntatie kan opvangen. Het is echter alleen geschikt als het corticale signaal sterk genoeg blijft voor detectie tijdens de hele film: een falen om iets anders dan de cortex te detecteren (bijv. een helder cytoplasmatisch compartiment dicht bij de cortex) kan de detectie voor elk volgend tijdspunt in gevaar brengen (bijv. het cytoplasmatische compartiment beweegt weg van de cortex en de corticale linescan volgt het voor de rest van de time-lapse). De niet-trackingmodus heeft deze valkuil niet, omdat de detectie beperkt is tot de lijn die oorspronkelijk door de gebruiker werd getrokken (een helder cytoplasmatisch compartiment kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat de detectie een paar keer mislukt, maar naarmate het cytoplasmatische compartiment zich van de detectiezone verplaatst, wordt de juiste detectie van de cortex hervat), maar gedraagt zich niet goed als de cortexpositie of oriëntatie in de loop van de tijd veel verandert. De volgende functie (die beschikbaar zal zijn op GitHub30) die moet worden ontwikkeld voor de trackingmodus, is de optie om alleen opgegeven tijdspunten te analyseren en een referentietijdpunt te definiëren (in plaats van het eerste tijdspunt) waarvoor en waarna de detectie zal worden uitgevoerd, waardoor de gebruiker op zijn minst problematische tijdspunten kan voorkomen.
The authors have nothing to disclose.
Het werk in het Januschke laboratorium wordt ondersteund door Wellcome trust grants 100031/Z/12/A en 1000032/Z/12/A. De weefselbeeldvormingsfaciliteit wordt ondersteund door de subsidie WT101468 van Wellcome.
Albumin bovine serum, BSA | Merck | 5470 | |
D-(+)-Glucose | Sigma | G7021 | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma | D2650 | |
Dumont #55 Forceps | Fine Science Tools | 11255-20 | |
Fetal Bovie Serum, suitable for cell culture | Sigma | F7524 | |
Fibrinogen from human plasma | Sigma | F3879 | |
FluoroDish Cell Culture Dish – 35mm, 23 mm well | World Precision Instruments | FD35-100 | |
PP1 Analog (1NA-PP1) | Merck Millipore | 529579 | |
Pyrex spot plate with nine depressions | Sigma | CLS722085-18EA | |
Schneider's Insect Medium | Sigma | S0146 | |
Thrombin from bovine plasma | Merck | T4648 |