هنا ، نقدم بروتوكولا محسنا لتصوير المبايض بأكملها للتحليلات الكمية والنوعية باستخدام تلطيخ المناعة الكامل ، والمجهر متعدد الفوتونات ، والتصور والتحليل 3D. يستوعب هذا البروتوكول معالجة عالية الإنتاجية وموثوقة وقابلة للتكرار تنطبق على علم السموم والتشخيص السريري والمقايسات الجينومية لوظيفة المبيض.
تعتمد خصوبة الإناث والعمر التناسلي على نوعية وكمية احتياطي بويضة المبيض. يتم التخلص من ما يقدر بنحو 80٪ من الخلايا الجرثومية الأنثوية التي تدخل الطور الأولي الاختزالي خلال استنزاف بويضة الجنين (FOA) والأسبوع الأول من حياة ما بعد الولادة. ثلاث آليات رئيسية تنظم عدد البويضات التي تعيش أثناء التطور وتنشئ احتياطي المبيض لدى الإناث اللواتي يدخلن سن البلوغ. في الموجة الأولى من فقدان البويضات ، يتم التخلص من 30-50٪ من البويضات خلال FOA المبكر ، وهي ظاهرة تعزى إلى التعبير العالي عن العنصر النووي الطويل المتخلل 1 (LINE-1). الموجة الثانية من فقدان البويضات هي القضاء على البويضات ذات العيوب الوسيطة بواسطة نقطة تفتيش جودة meiotic . تحدث الموجة الثالثة من فقدان البويضات في الفترة المحيطة بالولادة أثناء تكوين الجريب البدائي عندما تفشل بعض البويضات في تكوين بصيلات. ولا يزال من غير الواضح ما الذي ينظم كل من هذه الموجات الثلاث من فقدان البويضات وكيف تشكل احتياطي المبيض في الفئران أو البشر.
وقد فتح التألق المناعي والتصور 3D طريقا جديدا لتصوير وتحليل تطور البويضات في سياق المبيض بأكمله بدلا من أقسام 2D أقل إفادة. توفر هذه المقالة بروتوكولا شاملا للتلطيخ المناعي للمبيض بالكامل والمقاصة البصرية ، مما يؤدي إلى استعدادات للتصوير باستخدام الفحص المجهري متعدد الفوتونات والنمذجة 3D باستخدام البرامج المتاحة تجاريا. يوضح كيف يمكن استخدام هذه الطريقة لإظهار ديناميكيات استنزاف البويضات أثناء تطور المبيض في الفئران C57BL/6J وتحديد كمية فقدان البويضات خلال الموجات الثلاث للقضاء على البويضات. يمكن تطبيق هذا البروتوكول على مبايض ما قبل الولادة وبعدها المبكر لتصور البويضات وتحديدها كميا ، بالإضافة إلى النهج الكمية الأخرى. الأهم من ذلك ، تم تطوير البروتوكول بشكل استراتيجي لاستيعاب المعالجة عالية الإنتاجية والموثوقة والقابلة للتكرار التي يمكن أن تلبي الاحتياجات في علم السموم والتشخيص السريري والفحوصات الجينومية لوظيفة المبيض.
تولد معظم إناث الثدييات بعدد محدود من البويضات المتوقفة بشكل متوسط الحجم المخزنة داخل بصيلات بدائية ، والتي تشكل احتياطي المبيض (OR) 1,2. يحدد OR العمر الإنجابي العام للإناث والصحة3. عادة ما ينخفض حجم OR مع الشيخوخة ويمكن استنفاده قبل الأوان عند التعرض لبعض العوامل السامة للوراثية (الإشعاع / العلاج الكيميائي) والضغوط البيئية (سوء التغذية) ، مما يؤدي إلى العقم4،5،6. غالبا ما يمكن أن يعزى العقم الأنثوي مجهول السبب إلى الجودة الوراثية والفسيولوجية للبيض الذي يتطور من غرفة العمليات ولا يزال غير مفهوم بشكل جيد 7,8. نظرا لأن هبة الجريب الأنثوي محددة مسبقا إلى حد كبير بالولادة ، فمن الضروري فهم الآليات التنظيمية المشاركة في إنشاء OR وصيانتها.
في الفئران ، يبدأ تكوين OR بمواصفات الخلايا الجرثومية البدائية (PGCs) حول اليوم الجنيني (E) 7.52. تهاجر PGCs إلى التلال التناسلية ، حيث ستقيم بحوالي E10.59. يحدث الانتشار الواسع النطاق التالي مع الحركية الخلوية غير المكتملة مما يؤدي إلى تكوين الخراجات التي سيتم تقسيمها لاحقا في التطور10,11. في حوالي E12.5 ، يتم تحديد جنس الغدد التناسلية ، ويتوقف انتشار PGC في المبيضين. في الإناث ، تدخل PGCs ، البويضات الآن ، الطور الأولي الوسيط الأول (MPI) عند حوالي E13.512,13. تتقدم البويضات من خلال MPI الممتد والاعتقال في مرحلة الإملاء في وقت قريب من الولادة. خلال الأسبوع الأول بعد الولادة ، تحيط بكل بويضة تم القبض عليها خلايا حبيبية ، وبالتالي تشكل جريبا بدائيا.
يعتمد عدد البصيلات البدائية في OR للأنثى على عدد البويضات التي نجت من موجات التخلص من البويضات التي تحدث قبل وأثناء اعتقال MPI من خلال موت الخلايا المبرمج أو الالتهام الذاتي أو النخر14,15. تحدث الموجة الأولى أثناء نمو الجنين وتعرف باسم FOA. FOA هي عملية محفوظة تطوريا في الإناث (الثدييات وغير الثدييات) ، حيث يتم التخلص من ما يقدر بنحو 50-80٪ من البويضات اعتمادا على الأنواع الأنثوية16،17،18،19. في الفئران ، يحدث FOA خلال E15.5 إلى E18.5 وقد يعزى إلى إعادة تنشيط والتعبير عن تسلسلات LINE-1 retrotransposon مما تسبب في موت البويضات20,21. تحدث الموجة الثانية من التخلص من البويضات من خلال نقطة تفتيش meiotic تقضي على البويضات ذات العيوب الوسيطة مثل فواصل الحمض النووي المزدوجة التي لم يتم إصلاحها (DSBs) 22,23. تحدث الموجة التالية من التخلص من البويضات أثناء انهيار الكيس ، وتبلغ ذروتها أثناء تكوين بصيلات بدائية ، يحتوي كل منها على بويضة واحدة10،11،24،25.
في الفئران ، يتم إنشاء احتياطي الجريب البدائي إلى حد كبير بحلول سن البلوغ ، وبعد ذلك ينخفض مع تنشيط البصيلات البدائية للنمو خلال الدورات التناسلية العادية. يختلف حجم OR بين النساء الفرديات وبين السلالات الجينية المختلفة للفئران. ومع ذلك ، فإن التنظيم الجيني لحجم OR غير مفهوم جيدا26،27،28،29. ويعوق الدراسات الجينية لتنظيم OR عدم وجود بروتوكولات موحدة لدراسة موجات التخلص من البويضات أثناء تطور ما قبل الولادة وبعدها. تم تطوير العديد من منهجيات تكميم البويضات في الفئران ، وأكثرها شيوعا واستخداما على نطاق واسع هي التقييم النسيجي المورفومترية للأقسام النسيجية30،31. في هذه التقنية ، يتم تحديد البويضات على أقسام تسلسلية بها بقع نسيجية ، مثل الهيماتوكسيلين والإيوسين (H & E) وعلامات الحمض شيف الدورية (PAS) أو علامات الفلورسنت. هذه التقنية موثوقة إذا ظلت جميع الظروف ثابتة ، بما في ذلك سمك القسم ، والاسترداد الفعال لجميع الأقسام في جميع أنحاء المبيض ، ومخططات العد في المختبرات الفردية. ومع ذلك، فإن الأرقام التي تبلغ عنها المختبرات المختلفة غالبا ما تختلف اختلافا كبيرا، وبالتالي لا يمكن مقارنتها بسهولة.
علاوة على ذلك ، نظرا للاختلافات الجينية ، يمكن أن يؤثر استخدام سلالات الفئران المختلفة أيضا على عدد البويضات. تم تطوير مناهج حسابية إضافية للتقييم النسيجي وتشمل الكشف الآلي عن البويضات باستخدام نهج التجزئة ، والعد التلقائي باستخدام الخوارزميات الحسابية ، وإعادة بناء الصور النسيجية ثلاثية الأبعاد لمنع الأعداد المتعددة لنفس البويضة31،32،33،34،35،36 . حتى مع إضافة هذه التحسينات إلى التقييم النسيجي المورفومتري، فإن هذه التقنية كثيفة العمالة نسبيا، خاصة بالنسبة للدراسات واسعة النطاق وعالية الإنتاجية. قد لا تكون البيانات التي تم جمعها قابلة للتكرار وقابلة للمقارنة بين الدراسات بسبب الاختلافات في مخططات العد وخوارزميات الكمبيوتر والبرامج المستخدمة.
في الآونة الأخيرة ، تسارعت من خلال تطوير طرق جديدة متعددة الفوتونات والألواح الضوئية وطرق مسح الأنسجة البصرية متوسطة الدقة ، أصبحت تقنيات النمذجة والتحليل ثلاثية الأبعاد للمبايض السليمة هي الطريقة المفضلة لتحديد أعداد البويضات بكفاءة ودراسة توطين البروتين وديناميكياته37,38. هذه الطرق 3D عادة ما تكون مفيدة مقارنة بالطرق النسيجية حيث يتم الحفاظ على الأنسجة والأعضاء بشكل أفضل والحفاظ عليها سليمة. علاوة على ذلك ، يوفر تحليل 3D والنمذجة رؤى إضافية حول الوظيفة والتفاعلات داخل وبين منافذ الخلية أو الهياكل الفرعية داخل العضو التي قد يتم تفويتها في تحليل 2D.
يتطلب تحليل 3D للأعضاء بأكملها تحسين التثبيت ، والتلطيخ المناعي ، وبروتوكولات التطهير البصري للأعضاء الفردية ، مثل المبيضين ، دون تشويه الأنسجة أو تلفها. مطلوب تحسين إضافي لتركيب العينات للتصوير للفحص المجهري عالي الدقة وقد يعتمد على منصة التصوير المتاحة. وأخيرا، فإن تصوير المبيض السليم بأكمله يولد كمية كبيرة من البيانات للتحليلات الحسابية اللاحقة. لذلك ، هناك حاجة لتطوير طرق 3D موحدة لعد البويضات للدراسات المقارنة وعبر مراحل النمو.
يستخدم هذا البروتوكول بروتوكولات التطهير المناعي القياسية والمقاصة التي تم الإبلاغ عنها سابقا ، مع التركيز على نهج بسيط وسهل الاستخدام وعالي الإنتاجية38،39،40،41. تم تحسين البروتوكول لتحليل أعداد كبيرة من المبايض قبل الولادة وبعدها حتى اليوم 28 بعد الولادة (P28) وأحجام مختلفة من المبيضين من خلفيات وراثية مختلفة للفئران. خطوات تلطيخ المناعة متشابهة لجميع المراحل. ومع ذلك ، تختلف بروتوكولات المقاصة بالنسبة لمبايض البلوغ بسبب حجمها الأكبر ، ScaleS4 (0) و CUBIC للمبايض الصغيرة والكبيرة ، على التوالي40,41. علاوة على ذلك ، يتم إجراء تروية الجسم بالكامل في الفئران P28 قبل التثبيت لمنع التألق الذاتي من خلايا الدم. تم بناء مجهر متعدد الفوتونات على منصة Leica DIVE/4Tune كبديل للفحص المجهري الضوئي للحصول على الصور ، وتم اختيار برنامج IMARIS 3D Visualization and Analysis مع أدوات تحليلية مختلفة لهذا البروتوكول. هذا البروتوكول سهل المتابعة وأقل عملية ، وبالتالي توفير الوقت. علاوة على ذلك ، فإن تحديد كمية البويضات سريع نسبيا ، اعتمادا على حجم المبيض وترتيب البويضات.
تقدم هذه المقالة بروتوكول تصوير وتصوير مناعي 3D مفصل للمبايض قبل الولادة وبعدها للحصول على إنتاجية عالية ودراسات مقارنة لتحديد كمية الخلايا الجرثومية وتوطين البروتين. قمنا بتطوير هذا البروتوكول لتحليل أعداد البويضات في المبيضين (N = 6-12) في ست نقاط زمنية للتطور في 10-16 سلالة مختلفة ، حيث تتم ?…
The authors have nothing to disclose.
تم دعم هذا العمل من خلال منح المعاهد الوطنية للصحة (R01 HD093778 إلى E.B-F و T32 HD007065 إلى R.B). نشكر زاكاري باوتشر على مساعدته في التجربة الإشعاعية. نشكر ماري آن هاندل على قراءتها النقدية للمخطوطة. نحن نقدر بامتنان مساهمة سونيا إيراتوبوزا وخدمة الفحص المجهري الأساسية في مختبر جاكسون لمساعدة الخبراء في عمل الفحص المجهري الموصوف في هذا المنشور وجاريك ترابزو من خدمات الأدوات العلمية في مختبر جاكسون لتصميم شريحة المحول المطبوعة 3D.
Benchtop Incubator | Benchmark Scientific | H2200-H | 37 °C incubator |
Bovine Serum Albumin (BSA) | VWR | 97061-416 | |
C57BL/6J | The Jackson Laboratory | 000664 | mouse inbred strain |
Dimethyl sulfoxide (DMSO) | Sigma-Aldrich | D1435 | Hazardous material |
D-Sorbitol | Sigma-Aldrich | S6021 | |
Dumont #5 Forceps | FST | 91150-20 | |
FastWells Reagent Barriers | GraceBio | 664113 | Sticky and flexible silicone gasket (adhesive well) |
Fine Scissors | FST | 91460-11 | |
Glycerol | Sigma-Aldrich | G2025 | |
Glycine | ThermoFisher Scientific | BP381-500 | |
Goat anti-Rabbit IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 647 | Invitrogen | A-21246 | Dilution 1:1000 |
Goat anti-Rat IgG (H+L) Cross-Adsorbed Secondary Antibody, Alexa Fluor 555 | Invitrogen | A-21434 | Dilution 1:1000 |
Goat serum | Sigma-Aldrich | G9023 | |
IMARIS Software | Oxford Instruments | Version 9.7.0 | Image visualization and analysis software |
Insight X3 | Spectra-Physics | InSight X3 Tunable Ultrafast Laser | Laser for Multiphoton Imaging |
LASX software | Leica | Version 3.5.6 | Image acquisition software |
Leica DIVE/4TUNE/FALCON | Leica | Leica Dmi8, 2P-M-ready: # 158005406 | Multiphoton Microscope |
MaiTai HP | Spectra-Physics | Mai Tai DeepSee One Box Ultrafast Laser | Laser for Multiphoton Imaging |
Masterflex Pump Controller | SPW Industrial | Model: 7553-50 | Peristaltic pump for perfusion |
Mayo Scissors | FST | 14010-17 | 5” –7” blunt/blunt scissors for decapitation |
Micro Cover Glasses, Square, No. 1.5 25x25mm | VWR | 48366-249 | |
Mini BioMixer | Benchmark Scientific | B3D1020 | shaker/nutator for 37 °C incubator |
Nikon Ergonomic SMZ1270 | Leica | SMZ1270 | stereomicroscope |
Paraformaldehyde 16% (formaldehyde aqueous solution) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | Hazardous material |
PBS Tablets, Phosphate-buffered Saline | ThermoFisher Scientific | BP2944100 | Dissolve in Milli-Q water |
Penicillin-Streptomycin, 200x, Dual Antibiotic Solution | ThermoFisher Scientific | ICN1670249 | |
Polyvinyl alcohol (PVA) | Sigma-Aldrich | P8136 | |
Quadrol (N,N,N′,N′-Tetrakis(2-Hydroxypropylethylenediamine) | Sigma-Aldrich | 122262 | |
Rabbit anti-DDX4/MVH | Abcam | ab27591 | Dilution 1:500 |
Rabbit anti-LINE-1 ORF1p | Abcam | ab216324 | Dilution 1:500 |
Rat anti-TRA98/GCNA | Abcam | ab82527 | Dilution 1:500 |
Sodium azide | Sigma-Aldrich | S2002 | Hazardous material |
Sodium borohydride | Sigma-Aldrich | 452882 | Hazardous material |
Sucrose | ThermoFisher Scientific | S0389 | |
Tekmar Orbital Shaker | Bimedis | VXR-S10 | shaker for room temperature |
Triethanolamine | Sigma-Aldrich | 90279 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | X100 | |
UNOLOK Infusion Set | MYCO Medical | 7001-23 | needles for perfusion |
Urea | Amresco | 97061-920 | |
X-Cite 120LED | Excelitas | S/N XT640-W-0147 | low-power LED fluorescence lamp |