活細胞成像應用于斑馬魚的觀察

    斑馬魚與小鼠一樣，是一種著名的動物模型，廣泛應用于表觀遺傳學、毒理學、臨床研究、神經(jīng)科學等生物學研究。這主要是因為斑馬魚的胚胎和幼體易于遺傳操作，而且它們體積小，光學清晰度高，易于用光學顯微鏡觀察。

 

圖1 利用斑馬魚在藥物篩選中觀察生物體表型^[1]

 

圖2 藥物篩選、自動成像以及斑馬魚幼體分析^[2] 

    Celloger^® Mini Plus提供了一個自動生成多層圖像的Z-stacking功能，Celloger^®分析軟件提供了一個合并功能，可以輕松地組合多層熒光圖像。這些功能使研究人員能夠在單個圖像中觀察三維(3D)結(jié)構(gòu)。通過功能表達綠色熒光蛋白(GFP)觀察轉(zhuǎn)基因斑馬魚(幼魚)，詳見下面的步驟1和2。

 

圖3 Celloger^® Mini Plus設備圖
 

應用實例：

步驟1，Z-stacking

    如由細胞組成的組織，根據(jù)焦點可以提供各種信息，因此確定各種焦點是至關(guān)重要的。通過設置層與層之間的距離(“Step”)和拍攝的圖像數(shù)量(“N,N”)，使用Celloger®MiniPlus可以在設置位置(Z位置)的上方和下方以固定的間隔(“Step”)生成多層圖像(圖4)。每個觀察點可以輸入不同的設置，并且可以在不同的觀察點執(zhí)行不同的Z-stacking設置。

 

圖4 Z-stacking

    我們使用Celloger^® MiniPlus來創(chuàng)建轉(zhuǎn)基因斑馬魚的Z-stacking圖像。由于3D幼魚的每個部分可接受的焦平面不同，我們通過操縱自動移動的Z軸來驗證合適的焦平面。我們在多個焦平面中識別出了上焦平面(Z=4.585)和下焦平面(Z=4.685)，并將中間對應的坐標(Z=4.635)設置為掃描位置；并且以掃描位置為中心，在位置的上方和下方各設置以10µm間隔拍攝5張照片(圖5)。

 

圖5 斑馬魚幼魚拍攝過程

    圖6顯示了斑馬魚的上、中、下焦平面拍攝的照片。側(cè)視圖下焦平面頭部形狀清晰，上焦平面腹側(cè)部清晰可見。

 

圖6 斑馬魚拍攝結(jié)果

步驟2，Z-projection

    多層成像(Z-stacking)是觀測三維模型的必要手段。然而，解釋多層成像獲得的多幅圖像的結(jié)果是費力和耗時的。Z-projection函數(shù)將多個圖層合并為一幅圖像，使一個3D樣本可以作為一幅圖像被清晰完整地觀察到，增加了研究人員的洞察力。

    Z-projection類型是對位于每個X-Y位置的多個Z坐標進行積分的方法。“Maximum”用于整合幾個Z坐標點中最亮的像素，而“Average”用于計算幾個Z坐標點的平均亮度(圖7)。此外，在Celloger^®分析軟件中添加了可以增強的元素“add deviation value”，以獲得更清晰的圖像。

 

圖7 Z-projection類型 

    在Celloger^®分析軟件中打開Z-stacking拍攝的圖像，點擊Z-stack選項卡上的“merge”按鈕，可以得到Z-projection圖像(圖8)。不同的樣本對應的Z-projection類型不同，建議對每種類型進行確認。

 

圖8 Z-projection過程 

    圖9顯示了通過選擇“maximum”類型和“add deviation value”選項拼接三幅圖像進行投影的結(jié)果。在底部焦平面上清晰地表達了頭部結(jié)構(gòu)，在頂部焦平面上可以觀察到的獨特的腹側(cè)形狀，使用投影函數(shù)將其表達為單個圖像。

 

圖9 結(jié)果圖

    我們使用Celloger^® Mini Plus系統(tǒng)成功獲得了斑馬魚的高質(zhì)量熒光圖像。將三維結(jié)構(gòu)的多層信息成功地組合并清晰地表達在一張圖像中。該實驗證實了使用各種其他樣品類型捕獲3D圖像的可行性，包括球體和類器官，這可以擴大研究人員可用的研究范圍。
 

結(jié)語：

    斑馬魚作為一種廣泛使用的動物模型，用于神經(jīng)系統(tǒng)疾病、藥物篩選和表觀遺傳學等研究模型，具有完全表征的基因組，并且與人類表現(xiàn)出高度的遺傳同源性。作為一種易于遺傳改造及使用的模型，大量的細胞熒光報告基因和尖端成像技術(shù)更加推進了斑馬魚在模型方面的潛力。Celloger^®活細胞成像設備無需反復拿取細胞樣本，在培養(yǎng)箱內(nèi)即可實現(xiàn)對細胞的可視化以及進行長期動力學測定。利用延時成像技術(shù)及Z-stacking功能，獲得更清晰的3D熒光成像效果。隨著系統(tǒng)研究的推進和斑馬魚成像效果的提升，這種模式生物可能會繼續(xù)在多種研究領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。

 

 

 

參考文獻：

[1] Rosa JGS, Lima C, Lopes-Ferreira M. Zebrafish Larvae Behavior Models as a Tool for Drug Screenings and Pre-Clinical Trials: A Review. Int J Mol Sci. 2022 Jun 14;23(12):6647. 

[2] Chia K, Klingseisen A, Sieger D, Priller J. Zebrafish as a model organism for neurodegenerative disease. Front Mol Neurosci. 2022 Oct 13;15:940484.