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使用徕卡显微镜修复斑马鱼的心脏

2014-03-31  发布者:admin 

 在心脏组织再生惊人的发现是快速移动的研究人员更接近利用再生技术修复人体心脏的目的。 只有十一年前,肯尼斯博士POSS ,细胞生物学杜克大学教授霍华德·休斯医学研究所的早期职业科学家,出版了第一本研究清楚地看到用荧光显微镜心脏组织再生的一个例子。 他明确的发现,斑马鱼可以主要损伤后再生他们的心,显著的浪涌电流在心脏再生的研究做出了贡献。 “当时(2002年),心脏再生领域是相当困了。心脏病人不是想着再生。重点是移植和防止损坏。你能受损后的再生心脏的想法只是不真的还上了现场。“ POSS说。

 

再生领域迅速推进

当他的团队发表了他们的开创性文章 ,POSS说,他会预测这将需要至少40年后的再生技术,将准备用于人体应用。 但是,自那以后,在该领域的研究结果已经积累了在一个令人惊讶的快速发展。 “就在最近一两年发现在心脏再生的速度都令人叹为观止。现在我预测,在未来几年,我们将看到一些来自我们的实验室被用于开发人类再生应用的发现和其他“。

斑马鱼模型的优点

1:游泳斑马鱼(由Greg Nachtrab)的渲染图像。

一直以来,在​​治疗人类疾病的最大的进步站在基础研究的肩膀的情况。 POSS博士在过去的十年里建立一个在美国最大的斑马鱼殖民地,谁与他合作,旨在发掘的生物机制,其中成年斑马鱼受损后重新长出的组织科学家组成的专门团队。 这个不起眼的小鱼以其特有的黑色和白色条纹提供了一个惊人的优雅典范再生的研究。 即使在非常严重的伤害,斑马鱼能够快速生成各种复杂的结构,包括 ,视网膜,脊髓和心脏。 POSS解释他的选择,研究斑马鱼这种方式,“你可以从单细胞阶段,通过几天因为所有的器官系统可视化形式(斑马鱼)一路攀升 - 所以你几乎可以看到细胞迁移和血管成长.. ,对其进行可视化的能力(斑马鱼模型)除了其人多力量大最大的力量。“ 换言之,它不仅是相对容易的图像这些神奇的动物,但他们也方便小巧使研究人员能够保持大量人口在有限的空间。 POSS的团队保持5,300罐10〜30鱼在每一个3000平方英尺的设施,这将增加一倍以上的规模,明年当两个新的地点是完整的。

 

显微镜图像心脏发育和修复

虽然大多数斑马鱼的研究主要集中在生命的第一天,心脏和其他器官的初始,胚胎发育,POSS的团队是几个看着在以后的生活心肌再生之一。 要做到这一点,他们制定学习成鱼在内的数十转基因品系,以帮助可视不同细胞类型的新工具。 维卡斯·古普塔研究生在POSS的实验室,是第一个适应Brainbow技术 (最初开发用于小鼠的研究),以颜色编码斑马鱼的心肌细胞-使他们从亲代细胞分裂和迁移心脏周围的后代细胞进行跟踪。 古普塔开发的用于表达不同量的心肌细胞内的红色,蓝色和黄色的蛋白质,在超过20种不同的颜色标示他们的技术。 这个突破使得团队形象心脏发育和出精致的细节再生过程,因为每个细胞永久保持其颜色,并将其传递给新细胞,从中分裂。 采用显微成像,球队可以清楚地记录细胞分裂和迁移模式的鱼从心内胚胎到成年和心脏损伤后发生的维修。 事实上,POSS的研究人员首次使用Brainbow定义细胞器官发育过程中的行为方式。

2:通过与肌肉细胞标记由一个多色标签制度,用Leica TCS SP5激光共聚焦显微镜拍摄的斑马鱼的心脏A节。 使用激光线458纳米,515纳米和561纳米至激发CFP,YFP,和RFP,分别获得样品。 渠道购入依次覆盖,并导入到Adobe公司的Photoshop,在那里被做了亮度和对比度均匀的调整(由维卡斯古普塔)。
 

负责心脏发育和修复心肌细胞

POSS博士属性的最令人吃惊的发现,以这种能力为区分微观和色彩跟踪几十个类型的细胞。 他解释说,“这是我们能够追溯看着特别的细胞类型分化和心脏在斑马鱼胚胎形成过程中繁衍出来。平均而言,我们发现,有通常只有八心肌细胞的复制,形成大组织,最终使心脏的整面墙的补丁。那真是令我们吃惊。“ 这与其他研究结果掉转研究者的关注,这已经成为越来越注重利用干细胞来刺激再生,对新细胞的其他来源。 由于POSS说,“我们已经在鱼类中发现的是,心脏肌肉细胞 - 心肌细胞 - 是心脏肌肉细胞的不仅是胚胎心脏的初步形成过程中的来源,但它们也是新的心脏源再生过程中肌细胞的,因此,像干细胞在这些情况下,扩大远远超过我们原来以为个别的心肌细胞可以。我们还没有发现,但如何或为什么发生这种情况,但这一发现在鱼曾执导多注意看在肌肉细胞,而不是仅仅着重于干细胞的途径如何使再生发生,因为,在这些鱼中,我们已经能够清晰图像的心脏肌肉细胞本身如何是中央的再生过程“。3:与肌肉细胞标记由一个多色标签制度,用Leica TCS SP5激光共聚焦显微镜拍摄的斑马鱼的心脏表面的图像。 使用激光线458纳米,515纳米和561纳米至激发CFP,YFP,和RFP,分别获得样品。 渠道购入依次覆盖,并导入到Adobe公司的Photoshop,在那里被做了亮度和对比度均匀的调整(由维卡斯古普塔)。

 

以局部损伤广泛响应

另一个意外的发现是响应于局部损伤的程度。 POSS说,“我们预计,在受伤部位非常局部的反应,我们期待所有的再生和信令在那个受伤的位置发生权利。我们发现的是,它是一个更动态的过程,如果你在一个伤害心脏非常小的区域,你得到的信号和活化远离损伤部位的途径,我们受伤的心室,发现损伤后数小时内信令中庭的反应。这里也有一些机制,当心脏受到伤害非常本地有一个器官,在第一天给它广泛响应然后组织识别出损伤是局部而这也正是信令和反应开始集中它比我们预期的更加动态的同时,它不是渐进的 - 很早的一套器官宽在一个小时内发生的反应,我们可以看到了某种特定的基因在受伤的心脏都只是在受损区域开启不到处。在一两天这些基因在损伤部位打开只有...我们做了不期望找到这一点,认为这是为再生能力非常重要。'发现​​'的伤害这个过程可能是关键的目标,支持改革的组织在特定网站的信号。“

心肌组织的修复速度

该小组还继续受到如何快速从伤病中,这将是致命的,在大多数其他脊椎动物斑马鱼的恢复感到惊讶。 “我们最严重的伤害就是基因烧蚀或杀死超过三分之二的肌肉细胞在整个心脏的这是一个令人难以置信的严重伤害他们进入心脏衰竭与人类非常晚期心脏衰竭的所有经典标志:水肿,敏感性锻炼,休克,呼吸急促,嗜睡....在人类中,很少有我们能为心脏衰竭的这个级别做。这些鱼可以长肌肉的背部和扭转的症状!在一两个星期你甚至不能告诉他们受伤。他们在坦克周围疾飞的再生能力本身仍令我感到奇怪。“ POSS笑着说。

基础研究的重要性

这些重要的和意想不到的发现强调基础研究,最近在努力保持资金的重要性。 由于POSS所说的那样,“当你看着一些东西是如何工作的基本层面 - 它是如何发生的 - 你有机会找到任何这就是为什么我们很多人都真正坚持认为我们需要继续支持基础研究我们。需要研究的基本发育生物学 - 如何胚胎发育和器官如何形成的动物去从少年到成年阶段会发生什么 - 我们不知道很多关于这一点,当任何组织再生会发生什么 - 鳍或心脏,视网膜,肌肉,肝脏,胰脏 - 通常这些事情,据我们现在所知,共享信号,他们以不同的方式使用途径的一个子集有将具体组织机制,以及这一切 - 身体工作 - 所有联接在一起......这就是科学的应该是工作“。

关键的问题是

而且仍然有许多工作要做之前心脏再生的充分理解。 关键的问题是如如何新生成的细胞知道它们是什么,去哪里,以及如何发挥作用? 这是在心脏其中包括电耦合肌肉组织尤其混淆问题。 怎么新的心脏细胞定位自己,并纳入到一个受伤的,跳动的心脏,而不会导致心律失常? 什么是防止过 ​​度增长告诉再生过程何时停止机制?4:斑马鱼尾鳍骨细胞通过荧光标记突出显示时,用Leica M205 FA捕获,显示的mCherry和EGFP荧光(由Sumeet辛格)的图像。

 

 

改进的工具发现驱动

现在有几百个世界各地的实验室的研究斑马鱼和开发新的遗传工具来操纵它们有助于加速整个领域的研究结果。 特别是使用的蛋白标志物和改进荧光立体成像的共焦色分离和定制波长的能力 - - 在显微镜的速度和灵敏度的改进也有助于发现的快节奏在再生医学。

对于他们的零部件,POSS和他的团队在杜克继续努力解开再生的基本机制。 “最终的目标是要弄清楚如何再生发生在这些斑马鱼系统和这些概念应用到哺乳动物的上下文。看一个小鼠,大鼠或人的心脏后的任何类型的伤害,通常疤痕,并开始应用,我们”因​​素已经在鱼鉴定,以支持组织再生的另一种动物。“ 随着正在再生速度比以前更快的新发现,有希望,我们可能会达到这个目标迟早比任何人都曾经想过可能。