Zeitraffer-Bildgebung und Betrachtung der Zellteilung

Ziel der Betrachtung des Zellteilungsprozesses

Zellen von Organismen wachsen durch wiederholte somatische Zellteilung^*1. Die Meiose*² findet bei der Bildung der Keimzellen statt. Ein Großteil der Forschung an den Zellen lebender Organismen erfordert die Betrachtung und Auswertung dieser Teilungsprozesse in chronologischer Reihenfolge.
Bei der Erforschung von Krankheiten und therapeutischen Medikamenten (Drug Discovery Screening) wird zum Beispiel das Zellverhalten (Teilung) von Geweben oder Organen bei pathologischen oder Heilungsprozessen betrachtet. In der regenerativen Medizin wird aktiv mit pluripotenten Stammzellen experimentiert und geforscht, die sich in jede Art von Zelle differenzieren können, die verschiedene Gewebe und Organe bildet, wie z. B. iPS-Zellen. Bei der Auswertung und Darstellung von Versuchsergebnissen in der Forschung zur Stammzelldifferenzierung und Zellteilung geht es vor allem um die Frage, wie der Prozess der Chromosomenteilung in lebenden Zellen eindeutig erfasst werden kann.
Meiosen werden auch betrachtet, um die Ursachen von Krankheiten wie Keimzellenhypoplasie und abnormaler Chromosomenverteilung zu ermitteln und den molekularen Mechanismus der sexuellen Fortpflanzung und ihren Ursprung zu verstehen. In Genexpressionsexperimenten mit Messenger RNA (mRNA), die die Sequenzinformationen von Proteinen kodiert, die von der DNA kopiert wurden, wird der Teilungsprozess von Keimzellen betrachtet, um den molekularen Mechanismus der Meiosen und die die Teilung kontrollierenden Faktoren zu identifizieren. Damit lassen sich die Bedingungen bestimmen, die die mRNA-Funktionen stabilisieren.

*1: Die somatische Zellteilung ist der Prozess, bei dem sich eine Mutterzelle in zwei Tochterzellen teilt. Eine tierische Zelle wächst im Zellzyklus, der aus der Interphase (G1, S und G2) und der mitotischen Phase (M) besteht. In der M-Phase kondensiert das Chromatin teilweise zu dünnen Chromosomen und die Kernhülle zerfällt. Um die Zentrosomen herum bilden sich kleine Sternchen (Prophase). Spindelfasern gehen von den beiden kleinen Sternchen aus und verbinden sich mit den Kinetochoren. Gleichzeitig werden die Chromatiden gebildet (Prometaphase). Die Chromosomen sind um den Äquator herum angeordnet (Metaphase). Die getrennten Chromatiden (Tochterchromosomen) bewegen sich in Richtung der gegenüberliegenden Pole. Bei der Zytokinese werden die Kernhülle und der Nukleolus in diesen Chromatiden gebildet, wodurch zwei Tochterzellen entstehen (Telophase). Jede Zelle tritt in die Interphase (G1-Phase) ein.

*2: Die Meiose ist eine Art der Zellteilung, die bei der Bildung von Keimzellen (z. B. Spermien, Eizellen) stattfindet. Bei der Mitose werden die Zellkerne zweimal geteilt, wodurch sich die Zahl der Chromosomen halbiert. Diese Teilung wird auch als Reduktionsteilung und bei tierischen Keimzellen als Reifungsteilung bezeichnet. Bei der ersten Teilung bilden homologe Chromosomen Paare miteinander und werden dann getrennt. Dabei verringert sich die Zahl der Chromosomen um die Hälfte. Bei der zweiten Teilung werden die Zellen einfach geteilt, wobei vier Zellen mit der halben Anzahl von Chromosomen entstehen. Die Keimzellen erhalten bei der Befruchtung die normale Anzahl von Chromosomen.

Beispiele für Zeitrafferaufnahmen der Zellteilung

Bei der typischen Betrachtung des Zellteilungsprozesses wird die Zeitraffer-Bildgebung verwendet, bei der Fluoreszenzbilder von lebenden Zellen in bestimmten Zeitabständen aufgenommen werden. Für die erfolgreiche Durchführung von Experimenten und Bildgebungsverfahren ist es wichtig, dass die lebenden Zellen unter Fluoreszenzbetrachtung so wenig wie möglich beschädigt werden.

In den folgenden Abschnitten werden wichtige Punkte vorgestellt, die bei der Bildgebung zu beachten sind, sowie die Vorteile der Verwendung des BZ-X800 anhand von Zeitraffervideos und Bildern der Zellteilung, die mit dem kompakten Fluoreszenzmikroskop BZ-X800 von KEYENCE aufgenommen wurden.

Zeitrafferaufnahmen der Entwicklung eines frühen Embryos in der Eizelle einer Maus

Mit dem BZ-X800 können hochauflösende Zeitrafferaufnahmen gemacht werden, ohne dass lebende Zellen beschädigt werden. Auch die Fotobleichung kann reduziert werden, sodass die Zellen in ihrem Zustand aufgezeichnet werden können, ohne ihre Aktivität zu verlieren. Bei der Zeitrafferaufnahme mehrerer Zellen in einem weiten Sichtfeld bei geringer Vergrößerung ist es zudem möglich, den Teilungsprozess jeder einzelnen Zelle eindeutig zu erfassen.

Das BZ-X800, das Fluoreszenz-, Hellfeld- und Phasenkontrastbildgebung mit einem einzigen Gerät unterstützt, ist mit einer Funktion für die Überlagerung in Echtzeit ausgestattet, die ein Phasenkontrastbild mit einem Fluoreszenzbild auf einem einzigen Bildschirm in Echtzeit überlagert, wie in den Bildern oben gezeigt. Bildgebungsbedingungen, wie z. B. die Betrachtungsmethode und die Belichtungszeit, können in verschiedenen Kanälen gespeichert werden, was Zeit und Aufwand für die Anpassung der Bildgebung und die erneute Aufnahme spart.
Um Zeitrafferaufnahmen erfolgreich durchführen zu können, müssen im Voraus die Bedingungen festgelegt werden, unter denen die Ziele und Signale während der gesamten Aufnahme klar abgebildet werden können. Diese Vorbereitung muss in kurzer Zeit erfolgen, da ein längeres Einstellen der Bedingungen bei den Experimenten zu Fotobleichung führen kann.