The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Russian was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
1Umeå Centre for Molecular Medicine, Umeå University, 2Cell Transplant Center, Diabetes Research Institute, University of Miami,, 3EMBL-CRG Systems Biology Program, Centre for Genomic Regulation, Catalan Institute of Research and Advanced Studies, 4Dept. of Computing Science, Umeå University
Eriksson, A. U., Svensson, C., Hörnblad, A., Cheddad, A., Kostromina, E., Eriksson, M., et al. Near Infrared Optical Projection Tomography for Assessments of β-cell Mass Distribution in Diabetes Research. J. Vis. Exp. (71), e50238, doi:10.3791/50238 (2013).
По адаптации OPT, чтобы включить возможность обработки изображений в ближней инфракрасной (ИК) спектра, то здесь, иллюстрируют возможность изображение более крупные тела ткани поджелудочной железы, такие, как крысы поджелудочной железы, а также увеличить количество каналов (типы клеток), которые могут быть изучены в единственном экземпляре. Мы также описывают реализацию ряда вычислительных средств, которые обеспечивают: 1 / точное позиционирование (в нашем случае поджелудочная железа) образца центра масс (COM) на оси вращения (AR) 2, 2 / улучшенные алгоритмы сообщение выравнивание настройка, которая предотвращает геометрических искажений во время томографической реконструкции 2 и 3 / протокол для выравнивания интенсивности увеличить сигнал шум в OPT-BCM на основе определения 3. Кроме того, мы описываем держатель образца, что сводит к минимуму риск непреднамеренного перемещения образца в процессе получения изображения. Вместе взятые, эти протоколы позволяют оценкам BCM распределения и др.э возможности, должны быть выполнены во всем объеме нетронутыми pancreata или других органов (например, в исследованиях трансплантации островков), с разрешением вплоть до уровня отдельных островков Лангерганса.
Продуцирующих инсулин β-клетки играют ключевую роль в способности организма контролировать гомеостаз глюкозы в крови. Таким образом, оценка распределения BCM поджелудочной железы крайне важны для многих областей доклинических исследований диабета. В оценке терапевтических режимов, например, влияние целевых генов абляции на эндокринную дифференцировки клеток или исследования диабета этиологии у грызунов моделей для болезни часто зависит от таких анализов. Традиционно, эти виды оценок полагались на времени стереологического подходы, которые трудно выполнить из-за размера и сложного анатомического строения поджелудочной железы. Самое высокое разрешение изображений подходов в настоящее время (обычно оптический), не обеспечивают достаточную глубину проникновения, чтобы все визуализации поджелудочной железы грызунов. И наоборот, изображения подходы, которые не ограничены их глубина проникновения (как правило, ядерные) предоставляют низкое разрешение разрешить полное распределение BCM и мешаетв связи с отсутствием адекватных контрастных агентов 4,5.
Оптическая томография проекции 3D метода визуализации, который позволяет с высокой разрешающей оценки медико-биологических образцов на мм до см шкале 6. Настоящим информации о пространственном положении и объем отдельных инсулина выражения островков Лангерганса могут быть извлечены по всему объему поджелудочной железы в нормальных и диабетических мышей 3,7-10. Цель данного исследования заключается в дальнейшем укреплении потенциала этой техники для оценки поджелудочной железы β-клеток, их эндогенным распределения, когда привитые в других тканях, их связь с другими составляющими поджелудочной железы (например, проникновение типы клеток) и в большей препараты поджелудочной железы, чем это было возможно ранее.
Ближней инфракрасной оптической томографии проекции (NIR-OPT) установки
В приведенном ниже протоколы, OPT сканер на основе оригинальной настройке описывается Шарпу
Металлогалогенные лампы, что обеспечивает более высокую энергию возбуждения, чем дуговой ртутной лампы на длинах волн выше 650 нм, поставляет возбуждающего света. Свет передается через жидкие световод. Полезные сочетания флуорохромы и полосового фильтра для NIR флуоресценции и разделение каналов показано на рисунке 3. Излучаемого света обнаружен с задней подсветкой ПЗС-камеры, с высокой квантовой эффективностью в спектре НДК. OPT сканирования автоматизированы с помощью платформы LabView, который управляет камерой и шагового двигателя. Для поддержки образцы в размере нетронутыми pancreata крысы, защищенный покрытием из серебра зеркало и большой кювет используется. Наконец, держатель образца, который устраняет нежелательные вертикальные movemenTS образца во время сканирования была разработана.
1. Подготовка проб и сканирование
1,1 Пробоподготовка
Следующая процедура выполняется по существу, как описано выше 7.
1,2
Следующая процедура описывает, как установить образец в агарозном и приложите его к заказу держатель образца (см. рисунок 7) До OPT сканирования.
1,3 позиционирования образца в AR
Следующий протокол описывает процедуру для точного позиционирования образца с помощью COM-AR алгоритм. Эта процедура применяется только при ROI включает в себя весь образец. Более подробное описание алгоритмов, см. Cheddad и др. 2.
1,4 Сканирование
2. Вычислительная обработка и реконструкции
2,1 после приобретения обнаружения смещения и коррекции (стоимость тюнинг)
В проекции томография, это в целом необходимыназначить после выравнивания значения проекций для тонкой настройки изображения положении вдоль оси вращения до реконструкции. Тем не менее, небольшое отклонение от нормы в угол камеры по отношению к оптической оси может привести к неоднородным значения по длине образца и таким образом вызывают геометрические искажения. Чтобы избежать таких искажений, вычислительный метод, чтобы найти точную и единую после согласования стоимости (стоимости) на протяжении всего образца могут быть применены 2.
2,2 контрастности ограниченной адаптивной эквализации гистограммы (CLAHE)
Для облегчения обнаружения и сегментации объектов (островки) экспонирование очень слабые сигналы, которые подвергаются риску быть "thresholded из" во время реконструкции и / или сегментации для количественных оценок, CLAHE алгоритм может быть применен к проекции изображений. Операция CLAHE осуществляется с двух крупных преобразований интенсивности:
Название отличие ограниченной относится к темам предела, который установлен, чтобы избежать насыщения пикселей в изображении. В этом протоколе MATLAB встроенной функции "adapthisteq" был использован и применяется по умолчанию C губы предел 0,01 и плитка размером 256. Отметим, что оптимальный размер плитки должна быть проверена эмпирически и могут варьироваться в зависимости от образца проанализированы. Подробнее об алгоритме и примеры можно найти в Hörnblad и др. 3.
Внимание! Перечисленных вычислительных этапов обработки (в том числе COM-AR, A-Цена тюнинга и CLAHE см. 1.3-2.2) построены на стандартных алгоритмах и выполнены в MATLAB (Mathworks).
2,3 томографической реконструкции и изо-поверхность рендеринга
Мышиные изоляции островок и трансплантации процедуры были выполнены в доклинических сотовых диабета научно-исследовательский институт по переработке и трансляционных базовой модели по протоколам рассмотрены и одобрены Университета MiamЯ Институциональные уходу и использованию животных комитета. Этический комитет для исследований на животных, северная Швеция, одобрили все другие эксперименты с участием животных.
В настоящем докладе мы опишем протокол по добыче и вычислительной обработки данных в BCM грызунов pancreata (и других тканей) с помощью NIR-OPT (рис. 1). Как показано на рисунке 2, ткань поджелудочной железы autofluorescense от образца, как и ожидалось заметно снизилась в спектре НДК. Это приводит к значительному увеличению среднего сигнала к шуму (S: N) соотношение для оценки инсулина помечены островков Лангерганса. По адаптация решили изображений в части NIR спектра, как описано здесь, по крайней мере, три конкретные каналы могут быть визуализированы с достаточным S: N отношение включить оценку антитела, меченного типов клеток по всему объему мышиной поджелудочной железы с четкими разделение каналов (см. рисунок 3 и 4). Применительно к визуализации процессов сахарного диабета и / или BCM оценки в целом, таким образом, позволяет технику для визуализации и количественной оценкиинсулина положительной области по отношению к окружающим и / или взаимодействующих типов клеток (см. рисунок 4). Такие оценки благодаря увеличению глубины проникновения в ткани, полученные в диапазоне NIR можно выполнять в гораздо более крупные экземпляры, чем ранее, в том числе поджелудочной железы крыс, которые в 3-5 раза больше, чем его коллега мыши (см. Рисунок 5). Независимо от того, видимой или ближней ИК волн используются, реализация CLAHE может значительно облегчить OPT на основе оценки BCM во время различных генетических и физиологических условий путем повышения чувствительности обнаружения техники (см. Рисунок 6). Основой для развитых держатель образца показано на рисунке 7.

Рисунок 1. Блок-схема изображающие важные шаги для OPT основе анализа BCM в мурнеравенства поджелудочной железы. Время, необходимое для оценки типичного поджелудочной железы мыши составляет 13-14 дней. Большую часть времени расходуется в процессе обработки ткани и иммуногистохимического окрашивания (10 дней), ткань очистки требуется около 2 дней, тогда как длина сканирования зависит от времени экспозиции требуется (обычно около 1 часа). Последующие вычислительной обработки обычно осуществляется в течение дня. Отметим, что относительно длительного окрашивания протокол идеально подходит для пакетной обработки большого количества образцов.

Рисунок 2. Сигнал к шуму для BCM оценок на различных длинах волн. Мышью двенадцатиперстной доли поджелудочной железы, окрашенных в инсулине и с коктейлем из флуорохромом сопряженных вторичными антителами (488 Alexa, 594, 680 и750), был использован для определения S: N соотношения на разных длинах волн. , Изображения показывает первый кадр проекции для каждого канала. B, график, иллюстрирующий среднем S: N для каждого канала. Отношения были определены как средняя интенсивность островке (на основе 215 островков), деленная на интенсивность фона (эндогенная флуоресценция тканей из экзокринной ткани). C, График, показывающий S: N коэффициентов для отдельных островков в каждом канале, нормированный на S: N, полученные для Alexa 594 каналов. Один из способов ANOVA была использована для статистического анализа. Значение уровня, указанного соответствуют ** р <0,01. Шкала бар (А) соответствует 1 мм. Нажмите, чтобы увеличить показатель .

Рисунок3. Разделение каналов., Вторичные антитела, конъюгированные с красителями Alexafluor, перечисленных в таблице были обездвижены отдельно на proteinG-сефарозе бисера. B, флуоресцентные шарики, то встроенные в разные уровни в агарозном призрак и отображаемого использованием указанных фильтров.

Рисунок 4. OPT на основе многоканальных изображений при сахарном диабете исследования., OPT основе ISO-реконструкция поверхности поджелудочной железы (12 недель, двенадцатиперстной доли) от не Тучные Диабетическая (NOD) модели для диабета 1 типа. Образца окрашивали для инсулина (островок β-клеток, псевдо-синего цвета); гладких мышц α-актин (кровеносные сосуды, красный) и CD3 (проникновение Т-лимфоцитов, зеленый). Соответствующие вторичные антитела были использованы; Cy3, IRDye-680 и DyeLight-750 соответственно.вставками (A'-'' ') показать отдельные каналы сигнала. B, OPT изображения (раздутие зрения) доли печени мыши (lobus зловещие латеральной) привиты с сингенными островков и полученную с использованием NIR-OPT две недели после трансплантации. Инсулина, выразив островки pseuodocolored в синих и гладких мышц α-актина положительные судов в красный цвет. Такой подход позволяет оценки островок трансплантата распределение в сосудистой сети. Шкала баров соответствует 1 мм.

Рисунок 5. NIR-OPT облегчает визуализацию больших образцов., Iso-поверхность оказания BCM распределения в поджелудочной железе крыс Zucker с жирной моделью для сахарного диабета 2 типа (селезенки долей в 9 месяцев), иллюстрирующих возможности изображения образца на крыс Поджелудочная железа масштабе NIR-OPT. Как определяетсяс помощью этого метода отображается доля составляет ~ 6 раз больше (V / V), чем его коллега мышью и гаваней 10139 инсулина выражения островков Лангерганса которых β-клетки объем составляет 1,32% от общего объема лобулярной. B, Томографик секции, соответствующей ломаная линия (А), показывающий, что островки из всех глубинах тканей не обнаружено. C, Iso-поверхность оказания BCM распределения мыши поджелудочной железы (селезенки доли в 8 недель) отображается в виде ссылки размера. Отображаться доли таит в 2490 инсулина выражения островки которого β-клетки объем составляет 0,89% от общего объема лобулярной. Pancreata окрашивают GP анти-инсулина следует Alexa594 сопряженных козьего анти-GP (мыши) и IRDye 680 Сопряженные Donkey анти-GP (крыса) антител, соответственно. Образцов (AC) изображены в масштабе и масштабе бар в (C) соответствует 2 мм.
Рисунок 6. CLAHE облегчает обнаружение островков в мышиной поджелудочной железы изображений ОПТ. Переменного тока, представитель изоповерхности оказанных OPT изображений C57Bl / 6 мышей поджелудочной железы (селезенки доли в 8 недель), предназначенного для инсулина. Iso-поверхность реконструкции OPT изображения были выполнены до (псевдо окрашены в зеленый цвет) и после того, как протокол был применен CLAHE (B, псевдо-красного цвета). С Наложение ненормированного данные в (А) и CLAHE обработанные данные в (B). С ^-С ", представитель высокой наложения увеличение ненормированного (А) и CLAHE обработанные (B) изображений. Как показали наличие" красных лишь "островки, CLAHE скрипт облегчает обнаружение малых и низкий уровень сигнала Интенсивность островки. В данном примере изображен образца (после CLAHE обработки) питал 2419 островков с объемом 1,74 мм 3 (номера на основе соответствующих необработанные данные проекции был 1057 островков Wiго объема 1,77 мм 3). D и E, пример данных управления (D) и OB / OB модель мыши для сахарного диабета 2 типа 12 (E) в течение 6 месяцев реализации CLAHE протокол. Обратите внимание на массивные общее увеличение островок размером в OB / OB поджелудочной железы (E). В (D) и (E) поджелудочной железы контур (серый) на основе сигнала от тканей автофлуоресценции. Шкала бар в C составляет 500 мкм переменного тока. Шкала бар в C "соответствует 200 мкм в C и C''. Шкала бар в E соответствует 1 мм (D) и (E). Изображения в (AC) взяты из Hörnblad и др. 3 и были получены с использованием Bioptonics 3001 сканер.

Рисунок 7. Держатель образца для крепления OPT образцов. Образца обеспечивается путем введения иглы через спейсер агарозы через предварительно просверленные отверстия во фланцах. Держатель крепится на петлях, шагового двигателя с помощьюСильный магнит находится в его основание. Эта установка не включает использование неустойчивых клеи и предотвращает нежелательные перемещения образца во время сканирования.
Описанные методы OPT изображений позволяет добыче пространственных и количественных параметров по всему объему мышиной поджелудочной железы. Из-за ограничений в достижимое разрешение для этого типа мезоскопических изображений следует отметить, что, как и для большинства методов визуализации, тем больше образцов, тем ниже разрешение (Хотя использование более высокого разрешения CCD должны увеличивать разрешение сканирования OPT) . Таким образом, для оценки доли нетронутыми мыши поджелудочной железы, техника в настоящее время не обеспечивает единую резолюцию клетки, хотя близко (приблизительно 15-20 мкм) 7. Тем не менее, для извлечения BCM распределения в поджелудочной железе мыши протоколы были получены данные, что более чем хорошо совпадают получены, например, подсчет числа точек морфометрии 3,13 Следует отметить, что, хотя реализация протокола CLAHE позволяет для обнаружения значительно больше островков , эти островки, как правило, меньше и не вкладаТе существенный вклад в общий β-клетки томах.
Иммуногистохимического протоколов участвует сравнительно длительные (до двух недель), но фактическое рук на время подготовки образца короткая и поэтому этот метод хорошо подходит для изучения больших когорт животных 9. Если потенциал гетерогенные модели распределения внимания для исследования, следует подчеркнуть, что следует проявлять осторожность в отношении шагов фиксации и монтажа, чтобы избежать этого ткани поджелудочной железы становится зафиксирован в неблагоприятных пути и плоские («расползаются» ) крепления ткани следует стремиться содействовать таких оценок.
Важным вопросом при проведении ОПТ является то, что COM образца устанавливается на оси вращения, и что он не двигается, либо вертикально, либо горизонтально, во время процедуры сканирования. Поэтому очень важно иметь стабильные механические установки и хорошо функционирующая система attachiнг образца. Мы решили эту проблему путем строительства нового крепления (рис. 7).
Параллельно геометрия была не относится к нашему NIR-OPT или Bioptonics 3001 сканер, который был обнаружен в виде вертикального сдвига между задней и передней позиции периферических объектов в проекции изображений, записанных. Регулируя объект источника расстоянии в лог-файл соответствующего сканера (см. 2.3.1) мы могли бы значительно улучшить качество наших данных и коррекции геометрических искажений на дальнем краю проекции изображения, что особенно важно при оценки более крупные экземпляры.
В текущем протоколе, мы предоставляем предложение наборы фильтров, которые позволяют визуализации трех различных конкретных каналов и «анатомии» канала в оценках нетронутыми препараты поджелудочной железы. Очевидно, что эти параметры могут быть модулированной, чтобы лучше соответствовать флуорохромы использованы для данного исследования, хотя, как и во всех формах флуоресценциипроцентов микроскопии, потенциальной опасности сигнал проступание должны быть тщательно проанализированы. Исследование инсулина помечены островки флуорохромами, которые возбуждаются выше 750 нм до сих пор не удалось нами по металлогалогенные лампы, что наши настройки используются. Вполне возможно, что камеры с еще более высокой квантовой эффективностью в соответствующих длин волн в сочетании с альтернативными источниками света (например, диодные лазеры) может увеличить потенциал NIR-OPT дальше и позволить для работы с изображениями при еще более высоких волнах.
OPT изображений является весьма универсальный метод для пространственные и количественные оценки биомедицинских образца на мм-см масштабе. Хотя протоколы, представленные здесь, были разработаны для основных целей поджелудочной железы / диабете исследований они должны быть возможно перевести на исследования других видов, типов и образцов маркеров. По потенциал, чтобы визуализировать несколько отдельных каналов в неповрежденном препараты поджелудочной железы, NIR-OPT изображений Further имеет потенциал в качестве инструмента для оценки поглощения специфика контрастных агентов предназначен для неинвазивной оценки других методов визуализации тех пор, пока эти контрастные вещества могут быть предназначены для перевозки и флуорофор обнаруживается ОПТ.
Нет конфликта интересов объявлены.
Д-р П. Линдстрем признано за предоставление OB / OB мышей. J. Лехтонен признан за помощь в производстве видео и J. Gilbert за помощь в редактировании. Это исследование было поддержано грантами от диабета научно-исследовательского института Foundation (AP), детского диабета исследовательский фонд (AP и UA), Европейская комиссия (FP-7, Грант соглашения нет. CP-IP 228933-2) (JS и UA), Кемпе фонды, Умео университета и Шведского исследовательского совета в UA
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Methanol | Scharlau | ME03162500 | |
| 30% H2O2 | Scharlau | HI01362500 | |
| Benzyl Alcohol | Scharlau | AL01611000 | |
| Benzyl Benzoate | Scharlau | BE01851000 | |
| Low-meltingpoint agarose | LONZA | 50100 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D5879 | |
| Triton-X100 | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| Mouse anti-aSMA-Cy3 | Sigma-Aldrich | C6198 | Primary antibody |
| Rabbit anti-CD3 | Sigma-Aldrich | C7930 | Primary antibody |
| Guinea Pig anti-Ins | DAKO | A0564 | Primary antibody |
| Donkey anti GP-IRDye680 | LI-COR Biosciences | 926-32421 | Secondary antibody |
| Goat anti Rb-DyeLight750 | Thermo Scientific | 35570 | Secondary antibody |
| Goat anti GP-Alexa594 | Molecular Probes | A-11076 | Secondary antibody |
| Goat anti GP-Alexa488 | Molecular Probes | A-11008 | Secondary antibody |
| Goat anti GP-Alexa594 | Molecular Probes | A-11012 | Secondary antibody |
| Goat anti GP-Alexa680 | Molecular Probes | A-21076 | Secondary antibody |
| Goat anti GP-Alexa750 | Molecular Probes | A-21039 | Secondary antibody |
| OPT Skyscan 3001 | Bioptonics | OPT-Scanner | |
| Leica MZ FLIII | Leica Microsystems | Stereomicroscope | |
| Leica Objective 0.5x | Leica Microsystems | 10446157 | |
| Leica Camera adapter 1.0x | Leica Microsystems | 10445930 | |
| EL6000 Metal Halide | 11504115 | Lightsource | |
| Liquid Light Guide | 11504116 | ||
| Cuvette | Hellma Analytics | 6030-OG | 55 x 55 x 52.5 mm |
| Mirror | Edmund Optics | F68-334 | 50 x 50 mm |
| Andor Ikon-M | Andor Technology | DU934N-BV | Back-illuminated CCD |
| Filterset | Chroma Technology | 41021-MZFLIII | TXR, Alexa-594, Cy3 |
| Filterset | Chroma Technology | 41022-MZFLIII | IRDye680, Alexa-680 |
| Filterset | Chroma Technology | 49037-MZFLIII | Dylight750, Alexa-750 |
| ProteinG-Sepharose beads | GE Healthcare | 17-0618-01 | Protein G Sepharose 4 Fast Flow |
| Sodium Azide | Sigma-Aldrich | 08591 | Sodium azide 0.1 M solution |
1
ReplyPosted by: Alexander S.January 15, 2013, 1:07 AM