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 JoVE Clinical and Translational Medicine

近红外光学投影层析成像技术在糖尿病研究β细胞质量分布的评估

*1, *1, 1, 1, 1, 1, 1, 2, 3, 4, 1, 1

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

* These authors contributed equally
Article
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    Summary

    Cite this Article

    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).

    Abstract

    通过OPT来适应包括在近红外(NIR)光谱成像的能力,我们在这里示出的可能性的图像较大的机构胰腺组织,如大鼠胰腺,和增加的信道数目(细胞类型),可在一个单一的标本进行研究。我们进一步描述一个数的计算工具,提供:1 /准确定位的一个标本的(在我们的例子中胰腺)中心的质量(COM)的旋转轴(AR)2,2 /改进的算法进行后实施取向的断层重建期间2和3 /强度均衡OPT基于BCM测定3中,增加信号噪声比的一个协议,用于防止几何失真的调谐。此外,我们描述一个无意的标本变动的风险,最大限度地减少图像采集的样品架。总之,这些协议能够评价BCM分配和OTH的呃功能,要进行整个完好的胰腺或其它器官( 例如,在胰岛移植的研究)的体积,其分辨率的电平下降到个别胰岛。

    Introduction

    产生胰岛素的β细胞是身体的能力,控制血糖平衡的关键。因此,胰腺癌的BCM分布的评估是必要的到糖尿病临床前研究的许多领域。例如在评估治疗制度,内分泌细胞分化在啮齿类动物模型的疾病或糖尿病的病因学的研究有针对性的基因消融的影响,往往依赖于这样的分析。传统上,这些类型的评估依赖于耗时体视学方法,是难以履行应尽的规模和复杂的解剖宪法的胰腺。目前高分辨率成像方法(通常是光纤),不提供足够的穿透深度,让整个胰腺成像在啮齿类动物。相反,其穿透深度(通常为核)成像方法,不仅限于提供,分辨率较低,解决BCM分布,并阻碍由于缺乏足够的造影剂4,5。

    光学投影层析成像是3D成像方式,使生物医学样品的高分辨率评估厘米规模6毫米。据此,个别胰岛素表达胰岛的空间位置和体积上的信息可以被提取的整个体积的正常及糖尿病小鼠胰腺3,7-10。目前的研究的目的是为了进一步增进胰腺β-细胞的评估,这种技术的能力;其内源性的分布时,接枝到其他组织中,它们之间的关系的其他胰腺成分(如浸润细胞类型),并在较大的胰腺癌的准备工作比以前可能。

    近红外光投影断层扫描(NIR-OPT)设置

    在下面的协议,根据原来的设置由夏普OPT扫描仪1,描述和使用在近红外范围内,适于成像。对于小鼠胰腺( BCM的)的单信道的评估,SKYSCAN 3001(Bioptonics)扫描仪可以被使用。

    一种金属卤化物灯,可提供更高的激发态能量为650nm以上波长比汞弧灯,激发光的供给。被传输的光通过液体光导。在图3中示出的荧光染料和近红外荧光成像和信道分离的带通滤波器的一个有用的组合。所发射的光被检测到的背面照明的CCD照相机,在近红外光谱具有高量子效率。 OPT使用LabVIEW平台,控制摄像头和步进电机自动扫描。为了支持完整大鼠胰腺中,被保护的银包覆的镜子和大的比色皿的大小的样品中被使用。最后,样品架,消除不必要的垂直工运日ts的样品在扫描过程中的设计。

    Protocol

    1。样品制备和扫描

    1.1样品制备

    基本上如前所述7执行下面的过程。

    1. 收获的胰腺。用冰冷的PBS,以避免蛋白降解。
    2. 在PBS中的4%PFA中修复的组织为2-3小时,在冰上。确保叶是“传播”期间固定。这将有利于确定后重建的解剖标志。
    3. 过量的PBS洗涤30分钟。
    4. 脱水胰腺逐步在甲醇(33,66%,100%),15分钟/步。这最大限度地减少漂白过程(见步骤5),并防止气泡的形成,细胞的破坏,在冷冻 - 解冻(见第7步)。
    5. 孵育组织中新鲜制备的甲醇:H 2 O 2:DMSO一个= 2:1:3的比例在室温放置24小时,以便淬灭内源性组织荧光漂白缓冲器中。对于较大的样本,交流新bleachi纳克和另一个24小时的孵育缓冲。
    6. 在过量的甲醇进行清洗,ON。
    7. 冻结 - 解冻至少5个循环,在-80℃下 - RT以促进抗体渗透率。
    8. 再水合逐步回TBST中(​​33,66%,100%),15分钟/步。
    9. 座在TBST中含10%血清(优选来自同一物种的二次抗体生成),5%DMSO和0.01%NaAz为12-24小时在RT
    10. 与初级抗体孵育48小时的封闭缓冲液,在RT,延长至72小时,较大的样品(这里所用的抗体的试剂的表中列出)。
    11. 超过TBST清洗,ON。
    12. 与荧光共轭的次级抗体孵育48小时,在RT,延长至72小时,较大的样本。
    13. 超过TBST清洗,ON。

    1.2

    下面的过程介绍了如何安装在琼脂糖样品,将其附加到自定义的样品架( 见图7)之前选择扫描。

    1. 分离脾,十二指肠和胃瓣图3A在Hörnblad [3]。波瓣之间的关系被进一步澄清在Hörnblad 11。
    2. 准备1.5%(W / V)低熔点琼脂糖DH 2 O,过滤器,冷却至37°C和组织在卫生署2 O冲洗,以洗去清洁剂和消除气泡前琼脂糖上镶嵌冰。
    3. 剪出的琼脂糖块包围您的样品,并留下一个〜1厘米的样品之间的间隔物和碱的琼脂糖。修剪琼脂糖块的尖锐的边缘(≤90°),以减少光散射。
    4. 在MeOH(33,66%,100%)逐步脱水样本,允许每个步骤之间的时间以平衡。当试样下沉,它被认为是平衡。
    5. 清除样品中苯甲醇1:2的解决方案:苄基奔驰烷基酯(巴布),直到它变得透明。交易所的巴布的解决方案和孵育12小时。
    6. 定位清零的样品的样品架中,并通过插入2针通过琼脂糖的间隔件的保持架的凸缘通过钻孔,将它固定。
    7. 将样品放置在扫描仪和淹没填充用巴布结算溶液到一个反应杯中。当比较胰腺的一系列相同的放大倍数应被用于所有扫描。应该优化的倍率系列中的最大的样本。

    1.3试样的定位在AR

    以下协议描述一个示例使用的COM-AR算法的程序来精确定位。此程序仅适用时的投资回报率,包括整个标本。的算法的详细说明,请参阅Cheddad [2]。

    1. 获取图像的样本在两个位置的BOTh的解剖和信号通道。位置1,在0℃(用X-轴)相关联,显示最大的投影区域,在90℃(与Z-轴)和位置2。我们正在使用的的GFP通道可视化的解剖。
    2. 应用期望最大化(EM)算法的解剖图像上的阈值的ROI。
    3. 计算的COM点(x坐标),在步骤2中获得的在0°和90°突起的二进制图像。
    4. 叠加的垂直线,通过在0°和90°的信号信道的图像的步骤3中所识别的COM计算点。
    5. 使用在步骤4中获得的图像,作为参考样品,使视场的中心线穿过样品找到的COM点移动。

    1.4扫描

    1. 调整曝光时间,以实现最高的信号噪声比成为可能,而不饱和婷的投影图像的任何区域。要扫描所有通道,重复上述步骤。
    2. 选择要扫描的第一荧光通道的过滤器组。从更短的λ荧光基团的发射较长的λ激发荧光基团,从而导致光漂白。为了尽量减少这种可能性,扫描荧光激发λ最长的第一次。
    3. 打开快门,以照亮样品和收集超过360°的荧光信号,为每个通道沿垂直轴转动样品。用于NIR-OPT设置的步距角为0.9°的Bioptonics 3001扫描仪0.45°。
    4. 下一个通道,并选择适当的过滤器,请按以上。

    2。计算处理和重建

    2.1收购后错位检测和纠正(A值调整)

    在投影层析成像,它是在普通必要分配后的取向值微调的图像重建的前沿旋转轴线的位置的突起。然而,在相机的角度朝向光轴像差小可以导致非均匀的A值,沿样品的长度,从而诱导几何失真。为了避免这种扭曲,在整个样本的准确和统一后的调整值(A值)的计算方法可应用于2。

    1. 使用离散傅里叶变换的划分​​的投影的特定信号,在0°和180°成8像素高度块,并计算每个块之间沿x-轴的移位(A值)。
    2. 应用最小二乘法的线性回归分析,以帮助计算的角度θ',它描述的x轴沿试样长度的移位的斜率,并找到一个旋转中心点。
    3. 在扫描过程中,旋转所有幻灯纠正偏差ctionsθ'/ 2左右的旋转中心点。

    2.2对比度受限自适应直方图均衡(CLAHE)

    为了便于检测和分割对象(胰岛)表现出非常弱的信号,该信号是在风险的“阈值”在重建过程中和/或分割的定量评估,CLAHE算法可以被应用于投影图像。 CLAHE操作有两个主要的强度转换:

    1. 估计的局部对比度的投影图像中的非重叠的块内均衡。
    2. 标准化的强度,然后通过双线性内插块之间的边境地区。

    对比度限制的名称是指到夹子的限制,它被设置为避免在图像中的饱和像素。在这个协议中,MATLAB内置函数“adapthisteq”使用默认的C应用唇下限0.01和大小为256瓦。请注意,最优瓷砖大小需要凭经验进行测试,并且可以取决于分析的检体上。在Hörnblad [3]上的算法和实施例中可以找到更多细节。

    注意上面列出的计算处理步骤(包括COM-AR,A值调整和CLAHE,见1.3-2.2)是建立在标准算法,并在MATLAB(MathWorks公司)执行。

    2.3断层重建和异面绘制

    1. 使用滤波反投影算法,现在可以被重建的校正和归一化的图像,用统一的不对中补偿和优化的动态范围的最低限度的要求。在该协议中,所有的重建进行滤波反投影法在NRecon软件(SKYSCAN),版本1.6.8(=“_blank”> http://www.skyscan.be/products/downloads.htm)。请注意,成像的对象的放大率取决于平行束几何结构中,除非它的镜头的焦点距离的摄像设置中实现。因此,导入的投影数据集的NRecon软件时,它是重要的,包括在随附的源间的距离(mm)和扫描仪的旋转方向(逆时针输入“cc”和顺时针输入“顺时针”)的正确的对象日志文件,以避免在重建过程中的锥束引起的工件。
    2. 可视化和量化的堆栈获得的虚拟部分,产生三维等值面采用合适的图像处理软件,如Imaris或Volocity。

    小鼠胰岛分离和移植程序进行糖尿病研究所的临床前细胞处理和转化模式的核心,根据协议,评论和批准MIAM大学我实验动物护理和使用委员会。动物研究的伦理委员会批准,瑞典北部,所有其他实验动物。

    Representative Results

    在当前的报告中,我们描述了一种用于提取和计算处理的BCM使用NIR-OPT( 图1)在啮齿动物胰腺中的数据(和其他组织)协议。正如在图2中示出,如预期的那样组织autofluorescense胰腺标本NIR光谱中的显着降低。这导致到一个显着增加的平均信号对噪声比(S:N)为评估胰岛素标记胰岛。 OPT来在近红外部分的频谱,如本文所述的成像由适应特定信道,至少有三个可实现可视化与足够的S:N比,使抗体标记的细胞类型的评估,具有鲜明的整个体积的小鼠胰腺信道分离(参见图34)。致糖尿病的进程和/或BCM评估一般成像中的应用,因此,该技术允许的可视化和量化的胰岛素阳性的地区在围绕和/或相互作用的细胞类型(参见图4)的关系。这样的评估是由于增加中得到的近红外范围内可能执行标本比以前更大的,其中包括,这是其鼠标对应(参见图5)的3-5倍大于大鼠胰腺组织穿透深度。无论是否可见或近红外波长的光被利用,执行CLAHE可能显着方便OPT基于评估BCM的期间不同的遗传和生理条件下,通过增加的技术(参见图6)的检测灵敏度。在图7所示的样品架的蓝图。

    图1
    图1。流程图的关键步骤OPT基础的分析BCM在MUR国家统计局胰腺所需要的时间来衡量一个典型的小鼠胰腺是13-14天。组织处理和免疫组织化学染色(10天)的时间过程中被消耗的大部分,组织结算需要约2天,而扫描的长度依赖于需要的曝光时间(通常约1小时)。随后的运算处理通常在一天之内进行。请注意,在相对较长的染色协议非常适合于大量标本批处理。

    图2
    图2。信号噪声比为的BCM评估在不同的波长。鼠标十二指肠的胰腺叶,染色胰岛素的鸡尾酒荧光标记的二抗(Alexa的488,594,680和750),被用来确定在不同波长的S:N比。 A,图片显示出第投影为每个信道的帧。 B,曲线图的平均值S:N为每个信道。的比率被确定为平均胰岛除以背景强度(从外分泌腺组织)的内源性组织荧光的强度(根据215胰岛)。 C,图表显示小号的个别小岛Alexa的594通道每个通道归一化的S:N:N比。采用单因素方差分析进行统计分析。显着性水平对应于** P <0.01。 (A)到1毫米的标尺。 点击此处查看大图

    图3
    3。 A,信道分离。Alexafluor在表中列出的染料的共轭的第二抗体被固定上单独proteinG琼脂糖珠。 B,荧光微球,然后嵌入在不同的层次,在琼脂糖幻影成像使用指定的过滤器。

    图4
    图4。 OPT基于多通道成像技术在糖尿病研究 A,OPT的等值面重建的胰,十二指肠球部叶(12周)1型糖尿病非肥胖型糖尿病(NOD)模型。试样染色胰岛素(胰岛β细胞,伪蓝色);平滑肌α-肌动蛋白(血管,红色)和CD3(T淋巴细胞浸润,绿色)。相应的二次抗体,CY3,IRDye-680和DyeLight-750的分别。 “插图(A'-A''')显示的个别信号通道。 B,OPT打击了看法,与同基因胰岛移植和成像与NIR-OPT 2周后移植的小鼠肝的叶(lobus险恶外侧)。胰岛素表达的胰岛pseuodocolored在蓝色和平滑肌α-肌动蛋白阳性血管是红色的。这种方法有助于评估胰岛移植分配内的血管网。比例尺对应1毫米。

    图5
    图5。 NIR-OPT利于较大的标本成像A,等值面渲染从只Zucker脂肪模型的2型糖尿病的(脾叶在9个月)在大鼠胰腺BCM的分布,例示对大鼠的可能性的图像试样的胰腺规模的NIR-OPT。由于确定通过这种技术,显示的叶〜6倍(体积/体积)比其鼠标和窝藏10139胰岛素表达胰岛的β-细胞的体积的1.32%的总小叶体积。乙,层析部分对应于(A)中示出,检测到胰岛从所有的组织深处的虚线。 C,等值面绘制的的BCM分布在一个小鼠胰腺(脾叶在8个星期)显示的大小引用。显示的叶窝藏2490胰岛素表达胰岛的β细胞的体积,使0.89%的总的小叶卷。被染成Alexa594标记的羊抗GP(鼠标)和IRDye 680标记的驴抗-GP抗体(鼠)分别与GP抗胰岛素的胰腺组织。标本在(AC)规模和比例尺描绘的(C)对应到2毫米。

    图6 图6。 CLAHE便于检测OPT成像在小鼠胰腺的胰岛。AC代表异面呈现OPT图像标记为胰岛素的C57B1 / 6老鼠胰腺(脾叶8周)。等值面重建的OPT图像的前(A,伪彩色绿色)CLAHE协议后的应用(B,伪红色)。 C,叠加的非规范化的数据(A)和(B)中的CLAHE处理的数据。 C'-C“,代表的非标准化(A)和(B)CLAHE加工图像的高倍率覆盖。CLAHE脚本的”红只“小岛的存在,有利于小和低信号的检测在当前的示例中所描绘的试样(CLAHE加工后)的强度胰岛。窝藏2419胰岛的体积为1.74毫米3(相应的未处理的投影数据的基础上的编号为1057胰岛的Wi日:1.77毫米3)的体积。 D和E,对照组(D)和2型糖尿病12(E)在6个月实施CLAHE协议的ob / ob小鼠模型的示例数据。请注意胰岛大小的ob / ob胰腺(E)的大量增加。在(D)和(E)胰腺轮廓(灰色)的信号的基础上从组织的自发荧光。在C比例尺为500μm的AC。比例尺在C“相当于200μm的C'和C”。比例尺在E对应到1毫米(D)和(E)在(AC)适于从Hörnblad 3图像,并使用生成的扫描仪Bioptonics 3001。

    图7
    图7。用于附连的OPT标本的样本保持器,然后将试样固定通过插入针通过琼脂糖间隔件通过预先钻好的孔中的凸缘。保持架是铰接到步进马达通过强磁铁坐落在它的基础。该设置在扫描过程中忽略了不稳定的胶水的使用,防止不必要的运动的标本。

    Discussion

    所描述的技术为OPT摄像使空间和定量参数提取的整个体积的小鼠胰腺。由于在这种类型的介观成像它达到的分辨率的限制应该指出的是,对于大多数成像方式,较大的试样分辨率越低(虽然使用一个更高的分辨率的CCD应增加分辨率的OPT扫描) 。因此,完整无缺胰腺癌小鼠叶的评估,该技术目前不提供单细胞分辨率虽然接近(约15-20微米)7。尽管如此,BCM的分布在小鼠胰腺提取的协议所提供的数据,以上以及匹配得到的那些, 例如由点计数形态计量学3,13应该指出,虽然实施的CLAHE协议允许用于检测显着更多的胰岛这些小岛一般都比较小,不贡献特基本上整体的β细胞量。

    免疫组化涉及的协议是相对较长(长达两个星期),但在实际操作样品准备时间很短,因此,该技术非常适合于大样本的研究,动物9。如果潜在的异种分布格局是调查的重点,应该强调的是,护理应采取的步骤,固定和安装,以避免胰腺组织成为一个不利的方式固定在平面(“传播”应努力促进这种评估)安装的组织。

    执行OPT时的一个重要问题是,样品的COM被固定在旋转轴,它不会移动,垂直或水平方向,在扫描过程中。因此,必须有一个稳定的机械安装和运转良好的系统,附连在样本。我们解决了这个问题,通过构建一个新的安装( 图7)。

    并行几何NIR-3001 OPT或Bioptonics的扫描仪,其中检测作为周记录的投影图像中的对象的位置的正面和背面之间的垂直移位是不正确的。通过调整相应的扫描仪在日志文件中的对象源的距离(参见2.3.1节),我们可以显著提高我们的数据质量,并纠正在远边的投影图像的几何失真,这是特别重要时评估更大的标本。

    在目前的方案,我们提供的过滤器设置,允许可视化三种不同的具体的渠道和完整的胰腺准备评估“解剖”通道的建议。显然,这些设置可调控的荧光染料用于一个给定的研究虽然以更好地适应,与各种形式的荧光百分之显微镜,应仔细评估潜在危险的信号渗出通过。与上述750nm的激发的荧光染料所标记的胰岛素胰岛的研究尚未能够由我们使用的金属卤化物灯,我们的设置利用。这是可能的替代光源( 例如二极管激光器),结合在相关的波长具有更高的量子效率的照相机可以进一步增加NIR-OPT的电位,并允许在更高的波长成像。

    OPT成像技术的生物医学样品的mm厘米尺度上的空间和定量评估是一个高度灵活的。虽然胰腺/糖尿病研究的主要目的,已经开发了用于此处介绍的协议,它们应该是可能的翻译对其他物种,标本类型和标记的研究。通过几个不同的渠道可视化的潜力在完整的胰腺准备,近红外光学成像f进一步的持有作为一种工具来评价用于非侵入性的评估的造影剂,由其他成像方式,只要这些造影剂可以设计也进行检测的OPT荧光团的吸收特异性的潜力。

    Disclosures

    没有利益冲突的声明。

    Acknowledgements

    P.林斯特龙博士是公认的ob / ob小鼠。 J.莱赫托宁是公认的援助,帮助与编辑视频制作和J.吉尔伯特。这项研究得到了糖尿病研究基金会(AP),青少年糖尿病研究基金会(AP和UA),欧盟委员会(FP-7,赠款协定。:CP-IP 228933-2)(JS和补助UA),肯普基础,于默奥大学和瑞典研究理事会UA

    Materials

    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

    References

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    Very interesting. this is not my field of study but I believe that your work is very important and it blows my mind. Christoffer Svensson, We know who has the BIG brains in the family. Congratulations on all your success and hard work I am proud of you. One day you have to take a couple of hours and sit down and explain it to me.
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    Posted by: Alexander S.January 15, 2013, 1:07 AM

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