يقدم هذا البروتوكول خط أنابيب شامل لتحليل العينات التي تم الحصول عليها من قلوب البشر والتي تمتد على المقاييس المجهرية والعيانية.
Method Article
يقدم هذا البروتوكول خط أنابيب شامل لتحليل العينات التي تم الحصول عليها من قلوب البشر والتي تمتد على المقاييس المجهرية والعيانية.
توفر الدراسة التفصيلية للقلوب البشرية غير الفاشلة المرفوضة للزراعة فرصة فريدة لإجراء التحليلات الهيكلية عبر المقاييس المجهرية والعيانية. وتشمل هذه التقنيات إزالة الأنسجة (التصوير ثلاثي الأبعاد (3D) المعدل الذي يدعم وضع العلامات المناعية للأعضاء التي تم تطهيرها بالمذيبات) والتلوين المناعي الكيميائي. تشمل إجراءات الفحص بالمنظار التشريح المجسم والتصوير المقطعي المحوسب الدقيق (CT). تشمل إجراءات الفحص العياني التشريح الإجمالي ، والتصوير الفوتوغرافي (بما في ذلك النقش والمسح التصويري) ، والتصوير المقطعي المحوسب ، والطباعة ثلاثية الأبعاد للتشريح المادي أو الافتراضي أو القلب كله. قبل الفحص العياني ، يمكن إجراء تثبيت التروية بالضغط للحفاظ على بنية 3D والتشكل الفسيولوجي ذي الصلة للقلب. تطبيق هذه التقنيات مجتمعة لدراسة قلب الإنسان فريد من نوعه وحاسم في فهم العلاقة بين السمات التشريحية المتميزة مثل الأوعية الدموية التاجية وتعصيب عضلة القلب في سياق بنية 3D للقلب. يصف هذا البروتوكول المنهجيات بالتفصيل ويتضمن نتائج تمثيلية لتوضيح التقدم المحرز في أبحاث تشريح القلب البشري.
نظرا لأن الوظيفة تتبع الشكل ، فإن فهم بنية القلب أمر أساسي لتقدير فسيولوجيته. على الرغم من أن العديد من التحقيقات قد كشفت عن تشريح القلب من micro- إلى macroscales1،2،3 ، لا تزال هناك أسئلة متعددة دون حل ، خاصة تلك المتعلقة بتشريح القلب البشري. ويرجع ذلك جزئيا إلى أن الدراسات الأساسية التي تركز على التشريح الوظيفي تستخدم بشكل عام قلوب4،5،6 ، والتي غالبا ما تكون متميزة عن قلوب البشر1،7،8. علاوة على ذلك ، تميل كل دراسة فردية ، حتى تلك التي تستخدم عينات قلب الإنسان ، إلى التركيز على هياكل محددة للغاية ، مما يجعل من الصعب تطبيق النتائج في سياق القلب كله. هذا أكثر من ذلك إذا كانت الهياكل المركزة في المقاييس الدقيقة أو المتوسطة ، مثل perinexus9 والضفائر العقدية10.
في هذا السياق ، توفر الدراسة الهيكلية الجهازية لقلب الإنسان المرفوض للزراعة فرصة فريدة ونادرة للحصول على أطلس شامل للهياكل القلبية في التركيز عبر المقاييس المجهرية والعيانية11. تشمل بروتوكولات الفحص المجهري إزالة الأنسجة (التصوير ثلاثي الأبعاد (3D) المعدل الذي يدعم وضع العلامات المناعية للأعضاء التي تم تطهيرها بالمذيبات ، iDISCO +) 12،13 ، والتلوين الكيميائي المناعي. تشمل بروتوكولات الفحص بالمنظار التشريح المجسم والتصوير الفوتوغرافي الكلي والمسح المقطعي المحوسب الدقيق (CT). تشمل بروتوكولات الفحص العياني التشريح الإجمالي14 ، والتصوير الفوتوغرافي (بما في ذلك النقش والمسح التصويري) 15،16،17 ، والتصوير المقطعي المحوسب ، والتشريح الافتراضي18 ، والطباعة ثلاثية الأبعاد للتشريح الجسدي أو الافتراضي أو القلب كله17. استعدادا للفحص العياني ، يتم إجراء تثبيت التروية بالضغط للحفاظ على بنية 3D والتشكل الفسيولوجي ذي الصلة للقلب14،19،20،21. التطبيق المشترك لهذه التقنيات فريد وحاسم لربط السمات التشريحية المتميزة في سياق بنية 3D للقلب البشري.
نظرا لأن فرصة الحصول على عينة قلب بشري غير مرضية محدودة للغاية ، فإن النهج متعدد المقاييس الموصوف هنا يزيد من استخدام العينة. من خلال تطبيق الإجراءات المختلفة الموضحة أدناه ، ستوضح النتائج التمثيلية للقارئ كيف يمكن استخدام النتائج لأغراض متعددة ، بما في ذلك الاكتشاف في البحث العلمي11 (تحليلات شاملة لتعصيب القلب ، وتوزيع الضفائر العقدية) ، وتحسين الإجراءات السريرية (محاكاة الأساليب الجراحية والتداخلية) ، والتعليم التشريحي (عرض 3D حقيقي لتشريح القلب).
استخدمت هذه الدراسة عينات الأنسجة غير المحددة التي تم جمعها من قلوب بشرية غير فاشلة وتمت الموافقة عليها من قبل مجلس المراجعة المؤسسية بجامعة كاليفورنيا ، لوس أنجلوس (UCLA). تم الحصول على عينات من قلوب غير فاشلة تم رفضها للزرع. كانت القلوب مثقوبة بالضغط ، مثبتة في 4٪ بارافورمالدهيد (PFA) ، وتم تصويرها قبل معالجة الأنسجة وفقا للطرق التالية. يلخص الشكل 1 مخطط التدفق لترتيب الدراسة. يتم سرد تفاصيل الكواشف والمعدات المستخدمة في الدراسة في جدول المواد.
1. الفحص على نطاق صغير
2. فحص مقياس متوسط
3. الفحص على نطاق واسع
الفحوصات المجهرية
تطبيق تطهير الأنسجة يسمح بتصوير كميات أكبر من الأنسجة في 3D باستخدام المجهر متحد البؤر. في القلب ، يمكن تصور العقد التي تحتوي على الخلايا العصبية القلبية والنمط العصبي لتعصيب عضلة القلب (الشكل 2). يوضح الشكل 3 صورة متحدة البؤر لعضلة القلب البطين الأيسر للإنسان الملطخة بالمناعة للأعصاب وخلايا العضلات الملساء. يلاحظ أن الأوعية الدموية تجتاز عضلة القلب ، ويتم تحديد العديد من الألياف العصبية ، سواء بالاشتراك مع الأوعية الدموية أو مستقلة عنها.
الامتحانات المتوسطة والكبيرة
عند استخدام الإيثانول المطلق للنضح والتثبيت بالضغط لمدة 24 ساعة ، يتم تبييض اللون الطبيعي للعينة ، ويتم تجفيف الأنسجة25 ، ويتم تقليل المرونة بشكل كبير. من ناحية أخرى ، عند التثبيت مع PFA والفورمالين ، يتم الحفاظ على اللون الطبيعي والمرونة بشكل ملحوظ. لهذه الأسباب ، يتم استخدام PFA أو الفورمالين بشكل أساسي كمثبت مفضل.
يوضح الشكل 6 صورا تمثيلية للتشريح الإجمالي والتشريح الافتراضي ونموذج مضلع STL والطباعة ثلاثية الأبعاد. يوضح الشكل 7 صورا تمثيلية للنقش التي تم إنشاؤها من كل من صور التشريح الإجمالي والافتراضي. يمكن الحصول على إدراك العمق باستخدام النظارات النقشية. يمكن ملاحظة النموذج التصويري الفردي الذي تم التقاطه من جميع الاتجاهات تقريبا باستخدام البرامج المتاحة تجاريا ويوضح السمات التشريحية المعقدة ذات الصلة بإجراءات القلب الروتينية عبر القسطرة. من خلال تطبيق هذه التقنيات على القلب المحضر بنضح الضغط والتثبيت ، يمكن الاحتفاظ بالمعلومات ثلاثية الأبعاد حول القلب إلى الأبد تقريبا إما رقميا أو جسديا ومشاركتها دون حدود. يوضح الشكل 8 المطبوعات ثلاثية الأبعاد بنسبة 50٪ التي تم نسخها من القلوب المشرحة المرفوضة للزرع.

الشكل 1: مخطط انسيابي للبروتوكول. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 2: الجزء الخالي من الأنسجة من الأذين الأيمن للإنسان. (أ) منظر مائل خلفي يمين للأذين الأيمن للإنسان مع تشريح الضفيرة الأذينية العقدية اليمنى (RAGP) لإزالة الأنسجة. (ب) عينة RAGP قبل وبعد إزالة الأنسجة. (ج) الإسقاط الأقصى للكثافة لجزء iDISCO + الذي تم تطهيره من RAGP البشري الذي يظهر العقد (رؤوس السهام) الملطخة بالمناعة مع منتج جين بروتين العلامة العصبية 9.5 (PGP9.5). قضبان المقياس هي 1 سم (A) و 5 مم (B) و 500 ميكرومتر (C). هذا الرقم مقتبس من Hanna et al.11. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: الشرائح المناعية للبطين الأيسر في الإنسان. صورة متحدة البؤر من شريحة عضلة القلب للبطين الأيسر البشري الملطخة بمنتج جين بروتين العلامة العصبية 9.5 (PGP9.5) وعلامة الخلايا العضلية الملساء α أكتين العضلات الملساء (αSMA). يمكن رؤية التألق الذاتي للعضلات باستخدام خط الليزر 488 نانومتر (أخضر). شريط المقياس هو 50 ميكرومتر. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: التصوير المقطعي المحوسب الدقيق لعينات القلب. (أ) إعداد التصوير المقطعي المحوسب الدقيق لتصوير عينة القلب. (ب) واجهة المستخدم للتصوير المقطعي المحوسب الدقيق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: إعداد استوديو الصور في مركز عدم انتظام ضربات القلب بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: التشريح الإجمالي (أعلى اليسار) ، التشريح الافتراضي (أعلى اليمين) ، نموذج مضلع STL (أسفل اليسار) ، والطباعة ثلاثية الأبعاد (أسفل اليمين) صور لمجمع الصمامات الأبهري والتاجي. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الشكل 7: النقش للتشريح الإجمالي (يسار) والتشريح الظاهري (يمين) لمجمع الصمامات الأبهري والتاجي. النظارات النقشية (الأحمر / السماوي) ضرورية للحصول على إدراك العمق. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: الطباعة ثلاثية الأبعاد لعينات القلب. ( أ) إعداد طابعة ثلاثية الأبعاد (3D) لعينة القلب الطباعة ثلاثية الأبعاد بخيوط TPU . (ب) مطبوعات القلب التمثيلية ثلاثية الأبعاد المنتجة باستخدام الطرق الموضحة في هذه الدراسة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
توضح هذه الدراسة خط الأنابيب الشامل لتحليل العينات التي تم الحصول عليها من قلوب بشرية كاملة. تظهر النتائج التمثيلية فحوصات تشريحية صغيرة إلى كبيرة يتم إجراؤها بشكل روتيني لقلب واحد. نظرا لأن عينة قلب الإنسان ثمينة للغاية ، فإن النهج متعدد المقاييس مثالي وفعال حتى لا تضيع أي أجزاء من العينة من خلال تطبيق بروتوكولات متعددة لأغراض مختلفة ، بما في ذلك الاكتشاف في البحث العلمي ، وتحسين الإجراءات السريرية ، والتعليم التشريحي مع الحفاظ على الارتباط التشريحي في سياق القلب كله.
فيما يتعلق بالفحص المجهري ، يمكن تطبيق التلوين المناعي والفحص المجهري لفهم البنية الخلوية لعينات القلب البشرية. هنا ، يتم إثبات تطبيق إزالة الأنسجة والكيمياء المناعية لدراسة تشريح الأعصاب القلبية على المستوى الخلوي. استخدام هذه التقنيات مفيد في توصيف الجهاز العصبي القلبي وأنماط تعصيب عضلة القلب فيما يتعلق بالهياكل ذات الأهمية ، مثل نظام التوصيل القلبي وغرف القلب. على الرغم من تحقيق دقة مكانية ممتازة ، فإن استخدام الفحص المجهري متحد البؤر ، خاصة بالنسبة للعينات التي تم تطهيرها من الأنسجة ، يستغرق وقتا طويلا. يمكن استخدام المجهر Lightsheet لتقليل وقت الحصول على الصور على حساب الدقة المكانية.
فيما يتعلق بالفحص المتوسط إلى الكبير ، تتراوح الدقة المكانية لماسحات التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة في مؤسسة المؤلفين من 10-200 ميكرومتر. يقتصر حجم العينة على 20 مم لمسح 10 ميكرومتر ، و 120 مم لمسح 100-200 ميكرومتر. لا يمكن لأجهزة التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة في مؤسسة المؤلفين استيعاب القلب كله. وهكذا ، في مؤسسة المؤلفين ، يتطلب فحص القلب بالكامل استخدام ماسح ضوئي بالأشعة المقطعية السريرية بدقة مكانية تبلغ 600 ميكرومتر ، على الرغم من أن التطورات سمحت بتطوير ماسحات التصوير المقطعي المحوسب الدقيقة التي يمكنها تصوير القلب كله2. التطور التكنولوجي ، مثل CT عد الفوتون ، سيوسع بالتأكيد المزيد من الاحتمالات. يجب أن يكون تحسين الدقة المكانية لملف STL هو الخطوة الأولى لزيادة تحسين جودة الطباعة ثلاثية الأبعاد. ارتفاع تكلفة الطباعة 3D يحد من تطبيق هذه التقنية على الممارسة السريرية الروتينية. صور المسح التصويري التي يتم إنشاؤها من أي تطبيق للهواتف الذكية سهلة التطوير وذات جودة مقبولة ولكنها ستتطلب أنظمة أكثر تعقيدا ولكنها مكلفة وتستغرق وقتا طويلا لتحسين الدقة26. للتصور في 3D ، الواقع الممتد مع معدات الرأس المخصصة27,28 والشاشات الثلاثية الأبعاد29 هي أدوات إضافية ولكنها محدودة أيضا بتكلفة أعلى.
باختصار ، من خلال التحليلات الهيكلية الشاملة عبر المقاييس المجهرية والعيانية ، يمكن فهم التشريح المجهري لكل بنية ومساهمتها الوظيفية في سياق القلب كله. جنبا إلى جنب مع تطوير التصوير عالي الدقة ، فإن المسافة بين التشريح الجزئي والكلي تتوسع بشكل كبير. قد لا يكون الخبراء في التحليل المجهري الإلكتروني للخلايا العضلية القلبية على دراية بعدد الوريقات التاجية والعكس صحيح. لتسهيل الفهم الشامل لمورفولوجيا القلب ، يجب على العلماء الاستمرار في استكشاف المزيد من التفاصيل لكل شجرة ، مع الحفاظ على رؤية عين الطائر للغابة بأكملها.
نشكر الأفراد الذين تبرعوا بأجسادهم للنهوض بالتعليم والبحث. نحن ممتنون لمؤسسة OneLegacy ، التي شكلت الأساس للحصول على قلوب المانحين للبحث. نحن ممتنون أيضا لأنتوني أ. سميثسون وأرفين روكي فيرديفلور من مركز التصوير البحثي الانتقالي بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (قسم الأشعة) لدعمهم في الحصول على بيانات التصوير المقطعي المحوسب. تم دعم هذا المشروع من قبل مشروع عمارة ياد بجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس. نحن ممتنون للدكتورين كاليانام شيفكومار وأولوجيمي أ. أجيجولا لإنشاء وصيانة خط أنابيب القلب البشري للبحث. نحن نقدر مديرة عمليات البحث لدينا ، أميكشا س. غاندي لتفانيها في دعم مشاريعنا. أصبح هذا العمل ممكنا بفضل دعم منح المعاهد الوطنية للصحة OT2OD023848 و P01 HL164311 ومنحة Leducq 23CVD04 إلى Kalyanam Shivkumar ، وجائزة التطوير الوظيفي لجمعية القلب الأمريكية 23CDA1039446 إلى PH ، ومشروع UCLA Amara-Yad (https://www.uclahealth.org/medical-services/heart/arrhythmia/about-us/amara-yad-project). تم تمويل الماسح الضوئي GNEXT microPET / CT المستخدم في هذه الدراسة من قبل NIH Shared Instrumentation for Animal Research Grant (1 S10 OD026917-01A1).
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 1x محلول ملحي مخزن للفوسفات | Sigma-Aldrich | P3813 | |
| عارض ثلاثي الأبعاد | مايكروسوفت | ||
| 647 AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 711-605-152 | |
| 647 AffiniPure Donkey Anti-Sheep IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 713-605-147 | |
| AF Micro-NIKKOR 200 مم f / 4D IF-ED LENS | نيكون | ||
| المضاد للأكتين ، ألفا ؛ العضلات الملساء - الجسم المضاد Cy3 | Sigma-Aldrich | C6198 | |
| Retrieval Buffer (100x EDTA Buffer ، درجة الحموضة 8.0) | Abcam | ab93680 | |
| Anti-PGP9.5 (منتج جين البروتين 9.5) Abcam | ab108986 | ||
| Anti-TH (تيروزين هيدروكس يلاز) | Abcam | ab1542 | |
| مضاد ل VAChT (ناقل الأستيل كولين الحويصلي) | أنظمة متشابكة | 139 103 | |
| بنزيل الأثير | Sigma-Aldrich | 108014 | |
| ألبومين مصل الأبقار | Sigma-Aldrich | A4503-10G | |
| خيوط طابعة ثلاثية الأبعاد الفهد (95A) ، غطاء NinjaTek | |||
| مم ، 22 مم × 30 مم ، رقم 1.5 | VWR | 48393 151 | |
| Cy3 مختبرات AffiniPure Donkey المضادة للأرانب IgG | Jackson ImmunoResearch | 711-165-152 | |
| ثنائي كلورو ميثان | سيجما ألدريتش | 270997-100 مل | |
| ثنائي ميثيل سلفوكسيد | سيجما ألدريتش | D8418-500 مل | |
| إيثانول ، مختبرات 100٪ | ديكون | 2701 | |
| جلايسين | سيجما ألدريتش | G7126-500G | |
| GNEXT PET / CT | SOFIE BIOSCIENCES | ||
| ملح الصوديوم الهيبارين من الغشاء المخاطي المعوي للخنازير | Sigma-Aldrich | H3149-50KU | |
| Histodenz | Sigma-Aldrich | D2158-100G | |
| محلول بيروكسيد الهيدروجين | Sigma-Aldrich | H1009-500ML | |
| التصوير | Zeiss | ZEN (إصدار أسود) | |
| التصوير | أكسفورد إنسترومنتس | إيماريس 10 | |
| iSpacer | Sunjin Labs | iSpacer 3 مم | |
| محرك KIRI | ابتكار | ||
| مجهر متحد البؤر للمسح الضوئي بالليزر | Zeiss | LSM 880 | |
| LEAD-2 - عمودي & مضخة تمعجية متعددة القنوات | أطول | ||
| Lightview XL & nbsp ؛ | برايتيك | ||
| ميثانول (معتمد من ACS) فيشر | Scientific | A412-4 | |
| نيكون D850 | نيكون | ||
| نينجا تيك نينجا فليكس TPU @MK4 | NinjaTek | ||
| مصل الحمار العادي | مختبرات جاكسون للأبحاث | المناعية 017-000-121 | |
| طابعة Prusa MK4 ثلاثية الأبعاد الأصلية | Prusa Research | ||
| قلم PAP | Abcam | ab2601 | |
| بارافورمالدهيد ، 32٪ | علوم المجهر الإلكتروني | 15714-S | |
| Polycam | Polycam | ||
| الجسم المضاد | |||
| PrusaSlicer 2.7.1 | Prusa Research | ||
| SARA-Engine | pita4 mobile LLC | ||
| الأجسام المضادة الثانوية Scaniverse | Niantic | ||
| SlowFade Gold Antiface Mountant | Invitrogen | S36936 | |
| أزيد الصوديوم ، 5٪ (مع / حجم) | شركة ريكا للكيماويات | 7144.8-32 | |
| SOMATOM Definition AS | Siemens Healthcare Standard | ||
| تصميمات لنظام المجهر المجسم للرؤية | |||
| SZ61 | OLYMPUS | ||
| StereoPhoto Maker | برنامج مجاني تم تطويره بواسطة Masuji Suto | ||
| Superfrost Plus Microscope Slides ، Preclean | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
| Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416-100ML | |
| زيلين | سيجما ألدريتش | 534056-4L | |
| Ziostation2 | Ziosoft ، AMIN |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission