我们描述了光学投影断层成像技术(optical projection tomography, OPT)1 在近红外光谱成像中的改进,以及多种计算工具的应用。这些方案能够对较大样本中的胰腺β细胞质量(BCM)进行评估,提升该技术的多通道成像能力,并提高OPT数据的质量。
方法文章
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我们描述了光学投影断层成像技术(optical projection tomography, OPT)1 在近红外光谱成像中的改进,以及多种计算工具的应用。这些方案能够对较大样本中的胰腺β细胞质量(BCM)进行评估,提升该技术的多通道成像能力,并提高OPT数据的质量。
通过改进光学投影断层扫描技术(OPT),使其具备近红外(NIR)光谱成像能力,本文展示了对较大体积胰腺组织(如大鼠胰腺)进行成像的可能性,并可在单个样本中增加可检测的通道数(细胞类型)。我们进一步描述了一系列计算工具的实现方法,这些工具可提供:1/ 精确定位样本(本研究中为胰腺)的质心(COM)于旋转轴(AR)上2;2/ 改进的比对后调谐算法,可在断层重建过程中防止几何畸变2 以及3/一种用于强度均衡的方案,以提高基于OPT的BCM测定中的信噪比3此外,我们描述了一种样本支架,可最大限度降低成像过程中标本意外移动的风险。结合这些方案,能够对完整胰腺或其他器官全体积内的β细胞团(BCM)分布及其他特征进行评估。例如 在胰岛移植研究中,分辨率可达到单个朗格汉斯胰岛的水平。
产生胰岛素的β细胞对于机体调控血糖稳态至关重要。因此,对胰腺β细胞质量(BCM)分布的评估在多种临床前糖尿病研究领域中具有重要意义。例如,在治疗方案的评价中,靶向基因敲除对内分泌细胞分化的影响,或在啮齿类动物糖尿病模型中对疾病病因的研究,往往依赖于此类分析。传统上,这类评估依赖于耗时的体视学方法,由于胰腺体积较大且解剖结构复杂,这些方法难以实施。目前大多数高分辨率成像技术(通常为光学成像)穿透深度不足,无法实现对啮齿类动物全胰腺的成像。相反,不受穿透深度限制的成像方法(通常为核成像)分辨率过低,难以解析完整的β细胞质量分布,且受限于缺乏合适的对比剂4,5。
光学投影断层成像是一个三维成像方式,可在毫米至厘米尺度上对生物医学样本进行高分辨率评估6。由此,可在正常和糖尿病小鼠的整个胰腺体积内提取出表达胰岛素的朗格汉斯胰岛的空间位置和体积信息3,7-10。本研究的目的是进一步提升该技术在评估胰腺β细胞方面的能力,包括其在移植到其他组织后的内源性分布、与其他胰腺组分(如浸润性细胞类型)的关系,以及在比以往更大的胰腺样本中的应用。
近红外光学投影断层扫描(NIR-OPT)装置
在以下方案中,描述并使用了一种基于Sharpe et al1最初描述的设置、并经改造用于近红外范围成像的OPT扫描仪。对于小鼠胰腺的单通道评估(例如 BCM),可使用SkyScan 3001(Bioptonics)扫描仪。
提供激发光的是金属卤化物灯,其在波长超过650 nm时提供的激发能量高于汞弧灯。激发光通过液体光导传输。适用于近红外荧光成像和通道分离的荧光染料与带通滤光片的实用组合如图3所示。发射光由背照式CCD相机检测,该相机在近红外光谱范围内具有高量子效率。OPT扫描采用LabView平台实现自动化,该平台控制相机和步进电机。为支撑完整大鼠胰腺大小的样品,使用了带保护层的镀银反射镜和大型比色皿。最后,设计了一种样品支架,可在扫描过程中消除样品不必要的垂直移动。
1. 样品制备与扫描
1.1 样品制备
以下操作步骤基本如先前所述7。
1.2
以下步骤描述了在进行光学投影断层扫描(OPT)之前,如何将样品包埋在琼脂糖中并将其固定到定制的样品 holder 上(见图7)。
1.3 在AR处对样本进行定位
以下方案描述了使用COM-AR算法精确定位样本的步骤。该程序仅在感兴趣区域(ROI)包含整个标本时适用。有关算法的详细描述,请参见Cheddad et al2。
1.4 扫描
2. 计算处理与重建
2.1 采集后错位检测与校正(A值调谐)
在投影断层成像中,通常需要为投影图像分配一个后对齐值(post-alignment value),以在重建前微调图像沿旋转轴的位置。然而,相机相对于光轴的角度存在微小偏差时,可能导致样品沿长度方向上的A值不均匀,从而引起几何畸变。为避免此类畸变,可采用一种计算方法,以在整个样品范围内确定准确且统一的后对齐值(A值)2。
2.2 对比度受限的自适应直方图均衡化(CLAHE)
为了促进对信号极弱的物体(胰岛)进行检测和分割,避免这些物体在重建和/或定量评估的分割过程中因信号过弱而被"阈值过滤掉",可对投影图像应用CLAHE算法。CLAHE操作包含两个主要的强度变换步骤:
“对比度受限”这一名称指的是剪切限值,该限值的设定旨在避免图像中像素的饱和。在本实验方案中,使用了 MATLAB 内置函数"adapthisteq",并采用默认的剪切限值 0.01 和分块大小 256 进行处理。需要注意的是,最佳分块大小需通过实验经验确定,可能因所分析的样本不同而有所变化。有关该算法的更多细节和示例,可参见 Hörnblad et al3。
注意! 上述列出的计算处理步骤(包括 COM-AR、A-值调优和 CLAHE,见 1.3-2.2 节)基于标准算法,使用 MATLAB(Mathworks)执行。
2.3 断层重建与等值面渲染
小鼠胰岛分离和移植操作在迈阿密大学机构动物护理和使用委员会审查并批准的方案下,于糖尿病研究所的临床前细胞处理与转化模型核心实验室进行。瑞典北部动物研究伦理委员会批准了所有其他涉及动物的实验。
在本报告中,我们描述了一种利用近红外光学投影断层成像技术(NIR-OPT)从啮齿类动物胰腺(及其他组织)中提取并进行计算处理β细胞质量(BCM)数据的实验方案(图1)。如图2所示,胰腺样本在近红外光谱范围内的组织自发荧光显著降低,从而显著提高了检测胰岛素标记的朗格汉斯胰岛时的平均信噪比(S:N)。通过将光学投影断层成像技术(OPT)优化用于近红外光谱范围内的成像(如本文所述),可在整个小鼠胰腺体积内实现至少三个特异性通道的清晰分离与可视化,且各通道均具有足够的信噪比(见图3和图4)。该技术应用于糖尿病发生过程的成像和/或常规β细胞质量(BCM)评估时,可实现胰岛素阳性区域与其周围及相互作用细胞类型的共定位可视化与定量分析(见图4)。由于近红外光谱范围内的组织穿透深度显著增加,此类分析现可在比以往更大尺寸的样本中进行,包括体积为小鼠胰腺3至5倍的大鼠胰腺(见图5)。无论使用可见光还是近红外波长,CLAHE算法的应用均可通过提高检测灵敏度,显著促进在不同遗传和生理条件下基于OPT的β细胞质量(BCM)评估(见图6)。所开发样品支架的设计蓝图如图7所示。

图1. 小鼠胰腺中基于OPT的胰岛β细胞(BCM)分析关键步骤流程图。 评估一个典型小鼠胰腺所需时间为13至14天。其中大部分时间用于组织处理和免疫组织化学染色(约10天),组织透明化过程约需2天,而扫描时长则取决于所需的曝光时间(通常约为1小时)。后续的计算处理通常在一天内完成。需要注意的是,这一相对较长的染色流程非常适合对大量样本进行批量处理。

图 2. 不同波长下胰岛素分泌细胞质量(BCM)评估的信噪比。 使用经胰岛素染色并用多种荧光染料标记的二抗混合物(Alexa 488、594、680 和 750)染色的小鼠十二指肠胰腺叶,用于测定不同波长下的信噪比(S:N)。A,图像显示每个信号通道的第一投影帧。B,图表展示每个信号通道的平均信噪比。信噪比通过胰岛平均强度(基于215个胰岛)除以背景强度(外分泌组织的内源性组织荧光)计算得出。C,图表显示各通道中单个胰岛的信噪比,归一化至Alexa 594通道测得的信噪比。统计分析采用单因素方差分析(One way ANOVA)。显著性水平表示为 **p<0.01。A图中的比例尺对应1 mm。 点击此处查看高分辨率图像。

图3. 通道分离。 A,列于表格中的Alexafluor染料标记的二抗分别固定在Protein G-Sepharose珠上。B,随后将荧光珠嵌入琼脂糖仿体的不同深度,并使用指定滤光片进行成像。

图 4. 基于 OPT 的多通道成像在糖尿病研究中的应用。A,来自1型糖尿病非肥胖糖尿病(NOD)模型的胰腺(12周龄,十二指肠叶)的基于OPT的等表面重建图像。样本经胰岛素(胰岛β细胞,伪彩为蓝色)、平滑肌α-肌动蛋白(血管,红色)和CD3(浸润性T淋巴细胞,绿色)染色。所用相应二抗分别为Cy3、IRDye-680和DyeLight-750。插图(A'–A''')显示各单独信号通道。B,经同基因胰岛移植后两周,采用近红外OPT对小鼠肝脏(左外叶,lobus sinister lateralis)进行成像的OPT图像(放大视图)。表达胰岛素的胰岛伪彩为蓝色,平滑肌α-actin阳性的血管为红色。该方法可实现对胰岛移植物在血管网络内分布情况的评估。比例尺对应1 mm。

图5. 近红外光学投影断层成像(NIR-OPT)可实现对较大样本的成像。 A,来自2型糖尿病Zucker Fatty模型大鼠胰腺中胰岛β细胞质量(BCM)分布的等表面渲染图(9个月龄脾叶),展示了NIR-OPT技术对大鼠胰腺尺度样本进行成像的能力。根据该技术测定,所示脾叶体积约为同源小鼠脾叶的6倍(v/v),并含有10139个表达胰岛素的朗格汉斯胰岛,其β细胞体积占整个小叶总体积的1.32%。B,对应于(A)中断裂线位置的断层切片,显示组织各深度的胰岛均被检测到。C,小鼠胰腺(8周龄脾叶)中BCM分布的等表面渲染图,作为尺寸参照。所示小叶含有2490个表达胰岛素的胰岛,其β细胞体积占小叶总体积的0.89%。大鼠和小鼠胰腺样本分别使用GP抗胰岛素抗体染色,继而使用Alexa594标记的山羊抗GP(小鼠)和IRDye 680标记的驴抗GP(大鼠)抗体。图(A–C)按相同比例显示,(C)中的比例尺对应2 mm。

图6. CLAHE通过OPT成像促进小鼠胰腺中胰岛的检测。 A-C,C57Bl/6小鼠胰腺(8周龄脾叶)胰岛素标记的代表性等表面渲染OPT图像。在应用CLAHE协议之前(A,伪彩为绿色)和之后(B,伪彩为红色)分别进行了OPT图像的等表面重建。C,未归一化数据(A)与CLAHE处理后数据(B)的叠加图像。C'-C",未归一化(A)与CLAHE处理后(B)图像的代表性高倍放大叠加图。如图中“仅呈红色”的胰岛所示,CLAHE脚本有助于检测体积小且信号强度低的胰岛。在本示例中,经CLAHE处理后的样本含有2419个胰岛,总体积为1.74 mm3(基于相应未处理投影数据的统计结果为1057个胰岛,总体积为1.77 mm3)。D和E,对照组(D)与2型糖尿病ob/ob小鼠模型12在6月龄时应用CLAHE协议获得的示例数据(E)。注意ob/ob小鼠胰腺中胰岛尺寸显著普遍增大(E)。图(D)和(E)中胰腺轮廓(灰色)基于组织自发荧光信号生成。C图中的比例尺在A-C中代表500 μm。C"图中的比例尺在C'和C''中代表200 μm。E图中的比例尺在(D)和(E)中代表1 mm。图(A-C)改编自Hörnblad et al3,使用Bioptonics 3001扫描仪生成。

图7. 用于固定OPT样本的样本夹持器。 通过法兰上的预钻孔将针插入琼脂糖间隔层中,从而固定样本。夹持器底部装有强磁铁,可与步进电机铰接。该装置避免了使用不稳定的胶水,防止扫描过程中样本发生不必要的移动。
所描述的OPT成像技术能够提取小鼠胰腺整个体积内的空间和定量参数。由于此类介观成像可达到的分辨率存在局限性,需要注意的是,与其他大多数成像方式类似,样本越大,分辨率越低(尽管使用更高分辨率的CCD可提高OPT扫描的分辨率)。因此,目前在评估完整的小鼠胰腺叶时,该技术尚无法实现单细胞分辨率,但已接近该水平(约15–20 μm)7然而,对于小鼠胰腺中 BCM 分布的提取,这些方案所提供的数据与通过以下方法获得的数据高度吻合 例如 点计数形态测量法3,13 需要注意的是,尽管应用CLAHE方案能够检测到显著更多的胰岛,但这些胰岛通常较小,对总体β细胞体积的贡献并不显著。
免疫组织化学实验方案相对较长(最长可达两周),但实际用于样本制备的操作时间较短,因此该技术非常适合用于大规模动物群体的研究9。如果研究关注的是异质性分布模式的可能性,则需特别强调在固定和封片步骤中应格外小心,避免胰腺组织以不利的方式被固定,应尽量制备平坦(“铺开”)的组织封片,以利于此类评估。
进行 OPT 实验时的一个重要问题是,样品的质心(COM)必须固定在旋转轴上,并且在扫描过程中不能发生垂直或水平移动。因此,拥有一个稳定的机械装置以及一个功能良好的样品固定系统至关重要。我们通过设计一个新的安装装置解决了这一问题(图7)。
对于我们的NIR-OPT或Bioptonics 3001扫描仪而言,平行几何并不成立,这表现为投影图像中周边物体前后位置之间存在垂直偏移。通过调整相应扫描仪日志文件中的物体到光源距离(见2.3.1节),我们能够显著提高数据质量,并校正投影图像远边缘处的几何畸变,这在评估较大样本时尤为重要。
在本实验方案中,我们推荐了一组滤光片,可用于在完整胰腺标本的评估中同时观察三个不同的特异性通道以及一个“解剖结构”通道。显然,这些设置可根据特定研究中所使用的荧光染料进行调整,但与所有荧光显微技术一样,必须仔细评估信号串扰的潜在风险。由于我们所使用的设备配备的是金属卤化物灯,目前尚无法实现对胰岛素标记的胰岛进行激发波长高于750 nm的荧光染料成像。未来若采用在相关波长范围内具有更高量子效率的相机,并结合其他光源(例如半导体激光器),可能进一步提升近红外光学投影断层成像(NIR-OPT)的潜力,并实现更长波长范围内的成像。
光学投影断层成像(OPT)是一种高度通用的技术,可用于在毫米至厘米尺度上对生物医学标本进行空间和定量评估。尽管本文介绍的实验方案主要是为胰腺/糖尿病研究而开发,但其应可推广应用于其他物种、标本类型及标记物的研究。由于能够在完整的胰腺样本中同时可视化多个不同的通道,近红外OPT成像还有望作为一种工具,用于评估旨在通过其他成像方式实现无创检测的对比剂的摄取特异性,前提是这些对比剂可被设计为同时携带一个可通过OPT检测的荧光团。
未声明任何利益冲突。
感谢 P. Lindström 博士提供 ob/ob 小鼠。感谢 J. Lehtonen 在视频制作方面的协助,以及 J. Gilbert 在编辑工作中的帮助。本研究得到了糖尿病研究研究所基金会(A.P.)、青少年糖尿病研究基金会(A.P. 和 U.A.)、欧洲委员会(FP-7,资助协议编号:CP-IP 228933-2)(J.S. 和 U.A.)、Kempe 基金会、Umeå 大学以及瑞典研究理事会向 U.A. 提供的资助支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 甲醇 | Scharlau | ME03162500 | |
| 30% H2O2 | Scharlau | HI01362500 | |
| 苯甲醇 | Scharlau | AL01611000 | |
| 苯甲酸苄酯 | Scharlau | BE01851000 | |
| 低熔点琼脂糖 | LONZA | 50100 | |
| 多聚甲醛(PFA) | Sigma-Aldrich | 158127 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D5879 | |
| 吐温-100(Triton-X100) | Sigma-Aldrich | T8787 | |
| 小鼠抗α-SMA-Cy3抗体 | Sigma-Aldrich | C6198 | 一抗 |
| 兔抗CD3抗体 | Sigma-Aldrich | C7930 | 一抗 |
| 豚鼠抗胰岛素抗体(Ins) | DAKO | A0564 | 一抗 |
| 驴抗豚鼠IgG-IRDye680标记二抗 | LI-COR Biosciences | 926-32421 | 二抗 |
| 山羊抗兔IgG-DyeLight750标记二抗 | Thermo Scientific | 35570 | 二抗 |
| 山羊抗豚鼠IgG-Alexa594标记二抗 | Molecular Probes | A-11076 | 二抗 |
| 山羊抗豚鼠IgG-Alexa488标记二抗 | Molecular Probes | A-11008 | 二抗 |
| 山羊抗豚鼠IgG-Alexa594标记二抗 | Molecular Probes | A-11012 | 二抗 |
| 山羊抗豚鼠IgG-Alexa680标记二抗 | Molecular Probes | A-21076 | 二抗 |
| 山羊抗豚鼠IgG-Alexa750标记二抗 | Molecular Probes | A-21039 | 二抗 |
| OPT Skyscan 3001 | Bioptonics | OPT扫描仪 | |
| Leica MZ FLIII | Leica Microsystems | 体视显微镜 | |
| Leica 0.5倍物镜 | Leica Microsystems | 10446157 | |
| Leica 1.0倍相机适配器 | Leica Microsystems | 10445930 | |
| EL6000金属卤化物光源 | 11504115 | 光源 | |
| 液体光导管 | 11504116 | ||
| 比色皿 | Hellma Analytics | 6030-OG | 55 × 55 × 52.5 mm |
| 反射镜 | Edmund Optics | F68-334 | 50 × 50 mm |
| Andor Ikon-M | Andor Technology | DU934N-BV | 背照式CCD相机 |
| 滤光片组 | Chroma Technology | 41021-MZFLIII | TXR、Alexa-594、Cy3 |
| 滤光片组 | Chroma Technology | 41022-MZFLIII | IRDye680、Alexa-680 |
| 滤光片组 | Chroma Technology | 49037-MZFLIII | Dylight750、Alexa-750 |
| Protein G-Sepharose微球 | GE Healthcare | 17-0618-01 | Protein G Sepharose 4 Fast Flow |
| 叠氮化钠 | Sigma-Aldrich | 08591 | 0.1 M 叠氮化钠溶液 |
A correction was made to Near Infrared Optical Projection Tomography for Assessments of β-cell Mass Distribution in Diabetes Research. In Protocol section 1.1, the order of the listed chemicals MeOH:H2O2:DMSO has accidentally been switched and should instead be MeOH:DMSO:H2O2.
Protocol section 1.1 was changed from:
Incubate the tissue in freshly prepared MeOH:H2O2:DMSO bleaching buffer in a 2:1:3 ratio at RT for 24 hr to quench endogenous tissue fluorescence. For larger samples, exchange to new bleaching buffer and incubate for another 24 hr.
to:
Incubate the tissue in freshly prepared MeOH:DMSO:H2O2 bleaching buffer in a 2:1:3 ratio at RT for 24 hr to quench endogenous tissue fluorescence. For larger samples, exchange to new bleaching buffer and incubate for another 24 hr.