造血干细胞与祖细胞(HSPCs)与骨髓微环境之间相互作用的性质尚不明确。通过定制的硬件改装和多步骤采集方案,可结合双光子显微镜与共聚焦显微镜进行成像 离体 标记的HSPCs归巢至骨髓区域,追踪其相互作用与移动。
造血干细胞与祖细胞(HSPCs)与骨髓微环境之间相互作用的性质尚不明确。通过定制的硬件改装和多步骤采集方案,可结合双光子显微镜与共聚焦显微镜进行成像 离体 标记的HSPCs归巢至骨髓区域,追踪其相互作用与移动。
通过静息与增殖、自我更新与分化后代生成之间的精细平衡,造血干细胞(HSCs)维持着所有成熟血细胞谱系的更新。HSCs 命运的复杂信号协调依赖于 HSCs 与复杂的骨髓微环境之间的相互作用,而这一机制目前仍知之甚少[1-2]。
我们介绍如何通过将一种新开发的用于稳定动物定位的样本支架与多步共聚焦和双光子显微成像技术相结合 体内 成像技术,可以获得包含造血干细胞和祖细胞(HSPCs)及其周围微环境的高分辨率三维图像序列,并通过多时间点延时成像对它们进行长期监测。高分辨率成像能够实现对 离体 标记的骨髓内造血干细胞和祖细胞(HSPCs)。此外,采用更快的采集参数获得的多点时间延时三维成像,可准确提供有关HSPC迁移及其与基质细胞之间相互作用的信息。
以GFP阳性成骨细胞为参照追踪HSPCs是该方法的一个示例性应用。该技术可用于在小鼠颅骨骨髓腔内追踪任何适当标记的造血细胞或基质细胞。
尽管干细胞微环境已被认识数十年3,并在许多组织中得到了充分表征,例如嗅球、肌纤维、毛囊隆突区或中枢神经系统室管膜下区4-7,但由于难以透过骨骼直接观察单个细胞,以及骨髓组织本身具有高度动态的特性,造血干细胞(HSCs)与骨髓微环境(BM)之间的相互作用仍远未被充分阐明。已有大量功能研究表明,通过在HSCs或微环境中的基质细胞内特异性地敲除或过表达某些基因,揭示了多种细胞类型与调控信号之间构成的复杂网络,共同调控HSCs静息、增殖、扩增与分化之间的精细平衡1-2。只有通过直接观察,才能深入理解HSCs与其微环境之间的相互作用。得益于先进成像技术的发展,结合现有的显微镜技术、样品固定装置以及图像采集软件,这一目标已成为可能。
对移植的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)在小鼠颅骨骨髓腔内进行单细胞分辨率的活体成像显示,定植的HSPCs定位于表达SDF-1和VCAM-1的血管附近8-9,而更原始的细胞则多分布于距GFP阳性成骨细胞15–20微米范围内(Col2.3-GFP转基因小鼠品系,其中成骨细胞特异性的胶原1α启动子驱动GFP表达),其子代细胞则位于更远的位置10。类似结果也在解剖并骨折的股骨11以及变薄处理的胫骨12中观察到。颅骨骨髓的成像仍是实现对HSPCs在其天然微环境中直接可视化最微创的方法。
在任何活体样本成像过程中,都必须尽可能保持样本静止,以避免因样本移动而产生不必要的伪影。小鼠呼吸会引起头部的振荡性运动,在对颅盖骨骨髓进行成像时需要消除这种干扰。传统的立体定位固定装置(常用于脑部成像和电生理学研究)并不适用于颅盖骨成像,因为它们会遮挡额骨区域。基于一种在活体成像和电生理学研究中用于减轻小鼠应激反应的动物固定装置13,我们开发了一种由两个部件组成的固定装置:一个小型部件固定于小鼠头部,形成一个成像窗口,并连接至一个带有重型底板的较大支撑臂,该底板可牢固地固定在显微镜载物台上,确保稳定固定。将头部组件固定于小鼠颅骨上,可在允许自由呼吸的同时有效固定头部,充分消除由呼吸引起的运动。头部组件与主体支架之间采用“锁-钥”式连接机制,可最小化成像窗口尺寸并提高定位精度,从而简化手术操作;同时,底板与显微镜载物台的匹配设计也有助于实现准确对位。为了精确监测运动性细胞,设计了多点时间序列成像方案,以每5分钟一个时间点的间隔对细胞进行长时间追踪。在此方案中,将DiD标记的造血干细胞(HSCs)注射入col2.3GFP成骨细胞报告小鼠10,14,约20小时后进行成像。本文详细描述了所设计的动物固定装置以及在数小时内对相同区域进行快速多点时间序列成像所需的成像参数设置。
所有涉及动物使用的操作均根据当地法律法规进行。我们的工作已获得英国政府内政部以及帝国理工学院伦理审查委员会的批准。允许的操作在项目许可证文件中有详细说明,并遵循始终确保动物福利的指导原则。务必遵守工作所在国家关于动物实验的法律法规。
1. HSPC 的标记与注射:
2. 准备用于成像的小鼠
3. 体内成像:高分辨率图像序列与延时采集
定制的高精度小鼠固定装置包含颅骨成像窗口,可用于对经流式细胞术分选并标记后注射到致死剂量辐照受体小鼠中的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)进行长时间成像(图1A)。通常在注射1.5万至2万个标记细胞后,次日在颅骨骨髓成像区域内可识别出8至15个细胞。本文展示了如何获取包含HSPCs的骨髓区域的单细胞分辨率三维图像序列,成像厚度约为90–120 µm(图1B),随后对所识别的HSPCs进行四维延时成像(图1C及视频)。
如果牙科水泥未得到充分制备,则可能获得次优结果,例如水可能从未密封的区域渗漏,即使可以从持片器顶部补充水分,但在任何一段时间内若镜头未浸入水中,都会导致出现黑帧。由于小鼠固定装置材料的热膨胀,图像中不可避免地会出现一定程度的漂移,但若水泥粘附不佳,会加剧漂移,导致小鼠逐渐脱离;此外,成像系统的扰动也可能导致延时成像过程中焦点突然跳跃。在多点延时成像过程中,当重新访问先前成像位置时,载物台移动不准确也可能引起漂移。延时成像序列中的漂移和跳跃伪影可通过使用图像配准算法进行校正。
表1. 激发和发射参数设置。
| 荧光通道 | 激发波长 | 发射波长 |
| GFP | 488 nm | 500 - 530 nm |
| 自发荧光 | 543 nm | 560 - 610 nm |
| DiD | 633 nm | 640 - 700 nm |
| SHG | 840 nm (MP) | 400 - 450 nm |

图1. 在体 小鼠颅骨中HSPC的4D成像。(A) 实验流程概述。 (B - C) 获得的结果示例。 (B) 来自3D图像堆栈的2D切片(总深度为 114 μm),包含骨胶原信号(白色)、DiD标记细胞(红色)、自发荧光细胞(黄色)和成骨细胞(绿色)。比例尺: 100 μm. (C) 来自4D延时电影的2D切片,显示DiD标记的造血干细胞(红色)在成骨细胞(绿色)附近迁移。虚线突出显示细胞的位移。比例尺: 50 μm (B) 和 100 μm (C)注意:从延时采集获得的视频 (C) 在视频文章中展示。 请点击此处以查看此图的放大版本。
取得了什么成果?
该方案采用延时多维成像技术来监测经FACS纯化的细胞的迁移过程, 离体 小鼠颅骨骨髓中标记并移植的造血干细胞。已成功实现单个移植细胞的识别,并以高精度对其进行了长时间(小时级)的持续监测。通过减少呼吸引起的运动伪影,实现了对细胞在长时间过程中的重复成像。
未来的研究方向是什么?
该技术的进一步发展可推进至恢复实验,以实现一周或更长时间内多日连续成像,并可使用气体麻醉剂(如异氟烷)来缩短和简化小鼠的恢复过程(注意:恢复实验需要严格的无菌手术条件,并给予适当的镇痛剂)。开发更丰富的彩色调色板 体内 染料以及对造血细胞进行高效的遗传标记也将促进多重标记实验,有助于更深入地了解骨髓内的细胞间相互作用,并为未来开展更复杂的实验提供可能。此外,对多个骨髓结构及基质成分进行同步标记,将更全面地揭示造血干细胞和祖细胞(HSPC)微环境中所发生的事件。通过在图像采集前进一步稳定显微镜系统并尽量减少样品中的温度梯度,以及在采集后应用图像配准算法,可提高延时成像视频的图像稳定性。
局限性:
所述技术存在一些局限性。小鼠在注射麻醉剂后的存活情况难以预测,且由于个体对麻醉剂的反应不同,很容易出现并发症。通常情况下,成像时间越长,小鼠从麻醉中恢复的难度就越大,因此必须仔细规划是否需要让小鼠恢复,理想情况下应尽量缩短延时成像的持续时间。使用注射类麻醉剂限制了每次成像会话的持续时长。尽管可以通过追加较小剂量的麻醉剂来延长麻醉时间,但准确实施这一操作较为困难,而过量麻醉是导致实验提前终止的最常见原因之一。 体内 成像。气体麻醉的毒性较低,可允许更长的初始成像时间,但小鼠在麻醉后恢复较快 >2小时长时间给予异氟烷通常难以成功。该技术的另一局限性在于,由于需要快速获取图像,多点延时成像所获得的图像分辨率受限。这一问题,加上焦平面漂移或视野跳动(如上所述),可能导致细胞追踪困难。
与替代方法的比较:
HSPC通常使用亲脂性染料DiD进行标记,但DiR和DiI染料是等效的替代选择,其他细胞染料只要亮度足够也可使用,相关综述见[16]。尽管 离体 用DiD标记细胞已被证明不会影响造血干细胞(HSCs)的长期功能,但其局限性在于DiD(或其他化学染料)会在细胞分裂过程中被稀释。由于HSCs在移植后的最初几天内会增殖,这些细胞的信噪比迅速下降。通过基因操作使细胞内源性表达荧光蛋白是一种可行的替代方法,前提是荧光蛋白的表达水平足够高,能够产生可穿透颅骨被检测到的信号。目前有多种可用于骨髓腔内造血干细胞和祖细胞(HSPCs)成像的技术,每种技术均有其优势与局限性。植入基于光纤的成像装置可实现对长骨中骨髓重建过程的成像[8],而通过手术暴露胫骨并使用外科钻头磨薄骨釉质后进行共聚焦成像[12] 生成了长骨外周区域定居的造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的详细图像。然而,这些方法的侵入性远高于本文所述方法,因此无法在同一只小鼠中对同一骨髓区域进行重复成像。此外,由于这些技术不可避免地会对周围组织造成广泛损伤,可能引发组织反应,从而影响所观察细胞的状态。此前已有研究通过在切除并骨折的股骨上覆盖盖玻片,对HSPCs进行短时间成像[11]然而,这种对组织的严苛处理方式对造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的影响尚不明确,且该技术仅被用于获取单个时间点的观察结果。已将固定的骨骼切成连续切片,染色后对获得的图像重建为三维模型,从而提供出色的三维分辨率,尤其是在使用血管铸型时。[17],最近,激光扫描细胞术(LaSC)已被用于获取关于造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的定量数据 原位,通过免疫染色标记[18] 但无法提供有关细胞行为的时间信息。本新方法所描述的技术结合了良好的三维分辨率、足以实现四维细胞监测的时间采样能力,并且具有相对较低的侵入性,因此为长期监测造血干/祖细胞(HSPCs)与骨髓微环境之间的相互作用提供了理想方案。
成像在伦敦帝国理工学院 FILM 设施内的正置 Leica SP5 共聚焦显微镜上进行,该设施由 Martin Spitaler 博士管理。
样本支架和头件由伦敦帝国理工学院化学工程系合作制造,并得到Samuel Jones和Simon Schultz博士的指导。
Nicola Ruivo、Francisco Diaz 以及帝国理工学院的 CBS 工作人员在小鼠饲养方面提供了重要的帮助和建议。 Mark Scott 由 HFSP 和 FILM 资助,Olufolake Akinduro 由 CRUK 资助,Cristina Lo Celso 由 CRUK、KKLF、BBSRC 和 HFSP 资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 氯胺酮(Narketan 100 mg/ml) | Vetoquinol | 407575 0107 C | 可使用其他麻醉剂替代此药物。 |
| 美托咪啶(Domitor 1 mg/ml) | Elanco | 134800-2 | 可使用其他镇痛药替代此药物。 |
| Vibrant DiD 细胞标记溶液 | Roche Products Ltd. | V22887 | 可根据需要选用其他颜色。 |
| Lacrilube 眼科软膏 | Allergan | n/a | 需由当地兽医处方获取 |
| Kemdent "Diamond Carve" 玻璃离子水门汀 | 经 Kemdent 由 Associated Dental Products Ltd. 提供 | SUN527 | 我们使用 A3 色号,但也可使用其他任何色号的水门汀。 |
| PBS | 多种等效产品 | ||
| 胰岛素注射器 | Terumo Medical Corporation | SS10M3109 | 1 ml,31 G |
| 小鼠固定器 | Harvard Apparatus | 340031 | 锥形(小型) |
| 高压灭菌的镊子和剪刀 | Agar Scientific | AGT577 AGT5034 | 虹膜剪 - 90 mm;Dumont HP 镊子(尖端 0.06 mm) |
| 称量皿和水门汀搅拌棒 | VWR | 611-1996/231-0370 | 5 ml 称量皿(黑色)/ 木质压舌板 |
| 配备电动载物台和双光子激光器的 Leica SP5 直立共聚焦显微镜 | Leica Microsystems | 请询价 | |
| 25倍水浸物镜(数值孔径 N.A. = 0.95) | Leica Microsystems | 11506323 | HCX IRAPO L 镜头 |
| 定制小鼠固定装置 | Imperial College 工程车间 | 详见图1 | |
| 带直肠温度探头的加热垫 | BASi Instrumentation | FHC-40902/ FHC-40908/ FHC-4090502 | 加热垫/ 控制箱/ 温度探头 |