利用磁共振成像(人类)、3D成像软件以及免疫组织化学分析,我们记录了大脑侧脑室的变化。随后在小鼠模型中模拟人类大脑因衰老或疾病引起的侧脑室体积的纵向3D图谱变化,以及脑室周围细胞变化的特征。
方法文章
利用磁共振成像(人类)、3D成像软件以及免疫组织化学分析,我们记录了大脑侧脑室的变化。随后在小鼠模型中模拟人类大脑因衰老或疾病引起的侧脑室体积的纵向3D图谱变化,以及脑室周围细胞变化的特征。
脑室系统负责携带和循环脑脊液(CSF),并促进脑内溶质和毒素的清除。脑室的功能单位是称为室管膜细胞的纤毛上皮细胞,这些细胞排列在脑室壁上,通过纤毛运动可在脑室表面产生脑脊液的层流。这层室管膜细胞单层还具有屏障和过滤功能,促进脑组织间液(ISF)与循环脑脊液之间的物质交换。因此,脑内的生化变化会反映在脑脊液的成分中,而室管膜的破坏可能扰乱脑脊液与组织间液交换的精细平衡。在人类中,侧脑室扩张与衰老之间存在显著相关性。即使在无痴呆或脑脊液流动阻塞的情况下,也可能出现与年龄相关的脑室扩大。脑室扩大的确切原因和进展过程通常尚不明确;然而,扩大的脑室常表现出区域性甚至广泛性的室管膜细胞覆盖缺失,脑室表面被星形胶质细胞增生及伴随的脑室周围水肿所取代,从而破坏功能性室管膜细胞单层。本文结合磁共振成像(MRI)扫描与死后人脑组织,描述如何制备、成像并整合侧脑室容积的三维重建图像,计算侧脑室容积,并通过对侧脑室壁组织“面朝上”(en face)制备样本进行免疫组织化学分析,以表征脑室周围组织。同时,也展示了小鼠脑组织的相应分析,支持利用小鼠模型评估人类衰老和疾病中侧脑室及脑室周围组织的变化。这些实验方案共同为研究脑室扩大的因果关系提供了方法,并突出了评估脑室系统健康及其在脑内重要屏障和过滤功能的技术手段。
室管膜细胞单层覆盖于脑室系统内表面,在脑脊液(CSF)与组织间液(ISF)之间发挥双向屏障和物质转运功能1-3。这些功能有助于维持脑组织无毒性物质侵害并保持生理平衡2,3。在人类中,由于损伤或疾病导致该内衬部分缺失后,似乎不会像其他上皮内衬那样发生再生性替代;相反,室管膜细胞覆盖的缺失往往导致室管膜周围星形胶质细胞增生,形成由星形胶质细胞构成的网状结构,覆盖在室管膜表面失去室管膜细胞的区域。可以预见,这种上皮层的缺失将对重要的脑脊液/组织间液交换与清除机制造成严重后果1,2,4-7。
人类衰老的一个常见特征是侧脑室扩大(脑室扩大症)以及伴随的脑室周围水肿,这可通过磁共振成像(MRI)和液体衰减反转恢复MRI(MRI/FLAIR)观察到8-14。为了研究脑室扩大与脑室衬层细胞结构之间的关系,研究人员将死后人脑的MRI序列与侧脑室周围组织的组织学切片进行了匹配分析。在出现脑室扩大的病例中,侧脑室壁上的大部分区域原本由室管膜细胞覆盖的结构已被胶质增生所取代。当基于MRI的体积分析未检测到脑室扩张时,室管膜细胞层保持完整,且在脑室衬层未观察到胶质增生现象6。这种联合分析方法首次全面记录了侧脑室衬层细胞完整性变化的情况,采用了部分或完整侧脑室壁的整体装片制备技术以及脑室体积的三维建模分析6。多种疾病(如阿尔茨海默病、精神分裂症)和损伤(如创伤性脑损伤)均以脑室扩大作为早期神经病理学特征之一。因此,室管膜细胞层的局部剥脱可预测会干扰室管膜细胞的正常功能,并破坏脑脊液(CSF)与组织间液(ISF)之间液体和溶质交换的稳态平衡。因此,对脑室系统的变化、其细胞组成及其对下方或邻近脑结构影响的更深入研究,将最终有助于揭示与脑室扩大相关的神经病理机制。
缺乏多模态成像数据,尤其是纵向数据序列,以及难以获取相应的组织学样本,使得对人类脑部病理的分析变得困难。通过小鼠模型或其他动物模型来模拟人类衰老或疾病中出现的表型,常常是可行的,动物模型也因此成为我们探索人类疾病发生与进展问题的最佳手段之一。已有多个针对健康年轻小鼠的研究描述了侧脑室壁及其下方干细胞微环境的细胞结构4,7-15。这些研究进一步扩展到通过三维建模和细胞分析,研究侧脑室壁在衰老过程中的变化6,15。在老年小鼠中并未观察到室周胶质增生或脑室扩大现象,相反,小鼠表现出相对完整的脑室下区(SVZ)干细胞微环境,其上方为完整的室管膜细胞层6,15。因此,在衰老过程中,人类与小鼠在侧脑室壁的整体维持和结构完整性方面存在显著的物种特异性差异6,15。因此,为了更有效地利用小鼠模型来研究人类疾病状态,必须明确并充分考虑两物种之间的差异,并在任何建模范式中予以恰当对待。本文中,我们介绍了一套用于评估人类与小鼠侧脑室及其周围室周组织纵向变化的实验流程。本方案包括对小鼠和人类脑室进行三维重建与容积测量,并利用室周组织整体装片的免疫组织化学分析,以表征细胞排列与组织结构。综合这些方法,可为研究脑室系统及其相关室周组织的变化提供有效手段。
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注意:动物实验程序已获得康涅狄格大学动物护理与使用委员会(IACUC)批准,并符合美国国立卫生研究院(NIH)指南。人体组织与数据分析及相关操作均经康涅狄格大学机构审查委员会(IRB)批准并符合美国国立卫生研究院(NIH)指南。
1. 小鼠:脑室周围细胞完整性的分析及侧脑室的三维建模
1.1)小鼠侧脑室壁全层组织制备
1.2)侧脑室分析的免疫组织化学
1.3)三维侧脑室分割 重建
注意:使用 upright 荧光显微镜结合自动载物台和用于荧光检测的数字 CCD 相机,通过成像软件对侧脑室进行示踪。
1.4)侧脑室三维重建
2. 人类:脑室周围细胞完整性的分析及侧脑室的三维建模
2.1)人类 MRI 数据分析
注意:以下方案旨在创建侧脑室的三维图像重建和容积定量,并通过纵向叠加分析评估随时间推移的容积变化。需特别指出,磁共振数据采集的一致性(例如,设备型号、磁场强度、层厚、方位和分辨率)以及采集后处理的一致性,是数据集纳入分析的极为重要的标准20。
2.2)人脑室周围组织制备与分析
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基于免疫染色的50 µm冠状切片及三维重建结果对小鼠侧脑室进行轮廓追踪(图3),可在以小鼠为疾病或损伤模型的不同实验范式中获取体积数据。该操作的关键在于排除侧脑室壁相互贴附的区域。通过对脑室区域进行分段,并为每个区域指定不同颜色(图3C),可整合连续切片,进而根据整合后的分段计算各区域及总体积。
可结合脑部 MRI 扫描与侧脑室的半自动分割(ITK-SNAP)进行三维重建,开展类似的研究。为了直接配对脑室体积与脑室周围组织分析,需对生前或死后 MRI 扫描图像进行分割并配准,以生成三维重建图像(图 4)。若具备纵向 MRI 扫描数据,可将多个时间点的三维重建图像进行配准与叠加,以分析脑室随时间的扩张情况(图 5)。纵向分析可提供未来免疫组织化学分析中特别关注的区域信息。对相应组织进行免疫组织化学分析,以揭示脑室表面星形胶质细胞增生区域与完整室管膜细胞单层的分布情况(图 6A)。采集组织图像后拼接成全景图,以覆盖大面...
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我们提供可用于评估小鼠和人类大脑室系统完整性的工具和方案。然而,这些工具也可应用于其他因损伤、疾病或衰老过程而发生变化的脑结构或器官系统。 14,21,22. 所介绍的策略利用了能够对横断面和纵向 MRI 序列进行配准的软件,以生成特定区域或感兴趣结构的三维体积图像。纵向 MRI 序列可整合随时间变化的三维体积改变,还可进一步扩展用于分析全脑体积、侧脑室与全脑体积的比值,和/或其它脑部结构例如,丘脑下核 23 或使用扩散加权张量成像技术分析胼胝体白质纤维束。结合多种方法,可对脑结构变化进行系统性分析。最终,为评估与年龄及疾病相关的脑结构改变,需整合多种多模态成像技术,以全面准确地反映脑健康状况 24对关键结构数据的记录与汇总,以及受试者间变异性和跨受试者变异范围的分析,理想情况下可用于构建超高场磁共振成像图谱,以最优地指导临床对健康或疾病状态下组织的诊断。
为了降低受试者间和受试者内数据集在采集和处理过程中的变异性,有几个关键步骤需要注意。理想情况下,为了获得匹配的数据序列,整个研究过程中应使用相同...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究工作得到了美国国家神经疾病与卒中研究所(NINDS)基金 NS05033(JCC)的支持。康涅狄格大学研究资助委员会(RAC)、SURF 和 OUR 项目提供了额外资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Life Technologies | 21600-069 | |
| 多聚甲醛(PFA) | Electron Microscopy Sciences | 19210 | 使用浓度为 PBS 中 4%,4 °C |
| 正常马血清 | Life Technologies | 16050 | PBS-TX 中 10%(v/v) |
| 正常山羊血清 | Life Technologies | 16210 | PBS-TX 中 10%(v/v) |
| 吐温-100(TX) | Sigma-Aldrich | T8787 | PBS 中 0.1%(v/v) |
| 振动切片机 | Leica | VT1000S | |
| 荧光显微镜 | Zeiss | Imager.M2 | |
| 相机 | Hamamatsu | ORCA R2 | |
| 显微镜载物台控制器 | Ludl Electronic Products | MAC 6000 | |
| 体视学软件 | MBF Bioscience | Stereo Investigator 11 | |
| 体视学软件 | ImageJ/NIH | NIH 免费软件 | |
| 三维重建软件 | MBF Bioscience | Neurolucida Explorer | |
| 共聚焦显微镜 | Leica | TCS SP2 | |
| MRI 软件 | |||
| Freesurfer | https://surfer.nmr.mgh.harvard.edu/fswiki/DownloadAndInstall | 分割与体积分析 | |
| ITK-Snap | http://www.itksnap.org/pmwiki/pmwiki.php | 分割与体积分析 | |
| 多图像分析图形用户界面(Mango) | http://ric.uthscsa.edu/mango/ | 纵向叠加 | |
| 整体封片设备 | |||
| 22.5° 微型外科直刺刀 | Fisher Scientific | NC9854830 | |
| parafilm | |||
| 蜡底解剖皿 | |||
| 解剖针 | |||
| 精细镊子 | |||
| 水性封片剂(aquapolymount) | |||
| 解剖显微镜 | Leica | MZ95 | |
| 整体封片抗体 | |||
| 小鼠抗 β-catenin 抗体 | BD Bioschiences, San Jose, CA, USA | 1:250 | |
| 山羊抗 GFAP 抗体 | Santa Cruz Biotechnology | 1:250 | |
| 兔抗 AQP4(水通道蛋白-4)抗体 | Sigma-Aldrich | 1:400 | |
| 冠状切片抗体 | |||
| 抗 S100β 抗体 | Sigma-Aldrich | 1:500 | |
| 4’,6-二脒基-2-苯基吲哚(DAPI) | Life Technologies | D-1306 | 10 µg/ml PBS 溶液 |
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