有孔肝窦状内皮细胞是一种重要的生物学滤过系统,其结构易受多种疾病、毒素及生理状态的影响。这些变化显著影响肝脏功能。本文描述了对该类细胞中孔径大小和孔数量进行测量的标准化方法。
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有孔肝窦状内皮细胞是一种重要的生物学滤过系统,其结构易受多种疾病、毒素及生理状态的影响。这些变化显著影响肝脏功能。本文描述了对该类细胞中孔径大小和孔数量进行测量的标准化方法。
肝窦内皮细胞是进入肝脏的门户,其细胞穿通性窗孔结构可使血液中的小分子和溶解物质无阻碍地进入肝实质,进行代谢和加工处理。窗孔是动态结构,其大小和/或数量可随不同的生理状态、药物及疾病状态而发生改变,因此成为重要的调控靶点。要理解不同疾病、毒性及生理状态下肝窦内皮细胞形态的变化及其对肝功能的影响,必须准确测量窗孔的大小和数量。本文介绍了我们实验室所采用的扫描电镜固定与处理技术,以确保样本制备的可重复性及结果解读的准确性。这些方法包括灌注固定、继发固定与脱水、扫描电镜样品制备以及图像分析。最后,我们提供了一套标准化图像分析的逐步操作方法,以惠及本领域所有研究人员。
肝窦内皮细胞(LSECs)是高度分化的内皮细胞,衬于肝窦壁内。LSECs 上具有无隔膜的穿胞孔,称为窗孔,直径为 50–250 nm。LSECs 表面最多有 20% 被窗孔覆盖,这些窗孔通常成群分布,每群由数十至数百个窗孔组成,称为筛板1-3(图 1)。窗孔允许血浆和纳米底物在血液与肝细胞之间转运,从而形成高效的超滤系统。窗孔是动态结构,其大小和/或数量可因不同的生理状态、药物及疾病而发生改变。例如,禁食状态下窗孔比进食状态下更大4;2-二碘安非他明可增加窗孔数量5,6;而在衰老及多种疾病状态下,每个细胞的窗孔大小和数量均会减少7-13。准确测量窗孔的大小和数量,对于理解不同疾病、毒性及生理状态对 LSEC 形态的影响、其对肝功能的作用,以及开发调节窗孔的治疗干预手段具有重要意义1。
研究窗孔结构具有较大难度。窗孔的直径低于常规光学显微镜的分辨极限,因此以往只能通过电子显微镜观察完整肝组织或培养的肝窦内皮细胞(LSECs)中的窗孔。扫描电子显微镜(SEM)最常用于研究窗孔的大小、频率和孔隙率(即被窗孔穿孔的LSEC膜所占的百分比),因为SEM能够观察内皮表面的大范围区域,并可测量成千上万甚至数万个窗孔。尽管SEM具有实用价值,但基于SEM的研究所报道的LSEC参数(如窗孔大小、数量、频率和孔隙率)在文献中存在广泛差异(表1)。
窗孔和筛板是脆弱的结构,在样本制备过程中可能发生收缩、破裂、扩张或融合,因此需要谨慎处理以保持其完整性。灌注压力升高14;固定剂和缓冲液的渗透压不正确15;固定不充分或固定时间不足;以及固定后脱水和干燥速度过快,都是扫描电镜(SEM)样本处理中可能产生干扰超微结构保存的人工假象的因素(图2)。窗孔的丢失(“去窗孔化”)和窗孔收缩可能因固定不良而发生,导致窗孔直径减小和细胞通透性降低。此前已有文献描述过改进用于SEM分析样本保存的方法15–17,本文将对此进行讨论,并补充一些提高样本保存质量的实用建议。样本保存的主要目标是清除肝窦内的血液,以便观察肝窦内皮细胞(LSEC)表面结构,同时避免因高压或固定延迟造成的LSEC损伤。通过门静脉进行全肝灌注固定是肝脏固定的首选方法。如其他文献详细所述16,18,灌注必须在低压条件下进行(例如10 cm H2O),以避免与压力相关的人工假象及对LSEC的损伤,这类损伤通常表现为细胞膜上出现大范围的裂隙。然而,对于人类和动物的肝活检样本,采用针头直接灌注固定剂的方法也常能获得较为理想的固定效果,具体操作详见其他文献19。该技术包括将固定剂直接注入组织,直至血液被完全冲洗出样本,且组织变得坚实并完成固定。 由于肝脏的自溶过程极为迅速,为防止超微结构发生改变,电子显微镜样本的固定必须在血流停止后尽快进行。
我们还提出了一种图像分析方法,可最大限度减少伪影的纳入,并对窗孔结构的测量进行标准化。在显微照片中选择窦状隙的差异、对伪影的图像分析,以及对孔隙率和窗孔频率进行细胞面积测量时的方法差异,已导致已发表结果之间存在显著分歧。此前文献中尚未明确阐述对窗孔结构进行评估和测量的标准化方法,以及数据呈现所需的最低要求4,10,20-31。
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注意:所有涉及动物使用的操作均根据当地法律法规进行。我们的研究已获得悉尼地方卫生区动物福利委员会的批准。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。 务必遵守研究所在国家关于动物实验的法律法规。
1. 透射电镜固定液制备方案
2. 肝脏灌注固定
3. 针式灌注
注意:针头固定法是一种灌注固定的变体,通过将固定剂直接注射到活检的肝组织中,使固定剂流经血管,从而清除血液并使组织块充分接触固定剂。操作时必须注意保持较低的注射压力,以避免因压力过高造成组织损伤18,19。
4. 扫描电子显微镜样品制备
5. 封片
注意:正确的标本制备方法将最大限度地增加在扫描电镜下可用于分析的清晰界定的窦状隙数量。
6. 包被
注意:在溅射镀膜仪中用一层薄导电金属(金或铂)对样品进行镀膜,可使样品接地,从而保护其免受电子束损伤。若镀层过厚,可能遮蔽感兴趣的结构。
7. 使用扫描电子显微镜
8. 分析
注意:使用可从美国国立卫生研究院(NIH)免费下载的 ImageJ 软件来量化窗孔直径和频率(www.imagej.nih.gov/ij)。
9. 计算
10. 窗孔数据的展示
注意:在可能的情况下,包含窗孔量化数据的出版物应包括以下信息
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通过扫描电子显微镜在低倍率下进行初步观察,可见肝脏标本表面平坦,暴露区域足够大,可观察到许多较大的肝血管和肝窦(图1A)。为获得清晰的肝窦图像,必须确保肝脏组织块在载样 stub 上的正确放置,因此应避免观察到肝格利森囊(Glisson’s capsule)(图1B)。提高放大倍数后,可更细致地观察肝脏密集的血管系统,并显示出分隔血管的单层肝细胞板(图1C)。肝脏固定不良会导致图像质量下降,血细胞和碎片会遮挡肝脏结构的观察(图1D)。
进一步增加放大倍数可观察到肝窦内皮细胞(LSEC)的窗孔结构(图 2A)。正确识别肝窦结构至关重要——在某些情况下,肝细胞板可能看似血管,但诸如胆小管等结构特征有助于定位判断(图 2B)。过高的灌注压力可能导致内皮层出现大间隙等假象,这被认为是LSEC筛板融合所致。此类假象在扫描电镜(SEM)下易于识别(图 2C)。...
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准确且可重复地测量肝窦内皮细胞状态的能力是理解这些高度特化细胞生物学的重要一步。新兴技术如结构照明显微镜32,原子力显微镜33 以及 d-STORM(直接随机光学重建显微镜) 34 将提供有关这些细胞形态的重要信息 体外 但扫描电镜(SEM)仍是观察和测量其结构的主要方法 原位.
最关键的且技术上最具挑战性的步骤是初始固定:如果肝脏保存良好,后续步骤将产生易于观察且确实美观的肝窦图像。全肝灌注是确保良好固定的最有效方法,但在快速且低压条件下固定的针式灌注样本也可获得相当的结果。脱水肝脏样本吸收水分是导致扫描电镜图像质量差的另一个常见原因,但通过将样本正确储存在含有干燥剂的干燥器中,这一问题可轻易避免。
有必要对窗孔结构的定量方法进行标准化,以便能够比较和解读不同研究团队的研究结果。过去发表的数值存在较大差异,且关于这些数值获取方法的细节信息极少。本文提供了一种标准化的方法,用于确定和呈现描述窗孔超微结构的参数值。
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作者无任何利益冲突需要披露。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 25% 电子显微镜级戊二醛 | ProSciTech | C001 | 将储备液保存于 -20 °C,直至使用;避免反复冻融 |
| 多聚甲醛粉末 | Sigma Aldrich | 158127 | 每次均需新鲜配制多聚甲醛 |
| 二甲胂酸钠粉末 | Sigma Aldrich | C0250 | 配制 0.2 M 储存液,pH 7.4,将粉末溶于 dH₂O 中2O,通常以0.1 M浓度使用,通过1:2稀释制备 |
| 氯化钙 | Sigma Aldrich | C1016 | 通过将粉末溶于dH₂O中配制1 M CaCl₂2O |
| 四氧化锇 | ProSciTech | C011 | 使用前用弱酸清洗安瓿瓶,以避免污染。在玻璃瓶中配制2%的储备液 |
| 乙醇- 绝对 | Sigma Aldrich | 459836 | 100% 乙醇必须为高纯度,并与分子筛一同储存 |
| 其他等级的乙醇 | 实验室技术 | EL5 | 用dH₂O配制梯度乙醇2O |
| 六甲基二硅氮烷 | Sigma Aldrich | 52619 | 使用前需恢复至室温 |
| 套管针 | Terumo | TSROX1832C, TSROX2225C, TSROX2419C | 18 G 适用于大多数大鼠,22 G 适用于大多数小鼠,但最好备用几根 24 G 针头,以应对体型非常小的小鼠 |
| 导电碳带 | ProSciTech | IA0201 | |
| 碳导电银浆 | ProSciTech | I003 | |
| 氯胺酮 | 必须在许可下获取 | ||
| 赛拉嗪 | 必须在许可下获取 | ||
| 分子筛 | Sigma Aldrich | 208647 | 从100%乙醇中去除水分 |
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