该方案描述了一种新型的小鼠股骨观察窗模型,可用于追踪股骨骨髓中细胞的运动 体内活体多光子荧光显微镜用于随时间成像股骨骨髓的三个组分(血管、胶原基质和中性粒细胞)。
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该方案描述了一种新型的小鼠股骨观察窗模型,可用于追踪股骨骨髓中细胞的运动 体内活体多光子荧光显微镜用于随时间成像股骨骨髓的三个组分(血管、胶原基质和中性粒细胞)。
骨髓是一种复杂的器官,包含多种造血和非造血细胞。这些细胞参与多种生物学过程,包括造血、免疫调节和肿瘤调控。目前常用于研究骨髓内细胞活动的方法,如组织学检查和血细胞计数,仅能提供静态信息,难以捕捉多种细胞成分的动态行为。 体内为了补充标准方法,开发了一种基于窗式腔室(WC)的模型,以实现连续观察 体内 对小鼠骨髓中的细胞和结构进行成像。本方案描述了一种在股骨上植入骨窗(WC)的外科手术操作,以实现对股骨骨髓的长期光学观察。特别地,为展示其在实验中的应用价值,该骨窗技术被用于在股骨血管网络中成像并追踪中性粒细胞,从而提供了一种可视化和量化骨髓内免疫细胞迁移与调控的新方法。该方法可应用于研究小鼠骨髓中的多种生物学过程,如造血作用、干细胞移植以及在包括癌症在内的病理条件下免疫应答的研究。
骨髓是参与造血和免疫调节的重要器官。它由含有造血干细胞和祖细胞(HSPCs)的造血组分,以及含有可分化为间充质细胞的非造血祖细胞的基质组分构成1。三分之二的造血活动用于髓系细胞的生成2。特别是,骨髓中会大量生成中性粒细胞,在健康成人中每日可产生 1–2 × 1011 个细胞2。中性粒细胞是抵御微生物感染的第一道防线,在未受应激刺激时主要储存于骨髓中,当机体受到刺激时则被动员以补充外周血中的中性粒细胞1,3。除了抗菌作用外,近期研究表明中性粒细胞在肿瘤生物学中也发挥重要作用,其促瘤或抑瘤表型取决于肿瘤微环境中转化生长因子β(TGF-β)信号通路的状态4,5。此外,研究证实积聚在原发性肿瘤中的中性粒细胞可通过抑制T细胞的细胞毒性功能而发挥促肿瘤生长和促转移作用6,7,而循环中的中性粒细胞则表现出细胞毒性及抗转移效应8。因此,研究骨髓中的造血细胞,尤其是中性粒细胞,对于阐明其在免疫调节和肿瘤调控中的作用至关重要。
组织病理学检查和完整的外周血细胞计数通常用于评估骨髓中的细胞和结构改变9然而,这些方法仅能提供不同细胞群体或组织微结构的静态信息。纵向 体内 成像技术可与标准方法结合使用,以纵向评估多种细胞、血管和间质成分的动力学特征以及细胞间的相互作用。活体显微成像(IVM)是指以显微分辨率对活体动物进行成像10对于在同一样本中随时间评估动态细胞过程特别有用,可减少实验动物的使用数量。活体显微镜成像常与慢性移植的观察窗室(WC)结合使用,以实现对目标器官持续数周至数月的成像观察。颅骨窗和背侧皮肤折叠窗室模型应用历史最长,可追溯至20世纪90年代中期。近年来,已开发出其他器官特异性的窗室模型,如乳腺脂肪垫及多种腹腔器官的窗室模型。11.
成像骨髓的常用方法 体内 主要涉及暴露小鼠颅骨,此处骨质较薄,可在最小手术干预下直接观察单个细胞12-14然而,颅骨骨髓可能与其他骨骼(如长骨)的骨髓存在差异,颅骨中造血干细胞和祖细胞(HSPCs)及缺氧细胞数量较低,表明其对HSPCs的维持和发育能力较弱15因此,研究人员已探索了评估长骨中细胞成分的替代方法,这些方法包括直接暴露股骨骨髓16 背侧皮肤折叠室中股骨节段的异位移植17然而,前者是一种终端性操作,无法实现对细胞、结构及功能变化的长期追踪;而后者则可能因将股骨移植至背侧皮肤皱襞窗室(WC)内的异位部位,干扰正常的骨髓功能。另一种可实现股骨骨髓原位连续成像的方法是在股骨上构建窗室(WC)。既往有研究报道,利用小鼠股骨窗室实现了对股骨骨髓微循环的长期成像。18此外,作者展示了对股骨中肿瘤细胞的可视化,表明该技术在监测骨髓转移方面具有应用价值。然而,这种WC设计存在尺寸较大(直径1.2 cm)和成像区域相对较小(直径4 mm)的局限性,仅适用于体重较大的小鼠(26–34 g,3–6月龄),因此在常规应用中实用性有限。
因此,为了本研究的目的,设计了一种整体尺寸更小而内部成像区域更大的新型骨窗(WC)。本研究的目标是提供一种用于成像股骨骨髓中多种细胞类型的方法。股骨骨窗模型为本实验室自主开发,可用于在三维血管网络中可视化并追踪中性粒细胞。利用该模型,可对骨髓进行长达40天的系列在体显微成像(IVM)。该方法可应用于多种研究领域,以阐明造血过程、免疫调控及肿瘤发生机制。
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注意:所有动物实验均在大学健康网络机构动物护理与使用委员会批准的方案 #2615 下进行。
1. 小鼠手术准备
2. 使用多光子与共聚焦显微镜联用技术进行图像采集
3. 图像分析与定量
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采用窗式装置(WC)可成功获取小鼠股骨骨髓,从而实现对单个中性粒细胞及血管网络的可视化观察。图1展示了WC装置并描述了手术操作流程,包括暴露股骨、减薄皮质骨以获得骨内光学通路。该手术在小鼠中耐受性良好;术后5天内对小鼠进行了不良生理反应评估,包括后肢肿胀、患肢非负重、自残行为、蜂窝织炎和皮炎,以及WC装置损伤情况,均未发现痛苦或不适表现。值得注意的是,该窗式装置在长达40天内仍保持光学清晰,可用于干预后细胞与结构长期动态变化的活体成像分析。
骨髓内的血管系统可通过血管内染料(如FITC-Dextran)进行可视化图2)。由于对比度依赖于染料的注射,所获得的图像反映了具有足够血流的功能性血管系统。除了血管系统外,中性粒细胞也可被染色 体内 使用抗 Ly6G 抗体。 图3A 和 3B 代表在不同时间点观察...
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对骨髓中动态细胞过程进行实时、连续成像,能够获取使用传统技术(如组织学和全血计数)难以获得的信息。本文所述的股骨窗腔模型为随时间推移研究骨髓内的细胞和结构变化提供了独特的机会。尽管此前已有股骨窗腔模型的报道,但我们的新型设计具有更大的成像视野和更小的整体窗腔尺寸,更适合在成年小鼠中使用。该股骨窗腔模型可用于多种小鼠品系,包括免疫功能健全小鼠和/或转基因报告小鼠。
手术过程中有一些关键步骤,决定了成像的整体持续时间和质量。暴露股骨时,仅需对屈肌和伸肌之间的肌肉进行钝性分离;切除这些肌肉可能导致小鼠活动能力下降,必须避免。此外,对皮质骨的研磨操作必须谨慎进行。研磨约50 μm的厚度即可满足光学成像需求,同时保持股骨血管网络的结构完整性。在骨周围使用牙科水泥对于封闭手术暴露区域、防止液体积聚以及维持超过一个月的清晰光学成像窗口至关重要,同时还能降低感染风险。牙科水泥还可固定观察窗(WC),防止其围绕股骨旋转。最后,用于固定盖玻片的卡环适用于水浸物镜,可实现水密封。相比使用粘合剂将盖玻片固定到观察窗上,推荐使用卡环,因为添加粘合剂可能增加骨与盖玻片之间的间隙,或使盖玻片相对于成像平面呈轻微...
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作者无竞争性财务利益。
作者谨此感谢多伦多大学健康网络的先进光学显微镜设施(www.aomf.ca)在显微镜技术方面的协助,以及玛格丽特公主癌症中心机械车间的杰森·埃利斯先生(Mr. Jason Ellis)在制造WC和成像平台方面的工作。我们还要感谢艾里斯·库尔巴茨基博士(Dr. Iris Kulbatski)在稿件编辑方面的帮助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 裸鼠 NRCNU-F 无胸腺裸鼠 | Taconic | Ncr nude | 8-10 周龄,雌性 |
| 生理盐水 | Baxter | JB1302P | |
| 盐酸氯胺酮 | Bioniche Animal Health Canada, Inc. | DIN 01989529 | |
| 赛拉嗪 | Bayer HealthCare, Bayer Inc. | DIN 02169592 | |
| 手术巾 | Proxima | DYNJP2405 | |
| 电热垫 | Life Brand | 57800827375 | |
| 体视显微镜 | Leica | Leica M60 | |
| 眼膏(人工泪液凝胶) | Novartis | T296/2 | |
| 7.5% 聚维酮碘 | Purdue Frederick Co | 67618-151-16 | |
| 70% 异丙醇 | GreenField | P010IP7P | |
| 10% 聚维酮碘 | Purdue Frederick Co | 67618-150-05 | |
| 手术刀柄(#3) | Fine Science Tools | 10003-12 | |
| 手术刀片(#15) | VWR | 89176-368 | |
| 弯头弹簧剪 | Fine science Tools | 15023-10 | |
| 婴儿型 Mixter 止血钳 | Fine science Tools | 13013-14 | |
| 精细剪刀 | Fine science Tools | 14094-11 | |
| 超精细 Graefe 镊 | Fine science Tools | 11151-10 | |
| Halsted-蚊式止血钳 | Fine science Tools | 13008-12 | |
| 微型钻机 | Harvard Apparaus | 72-6065 | |
| 微型钻头 | Fine Science Tools | 19007-14 | |
| 股骨观察窗室 | PMCC 机械加工车间 | 定制设计 | 9.1 mm - 8.5 mm - 7.5 mm(外径至内径),2.16 mm(两孔半径),13.9 mm(两孔间距),0.7 mm(厚度) |
| U 形杆 | PMCC 机械加工车间 | 定制设计 | 13.8 mm(长度),1.6 mm(宽度),3.7 mm(高度) |
| 盖玻片(8 mm) | Warner Instruments | HBIO 64-0701 CS-8R | |
| 固定环(8 mm) | ACKLANDS GRAINGER | UNSPSC # 31163202 | |
| 螺母(六角不锈钢) | Fastenal | 70701 | |
| 牙科水泥 | 3M | RelyX U200 | |
| 缝合线(5-0 Monosof 黑色) | Covioien | SN-5698 | |
| Halsey 持针器 | Fine Science Tools | 12501-13 | |
| 布托啡诺(Temgesic) | Reckitt Benckiser | DIN 0281251 | |
| 美洛昔康(Metacam) | Boehringer Ingelheim | DIN 02240463 | |
| 阿莫西林(Clamavox) | Pfizer | DIN 02027879 | |
| 异硫氰酸荧光素-葡聚糖(FITC-Dextran) | Sigma-Aldrich | FD2000S | |
| APC-抗小鼠 Ly-6G(Gr-1) | eBioscience | 17-9668 | |
| 双光子显微镜 LSM 710 | Carl Zeiss | Zeiss LSM 710 NLO | |
| 成像载物台 | PMCC 机械加工车间 | 定制设计 | 15.9 cm(长度),11 cm(宽度),0.9 cm(高度) |
| Imaris 软件 | Bitplane | Imaris 8.0 | 在实验方案第 3 节中描述的图像分析软件 |
| Zen 2012 | Zeiss | Zen 2012 | 在实验方案第 2 节中描述的图像采集软件 |
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