水平整体安装:厚三维组织横截面皮肤的新型加工和成像方案

Summary

这项工作提出了一种新颖的加工和成像协议，用于厚的三维组织横截面分析，可以充分利用共聚焦成像模式。该协议保留抗原性，并代表一个强大的系统来分析皮肤组织学和潜在的其他组织类型。

Abstract

处理感兴趣的组织以产生支持科学论证的微观图像可能是具有挑战性的。获取高质量的显微图像并不完全取决于显微镜的质量，而且还取决于组织处理的方法，其通常涉及多个关键动作或步骤。此外，皮肤和其他组织中的间充质细胞类型代表组织制备和成像的新挑战。在这里，我们提出了一个完整的过程，从组织收获到显微镜。我们的技术，称为"水平整体安装"，是新手可以快速熟练的技术，并允许在用低温恒温器切割的60-300微米厚的部分进行抗原保存和检测。这种厚度的部分提供了在三维环境中组织微架构的增强的可视化。此外，协议保留间叶细胞，以增强图像质量与标准低温恒温器或石蜡切片相比，从而提高免疫染色的功效和可靠性。我们认为，这个协议将有益于所有实验室，可视化的皮肤，可能的其他组织和器官。

Introduction

显微成像设备的革命提供了复杂的高分辨率成像仪器。然而，当获得完整的三维（3D）组织横截面的显微图像时，样品制备提出了相当大的挑战，并且可能是定义图像质量的限制因素。为了保持组织形态和靶蛋白的抗原性，为了最小化加工诱发的人工制品，并且最大化最终的图像质量，每个单独的步骤都值得仔细考虑。例如，皮肤的传统分析需要与被适当地定向的表皮和真皮，与毛囊的视图的图像，从而允许的干细胞区室的贡献皮肤稳态^1，2中的解剖分析。这需要对皮肤如何嵌入和切片进行全面的分析。重要的是，毛囊可以更厚大于100μm，这大大超过了标准石蜡或冰冻切片厚度，从而导致相比于整体安装件或厚的横截面^3，4，5分析的较低的标准。

总之，用于显微镜分析的样品制备的每个步骤是影响图像分析的关键决定因素。在这里，提出了一种用于粗，3D组织横截面分析的新颖处理方案，我们称之为"水平整体安装"。该协议高度保留抗原性，并通过使用标准共聚焦成像设备实现对皮肤厚部的全面开发。这是使用皮肤进行厚组织横截面加工和成像的完整指南，包括组织收获和多聚甲醛（PFA）辅助冷冻保存（步骤1），用低温恒温器生成100μm厚的组织横截面（步骤2）和免疫荧光标记和安装（步骤3和4）。代表性的结果比较了两种不同组织学制备技术的共焦图像 - 经典的冷冻切片和厚的3D组织横截面 - 突出了该方案的潜在用户的"水平整体安装"的优点。

Protocol

所有的动物实验均受到当地的道德审查，并按照英国政府内政部执照执行。

皮肤收获和冷冻保存

1. 准备工作。
   1. 准备一个100毫升培养皿与25毫升4％PFA和两个100毫米培养皿与25毫升1x磷酸盐缓冲盐水（PBS）。
   2. 使用最佳切割温度的化合物（OCT），将长方形剥离的冷冻模型填充三分之二。
   3. 放置一个金属板，将冷冻块放在其后的步骤中，放入-80°C冰箱。
2. 皮肤收获，固定和低温保存。
   1. 用干电动剃须刀夹住动物尸体的背部区域。
      注意:在本例中，使用产后21天野生型小鼠。
   2. 在皮肤上收获感兴趣的区域。
      注意:鼠皮肤的背内侧区域
   3. 将收获的皮肤修剪成适当尺寸的矩形片，以适应低温塑料的底部，考虑到毛囊的定向生长。
      注意:较小的皮肤切片可能会更容易处理新手，因为它们在孵化和安装过程中不太可能纠缠。这里所示的例子是约1cm ²的背部皮肤区域，其适合于22×30×20mm的低温瓶（ 图2a ）。
   4. 根据皮肤样品的厚度，将皮肤在室温下固定在25 mL 4％PFA中10-30分钟（ 图1b ）。
   5. 在25 mL PBS中将皮肤样品洗两次每次至少5分钟（ 图1b ）。
   6. 用纸巾擦拭皮肤样本，小心地排出多余的PBS的组织，这可能导致冷冻过程中的结晶，并可能影响冷冻切片的结果。
      注意:不需要标准的蔗糖梯度。然而，这也可以由用户自行决定并入协议。
   7. 注意每个皮肤样品的毛囊方向。使用解剖显微镜进行视觉辅助（特别是第一次执行协议的人）。将皮肤样品插入OCT填充的低温容器中，并使用镊子除去附着在夹头毛发表面的任何气泡，均匀化OCT的所有区域（ 图2a和2b ）。
   8. 将皮肤推入OCT填充块的底部，使其与底部齐平。
      注意:皮肤可以在任何方向定向，a只要注意到适当的切割程序，就要注意毛囊的颗粒。当块被连接到低温恒温器以进行冷冻切割时，低温牛奶将被重新定向。标记低温瓶上的毛囊取向，因为该步骤确定了低温恒温器切割的后续方向。
   9. 将冷冻块转移到-80°C冰箱的金属板上，以避免组织漂浮和脱位。
   10. 监测冷冻过程，以保持低温塑料底部皮肤的方向，因为看不见的气泡可能导致皮肤上升到低温塑料的表面。
       注意:冷冻组织的冷冻保存可以在-80°C下储存超过一年，并可以重新用于其他部分。

图1.小鼠皮肤的收获和固定。 （ a ）从动物尸体的背内侧收获皮肤组织。该区域中的毛囊均匀间隔并对齐，因此允许在切片期间获得最佳取向，如箭头所示。 （ b ）切割适合大小的正方形后，将皮肤组织固定在4％PFA中15分钟，并在PBS中洗涤两次，每次5分钟。 请点击此处查看此图的较大版本。

厚组织横截面

1. 准备和组织取向安装在低温恒温器上。
   1. 准备一个100毫升培养皿与15毫升的PBS。将其放置在低温恒温器上易于访问的区域。另外，制备一个12孔板，每孔2.5 mL PBS;标签根据样品长期储存在4°C。使用镊子来处理这些部分。
   2. 将低温恒温器的温度调节至-20°C。
      注意:温度可能影响切片，但是一个很好的指导是在-20°C开始。
   3. 为了获得大约两个毛囊厚度的部分，调整低温恒温器以切割150μm厚的部分。
      注意:根据用户的需要以及将用于分析的显微镜的限制，可以改变截面的厚度。
      注意:样品的取向对于以适当的方向获得具有毛囊的皮肤切片是至关重要的。这通过正确安装在低温恒温器块上来实现。确保剖面与毛囊方向平行（ 图2c ）。如前所述，皮肤样本中截面的正确方向是确定将要获取的图像质量的关键步骤稍后的一步。

图2.嵌入，低温保存和切片。
（ a ） 在黑色箭头所示的低温乳头上标记毛囊（HF）方向对于在冷冻切割过程中正确定向是重要的。 （ b ）剖面需要与毛囊取向一致以产生毛囊完整长度保持完整的部分;（ c ）根据毛囊方向切割切片，由黑色箭头表示， cryomold。 （ d ）用金属镊子收集厚的组织横截面，（ e ）转移到含有1×PBS的100mm培养皿中。 （ f ）在室温下，PBS溶解OC.T。围绕厚组织横截面的化合物，如白色箭头所示。然后这些部分在PBS中自由浮动。 请点击此处查看此图的较大版本。

2. 冷冻切片。
   1. 使用低温恒温器切割部分。使用镊子收集含有嵌入的皮肤的OCT（ 图2d ）。
      注意:使用低温恒温器，可以沿X，Y和Z轴进行独立的移动和调整，以获得最佳的样品定位。这允许产生理想排列的组织横截面。
   2. 将切片从低温恒温器中转移到装有PBS的100毫米培养皿中，并继续下一个切片。不要将样品收集在幻灯片上（ 图2e ）。
      注意:在室温下，PBS将溶解掉OCT，留下易于使用镊子处理的皮肤切片（ 图2f ）。
      注意:溶解许多100μm厚的组织切片后，100 mm培养皿中可能需要新鲜的PBS，可以相应地更改。
   3. 使用镊子将漂浮的皮肤部分转移到装有2.5mL PBS的12孔板中的正确标记的孔（ 图3a ，左）。
      注意:在4°C时，样品可以储存至少两天。为了在切片后长期储存含皮肤的OCT块，用新鲜的OCT液滴密封切割表面。冷冻OCT液滴后，将所用的OCT块包裹在石蜡膜中，并将其放回-80°C冷冻箱。

3.免疫荧光标记。

1. 准备PB缓冲液（补充有0.5％脱脂奶粉，0.25％鱼皮明胶和0.5％Triton X-100的PBS）t 2 h提前，如前所述⁵ 。
   注意:叠氮化钠可以添加到PB缓冲液中进行抗体保存，重复使用染色缓冲液。
2. 标记1.5 mL微量离心管，每管加入500μLPB缓冲液。仔细使用镊子将皮肤切片从PBS转移到含有PB缓冲液的分离管中（ 图3a ，右图）。确保所有皮肤切片完全淹没。将微量离心管放置在跷跷板摇臂上，速度不得高于每分钟10次，这不应破坏组织完整性，在室温下1小时。
   注意:至关重要的是，跷跷板摇杆上的速度每分钟不超过10次，因为它会引起缠结。
   1. 虽然可以每个微量离心管添加多个切片，以节省抗体，但每个管只放置一个切片。要减少抗体使用量，请使用体积250μL。
      注意:如果需要，用例如96孔板的微量离心管替代。然而，由于增强的液体扰动，将厚的组织横截面放置在1.5-mL微量离心管中允许最有效的抗体渗透到组织中。
3. 标记每个皮肤切片分开的1.5 mL微量离心管，并加入500μLPB缓冲液和适量的一级抗体。在1小时的阻断后，将皮肤切片转移到含有抗体的新鲜制备的管中。将切片在4℃孵育过夜。
   注意:在该实施例中，使用以下一抗体:浓度为1:50的FITC大鼠抗人CD49f和浓度为1:100的山羊抗小鼠/大鼠整合素α8。
4. 第二天，准备两个单独的1.5 mL微量离心管，每个样品含有500μLPBS。在室温下洗两次皮肤切片1小时即
5. 准备单独的1.5 mL含有适当浓度的适用二级抗体和4'，6-二脒基-2-苯基吲哚（DAPI）的PB缓冲液的微量离心管。
   注:本例中使用的二抗是Alexa Fluor 488驴抗大鼠IgG和浓度为1:500的Alexa Fluor 555驴抗山羊IgG。 DAPI的浓度为1:100。
6. 小心地将皮肤样品转移到包含二抗和DAPI的PB缓冲液中，并在旋转器或摇床上以低速将室温下皮肤切片孵育1小时。
7. 将切片在4℃下储存在含有二抗和DAPI的PB缓冲液中长达四天，并且如果向PBS中加入叠氮化钠，则可能更长。

图3.免疫荧光标签和安装。
（ a ）浮体组织横截面可以在4℃下储存在12孔板中至少两天。在免疫荧光（IF）标记之前，将感兴趣的组织切片转移到含有PB缓冲液的1.5mL微量离心管中，如箭头1所示。对于IF标记，遵循步骤3中详述的多步骤程序。步骤3的一部分需要将组织横截面小心地转移到新制备的含有一次抗体溶液，二抗溶液或洗涤缓冲液的微量离心管中，其由箭头2所示。（ b ）在IF标记之后，使用解剖显微镜的帮助，切片在甘油液滴中松开并变平。 （ c ）一旦组织横截面完全平坦化到盖板的底部，则使用常规显微镜载玻片来安装该部分。

4.用于显微镜可视化的安装

1. 在成像之前，将皮肤切片转移到含有500μLPBS的分离的微量离心管中以洗涤二次抗体和DAPI。
2. 使用1000μL移液管，但切断第一个0.5厘米的移液器吸头，以便适当吸取高粘度甘油。在解剖显微镜下将22 x 50毫米的盖玻片放在黑暗的背景下（ 图3b ）。
3. 在盖板上加入一滴100％甘油（ 图3b ）。将皮肤切片从微量离心管转移到甘油液滴上。使用解剖显微镜和尖锐的镊子仔细展开卷曲的皮肤切片。
   注意:当切片漂浮在gly中时通过咳嗽组织的自然倾向恢复其正常形状，可以解开它。不要强迫切片的非自然矫直，因为这可能会对组织造成伤害。
4. 一旦皮肤部分的整个长度正确定向并平坦化在盖板上，就安装组织;使用常规显微镜幻灯片。这一步将进一步矫正皮肤切片。
   注意:避免空气滞留（ 图3c ）。
5. 在未来两天内在甘油安装的皮肤部分中进行成像。
   注意:长期储存会对组织和成像质量产生负面影响。在这个例子中，所有的图像都是用直立的共焦显微镜采用20倍的物镜。

Results

为了强调我们技术的优势，我们将我们厚实的3D组织横切技术"水平整体安装"与经典冷冻切片进行了比较。如前所述切割经典冷冻切片⁵ 。为了在显微镜图像中提供表皮的视觉结构，我们对整合素α-6（Itga6）进行免疫染色，整合素α-6（Itga6）是将表皮细胞锚定在下面的基底膜^6上的组分。我们还用整联蛋白α-8 ⁷标记了负责皮肤刺激（也称为"鹅肝"）的牵引力皮肌（APM）。在经典冷冻切片中，与Itga6一起显现的大多数毛囊在整个长度上没有切片，与每个部分相比主要产生不完全的毛囊，与水平整体安装（ 图4a -4d APM被分级（ 图4a- 4d ）。此外，与冷冻切片连接到温暖的玻璃载玻片上的脂肪细胞的破坏相比，低层皮肤隔室的组织完整性保持在水平整体安装，这是众所周知的冻融假象（ 图4a- b ，比较皮下地区） ⁸ 。

图4.水平整体相比传统的冷冻切片。
（ a ）使用整合素α-6（Itga6）和整联蛋白α-8（Itga8）标记10μm厚的常规获得的皮肤冷冻切片和（ b ）100μm厚的3D组织横截面以显现表皮隔室和牵引器皮肌， 分别。厚组织横截面的图像被表示为大Z堆叠的最大投影。白色框架表示放大的区域，显示在（ c ）古典和（ d ）水平整体安装部分中。 （ e ）完整的毛囊和（ f ）完整的放射性皮肌在经典和水平整体安装部分进行定量。比例尺表示100μm。数据表示为平均值±标准误差（SEM）。对每个生物复制物（ n = 3）进行一个部分的定量。未配对t检验* P <0.05，*** P <0.0005。 请点击此处查看此图的较大版本。

Discussion

在这里，我们介绍了“水平整体安装”技术，与传统的冷冻切片相比，它具有几个优势。我们技术的一个优点是可以使用标准组织学设备和共聚焦显微镜轻松进行。其次，与标准冷冻切片相比，组织完整性得到更好的保留。例如，皮下层内的脂肪细胞（即真皮白色脂肪细胞（DWAT）^）9 在标准冷冻切片中受到严重破坏，这使得研究富含脂肪的组织变得不可能。我们的技术可以对该层中的脂肪细胞进行全面分析，并且可以适用于脂肪细胞含量高的其他组织。此外，这允许在谱系^{追踪研究中}改进间充质细胞的检测^2,10。

标准冷冻切片就其本质而言，永远无法通过共聚焦显微镜揭示组织的真实 3D 方面。这意味着较厚的切片在皮肤分析中是有利的，因为毛囊及其子结构可以穿过超过经典冷冻切片中使用的标准厚度 10 μm 的深度。我们很感兴趣的是，其他组织，例如肠道和大脑，在将组织视为 3D 结构 2,7,11,12,13 方面也面临类似的挑战。有趣的是，我们的技术已被证明有利于用于肠道的某些应用¹⁴。我们相信，我们的水平全安装方案有可能应用于任何其他需要 3D 分析的组织。

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
PBS			自制
明胶，来自冷水鱼皮	Sigma	G7765	250ML
甘油	BDH 实验室用品	444482V
O.C.T. 化合物	VWR 化学品	361603E
Peel-A-Way 包埋模具	Sigma	E6032-1CS	方形 S-22
脱脂奶粉	生物基本公司	NB0669
Triton X-100	Sigma	T9284	500ML
4′，6-二脒基-2-苯基吲哚，二乳酸酯 （DAPI）	Invitrogen	D3571
FITC 大鼠抗人 CD49f	BD 药明根 555735
小鼠/大鼠整合素 α 8 抗体	R&D Systems	AF4076
Alexa Fluor 488 驴抗大鼠 IgG	Life Technologies	A21208
Alexa Fluor 555 驴抗山羊 IgG	Life Technologies	A21432
CryoStar NX70	Thermo Fisher Scientific
100mm 培养皿
一次性手术刀	Swann-Morton	Ref 0501
尖头金属镊子
1.5 ml 微量离心管	VWR	211-2130
12 孔板	Sigma	CLS3513
解剖显微镜	尼康
20 ul 和 1000 ul 移液器	Gilson
1000µl XL刻度TipOne滤芯吸头（无菌）	Star Lab	S1122-1830
20µl 斜面 TipOne 滤芯吸头（无菌）	Star Lab	S1120-1810
摇床板
显微镜载玻片，menzel Glaeser	Thermos Scientific	631-9483	Superfrost Plus
盖玻片，Menzel Glaeser	Thermos Scientific	MENZBB024060AB	24 x 60 mm
共聚焦显微镜	尼康