本文介绍了一种利用优化的被动透明化方法对人类胰腺组织切片进行三维(3D)成像的实验方案。该文详细展示了通过被动光学透明化处理,继而进行多重免疫荧光染色的操作流程,以鉴定支配人类胰岛的自主神经和感觉神经网络中的关键组分。
本文介绍了一种利用优化的被动透明化方法对人类胰腺组织切片进行三维(3D)成像的实验方案。该文详细展示了通过被动光学透明化处理,继而进行多重免疫荧光染色的操作流程,以鉴定支配人类胰岛的自主神经和感觉神经网络中的关键组分。
使用传统的组织学方法,研究人员在对整个组织或器官进行大规模三维成像时受到限制。组织学切片通常局限于玻璃载片上的福尔马林固定石蜡包埋切片厚度小于<20 µm,或游离固定切片厚度小于<500 µm。因此,若要利用传统方法重建厚度超过>500 µm样本的三维结构,需要进行大量的连续切片及大规模图像重建工作。此外,光在组织内大分子(尤其是脂质)中的散射,使得大多数共聚焦显微镜无法对深度超过>150 µm的区域进行有效成像。为了减少光散射,并实现仅使用简单的共聚焦显微镜即可对深层组织成像,目前已开发出多种适用于通过浸渍法固定的啮齿类动物和人类组织样本的光学透明化方法。其中一些方法相互关联,通常采用丙烯酰胺进行蛋白质交联,并使用十二烷基硫酸钠(SDS)实现组织透明化。其他光学透明化技术则使用了不同的溶剂,但每种改良方法均各有优缺点。本文描述了一种优化的被动式光学透明化方法,适用于人类胰腺神经支配的研究,特别是针对人类胰岛神经支配的分析。
直到最近,大块组织或完整器官的三维(3D)重建仍需通过繁琐的连续切片、对多个切片进行染色以及图像重建来完成。这些方法存在若干缺点,包括依赖大量连续切片、抗体对组织的穿透性差,以及光散射阻碍组织深层成像。为了提高光和抗体的穿透能力,研究人员开发了化学方法,在去除大部分产生光散射的脂质的同时,保留蛋白质抗原。相关方法包括透明脂质交换丙烯酰胺杂交刚性成像组织水凝胶(Clear Lipid-Exchanged Acrylamide-hybridized Rigid Imaging Tissue hYdrogel, CLARITY)、被动透明技术(Passive Clarity Technique, PACT)和原位灌注辅助试剂释放(Perfusion-assisted Agent Release in situ, PARS)(综述见1,2,3,4,5,6)。CLARITY 方法基于使用甲醛、丙烯酰胺和双丙烯酰胺(bis)形成水凝胶以稳定蛋白质,随后在十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中通过电泳去除脂质2。该方法之后被改进为被动透明化并适用于先进成像7。进一步优化去除了水凝胶中的双丙烯酰胺,并调整了多聚甲醛的浓度(1–4%),以在最短透明时间内实现最佳抗原稳定,由此发展出 PACT 技术8。早期开发光学透明化技术的尝试曾使用有机溶剂或其他难以操作的化合物,这些试剂会淬灭转基因小鼠模型中的内源性荧光蛋白。其他方法还包括 ScaleS、无阻碍脑/体组织混合液与计算分析(Unobstructed Brain/Body Cocktails and Computational analysis, CUBIC)、SWITCH 以及溶剂透明器官的维度成像(Dimensional Imaging of Solvent-Cleared Organs, DISCO)等,各有优缺点9,10,11,12。原始的 CLARITY 方法是在富含脂质的小鼠脑组织中开发的,而光学透明化方法在人类组织中的应用测试仍较为有限7,8,11,13,14。
光学透明化方法非常适合在完整的小鼠中枢神经系统中长距离追踪神经。胰腺受到自主神经系统和感觉神经系统的良好支配。胰腺内分泌部分——朗格汉斯岛(胰岛)——仅占整个器官的一小部分(1–2%),且胰岛在大小(50–250 µm)、内分泌细胞比例和密度方面已知存在异质性,尤其是在糖尿病中(详见文献15,16)。在开发实验方案过程中,测试了多种光学透明化方法用于人胰腺组织,发现PACT方法在透明所需时间(约2周)与神经和胰岛形态结构的优异保存之间达到了最佳平衡。本文所述为最终优化后的操作流程,用于描绘神经-胰岛网络,实现对多个完整胰岛的大尺度(毫米级距离)和高分辨率三维成像。该技术适用于固定后立即处理的人胰腺组织,也适用于固定后储存的样本,以及经中性缓冲甲醛固定并包埋于石蜡中的样本。样本可适用于共聚焦显微镜或光片显微镜成像。
所有实验均按照佛罗里达大学机构审查委员会和联邦指南的规定进行。
注意:多聚甲醛和丙烯酰胺为有毒刺激物。应在通风橱中使用适当的个人防护装备(实验服、手套、护目用具)操作试剂。
1. 甲醛固定组织的脱蜡处理(若使用新鲜组织,请跳至步骤2)
2. 准备4%多聚甲醛(PFA)固定液
3. 胰腺固定
4. 将组织包埋于水凝胶中
5. 脱气单体溶液并聚合水凝胶
6. 组织透明化
7. 多重免疫荧光
8. 成像样品的封片
9. 成像
这些染色程序的开发旨在对人类胰腺进行大规模检查,以观察胰岛及其相关的自主神经和感觉神经网络。测试了多种方法,包括 CLARITY7、iDISCO17 和 PACT8,其中 PACT 方法被发现最适合用于人类胰腺及共聚焦成像。
首先在固定的人胰腺样本上测试一抗,同时使用适当的阳性对照和阴性对照样本(如小鼠脑组织等)。一抗及其建议稀释比例列于材料表中,但各实验室需根据抗体批次号和组织来源优化一抗的稀释比例。不同批次的一抗可能在染色强度和特异性上存在差异,因此需要重新验证,以确保达到与之前试剂相当的染色强度。
在人胰腺中,胰岛由胰岛素、胰高血糖素和分泌颗粒蛋白3界定(图2)。利用胶质纤维酸性蛋白(GFAP)对施万细胞进行界定(图2 和 图3A)。使用针对副交感神经标志物血管活性肠肽(VIP)的抗体对神经进行染色,并在光片显微镜下成像(图3B)。通过酪氨酸羟化酶染色可观察到交感神经(未显示)。

图 1. 人胰腺组织光学透明化。 (A) 使用剃刀刀片切割并松动石蜡包埋组织的切片(上图),随后取下组织切片并刮除组织上多余的石蜡(下图)。代表性组织样本显示了在按照方案部分所述进行光学透明化处理前 (B 左,C 上) 和处理后 (B 右,C 中) 的状态。透明化后的固定组织在透明化处理后并非完全透明 (B 右,C 上),且常可观察到组织肿胀现象 (C,中图)。组织在 RIMS 溶液中平衡后变得完全透明 (C,下图)。比例尺:500 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. 人类神经-胰岛网络。 人类胰腺样本来自nPOD器官捐献者或存档的石蜡包埋组织,按所述方法进行透明化处理。(A-D) 显示施万细胞(GFAP+,白色)和内分泌细胞经胰岛素(红色)和胰高血糖素(绿色)染色的结果。(A) 共聚焦显微镜与最大强度投影(MIP)显示施万细胞(GFAP+)沿胰岛边缘血管旁走行的神经分布,并延伸至胰岛内部。插图展示了所获得的高分辨率图像,并显示GFAP+施万细胞与内分泌细胞之间的接触。(B) A图的三维图像(比例尺:x = 50 µm,y = 20 µm,z = 25 µm)。通过共聚焦显微镜对石蜡-PACT样本进行成像,并以最大强度投影 (C) 和三维形式 (D) 展示(比例尺:x, y = 50 µm,z = 25 µm)。比例尺 A, C:50 µm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 三维可视化与拼接。 通过使用GFAP染色和共聚焦显微镜获取了三组拼接的图像序列,并利用图像分析软件中的神经突追踪插件进行追踪。 (A) 轨迹的3D填充显示(比例尺:x = 150 µm, y = 200 µm (0.2 mm),z = 120 µm) (B) 一个PACT样本经VIP抗体染色后,使用光片显微镜成像。该图像序列是 >深度为1 mm,神经纤维在高分辨率下清晰可见。可见包绕导管(D,前景)和神经节(G,背景)的纤维(大网格:x, y, z = 200 µm;刻度标记:x、y、z = 40 µm). 请点击此处以查看此图的放大版本。
新型光学透明化方法的出现,使得在动物模型中对中枢和周围神经系统进行前所未有的大规模研究成为可能。由于组织密度高以及难以获取高质量的生物样本,人类胰腺的整体神经支配模式在很大程度上仍未被探索。本方案提供了一种优化的人类胰腺组织透明化方案,适用于固定或石蜡包埋的存档样本。
透明时间取决于样本大小、固定剂类型、固定时长、储存时长,可能需要1至8周,因此以下因素至关重要。如果条件允许,最好在4% PFA固定后尽快进行组织透明处理,因为长期储存会延长透明时间。为缩短透明时间,在水凝胶单体中的PFA浓度从固定步骤所用的4%降低至人胰腺样本的1%。对于其他组织,尤其是小鼠组织,为提供足够的水凝胶刚性以保存抗原,所需PFA的浓度必须通过实验经验确定。充分的透明也至关重要,因为透明不充分的组织会降低抗体渗透性,并增加二抗的表面染色。每隔一天(或甚至每天)更换一次透明溶液,有助于维持pH稳定并确保去垢剂新鲜。相反,过度透明会对细胞形态产生负面影响,并增加组织脆性。由于某些胰腺样本因固有病理(如慢性胰腺炎或其他病变导致的纤维化区域)而出现透明不均,因此必须频繁监测该过程。使用振动切片机制备厚切片也可实现均匀厚度,但并非必需。在透明过程中密切监测,一旦光线能轻松穿透样本即刻取出样本,可确保组织达到充分透明。
抗体渗透和表面染色是PACT样本处理中需要考虑的重要问题。为确保良好的抗体渗透,必须将样本与一抗孵育至少2天。不同抗体的扩散速率各异,应分别进行优化;但对于大多数抗体而言,在1 mm3的样本中,4天已足以实现完全渗透。如果存在表面染色问题,尤其是在进行光片成像时,可在染色后将样本切半或去除表面组织。在条件允许的情况下,使用小分子量抗体有望改善组织渗透性8。预偶联抗体的效果通常不如相同克隆的非偶联抗体,且即使能够发挥作用,也可能出现非特异性结合导致的背景信号升高以及组织渗透性较差的问题。为了提高预偶联抗体的使用效果,可提高染色缓冲液中血清和TritonX-100的浓度,并延长孵育时间(>4天)。染色完成后,样本在RIMS溶液中孵育数天至关重要。透明化组织在PBS中会膨胀,而经RIMS孵育后可收缩回原始大小。特别是在进行光片成像时,应在成像前确保样本充分平衡。
在共聚焦显微镜上成像样品时,每次选择新的位置都必须重新设置校正参数。由于成像深度不同以及组织内染色强度存在差异,需要针对组织的每个成像区域进行相应调整,以实现最佳成像效果。同样,所使用的二抗也必须仔细选择。PACT样品中的光谱拆分具有挑战性,因此必须合理选择荧光染料,使其激发或发射光谱重叠尽可能小,以确保在共聚焦显微镜上滤光时获得明亮的信号。对于每种应用,都必须在分辨率、成像速度和降噪之间取得平衡,以便在不发生光漂白的前提下获取最高质量的图像。分辨率超过1024 × 1024时,人眼已无法分辨,但如果需要对染色进行定量分析,则可能仍需更高的分辨率。
在选择光学透明化技术以及选择光学透明化方法而非其他更传统的方法时,有许多因素需要考虑。使用PACT方法可能无法检测到丰度较低的抗原,因此在抗原检测方面存在局限性。某些抗原(如免疫相关抗原CD3、CD4、CD8、 等等。通过PACT方法,这些结构会被破坏,即使使用高质量的抗体也无法检测。该方法的另一个局限性在于供体胰腺之间固有的差异性,这种差异在透明化染色完成前难以辨别。每个供体组织在不同实验间的透明化和染色效果通常相似,但不同供体组织的透明化时间及透明化后的组织形态学质量则存在显著差异。若能充分获取大量患者胰腺样本,使用存档组织可能有助于缓解这一局限,但目前尚未对此进行充分研究。本文报道的PACT方案成本低廉,且可使用常规实验室设备便捷实施。透明化后的样本适用于传统共聚焦显微镜、双光子显微镜以及光片显微镜成像,能够提供人类胰腺大范围组织中神经和胰岛的高分辨率三维图像。该技术未来的应用包括胎儿胰腺外分泌和内分泌部分发育的研究,以及1型和2型糖尿病中的胰岛研究。
作者无任何利益冲突需要披露。
作者感谢 Ann Fu 博士和 Joseph Canzano 提供的技术支持,感谢 Jennifer Treweek 博士提供的宝贵建议,以及 Kristin Overton 博士和 Karl Deisseroth 博士在斯坦福大学 CLARITY 研讨会期间对 MCT 进行的培训。JDRF nPOD 及器官获取组织提供了组织样本。本研究由 JDRF(47-2014-1)、Helmsley 慈善信托基金(HCT 2015-PG-T1D052)和 NIDDK 1OT2 TR001773 项目资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10倍磷酸盐缓冲液 (PBS) | Fisher | BP399-1 | 缓冲液 |
| 无水磷酸氢二钠 | Fisher | S375-500 | PB 缓冲液 (RIMS) |
| 一水合磷酸二氢钠 | Sigma | 71507-250 | PB 缓冲液 (RIMS) |
| 16% 多聚甲醛 (PFA) | Electron Microscopy Sciences | 15714-5 | 浸渍固定、水凝胶、储存溶液 |
| 40% 丙烯酰胺 | Bio-Rad | 161-0140 | 水凝胶 |
| 2% 双丙烯酰胺 | Bio-Rad | 161-0142 | 水凝胶 |
| VA-044 引发剂 | Wako Pure Chemical Industries, Ltd. | VA044 | 水凝胶 |
| 十二烷基硫酸钠 (SDS) | Fisher | BP166-5 | 透明缓冲液 |
| 叠氮化钠 | Sigma | S8032 | 样品储存缓冲液 |
| 18 号针头 | Fisher | 14-840-91 | 水凝胶溶液脱气 |
| 氮气罐 (N2 tank) | AirGas | various | 水凝胶溶液脱气 |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | 100 ml | 缓冲液 |
| 正常山羊血清 | Vector | S-1000 | 在封闭缓冲液中使用浓度为 2% |
| Histodenz | Sigma | D2158-100G | RIMS |
| 8 孔培养板 | Ibidi | 80827 | 成像 |
| 激光扫描共聚焦显微镜 | Zeiss | 710 | 成像 |
| 光片显微镜 | Zeiss | Z1 | 成像 |
| 名称 | 公司 | 目录编号 | 备注 |
| 一抗 | |||
| CD45 | Bioss | bs-4820R-A488 | 宿主:兔 稀释比例:1:100 备注:无效 |
| CD45 | DAKO | M0754 | 宿主:小鼠 稀释比例:1:200 备注:无效 |
| GFAP | DAKO | Z0334 | 宿主:兔 稀释比例:1:50 备注:有效 |
| 胰高血糖素 | BD Biosciences | 565891 | 宿主:小鼠 稀释比例:1:50 备注:有效 |
| 胰高血糖素 | Cell Signaling | 2760S | 宿主:兔 稀释比例:1:200 备注:无效 |
| 胰高血糖素 | Abcam | ab10988 | 宿主:小鼠 稀释比例:1:200 备注:有效 |
| 胰岛素 | DAKO | A0564 | 宿主:豚鼠 稀释比例:1:200 备注:有效 |
| NCAM (CD56) | DAKO | M730429-2 | 宿主:小鼠 稀释比例:1:50 备注:无效 |
| NCAM (CD56)-FITC 偶联物 | DAKO | M730429-2 | 宿主:小鼠 稀释比例:1:50 备注:无效 |
| 周围蛋白 | EnCor | RPCA-Peri | 宿主:兔 稀释比例:1:100 备注:有效 |
| PGP9.5 | DAKO | Z5116 | 宿主:兔 稀释比例:1:50 备注:无效 |
| 分泌颗粒蛋白 3 | Sigma | HPA006880 | 宿主:兔 稀释比例:1:200 备注:有效 |
| 平滑肌肌动蛋白 | Sigma | A5228; C6198 (Cy5) | 宿主:小鼠 稀释比例:1:200; 1:200 备注:有效;偶联物效果优于未偶联物 |
| P 物质 | BioRad | 8450-0505 | 宿主:大鼠 稀释比例:1:200 备注:有效 |
| 酪氨酸羟化酶 | Millipore | AB152 | 宿主:兔 稀释比例:1:200 备注:有效 |
| 酪氨酸羟化酶 | Abcam | Ab76442 | 宿主:鸡 稀释比例:1:100 备注:有效,但染色较弱 |
| 血管活性肠肽 (VIP) | Immunostar | 20077 | 宿主:兔 稀释比例:1:100 备注:有效 |
| 囊泡乙酰胆碱转运体 (VAChT) | Synaptic Systems | 139103 | 宿主:兔 稀释比例:1:50 备注:有效 |
| 二抗 | |||
| 豚鼠 IgG | ThermoFisher Scientific | Various | 宿主:山羊 稀释比例:1:200 备注:AlexaFluor 偶联物 |
| 小鼠 IgG | ThermoFisher Scientific | Various | 宿主:山羊 稀释比例:1:200 备注:AlexaFluor 偶联物 |
| 兔 IgG | ThermoFisher Scientific | Various | 宿主:山羊 稀释比例:1:200 备注:AlexaFluor 偶联物 |
| 大鼠 IgG | ThermoFisher Scientific | Various | 宿主:山羊、驴 稀释比例:1:200 备注:AlexaFluor 偶联物 |
| 鸡 IgG | ThermoFisher Scientific | Various | 宿主:山羊 稀释比例:1:200 备注:AlexaFluor 偶联物 |