本文演示了将荧光微粒快速、微创注射至小型鱼类循环系统的基本原理及方法 体内 鱼类血液中微粒的可视化
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本文演示了将荧光微粒快速、微创注射至小型鱼类循环系统的基本原理及方法 体内 鱼类血液中微粒的可视化
将微米级颗粒系统性地注入活体生物体内,可用于血管可视化、药物和疫苗递送、转基因细胞移植以及微型光学传感器的植入。然而,在生物和兽医实验室中常用的实验小动物身上进行静脉内微注射操作非常困难,且需要经过专业培训的技术人员。本文展示了一种通过向鱼类肾脏注射,将微粒高效导入成年斑马鱼(Danio rerio)循环系统中的可靠方法。为在血管系统中可视化所引入的微粒,我们提出了一种在鱼鳃中进行的简单活体成像技术。体内监测斑马鱼血液pH值是通过注射包封的荧光探针SNARF-1实现的,以展示该技术的潜在应用之一。本文详细描述了pH敏感性染料的微胶囊化过程,并阐述了快速注射及在体内记录荧光信号时对所得微胶囊进行可视化的基本原理。该注射方法具有较低的死亡率(0–20%)和高操作成功率(70–90%),且仅需常规实验设备即可实施。所有所述操作均可推广应用于其他小型鱼类物种,如孔雀鱼和青鳉鱼。
将微米级颗粒施用于动物体内,在药物和疫苗递送1、血管系统成像2、转基因细胞移植3以及微型光学传感器植入4,5等领域中是一项重要任务。然而,将微米级颗粒植入小型实验动物的血管系统操作较为困难,尤其对于结构精细的水生生物而言更是如此。对于斑马鱼等常用研究模型,建议通过视频实验方案来明确这些操作流程。
心脏内和毛细血管微注射需要经过培训的专业人员以及专门的显微外科设施,以将微小物体递送至斑马鱼血液中。此前,有研究建议采用眼后手动注射3 作为递送完整细胞的一种简便且有效的方法。然而,根据我们的经验,由于眼部毛细血管网络区域较小,要通过该技术达到理想的注射效果需要大量练习。
本文介绍一种通过手动注射将微粒高效且稳定地植入成年斑马鱼肾脏组织(富含毛细血管和肾血管)从而进入循环系统的方法。该技术基于斑马鱼肾脏细胞移植的视频实验方案6,但省略了具有创伤性且耗时的显微外科操作步骤。本方法具有低死亡率(0–20%)和高成功率(70–90%)的特点,且仅需常规设备即可实施。
提出方案的一个重要部分是在鳃毛细血管中观察植入的微粒(如果微粒具有荧光性或带有颜色),这可以用于验证注射质量,对注射微粒的数量进行粗略的相对评估,并直接从循环血液中检测生理测量所需的光谱信号。作为所述技术可能应用的一个示例,我们展示了以下实验方案 体内 使用微胶囊化荧光探针 SNARF-1 测量斑马鱼血液 pH 值,最初由 Borvinskaya 提出 等 20175.
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所有实验操作均按照欧盟动物实验指令2010/63/EU进行,并已获得伊尔库茨克国立大学生物研究所动物实验研究委员会的批准。
1. 微胶囊的制备
注意:采用带相反电荷的聚电解质逐层组装的方法制备载有荧光染料的微胶囊7,8。所有操作均在室温下进行。
2. 光学装置的准备及微胶囊化SNARF-1的校准
注意:使用荧光显微镜的两个通道图像可对微胶囊化的SNARF-1进行粗略的pH测量7,但在本方案中,采用了一台连接光纤光谱仪的单通道荧光显微镜。

3. 注射前准备
4. 注射
5. 体内 可视化
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所得结果来自本方案所述的三个主要类别之一:通过包封荧光染料形成荧光微粒(图1),将微胶囊注射至肾脏,随后在鳃部毛细血管中进行进一步观察(图 2 和 3)以及,最后, 体内 利用SNARF-1荧光光谱记录监测血液pH水平(图4).
采用逐层自组装方法,通过在包埋染料的模板CaCO3微球表面依次涂覆多层带相反电荷的聚合物(PAH和PSS),并在最外层修饰一层生物相容性聚合物(PLL-g-PEG),是一种简单且经济高效的封装多种荧光探针(如SNARF-1-葡聚糖、FITC-BSA或其他探针)的方法(图1A)。该方法最...
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为了演示将微粒注射到斑马鱼肾脏中的过程,我们使用了装载指示性染料的半透性微胶囊。因此,本方案包含了利用带相反电荷的聚电解质逐层组装技术制备微胶囊的操作说明7,8,15,16,17,18(图1A)。该技术的一个优势在于,仅需常规实验室设备即可轻松完成。根据所用条件和化合物的不同,所制备的微胶囊尺寸可在0.5至100 µm之间,其聚电解质壳层厚度为纳米级15。本文所述合成参数可获得弹性微胶囊,其由12层聚合物构成(此外还有一层最终的生物相容性涂层),尺寸约为2–6 µm(图 1...
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作者无任何利益冲突需要披露。
作者非常感谢俄罗斯伊尔库茨克国立大学的 Bogdan Osadchiy 和 Evgenii Protasov 在视频方案制备过程中提供的帮助。本研究由俄罗斯科学基金会(#15-14-10008)和俄罗斯基础研究基金会(#15-29-01003)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| SNARF-1-葡聚糖,70000 分子量 | Thermo Fisher Scientific | D3304 | 荧光探针。任何其他合适的聚合物结合的荧光染料均可作为微胶囊填充物 |
| 牛血清白蛋白-异硫氰酸荧光素偶联物(FITC-BSA) | SIGMA | A9771 | 荧光探针 |
| 罗丹明B异硫氰酸酯-葡聚糖(RITC-葡聚糖) | SIGMA | R9379 | 荧光探针 |
| 氯化钙 | SIGMA | C1016 | 用于形成 CaCO3 模板 |
| 碳酸钠 | SIGMA | S7795 | 用于形成 CaCO3 模板 |
| 聚(烯丙胺盐酸盐),分子量 50000(PAH) | SIGMA | 283215 | 阳离子聚合物 |
| 聚(苯乙烯磺酸钠),分子量 70000(PSS) | SIGMA | 243051 | 阴离子聚合物 |
| 聚-L-赖氨酸 [20 kDa] 接枝聚乙二醇 [5 kDa],接枝度 g = 3.0 至 4.5(PLL-g-PEG) | SuSoS | PLL(20)-g[3.5]-PEG(5) | 最终使用的聚合物,用于提高微胶囊的生物相容性 |
| 氯化钠 | SIGMA | S8776 | 用于溶解所用聚合物 |
| 水净化系统 | Millipore | SIMSV0000 | 用于制备去离子水 |
| 磁力搅拌器 | Stegler | 用于 CaCO3 模板的制备 | |
| Eppendorf Research plus 移液器,1000 µL | Eppendorf | 用于溶液的加样 | |
| Eppendorf Research plus 移液器,10 µL | Eppendorf | 用于溶液的加样 | |
| 移液器吸头,体积范围 200 至 1000 µL | F.L. Medical | 28093 | 用于溶液的加样 |
| 移液器吸头,体积范围 0.1–10 μL | Eppendorf | Z640069 | 用于溶液的加样 |
| Mini-centrifuge Microspin 12,高速离心机 | BioSan | 用于微胶囊的离心-洗涤步骤 | |
| 微量离心管,2 mL | Eppendorf | Z666513 | 用于微胶囊的合成与储存 |
| 摇床 Intelli-mixer RM-1L | ELMY Ltd. | 用于减少微胶囊的聚集 | |
| 超声清洗仪 | 用于减少微胶囊的聚集 | ||
| 耳机 | 用于保护耳朵免受超声波影响 | ||
| 乙二胺四乙酸 | SIGMA | EDS | 用于溶解 CaCO3 模板 |
| 磷酸二氢钠 | SIGMA | S9638 | 用于制备 pH 缓冲液 |
| 磷酸氢二钠 | SIGMA | S9390 | 用于制备 pH 缓冲液 |
| 氢氧化钠 | SIGMA | S8045 | 用于调节 EDTA 溶液和缓冲液的 pH |
| 恒温箱 | 用于在载玻片上干燥微胶囊 | ||
| 血细胞计数板(血球计数室) | 用于检测所制备微胶囊的粒径分布和浓度 | ||
| 荧光显微镜 Mikmed 2 | LOMO | 用于活体观察鱼类血液中的微胶囊 | |
| SNARF-1 荧光滤光片组(应根据显微镜型号选择;此处提供示例) | Chroma | 79010 | 用于带有荧光探针的微胶囊的可视化 |
| 光纤光谱仪 QE Pro | Ocean Optics | 用于在显微镜下对微胶囊进行校准 | |
| 光纤 QP400-2-VIS NIR,400 μm,2 m | Ocean Optics | 用于连接光谱仪与显微镜端口 | |
| 准直器 F280SMA-A | Thorlabs | 用于连接光谱仪与显微镜端口 | |
| 玻璃显微镜载玻片 | Fisherbrand | 12-550-A3 | 用于在显微镜下对微胶囊进行校准 |
| 盖玻片,22 × 22 mm | Pearl | MS-SLIDCV | 用于在显微镜下对微胶囊进行校准 |
| 玻璃毛细管 Intra MARK,10 µL | Blaubrand | BR708709 | 用于采集鱼类血液 |
| 丁香油 | SIGMA | C8392 | 用于鱼类麻醉 |
| 11 号采血针 | Apexmed international B.V. | P00588 | 用于切割鱼尾以及从胰岛素自动注射器尖端释放钢针 |
| 肝素,5000 U/mL | Calbiochem | L6510-BC | 用于处理在鱼类血液采集过程中所有与血液接触的表面 |
| Seven 2 Go Pro pH 计,配备微电极 | Mettler Toledo | 用于测定鱼类血液的 pH 值 | |
| 胰岛素笔用针头 Micro-Fine Plus,0.25 × 5 mm | Becton, Dickinson and Company | 用于注射操作。任何细针(Ø 0.33 mm 或更小)均可适用 | |
| 玻璃毛细管,1 × 75 mm | Hirschmann Laborgeräte GmbH & Co | 9201075 | 用于注射操作 |
| 气体喷灯 | 用于将钢针焊接至玻璃毛细管 | ||
| 显微注射仪 IM-9B | NARISHIGE | 用于精确加样微胶囊悬浮液 | |
| 培养皿,60 mm × 15 mm,聚苯乙烯材质 | SIGMA | P5481 | 用于对麻醉状态下的鱼类进行操作 |
| 塑料勺 | 用于对麻醉状态下的鱼类进行操作 | ||
| 湿润海绵 | 用于对麻醉状态下的鱼类进行操作 | ||
| 解剖剪刀 | Thermo Scientific | 31212 | 用于去除鱼头上的鳃盖 |
| 巴斯德移液管,3.5 mL | BRAND | Z331767 | 用于湿润鱼鳃 |
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