我们开发了相关方案并设计了一种定制装置,以实现毫米级样本的包埋。本文介绍了样本制备流程,重点阐述了使用丙烯酸树脂和聚酰亚胺管进行包埋的方法,以实现样本的刚性固定和长期保存,从而便于通过显微CT对组织结构和细胞形态进行研究。
我们开发了相关方案并设计了一种定制装置,以实现毫米级样本的包埋。本文介绍了样本制备流程,重点阐述了使用丙烯酸树脂和聚酰亚胺管进行包埋的方法,以实现样本的刚性固定和长期保存,从而便于通过显微CT对组织结构和细胞形态进行研究。
一百多年来,组织的组织学研究一直是医学诊断的金标准,因为组织学能够识别和表征每种组织中的所有细胞类型。我们的实验室正在积极推动X射线显微计算机断层扫描(micro-CT)的技术进步,旨在将组织学的诊断能力应用于全组织体积的细胞分辨率研究即一种X射线组织断层成像模式)。为此,我们对样品制备流程进行了有针对性的改进。其中一项关键优化,也是本研究的重点,是一种用于刚性包埋经固定和染色的毫米级样品的简便方法。目前已发表的许多关于样品固定及关联显微CT成像的方法,依赖于将样品置于石蜡、琼脂糖或酒精等液体中。我们的方法在此基础上进行了拓展,开发了定制化流程,并设计了一种可3D打印的装置,用于将样品直接包埋于聚酰亚胺管内的丙烯酸树脂中,该材料对X射线具有相对较高的通透性。本文所述的样品制备流程适用于直径在0.5至10 mm范围内的样品,适用于完整的斑马鱼幼体和稚鱼,或其他尺寸相似的动物或组织样品。作为概念验证,我们已对来自 斑马鱼, 果蝇, 水蚤以及小鼠胚胎;其中三个样本的三维扫描代表性图像如图所示。重要的是,我们的方法具有多项优势,包括实现刚性固定、长期保存耗费大量人力构建的资源,以及能够对样本进行重复检测。
表型是生物体可观察到的特征,反映了其遗传背景与环境之间独特相互作用的结果。这些特征可能包括行为、生化、形态、发育和(或)生理特性。重要的是,野生型生物体与基因突变体之间在性状上的差异,可为受影响基因的机制与功能提供关键见解。在形态学方面,组织病理学是细胞水平上评估表型的金标准,但存在机械性假象,且无法实现精确的定量体积分析1。本实验室致力于克服将组织学诊断能力应用于亚微米分辨率下完整组织体积时所面临的技术障碍。
现有技术的调研表明,X射线显微计算机断层扫描(micro-CT)成像可能具备实现毫米尺度全动物三维(3D)组织学所需的理想能力。micro-CT可实现无损、各向同性、三维的可视化,并能够对组织结构进行定量分析1,2。近年来,利用micro-CT对未染色及金属染色的斑马鱼进行三维成像的应用日益广泛,已被用于肌肉、牙齿、骨骼和脂肪组织等多个组织的体积分析3,4,5,6,7,8,9,10。其他模式生物和组织样本也适用于micro-CT成像。例如,已有研究建立了通过同步辐射micro-CT成像小鼠大脑以量化致密介观神经解剖结构的分析流程11。类似地,基于伊红的染色方案已被证明适用于整只小鼠器官的软组织micro-CT成像12。对未染色的人类L3椎骨进行形态计量学分析,以及利用micro-CT对银染人类肺组织进行可视化,均展示了该技术在人类样本中的应用价值13,14。
为了充分发挥微计算机断层扫描(micro-CT)在完整小动物及组织样本形态学表型分析中的巨大潜力,必须克服若干技术障碍,包括通量、分辨率、视场范围、全面的细胞染色以及长期保存等方面的问题。尽管上述每一项因素都至关重要,但本文的重点是优化包埋流程,并附带讨论样本固定与染色方法。由于不同软组织在micro-CT图像中的本征对比度较低,因此重金属染色具有重要价值。已有研究探讨了多种金属染色剂(如四氧化锇、碘、磷钨酸(PTA)和棓氰染料-铬矾)在增强micro-CT成像对比度方面的效果15,16,17。醋酸铀酰也曾被用作骨和软骨micro-CT成像的对比剂18,19。本方案中所采用的PTA可对整条斑马鱼样本中几乎所有组织和细胞实现一致性的染色,所得图像可用于对整个组织体积进行类似组织学的三维研究。
在进行显微CT图像采集时,样品每次旋转不到一度的角度,采集一幅二维(2D)投影图像,并重复该过程直至样品完成180°或360°旋转,从而生成数千幅2D投影图像,用于重建三维体积数据20。在此过程中,样品的任何扰动都会导致相应的2D投影图像无法对齐,从而造成三维体积重建质量差。样品固定是解决该问题的一种方法,目前一些常用策略包括将样品浸入酒精中,或将其包埋于聚丙烯管或微量移液器吸头中的琼脂糖内3,5,15,16,21,22。液体浸泡法并不理想,因为在图像采集过程中,不同成像序列之间可能发生样品移动,导致三维体积重建图像发生偏移23。此外,众所周知,由于化学不稳定以及样品与容器壁接触点因移动而引起的表面磨损,液体保存的组织样品在数月到数年的尺度上物理稳定性较差(基于对固定后的动物和人类组织样品的个人观察)。
为了减少成像过程中样品移动的可能性,可将样品包埋于琼脂糖中24,25,26,但这种方法存在染料扩散至琼脂糖中的风险,从而降低图像对比度26。此外,液体或琼脂糖制备的样品容易受到物理损伤,并且会随时间降解,因此不适合长期保存样品。我们推测,一种可能成功且简便的样品固定方法可借鉴电子显微镜样本处理技术。例如,聚合树脂(如已停产并被EMbed 812取代的EPON 812)常用于提供制备电子显微镜超薄切片所需的硬度27,28。事实上,已有若干X射线成像与电子显微镜的比较研究表明,树脂包埋的样品也可用于X射线显微成像29,30。然而,电子显微镜中的一些标准操作并不能直接适用于显微CT成像。例如,对具有典型树脂块方形边缘的样品或从这些块中切割出的样品进行显微CT成像时,常伴随边缘衍射伪影,可能干扰成像效果。虽然可以通过修整使树脂边缘平滑,但该过程费力且耗时。
尽管电子显微镜中使用多种塑料包埋树脂,但较硬的树脂(如Embed 812)常伴随较高的背景信号,促使我们测试其他替代树脂。我们选择LR White,因其具有低黏度、低收缩率、聚合过程中不易产生气泡以及背景信号较低等优点。为了制备无边缘的样品,并尽量减少样品周围树脂的用量,我们开发了一种在聚合前将液态树脂中的样品吸入聚酰亚胺管中的操作流程。聚酰亚胺因其具有高热稳定性和高X射线透过性而被选用,因此成像时无需去除管材。最后,我们为样品包埋技术设计了一种定制的微量移液器适配器,以可靠地固定聚酰亚胺管并防止移液器污染。该适配器可通过CAD图像文件进行3D打印。综上所述,本文所介绍的样品制备方法旨在使小样品的包埋过程更加简便,实现更强的染色对比度、刚性固定,以及毫米级完整样品的长期保存。
所有涉及活体动物的操作均经宾夕法尼亚州立大学机构动物护理与使用委员会(IACUC)批准。
1. 第1天:固定
2. 第2天:脱水 & 染色
3. 第3天:浸润
4. 第4天:包埋
5. 第5天:收集
上述方案详细描述了用于显微CT成像的整条斑马鱼幼体和稚鱼的样品制备流程。值得注意的是,该方法可轻松适用于其他类型的样品(例如,Drosophila、Daphnia、Arabidopsis、小鼠器官)。各步骤中的孵育时间适用于斑马鱼幼体及类似尺寸的样品;较大的样品可能需要更长的孵育时间。为协助样品包埋操作,我们设计了一种可连接到1 mL移液器上的适配器,并可根据不同尺寸的聚酰亚胺管进行定制(图1)。该定制适配器由与本文相关的CAD文件通过3D打印制成,可从 http://publications.chenglab.com/LinEtAlJOVE/ 下载获取。考虑到并非所有读者都能使用3D打印机,本方案中也描述了利用移液器吸头自制包埋装置的组装方法(步骤4.3)。图2展示了成功包埋的斑马鱼幼体与含有气泡的样品的对比,后者可能会降低图像质量。为展示该包埋方法的通用性,我们展示了多种模式生物(即,Danio、Drosophila、Daphnia、小鼠胚胎)经过样品制备流程后的结果(图3)。图4展示了通过显微CT成像获得的整只Danio、Daphnia和Drosophila标本的三维重建图像。重要的是,如Danio样品所示,这些标本可长期保存,并可用于多次成像实验(图5)。

图1. 包埋装置。 (A)设计了一种适配器,以利用常见的实验工具辅助包埋操作。(B)适配器的横截面示意图。(C)将聚酰亚胺管插入适配器位置(a)并将微量移液管连接至适配器位置(c)后的包埋装置。适配器部分(b)为一个溢流腔,用于容纳多余的树脂,并防止微量移液管受到污染。请点击此处查看该图的放大版本。

图 2. 成功包埋的样品中无气泡。 (A)一只无气泡的已包埋受精后3天(dpf)斑马鱼幼体。(B)一只包埋过程中带有气泡的3 dpf斑马鱼。若样品在聚合过程中未水平放置,则包埋时滞留的空气可能移向样品。比例尺 = 1 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图3. 多种多样的样本均可使用本实验方案进行包埋。 (A)7 日龄斑马鱼幼体。(B)成年Drosophila。(C)成年Daphnia。(D)小鼠胚胎。对于小鼠胚胎等较大样本,可通过对该实验方案进行若干修改来实现包埋。简言之,先将聚酰亚胺管填充至其长度的三分之一处,加入树脂并进行预聚合;然后将固定并染色的样本置于预聚合的树脂之上,再向管中加满未聚合的树脂,并进行第二次聚合。为便于在本图中更好地观察样本,成像前已去除聚酰亚胺管;但在进行显微CT成像时,无需去除该管材即可成功获取图像。比例尺:标本图像为 5 mm;放大插图为 1 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图4. 包埋样品的三维重建图像。 (A)在0.743 × 0.743 × 0.743 µm3体素分辨率下重建的3天龄斑马鱼幼体。(B)重建的成年Daphnia(3 × 3 × 3 µm3体素分辨率)。(C)重建的成年Drosophila(3.1 × 3.1 × 3.1 µm3体素分辨率)。如左列所示,可在任意角度生成数字横截面。右侧显示的是使用商业软件进行渲染的表面重建图像。在所有扫描图像中,样品外部可见包埋树脂(以*标注),但不影响样品本身。斑马鱼幼体在中国阿贡国家实验室基于同步辐射的先进光子源(Advanced Photon Source)进行成像。Daphnia或Drosophila样品则使用商用X射线显微镜进行成像。请点击此处查看该图的高清版本。

图5. 采用本实验方案包埋的样品可使用显微CT进行重复成像。 同一条5天龄斑马鱼幼体分别于(A)2011年和(B)2013年成像,图像以矢状面的平均强度投影形式呈现。两次扫描在储存后进行图像比对,结果显示解剖结构特征得以良好保存。(C)展示了两次扫描中肌肉区域的局部放大图,其中分段线标示了用于(D)生成强度分布曲线的对应区域。将两条线上的强度分布曲线分别归一化至其对应平均值后,显示两次扫描中空间位置匹配的局部峰值。(E)选取A和B图中属于背景(Bg,紫色)、神经元核(N,绿色)、白质(W,蓝色)和肌肉(M,橙色)区域的平均强度值,除以背景(白色)的平均值,用于计算信噪比(SNR),两次扫描间的信噪比结果高度一致。比例尺 = 100 µm。 请点击此处查看该图的高清版本。
本文中,我们介绍了一种用于微计算机断层扫描(micro-CT)成像的、对固定并染色的毫米级(直径0.5至2.5 mm)样本进行刚性固定的详细实验方案。鉴于micro-CT技术在分辨率和成像速度方面的迅速发展,一种能够长期保存样本并支持重复成像的方法显得尤为理想。传统上,电子显微镜中常使用高密度包埋树脂,以提供结构支撑,便于切出超薄切片,并最大限度减少对样本的损伤。本方法借鉴了该技术,用于在无损成像过程中实现样本的刚性固定。为尽量减少因过量树脂存在而引起的成像伪影,我们采用X射线透明的聚酰亚胺管来制备无边缘的圆形样本,并限制树脂在样本周围的体积。
包埋过程的最佳结果取决于对若干关键步骤的仔细操作,并在整个过程中注意保持样品的完整性。事实上,若在操作中损坏了标本,无论成像执行得多么成功,最终图像质量都将受到影响。由于低温有助于减轻疼痛反应,且未固定的组织在较高温度下会更快降解,因此我们使用预先冷却的试剂。较大的标本可能需要切割,以便固定剂能够进入标本内部,从而使肝脏、胰腺和肠道等内部器官得到完全固定。未固定的组织会迅速退化并丧失结构完整性,破坏生物学结构。另一个关键步骤是保持标本处于其自然对齐状态。因此,我们推荐使用平底容器,该类容器在整个操作过程中均被采用,尤其在固定阶段尤为重要。应避免使用聚丙烯管或通常具有V形底部的锥形管进行固定,因为这类容器可能导致较长的样本发生弯曲,从而扭曲标本的天然形态。此外,为尽量减少树脂的使用量,聚酰亚胺管的内径仅略大于标本的宽度。标本弯曲还可能在进入管材时造成损伤。建议以自然向前的方式将标本转移至管中,以避免损伤末端结构。充分脱水是另一个关键步骤。该过程通过逐步增加乙醇(EtOH)浓度的小幅梯度来实现,以缓慢地用水溶性更佳的乙醇替代组织中的水分。乙醇浓度的大幅跃升会导致组织收缩,可通过增加乙醇孵育梯度使浓度过渡更加平缓,从而缓解此问题。最后,为尽量减少标本移动或气泡的存在(如有),在树脂聚合期间(第4天结束时)将样品水平放置。若气泡或密封材料紧邻标本,在X射线成像中会引起边缘衍射相关的光学伪影,降低图像质量。
关于该方案可能的修改,可分别使用其他包埋树脂和金属染色剂替代LR White丙烯酸树脂和PTA。Embed812是一种常用于电子显微镜的环氧树脂,其黏度较高,转移较为困难,可能导致样品变形,并且与丙烯酸或乙二醇甲基丙烯酸酯类树脂相比背景信号更高。JB4 Plus是一种乙二醇甲基丙烯酸酯树脂,其黏度低于Embed812且背景信号较低,但样品周围常出现随机的气泡空腔。如前所述,气泡会降低图像质量,对于珍贵样品尤为不利。值得注意的是,另一种乙二醇甲基丙烯酸酯树脂Technovit 7100会干扰PTA染色,导致最终图像对比度较差。相比之下,LR White丙烯酸树脂具有类似水的黏度、背景信号低,且不干扰PTA染色。在我们的实验中,使用LR White进行包埋且不造成样品损伤或产生气泡的成功率超过95%。基于上述原因,我们推荐将LR White作为组织微计算机断层扫描(micro-CT)的包埋树脂。关于染色剂方面,四氧化锇、碘和PTA等不同金属染色剂在micro-CT成像中的效果已有其他研究进行比较和讨论15,16,17,不在本论文的讨论范围之内。
样本量是当前方案的主要局限性。由于我们采用负压吸引的方式将标本转移至导管内,因此能否观察到标本对于定位以及确认标本确实进入导管至关重要。因此,亚毫米级的样本,例如 缓步动物 (即,水熊)极难包埋,因为需要使用显微镜才能观察。一旦施加负压,显微样本极易偏离焦平面,难以重新定位,因此难以判断其是否已过度穿过导管的附着端。对于较大样本(如小鼠胚胎,3 - 10 mm),可通过略微修改包埋方案进行包埋图 4D)。具体而言,先将聚酰亚胺管填充至三分之一体积的液态树脂,并在包埋前进行预聚合。将固定并染色的样品置于预聚合的树脂上方,随后用未聚合的树脂完全填充聚酰亚胺管,再进行第二次聚合。
我们的包埋方案具有多重重要意义。刚性固定的完整动物或组织样本之所以理想,原因包括:(1)建立难以生成或制备的样本的长期保存库;(2)实现数据的重新获取;(3)支持使用多种成像模式进行连续成像;(4)为校准和技术创新提供标准样本。采用本方案制备的样本被包裹在坚固耐损的树脂中,因此可长期稳定保存,甚至可能无限期储存。长期保存对于稀有或制备耗时的样本尤为重要,例如与表型组学项目相关的样本。此外,若数字数据丢失,仍可从原始样本重新生成数据。长期重复成像的能力意味着未来可利用更先进的成像技术对同一样本进行再次检测。由于样本在多次成像之间保持物理稳定性,每次成像均来自同一标本且方向一致,从而便于前后数据集之间的图像配准。例如,低分辨率图像可能仅能实现斑马鱼幼体中组织的分割,而同一幼体后续可在更高分辨率下重新成像,以实现细胞水平的更详细计算分析。这种对配准扫描结果进行直接比较的能力,提示树脂包埋样本有望成为微计算机断层扫描(micro-CT)技术开发的潜在标准。通过成像同一样本,可评估成像方法任何改动的影响,从而在样本制备步骤中控制所有变量。最后,树脂包埋的标准样本还可用于仪器校准,以检验成像结果的一致性。
我们先前对突变体和患病鱼类组织学的研究表明,细胞分辨率能够检测到组织结构中的细微异常,而这些异常在使用解剖显微镜36或低倍体视显微镜进行大体检查时容易被忽略。我们希望将高分辨率分析方法扩展至人类样本。斑马鱼幼体是本研究开发工作的主要对象,其在脆弱性、细胞及细胞间组织异质性、尺寸(直径1-3 mm)和细长形态方面与人类穿刺活检样本相似。基于我们在斑马鱼方面的丰富经验,以及已有研究证明显微CT能够成功对人类组织进行染色和扫描(尽管分辨率较低)37,我们预计本方法将为穿刺活检样本的成像与分析带来额外价值。我们估算,制备一套足以处理最多20个相同条件下样本的试剂盒成本可能低于30美元。采用本嵌入法处理的样本具有抗物理损伤的特性,因而易于运输。低成本和易运输的特点提示有可能从全球各地收集样本,特别是那些难以便捷获取显微CT细胞分辨率成像技术的地区。我们的愿景是,通过穿刺活检样本的高分辨率数字文件(大小范围从0.1 TB到数TB),构建一个人类组织的数字图谱,同时使研究人员能够在所扫描组织的完整三维背景下,优化和提升现有分析流程,实现对细胞和组织结构的定位及定量表征。
所有作者均声明不存在利益冲突。
作者谨此感谢 Roland Myers 慷慨提供原始的透射电子显微镜(TEM)实验方案。此外,我们还要感谢 John Colbourne 博士提供 Daphnia 标本,Santhosh Girirajan 博士提供 Drosophila 标本,以及 Fadia Kamal 博士提供小鼠胚胎。本研究工作获得了美国国立卫生研究院(NIH)(项目编号:1R24OD18559-01-A2,项目负责人:KCC)、Jake Gittlen 癌症研究中心、宾夕法尼亚州立大学哈克生命科学研究所和网络科学研究所的前期研究资助项目的资金支持。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 10X 中性缓冲福尔马林 | Fisher Scientific | SF100-4 | |
| 磷钨酸 | VWR | MK282402 | |
| 三卡因-S(MS-222) | Western Chemical | MS-222 | |
| LR White 树脂 | Electron Microscopy Sciences | 14380 | |
| 聚酰亚胺管(内径 0.04") | Nordson Medical | 141-0065 | 文中所述确切规格的聚酰亚胺管目前已无法获得,此处提供相近替代品。可根据需求定制不同直径的管材。 |
| 200 证明乙醇 | Pharmco-Aaper | 111000200 | |
| 油性软质雕塑粘土 | Sculpey | S302 001 | |
| 微量移液器 P200 | Gilson | F123601 | |
| 微量移液器 P1000 | Gilson | F123502 | |
| 玻璃小瓶 | VWR | 66015-042 | |
| V 形培养皿 | VWR | 89094-676 | |
| 称量舟 | VWR | 10803-148 | |
| 200 μL 黄色移液器吸头 | Fisher Scientific | 02-707-500 | |
| 1 mL 蓝色移液器吸头 | Fisher Scientific | 02-681-163 | |
| 台式摇床 | Thermolyne | M71735 | |
| 相机 | Photometrics | CoolSNAP HQ2 CCD | |
| X 射线显微镜 | Zeiss | Xradia 520 Versa |