本文介绍了一种利用专为X射线计算机断层扫描设计的X射线特异性染色方法,对微观组织结构进行三维可视化的实验方案。
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本文介绍了一种利用专为X射线计算机断层扫描设计的X射线特异性染色方法,对微观组织结构进行三维可视化的实验方案。
我们展示了一种基于实验室的方法,该方法结合了X射线显微CT(microCT)和纳米CT(nanoCT),并使用一种特异性靶向细胞质的X射线染色剂。所述实验方案易于操作、速度快,适用于较大的软组织样本。该方法能够对关键组织结构进行三维表征,并以完整的小鼠肾脏为例进行了演示。这种多尺度成像方法可实现对整个小鼠肾脏的成像,并支持进一步选择感兴趣区域,随后以更高的分辨率(可达纳米级)对这些区域进行成像。由此获得的软组织形态细节水平与相应的组织学光学显微图像相当。该方法在不干扰后续组织学分析的前提下,实现了对组织结构三维构型的深入观察。
对软组织样本进行全面表征需要获取其三维组织微结构信息。目前软组织样本分析的金标准是组织病理学。该方法利用光学显微镜在选定的兴趣区域(ROI)内以二维方式观察样本的组织和细胞形态1。然而,该方法存在若干缺点:样本制备过程耗时、复杂、具有破坏性,且容易引入假象;所制备的显微切片仅能提供与切片平面平行的二维信息;由于时间限制,通常所分析的组织学切片数量也受到限制2,3。
近年来,三维组织学领域不断发展。在此领域中,可获取来自任意理想空间平面的虚拟组织切片。这使得能够追踪样本中的结构,从而更深入地理解三维组织架构及其与不同病理状态相关的结构变化。为获得三维体积数据,已开发出多种方法。这些方法包括基于连续切片的技术,使用光学显微镜或电子显微镜4,5,6,7,8,以及块面成像方法,如表层显微三维成像或块面扫描电子显微镜技术7,8,9。然而,上述所有方法均涉及切片过程或完全破坏样本,因而无法进行后续研究。所获得的分辨率在很大程度上依赖于切片过程,易受传统组织学中所描述的人工假象影响。这些方法也存在图像对齐伪影的问题。
显微和纳米计算机断层扫描(microCT 和 nanoCT)等三维X射线成像技术旨在无需破坏组织样本即可生成高分辨率的三维数据。迄今为止,软组织的X射线衰减对比度较弱,以及在实验室环境中难以实现高分辨率,限制了这些技术在微观组织结构三维可视化中的应用。近年来,基于实验室的高分辨率X射线CT技术取得了进展,分辨率已可显著低于1 µm10,11,12,13。
在传统的基于衰减的X射线成像中,软组织对比度不足的问题通常通过染色剂来弥补,这些染色剂可增强X射线的衰减对比。来自其他成像技术的已知染色剂,如四氧化锇(OsO4)、碘化碘化钾(IKI)或磷钨酸(PTA),常被使用14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25。为了将X射线CT确立为用于微观组织结构三维可视化的工具,需要满足以下条件的染色剂:(i) 可实现特异性生物靶向;(ii) 染色均匀且完全;(iii) 易于操作;(iv) 能快速渗透组织而不产生如扩散环等伪影;(v) 可对大块且致密的组织进行染色;(vi) 与组织病理学完全兼容。在本研究中,我们展示了如何利用一种基于伊红的细胞质特异性X射线染色剂对软组织样本进行X射线CT成像前处理,该染色剂满足上述所有要求26。
多尺度成像方法通过整体微计算机断层扫描(microCT)测量评估染色质量,并选择感兴趣体积(VOIs)进行进一步的高分辨率研究。染色质量的分析重点关注以下染色参数:(i)染色完整性,(ii)扩散环的出现,(iii)对比度增强,(iv)CT伪影(如条纹)的出现,以及(v)均匀性。基于实验室的纳米CT系统利用几何放大实现低至100 nm的分辨率,可在(亚)细胞水平上可视化软组织形态10,27。将纳米CT切片与相应的组织学光学显微图像进行比较分析,证实了在二维微观水平上对组织结构的相似细节再现,从而实现对组织样本的组织病理学表征。本详细的视频实验方案旨在提高对该方法的认知,突出其作为一种非破坏性三维软组织成像工具的潜力,适用于动物学家、生物学家及健康专业人员等广泛的科学群体。
警告:使用前请查阅所有相关的材料安全数据表(MSDS)。本实验方案中使用的多种化学试剂具有急性毒性和致癌性。进行染色实验时,请务必采取所有适当的安全措施,包括使用工程控制设备(通风橱、手套箱)和个人防护装备(护目镜、手套、实验服、长裤、封闭式鞋履)。
使用的动物:
动物饲养在德国慕尼黑工业大学Klinikum rechts der Isar进行,遵循欧盟2010/63号指导方针。器官摘除操作已获得德国慕尼黑Klinikum rechts der Isar内部动物保护委员会批准(内部参考编号4-005-09)。所有操作均符合相关指导方针和法规。所有实验室均接受检查,以确保符合经合组织(OECD)良好实验室规范原则。
1. 伊红染色方案
2. X射线显微CT成像
注意:X射线显微CT测量使用一台显微CT扫描仪完成,该仪器可提供整体CT测量(能够在视野(FOV)内对整个样本进行成像)以及高分辨率CT测量(能够针对同一样本中某一特定感兴趣体积(VOI)进行聚焦成像),空间分辨率可达1 µm。
3. X射线纳米CT成像
注意:该X射线纳米CT扫描仪为自主研发。该无透镜仪器配备纳米焦点X射线源和单光子计数探测器,可生成分辨率低至100 nm的三维数据10。通常,包括配备X射线光学元件在内的纳米CT系统均可在市场上获得,并不仅限于本文所述的纳米CT扫描仪。
图1展示了低分辨率显微CT数据的CT切片和体积渲染,突出显示染色后的对比度增强效果。图2展示了从小鼠全肾局部断层扫描获得的高分辨率显微CT数据的CT切片和体积渲染。图3展示了纳米CT数据的CT切片,并与相应的组织学切片进行对比。图4展示了纳米CT数据的CT切片及体积渲染,突出显示细胞水平的结构细节。低分辨率显微CT测量可提供整个器官的概览,并有助于识别高分辨率显微CT测量的兴趣区域(VOI)。通过这种多尺度方法,确定了纳米CT的兴趣区域。纳米CT能够在细胞水平上对软组织样本进行极为详细的观察。与相应组织学切片的对比研究显示出与组织病理学完全兼容。在此,多模态成像方法验证了两种模态所获得的结果。

图1. 低分辨率显微CT数据的CT切片与容积重建。(a,b)同一只小鼠肾脏在染色前(a)和染色后(b)的概览图像,突出显示基于伊红染色方案处理后获得的对比度增强效果。两组显微CT数据均采用相同的采集参数获取,体素尺寸均为12 µm。在(b)中实现的对比度增强使得以下解剖结构区域得以识别:皮质(I)、外髓质(II),其中进一步区分为外髓质外带(IIa)和外髓质内带(IIb)、内髓质(III)、肾乳头(IV)以及肾盂(V)。(c)显微CT数据的容积重建图像,显示穿过整个小鼠肾脏的虚拟矢状切面。本图经Busse和Müller等26修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

图2. 应用基于伊红的染色方案后,从小鼠肾脏获得的高分辨率显微CT数据的CT切片及容积重建图。(a)左角显示整体显微CT图像,突出标注了用于展示高分辨率图像的感兴趣区域(ROI,蓝色框)。可识别以下解剖结构区域:皮质(I)、外髓质(II),其中进一步区分为外髓质外带(IIa)和外髓质内带(IIb)、内髓质(III)、肾小盏(IV)以及血管(V 和 VI)。(b)基于体素尺寸为 3.3 µm 的高分辨率显微CT数据重建的兴趣区域容积图。图像展示了髓质区域,以及通过对整个肾脏进行局部断层扫描重建得到的血管虚拟切面。该图经 Busse 和 Müller 等人26修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

图3. 经基于伊红的染色方案处理后,同一小鼠肾脏的纳米CT数据CT切片(a,b)与组织学切片(c,d)的对比。(a)经染色、解剖及临界点干燥(CPD)处理后的小鼠肾脏样本的纳米CT图像,显示了在图1和图2中所见区域(IIb)的精细结构,即亨利氏袢的粗升支。(b)由(a)中相同的纳米CT数据集生成的最小强度投影切片,虚拟切片厚度约为7 µm,可清晰显示细胞核。(c)代表性组织学切片,显示亨利氏袢的粗升支,细胞核和刷状缘清晰可见。该组织学切片厚度约为7 µm,来自经伊红染色并包埋于石蜡块中的同一样本小鼠肾脏。(d)应用苏木精复染的代表性组织学切片,使细胞核呈现紫色。该切片制备位置接近(c)所示切片,厚度约为7 µm。本图经Busse和Müller等26修改。 请点击此处查看此图的放大版本。

图4. 纳米CT数据的CT切片与容积重建。 (a同一小鼠肾脏样本的nanoCT图像,显示了亨利氏袢的粗升支结构。此为图中区域(IIb)的详细视图 图1 和 图2 从肾脏的一小块组织中获取,体素尺寸约为400 nm。样品制备过程包括染色、解剖和临界点干燥(CPD)。b纳米CT数据的体渲染,用于可视化肾单位髓袢升支粗段的三维结构。该图已根据Busse和Müller等人的研究修改。26 请点击此处以查看此图的放大版本。
目前,伊红被用作标记细胞质的标准组织学染色方法。该染色剂以0.1%(w/v)的水溶液形式应用于软组织的显微切片(通常切片厚度为2–10 µm)33。将这一标准化的组织学染色方法应用于如完整小鼠肾脏等三维组织样本时,并不能产生可用于CT成像的衰减对比增强图像。一方面,这可归因于软组织在实验室微CT系统常用的X射线能量下固有的低衰减特性。通常,软组织主要由碳、氢、氧和氮组成34,因此无法产生明显的对比增强效果。另一方面,染色所用伊红的浓度较低也是限制因素。尽管一个伊红分子含有四个溴原子(高原子序数元素溴,Z = 3534),但仍未能达到X射线CT成像所需的灵敏度水平。
为了克服衰减对比度低的难题,研究了多种浓度的伊红。此处的限制因素是伊红在水中的最大溶解度,在水溶液中为30%(w/v)。根据朗伯-比尔定律,预期最高浓度的伊红可在软组织中产生最佳的衰减对比度增强效果,实验结果也确实如此。因此,最终染色方案采用最高浓度的伊红进行。
通过调节pH值,解决了如何在分子水平上对软组织进行最佳处理以优化染色过程并进一步提高对比度增强效果的问题。研究发现,在固定或染色前对软组织样本进行酸化处理至关重要,这一点也由Hong等人35证实。酸性环境通过增强离子相互作用,促进了染色剂在细胞质内的富集,这种离子相互作用的增强源于细胞质中蛋白质和多肽的氨基酸侧链发生质子化。与未染色的软组织样本相比,对比度增强的代表性结果如图1a,b所示。该结果实现了对整只小鼠肾脏的结构概览,清晰呈现了皮质、髓质、肾乳头和肾盂等关键解剖区域。
本染色方案操作简便,仅包含三个步骤,所需试剂易于获取。整体染色时间为24小时,对于完整器官的染色而言速度较快,可在实验室环境中实现软组织样本的多尺度三维可视化,直至细胞水平(图1c、图2b 和 图4b)。需要注意的是,根据样本性质的不同,整体染色时间及所需染色液体积可能需进行适当调整。尽管如此,基于伊红的染色方案适用于完整器官染色,从而实现对整个器官的高分辨率显微CT成像。在显微CT扫描过程中使用乙醇作为溶剂以保持样本湿润,但未观察到由此引起的收缩伪影。若需进行纳米CT成像以研究从原始样本中获取的较小组织片段,则需额外的制备步骤。针对未来的组织病理学应用,整体扫描将有助于深入了解解剖结构发生改变的区域,从而确定感兴趣区域(ROI),如 图2a 所示。这些区域可通过显微CT(图1c 和 图2b)或纳米CT(图4b)进行三维研究,并通过组织学方法进行二维评估(图3)。
该方案的另一优势体现在其与组织病理学中苏木精-伊红(H&E)染色程序的完全兼容性。尽管所用伊红浓度远高于组织学染色液,但基于伊红的染色方法应用于大块样本后,并不妨碍后续的组织学分析(图3)。纳米CT中虚拟厚度约为400 nm的切片(图3a)已与相应软组织样本制备的组织学切片(图3c)具有良好的可比性。考虑到组织学切片的厚度通常约为7–10 µm,对纳米CT数据生成对应虚拟厚度约为7 µm的最小强度投影切片(图3b),可实现与组织学切片(图3c)更佳的对比。在此类图像中,细胞核清晰地表现为无衰减区域,因为伊红特异性地对细胞质中的蛋白质和多肽进行染色33。
即使与标准组织学染色程序相比染色顺序发生了逆转,仍有可能采用标准组织学方法进行进一步的复染。首先使用基于伊红的CT染色方案,随后对这些基于伊红的组织切片进行苏木精复染,可实现完全兼容,并获得高质量的染色结果,呈现出预期的形态特征。采用Mayer酸性苏木精对组织切片进行细胞核特异性染色,使细胞核呈现紫色(图3d)。目前组织学复染的应用仅限于H染色。其他标准组织学复染方法,如过碘酸雪夫染色、弹性纤维染色(Elastica van Gieson)或Gomori银染法,均需进一步评估,同时还需要测试其与免疫组织化学技术的兼容性。
基于伊红的染色方案具有以下优势:(i)特异性靶向细胞质,(ii)染色均匀且完整,(iii)操作简便,(iv)可快速渗透组织,且不会产生扩散环等伪影,(v)适用于大尺寸和高密度的软组织样本染色,(vi)与常规H&E染色在组织病理学上完全兼容。这些特性对于实现软组织在细胞水平上的高分辨率X射线CT成像至关重要。结合近年来开发的纳米CT设备12,36,37,现已能够无损地生成在对比度和分辨率上均可与传统组织学数据相媲美的虚拟组织切片。该联合方法将推动X射线CT成为三维可视化微观组织结构的有力工具。
作者无任何利益冲突需要披露。
感谢Enken Drecoll博士在组织学方面的讨论,以及瑞典Excillum AB公司的大力支持团队。本研究得到了德国研究基金会(DFG)卓越集群慕尼黑先进光子学中心(MAP)和DFG戈特弗里德·威廉·莱布尼茨计划的经费支持。此外,本研究项目还获得了欧盟“地平线2020”研究与创新计划在玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里基金协议编号H2020-MSCA-IF-2015-703745-CONSALT下的资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 50 ml 离心管,Falcon | VWR | 734-0453 | |
| 甲醛溶液,37% | Carl Roth | CP10.2 | 无酸,以约 10% 甲醇稳定 |
| 冰醋酸 | Alfa Aesar | 36289.AP | |
| 伊红 Y 二钠盐 | Sigma-Aldrich | E4382 | 经生物染色剂委员会认证 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Merck | L1825 | Dulbecco 配方,不含钙和镁 |
| 样品管,Nalgene | Carl Roth | ATK5.1 | |
| 摇床振荡器 ST5 | CAT | 60281-0000 | |
| 纤维素吸水纸 | VWR | 115-0600 | |
| 镊子,USBECK Laborgeräte | VWR | 232-0096 | |
| 微量离心管,Eppendorf | VWR | 211-2120 | 安全锁扣,2.0 ml |
| 无水乙醇,Baker Analyzed | VWR | 80252500 | |
| 一次性安全手术刀,Aesculap | VWR | AESCBA210 | |
| 培养皿,Sterilin | VWR | 391-2019 | |
| 塑料巴斯德吸管 | Carl Roth | EA68.1 | 带刻度,1 ml |
| 干燥器,Duran | VWR | SCOT247826954 | |
| 硅脂,Bayer | Sigma-Aldrich | 85404 | 高真空 |
| 带虹吸管的二氧化碳气瓶 | Linde | 3700113 | 10 kg,短型 |
| 微孔处理胶囊 | PLANO GmbH | 4614 | 孔径 78 µm(B) |
| Bal-Tec CPD 030 | Bal-Tec AG | 以 CO2 作为干燥剂 | |
| Stemi 2000-C 体视显微镜,配备 KL 1500 LCD | Zeiss | 该体视显微镜已更新(1) | |
| Zeiss Xradia Versa 500 | Zeiss | 该微计算机断层扫描仪已更新(2) | |
| Avizo Fire 8.1 | Thermo Fisher Scientific | ||
| PILATUS 探测器,作为纳米 CT 扫描仪的一部分 | Dectris | 单光子计数探测器(4,5);市面上已有商用纳米 CT 系统 (6,7) | |
| 纳米焦点 X 射线源,作为纳米 CT 扫描仪的一部分 | Excillum | 高通量纳米焦点 X 射线透射管(3);市面上已有商用纳米 CT 系统(6,7) | |
| (1) 德国,Z. ZEISS 产品信息:ZEISS 体视显微镜 https://www.micro-shop.zeiss.com/de/de/system/Stereomikroskope/1006>(2019 年 9 月 6 日)。 | |||
| (2) 德国,Z. ZEISS 产品信息:ZEISS Xradia 510 Versa https://www.zeiss.com/microscopy/int/products/x-ray-microscopy/zeiss-xradia-510-versa.html>(2019 年 4 月 10 日)。 | |||
| (3) Nachtrab, F. 等. 基于 Timepix 的 NanoXCT 项目探测器开发. Journal of Instrumentation 10 (11), C11009, (2015)。 | |||
| (4) Kraft, P. 等. 单光子计数 PILATUS 探测器模块的性能. Journal of Synchrotron Radiation 16 (3), 368-375, (2009)。 | |||
| (5) Kraft, P. 等. PILATUS 探测器的表征与校准. IEEE Transactions on Nuclear Science 56 (3), 758-764, (2009)。 | |||
| (6) 德国,Z. ZEISS 产品信息:ZEISS Xradia 810 Ultra https://www.zeiss.com/microscopy/int/products/x-ray-microscopy/xradia-810-ultra.html>(2019 年 4 月 9 日)。 | |||
| (7) 公司,G. E. GE 产品信息:Phoenix nanotom m, https://www.gemeasurement.com/sites/gemc.dev/files/geit-31344en_nanotom_m_0517.pdf>(2019 年 4 月 10 日)。 |
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