本方案的目的是持续监测人胰岛移植过程的动力学变化以及宿主细胞与供体细胞的贡献情况。通过将人胰岛移植到NOD.(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4-Rag2-/-小鼠受体的眼前房(ACE),随后进行多次双光子成像,即可实现该目标。
本方案的目的是持续监测人胰岛移植过程的动力学变化以及宿主细胞与供体细胞的贡献情况。通过将人胰岛移植到NOD.(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4-Rag2-/-小鼠受体的眼前房(ACE),随后进行多次双光子成像,即可实现该目标。
成像β细胞是理解胰岛移植的关键步骤。尽管已有多种用于记录β细胞生物学特性的成像平台被开发并应用 体内,它们在实现单细胞分辨率和连续纵向记录方面存在局限性。由于角膜具有透明性,小鼠眼眼前房(ACE)非常适合用于研究人和小鼠胰岛细胞的生物学特性。本文描述了如何利用该方法对单个人胰岛移植物的移植及再血管化过程进行连续纵向记录。将人胰岛移植物通过NOD.(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4-Rag2-/-小鼠作为受体。这有助于研究受体细胞与供体细胞的扩增情况,以及受体细胞在促进移植物包裹和血管化过程中的作用。此外,本文还详细阐述了图像分析及定量评估胰岛体积、分割的血管结构以及形成胰岛包膜的受体来源细胞的逐步操作流程。
糖尿病是一组以血糖水平升高为特征的代谢性疾病,其病因是由于胰腺胰岛β细胞缺失或功能障碍导致胰岛素分泌不足,常伴有胰岛素抵抗。1型(T1D)和2型糖尿病(T2D)均为复杂疾病,β细胞进行性功能障碍是疾病发生发展的关键因素。T1D由针对β细胞的自身免疫攻击引发,而T2D则被认为主要由代谢因素驱动,尽管越来越多的证据表明其伴随有低度全身性炎症1。供体人胰岛移植,特别是对T1D患者,有望实现生理性的血糖控制。然而,由于供体组织来源有限以及胰岛移植后植入效率低下,胰岛移植尚未成为主流治疗手段。在移植后的早期阶段(24–48小时),大量有功能的胰岛移植物因宿主环境缺氧、炎症反应及免疫原性而迅速丢失2,3。为了评估改善胰岛存活率的干预措施的有效性,必须对这类移植过程进行持续监测。
体内成像并追踪移植后人胰岛命运的技术对于糖尿病研究而言仍是一项挑战4,5。迄今为止,包括正电子发射断层扫描(PET)、磁共振成像(MRI)或超声(US)在内的非侵入性成像技术在实验条件下显示出对移植胰岛进行定量和功能评估的潜力5。然而,由于胰岛体积较小,上述成像方式的定量测量受限于分辨率不足。将眼前房(ACE)作为用于观察的移植部位,是一种极具前景的非侵入性成像解决方案,可实现更有效的空间分辨率,并支持长期频繁监测6。该方法已成功应用于小鼠胰岛生物学研究(详见 Yang 等人综述7)、自身免疫反应8以及人胰岛移植研究9,10。
在此,ACE移植方法与双光子成像技术相结合,通过对单个胰岛移植物进行连续且重复的记录,以研究人类胰岛移植后长达10个月内的植入动态过程。多光子成像具有更深的成像深度以及更低的整体光漂白和光损伤,克服了共聚焦显微镜的成像局限性11。荧光成像的定量分析包含多个步骤,包括胰岛样本制备、胰岛移植、图像采集、图像滤波以去除胰岛噪声或背景信号、图像分割、定量分析及数据处理。其中最具挑战性的步骤通常是将图像划分为多个部分或区域,例如将信号与背景噪声分离,或根据颜色或形状的相似性对体素区域进行聚类,从而识别并标记代表胰岛血管系统的三维体素。一旦完成分割,诸如目标体积等统计参数通常可直接提取。本文提供了一种用于成像数据定量分析与提取的方法,包括图像分割与数据可视化。特别关注人胰岛中自发荧光的去除,以及胰岛血管系统与形成受体细胞包膜的细胞之间的区分。
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瑞典隆德地区伦理委员会根据《涉及人类的研究伦理审查法案》批准了本研究。动物实验严格遵循瑞典动物实验伦理规定,并经马尔默和隆德伦理委员会批准。移植实验使用6至8周龄的免疫缺陷型NOD.(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4-Rag2-/-(NOD.ROSA-tomato.Rag2-/-)小鼠作为受体,用于人胰岛移植10。
1. 移植用胰岛的制备
2. 移植设备和手术台的准备
注意:所有外科手术器械均应进行高压灭菌,手术台和器械需用70%酒精消毒。
3. 手术受体小鼠的麻醉与体位固定
注意:所有动物均在隆德大学动物实验设施的无病原体环境中繁育和饲养。
4. 移植操作步骤
注意:此方法此前已描述用于小鼠胰岛的移植6,此处介绍的是稍作修改的实验步骤。
5. 通过双光子显微镜成像移植的人类胰岛
注意:建议在移植后4–5天,使用荧光体视显微镜拍摄眼部的整体图像(图2a–c),以便在进行双光子成像前定位目标胰岛。移植后早期应避免过度固定眼球。双光子成像应在移植后6–7天进行。
6. 通过共聚焦显微镜对移植的人胰岛进行成像
注意:通过监测移植胰岛的总体积、形态和可塑性,可对其进行评估 体内 通过检测激光背向散射光,在单独的扫描(即独立的轨迹)中获取散射信号10.
7. 图像分析
注意:此步骤使用了商业软件(参见材料表)。
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将未标记的人胰岛移植到8周龄雌性NOD.(Cg)-Gt(ROSA)26Sortm4-Rag2-/-(NOD.ROSA-tomato.Rag2−/−)受体小鼠的前房(ACE)中。为防止人体组织排斥,选择免疫缺陷型Rag2基因敲除小鼠作为受体。在这些转基因小鼠中,所有细胞和组织均表达一种膜靶向的番茄荧光蛋白(mT),从而可清晰区分受体与供体组织。通过高分辨率双光子显微镜对胰岛移植物进行重复成像,可识别参与移植物植入过程的mT+受体细胞及其动态迁移模式。
总体而言,将人胰岛移植到受体小鼠眼前房(ACE)的手术设置在胰岛形态和大小方面与同系小鼠胰岛移植相似(图1a)。(图1b、c)。(图1d、
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本文介绍了一种通过观察受体和供体组织的参与情况来研究人胰岛细胞移植过程的方法。将人胰岛通过微创手术植入免疫缺陷小鼠的眼前房后,小鼠在手术后数分钟内即可迅速恢复。该操作仅在一侧眼睛进行。通常,在移植后5至7天,角膜已充分愈合,可进行活体成像观察。
在本实验方案中,人胰岛移植物的质量至关重要。人胰岛的质量及其移植效果可能因供体的年龄、体重指数(BMI)、分离过程以及胰岛在到达前后培养的时间而有所差异。所使用的人胰岛来自经批准用于临床移植和研究目的的器官捐献者胰腺,并已获得捐献者知情同意。这些胰岛通过胰腺消化和胰岛纯化的流程制备,具体方法见其他文献12。与分离的小鼠胰岛类似,在酶消化过程中,这些胰岛会经历多种细胞损伤,包括缺血、机械应力、基底膜蛋白的丢失以及胰岛内皮细胞(ECs)的部分破坏14,15。尽管培养条件不断改善,并能回收大量高质量的人胰岛,但移植前的等待时间仍然是一个关键因素。在培养的最初几天内,人胰岛会显著丢失胰...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由瑞典研究理事会、战略研究领域Exodiab(项目编号:2009-1039)、瑞典战略研究基金会(项目编号:IRC15-0067,资助对象:LUDC-IRC)、隆德皇家自然科学院、瑞典糖尿病协会及瑞典儿童糖尿病协会资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 麻醉机,例如 Anaesthesia Unit U-400 | Agnthos | 8323001 | 用于手术和成像过程中的异氟烷麻醉 |
| - 1.4 L 诱导室 | Agnthos | 8329002 | 通过管路连接至 U-400 |
| - 气体通路切换阀 | Agnthos | 8433005 | 通过管路连接至 U-400 |
| AngioSense 680 EX | Percin Elmer | NEV10054EX | 注射用成像剂,用于人胰岛移植物中血管的成像 |
| 吸管管组件 | Sigma | A5177-5EA | 与拉制毛细移液管配合使用,用于手动挑选胰岛 |
| 布托啡诺(Temgesic)0.3 mg/ml | Schering-Plough Europé | 64022 | 液体,用于镇痛 |
| 毛细移液管 | VWR | 321242C | 与吸管管组件配合使用 |
| 德克萨斯红标记葡聚糖(TR),70 kDa | Invitrogen | D1830 | 注射用成像剂 |
| 眼用套管,钝端,25 G | BVI Visitec/BD | BD585107 | 根据Tapered Hydrode lineator [Blumenthal]定制,尺寸:0.5 × 22 mm(25G × 7/8 in)(45?),尖端 taper 至 30 G(0.3 mm) |
| 眼用凝胶 | Novartis | Viscotears,含 Carbomer 2 mg/g | |
| Hamilton 注射器 0.5 ml,型号 1750 TPLT | Hamilton | 81242 | 活塞式气密注射器,用于胰岛注射 |
| 头部固定装置 | |||
| - 头部固定适配器 | Narishige | SG-4N-S | 安装于金属板上 |
| - 气体面罩 | Narishige | GM-4-S | |
| - UST-2 固体万向节 | Narishige | UST-2 | 安装于金属板上 |
| - 定制金属板,用于头部固定装置组装 | |||
| - Dumont #5,直头 | Agnthos | 0207-5TI-PS 或 0208-5-PS | 连接至 UST-2(定制) |
| 加热垫,定制 | 固定于立体定位平台 | ||
| 人胰岛培养基 | |||
| - CMRL 1066 | ICN Biomedicals | 人胰岛细胞培养基 | |
| - HEPES | GIBCO BRL | ||
| - L-谷氨酰胺 | GIBCO BRL | ||
| - 庆大霉素 | GIBCO BRL | ||
| - 两性霉素B(Fungizone) | GIBCO BRL | ||
| - 环丙沙星 | Bayer healthcare AG | ||
| - 烟酰胺 | Sigma | ||
| 图像分析软件 | Bitplane | Imaris 9 | |
| 图像采集软件 | Zeiss | ZEN 2010 | |
| 红外灯 | VWR | 1010364937 | 用于保持苏醒笼中动物体温 |
| 异氟烷(Isoflo) | Abott Scandinavia/Apotek | 液体,用于麻醉 | |
| 针头 25 G(0.5 × 16 mm),橙色 | BD | 10442204 | 用作手术刀 |
| 培养皿,90 mm | VWR | 391-0440 | |
| 双光子/共聚焦显微镜 | |||
| - LSM7 MP 直立显微镜 | Zeiss | ||
| - 钛宝石激光器 Tsunami | Spectra-Physics, Mai Tai | ||
| - 长工作距离水浸物镜 20×/NA1.0 | Zeiss | ||
| - ET710/40m(Angiosense 680) | Chroma | 288003 | |
| - ET645/65m-2p(TR) | Chroma | NC528423 | |
| - ET525/50(GFP) | Chroma | ||
| - ET610/75(tomato) | Chroma | ||
| - 主分光镜 T680lpxxr | Chroma | T680lpxxr | 二向色镜,透射 690 nm 及以上波长,反射 440 至 650 nm,尺寸 25.5 × 36 × 1 mm |
| 聚乙烯管(内径 0.38 mm,外径 1.09 mm) | Smiths Medical Danmark | 800/100/120 | 用于连接 Hamilton 注射器与眼用套管 |
| 体视显微镜 | Nikon | 型号 SMZ645,用于胰岛挑选 | |
| 荧光体视显微镜 | 用于胰岛移植物成像 | ||
| - AZ100 Multizoom | Nikon | 宽视野、长工作距离 | |
| - AZ Plan Apo 1x | Nikon | ||
| - AZ Plan Apo 4x | Nikon | ||
| - AZ-FL 透射荧光装置,配 C-LHGFI 汞灯 | Nikon | ||
| - HG 手动新型 Intensilight | Nikon | ||
| - 透射荧光滤光块 TEXAS RED | Nikon | 包含 EX540-580、DM595 和 BA600-660 | |
| - 透射荧光滤光块 G-2A | Nikon | (EX510-560、DM575 和 BA590) | |
| - 透射荧光滤光块 B-2A | Nikon | (EX450-490、DM505 和 BA520) | |
| - DS-Fi1 彩色数字相机(500 万像素) | Nikon | ||
| 1 ml 注射器,Omnitix | Braun | 9161406V | 用于布托啡诺注射,配合 27 G 针头使用 |
| 手术胶带 | 3M |
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