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Research Article
Alejandro Lopez Gonzalez*1, Léa Luciana*1, Clémentine Le Nevé2, Julie Valantin2, Laura Francols2, Nicolas Gadot2, Christophe Vanbelle3, Laurianne Davignon4, Laura Broutier1
1Childhood Cancer & Cell Death (C3),Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, INSERM 1052, CNRS 5286, Centre Léon Bérard, Centre de recherche en cancérologie de Lyon (CRCL), Lyon 69373, 2Plateforme Anatomopathologie Recherche,Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, INSERM 1052, CNRS 5286, Centre Léon Bérard, Centre de recherche en cancérologie de Lyon (CRCL), 3Plateforme d’Imagerie cellulaire, Université de Lyon, Université Claude Bernard Lyon 1, INSERM 1052, CNRS 5286, Centre Léon Bérard, Centre de recherche en cancérologie de Lyon (CRCL), 4PerkinElmer S.A.S.
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
在这里,我们提供了详细、稳健和互补的方案,对从 100 μm 到几毫米的固定三维细胞培养模型进行染色和亚细胞分辨率成像,从而能够可视化它们的形态、细胞类型组成和相互作用。
体外三维 (3D) 细胞培养模型(如类器官和球状体)是许多应用的宝贵工具,包括开发和疾病建模、药物发现和再生医学。为了充分利用这些模型,在细胞和亚细胞水平上研究它们至关重要。然而,表征这种体外3D细胞培养模型在技术上可能具有挑战性,并且需要特定的专业知识来执行有效的分析。在这里,本文提供了详细、稳健和互补的方案,用于对 100 μm 至几毫米的固定体外 3D 细胞培养模型进行染色和亚细胞分辨率成像。这些方案适用于各种在细胞起源、形态和培养条件方面不同的类器官和球状体。从3D结构收集到图像分析,这些方案可以在4-5天内完成。简而言之,收集,固定3D结构,然后可以通过石蜡包埋和组织学/免疫组织化学染色进行处理,或者直接免疫标记并通过共聚焦显微镜制备用于光学清除和3D重建(200μm深度)。
在过去的几十年里,干细胞生物学和体外3D培养技术的进步预示着生物学和医学的一场革命。3D中更高复杂性的细胞模型已经变得非常流行,因为它们允许细胞生长并与周围的细胞外框架相互作用,密切概括活组织的各个方面,包括它们的结构,细胞组织和相互作用,甚至扩散特性。因此,3D细胞培养模型可以为体外发育或患病组织中细胞的行为提供独特的见解。类器官和球状体都是多细胞3D结构,范围从几微米到毫米,是最突出的体外3D结构。两者都可以在支撑支架内培养,包括(i)来源于动物(基底膜提取物,胶原蛋白),植物(藻酸盐/琼脂糖)的水凝胶,或由化学品合成,或(ii)含有孔的惰性基质以促进细胞增殖和生长。
类器官和球状体也可以在没有支撑支架的情况下通过依靠细胞自组装成簇来发育。这依赖于不同的技术,例如使用非粘性材料来抑制细胞附着、表面张力和重力(例如,悬挂液滴技术)或容器的恒定圆周旋转(例如,旋转器培养)。在所有情况下,这些技术都促进了细胞间和细胞间基质的相互作用,以克服传统单层细胞培养的局限性1。术语"类器官"和"球状体"在过去可以互换使用,但这两种3D细胞培养模型之间存在关键差异。类器官是源自多能干细胞或组织特异性干细胞的体外3D细胞簇,其中细胞自发地自组织成祖细胞和分化细胞类型,并且至少概括了感兴趣器官的某些功能2。球状体包括在非贴壁条件下形成的更广泛的多细胞3D结构,并且可以产生于多种细胞类型,例如永生化细胞系或原代细胞3。因此,类器官固有于其固有的干细胞起源,比球状体具有更高的自组装、活力和稳定性。
然而,从本质上讲,这两个模型是由多个细胞组成的3D结构,因此为研究它们而开发的技术非常相似。例如,单细胞分辨率水平的强大成像方法对于探测类器官和球状体的细胞复杂性是必要的。在这里,通过总结该小组和类器官4领域领导者的专业知识,本文描述了对类器官和球状体的细胞和亚细胞组成以及空间组织进行二维(2D)和3D全安装染色,成像和分析的详细程序,范围从100μm到几毫米。实际上,该程序提供了两种不同且互补的染色和成像采集类型,以分析各种尺寸和类型的体外3D细胞培养模型。使用一种(3D整体安装分析)或另一种(2D截面分析)将取决于所研究的模型和所寻求的答案。例如,无论3D结构的整体尺寸如何,共聚焦显微镜的3D全安装分析都可以用于可视化深度达200μm的3D培养中的细胞,而2D切片的分析可以深入了解任何尺寸的样品,尽管是在2D级别。该程序已成功应用于源自不同胚胎胚层的各种类器官4,5 和源自人和鼠细胞的微球。该过程的概述如图 1 所示。指出了主要阶段、它们之间的关系、决定性步骤和预期时间。

图 1:该过程的示意图概述。收集并固定体外3D细胞培养模型,然后制备用于3D全封片染色(选项a)或嵌入石蜡中进行2D切片和染色(选项b)。对于 3D 全安装染色实验,固定 3D 结构在固定步骤后进行免疫标记。可以执行可选的光学清除步骤,通过减少图像处理过程中的光散射来提高光学显微镜的成像质量和深度。图像在倒置共聚焦显微镜或共聚焦高内涵系统上捕获,并使用适当的软件进行分析。对于石蜡包埋,直接处理3D结构(≥400 μm的大型结构为选项b.1)或包含在凝胶(b.2;小型结构≤400 μm)中,用于脱水和石蜡包埋。然后切割石蜡块并进行染色(组织学或免疫化学染色)。2D切片的图像在数字载玻片扫描仪或正置显微镜上获得,并使用快速数字定量分析在图像分析平台上进行分析。请点击此处查看此图的大图。
注意:在涉及试剂更换和以下过程中洗涤的步骤中,预计初始数量的3D结构损失≤25%。计划在每个测试条件下使用至少十个尺寸从 100 到 500 μm 的最终数量的 3D 结构来执行定性和定量图像分析。如有必要,对于较大的结构,切开 1 mL 移液器吸头的末端,以避免破坏结构。对于所有步骤,如果3D结构沉降时间过长,则可以在室温(RT)下以50× g 轻轻旋转细胞5分钟。根据所研究的问题,应考虑这种纺丝步骤的优缺点,因为离心会影响3D结构的形状。避免以 >100 × g 的速度旋转。
1. 3D细胞培养模型的收集和固定
注意:注意不要吸出3D结构,这些结构只会松散地连接到管壁上。
2.3D 3D细胞培养模型的全贴片染色、成像和分析
注意:由于类器官松散地附着在管壁上,请轻柔地处理它们,因为以下所有试剂更换都可能导致样品损失。在开始之前,请确保有正确的染色对照。阳性和阴性对照可以是细胞,其中已知感兴趣的蛋白质分别过度表达或不存在。孵育不含一抗的样品,以确定观察到的信号是否是由于二抗的非特异性结合引起的。由于某些细胞倾向于显示高水平的自发荧光,因此使用没有二抗的对照来确定观察到的荧光是否来自背景自发荧光。免疫标记和荧光报告基因可视化可以结合使用。
3. 3D 细胞培养模型的 2D 切片、染色、成像和分析
注意:3D细胞培养模型的大小各不相同。继续执行第 3.1 或 3.2 节以实现高效的石蜡包埋(图 2)。在进行任何洗涤和试剂更换之前,留出足够的时间进行 3D 结构沉降。小心不要吸出漂浮在管底部的类器官。有关石蜡包埋,请参阅 图 2 以获取指导。

图 2:大型和小型体外 3D 细胞培养模型的石蜡包埋程序概述。
(A)石蜡包埋的标准程序。固定和脱水后,用伊红染色3D结构以方便其可视化(左上和左下)。使用 2 mL 巴斯德移液管(中间)小心地将 3D 结构放置在盒中的活检垫(蓝色)上。石蜡浸渍后,使用镊子将3D结构轻轻地放入液体石蜡中,并在活检垫中轻轻搅拌。在此步骤中,小型3D结构会丢失,因为它们无法从焊盘中释放(右下角:嵌入失败)。仅嵌入大型 3D 结构(右上:成功嵌入)。箭头指向 3D 文化。(B)标准石蜡包埋方案的替代方案。在固定小的3D结构后,使用商业试剂盒将细胞保持在凝胶中,并促进它们在石蜡浸渍后转移到模具中(右:成功包埋)。 请点击此处查看此图的大图。
该协议概述了2D和3D全安装染色的关键步骤,以及3D细胞培养模型的成像和定量分析(图3和图4)。它适用于广泛的3D细胞培养模型 - 从球状体到来自不同宿主物种或组织的类器官 - 并且能够在细胞和亚细胞水平上获取有关结构,细胞组织和相互作用的准确定量信息(图3和图4)。实验室可能需要根据自身需要优化二维组织学和免疫组织化学技术以及抗体浓度。
这两种方法都能产生有价值的生物学信息。3D 全安装染色和共聚焦显微镜提供有关细胞组成和空间位置的视觉信息,深度可达 200 μm(图 3B)。然而,2D 切片对于较大的 3D 结构来说很方便,可以揭示整个 3D 结构部分中的详细细胞形态特征,否则由于光散射会影响较大样品的分辨率,因此很难原位观察。此外,这两种技术都可以提供定量数据。实际上,获得的分辨率允许应用细胞和亚细胞分割算法来量化细胞数量并检测不同细胞亚型中各种细胞标志物的存在(图3F和图4)。总之,这里描述的成像技术是可重复的、简单的和互补的,是研究细胞异质性的宝贵工具。

图 3:3D 和 2D 光学切片的 3D 整体安装、成像和分析的代表性结果。 (A) 人类 (h) 高级别胶质瘤球状体的共聚焦图像,培养一周并用 Hoechst(蓝色)、Olig2(黄色)和肌动蛋白(红色)(20 倍水镜)标记。对于所有采集的图像,使用阳性对照(顶部)建立显微镜设置,然后使用相同的设置对阴性对照进行成像,以控制在没有一抗的情况下缺乏荧光(下图)。(B) 在 (h) 培养一周的高级胶质瘤球体中进行 Ki67 染色的正交 3D 全安装表示(甘油-果糖清除;20x 水物镜,共聚焦)。(C)(h)高级胶质瘤球状体的共聚焦图像,培养一周并用Hoechst(蓝色),Olig2(黄色)和鬼笔碱-488(绿色)(甘油 - 果糖清除;20倍水物镜)标记。(D)人(h)横纹肌肉瘤(顶部)和小鼠(m)神经嵴细胞(底部)球状体的共聚焦图像,培养一周并分别用Hoechst(蓝色),肌动蛋白(红色)和Ki67(绿色)标记(甘油 - 果糖清除;20倍干物镜)。(E)培养一周并用Hoechst(蓝色)和Ki67(绿色)标记的高级胶质瘤球状体的共聚焦图像(甘油 - 果糖清除;40倍水物镜)(左上角)。使用高内涵分析软件生成Hoechst通道上的分割图像和绿色通道上的Ki67阳性(+)核区域(见补充图1和材料表)(底部)。给出的输出是每个分段 3D 结构的 Ki67+ 原子核的百分比(右上)。比例尺 = 100 μm。 请点击此处查看此图的大图。

图 4:2D 光学切片成像和分析的代表性结果。 (A,D)使用数字载玻片扫描仪获得的3D细胞模型(培养一个月的人横纹肌肉瘤球状体)的2D切片图像,并在平台上进行分析以进行快速数字定量分析。(A)H&E染色并根据细胞大小检测细胞。比例尺 = 500 μm。 (B) 直方图显示使用软件检测到的 100 μm 2 和 100 μm2 <>细胞的百分比,用于快速数字定量分析(左:光环)或手动计数(右:MC)。(C)Ki67染色并根据细胞的3,3'-二氨基联苯胺(DAB)信号的强度进行检测。负(蓝色)、弱阳性(黄色)、阳性(红色)。比例尺 = 500 μm。 (D) 直方图显示 Ki67 阴性、弱阳性和阳性细胞的百分比。缩写:H&E = 苏木精和伊红;MC = 手动计数。请点击此处查看此图的大图。
补充图1:成像分析软件中的步骤概述。 分析基于构建基块的关联。每个构建块对应于一个功能分割、计算、关联、输出定义,并提供多种算法和变量选择,以匹配正在成像的生物样品。该软件提供了多种RMS(现成解决方案)分析协议,可以轻松使用和修改。可以保存集成的图像分析协议,将其应用于不同的数据集,并在用户之间共享。简而言之,分析协议意味着顺序对象分割:球体,细胞核,最后是Ki67口袋(A488)。然后,计算Ki67口袋的平均强度以进一步区分阳性事件。最后,正选择包含Ki67正口袋的细胞核。 请点击此处下载此文件。
补充图2:定量分析软件的程序步骤概述。 第 1 步。使用"研究"选项卡上传文件。文件将在"图像操作"部分中打开。第 2 步。打开"注释"选项卡,然后单击"图层操作",使用工具栏的圆形工具在结构周围设计一个新图层。对于非圆形结构,可以改用钢笔工具。第 3 步。工具栏可用于设计注释并使用该工具可视化
量化。第 4 步。打开"分析"选项卡,然后选择样品分析的最佳条件(此处可能需要进行多次试验)。步骤 4.1.使用"染色选择"部分设置染色条件。如果出现多个污渍,可以添加和重命名这些污渍,并且可以修改虚拟颜色。定位检测可以指定 - 细胞核或细胞质染色。步骤 4.2.使用"细胞检测"部分设置细胞检测。本节对于分析最为重要。核对比阈值部分将能够检测所有原子核。如果有多个群体大小,则必须注意,该软件可以检测多个细胞而不是一个独特的大细胞。核大小和核分割侵袭性部分可用于量化细胞大小群体范围。第5步。有关如何运行样品分析的说明。按照图中所示的步骤操作。"注记图层"部分将仅在此幻灯片上运行该设置。可以使用该工具
可视化量化。重复步骤4.1-5,直到达到适当的定量。步骤 6-6.1.这些步骤使您能够使用软件绘制图形。步骤 7.可以保存通过软件获得的量化图形。第8步。可以导出数据。请点击此处下载此文件。
作者没有什么可透露的。
在这里,我们提供了详细、稳健和互补的方案,对从 100 μm 到几毫米的固定三维细胞培养模型进行染色和亚细胞分辨率成像,从而能够可视化它们的形态、细胞类型组成和相互作用。
这项工作得到了St Baldrick的Robert J. Arceci创新奖#604303的支持。
| 设备 | |||
| 活检垫 Q 通道蓝色 | VWR | 720-2254 | |
| 盒式 macrostar III Blc couv. Char. x1500 | VWR | 720-2233 | |
| 盒式微型双胞胎白色 | VWR | 720-2183 | |
| 化学罩 | Erlab | FI82 5585-06 | |
| 过滤嘴 1000 和微型;L | Star lab Tip-One | S1122-1730 | |
| 细镊 | 子 金字塔创新 | R35002-E | |
| 平底玻璃管,带 PTFE 衬里 2 mL | Fisher Scientific | 11784259 | 优秀 用于环境 样品, 药品和诊断试剂。PTFE 专为实现终极产品安全而设计。PTFE 提供完全惰性的内部密封和面向样品或产品的表面。 |
| 玻璃底培养皿板 35 mm | Ibedi | 2018003 | |
| 水平搅拌 | N-BIOTEK | NB-205 | |
| 培养箱预热至 65 °C;C | Memmert 培养箱 | LAB129 | |
| 不锈钢模具 15x15 | VWR | 720-1918 | |
| 显微镜载玻片 Matsunami TOMO-11/90 | 罗氏诊断 | 8082286001这些 | 载玻片用于更好地粘附切片 |
| Microm Microtech France | HM340E | ||
| 全景扫描 II | 3dhistech | 2397612 | |
| 石蜡包埋设备 | Leica | EG1150C | |
| 塑料移液器 巴斯德 2 mL | VWR | 612-1681 | |
| Q 通道香水瓶 150mL 白角 x250 | VWR | 216-1308 | 对环境有益 样品, 药品和诊断试剂。聚丙烯 (PP) 是刚性的, 扎实,提供优秀 压力 裂纹 和 影响 抵抗力并有 A 良好的油和酒精阻隔性和耐化学性。PE衬里的盖子具有抗应力开裂性,并提供 优秀 密封 特性。 |
| 微量移液器套装 (第 200 页、第 1000 页) | Thermo Scientific | 11877351 (20-200) 11887351(p1000) | |
| OPERA PHENIX | PerkinElmer | HH14000000 | |
| SP5 倒置共聚焦显微镜 | Leica | LSM780 | |
| 组织盒 | VWR | 720-0228 | |
| 蔡司 Axiomager 显微镜 | Leica | SIP 60549 | |
| 试剂 | |||
| 牛血清白蛋白 (BSA) | Sigma-Aldrich | A7030-100G | |
| 细胞阻滞剂(试剂盒) | Thermofisher Scientific | 10066588 | |
| 二甲基亚砜 (DMSO) | Sigma-Aldrich | 57648266 | 注意:有毒且易燃。蒸气可能会引起刺激。在通风橱中作。避免直接接触皮肤。戴橡胶手套,戴护目镜。 |
| 曙红水溶液 1% | Sigma-Aldrich | HT110316 | |
| 乙醇 96% | VWR | 83804.360 | 注意:引起严重的眼睛刺激。易燃液体和蒸气。引起呼吸道刺激。在通风橱中作。佩戴护目镜。 |
| 乙醇 100% | VWR | 20821.365 | 注意:引起严重的眼睛刺激。易燃液体和蒸气。引起呼吸道刺激。在通风橱中作。佩戴护目镜。 |
| 福尔马林 4% | Microm Microtech France | F/40877-36 | 注意:福尔马林含有有害的甲醛。在通风橱中作。避免直接接触皮肤。戴橡胶手套和护目镜。 |
| 果糖 | Sigma-Aldrich | F0127 | |
| 鳃苏木精 II 型 | Microm Microtech France | F/CP813 | |
| 甘油 | Sigma-Aldrich | G5516 | 500 mL |
| Hoechst 33342 | Life Technologies | H3570 | 注意:怀疑导致遗传缺陷。避免直接接触皮肤。戴橡胶手套和护目镜。 |
| 正常驴血清 | Sigma-Aldrich | D9663 | 10 mL |
| 石蜡 tek III | Sakura | 4511 | |
| 磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 1 X | Gibco | 14190-094 | |
| Tris 缓冲盐水 (TBS) 10X | Microm Microtech France | F/00801 | 100 mL |
| Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8532 | 注意:Triton X100 是危险的。避免接触皮肤和眼睛。 |
| 二甲苯 | Sigma-Aldrich | 534056 | 注意: 二甲苯有毒且易燃。蒸气可能会引起刺激。在通风橱中作。避免直接接触皮肤。戴橡胶手套,戴护目镜。 |
| 溶液 | |||
| 清除溶液 | 甘油-果糖清除液是 60% (vol/w) 甘油和 2.5 M 果糖。要制备 10 mL 此溶液,请将 6 mL 甘油和 4.5 g 果糖混合。用 dH2O 完成至 10 mL。使用磁力搅拌器过夜。室温下折射率 = 1.4688 (RT: 19–23 >C). 储存在 4 °C 在黑暗中长达 1 个月。 | ||
| PBS-BSA 0.1% 溶液 | 要制备 0.1%(体积/重量)PBS-BSA 0.1% 溶液,请将 500 mg BSA 溶解在 50 mL PBS-1X 中(储存在 4°C 长达 2 周)。并将 1 mL 此溶液稀释到 9 mL PBS-1X 中。该解决方案可用于预涂吸头和离心管。 | ||
| 化封闭液(PB 溶液) | PBSDT 封闭液是 PBS-1X,补充有 0.1% – 1% Tritonx-100(取决于蛋白质定位膜/细胞核)、1% DMSO、1% BSA 和 1% 驴血清(或来自产生二抗的动物)。该溶液可储存在 4°C 最多 1 个月。 | ||
| PBS:PBS-1X (1:10) 溶液 | PBS:PBS-1X (1:10) 溶液为 10 倍稀释的 PB 溶液。要制备 10 mL 此溶液,请在 9 mL PBS-1X 中稀释 1 mL PB 溶液。 | ||
| 软件 | |||
| Halo 软件 | Indicalabs | NM 87114 | |
| Harmony 软件 | PerkinElmer | HH17000010 |