本研究介绍了如何从小鼠内耳中分离不同年龄阶段的内淋巴囊。文中展示了在Slc26a4基因敲除小鼠模型中进行类似解剖的结果,该模型表现为内淋巴囊扩大。此外,还介绍了一种转基因小鼠模型,其内淋巴囊表达荧光报告基因,可用于直观观察内淋巴囊结构,并作为教学工具。
本研究介绍了如何从小鼠内耳中分离不同年龄阶段的内淋巴囊。文中展示了在Slc26a4基因敲除小鼠模型中进行类似解剖的结果,该模型表现为内淋巴囊扩大。此外,还介绍了一种转基因小鼠模型,其内淋巴囊表达荧光报告基因,可用于直观观察内淋巴囊结构,并作为教学工具。
对人类听力和平衡障碍的突变小鼠模型的研究揭示了许多可能与人类表型相关的结构和功能改变。尽管在理解耳蜗和前庭神经感觉上皮的发育与功能方面已取得重要进展,但关于内淋巴囊的发育、细胞组成、分子通路及功能特征的知识仍然有限。这在很大程度上是由于该组织难以观察和进行显微解剖,内淋巴囊是一种仅由单层细胞构成的上皮组织。本文介绍了一种从不同年龄的野生型小鼠内耳中获取并显微解剖内淋巴囊的方法。同时展示了一例在 Pendrin 缺陷型前庭导水管扩大小鼠模型中进行类似解剖的结果。本文还介绍了一种带有荧光标记内淋巴囊的转基因小鼠模型。这种报告小鼠可在有限解剖条件下便捷地可视化内淋巴囊并测定其大小,也可作为教学工具用于教授内淋巴囊的解剖方法。这些解剖技术将有助于进一步表征这一研究尚不充分的内耳结构。
哺乳动物的内耳由耳蜗、球囊、椭圆囊、三个半规管以及内淋巴囊组成(图1A)。这些器官构成一个连续的、充满液体的上皮结构,称为膜迷路,相邻器官之间直接相连,或通过联合管、球囊管、椭圆囊管或内淋巴管等细小管道结构相连。与其他内耳器官相比,内淋巴囊具有独特的特征。首先,它缺乏感觉上皮细胞;相反,内淋巴囊含有专门负责离子转运的细胞。其次,尽管膜迷路通常被包裹在骨迷路之中,但内淋巴囊是一个例外,其部分结构突出于岩骨之外,进入颅内腔。这种形态在内耳的进化过程中似乎高度保守。第三,内淋巴囊是在胚胎发育早期阶段由耳囊最先形成的结构,早于其他器官的形成。此外,多种病理状态与内淋巴囊扩大或内淋巴腔室异常有关。SLC26A4 基因(亦称pendrin基因)中致病性变异的存在会导致一种相对常见的感音神经性听力损失,其特征是伴随前庭导水管扩大(EVA)的内淋巴囊扩张1。当伴有甲状腺肿时,此病症被称为Pendred综合征2,3。一些学者也认为梅尼埃病与内淋巴腔室异常(积水)有关4。内淋巴囊的独特特征及其形态改变所关联的病理状态,均提示其在内耳发育与维持中具有关键作用。
尽管内淋巴囊具有重要意义,但目前对其发育过程、细胞组成、分子通路及功能特征的认识仍然有限。这在一定程度上是由于该组织难以观察和进行显微解剖。内淋巴囊是一种囊状结构,由单层上皮细胞构成,通常呈半透明状,在光镜立体显微镜下很难从其周围结缔组织中辨识出来。尽管已有少数研究人员建立了整体封片解剖技术并发表了实验结果5,6,7,8,9,10,但尚无文献专注于详细描述该操作的技术细节。
本研究描述了在不同年龄的野生型小鼠内耳中,以整体封片方式获取并分离内淋巴囊的显微解剖方法。同时展示了在缺乏 SLC26A4 表达的小鼠模型中进行类似解剖的结果,该模型具有扩张的内淋巴管和内淋巴囊。本文报道了一种转基因小鼠品系,其在内淋巴囊中表达编码 Cre 重组酶的转基因。当存在 Cre 表达的荧光报告基因(此处为 tdTomato)时,可通过有限的解剖利用荧光清晰地可视化内淋巴囊,并获取其大小相关信息。该报告基因小鼠品系还可作为教学工具,用于练习和完善内淋巴囊的解剖操作。对内淋巴囊组织进行解剖的能力,将有助于进一步表征这一研究尚不充分但至关重要的内耳结构。
所有动物实验和操作均根据国家神经疾病和中风研究所/国家耳聋和其他沟通障碍研究所动物护理和使用委员会(#1264)以及东京医科牙科大学机构动物护理和使用委员会(A2020-058A)批准的方案进行。
注意:C57BL/6J 小鼠(货号 000664)、Pds-/- 也称为 Slc26a4-/- 小鼠(129S-Slc26a4tm1Egr/AjgJ,货号 018424)11、B6;CBA-Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mm 小鼠12 以及 Ai9(LSL-RCL-tdT)(B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm9(CAG-tdTomato)Hze,货号 007909)小鼠13 均可从杰克逊实验室(Jackson Laboratory)获得,或通过申请获取。所有基因分型方法此前已有描述。B6;CBA-Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mm 小鼠此前已与 C57BL/6J 品系回交至少五代,用于实验繁殖。本方法可适用于两种性别的动物,且无明显差异。过夜交配后的第一天记为胚胎发育第 0.5 天(E0.5)。
1. 颅骨内完整内耳的采集与固定
2. 内淋巴囊显微解剖
3. 免疫组织化学
从出生后第5天(P5)小鼠中分离野生型内淋巴囊的每一步显微解剖操作均在相关视频中进行了详细展示,关键步骤的截图以及内淋巴囊的暴露过程如图所示 图1 和 图2.
按照本方案在胚胎第16.5天(E16.5)、出生后第5天(P5)和第30天(P30)对表达tdTomato荧光的内淋巴囊进行解剖的代表性结果如图所示。 图3 以及在 补充图1 和 补充图2在携带 Tg(ATP6V1B1-Cre) 转基因并存在 Cre 表达报告基因 Ai9(LSL-RCL-tdT)的小鼠中,移除脑组织后,借助荧光解剖显微镜可在颅骨内清晰观察到内淋巴囊。 图3A- B,以及 补充图1 对于在透射光和tdTomato荧光下拍摄的不同解剖阶段内淋巴囊的图像。在这些小鼠中,Cre以镶嵌模式在整个内淋巴囊及导管的细胞中表达。图3,另见 补充图2 用于内淋巴囊的可视化 与 无荧光报告基因)。尽管该报告基因的表达并不特异于内源性表达 Atp6v1b1,该结构仅限于内淋巴囊中富含线粒体的细胞16,该上皮的两种细胞类型之一(图5E),它是识别和解剖内淋巴囊的有用辅助工具。
在图4中展示了从前庭导水管扩大小鼠模型中分离出的内耳。与对照组同窝小鼠相比,SLC26A4(pendrin)缺陷小鼠的内淋巴囊和内淋巴管出现扩大。
完整内淋巴囊免疫组织化学的代表性图像,包含和不包含结缔组织的样本如图所示 图5. 还展示了P5野生型小鼠开放的内淋巴囊的免疫组织化学结果(图 5F- G)。内淋巴囊由单层上皮构成,折叠成袋状结构,其腔内含有内淋巴。该上皮包含两种细胞类型:富含线粒体的细胞和富含核糖体的细胞(图5E)。由于内淋巴液已不存在,整体封片的内淋巴囊会变得扁平。此时内淋巴囊呈现为两层相互缠绕的上皮结构,难以确定在此上皮中表达的蛋白质的亚细胞定位。通过打开内淋巴囊,可清晰观察到单层上皮结构,并能更明确地判断目标蛋白相对于内淋巴囊腔(即内淋巴所在腔面)的分布情况。潜在的顶端(腔面侧,即内淋巴所在位置) 与 可更准确地确定这些蛋白质的基础富集情况。例如,SLC26A4 在富含线粒体细胞的顶端侧富集图 5F).

图1. 出生后第5天(P5)野生型小鼠内淋巴囊的全组织解剖。
(A)成年小鼠内耳膜迷路示意图(右侧)。图中所示为内淋巴囊、耳蜗及前庭结构的位置。本图改编自Honda等人的研究16。
(B)中矢状切面显示左侧半颅骨。箭头所示为内淋巴囊的位置。(O,枕骨;F,额骨)
(C)耳囊连同颞骨的鳞部。
(D)叠加于C图虚线框中的重要解剖标志。(ES,内淋巴囊;ED,内淋巴管;VA,前庭导水管;ASC,前半规管;PSC,后半规管;CC,总骨脚;SS,乙状窦)
(E)沿D图中连续白线穿过内淋巴囊的横截面示意图。内淋巴囊的近端由一个骨性管道覆盖,即前庭导水管,内含内淋巴管。在远端,内淋巴囊被结缔组织(CT)包绕,向外延伸并突出于骨迷路之外,夹在硬脑膜(DM)与乙状窦之间,位于颞骨的鳞部(TB)下方。
(F)使用细针沿D图中黄色虚线围绕内淋巴囊进行切割。
(G)通过镊子夹住星号(*)所示位置(亦见E图)并轻轻剥离,小心地将组织从颞骨上分离下来。
(H)带有周围组织的完整分离内淋巴囊。
(I)该分离内淋巴囊及其周围组织的示意图。
(J)去除周围组织后的孤立内淋巴囊。
比例尺:2 mm(B),1 mm(J)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2。P5野生型小鼠打开的内淋巴囊的解剖。
(A)在步骤2.4中,前庭导水管上的切口线略微偏向前方(红色虚线),以便切开进入内淋巴囊腔。
(B)夹住样本的茎部,将27号针头插入腔内,并移动针头将内淋巴囊切成两片组织。
(C)B图的示意图。
(D)用镊子夹住每一片组织的边缘,并将其彼此分离。
(E)D图的示意图。
(F)内淋巴囊已被分离为两片,包含上皮层及其周围组织。请点击此处查看该图的放大版本。

图 3。E16.5、P5 和 P30 时期 R26LSL-RCL-tdT/+;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn 小鼠内淋巴囊的解剖。所有图像均使用配备 tdTomato 荧光检测功能、物镜倍数为 1× 的体视显微镜获得 tdTomato 荧光图像。
(A, B) E16.5 时期 R26LSL-RCL-tdT/+;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn 小鼠头骨的正中矢状切面,在去除半侧脑组织前(A)和去除后(B)。tdTomato 荧光标示出内耳的位置。内淋巴囊即使在未解剖的情况下也清晰可见(箭头所示)。
(C, E, G) 分别为 E16.5、P5 和 P30 时期分离的内耳。
(D, F, H) 相应显微解剖获得的内淋巴囊和导管的高倍放大图像。在 P30 时期,内淋巴管被骨组织包裹,因此特别难以分离。比例尺:2 mm(A, B, C, E, G),500 µm(D, F, H)。请点击此处查看此图的放大版本。

图4。耳囊的大体解剖结构,显示扩大的内淋巴囊。 P105时期的Slc26a4+/-(左)和Slc26a4-/-(右)同窝小鼠的内耳。与Slc26a4+/-小鼠相比,Slc26a4-/-小鼠的前庭导水管、内淋巴囊和内淋巴管(黑色虚线)明显扩大。比例尺:2 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图 5。E16.5 和 P5 时期内淋巴囊上皮中线粒体丰富细胞的 SLC26A4 表达。
(A, B)来自 E16.5 小鼠的分离内淋巴囊,使用抗 SLC26A4 抗体(绿色)和标记 β-肌动蛋白(ACTB,红色)的鬼笔环肽进行标记。
(C)来自 P5 小鼠的打开状内淋巴囊的低倍图像,使用抗 SLC26A4 抗体(绿色)标记。鬼笔环肽(ACTB,红色)可用于突出显示内淋巴囊本身及其周围结缔组织的存在。
(D)使用抗 SLC26A4 抗体(绿色)标记的分离内淋巴囊。
(E)内淋巴囊上皮的示意图,突出显示两种细胞类型:其顶膜表面覆盖微绒毛的线粒体丰富细胞,以及核糖体丰富细胞。
(F-G)P5 时期内淋巴囊上皮的高倍图像,在打开内淋巴囊后使用抗 SLC26A4 抗体(绿色)和鬼笔环肽(ACTB,红色)进行标记。G 显示顶膜水平的代表性图像,F 显示沿白色虚线位置的 z-层扫描重建横截面图像。细胞核用 DAPI(蓝色)标记。
比例尺:100 μm(A, B);200 μm(C, D);20 μm(F, G)。 请点击此处查看此图的放大版本。
补充图1. P5 R26LSL-RCL-tdT/+;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn 小鼠内耳在解剖三个步骤中的入射光图像及相应的tdTomato荧光图像。可通过tdTomato荧光轻松观察内淋巴囊和内淋巴管。
(A-B) P5 R26LSL-RCL-tdT/+;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn 小鼠完整半颅骨后部的内耳区域。
(C-D) 去除皮肤和部分颅骨后,可更清晰地观察内淋巴囊区域。
(E, F) 已分离的内耳,内淋巴囊仍与结缔组织相连。
(A, C, E) 入射光下拍摄的图像。(B, D, F) 对应组织的tdTomato荧光图像。比例尺:2 mm(A-B),1 mm(C-F)。请点击此处下载该文件。
补充图 2. E16.5 和 P5 时期R26LSL-RCL-tdT/+;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn 与同窝出生R26LSL-RCL-tdT/+小鼠分离的内淋巴囊荧光比较。tdTomato 荧光显著增强了对内淋巴囊及导管的识别能力。
(A-C) E16.5 时期 R26LSL-RCL-tdT/+;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn 小鼠 (A) 与同窝出生 R26LSL-RCL-tdT/+ 小鼠 (B, C) 的显微解剖内淋巴囊。
(D-F) P5 时期 R26LSL-RCL-tdT/+;Tg(ATP6V1B1-Cre)1Rnel/Mn 小鼠 (D) 与同窝出生 R26LSL-RCL-tdT/+ 小鼠 (E, F) 的显微解剖内淋巴囊。
(A, B, D, E) tdTomato 荧光图像。(C, F) 对应于 B 和 E 的透射光图像。比例尺:500 μm。 请点击此处下载该文件。
许多研究人员曾使用石蜡包埋或冷冻切片进行内淋巴囊的形态学研究。切片制备的缺点在于,由于内淋巴囊上皮细胞的大小和形状差异极大,形成皱褶状且呈假复层排列的细胞层,因此很难完整观察到复杂的细胞间连接。本方案中描述的整体免疫染色结合z轴层析成像技术,能够更清晰地呈现内淋巴囊的三维结构。
为了成功进行显微解剖,关键在于在脑海中构想出内淋巴囊的完整轮廓,即使在野生型小鼠中其不可见。观察图3以及补充图1-2中所示的荧光报告信号,有助于识别小鼠内淋巴囊的位置和大小。
尽管上述方案中使用该整体解剖方法进行免疫染色,但该技术也可用于获取内淋巴囊组织以进行基因表达分析,例如RT-qPCR、微阵列表达分析,甚至单细胞RNA测序。使用本方案制备的组织进行单细胞RNA测序分析的结果已有先前报道16。对于内淋巴囊上皮细胞的基因表达分析,最好收集分离的上皮组织,以避免与其他邻近组织的污染。虽然胚胎期的内淋巴囊可以从邻近结缔组织中分离出来,但在较晚的发育阶段则困难得多。对于来自较年老小鼠的样本,建议在37 °C下用胶原酶/分散酶孵育5分钟,这有助于分离内淋巴囊上皮。
本方案所述整体免疫染色的一个缺点是,在解剖或在载玻片与盖玻片之间封片的过程中,原始的三维结构可能因操作损伤而受到影响。需谨慎操作,以避免因人为处理导致的假象。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究部分得到了美国国立卫生研究院(NIH)耳聋与其他交流障碍研究所(NIDCD)院内研究计划(NIH院内研究基金Z01-DC000060和ZIC DC000081,资助对象为先进影像核心实验室)的支持。我们感谢犹他大学(美国犹他州盐湖城)的Raoul D. Nelson博士和R. Lance Miller博士,以及埃默里大学医学院(美国佐治亚州亚特兰大)的Susan Wall博士,分享了Tg(ATP6V1B1-Cre)小鼠;同时感谢NIDCD动物设施工作人员对我们实验动物的悉心照料。我们衷心感谢Philine Wangeman博士提供的精美内耳插图。我们感谢Thomas B. Friedman博士和Robert J. Morell博士对本文稿的审阅与宝贵意见。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| EDTA 0.5 M | Crystalgen | 221-057 | |
| 1 mL 结核菌素注射器,配 27G × 13 mm 针头 | BD | 309623 | |
| 9孔斑点玻璃板 | Pyrex | 13-748B | |
| Alexa Fluor 555 标记的鬼笔环肽 | 赛默飞世尔科技 | A34055 | |
| 动脉 剪刀 球形尖端 | Fine Science Tools | 14080-11 | |
| 牛血清白蛋白 | Sigma Aldrich | A3059 | |
| 用于在入射光下捕获图像的相机 | Leica | DFC 495 | |
| 用于拍摄荧光图像的相机 | Leica | DFC 7000 GT | |
| 15 mL 离心管 | 康宁 | 430053 | |
| 50 mL 离心管 | 康宁 | 430829 | |
| 胶原酶/分散酶 | 罗氏 | 10269638001 | |
| 共聚焦显微镜 | Zeiss | LSM 880 | |
| 盖玻片 | 康宁 | 2940-223 | |
| Dumont #4 镊子 | Fine Science Tools | 11241-30 | |
| Dumont #5 镊子 | Fine Science Tools | 11251-20 | |
| Dumont #55 镊子 | Fine Science Tools | 11255-20 | |
| 超细邦剪 | Fine Science Tools | 14084-08 | |
| 替代选项:超细显微解剖剪;直型;尖端锋利;20毫米刃长;3 1/2" 总长度 | Roboz | RS-5880 | |
| 山羊抗兔Alexa Fluor 488标记二抗 | 赛默飞世尔科技 | A11034 | |
| MicroSlides Superfrost | VWR | 48311-702 | |
| 轨道摇床,例如 Mini Shaker | Daigger | 980275 | |
| 16% 甲醛水溶液 | 电子显微镜科学公司 | 15710 | |
| 磷酸盐缓冲液(10倍浓度),pH 7.4 | 赛默飞世尔科技 | AM9624 | |
| 含DAPI的ProLong Gold抗荧光淬灭封片剂 | 赛默飞世尔科技 | P36931 | |
| 兔抗Pendrin抗体 | 内部 | RRID:AB_2713943,PB826(Choi 等, 2011) | |
| 环形止血钳 | Fine Science Tools | 11106-09 | |
| 摇床,例如 GyroMini | Labnet | S0500 | |
| 配备 PlanApo 1.0x 物镜的体视显微镜 | Leica | ||
| 不锈钢单刃刀片,0.009英寸" | GEM Personna | 62-0176 | |
| 60 mm 组织培养皿 | Falcon | 353002 | |
| 透明指甲油 | |||
| Triton X-100 | ACROS Organics | 32737-1000 |