利用胰腺活体成像窗实现了对胰腺的体内高分辨率成像。
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利用胰腺活体成像窗实现了对胰腺的体内高分辨率成像。
在活体小动物模型中对胰腺进行直接的 体内 细胞分辨率成像在技术上一直具有挑战性。最近一项采用腹腔成像窗口的活体成像研究,实现了对腹腔器官中细胞动态过程的 体内 可视化。然而,由于小鼠胰腺具有柔软的片状结构,易受生理运动(如肠蠕动和呼吸)的影响,因此难以在数周时间内对小鼠胰腺中的胰岛或癌细胞进行稳定、纵向的 体内 细胞水平成像,从而实现识别、追踪与定量分析。本文中,我们描述了一种新型支撑基底——集成式胰腺活体成像窗口的植入方法,该方法可在空间上将胰腺与肠道分离,从而实现对胰腺微结构的长期延时活体成像。利用该成像窗口进行的纵向 体内 成像可实现稳定的可视化效果,能够在正位胰腺癌模型中连续3周追踪胰岛,并对胰腺微结构进行高分辨率的三维成像。通过本方法,未来的活体成像研究有望在细胞水平上阐明多种胰腺相关疾病的病理生理机制。
胰腺是一个位于腹腔内的器官,具有在消化道中发挥外分泌功能以及向血液中分泌激素的内分泌功能。对胰腺进行高分辨率的细胞成像,有助于揭示涉及胰腺的各种疾病的病理生理学机制,包括胰腺炎、胰腺癌和糖尿病1。目前临床上广泛应用的传统诊断成像工具包括计算机断层扫描、磁共振成像和超声检查1,2。然而,这些成像方式仅限于显示结构或解剖学上的变化,无法检测细胞或分子水平的改变。鉴于人类糖尿病或胰腺癌的分子变化可能在确诊前十余年就已开始3,4,若能在潜伏期通过分子转变过程检测胰腺疾病,将有望实现早期诊断和及时干预。因此,能够突破分辨率限制并提供功能信息的成像技术,将因可在胰腺癌早期诊断或糖尿病发展过程中胰岛结构变化的精确诊断方面提供重要见解而受到广泛关注5。
特别是对于胰岛,核成像、生物发光成像以及光学相干断层扫描已被提出作为非侵入性的胰岛成像技术6。然而,这些方法的分辨率显著偏低,典型范围为几十到几百微米,难以有效检测胰岛细胞水平的变化。另一方面,以往对胰岛的高分辨率研究均在离体ex vivo7,8(例如胰腺切片或消化)、非生理9(例如胰腺外置)和异位条件10,11,12(例如移植至肾包膜下、肝内或眼前房)下进行,限制了其结果的解释及临床意义。如果能够建立一种活体in vivo、生理性和原位的高分辨率成像模型,将为胰腺胰岛的研究提供一个关键平台。
活体显微成像技术能够在活体动物中以显微分辨率揭示病理生理过程,近年来受到广泛关注13。在多种in vivo成像方法中,腹腔成像窗技术14通过将观察窗植入小鼠腹腔,已促成多项新发现(例如早期肝转移的微小转移前阶段15,以及肠道上皮干细胞维持机制16)。尽管腹腔成像窗提供了重要的研究结果,但其在胰腺相关疾病中的应用以及由此开展的胰腺活体显微成像研究仍缺乏系统探索。
与人类胰腺明确的实质性器官特征不同,小鼠胰腺是一种弥散分布的类似软组织的结构17。因此,它持续受到包括蠕动和呼吸在内的生理运动的影响。此前一项关于腹部成像窗口在胰腺中应用的研究表明,由于肠蠕动引起的运动伪影,导致成像位置发生漂移18。在最终的平均图像中观察到严重的模糊现象,阻碍了微尺度结构的可视化与识别。
本文中,我们描述了一种新型的集成式胰腺活体成像窗支持底座,结合活体显微技术19,20,用于研究涉及胰腺疾病的纵向细胞水平事件。除了在先前研究中对方法学进行的详细描述18外,本文还将探讨胰腺成像窗在多种胰腺相关疾病中的扩展应用。在本实验方案中,采用了一套自行构建的视频速率激光扫描共聚焦显微系统作为活体显微成像系统。系统使用四个激光模块(波长分别为405、488、561和640 nm)作为激发光源,并通过光电倍增管(PMT)结合带通滤光片(BPF1:FF01-442/46;BPF2:FF02-525/50;BPF3:FF01-600/37;BPF4:FF01-685/40)检测四个通道的发射信号。激光扫描由一个旋转多边形镜(X轴)和一个检流计扫描镜(Y轴)组成,可实现视频速率扫描(每秒30帧)。有关活体显微成像技术的详细信息已在先前的研究中有所描述10,18,19,20,21,22,23。
在我们之前关于胰岛的研究中18,我们利用一种转基因小鼠模型(MIP-GFP)24,成功且稳定地对活体小鼠体内的胰岛进行了成像,该模型中胰岛被标记了GFP。该方法实现了对胰岛变化为期1周的高分辨率可视化观察,并支持对同一胰岛持续成像长达3周,表明该技术可用于糖尿病发病过程中胰岛功能的长期追踪或监测18。此外,我们建立了一种原位胰腺癌模型,将荧光标记的胰腺癌细胞(PANC-1 NucLight Red)25直接植入小鼠胰腺中。结合胰腺活体成像窗的应用,该模型可作为研究胰腺癌肿瘤微环境中细胞与分子病理生理过程,以及评估新型候选药物疗效的平台。
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本文所述所有实验操作均依照第8版th 《实验动物护理和使用指南》第8版(2011)26 并经韩国科学技术院(KAIST)和首尔国立大学盆唐医院(SNUBH)机构动物护理与使用委员会批准。
1. 窗口及其他材料的准备
2. 手术
3. 活体成像
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活体显微镜结合带有支撑底座的集成式胰腺活体成像窗口,可实现对小鼠胰腺在细胞水平上的长期纵向成像。该胰腺活体成像窗口方案提供了长期的组织稳定性,能够获取高分辨率图像,对单个胰岛进行长达3周的追踪观察。因此,可实现大视野的拼接成像、z轴层扫图像的三维(3D)重建,以及对同一位置的长期连续追踪。此外,我们的活体显微镜具备四个激发通道(405、488、561和647 nm),可同时可视化多种细胞及其相互作用。
在初步成像实验中,将成像窗植入一只经尾静脉注射与Alexa 647荧光染料偶联的抗CD31抗体的C57BL/6N小鼠体内。利用该系统实现了胰腺的大视野成像(图3A)以及放大后的三维成像(图3B–D,补充视频1)。胰腺组织通过自发荧光进行可视化,同时可识别由抗CD31抗体标记的邻近血管结构。未观察到由肠蠕动或呼吸引起的图像抖动,因而获得了信噪比较高、经平均处理的成像结果(图4...
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本文所述方案采用一种新型的集成式胰腺活体成像窗,该成像窗由腹部成像窗改进而来,用于实现胰腺的活体显微成像。在上述步骤中,首要的关键步骤是在小鼠体内植入胰腺活体成像窗。在成像窗上使用胶水时,必须将胶水涂布于成像窗边缘与盖玻片之间,而不能接触胰腺组织,因为胶水可能严重干扰活体成像效果。如果将胶水直接施加于组织上,不仅胶水本身在玻璃与组织之间可能造成影响,附带的灰尘颗粒也可能在成像过程中引起光散射。此外,黏合剂的使用可能对胰腺产生毒性及非生理性的不良影响。
第二步是将适量的胰腺组织放置在金属支撑底板上。由于胰腺组织呈片状结构,因此需要控制其在底板上的体积。若放置的组织体积过大,涂抹在环形边缘的胶水可能会粘附到组织上,且体积效应可能阻碍胰腺的灌注;反之,若放置的组织体积过小,则可能限制可观察的视野范围。这种在观察窗上进行手术的操作方案可能需要经过多次尝试才能达到一致的标准。
在为期3周的长期成像过程中,最令人关注的问题是胰腺成像窗口可能受到的损伤。在长期观察期间,可能会意外破坏胰腺成像窗口中的盖玻片。为防止此类情况发生,安装有成像窗口...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由首尔国立大学盆唐医院研究基金(编号:14-2020-002)以及韩国国家研究基金会(NRF)资助,NRF 基金由韩国政府(MSIT)资助(NRF-2020R1F1A1058381,NRF-2020R1A2C3005694)。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Alexa Fluor 647 琥珀酰亚胺酯(NHS 酯) | Invitrogen | A20006 | 用于与抗体偶联的荧光探针 |
| BALB/C Nude | OrientBio | BALB/C Nude | BALB/C Nude |
| BD Intramedic 聚乙烯导管 | BD Biosciences | 427401 | PE10 导管,用于与针头连接 |
| C57BL/6N | OrientBio | C57BL/6N | C57BL/6N |
| 圆形盖玻片 | Marienfeld | 0111520 | 用于胰腺成像窗的盖玻片 |
| FITC 葡聚糖 2MDa | Merck(原 Sigma Aldrich) | FD200S | 用于血管识别 |
| IMARIS 8.1 | Bitplane | IMARIS | 图像处理 |
| 活体显微镜 | IVIM tech | IVM-C | 活体显微镜 |
| IRIS 剪刀 | JEUNGDO BIO & PLANT CO, LTD | S-1107-10 | 该产品可用其他公司的产品替代 |
| Loctite 401 | Henkel | 401 | N-丁基氰基丙烯酸酯胶水 |
| 微型持针器 | JEUNGDO BIO & PLANT CO, LTD | H-1126-10 | 该产品可用其他公司的产品替代 |
| 微型牵开器 | JEUNGDO BIO & PLANT CO, LTD | 17004-03 | 该产品可用其他公司的产品替代 |
| 微型镊子 | JEUNGDO BIO & PLANT CO, LTD | F-1034 | 该产品可用其他公司的产品替代 |
| MIP-GFP | The Jackson Laboratory | 006864 | B6.Cg-Tg(Ins1-EGFP)1Hara/J |
| 尼龙 4-0 | AILEE | NB434 | 不可吸收缝合线 |
| Omnican N 100 30G | B BRAUN | FT9172220S | 用于血管导管,仅使用针头部分 |
| PANC-1 NucLightRed | 定制 | 定制 | 实验室制备 |
| 胰腺成像窗 | Geumto Engineering | 定制订单 | 胰腺成像窗 - 定制订单 |
| Physiosuite | Kent Scientific | PS-02 | 恒温控制器 |
| 纯化 NA/LE 大鼠抗小鼠 CD31 抗体 | BD Biosciences | 553708 | 用于体内血管标记的抗体 |
| 环形镊子 | JEUNGDO BIO & PLANT CO, LTD | F-1090-3 | 该产品可用其他公司的产品替代 |
| Rompun | Bayer | Rompun | 麻醉剂 |
| TMR 葡聚糖 65-85kDa | Merck(原 Sigma Aldrich) | T1162 | 用于血管识别 |
| 窗片固定器 | Geumto Engineering | 定制订单 | 窗片固定器 - 定制订单 |
| Zoletil | Virbac | Zoletil 100 | 麻醉剂 |
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