本文介绍了一种相关性工作流程,用于切除、加压、固定和成像小鼠肺动脉瓣,以确定其宏观构象及局部细胞外基质结构。
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本文介绍了一种相关性工作流程,用于切除、加压、固定和成像小鼠肺动脉瓣,以确定其宏观构象及局部细胞外基质结构。
心脏瓣膜相关疾病(HVD)的根本病因尚不明确。小鼠动物模型为研究HVD提供了优秀的工具,然而,要精确量化多个尺度下结构与组织的特征,需要高超的手术技巧和仪器操作能力,这在一定程度上限制了该领域的发展。本研究详细描述了小鼠心脏的解剖、整块染色、样品处理以及多尺度下心脏瓣膜成像的关联成像流程。采用静水跨瓣压力控制时间异质性,通过化学固定维持心脏瓣膜的构象。利用显微计算机断层扫描(µCT)确认心脏瓣膜的几何形态,并为后续用于连续块面扫描电子显微镜(SBF-SEM)的样品处理提供参考依据。采集并重建了细胞外基质(ECM)的高分辨率连续扫描电镜图像,以获得其局部组织结构的三维表征。随后将µCT与SBF-SEM成像方法进行关联,以克服肺动脉瓣跨区域的空间差异。尽管本研究所展示的内容仅针对肺动脉瓣,该方法可推广应用于描述生物系统中的层级结构组织,对于实现多尺度下的结构表征具有重要意义。
肺动脉瓣(PV)的功能是确保血液在右心室与肺动脉之间的单向流动。肺动脉瓣的畸形与多种先天性心脏病相关。目前,先天性心脏瓣膜病(HVD)的治疗方法主要是瓣膜修复或瓣膜置换,这些治疗可能需要患者在一生中接受多次侵入性手术1。目前普遍认为,心脏瓣膜的功能源于其结构,这一关系常被称为结构-功能相关性。更具体而言,心脏的几何结构和生物力学特性决定了其功能表现。而这些力学特性又由细胞外基质(ECM)的组成和组织结构所决定。通过建立一种测定小鼠心脏瓣膜生物力学特性的方法,可利用转基因动物模型来研究ECM在心脏瓣膜正常功能与功能障碍中的作用2,3,4,5。
小鼠动物模型长期以来被视为分子研究的标准模型,因为与其他物种相比,小鼠的转基因模型更容易获得。小鼠转基因模型为心脏瓣膜相关疾病的研究提供了多功能的平台6。然而,表征心脏瓣膜几何结构和细胞外基质(ECM)组织所需的外科技术与仪器设备,一直是推动心脏瓣膜病(HVD)研究的主要障碍。文献中的组织学数据能够揭示小鼠心脏瓣膜细胞外基质的组成,但仅限于二维图像形式,无法描述其三维结构7,8。此外,心脏瓣膜在空间和时间上均具有异质性,若取样位置和构象未标准化,则难以在不同实验之间对ECM组织得出一致结论。传统的三维表征方法,如磁共振成像(MRI)或三维超声心动图,无法提供分辨ECM组分所需的分辨率9,10。
本研究详细描述了一种完全关联的工作流程,通过流体静力跨瓣压力固定小鼠肺动脉瓣的构象,解决了由心动周期引起的时间异质性问题。通过在不同成像模式(特别是微计算机断层扫描(µCT)和连续块面扫描电子显微镜)之间对感兴趣区域进行取样并配准跨多个长度尺度的数据集,精确控制了空间异质性。此前已有研究提出利用µCT进行前期 scout 扫描以指导后续取样,但由于肺动脉瓣存在时间上的动态变化,因此在手术层面需要额外的控制措施11。
描述小鼠心脏瓣膜生物力学的体内研究较为匮乏,目前主要依赖计算模型来描述其变形行为。将纳米尺度下的局部细胞外基质数据与心脏瓣膜的几何结构和位置相关联至关重要。这能够提供可量化的、空间定位的机械性贡献ECM蛋白分布图谱,可用于强化现有的心脏瓣膜生物力学模型12,13,14。
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本研究中动物的使用遵循全国儿童医院机构动物护理和使用委员会批准的方案 AR13-00030。
1. 肺动脉瓣切除
2. 肺动脉瓣的压力固定
3. 组织块整体染色与包埋15,16
警告:本节使用的染色试剂(亚铁氰化钾、四氧化锇、硫代碳酰肼、天冬氨酸铅和醋酸铀酰)具有高毒性,应极其小心地操作。建议在通风橱中操作,并穿戴适当的个人防护装备。
4. 微型计算机断层扫描成像
5. 样品处理与图像关联
6. 连续块面扫描电子显微镜18
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肺动脉与加压导管的吻合如图所示 图1A施加静水压后,肺动脉干径向扩张(图1B)表明肺动脉瓣瓣叶处于闭合状态。通过以下方式确认肺动脉瓣的构象: µCT。在这种情况下,瓣叶对合(闭合),且瓣环呈圆形。图2A). 图2B,C 显示不同程度的肺动脉瓣加压不足,原因可能是固定(图2B)或动脉塌陷(图2C).
样本块修整依据µCT体积渲染结果进行。本例中,选择与窦-瓣交界平行的平面作为切片方向。通过解剖标志,将µCT体积渲染的虚拟横断面与光学图像(图3)进行比对,以确认切片方向和位置。
当样本...
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去除心室具有两个目的。首先,将心室侧暴露于大气压下,从而只需从肺动脉瓣的动脉侧施加跨瓣压力即可使其关闭;其次,提供一个稳定的基底,防止肺动脉干发生扭转。在加压过程中,肺动脉干会向径向和下方扩张,容易发生扭曲,导致肺动脉干塌陷。用生理盐水溶液对肺动脉瓣进行预加压,可提供额外的质量控制,以确保加压充分,并检测系统是否存在任何泄漏。固定剂的主要作用迅速,仅需数秒即可完成;若未使用生理盐水进行流体静力预加压,肺动脉瓣将被固定在随机构象中。若不进行预加压,肺动脉瓣成功闭合的几率仅为10%–20%;而通过预加压步骤,成功率可提升至90%以上。
针对本应用优化了µCT和SBF-SEM成像条件。肺动脉瓣在完全拉伸时厚度可小于10 µm。通常,分辨某一结构至少需要3个体素的阈值;因此,µCT体积重建的扫描体素尺寸设定为2.9 µm,视场为8.4 × 8.4 × 6.3 mm。在µCT中可实现更小的体素尺寸,但这需要对样品进行修整和/或延长扫描时间。通过将样品更靠近X射线源放置,可实现更高分辨率。将X射线探测器远离样品放置也可获得更小的体素,但会降低探测器上的总通量,从而影响信噪比。作为参考,本研究中...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本工作部分由授予 CKB 的 R01HL139796 和 R01HL128847 基金以及授予 DWM 的 RO1DE028297 和 CBET1608058 基金支持。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 25% 戊二醛(水溶液) | EMS | 16210 | 主要固定剂组分 |
| 0.9% 氯化钠注射液 | Hospira Inc. | NDC 0409-4888-10 | |
| 1 mL 注射器 | BD | 309659 | |
| 10 mL 注射器 | BD | 309604 | |
| 200 proof 乙醇 | EMS | 15055 | |
| 22G 针头 | BD | 305156 | |
| 3 mL 注射器 | BD | 309657 | |
| 三通旋塞阀 | Smiths Medical ASD, Inc. | MX5311L | |
| 4% 四氧化锇 | EMS | 19150 | 染色组分 |
| 4% 多聚甲醛(水溶液) | EMS | 157-4-100 | 主要固定剂组分 |
| 可吸收性止血剂 | Ethicon | 1961 | |
| 丙酮 | EMS | 10012 | |
| 黑色聚酰胺单丝缝线,10-0 | AROSurgical instruments Corporation | TI38402 | |
| 黑色聚酰胺单丝缝线,6-0 | AROSurgical instruments Corporation | SN-1956 | |
| C57BL/6 小鼠 | Jackson Laboratories | 664 | 约 1 岁 |
| 氯化钙 | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| 持夹钳 | FST | 00072-14 | |
| 棉签 | Fisher Scientific | 23-400-118 | |
| DPBS | Gibco | 14190-144 | |
| Dumont #5 镊子 | FST | 11251-20 | |
| Dumont #5/45 镊子 | FST | 11251-35 | |
| Dumont #7 细镊 | FST | 11274-20 | |
| Durcupan ACM 树脂 | EMS | 14040 | 用于包埋 |
| 精细剪刀 | FST | 14028-10 | |
| Heliscan 微型 CT | Thermo Fisher Scientific | 微型 CT | |
| 盐酸氯胺酮注射液 | Hospira Inc. | NDC 0409-2053 | |
| L-天冬氨酸 | Sigma-Aldrich | 56-84-8 | 染色组分 |
| 硝酸铅 | EMS | 17900 | 染色组分 |
| 低真空背散射探测器 | Thermo Fisher Scientific | VSDBS | SEM 背散射探测器 |
| 微型 Adson 镊 | FST | 11018-12 | |
| Millex-GP 滤器,0.22 µm,PES 33 mm,非无菌 | EMD Millipore | SLGP033NS | |
| 无纺纱布 | McKesson Corp. | 94442000 | |
| 六氰合铁(II)酸钾三水合物 | Sigma-Aldrich | 14459-95-1 | 染色组分 |
| 氢氧化钾 | Sigma-Aldrich | 1310-58-3 | |
| 压力监测管路 | Smiths Medical ASD, Inc. | MX562 | |
| 生理盐水溶液(无菌 0.9% 氯化钠) | Hospira Inc. | NDC 0409-0138-22 | |
| 3 号 BEEM 包埋胶囊 | EMS | 69910-01 | 包埋容器 |
| 三水合二甲胂酸钠 | Sigma-Aldrich | 6131-99-3 | 缓冲液 |
| Solibri 牵开器 | FST | 17000-04 | |
| 溅射、碳镀和电子束镀膜仪 | Leica | EM ACE600 | 金镀膜仪 |
| 手术显微镜 | Leica | M80 | |
| 硫代碳酰肼(TCH) | EMS | 21900 | 染色组分 |
| Tish 持针器/镊子 | Micrins | MI1540 | |
| 修整仪 | Wahl | 9854-500 | |
| 醋酸铀 | EMS | 22400 | 染色组分 |
| VolumeScope 扫描电子显微镜 | Thermo Fisher Scientific | VOLUMESCOPESEM | 连续块面扫描电子显微镜 |
| 赛拉嗪无菌溶液 | Akorn Inc. | NADA# 139-236 |
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