本方案介绍了一组关于肌节、钙离子及宏观几何结构的 来自主动收缩的心室小梁的数据 离体这三种成像模式的整合实现了上述同步测量。
方法文章
本方案介绍了一组关于肌节、钙离子及宏观几何结构的 来自主动收缩的心室小梁的数据 离体这三种成像模式的整合实现了上述同步测量。
在心肌细胞中,细胞内Ca2+ 瞬变激活收缩性肌丝,引起收缩、宏观缩短和几何形变 变形。由于无法直接观察肌肉内部,也无法精确追踪兴奋-收缩耦联动力学的时空特性,我们对这些事件之间内在关系的理解一直受到限制。为解决这些问题,我们构建了一种集成了多种成像模态的装置。具体而言,该装置整合了一台明场显微镜,用于测量肌节长度和组织应变的局部变化;一台荧光显微镜,用于可视化钙离子2+ 瞬态,以及光学相干断层扫描仪用于捕捉组织的几何结构 心脏周期内随时间变化的成像基础设施及相关数据采集框架。数据采集自称为肉柱的离体条状组织结构。在我们的仪器中,一对位置可控的铂金钩固定组织两端 离体 在持续用富含营养的生理盐水溶液灌流肌肉样本的同时,通过两个独立控制的钩子实现对肌肉长度和张力的实时调控。沿长度方向的平移运动可对样本进行分段扫描,从而克服显微镜成像窗口(540 µm × 540 µm)与典型小梁肌长度之间相对尺寸不匹配所带来的限制。>2000 µm)。肌肉腔两端的铂电极以用户设定的频率刺激心肌小梁。我们利用该刺激信号作为触发信号,用于同步各个成像窗口的数据,从而重建稳态条件下整个样本的收缩过程。对这些明场成像数据应用图像处理技术,可获得组织位移和肌节长度图谱。此类数据集合若整合至实验-建模流程中,将有助于深入理解生理与病理生理状态下肌肉收缩的均一性与非均一性。
灌流离体心脏肌肉组织样本是研究心肌离子激活与力学特性的标准且广泛应用的实验方法1。特别是从心室壁分离出的条索状结构——小梁肌的制备,使得研究人员能够评估包括收缩的长度依赖性激活2、收缩的牵张依赖性反应3,4以及心肌组织舒张期黏弹性5在内的多种生理现象。该离体小梁肌灌流技术的开创者Ter Keurs最初结合使用荧光成像技术测量Ca2+浓度,以及激光衍射技术测定肌节长度2,5。自这些早期研究以来,利用基于二维快速傅里叶变换(FFT)的方法对明场显微图像进行分析,以更高空间分辨率提取肌节长度信息,已成为越来越普遍的做法6。这两种成像系统的结合应用,可部分揭示Ca2+释放与肌节长度依赖性张力产生之间的内在关系。
心肌具有横纹,其可见的条带结构与由粗肌丝和细肌丝组成的收缩单位的有序排列相关。构成肌节的这些肌丝之间的相互作用是力量生成的基础,该过程启动如下: a 去极化电信号,即动作电位,引起电压依赖性L型Ca2+ 细胞膜上的通道打开; 随之而来的细胞内Ca²⁺流入2+ 诱导 Ca 的释放2+ 来自肌质网(SR),一种细胞内钙2+ 储存,这一过程称为 Ca2+诱导的 Ca2+ 释放7;细胞内 Ca²⁺ 浓度的这种突然升高2+ 浓度在纳摩尔至微摩尔范围内即可启动力的产生; Ca2+ 泵持续挤出 Ca2+ 从胞质溶胶返回肌浆网和细胞外区室; 当细胞内 Ca2+ 当浓度恢复至纳摩尔范围时,肌肉停止产生力量并随之舒张。在力量产生过程中,粗细肌丝相互滑动。肌节长度决定了两者重叠的程度,从而宏观上决定了肌肉产生力量的潜力。
本文将这些荧光-明场成像技术进一步扩展,以结合光学相干断层扫描(optical coherence tomography, OCT)。OCT 利用光的干涉物理原理,能够获取组织的几何形变,从而研究肌肉收缩的异质性8。我们的设备(图1)采用的是谱域 OCT(spectral-domain OCT, SD-OCT)系统。在 SD-OCT 中,一个分束器将来自宽带短相干长度超辐射发光二极管的光分为参考臂和测量臂。参考臂包含一个固定镜面,测量臂则包含一个二维检流计用于引导光束。从样品返回的散射光被收集后,与参考臂中反射的光发生干涉,形成干涉图样。深度信息被编码在光谱条纹的频率中。为了提取这些信息,信号通过光谱仪,然后对结果进行逆快速傅里叶变换(inverse FFT)。相应的 1D 信号代表不同深度的结构,对应于折射率的变化9(A-scan)。通过沿单一轴线偏转激光,可以构建出感兴趣样品的横截面图像(B-scan);类似地,通过在另一轴向上以步进方式重复该过程,可生成三维图像(C-scan)。进一步地,基于外部触发信号,可在同一切片位置连续采集一系列 B-scan,用于呈现具有时间变化特征的重复性样本,并重复该过程以生成三维扫描图像,从而表示一幅随时间变化的平面图像10。
在整合三种成像系统时,我们考虑了以下两个原则。第一,成像传感器不应检测到来自其他成像模式的光信号;第二,物理设计应至少为三个同时进行的成像平面预留自由空间。为满足第一个要求,明场显微镜采用波长为660 nm的LED光源,在倒置构型下对样品进行照明。荧光显微镜采用落射荧光构型,使用同一物镜进行激发光照射和发射光收集。激发光波长范围为340 nm至380 nm,而发射光由光电倍增管(PMT)在510 nm波长处检测。一对二向色镜使这两条光学路径能够在不干扰彼此测量的前提下共享相同的空间位置(图2)。最后,光学相干断层扫描(OCT)使用中心波长为840 nm、光谱宽度为100 nm的宽带光源,该波长与其他两种成像方式明显不同。由于OCT所用光源具有低相干性,来自明场-荧光光源的任何散射光均不会影响编码深度信息的干涉图样。为满足第二个要求,毛细管的外壳设计使得样品的前侧、下侧和上侧平面均具有可访问的光学通路。在实验过程中,两根铂金钩将一条小梁肌固定于充满含氧克雷布斯-亨塞尔莱特(KH)溶液的毛细管内。OCT的检流计扫描头被正交地安置于明场-荧光成像光路,以利用第三个正交的光学平面(图3)。
本文概述了构建一种能够同时成像钙离子、肌节长度和肌肉几何结构装置的设计考量。为展示这些测量能力,我们描述了心室小梁肌的分离过程、所需缓冲溶液的配制,以及组织处理和荧光染料加载过程中的关键步骤 离体 小梁。最后,本文概述了将数据集转化为更具实用性的可视化图像所需的过程。
The University of Auckland's Animal Ethics Committee approved the handling of rats and the preparation of tissue samples.
1. Imaging calibration
2. Muscle sample preparation
3. Experimental protocol
NOTE: The device13 used for this experiment was built in-house and uses custom control code. The necessary considerations for the design of a device built to replicate these data are two independently actuated mounting hooks, a measurement chamber with three optically clear axes (Figure 3), and an external trigger line that synchronizes the brightfield and OCT cameras with the stimulator. The PMT voltage and force signal were collected using analog DAQ cards, the images from the OCT and brightfield microscope were collected using Camera Link frame-grabber cards, and the stimulus signal was collected using a digital I/O card. Data were stored offline using a set of producer consumer loops to maintain temporal alignment.
4. Process the brightfield image dataset
5. Process the fluorescence data
6. Process the OCT imaging data
为了获取此处所示心室肌小梁全长的区域性 Ca2+ 和明场信息,共需要七个肌肉位置。图6 表明,这种移动并未干扰收缩力,说明主动收缩力的产生不存在位置依赖性。
使用光学相干断层扫描以100 Hz的速率采集的B扫描图像,通过ImageJ插件WEKA14进行分割(图7A)。由于横向分辨率(10 µm)与轴向分辨率(心肌中为1.73 µm)不同,每个横截面均呈现扭曲。该扭曲通过将图像的深度轴按横向分辨率与深度分辨率的比值进行缩放而得以校正。图7B、C显示,在对小梁肌原始C扫描图像进行缩放后,其几何形状近似为圆柱形。测量室壁的反射信号有时会与肌肉信号重叠(图7A、B),但分割软件可经训练以消除该干扰(图7D、E)。完成分割后,可在整个收缩过程中计算肌肉长度方向上的横截面积(图7F)。需注意,该特定小梁肌具有一小分支从主干伸出,分支的运动在距小梁肌约0.75 mm处清晰可见。最后,分割后的图像可转换为网格,以辅助构建几何模型(图7G)。
以100 fps的速率在小梁不同位置捕获的成像数据被拼接在一起,生成小梁的单个完整图像(图8A)。这些图像的分辨率为0.535 µm/像素。在相邻窗口的重叠区域使用线性加权函数有助于可视化,并最小化明场图像中晕影效应的影响。为测量荧光信号,采用波长分别为340 nm、365 nm和380 nm的光以600 Hz的频率循环照射小梁上一个540 µm × 540 µm的区域。由340 nm和380 nm激发光引起的发射荧光强度之比,反映了用Fura-2负载后小梁细胞内的钙离子浓度。由于该测量为比值形式,有效测量速率为200 Hz。每个窗口测得的细胞内Ca2+瞬变信号经平均(n = 10)后,与其成像区域对齐(图8B)。尽管瞬变信号的峰值表现相对一致,但沿小梁900 µm至1800 µm区域的舒张期[Ca2+]较低。类似地,位移追踪结果(图8C)和肌节长度计算结果(图8D)也表明存在区域性差异。所使用的无标记追踪技术能够在具有足够对比度的情况下处理每个像素的位移。在绘制肌节长度分布图时,采用128像素 × 128像素(约67 µm × 67 µm)的互相关区域来计算局部肌节长度。当样本接近最佳肌节长度时,该区域大约包含29个肌节。在处理这些数据时,每个互相关窗口质心之间的步长(在x-和y-方向上)设定为50像素(约26 µm)。肌节长度估计的可靠性基于对FFT信号进行高斯拟合的宽度和幅度进行检验。在小梁0 µm至500 µm的肌肉区域,这些条件未被满足,因此无法在此区域计算肌节长度信息。结合相关的位移数据,推测该区域的肌节在收缩期发生了拉长。与此推测一致的是,小梁右侧区域的平均肌节长度在该时期缩短。综合各图板提供的信息可见,横截面积最大的区域并未产生最显著的力。假设Ca2+瞬变的区域性变化具有近似平滑的梯度,则图8B表明,最大振幅的Ca2+瞬变发生在沿小梁1300 µm至1600 µm之间的某处。位移图显示,运动幅度最小的区域与Ca2+瞬变峰值位置高度吻合。然而,该区域的横截面积是样本中最小的。基于这些数据,可以推断该区域产生了最大的应力。

图1心肌细胞计的标注图像。 主要光学元件均已标出。插图为显微镜物镜的放大后视图 原位测量室下方 请点击此处以查看此图的放大版本。

图2:明场与荧光显微镜同步成像的光路示意图。 荧光显微镜的照明光源为氙弧灯,其输出光在340 nm、365 nm和380 nm波长之间循环切换。弧光灯的输出光路中包含一个截止波长为409 nm的二向色镜,该镜将紫外光反射至另一反射镜,再导入荧光显微镜物镜。物镜将激发光聚焦至样品,并收集波长更长(510 nm)的发射光。该发射光可透过第一个二向色镜,但无法透过第二个二向色镜(其截止波长为552 nm)。随后,场镜将反射光聚焦至光电倍增管(PMT)的传感器上。与此同时,明场显微镜的照明光源(660 nm LED)位于样品上方。透射光经聚光镜聚焦至样品,由20×荧光物镜捕获透射图像。明场照明所用波长超过两个二向色镜的截止波长,因此可同时透过两者,最终成像于CMOS相机传感器上。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3测量室支架设计 (A) 测量室支架的等距视图,叠加了光路。明场照明来自上方表面(z-轴);荧光照明来自下方表面(z-轴),而OCT测量臂信号垂直于另一照明轴(y-轴)。实验过程中,两根铂金钩将心室肌条固定于一根玻璃毛细管内,该毛细管作为测量腔室。每个铂金钩由音圈电机控制,其位置通过激光干涉仪测定。系统将实时位置与用户设定的目标值进行比较,并通过现场可编程门阵列(FPGA)中编码的PID控制器最小化误差。B测量室 原位 在明场照明开启的情况下。后视图如下所示 图1 插图. (C) 流经测量室支架的灌流液流动示意图。灌流液从模块后方进入,并沿箭头所示方向流动。上游和下游电极建立电场刺激,以诱发测量室内固定的心室小梁肌收缩。蓝色阴影表示实验过程中灌流液流经的区域。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图4:图像采集与控制软件的前面板。(A)明场成像用户界面。(B)OCT成像用户界面。(C)硬件控制用户界面。请点击此处查看此图的放大版本。

图 5:小梁肌解剖与固定方案。(A)置于解剖室中的经Langendorff灌流的大鼠心脏。 (B) 同一心脏,心房已被切除。虚线表示切开心室的切割路径。(C)打开的心脏,以暴露两个心室的内部结构。虚线框标示出小梁肌通常所在区域。(D)已切除的右心室壁区域(与C图中虚线框所示区域相同)。虚线突出显示三条小梁肌。(E)从D图三条小梁肌中选取的一条。(F)E图中小梁肌,周围心室壁组织已被去除。(G)分离后的小梁肌置于1 mL注射器末端。(H)小梁肌置于固定室中。(I)小梁肌固定于两根铂金钩之间。(J)固定于钩上的小梁肌置于测量室中(图 3B)。绿色斑点为第一片二向色镜产生的伪影。(K)固定后小梁肌在测量室中的另一角度视图。小梁肌与显微镜物镜之间的距离约为1 mm。请点击此处查看该图的放大版本。

图6:力测量的位置依赖性。 来自各个成像位置的肌肉产生的力(n = 7)叠加显示。平均主动产力为 0.527 mN ± 0.003 mN,达到50%收缩的时间为 77.1 ms ± 0.3 ms,达到50%舒张的时间为 328.1 ms ± 0.9 ms(所有数据均以均值 ± 标准误表示)。请点击此处查看该图的放大版本。

图7:OCT成像分析。(A)WEKA分割示例。肌肉的分割横截面以红色突出显示,背景以绿色突出显示。(B)小梁原始C扫描数据的俯视图。图像顶部附近的亮斜线为测量室壁的反射。(C)小梁原始C扫描数据的侧视图。(D)分割后OCT数据的俯视图。(E)分割后OCT数据的侧视图。(F)沿小梁长度方向(x轴)随时间(y轴)变化的横截面积。沿肌肉长度的平均横截面积为0.0326 mm2 ± 0.0005 mm2(均值 ± 标准误)。(G)小梁的网格模型。该网格大致与F图面板中的横截面积图对齐。请点击此处查看该图的放大版本。

图8:明场与荧光成像分析。(A)心室小梁的拼接图像(七个成像区域)。(B)沿心室小梁长度方向的 Ca2+ 瞬变信号。(C)每个成像区域的平均 x 方向位移。正值表示向右运动,负值表示向左运动。(D)具有足够图像对比度的每个成像区域的平均肌节长度。请点击此处查看该图的放大版本。
表1:溶液配制表 请点击此处下载该表格。
在本研究中,我们提出一种配置方案,可集成包含明场、荧光和光学相干断层扫描(OCT)成像的三个光学系统,以采集正在主动收缩组织的多模态数据 离体 心室小梁(图1 和 图2)。这种协调一致的整合之所以能够实现,得益于测量室的设计(图3)以实现OCT与明场-荧光轴的正交排列。肌肉固定系统在同步量化表征心肌兴奋-收缩动态关键指标的成功中同样起着至关重要的作用。该系统的创新之处在于能够在对肌肉机械性能无明显干扰的情况下进行肌肉扫描操作。图6)。结合成像配置与用于力测量的电机钩系统,该系统可评估心肌细胞内钙信号的区域性异质性2+ 瞬时位移与肌节长度,以及在整个收缩时程中收缩小梁的宏观几何信息图7 和 图8).
鉴于明场-落射荧光成像系统在心脏研究实验室中的广泛应用,只需进行一些简单的硬件调整即可重现本研究结果。本文介绍了用于整合明场-落射荧光成像与光学相干断层扫描(OCT)的图像处理工具包,这对于分析潜在的收缩异质性至关重要。OCT 的集成需要一条无遮挡的光路,而门控成像则需要在刺激装置与 OCT 及明场成像相机之间连接外部触发信号线,同时还需要能够在整个测量腔室内移动样品的肌肉固定钩。所需的所有后期处理软件和方法均可免费获取。特别是所使用的分割软件 WEKA14 为开源软件。无标记材料点追踪技术8、肌节长度分析、门控三维成像10 以及网格生成代码同样可获取,并可根据要求向通讯作者申请获得。
肌肉活性、Fura-2 的最佳负载以及成像聚焦是成功实验的三大基础。使用含有 BDM 的解剖溶液以防止肌肉挛缩,通过注射器运输肌肉组织,持续对溶液进行氧合,以及在实验当天配制新鲜的实验溶液,这些措施均有助于实现较高的肌肉活性。在用 Fura-2AM 对小梁肌进行负载之前,必须针对所研究的每种条件采集自发荧光信号,因为自发荧光可能对测得的 Ca2+ 瞬变信号产生显著影响15。由于 Fura-2AM 负载溶液中需加入表面活性剂 Pluronic-F127 以促进染料负载,这使得溶液的氧合过程变得复杂。为应对该表面活性剂引起的过度起泡问题,在负载溶液中加入少量消泡剂可使操作者提高氧合速率,从而增加小梁肌在整个负载过程中维持功能活性的可能性。最后,成像聚焦必须沿肌肉全长保持均匀,以最大化明场和荧光信号的信噪比。
本研究所述方法存在两个局限性。首先是荧光显微镜的空间分辨率问题。尽管光学相干断层扫描(OCT)和明场成像的空间分辨率较高,但荧光显微镜的分辨率受限于在540 µm × 540 µm成像窗口内捕获的荧光信号体积的积分。可通过使用高增益电荷耦合器件(CCD)相机替代光电倍增管(PMT)来捕获荧光信号,从而提高荧光显微镜的空间分辨率,但代价是信噪比降低16。第二个局限性在于可研究的小梁直径,这关系到可测量的肌节长度和几何 深度。用于计算肌节长度的加窗快速傅里叶变换(windowed-FFT)方法虽具有提高空间分辨率的优势,但其鲁棒性有所降低(图8D)。当研究浑浊或大直径的小梁时,由于较大组织样本中肌节条带对比度降低,FFT的可分辨能力将显著下降。同样,在OCT成像中,成像深度超过300 µm时的背向反射信号在分割阶段将过于微弱而无法分辨。因此,本技术仅适用于直径小于300 µm的小梁。然而,不建议研究大直径样本,因为在高频刺激条件下,肌肉核心区域可能存在氧气扩散不足的问题17。
我们的方法能够评估健康和病变肌肉中与肌肉几何结构相关的离子力学功能,为深入理解心肌生理学、病理生理学和药理学提供了有力手段。本文所述的图像处理流程可提取关键数据,有助于更深入地理解收缩异质性。充分发挥此类丰富数据集潜力的一个途径是构建数学模型,以整合和解读这些数据,并利用我们的设备通过实验验证模型所做出的预测。
作者无任何利益冲突需要披露。
本研究获得了奥克兰大学博士奖学金(授予 JD 和 MC)、新西兰卫生研究理事会 Sir Charles Hercus 健康研究研究员项目(编号 20/011 和 21/116,分别授予 J-CH 和 KT)、新西兰国家心脏基金会博士奖学金(授予 AA)、新西兰皇家学会 Marsden Fast-Start 研究基金(编号 UOA1504 和 UOA1703,分别授予 J-CH 和 KT)以及新西兰皇家学会 James Cook 研究员项目(授予 AT)的资助。本仪器的最初开发由新西兰皇家学会 Marsden 基金(编号 11-UOA-199,授予 AT 和 PN)资助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 2,3-丁二酮单肟 | Acros Organics | 150375000 | |
| 20× 显微镜物镜 | Nikon | CFI Super Fluor 20× | NA 0.75 |
| 二维振镜 | Thorlabs | GVSM002/M | |
| 50-50 分束器 | Thorlabs | FC850-40-50-APC | |
| 90-10 分束器 | Thorlabs | TW850R2A2 | |
| 模拟输入模块 | National Instruments | NI-9205 | 以 200 kHz 采样 PMT 信号 |
| 明场成像光源 | CoolLED | PE-2 | 660 nm LAM |
| 宽带光源 | Superlum | Broadlighter-840 | |
| CaCl2 | Sigma-Aldrich | C4901 | |
| Cameralink 采集卡 | National Instruments | NI-1429 | 明场成像图像采集卡 |
| 碳酰气(5% CO₂ + 95% O₂) | BOC | 气体编号:181 | |
| 聚光镜 | Nikon | LWD 0.52 | |
| D-(+)-葡萄糖 | Merck | 108337 | |
| 数据采集设备(DAQ) | National Instruments | NI-6259 | 触发振镜运动 |
| 二向色镜 1 | Semrock | FF409-Di03 | |
| 二向色镜 2 | Semrock | FF552-Di02 | |
| 衍射光栅 | Wasatch Photonics | 1200 线/mm @840 nm | |
| 二甲基亚砜 | Sigma-Aldrich | 276855 | |
| Direct-Q 3 UV 系统 | Merck Millipore | ZRQSVR3WW | 纯水制备系统 |
| 干式恒温器 | Corning | 6875-SB | LSE 数字干浴器 |
| FIJI | ImageJ | 开源图像处理软件 | |
| Fura-2AM 五钾盐 | Thermofisher | F14186 | |
| 硬件 FPGA 卡 | National Instruments | NI-7813R | 同时控制明场图像采集的触发 |
| 肝素 | Pfizer | 61024 | |
| HEPES | PanReac AppliChem | A1069 | |
| 倒置显微镜 | Nikon | TI-DH 照明支柱 | |
| 异氟烷 | MedSource | VAPDRUGISO250 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P9541 | |
| KH2PO4 | Sigma-Aldrich | P5655 | |
| 线扫描相机 | Basler | spL2048-70km | 光谱仪相机 |
| 磁力搅拌器 | IKA | 3810000 | RCT basic |
| Matlab | Mathworks | 数据处理代码 | |
| MgCl2 | Sigma-Aldrich | M8266 | |
| MgSO4.7H2O | Sigma-Aldrich | M1880 | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 71376 | |
| NaH2PO4.2H2O | Sigma-Aldrich | 71505 | |
| NaHCO3 | Sigma-Aldrich | S6014 | |
| OCT FPGA 卡 | National Instruments | NI-1483R | |
| 氧气瓶 | BOC | 气体编号:100D | |
| pH 计 | Mettler Toledo | MP220 | |
| 光电倍增管 | Hamamatsu | H7422-20 | |
| Powerload | Thermofisher | P10020 | |
| 超发光二极管 | Broadlighter | D-840 | |
| 跨阻放大器 | 定制 | ||
| 三(羟甲基)氨基甲烷 | Sigma-Aldrich | 252859 | |
| Wistar 大鼠 | Vernon Jansen Unit | 8 – 10 周龄 | |
| 氙弧灯 | Sutter Instrument | DG-4 | Lambda DG-4 |
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