使用多种荧光染色和组织清除方法以3D模式展示毛茸茸和光滑的皮肤神经支配

摘要

组织切片的厚度限制了皮肤神经支配的形态学研究。本方案描述了一种独特的组织清除技术，用于在共聚焦显微镜下可视化300μm厚组织切片中的皮肤神经纤维。

摘要

皮肤神经支配是周围神经系统的重要组成部分。虽然对皮肤神经纤维的研究进展迅速，但对其分布和化学特性的大部分理解来自对薄组织切片的常规组织化学和免疫组织化学染色。随着组织清除技术的发展，已经可以在较厚的组织切片上观察皮肤神经纤维。本方案描述了从大鼠后足的足底和背侧皮肤（两个典型的毛茸茸和光滑的皮肤部位）以300μm的厚度对组织切片进行多次荧光染色。这里，降钙素基因相关肽标记感觉神经纤维，而鬼臼肽和淋巴管内皮透明质酸受体1分别标记血液和淋巴管。在共聚焦显微镜下，标记的感觉神经纤维在更长的距离上完全跟随，在深层皮肤层成束运行，在浅层自由泳。这些神经纤维平行于或包围血管，淋巴管在毛茸茸的皮肤中形成三维（3D）网络。从方法论的角度来看，目前的方案提供了一种比现有传统方法更有效的研究皮肤神经支配的方法。

引言

皮肤是人体最大的器官，作为环境的关键界面，由许多神经纤维^1，2，³密集支配。尽管皮肤神经支配以前已经通过各种组织学方法进行了广泛的研究，例如在全贴片皮肤和组织切片上染色^{4，5，6，但}皮肤神经纤维的详细有效演示仍然是一个挑战^7，8。鉴于此，本方案开发了一种独特的技术，可以在厚组织切片中更清楚地显示皮肤神经纤维。

由于切片厚度的限制，对受支配的皮肤神经纤维的观察不够精确，无法从获得的图像信息中准确描述降钙素基因相关肽（CGRP）神经纤维与局部组织和器官之间的关系。3D组织清除技术的出现为解决这一问题^提供了一种可行的方法9^，10。近年来，组织清除方法的快速发展为研究组织结构，整个器官，神经元投影和整个动物提供了许多工具¹¹.透明的皮肤组织可以通过共聚焦显微镜在更厚的部分成像，以获得可视化皮肤神经纤维的数据。

在目前的研究中，选择大鼠后足的足底和背侧皮肤作为毛茸茸和光滑皮肤的两个靶位^点3，4，7。为了在更长的距离上追踪皮肤神经纤维，将皮肤组织切片在300μm的厚度下进行免疫组织化学和组织化学染色，然后进行组织清除处理。CGRP用于标记感觉神经纤维^12，13。此外，为了突出组织背景上的皮肤神经纤维，还进一步使用鬼笔分析蛋白和淋巴管内皮透明质酸受体1（LYVE1）分别标记血管和淋巴管^14，15。

这些方法提供了一种简单的方法，可用于展示皮肤神经纤维的高分辨率视图，并可视化皮肤中神经纤维，血管和淋巴管之间的空间相关性，这可能为了解正常皮肤的稳态和病理条件下的皮肤改变提供更多的信息。

方案

本研究经中国中医科学院针灸研究所伦理学委员会批准（参考编号D2018-04-13-1）。所有程序都是根据《国家卫生研究院实验动物护理和使用指南》（国家科学院出版社，华盛顿特区，1996年）进行的。本研究使用了三只成年雄性大鼠（斯普拉格 - 道利，体重230±15g）。所有动物都被饲养在12小时的光/暗循环中，温度和湿度受控，并允许自由获取食物和水。

1. 灌注和样品制备

1. 将250mg / kg三溴乙醇溶液（见 材料表）腹膜内注射到大鼠中以诱导安乐死。
2. 一旦呼吸停止，使用不锈钢手术剪刀打开大鼠的胸腔。使用20G针头以3mL / min的速率 通过 左心室¹³ 与100mL的0.9%生理盐水灌注，然后在0.1M磷酸盐缓冲液（PB，pH 7.4）中灌注250-300mL 4%多聚甲醛（图1A，B）。
3. 灌注后，使用手术刀从后爪上取下背侧和鞋底的皮肤。
   1. 对于需要冷冻切片的样品，将组织在0.1 M PB的4%多聚甲醛中后固定2小时;然后在4°C下在0.1 M PB的25%蔗糖中冷冻保护组织超过24小时
   2. 对于具有需要组织清除的厚切片的样品，将组织固定在1x磷酸盐缓冲盐水（1x PBS）中的4%多聚甲醛中2小时;然后在4°C下冷冻保护1x PBS中的组织（图1C-E）。

2. 使用CGRP、鬼牙盯和LYVE1进行三重荧光染色，然后进行组织清除处理

注意:使用CGRP，鬼笔蓝和LYVE1进行三重荧光染色，以揭示组织清空处理后厚度为300μm的组织切片上毛茸茸和光滑皮肤中的神经纤维，血管和淋巴管。

1. 通过在微型烤箱中加热2分钟直到琼脂糖溶解，在1x PBS中制备2%琼脂糖（参见材料表）。
2. 洗涤后，将皮肤组织包埋在37°C的2%琼脂糖中，并将其置于冰箱内冷却（图1F，G）。
3. 用冰水将安装的组织固定在振动切片机上，并在横向方向上以500μm的厚度将其切片。使用以下参数设置振动切片机并完成切片:速度为 0.50 mm/s，振幅为 1.5 mm（图 1H-K）。
4. 切片后，从切片中取出琼脂糖，并将其储存在具有1x PBS（pH 7.4）的六孔板中（图1L）。
5. 将组织切片在2%曲拉通X-100的溶液中在4°C下在1x PBS（TriX-PB）中孵育过夜。 有关以下过程，请参见 图 2 。
6. 将组织切片放入封闭缓冲液中，并在4°C下在振荡器上以72rpm旋转过夜。
   注意:封闭缓冲液组成是1x PBS中的10%正常驴血清，1%Triton-X 100和0.2%叠氮化钠（见 材料表）。
7. 将组织切片转移到含有小鼠单克隆抗CGRP（1:500）和绵羊多克隆抗LYVE1抗体（1:500）的一抗的溶液中，在微量离心管的稀释缓冲液中（参见 材料表），并在4°C下在摇床上旋转2天。
   注意:稀释缓冲液组成为1%正常驴血清，0.2%Triton-X 100和0.2%叠氮化钠在1x PBS中。
8. 在室温下用洗涤缓冲液洗涤组织切片两次，然后将其保持在振荡器上以4°C在洗涤缓冲液中过夜。
   注意:洗涤缓冲液成分为 0.2% Triton-X 100，单位为 0.1 M PB （pH 7.4）。
9. 第二天，将组织切片转移到含有驴抗小鼠IgG H&L Alexa-Flour488（1:500）和驴抗羊IgG H&L Alexa-Flour405（1:500）以及Alexa-Flour594鬼菁（1:1000）的混合溶液中（参见 材料表），并在4°C下在摇床上以72rpm旋转5小时。
10. 在室温下用洗涤缓冲液在六孔板中洗涤组织切片1小时，两次。将组织切片保存在振荡器上的洗涤缓冲液中，在4°C下过夜。
11. 将组织切片转移到组织清除试剂中（参见 材料表，其体积是样品体积的五倍），并在室温下在振荡器上以60rpm轻轻旋转1小时。
    注意:在此处理后，组织切片变得清晰（图2B）。
12. 将清除的组织安装在载玻片上，用垫片圈住组织，并用新鲜的组织清除试剂和盖玻片粘住间隙。

3. 使用CGRP、鬼菁素和LYVE1进行三重荧光染色，遵循常规方法

注意:作为比较，按照常规技术对厚度为30μm的组织切片进行了相同的染色。

1. 在横向切片机上以30μm的比例切片组织切片，并将其安装在载玻片上。
2. 在0.1M PB中加入含有3%正常驴血清和0.3%Triton X-100的封闭溶液，并在室温下孵育切片30分钟。
3. 取出封闭溶液，并将切片与含有小鼠单克隆抗CGRP（1:500）和绵羊多克隆抗LYVE1抗体（1:500）的一抗原抗体的溶液在4°C的稀释缓冲液中孵育过夜。
4. 第二天，用0.1 M PB（pH 7.4）洗涤组织切片三次，加入含有驴抗小鼠IgG H&L Alexa-Flour488（1:500）和驴抗羊IgG H&L Alexa-Flour405（1:500）的混合溶液，并在切片上孵育1小时。
5. 在显微镜观察之前，用0.1 M PB（pH 7.4）洗涤切片三次，然后用50%甘油的盖玻片覆盖它们。

4. 成像和分析

1. 在荧光显微镜下观察染色的样品，然后使用共聚焦显微镜拍摄图像。
2. 从每个300μm厚的部分捕获30张图像（Z轴堆叠），每张图像在10μm帧中，并使用共聚焦显微镜系统的图像处理器集成单个聚焦图像（参见 材料表）。
   1. 在共聚焦设置的图像处理软件中执行以下步骤以进行三维（3D）分析: 设置"开始焦平面"|设置"结束"焦平面|设置步长|选择深度图案|图像捕获|Z 系列。
      注意:蓝色荧光信号的激发和发射波长分别为401 nm和421 nm。绿色荧光信号的激发和发射波长分别为499 nm和519 nm。红色荧光信号的激发和发射波长分别为591 nm和618 nm。152μm是共聚焦针孔的直径（10x物镜，NA:0.4）。图像捕获分辨率为1024×1024像素。
3. 对于常规样品（步骤3），从每个30μm厚的切片中以1μm帧捕获30张图像（Z-堆栈），并如上所述进一步处理这些图像（步骤4.1-4.2）。
4. 使用图像处理系统以3D重建模式演示图像。
5. 通过将 Z-stack 共聚焦图像导入 Imaris 9.0（细胞成像软件，参见 材质表）来执行 3D 重建，并根据污渍强度创建表面渲染: 添加新表面|选择源通道|确定"曲面详图"|的平滑选项中的参数确定"绝对强度"阈值选项中的参数|对表面进行分类 |完成。
6. 使用细胞成像软件获取正神经纤维表面积的数据。 选择渲染的图像|统计|详细|特定值|音量。

结果

三重荧光染色后，神经纤维，血管和淋巴管分别在毛茸茸和光滑的皮肤中用CGRP，鬼臼素和LYVE1清楚地标记（图3，4）。通过清除治疗，可以在更深的深度对CGRP阳性神经纤维，鬼臼肽阳性血管和LYVE1阳性淋巴管进行成像，以获得皮肤的完整结构信息（图3）。当这些组织结构以3D模式进一步重建时，它们的分布变得更容易追踪。结果表明，CGRP阳性神经纤维通过皮下组织和真皮到达表皮。这些神经纤维在皮下组织中成束运行，在真皮内分支，并在表皮中终止（图3）。相反，鬼臼阳性血管和LYVE1阳性淋巴管分布在皮下组织和真皮中（图3）。通常，CGRP阳性神经纤维平行或包围血管和淋巴管，在毛茸茸的皮肤中形成3D网络。

使用常规方法，尽管神经纤维，血管和淋巴管在薄片中用CGRP，鬼脙肽和LYVE1清楚地标记，但这些结构的观察受到切片厚度的限...

讨论

本研究通过在较厚的组织切片上使用免疫荧光进行清除处理和3D视图以更好地了解皮肤神经支配，详细演示了毛茸茸和光滑皮肤中的皮肤神经纤维。长达1-2天的抗体孵育时间和过夜清洁过程非常重要。这两个关键步骤直接影响厚切片的免疫荧光染色效果。抗体的选择提出了另一个问题，并非所有抗体都适用于厚切片。我们推测，分子量较小的抗体可能是厚切片免疫荧光染色的理想选择。因此，抗体选择的难度是这种方法的主要局限性。本研究已经观察到大鼠毛茸茸和无毛皮肤上血管，淋巴管和神经分布的差异。对于人类来说，皮肤结构与啮齿动物的皮肤结构非常不同;我们期待在下一步中使用组织清除技术来观察和研究人体皮肤。

以前的研究已经做出了许多努力来揭示皮肤神经纤维^{4，5，6，7，8}。与传统的组织切片研究相比，近年来...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
1x 磷酸盐缓冲盐水	Solarbio Life Sciences	P1020	pH 7.2-7.4， 0.01 Mol
2,2,2-三溴乙醇	Sigma Life Science	T48402-5G
共聚焦荧光显微镜	Olympus Corporation	Fluoview FV1200
驴抗小鼠 IgG H&L Alexa-Flour488	Abcam plc.	ab150105
驴抗绵羊 IgG H&L Alexa-Flour405	Abcam 公司	ab175676
EP 管	无锡巢生物科技有限公司	615001	1.5 mL
冷冻台滑动切片机系统	Leica Biosystems	CM1860
Imaris Software	、Oxford Instruments	v.9.0.1
IRIS 标准剪刀	WPI（World Precision Instruments， Inc.）
503242 iSpacer	SunJin Lab co.	IS005
微型镊子-Str	RWD	F11020-11
小鼠单克隆抗 CGRP 抗体	Santa cruz biotechnology， Inc.	sc-57053
中性缓冲福尔马林	Solarbio Life Sciences	G2161	10%
正常驴血清	Jackson ImmunoResearch Laboratories	017-000-12	10 mL
蠕动泵	Longer Precision Pump Co.， Ltd	BT300-2J
鬼笔环肽 Alexa-Fluor 594	Thermo Fisher Scientific	A12381
RapiClear 1.52解决方案	SunJin Lab 公司	RC152001	10 mL
常规琼脂糖	Gene Company Limited	G-10
SEMKEN 1 x 2 牙齿组织镊子-Str	RWD	F13038-12
绵羊多克隆抗 LYVE1 抗体	R&D Systems 公司	AF7939
六孔板	康宁公司	3335
叠氮化钠	Sigma 生命科学	S2002	25 g
蔗糖	Sigma 生命科学	V900116	500 g
Super Glue	Henkel AG & Co.	Pattex 502
手术手柄	RWD	S32003-12
Triton X-100	Solarbio 生命科学	9002-93-1	100 mL
氨基甲酸乙	Sigma 生命科学	U2500	500 g
VANNAS 弹簧剪刀	RWD	S1014-12
振动切片机	Leica Biosystems	VT1200S