本实验方案描述了对感染了自然寄生虫Heligmosomoides polygyrus的小鼠离体肠道进行NAD(P)H荧光寿命成像的方法,该方法可实现对宿主和寄生虫组织中代谢过程的空间分辨研究。
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本实验方案描述了对感染了自然寄生虫Heligmosomoides polygyrus的小鼠离体肠道进行NAD(P)H荧光寿命成像的方法,该方法可实现对宿主和寄生虫组织中代谢过程的空间分辨研究。
寄生虫通常对宿主的健康具有负面影响。由于寄生虫在全球范围内长期影响受感染人类或动物的健康,因此构成了巨大的健康负担,并进而影响农业及社会经济成果。然而,已有研究描述了寄生虫驱动的免疫调节效应,这些效应在自身免疫性疾病的治疗中可能具有潜在应用价值。尽管宿主与寄生虫的代谢过程均参与防御反应,并构成线虫在肠道内存活的基础,但由于缺乏适当的技术手段,该领域仍长期缺乏深入研究。我们开发并应用了NAD(P)H荧光寿命成像技术,对小鼠肠道组织在自然感染线虫Heligmosomoides polygyrus期间的代谢过程进行研究,实现了对宿主与寄生虫代谢活动的空间分辨分析。该方法利用辅酶烟酰胺腺嘌呤二核苷酸(NADH)和烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸(NADPH)——统称为NAD(P)H——的荧光寿命特性,这些辅酶在不同物种间高度保守,其荧光寿命依赖于它们与催化代谢反应的酶之间的结合状态及结合位点。通过聚焦于表达量最高的NAD(P)H依赖性酶类,我们区分了与无氧糖酵解、氧化磷酸化/有氧糖酵解以及以NOX介导的氧化爆发(一种主要防御机制)相关的代谢通路,并表征了感染过程中宿主与寄生虫之间的代谢交互作用。
寄生虫感染对人类健康造成巨大负担1,2在工业国家中,已观察到自身免疫性疾病发病率上升与寄生虫感染率下降之间存在相关性。已知寄生虫可通过抑制宿主过度的免疫反应而产生有益作用。 H. polygyrus 是一种在啮齿类动物肠道中发现的天然寄生虫,该寄生虫可诱导免疫调节机制,从而降低宿主的抗寄生虫免疫反应 通过,以及其他机制,包括在感染宿主中诱导调节性T细胞(Treg)3,4,5,6,7,8,9,10,11这些调控机制在退行性自身免疫性疾病中尤其受到关注。
尽管代谢在宿主和寄生虫的防御、生存与功能中均发挥重要作用,宿主与肠道线虫之间的代谢互作分析仍长期被忽视。我们拟采用并应用双光子激发下的NADH和NADPH荧光寿命成像技术——该技术已在哺乳动物细胞和组织的多种生理及病理生理条件下得到广泛应用12——以对活体组织中宿主与线虫的代谢活动进行关联性研究。
NADH 和 NADPH 被统称为 NAD(P)H,是存在于所有细胞生命形式中的普遍分子,在多种代谢途径中发挥辅酶的作用。例如,它们参与能量生成、还原性生物合成以及由 NADPH 氧化酶介导的活性氧(ROS)生成,这些过程主要与细胞防御和细胞间通讯相关13,14,15,16,17,20。这两种辅酶在 750 nm 的双光子激发下均能在约 450 nm 处发射荧光,从而实现无需标记的细胞和组织代谢成像19,21。由于 NADH 和 NADPH 具有相似且较宽的双光子激发光谱,因此可以使用单一波长同时激发这两种分子21。
辅酶NAD(P)H的荧光寿命直接取决于其结合的酶18,21,22,23。由于其化学结构允许分子内能量转移,激发态的NADH或NADPH分子在弛豫并发射荧光光子之前,会通过内转换过程以依赖于其与酶(催化剂)结合特性的速率损失能量。该寿命可揭示NAD(P)H在酶上的结合位点,从而反映正在发生的优势生化反应19,21,22,23,24,25。游离NADH和NADPH分子的荧光寿命约为450 ps,而当其与酶结合后,荧光寿命显著延长(约2,000 ps),并取决于其在相应酶上的结合位点21。
有超过370种酶参与NAD(P)H相关的生化过程;然而,只有丰度最高的酶才能在显微镜的激发范围内对最终的NAD(P)H荧光寿命产生显著贡献。利用哺乳动物细胞的RNA测序(RNASeq)数据,我们鉴定了最丰富的NAD(P)H依赖性酶,并建立了荧光寿命参考标准,用于解读组织和细胞样本中获得的数据18。因此,本研究能够区分例如乳酸脱氢酶(LDH)的优先活性——该酶与无氧糖酵解代谢途径相关,以及异柠檬酸脱氢酶(IDH)和丙酮酸脱氢酶(PDH)的活性——它们主要参与有氧糖酵解/氧化磷酸化代谢途径16,20。此外,由于NADPH氧化酶在细胞中具有特征性的定位(膜结合),且NADPH与其结合后表现出特别长的荧光寿命(3,650 ps),因此可清晰分辨NADPH与NADPH氧化酶的结合状态18,24,29,30,32。来自H. polygyrus的RNASeq数据显示,为哺乳动物细胞建立的这一参考标准经适当调整后同样适用于该线虫27。
因此,在本研究中,通过对感染了H. polygyrus的小鼠新鲜离体十二指肠样本进行NAD(P)H荧光寿命成像(FLIM),获得了关于游离态与酶结合态NAD(P)H比例的信息,该比例反映了所有组织中的总体代谢活性,以及图像中每个像素点主要活跃的酶(即在特定位置NAD(P)H优先结合的酶)。这些实验的成功依赖于离体肠道样本的精确制备、亚细胞分辨率下NAD(P)H荧光寿命的可靠活体成像,以及标准化的数据分析,这些内容将在本方案中详细讨论。
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所有实验均遵循国家动物保护指南,并经德国动物伦理委员会(批准号:G0176/16 和 G0207/19)批准。本方案描述了NAD(P)H荧光寿命成像的数据采集与数据分析方法,可用于评估宿主肠道及寄生虫在感染自然鼠类肠道线虫H. polygyrus后的一般代谢活性和特定代谢通路。为此,使用10至12周龄的雌性C57BL/6小鼠,每只感染200条三期幼虫(L3)。在感染后的不同时间点处死感染小鼠,取出十二指肠并按先前所述方法进行成像制备33。未感染的、年龄和性别相匹配的小鼠的十二指肠也以相同方式制备并成像,作为对照。为了维持组织适用于后续成像和分析所需的特性,样本在离体后必须立即处理,后续步骤(步骤1.1–1.7)需迅速完成(图1B)。
1. 样品制备
2. 成像
注意:用于对感染和健康十二指肠组织样本进行NAD(P)H-FLIM检测的显微镜系统由图2及材料表中列出并描述的设备组成。所有模块均使用ImSpector 208作为控制软件。
3. 数据分析
注意:对于 NAD(P)H-FLIM 图像的相量分析,计算寿命的程序是用 Python 编写的自定义代码33。
4. 组织分割
注意:分别使用预训练的基于 U-Net 的网络(ILASTIK,参见材料表)对宿主肠道和线虫组织进行分割,并进一步分割宿主中的上皮层和固有层,以及线虫中高 NAD(P)H 荧光信号区域和低 NAD(P)H 荧光信号区域。

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采用现有的NAD(P)H-FLIM方法28,29,33,并结合所述的相位图分析方法,对小鼠感染肠道线虫H. polygyrus后第6天、第10天、第12天和第14天的健康及感染十二指肠组织中的代谢活性与代谢通路进行了测量。
离体十二指肠中通过NAD(P)H-FLIM揭示的肠道组织活性保存
为了研究组织活性 离体 并确定离体组织样本与活体内的组织相比,其代谢活性可维持多长时间,对健康小鼠的离体十二指肠组织进行了NAD(P)H-FLIM检测,组织样本分为两种情况:(i) 刚切除的新鲜组织,或 (ii) 切除后置于冰上保存3小时的组织,并将结果与已发表的在麻醉小鼠肠道内获取的NAD(P)H-FLIM数据进行比较32切除的十二指肠制备及成像实验按照样本制备方案(步骤1)所述进行。<...
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实验方案中的关键步骤在于样本制备和感兴趣区域(ROI)的选取。部分消化的食物纤维对成像构成挑战,主要原因是纤维自身的内源性发光会与NAD(P)H荧光信号重叠,同时也因其产生谐波生成信号。因此,寻找不含粪便成分的ROI至关重要。我们力求避免在含有粪便的区域进行测量。未进行冲洗操作,因其可能破坏脆弱绒毛的完整性,并影响黏液的黏稠度。此外,整个制备过程建议每份样本控制在5–10分钟内完成,以防止组织退化和干燥。同时,所用低浓度琼脂糖可模拟肠道黏液的黏滞特性34因此,可确保在测量过程中绒毛不会塌陷,同时蠕虫能够自由移动。测量时间不得超过45分钟(图1A,B 和 图1A,B,C) 以保持细胞代谢成像的最佳条件。因此,感兴趣区域(ROI)的搜索不应超过15分钟。然而,为确保置于冰上的组织在加热板上充分升温至所需的37 °C,应在放置约10分钟后开始成像。成像通常持续45分钟(参见时间...
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作者声明不存在竞争性财务利益。
感谢 Robert Günther 提供出色的技术支持。衷心感谢德国研究基金会(DFG)提供的经费支持,包括项目号 SPP2332 HA2542/12-1(S.H.)、NI1167/7-1(R.A.N.)、HA5354/11-1(A.E.H.)和 RA2544/1-1(S.R.);SFB1444 项目 P14(R.A.N.、A.E.H.);HA5354/8-2(A.E.H.);GRK2046 项目 B4 和 B5(S.H.、S.R.)以及 HA2542/8-1(S.H.)。W.L. 获得了柏林应用技术大学应用科学学院(柏林)医学物理/物理工程专业的博士奖学金。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 琼脂糖 | Thermo fisher | J32802.22 | 超纯 |
| 钝头剪刀 | FST fine science tools | 14108-09 | 钝-钝 14 cm |
| Bodipy c12 | thermo fisher | D3822 | 1 mg 固体 |
| 控制单元,二极管,TCSPC | LaVision Biontech | 定制 | TrimScope II |
| DMSO | Thermo fisher | D12345 | 3 mL |
| 滤光片 | Chroma | 755 | 466 ± 20, 525 ± 25, 593 ± 20, 655 ± 20 nm |
| 手术铺巾 | Hartmann | 277500 | |
| 手套 | Sigma-Aldrich | Z423262 | 腈类 |
| 卤素光源 | Leica | 该产品已停产,不再供应 | KL 1500 LCD |
| hPMT | Hamamatsu, Germany | H7422 | GaAsP |
| Ilastik | Netlify | 免费软件 | Java 后端 |
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 | 免费软件 | FIJI - 标准插件 |
| Imspector | LaVision Biontech | - | 版本 208 |
| 活体成像载物台 | LaVision Biontech | 定制 | TrimScope II |
| 20倍物镜系统 | Zeiss | 定制 | W-plan-apochom 20x 水浸 NA 1.05 |
| 汞蒸气光源 | LaVision Biontech | 定制 | |
| 微型刷 | Fisher scientific | 22-020-002 | 85 mm |
| 显微镜 | LaVision Biontech | 定制 | TrimScope II |
| 示波器 | Rhode & Schwarz | 1326.2000.22 | |
| PBS | Sigma-Aldrich | AM9624 | 0.5 L |
| 培养皿 | Sigma aldrich | P5606 | 40 x 15 mm |
| 移液器 | thermo fisher | 4651280N | 单通道移液器 |
| 移液器吸头 | thermo fisher | 94056980 | 带滤芯吸头 |
| PMT | Hamamatsu, Japan | H7422 | GaAsP |
| Python | Python Software foundation | 免费软件 | Anaconda 3.7 Spyder IDE,含 KYTE 的标准库 |
| 体视显微镜 | Leica | 该产品已停产,不再供应 | M26,6.3x 变焦 |
| Ti:Sa 激光器 CHAMELION ULTRA II | Coherent, APE | - | 690-1080 nm 可调,80MHz |
| 组织胶 | 3M | 51115053603 | 3 mL |
| 镊子 | FST fine science tools | 11049-10 | 钝头,格拉夫式,弯角 |
| 镊子 | FST fine science tools | 91197-00 | Dumont,弯曲 |
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