该方案利用先进的光片显微镜技术,结合改良的组织透明化方法,用于研究啮齿类动物心脏中复杂的结构,在理解心脏形态发生及重塑过程方面具有重要意义。
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该方案利用先进的光片显微镜技术,结合改良的组织透明化方法,用于研究啮齿类动物心脏中复杂的结构,在理解心脏形态发生及重塑过程方面具有重要意义。
光片显微镜(LSM)在理解心脏复杂的三维(3D)结构方面发挥着关键作用,为基本的心脏生理学和病理反应提供了重要见解。本文深入探讨LSM技术的开发与应用,以阐明小鼠模型中心脏的微细结构。该方法结合了定制的LSM系统与组织透明化技术,有效减少心脏组织内的光散射,实现大体积成像。通过将传统LSM与图像拼接及多视角去卷积方法相结合,可完整捕获整个心脏的图像。为解决轴向分辨率与视场(FOV)之间固有的权衡问题,我们进一步引入轴向扫描光片显微镜(ASLM)方法,以最小化离焦光的影响,并在传播方向上实现对心脏的均匀照明。同时,诸如iDISCO等组织透明化方法可增强光的穿透深度,有助于深层结构的可视化,确保对整个心脏心肌组织进行全面观察。所提出的LSM技术与组织透明化方法的结合,为研究人员解析啮齿类动物心脏结构提供了一个极具前景的平台,在理解心脏形态发生与重塑方面具有重要意义。
心力衰竭仍然是全球死亡的首要原因,主要由于成熟心肌细胞缺乏再生能力1。心脏复杂的结构对其功能至关重要,并为理解心脏发育过程提供了线索。深入理解心脏结构对于阐明心脏形态发生的基本机制以及心肌梗死后心脏重塑过程具有重要意义。近期研究进展表明,新生小鼠在心脏损伤后能够恢复心脏功能,而成年小鼠则缺乏这种再生能力2。这一差异为研究小鼠模型中与结构和功能异常相关的信号通路奠定了基础。传统的成像方法(如共聚焦显微镜)存在技术局限性,包括穿透深度有限、点扫描速度慢以及长时间激光照射导致的光毒性损伤,这些因素限制了对完整心脏进行三维(3D)成像的全面性。在此背景下,光片显微镜(LSM)成为一种强有力的解决方案,具有成像速度快、光损伤小以及卓越的光学切片能力等优势3,4,5。LSM 的独特特性使其成为克服传统技术局限性的有前景方法,为研究心脏发育和重塑过程提供了前所未有的视角6,7,8。
在本实验方案中,我们介绍了一种成像策略,该策略结合了先进的激光扫描显微镜(LSM)与优化的组织透明化方法9,能够在无需特异性标记和机械切片的情况下实现对完整小鼠心脏的成像。我们进一步提出,传统的LSM成像可通过多视角去卷积10或轴向扫描光片显微镜(ASLM)技术11,12,13,14,15进行增强,以提高轴向分辨率。此外,将图像拼接技术与上述任一方法结合,可有效克服空间分辨率与视场(FOV)之间的权衡问题,从而推动成年小鼠心脏的成像研究。通过整合多种组织透明化方法,包括疏水性、亲水性以及基于水凝胶的方法,可实现更深的光穿透,用于获取完整心脏的形态学信息16,17,18,19。
尽管多种透明化方法均可与现有的激光扫描显微系统(LSM)兼容,但其目标是通过用折射率与组织相近的介质替代脂质,从而最大限度地减少光子散射并增强光在组织(如心脏)中的穿透能力。本方案选择iDISCO作为代表性方法20,21,并针对自发荧光成像进行了优化,因其处理速度快且透明效果高(图1A)。综上所述,将先进的LSM技术与组织透明化方法相结合,为解析啮齿类动物心脏复杂的解剖结构提供了一个极具前景的框架,在深化我们对心脏形态发生及病理机制的理解方面具有重要意义。
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动物实验方案和操作已获得德克萨斯大学达拉斯分校机构动物照护与使用委员会(IACUC #21-03)的批准,并在其监督下进行。本研究使用了C57BL6小鼠,包括出生后第1天(P1)的新生鼠和8周龄的成年鼠。未观察到雄性和雌性之间存在差异。所有数据采集和图像后期处理均使用具有科研或教育许可的开源软件或平台完成。相关资源可在合理请求下向作者获取。
1. 样本制备与组织透明化(6 - 10 天)
2. 样品安装(1天)
注意:如果使用商用激光扫描显微镜(LSM)系统,请遵循厂商提供的特定方案进行心脏固定,并跳过步骤 2.1 - 2.9。

3. 图像拼接(4-8 小时)
4. 多视角去卷积(5 天)
5. 轴向扫描光片系统硬件(1 天)
6. 轴向扫描光片系统的同步(7 天)


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由于共聚焦显微镜(LSM)具有光损伤风险极低、空间分辨率高以及具备光学切片能力,相较于明场成像和点扫描等其他光学成像方法6,8,38,39,40,已被证明可有效促进心脏研究31,32,33,34,35,36,37。因此,为了更深入地理解心肌的三维结构,我们...
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成像技术、计算方法和组织透明化技术的进步为深入研究心脏结构与功能提供了前所未有的机会,这对于利用完整啮齿类动物心脏模型加深对心脏形态发生和发病机制的理解具有重要意义。与采用类似方法研究斑马鱼心脏的体内研究相比40,41,42,43,先进光片显微技术(LSM)与组织透明化方法的结合使我们能够克服在啮齿类模型成像过程中空间分辨率与穿透深度之间的矛盾9,44。组织透明化技术通过去除脂质及其他散射光的成分使心脏在光学上变得透明,从而实现更深的成像穿透45。当与LSM结合时,我们能够对心肌进行成像,这种组合增强了成像深度,并允许观察复杂的心肌微结构。尽管已有多种透明化方法被建立...
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作者声明无利益冲突。
我们谨此致谢 我们感谢德克萨斯大学西南医学中心Eric Olson博士团队慷慨提供动物模型。感谢德克萨斯大学达拉斯分校D孵化室成员提供的所有建设性意见。本研究由美国国立卫生研究院R00HL148493(Y.D.)、R01HL162635(Y.D.)以及德克萨斯大学达拉斯分校STARS项目(Y.D.)资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1% 琼脂糖 | |||
| 低熔点琼脂糖 | Thermo Fisher | 16520050 | |
| 去离子水 | - | - | |
| 组织透明化试剂 | |||
| 5-氨基-1,3,3-三甲基环己烷甲胺(顺式与反式混合物) | Sigma-Aldrich | 118184 | |
| D.E.R.™ 332 | Sigma-Aldrich | 31185 | |
| D.E.R.™ 736 | Sigma-Aldrich | 31191 | |
| 二苄醚(DBE) | Sigma-Aldrich | 33630 | |
| 二氯甲烷(DCM) | Sigma-Aldrich | 270997 | |
| 荧光微珠 | Spherotech | FP-0556-2 | |
| 过氧化氢(H2O2) | Sigma-Aldrich | 216736 | |
| 甲醇 | Sigma-Aldrich | 439193 | |
| 多聚甲醛(PFA) | Thermo Fisher | 47392 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Sigma-Aldrich | 79383 | |
| 氯化钾(KCl) | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| 软件与算法 | |||
| Amira | Thermo Fisher Scientific | 2021.2 | |
| BigStitcher | Hörl 等人22 | ||
| Fiji-ImageJ | Schindelin 等人20 | 1.54f | |
| HCImage Live | Hamamatsu Photonics | 4.6.1.2 | |
| LabVIEW | National Instruments Corporation | 2017 SP1 | |
| 定制光片成像系统的关键组件 | |||
| 0.63 - 6.3X 变倍体 | Olympus | MVX-ZB10 | |
| 10X 照明物镜 | Nikon | MRH00105 | |
| 1X 检测物镜 | Olympus | MV PLAPO 1X/0.25 | |
| 473 nm DPSS 激光器 | Laserglow Technologies | LRS-0473-PFM-00100-05 | |
| 532 nm DPSS 激光器 | Laserglow Technologies | LRS-0532-PFM-00100-05 | |
| 589 nm DPSS 激光器 | Laserglow Technologies | LRS-0589-GFF-00100-05 | |
| BNC 连接器 | National Instrument | BNC-2110 | |
| 柱面透镜 | Thorlabs | ACY254-050-A | |
| 四轴直流电机控制器 | Physik Instrumente | C-884.4DC | |
| ETL | Optotune | EL-16-40-TC-VIS-5D-1-C | |
| ETL 电缆 | Optotune | CAB-6-300 | |
| ETL 镜头驱动器 | Optotune | EL-E-4i | |
| 滤光片 | Chroma | ET525/30 | |
| 滤光片 | Chroma | ET585-40 | |
| 滤光片 | Chroma | ET645-75 | |
| 滤光轮 | Shutter Instrument | LAMBDA 10-B | |
| 电动平移台 | Physik Instrumente | L-406.20DG10 | |
| 电动平移台 | Physik Instrumente | L-406.40DG10 | |
| 电动平移台 | Physik Instrumente | M-403.4PD | |
| NI 多功能 I/O 设备 | National Instrument | PCIe-6363 | |
| sCMOS 相机 | Hamamatsu | C13440-20CU | |
| 步进电机 | Pololu | 1474 | |
| 管镜 | Olympus | MVX-TLU |
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