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方法文章

用于空间转录组学分析的斑马鱼幼虫切片的空间紧凑排列

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DOI：

10.3791/67683

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2025年5月16日

 ,  ,  ,  , 
1Department of Surgery, Dartmouth Hitchcock Medical Center, 2Dartmouth Cancer Center, 3Dartmouth College, Geisel School of Medicine

本文内容

摘要

本文介绍一种用于对齐和冷冻切片多个斑马鱼（Danio rerio）幼体样本，并将切片收集至单张载玻片上以进行空间转录组学分析的方法。

摘要

空间转录组学技术是生物医学研究中用于可视化空间注册基因表达模式的先进工具。使用空间成像平台对多个样本进行成像和分析可能成本较高。在发育研究等需要开展多种实验条件的情况下，测试成本进一步增加。为降低成本，本研究旨在优化适用于发育研究的空间转录组学样本排列技术和策略。本研究采用斑马鱼作为模型，斑马鱼是一种成熟的发育脊椎动物模型，其在发育过程中具有透明特性，与人类基因同源性约达70%，且基因组注释完善，非常适合转录组分析。由于体型较小，发育中的斑马鱼可在多个生物学重复中实现连续切片的紧凑排布。本文报道了在多重成像区域中对多个鱼类样本进行优化的固定、冷冻切片及可靠对齐方法 在 原位杂交空间成像平台。利用该方法，可成功对至少来自4种不同模具的、最早至受精后15天（dpf）的斑马鱼进行冷冻切片，并在22 mm × 10.5 mm（成像区域）内收集多达174个切片 原位 空间转录组切片），并同时进行处理。根据切片质量、样本定位及每张切片的样本尺寸，该方法在斑马鱼中可优化空间转录组技术的产出效率与单样本成本。

引言

评估组织中空间上 distinct 的表达模式对于我们理解基因组在发育、癌症和疾病中的影响至关重要1,2,3空间转录组学将多重表达技术与组织中基因表达的空间定位相结合。 "空间转录组学" 最初由 Ståhl 及其同事提出4，其中使用 mounted 癌症标本进行了探针检测 原位 下一代测序。自那时起， "空间转录组学" 已被广泛用于高通量表达研究与空间定位信息的整合分析。尽管这些技术具有强大功能，但其实施成本高昂，通常需要机构投入大量资金以及较高的实验室运行费用，才能获得数据5在保证高质量数据的同时最大限度降低成本的策略备受关注。

斑马鱼（Danio rerio）已成为研究发育生物学的重要模式系统，能够在有限空间内实现脊椎动物完整器官（及整个生物体）的高通量分析。斑马鱼体型较小（幼虫期为4-6 mm，成体为2-3 cm），一次可产下数百枚透明卵。斑马鱼胚胎在体外受精并快速发育，使研究人员能够在发育早期引入转基因，从而高效地构建获得功能和缺失功能的等位基因67。将多个样本置于同一张载玻片上，是一种具有吸引力的成本控制策略。由于其繁殖力高且个体小，斑马鱼成为在样本空间受限的空间转录组学检测中进行多重分析的理想候选物种8。

对斑马鱼幼鱼进行冷冻切片是一项具有挑战性的技术。许多空间转录组学平台尚未针对斑马鱼的石蜡切片进行优化，因此在使用斑马鱼作为模式生物时，需要采用冷冻切片以保持组织结构并保留RNA转录本。此外，斑马鱼体积较小，难以获得高质量的冷冻切片，并有效分析多个样本。当处理比成年斑马鱼更小且更脆弱的幼鱼时，这一任务变得更加困难。为克服这些挑战，我们描述了一种可可靠地对齐多个样本并高效利用空间成像平台成像区域的方法，从而在单张载玻片上获得大量高质量切片，随后可通过空间成像平台进行成像和分析（图1）。在此实例中，该方法应用于一种空间转录组学成像平台。

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方案

本方案遵循达特茅斯学院机构动物护理和使用委员会的指导原则。

1. 准备冷冻切片机

  1. 将冷冻切片机冷却至 -22 °C，并通过刷去碎屑至收集容器中清洁冷冻切片机的内部表面。将所有必要的刷子和工具放入腔室内。

2. 准备一次性基底模具

  1. 使用永久性记号笔在底模（37 mm × 24 mm × 5 mm 一次性塑料模具）内侧画一条直线，作为样品定位的参考线，以准备用于样品对齐的底模。为获得最佳效果，在画线前先在底模内侧应画线的位置贴上一小块实验室胶带（图 2A）。
  2. 在底模内侧靠近左侧或右侧壁的位置画一个圆点，以确保冷冻切片过程中样品方向正确（图 2B）。
  3. 使用量角器测量所需的切割角度，并在每个样品对应的底模内侧标记该角度（图 2C）。
  4. 将一层薄薄的包埋剂（OCT，光学相干断层扫描介质）涂布于已准备好的底模上。确保包埋剂用量足以覆盖样品即可。
    1. 在添加包埋剂时避免产生气泡：先用包埋剂瓶的喷嘴进行预润，然后将所需量的包埋剂加到底模的一个角落，再轻轻倾斜底模的水平面，使包埋剂均匀分布在整个表面。
    2. 挤出包埋剂时应缓慢挤压瓶子。
  5. 向一个 1 L 烧杯中加入冰块，将含有包埋剂的底模置于冰浴中，孵育至少 10 分钟以冷却包埋剂。

3. 准备干冰：100% 乙醇浴

  1. 在通风橱中，将一份100%乙醇与一份干冰加入冰桶，制备干冰与100%乙醇混合浴。
  2. 使用一次性铝制培养皿，或将铝箔折成足够容纳一次性基模的船形；确保该培养皿或铝箔船的尺寸足以使基模完全平放。
  3. 将培养皿或铝箔船放入冷却浴中，并盖上冰桶。静置5–10分钟，待冰桶充分冷却后，再进行样本冷冻。

4. 安乐死处理样本

  1. 随机选择斑马鱼进行切片。如果样本大小不一，应根据相对尺寸将它们分组，以便更准确地对齐（详见讨论部分）。将较大的鱼和较小的鱼分别放入不同的培养皿中。
  2. 用养殖用水装满烧杯，并将烧杯放入装有冰的容器中，用冰包围烧杯。
  3. 使用温度计监测水温，使水温稳定在 2–4 °C 之间。
  4. 使用网或滤器将一组鱼放入 4 °C 的水中。鱼应完全浸没在水中，且不与冰直接接触。当鳃盖运动停止后，向水中加入冰以确保温度持续低于 4 °C。将鱼在 4 °C 水中保持 10 分钟。
    注意：在对下一组样本实施安乐死后，再继续处理每组已安乐死样本的包埋、对齐和速冻操作。每次操作后均需更换水。

5. 包埋与切片对齐

  1. 将鱼浸入4 °C水中10分钟后，收集已处死的鱼。用尖头镊子夹住尾鳍将鱼从水中取出，并轻轻将其压在无绒吸水纸上以吸干水分。
    注意：为获得高质量切片，必须严格控制将鱼从4 °C水中取出至速冻之间的时间
  2. 在体视显微镜（10倍放大）下，将已准备好的底模置于冰浴中，将每个样本按底模内标记的参考点正确摆放至底模中，并用另一薄层包埋剂轻轻覆盖样本。
    注意：不要用包埋剂填满整个模具，仅需使用足够覆盖所有样本的薄层即可
  3. 利用解剖学参考点，精确地将鱼对齐至底模内壁上标记的线条。使用尖头镊子调整每条鱼的方向，使其对齐并保持一致朝向。操作时应缓慢移动，避免在包埋剂中产生气泡
  4. 将一块干冰置于底模底部、样本下方，直至样本局部冻结固定。保持底模水平，防止在干冰冻结前样本偏离参考位置
  5. 将带有样本的底模放置于盛有干冰与100%乙醇混合液的铝制舟或容器中。确保舟浮于液面，且底模保持干燥。盖上容器，使样本漂浮10分钟
  6. 用铝箔包裹已冻结的底模，储存于-80 °C冰箱中，待后续切片时使用。对剩余各组样本重复步骤4.2–5.6

6. 冷冻切片

  1. 将冷冻的底模移至预冷的冷冻切片机中用于冰冻切片，并将其放入冷冻切片机舱内。运输冷冻组织块时应置于含干冰的容器中，以防止解冻。
  2. 移除 原位 从储存处取出空间成像切片，放入预冷的切片架中。将装有空间成像切片的切片架置于-22 °C冷冻切片机舱室内，待准备对目标区域进行切片收集时使用。
  3. 从底模中取出冷冻样品，然后用新鲜的包埋剂将其固定在样品头中冷冻。将样品冷冻在样品头上，使切面朝向刀片。
  4. 在冷冻切片机中安装一把新的锋利切片刀。
  5. 将模具与刀片对齐，修整目标区域（建议修整厚度为20–50 µm）。确保模具内所做的标记被转移至冷冻样本块上，以帮助识别样本内的位置。
  6. 在修整阶段调整模具，使切割面与冷冻介质中的参考标记平行。
  7. 将切片收集到标准的带正电荷的显微镜载玻片上，并在明场下检查，以确认何时无需再进行修片。
  8. 从冷冻切片机腔室中取出空间成像切片，放入4 °C冰浴中。保持切片置于切片架内，确保切片不被浸湿。
  9. 开始冷冻切片（推荐厚度为10–14 µm； 图3）并将切片收集到带正电荷的载玻片上，直至达到样本中的目标区域。通过明场观察切片，确认目标区域将是来自模具的下一个切片。
  10. 将单细胞空间成像切片放回冷冻切片机舱室。从切片架上取下切片，使用细头画笔逐行将目标区域的切片精确收集到空间成像切片上，以防止切片卷曲。
    1. 用画笔的背面将空的冷冻介质一角压在刀片台上，以便在拿取载玻片进行收集时切片保持平整。
    2. 以载玻片顶端为支点，缓慢将载玻片放低至切片上，使切片在刀片台上附着于载玻片3秒后，再将载玻片从刀片台抬起。
    3. 在载玻片的成像区域收集切片时，应从左至右进行，并在可能的情况下重叠冷冻介质的空白层。
    4. 如果组织难以观察，可使用彩色纸边作为参考，以确定切片在载玻片成像区域中的位置。
  11. 在采集完目标区域的切片后，将载玻片放回载玻片架中。若无需再向空间成像载玻片上采集其他样本，则将载玻片于 -80 °C 保存，最长可保存 2 周，直至准备进行仪器分析。 原位 空间成像平台。若需从多个模具中收集切片，请将空间成像载玻片放回4 °C冰浴中，并对下一个模具重复步骤6.3–6.11。
  12. 从每个模具上采集目标区域前后部位的切片，置于标准正电荷载玻片上，进行苏木精和伊红（HE）染色，以在继续分析前确认样本定位和切片质量是否足够。

7. 样品固定

  1. 从冷冻切片机中取出参照切片，在室温下晾干30分钟，以使切片牢固附着于载玻片上。
  2. 将切片置于含有4%多聚甲醛（表1）的切片盒中，固定20分钟。
  3. 将切片置于盛有蒸馏水的切片盒中，清洗3分钟。
  4. 可继续进行苏木精-伊红（HE）染色，或晾干后于-80 °C保存，以备后续染色使用。

8. 切片的苏木精-伊红染色（HE染色）

  1. 将切片在100%乙醇中孵育2分钟、95%（表2）乙醇中孵育2分钟，然后在自来水中孵育1分钟，以进行脱水和清洗。使用显微镜载玻片染色架将载玻片从一个染色缸转移至另一个染色缸。
  2. 将切片在苏木精中孵育2分45秒以染色细胞核，并进行分化，随后在自来水中孵育1分钟，0.3%酸化酒精（表3）中孵育1分钟，最后在流动的自来水中冲洗1分钟。使用显微镜载玻片染色架将载玻片从一个染色缸转移至另一个染色缸。
  3. 将切片在1%伊红Y中孵育45秒以染色细胞质成分，并进行脱水：依次在50%乙醇（表4）中孵育1分钟、95%乙醇中孵育1分钟和100%乙醇中孵育1分钟。使用显微镜载玻片染色架将载玻片从一个染色缸转移至另一个染色缸。
  4. 将切片在二甲苯中孵育1分钟以透明化组织。使用移液管在载玻片上部三分之一处滴加一滴封片介质，并用镊子缓慢将盖玻片覆盖于封片介质上，完成封片。

9. 组织切片的空间转录组成像与分析

  1. 从 -80 °C 保存条件下取出成像载片，并使用 in situ 空间成像平台进行成像，以开展空间转录组学分析。
    注意：具体的成像步骤取决于所使用空间成像平台的说明。
  2. 评估空间转录组学平台的质量控制指标。需重点检查的指标包括：检测到的细胞数量、每个细胞的中位转录本数、每 100 µm2 核转录本数，以及探针组中每个基因的高质量解码转录本总数。
    注意：这些质量控制指标并无通用的阈值标准，其预期值会因样本类型和所用基因面板的不同而有所差异。
  3. 读取可检测RNA转录本的数据输出结果，依据实验的质量控制指标判断低质量转录本，并将其过滤去除。对剩余的高质量转录本，结合其在组织切片中的空间位置进行分析。
  4. 查看切片的细胞分割结果，并根据实验需求对细胞进行聚类。在同一张载片上，比较不同年龄组斑马鱼在目标区域内的细胞簇间的RNA转录本差异。

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结果

在此方法中（图1），斑马鱼被用作动物模型以研究空间分辨的基因表达模式。对斑马鱼幼体进行高效冷冻切片以实现空间成像具有挑战性。切片必须具有高质量，以保持组织结构并检测可识别的基因（图4）。为实现空间高效的成像，包含多个样本的切片必须精确对齐，以便跨所有样本分析感兴趣区域（图2 和 图5最后，必须高效地收集和排列切片，以在空间转录组学玻片的成像区域内最大化潜在数据点的数量（图3 和 图6）。实验通过这三个参数进行评估，以确定实验是否成功或次优。

许多方案的改进使我们能够获得高质量的切片，这些切片是进行空间转录组成像的理想候选样本。通过调整安乐死、固定和包埋的方案，切片质量得到了显著提升（

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讨论

本报告针对斑马鱼在发育过程中进行空间转录组学分析时所涉及的多种技术挑战，提供了详细的解决方案。为应对这些挑战，我们采用紧凑的样本排列方式，从而在新兴的空间转录组学平台上优化成本1。对斑马鱼幼体进行冷冻切片以实现空间成像具有较大难度。切片必须保持足够的组织结构完整性和转录本质量，以确保实验的顺利执行以及后续的空间分析效果8。用于高效空间成像的含多个样本的切片，必须精确对齐，以便在所有样本中分析共同的关注区域。最后，切片的收集和排布必须高效，以在成像载片的指定区域内最大化潜在数据点的数量。

该方案能够获得高质量的切片，非常适合用于单细胞空间成像平台。第一个改进步骤是对斑马鱼进行速冻，然后将切片收集到载玻片上后，再用4%多聚甲醛固定。最初的方法是在4 °C条件下用4%多聚甲醛对斑马鱼进行过夜固定，随后进行包埋和切片11。选择在切片后再对样本进行固定，有助于更好地保存内部组织，而对完整样本进行固定时，这些内部组织的保存效果不佳（

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披露

作者对本报告无任何披露或利益冲突。

致谢

切片和成像工作由达特茅斯癌症中心共享资源提供的仪器完成，该中心由美国国家癌症研究所癌症中心支持基金5P30CA023108以及达特茅斯学院定量生物学中心（NIGMS COBRE）资助。

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材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
1 L 烧杯Pyrex1003
200 proof 纯乙醇KoptecV1001
冰醋酸VWR0714酸化酒精
铝箔
盖玻片Epredia24X50-1.5-001G
一次性底模Fisher HealthCare22-363-556
蒸馏水
DPX 封片剂Sigma-Aldrich06522组织学封片剂
干冰颗粒
Dumont #5SF 镊子Fine Science Tools11252-00
醇溶伊红-YEpredia712041% 伊红 Y
Gill 1 苏木精Epredia72411苏木精
Kimwipe 擦拭纸Kimberly-Clark Professional34120吸水无尘擦拭纸
实验室标签胶带VWR89097-934
切片刀片 MX35 UltraEpredia3053835
冷冻切片机Thermo ScientificMicrome HM 525
O.C.T. 包埋剂Fisher HealthCare23-730-571冷冻介质
多聚甲醛Sigma-Aldrich158127PFA
永久性记号笔VWR52877-886
量角器
SafeClear 二甲苯替代液Fisherbrand68551-16-6二甲苯替代品
单刃刀片American Line66-0407
体视显微镜Zeiss4350639000Stemi 305 配双点 LED（4355259020）和 K 实验室支架（4354259010）
Superfrost Plus 显微载玻片VWR48311-703
移液管
Xenium V1 载玻片10X/Xenium3000941空间转录组成像载玻片

参考文献

  1. Rao, A., Barkley, D., França, G. S., Yanai, I. Exploring tissue architecture using spatial transcriptomics. Nature. 596 (7871), 211-220 (2021).
  2. Longo, S. K., Guo, M. G., Ji, A. L., Khavari, P. A. Integrating single-cell and spatial transcriptomics to elucidate intercellular tissue dynamics. Nat Rev Genet. 22, 627-644 (2021).
  3. Duhan, L., et al. Single-cell transcriptomics: background, technologies, applications, and challenges. Mol Biol Rep. 51, 600(2024).
  4. Ståhl, P. L., et al. Visualization and analysis of gene expression in tissue sections by spatial transcriptomics. Science. 353 (6294), 78-82 (2016).
  5. Colman, R. E., et al. Whole-genome and targeted sequencing of drug-resistant Mycobacterium tuberculosis on the iSeq100 and MiSeq: A performance, ease-of-use, and cost evaluation. PLOS Med. 16 (4), e1002194(2019).
  6. Marques, I. J., Lupi, E., Mercader, N. Model systems for regeneration: zebrafish. Development. 146 (18), dev167692(2019).
  7. Mohideen, M. P. K., et al. Histology-based screen for zebrafish mutants with abnormal cell differentiation. Dev Dyn. 228 (3), 414-423 (2003).
  8. Copper, J. E., et al. Comparative analysis of fixation and embedding techniques for optimized histological preparation of zebrafish. Comp Biochem Physiol C Toxicol Pharmacol. 208, 38-46 (2018).
  9. Stock, R. J., Labudovich, M., Ducatman, B. Asymptomatic first-trimester liver cell adenoma: diagnosis by fine-needle aspiration cytology with cytochemical and ultrastructural study. Obstet Gynecol. 66 (2), 287-290 (1985).
  10. Petukhov, V., et al. Cell segmentation in imaging-based spatial transcriptomics. Nat Biotechnol. 40 (3), 345-354 (2022).
  11. Meyer, T., Tiburcy, M., Zimmermann, W. H. Cardiac macrotissues-on-a-plate models for phenotypic drug screens. Adv Drug Deliv Rev. 140, 93-100 (2019).
  12. Kimmel, C. B., Ballard, W. W., Kimmel, S. R., Ullmann, B., Schilling, T. F. Stages of embryonic development of the zebrafish. Dev Dyn. 203 (3), 253-310 (1995).
  13. Yu, K., Xing, J., Zhang, J., Zhao, R., Zhang, Y., Zhao, L. Effect of multiple cycles of freeze-thawing on the RNA quality of lung cancer tissues. Cell Tissue Bank. 18 (3), 433-440 (2017).
  14. Yang, S., et al. Decontamination of ambient RNA in single-cell RNA-seq with DecontX. Genome Biol. 21 (1), 57(2020).

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