再灌注急性心肌梗死(repAMI)中心脏损伤的三维(3D)重建可实现对相关疾病影响模式的精确量化与共定位。本文提供了一种可自动化的光片引导成像方法,用于同时测量心脏损伤、风险区域以及免疫细胞反应。
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再灌注急性心肌梗死(repAMI)中心脏损伤的三维(3D)重建可实现对相关疾病影响模式的精确量化与共定位。本文提供了一种可自动化的光片引导成像方法,用于同时测量心脏损伤、风险区域以及免疫细胞反应。
复杂细胞相互作用决定了再灌注急性心肌梗死(repAMI)期间功能性和结构性的组织重塑。这些过程表现出明显的空间分布特征,因为受损心肌可分为不同区域(损伤区、风险区(AAR)和远端区)。对这些区域进行三维(3D)可视化,对于分析常驻心肌细胞与浸润性免疫细胞之间的多种相互作用至关重要,有助于识别潜在的治疗靶点。本文介绍了一种可在repAMI后对心肌损伤区、AAR及浸润性免疫细胞(如中性粒细胞)进行同步且可自动化的3D可视化与定量分析的实验方案。该方案包括通过活体抗体介导标记心肌损伤区(CD31阴性)和中性粒细胞浸润(Ly6G+) 之后 离体 通过逆行抗体灌注可视化AAR,并结合无毒组织透明化技术用于光片荧光显微镜(LSFM)成像。该技术可实现对完整小鼠心脏中靶细胞(如浸润的免疫细胞)及损伤区域的空间分析,适用于心肌缺血再灌注损伤(repAMI)后的研究。在完成无毒组织透明化处理后,可进一步进行传统组织学和免疫组织化学分析,并结合计算机辅助的后期图像处理进行成像。该方法可在同一只小鼠心脏中实现多组信息的整合,提高数据的可靠性,对于repAMI这类高度复杂的损伤模型尤为重要。
再灌注急性心肌梗死(repAMI)中的组织损伤是心脏重构和心力衰竭发展的主要驱动因素1。多种局部介质、心脏固有细胞以及浸润的免疫细胞通过复杂的相互作用共同影响组织损伤的扩展2,3。理解这些过程的空间组织对于深入认识再灌注后心肌损伤的机制、识别新的治疗靶点并改善心脏功能至关重要。
由于心肌本身由不同类型的细胞组成,因此对心脏损伤进行详细分析具有挑战性,因为每种细胞类型在缺血和再灌注损伤期间表现出各自特有的耐受能力4,5。在再灌注急性心肌梗死(repAMI)背景下,一个重要特征是血管系统显著丢失,并伴随内皮细胞功能恶化6。目前用于显示小鼠和人类血管结构以及分析内皮功能障碍的最成熟标志物是CD31(也称为PECAM-1),这是一种表达于内皮细胞表面的黏附分子7。在不同的缺血/再灌注模型中,CD31的丢失已被证明是区分内皮组织损伤的良好替代标志物8,9,10。此外,在repAMI过程中,整个心脏可区分出三个主要的损伤区域。未受缺血/再灌注(I/R)损伤影响的心脏组织称为远端区域。血管闭塞下游的心肌定义为风险区域(AAR)11,12。再灌注开始后,可在AAR内部进一步区分出一个明确的心肌组织区域,该区域因先前的缺血而受损(损伤区域)13。传统的小鼠心脏I/R损伤评估方法采用连续厚切片的氯化三苯基四氮唑(TTC)染色,以显示受损心肌细胞代谢活性降低13,14。同时,可结合ex vivo伊文思蓝染色以确定AAR15。然而,这些成熟的方法存在若干局限性,包括难以同时评估免疫细胞浸润、难以区分细胞类型特异性损伤,以及无法实现精确的三维组织重建。
光片荧光显微镜(LSFM)能够对经透明化处理的完整小鼠器官进行成像,其荧光信号分辨率可达细胞水平。近期,一种改进的无毒组织透明化方法被引入,利用肉桂酸乙酯(ECi)实现完整小鼠心脏的三维可视化8为克服TTC/伊文思蓝染色的局限性,采用活体抗体标记的CD31荧光染色法,显示心脏内皮损伤区域为无CD31染色(CD31缺失)的区域。阴性) 在再灌注急性心肌梗死期间8额外给药 离体 通过使用另一种荧光光谱的荧光标记抗CD31抗体进行逆行主动脉注射,可实现对AAR的活体染色及同步三维成像。此外,该方法可通过增加中性粒细胞染色进行拓展,从而分别分析远端区域、AAR及心肌内皮损伤体积中的细胞分布,有助于深入理解再灌注急性心肌梗死(repAMI)过程中中性粒细胞的功能。
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所有实验动物操作均经当地负责的政府机构批准(批准号:81-02.04.2023.A059 — 自然、环境与消费者保护局(LANUV)),并符合动物实验与研究相关的所有伦理规定。实验使用雄性C57BL/6J小鼠(9至30周龄)。动物饲养和使用均在当地动物房的特定病原体-free(SPF)条件下进行,光照周期为12小时光照/12小时黑暗循环。
注意:所有外科手术均在腹腔注射氯胺酮(100 mg/kg)和赛拉嗪(10 mg/kg)进行麻醉诱导,并以异氟烷(1.5 Vol%)维持麻醉的条件下实施。为减轻动物痛苦,所有动物在麻醉前后当天均接受皮下注射0.1 mg/kg的丁丙诺啡,并在夜间提供含丁丙诺啡的饮用水。诱导再梗死性急性心肌梗死(repAMI)的手术方案此前已在其他文献中详细描述。16,17在开始体内抗体注射之前,准备两个用于此目的的6 cm培养皿 离体 在后续步骤中进行逆行抗体注射。需要一个盛有冰上PBS的浅培养皿,用于粗略去除心脏周围多余的组织(建议在培养皿中放置裁剪成合适大小的纱布片,以方便后续操作)。另一个培养皿用于主动脉插管,其中放置一根浸没在冰上PBS中的20 G钝头不锈钢插管针,插管切迹处预先套有5-0缝线松结。应避免或清除插管内的气泡,因为气泡可能阻塞冠状血管,导致灌注不完全。
1. 活体抗体注射
2. 心脏采集
注意:第 2 和第 3 部分具有严格的时间要求,必须在 6 分钟内完成。
3. 离体 逆行抗体注射
4. 样品处理与透明化
5. 凝胶多糖块的制备
6. 成像
7. 图像后期处理
注意:所获取的数字图像数据进一步使用下述列表中的科学三维图像处理与分析软件进行处理 材料表.
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利用光片荧光显微镜(LSFM)的本方法可同时分析再灌注急性心肌梗死(repAMI)后的风险区面积(AAR)、内皮损伤及中性粒细胞浸润。图1A展示了repAMI诱导后24小时C57BL/6J小鼠的活体及ex vivo抗体染色情况。在处死前10分钟,通过静脉注射针对心肌内皮损伤(AlexaFluor 790标记的抗CD31抗体)和中性粒细胞浸润(AlexaFluor 647标记的抗Ly6G抗体)的抗体。在充分清除血液后,通过逆行主动脉灌注AlexaFluor 546标记的抗CD31抗体对AAR进行染色,并将心脏在4 °C条件下用4%多聚甲醛(PFA)固定过夜。图1B进一步说明了用于LSFM成像的组织处理流程。固定后,心脏依次经梯度乙醇脱水,并使用过氧化氢和二甲基亚砜进行漂白以降低组织自发荧光。最后,使用ECi对完全脱水的组织进行折射率匹配,从而实现全器官LSFM成像。图1C展示了利用透明化的结冷胶块以增强器官稳定性,将透明化后的心脏正确放置于样品...
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在小鼠再灌注急性心肌梗死(repAMI)期间,有多种成像方法可用于检测心肌组织损伤。这些技术各有优势,但也存在局限性。利用氯化三苯基四氮唑(TTC)染色检测心肌细胞代谢活性降低是最常用于量化心肌缺血/再灌注(I/R)损伤的方法,可与伊文思蓝(Evan's blue)染色结合使用,以区分风险区(AAR)13,14,15这是一种快速且经济高效的方法,但由于需要制备连续的组织切片,因此在精确的三维重建方面存在局限性。这一限制同样适用于心脏组织损伤的传统组织学方法,例如苏木精-伊红染色或戈莫里三色染色,这些方法虽可实现更高空间成像分辨率的分析18,19另一方面,再灌注急性心肌梗死(repAMI)期间的组织损伤可通过磁共振成像(MRI)进行评估12,
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Elias Haj-Yehia 报告从阿斯利康(AstraZeneca)获得的个人酬金及其他报酬,这些利益关系与本提交的研究无关。Simon F. Merz 和 Lea Bornemann 目前受雇于 Miltenyi Biotec B.V. & Co. KG。Matthias Totzeck 和 Tienush Rassaf 报告从 Edwards 和 Novartis、Bristol Myers Squibb、拜耳(Bayer)、第一三共(Daiichi Sankyo)以及阿斯利康(Astra Zeneca)获得的个人酬金及其他报酬,这些利益关系与本提交的研究无关。Tienush Rassaf 和 Ulrike B. Hendgen-Cotta 共同创立了 Bimyo 公司,该公司致力于心脏保护肽的开发。Matthias Gunzer 收到了来自 Miltenyi BioTec B.V. & Co. KG 的常规研究资助。其余所有作者声明无利益冲突。
作者感谢以下资助来源:德国研究基金会(UMEA 临床科学家项目,FU 356/12-2,Elias Haj-Yehia;HE6317/2-1,Ulrike Hendgen-Cotta;RA969/12-1,Tienush Rassaf)以及德国心脏病学会(DGK,Deutsche Gesellschaft für Kardiologie - Herz- und Kreislaufforschung e.V.,DGK02/2022,Elias Haj-Yehia)。部分研究工作在德国杜伊斯堡-埃森大学医学院影像中心埃森(IMCES)完成,该中心为医学院下属公共服务核心设施。我们感谢 IMCES 工作人员提供的持续技术支持及其仪器设备的使用许可。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 27 G 针头 | Becton Dickinson | 305889 | BD Eclipse |
| 三维图像处理 &和分析软件 | Bitplane | 版本 10.1.0 | Imaris |
| 5-0 缝合线 | Serag-Wiessner | IC108000 | 丝蛋白 |
| 6-0 缝合线 | Ethicon | EH7814 | Prolene |
| AlexaFluor 546 抗体标记试剂盒 | Invitrogen | A20183 | |
| AlexaFluor 790 抗体标记试剂盒 | Invitrogen | A20189 | |
| 抗小鼠 Ly6G 抗体(AlexaFluor 647) | Biolegend | 127610 | 克隆:1A8 |
| 细胞滤网(100 µm) | 康宁 | 431752 | |
| 二甲基亚砜(DMSO) | 卡尔·罗斯 | 7029.1 | |
| 乙醇 | 卡尔·罗特 | 0911.4 | |
| 肉桂酸乙酯(ECi) | Sigma-Aldrich | 112372 | |
| 文件转换软件 | Bitplane | 版本 10.1.0 | Imaris |
| 纱布 | Fuhrmann | 10021 | |
| 结冷胶粉末 | Sigma-Aldrich | P8169 | Phytagel |
| 肝素(25,000 IE/5 mL) | LEO Pharma | 15261203 | |
| 过氧化氢(H₂O₂)2O2, 30%) | 卡尔·罗特 | 8070.2 | |
| 注射器 | B Braun | 9161502S | Omnican F |
| 氯胺酮(100 mg/mL) | bela-pharma | 402581.00.00 | |
| 光片显微镜系统 | Miltenyi Biotec | - | UltraMicroscope Blaze |
| 鲁尔锁式注射器 | Becton Dickinson | 303172 | BD Plastipak |
| 磁力搅拌器 | VWR | 444-0572 | |
| Neo sCMOS 相机(4.2 MP) | Andor Technology | ZL41 细胞 4.2 | |
| 目标 | Miltenyi Biotec | 130-133-625 | MI Plan 1.1x NA 0.1,WD 17.6 mm |
| 多聚甲醛(PFA,4%) | Sigma-Aldrich | 1.00496 | 10% 甲醛,中性缓冲液 |
| 培养皿 | Greiner Bio-One | 632181 | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Gibco | 14190-094 | 不含 MgCl₂2/CaCl2 |
| 聚丙烯管(15 mL) | Greiner Bio-One | 188261 | |
| 聚丙烯管(5 mL) | 卡尔·罗斯 | EKY9.1 | 黑色 |
| 聚丙烯管(50 mL) | Greiner Bio-One | 227261 | |
| 小鼠心脏插管准备皿 | Hugo Sachs Elektronik | 73-4327 | 包含套管针 |
| 纯化的抗小鼠 CD31 抗体 | Becton Dickinson | 53369 | 克隆:MEC13.3 |
| 滚轴泵 | Ismatec | ISM597-230 | |
| 封口膜 | 贝米斯 | PM-996 | Parafilm |
| 体视显微镜 | Leica | S6D | |
| 试管旋转仪 | Heidolph | Polymax 1040 | |
| 白光激光器 | NKT Photonics | SuperK extreme | 200 mW,480–2400 nm |
| 野生型小鼠品系 | Janvier Labs | - | C57BL/6JRj |
| 赛拉嗪(2%) | Ceva 动物保健 | 6324464.00.00 |
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