该方案为年轻和老年小鼠的器官采集提供了标准化方法,以评估多组织中与年龄相关的解剖和组织学变化,支持伦理且成本效益高的实验设计。
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该方案为年轻和老年小鼠的器官采集提供了标准化方法,以评估多组织中与年龄相关的解剖和组织学变化,支持伦理且成本效益高的实验设计。
衰老是一种系统性且多因素的生物过程,逐渐影响几乎所有器官和组织,导致结构、细胞和分子层面的改变。该方案提出了一种标准化且可重复的方法,通过全面器官采集评估小鼠年龄相关的解剖和形态变化,进行后续的组织学和分子分析。我们使用年轻(2-3个月)和老鼠(20-24个月)进行详细步骤,详细介绍了主要器官的解剖解剖和系统采集,用于下游切片、组织学染色和显微镜评估。该方案能够从单一动物采集多种器官和组织(包括大脑、眼睛、食管、胸腺、心脏、主动脉、肺、淋巴结、肝脏、胰腺、胃、小肠、结肠、脾脏、肾脏、膀胱、皮肤、骨骼肌、骨骼和脂肪组织)。通过最大化每个受试者的数据产出,该工作流程支持伦理动物使用,减少研究,增强研究间的重复性,并促进有机体衰老的整合分析。
衰老是一个影响几乎所有器官的系统性过程,但大多数实验研究只关注单一组织,限制了对年龄相关变化如何共发生或在全身相互作用的理解。衰老表现为组织特异性和全身性改变,包括免疫功能障碍、代谢转移、再生能力丧失和结构退化1,2。虽然器官特异性研究提供了宝贵见解,但需要更广泛的视角来理解跨系统细胞衰老如何促成整体生物体衰退。在临床前体内模型(如小鼠)中进行多器官分析对于识别导致年龄相关疾病和生理韧性丧失的协调结构、细胞和分子变化至关重要 3,4。
由于其遗传可行性、短寿命、保守的衰老途径以及能够重现人类衰老的关键特征(包括免疫功能障碍、组织纤维化、代谢衰退和肿瘤增多)5,6,7.然而,高效且标准化的多器官解剖方案尚未被广泛采用。此类方案对于优化组织学比较、减少动物使用以及整合同一受试者组织组学数据集至关重要 8,9。
本文介绍了一种可重复且高效地进行小鼠多器官灌注、解剖和保存的方案。本方案为年轻(2-3个月)和老年(20-24个月)小鼠的主要器官解剖和采集提供了逐步指南,包括大脑、眼睛、胸腺、心脏、肺、主动脉、腹股沟淋巴结、胃肠道(食管、胃、小肠、结肠)、肝脏、胰腺、脾脏、肾脏、膀胱、脂肪组织、骨骼肌、骨骼和皮肤。书中包含与组织学、分子和冷冻切片工作流程兼容的组织保存详细说明。这种标准化方法使研究人员能够在同一实验对象内评估器官特异性和系统性衰老特征,支持整合且高质量的衰老研究 4,10,11,12。
C57BL/6J小鼠在加州大学旧金山分校进行了维护。所有动物作均由机构动物护理与使用委员会(IACUC)批准,并由实验动物资源中心监督。小鼠采用12小时的明暗循环,每个笼子少于五只成年老鼠。安乐死按照美国兽医医学会(AVMA)动物安乐死指南第13条进行。该方案中,幼鼠在3个月时被宰杀,老鼠在22个月时被宰杀。在进行解剖和器官采集前,打印并完成准备清单(表1)和组织采集清单(表2)。试剂和所用设备列于 材料表中。
1. 颈椎脱位
注意:颈椎脱位应由受过培训的人员执行,以最大限度减少对颈部结构的过度损伤。
2. 开胸术与灌注
注意:灌注是可选的。在经过认证的化学排气罩内,佩戴适当的个人防护装备(PPE),包括实验服、丁腈手套和安全眼镜,进行所有涉及对甲醛(PFA)的作。按照机构化学品安全指南处理PFA溶液。将所有PFA废弃物和受污染材料(如手套、纸巾、容器)收集在明确标识的危险废物容器中,并通过机构的环境健康与安全办公室处理,遵循符合地方、州和联邦法规的规范。
注意:使用对甲醛(PFA)固定时,务必在排气罩下完成所有步骤,以避免暴露于甲醛蒸气中。
3. 器官和组织采集
注意:器官采集的顺序在比较年轻和老年小鼠时至关重要。老年动物的器官较为脆弱,容易发生自溶或机械损伤,因此及时且持续的组织处理至关重要。标准化采集顺序可最大限度减少尸检变异,减少处理文物,并确保动物间固定质量的一致性14,15。一致性对于检测细微的年龄相关形态变化至关重要,因为延迟或不一致的采样可能导致偏差。如果未进行PFA灌注,应尽快摘取器官。胰腺、胃、肺和大脑如果不立即处理,特别容易发生快速的自溶和组织学退化。由于老鼠常出现肿瘤性病变,请仔细检查脾脏、肝脏、淋巴结、肺和胸腺是否有不对称、肿大、结节或变色。将这些发现作为整体疾病负担的一部分记录(见表2)。
4. 组织保存与处理
注意:为保持组织完整性,尽量缩短解剖与保存之间的时间。延迟会影响组织形态和分子质量;关于组织采集和保存关键时机的更多细节见 表2。
注意:使用对甲醛(PFA)固定时,务必在排气柜内完成所有步骤,以避免暴露于甲醛蒸气中。
在解剖过程中,老年小鼠常出现肿瘤性病变,需要仔细检查以记录病理发现(13,14,16,17,18)。图2A显示一只22个月大的雄性C57BL/6小鼠在灌注后仰卧状态。肺部完全白化确认有效灌注,而肝脏仅表现出部分白化。肝脏的仔细检查显示多个恶性结节(图2B),伴有增大的精囊(图2A)和脾肿大(图2C)。这些发现在老年小鼠中很常见,应作为总疾病负担的一部分被记录18。
图3展示了解剖和灌注后采集的宏观正常器官,便于评估解剖完整性和灌注效率。胃肠道被生理溶液冲洗以去除消化内容物,使胃、结肠和小肠呈现干净半透明的外观(见图3A)。其他结构,包括食管、胰腺、脾脏、内脏脂肪库、带膀胱的肾脏、淋巴结、心脏和胸腺,均可清晰识别,且可完整分离以供下游分析(图3B,C,E-I)。
通过检查高度血管化组织的白化情况来评估灌注质量。如图3D和图3J所示,肝脏和肺部在非灌注、良好灌注和部分灌注状态之间表现出明显差异。完全白水检测确认灌注成功,而不完全白水则表示技术变异或潜在异常。其他组织,包括主动脉、骨骼肌、胫骨、大脑、眼睛和皮肤,均被分离出来,形态学得以保存,适合进一步的组织学、分子或影像学应用(见图3K-P)。这种标准化的解剖程序能够持续回收完整、保存良好的组织和器官,并支持大体解剖评估,支持多种后续分析。解剖和器官采集每只动物大约需要40-60分钟,具体取决于操作员的经验和病理发现的存在。
图4展示了石蜡嵌入、切片及苏木精和伊丝蛋白(H&E)染色后,采集器官中与衰老相关的典型变化。在老年小鼠的皮肤切片中,观察到上皮变薄和毛囊脱落,与年轻对照组相比(见图4A)。肾脏切片显示鲍曼囊肿大,伴有纤维化和坏死变化,以及符合淋巴瘤特征的区域(见图4B)。在胰腺切片中,老年动物观察到凋亡体19 和淋巴瘤区域增加,表明随着年龄增长组织完整性受损(见图4C)。脾脏切片显示了老年动物的淀粉样沉积和淋巴瘤区域,反映了更多年龄相关病理的特征(见图4D)。
这些结果突出展示了多组织衰老的代表性组织病理特征,展示了该方案在检测年龄相关衰退结构特征方面的实用性。

图1:小鼠解剖和器官暴露手术的示意概述。 (A) 胸腔和腹腔开口切口(红线),包括膈肌水平的横切口,随后沿肋骨两侧切V形切口以打开胸腔,以及从膈肌到骨盆的中线切口,双侧切口以完全暴露腹腔。(B)灌注装置,展示将蝴蝶针插入左心室并切开右心房,以实现有效引流。(C)腔暴露后主要胸腔和腹部器官的解剖布局。(D)头部解剖步骤,包括切除头皮并沿颅骨缝线打开颅骨以暴露大脑。红线表示切口部位。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2:老年小鼠肿瘤病变的识别。 (A) 代表性22个月大雄性C57BL/6小鼠,接受4% PFA灌注后仰卧。肺部完全焯水(粉色箭头)可确认有效灌注,而肝脏(绿色箭头)仅显示部分焯水。蓝色箭头表示精囊肿大。(B)肝脏详细观察,显示多个恶性结节(黑色箭头)。(C)一只年老C57BL/6小鼠脾脏肿大(右侧),与年轻动物正常脾脏(左侧)相比。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3:解剖和灌注后主要小鼠器官及组织完整性概述。(A) 用生理溶液冲洗消化物前后,胃、小肠和结肠。(B)食道。(C)附着脾脏的胰腺。(D)肝脏未灌注,有效灌注后完全白化,部分白化表明灌注不完全或潜在病理。(E)内脏脂肪组织。(女性)肾脏附着膀胱。(G)腹股沟淋巴结。(H)心脏。(一)胸腺。(J)肺部未灌注,有效灌注后完全焯水,部分焯水。(K)主动脉。(左)与后肢分离的骨骼肌。(M)胫骨结构保存。(N)脑子。(O)眼睛。(P)皮肤。比例杆:A、C、D、E、F、J、L、N、P各5毫米;其他面板都是1毫米。请点击此处查看该图的放大版本。

图4:利用苏木精和伊红(H&E)染色对主要器官进行组织学分析。(A)3个月大(幼鼠)和22个月(老年)小鼠的皮肤切片。老年动物切片显示上皮变薄和毛囊脱落。(B)肾脏切片,突出鲍曼胶囊。老年动物切片显示囊膜增大、纤维化和坏死性变化,以及淋巴瘤(橙色箭头)。(C)来自年轻和老年动物的胰腺切片,其中老年动物表现出细胞凋亡体(蓝色箭头)和淋巴瘤区域(橙色箭头)增加。(D)3个月大(幼年)和22个月(成年)小鼠的脾脏切片。老年动物切片显示淀粉样蛋白沉积(石灰绿色箭头)和淋巴瘤区域。比例杆(A-C)100微米。比例尺(D)500微米。请点击此处查看该图的放大版本。
表1:准备清单。 以下是小鼠组织解剖与保存的基本准备步骤,包括管子和模具标记、缓冲液和固定剂的准备、冷冻嵌入的设置、解剖工具的灭菌、工作站布置及文档规划。 请点击此处下载此表格。
表2:组织采集清单。 用桌子记录收集的组织。补充采集时间和关于病况或异常的记录。优先考虑研究中关键的组织;在推荐时间内收集最相关器官,以避免组织自溶/降解。*注意任何异常(包括器官变色、结节、恶性增生、异常器官大小)。**考虑记录保存方法(包括PFA固定、OCT嵌入或快速冷冻)。 请点击此处下载此表格。
该方案为年轻和老年小鼠的多器官系统系统收集提供了可重复的策略,支持解剖学、组织学和分子分析。若干技术因素可能影响结果质量并解决所述方法的局限性。首先,灌注质量的变异性是一个重要的考虑因素。灌注不完全可能导致残留血液,影响组织学、免疫组化和分子分析。颈椎脱位后灌注可能对颈部组织造成创伤,并导致肺部血液污染。因此,颈椎脱位应由受过培训的专业人员进行。为获得最佳效果,灌注应在终末麻醉下进行,如其他文献20,21,遵循IACUC和AVMA指南13。其次,固定是组织完整性的关键决定因素。尽管4%对甲醛(PFA)被广泛使用,但它可能无法充分渗透大型或致密器官,导致组织学和抗原保存不良。通过使用10%中性缓冲福马林(NBF)或将组织切成≤5毫米切片以提升穿透性来缓解这一限制。第三,部分组织,尤其是胰腺、胃和大脑,会发生快速自溶,需在安乐死后5-10分钟内固定或冷冻,并使用预冷解剖工具23。在老年小鼠中,肿瘤可能进一步扭曲解剖结构并使解剖复杂化。由于固定容量不足或冻结,可能产生额外的伪影,导致收缩和边缘效应;通过保持固定液与组织的比例至少10:1、避免过度拥挤以及在嵌入前预冷OCT模具,可以最大限度地减少这些问题。最后,使用PFA和福马林存在安全和废弃问题;基于草醛的固定剂提供了毒性较低的替代品。因此,标准化作、优化固定和精准时机对于最大化重复性、组织质量和下游分析可靠性至关重要24。
通过从同一动物体内超过15个器官采集组织,这一工作流程最大化了每个受试者的生物产量,并符合减少动物使用所需的伦理要求。该系统程序可轻松扩展至中等通量研究,研究年龄相关生理衰退及器官特异性病理25。
及时处理易自溶组织对于保持组织学完整性至关重要。使用无钙和无镁的生理溶液,配合4%PFA,能够可靠地保护器官结构,并最大限度地减少胰腺和消化系统等敏感组织的自溶。与专注于单器官或疾病模型的方案不同,这种方法能够快速且一致地采集多个器官,减少变异性并提高通量。从灌注到最终组织切除的整个解剖过程,每只动物可在60分钟内完成,适合大规模或时间敏感的研究3,11,26。严格遵循灌注-固定序列可减少伪影,实现可复现的结果。
组织采集、修剪和嵌入的一致性对于准确的组织病理学评估至关重要,尤其是在纵向或多中心研究中。组织处理方式的变异性可能导致伪影、病理发现模糊,或导致疾病负担的误解。修订版大鼠器官取样与修剪指南,如RENI修剪指南,提供了详细且标准化的协议,以最大限度减少此类不一致。采用这些协调方法提升了研究和机构间的数据可比性,增强了可重复性,并增强了老龄化研究中基于病理学的结果的完整性 4,9。
收集多种器官在衰老研究中尤为重要,理解器官系统相互作用对于揭示导致全身生理随年龄衰退的过程至关重要。虽然这种方法对其他多种研究问题也有帮助,但本方案的重点是支持年龄相关变化可能同时影响多个器官系统的衰老研究。然而,它也可以应用于聚焦纤维化、再生和衰老的研究,尤其是整合转录组学或多组织生物标志物发现的研究 9,27,28。
组织学评估显示多个组织存在典型的年龄相关变异(见图4)。在皮肤上,年老动物表现出上皮变薄和毛囊脱落。在肾脏中,老年小鼠切片显示鲍曼囊肿大,伴随纤维化、坏死和淋巴瘤变化。老年动物的胰腺组织显示细胞凋亡和淋巴瘤积累,脾脏切片则发现淀粉样蛋白沉积和额外的淋巴瘤区域。这些观察结果与已确立的小鼠衰老表型一致,并展示了该方案在检测衰老代表性组织病理标志物1,18,19,27,29,30,31,32,33,34方面的实用性。
总之,该方案为临床前衰老模型中的组织收集和保存提供了可靠且可扩展的框架。它既可用于探索性研究,也可用于假设驱动的研究,以揭示组织特异性和系统性的衰老、退化和韧性机制。
作者没有什么可透露的。
这项工作得到了拉里·L·希尔布洛姆基金会创业资助、美国农业研究研究研究所(AFAR)和格伦医学研究基金会初级教师资助、爱德华·马林克罗特基金会初级研究员奖,以及突破性生物医学研究项目(PBBR)新前沿研究奖支持给汉娜·马滕斯。 图1 是用BioRender制作的。
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