本方案介绍了一种全面的成像流程,用于在完整肝组织中可视化并建模肝星状细胞的形态。该方法结合利用小鼠遗传学对成纤维细胞进行荧光标记, 原位 基于肝脏灌注的组织制备,以及改良的iDISCO组织透明化方法,以实现光学透明。
方法文章
本方案介绍了一种全面的成像流程,用于在完整肝组织中可视化并建模肝星状细胞的形态。该方法结合利用小鼠遗传学对成纤维细胞进行荧光标记, 原位 基于肝脏灌注的组织制备,以及改良的iDISCO组织透明化方法,以实现光学透明。
组织驻留成纤维细胞是多种组织中纤维化过程的细胞驱动因素。在肝脏中,肝星状细胞(HSCs)作为具有独特“星状”形态的驻留周细胞,在肝损伤时活化为促纤维化的肌成纤维细胞,进而形成肝纤维瘢痕。尽管数十年的研究已阐明了HSC活化的主要信号通路,但由于成像与分析技术的局限性,其独特的树突状形态的功能意义仍不明确。本方案介绍了一种全面的成像流程,用于在完整肝组织中可视化并建模HSC的形态。该方法结合利用小鼠遗传学对HSC进行荧光标记, 原位 基于肝脏灌注的组织制备方法,以及改良的iDISCO组织透明化技术,实现对厚度达数厘米的组织样本的光学透明化。透明化后的样本通过优化的共聚焦显微镜平台进行成像,并利用定制化的分析流程对图像数据集进行处理,从而在单细胞分辨率下实现单个肝星状细胞(HSCs)的三维重建。该技术流程共同实现了在复杂肝脏微环境中HSC形态的可重复性定位,包括其树突状突起及其与邻近细胞的空间关系。除肝脏外,该流程还可适用于其他器官中的成纤维细胞,如肺、肾、肠道和心脏,其中定居的间充质细胞在疾病中表现出类似的促纤维化作用。因此,该研究框架为开展跨器官比较研究建立了方法学基础,可用于探究纤维化疾病中成纤维细胞的结构-功能关系及其治疗脆弱性。
纤维化,即组织的病理性瘢痕形成,是几乎所有慢性器官疾病的最终共同通路,在工业化国家约40%的死亡中起重要作用1。在肝脏中,纤维化由慢性损伤引起,例如病毒性肝炎、酒精使用,或日益常见的代谢功能障碍相关脂肪性肝病(MASLD),后者目前影响美国30-40%的成年人。肝脏的慢性损伤及其导致的进行性纤维化显著增加了终末期肝病(如肝硬化、肝衰竭和肝细胞癌)的风险2,3,4,5。
肝星状细胞(HSCs)在肝脏稳态和纤维化发生过程中起核心作用。在健康肝脏中,HSCs 处于静息状态,储存维生素 A,并参与肝细胞的稳态维持以及整个肝脏的正常功能6,7。HSC 耗竭实验明确证实了这一点:在健康肝脏中几乎完全去除 HSCs 会导致肝脏质量下降,并严重限制肝脏再生能力7,8。当肝脏受损时,HSCs 被激活转化为类似肌成纤维细胞的细胞,这些细胞增殖、迁移至损伤区域,并过度产生细胞外基质(ECM),形成纤维化瘢痕。在纤维化肝脏中,活化的 HSCs 还是癌症相关成纤维细胞的来源,并在肝细胞癌中发挥促肿瘤作用9,10,11,12。静息状态的 HSCs 具有一种独特的类似神经元的形态,其细胞体较小,并延伸出长距离的突起。在纤维化过程中 HSCs 被激活后,会转变为扁平、片状的肌成纤维细胞形态13。尽管数十年的研究已阐明调控 HSCs 产生 ECM 的信号通路,但其独特神经元样形态的功能意义、该形态的调控机制、是否有助于 HSC 微环境中细胞间的相互作用,以及其对 HSC 纤维化特性和疾病进展的贡献,目前仍不清楚14,15。
目前用于观察肝星状细胞(HSCs)形态的方法仅限于对体外(in vitro)培养的细胞或体内(in vivo)组织切片进行二维(2D)成像,且很少能完整捕捉到HSCs在各个方向上延伸数个细胞体长度的突起结构。此外,最常用的HSC标志物——结蛋白(desmin),在免疫荧光染色中无法充分呈现HSCs独特的类神经元形态,因为结蛋白是一种细胞骨架蛋白,仅能标记HSCs内部的中间丝结构16。这些方法学上的局限性至今阻碍了在天然微环境中以单细胞分辨率三维(3D)地全面呈现HSCs的形态及其细胞间相互作用的能力。因此,关于HSCs的形态如何与其功能状态以及与邻近细胞类型的相互作用相关联等基本科学问题,仍悬而未决。
本文介绍了一种创新且全面的成像与分析流程,用于在完整肝组织中可视化并建模肝星状细胞(HSC)的形态。该方法整合了多项关键技术革新:(1)利用遗传报告小鼠模型对HSC进行荧光标记,(2)优化的 原位 肝脏灌注与固定以保存完整的组织结构和细胞间关系,(3)基于改良iDISCO的组织透明化方案以实现光学透明17,(4)用于深部组织成像的高分辨率共聚焦显微镜技术,以及(5)用于单个造血干细胞(HSC)三维图像重建与定量分析的定制化计算流程。该方案对组织样本尺寸和所需时间投入有一定限制,需在实验设计时予以考虑。综上,本方案为揭示HSC复杂的三维结构及其与邻近血管、免疫和实质细胞之间的空间关系,提供了可靠且可重复的技术框架。本文所展示的肝脏研究策略与分析流程亦可便捷地推广应用于其他器官。17,18,19.
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本研究中使用的所有小鼠实验均已获得西奈山医学院机构动物护理和使用委员会的批准。所用试剂和设备列于材料表中。
1. 生成带有 tdTomato (TdT) 标记的造血干细胞(HSC)的小鼠
2. 原位 肝脏灌注与固定
3. 基于iDISCO+的组织透明化
注意:iDISCO+ 方案的原始描述可参见文献17
第1天:样品脱水
第2天:样品漂白
第3-5天:样品透化
第5-17天:免疫标记
第18天:透明化
4. 共聚焦显微镜成像
5. 用于单个造血干细胞三维重建与定量分析的图像分析
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小鼠肝脏灌注和固定的成功表现为肝脏呈现均匀的浅米黄色,反映出血液被有效清除且固定液充分渗透(图1A,B)。灌注不当会导致出现暗红色或棕色的血凝块区域,这些区域会降低组织的光学清晰度,并在样本相应部位产生较高的背景信号(图1C)。
在组织透明化过程中,组织样本从灌注到二抗孵育阶段均保持浅米色外观。与之前步骤相比,组织样本在二抗孵育后颜色变得更白。当样本在DBE中孵育时,可达到完全的光学透明(图2)。此时组织呈透明状,具有坚硬的玻璃样质地,便于进行高分辨率的深层组织成像。
使用针对TdTomato标记的HSCs的抗体染色的透明化样本,在共聚焦显微镜下可保持强烈且稳定的荧光信号。抗体渗透不完全或抗体不兼容会导致最终图像中出现高背景信号17。拼图扫描可快速评估标记覆盖范围并捕获...
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本方案描述了一种可重复且可调整的样品制备流程,可实现完整肝组织中造血干细胞(HSC)形态的三维可视化与定量分析。该流程整合了遗传性荧光细胞标记、 原位 肝脏灌注及改良的iDISCO+透明化方法可实现大体积组织的单细胞分辨率成像,同时保留肝脏微环境的空间结构。
该方法成功的关键步骤之一是高效的肝脏灌注。灌注不完全可能导致血液和脂质滞留,从而造成透明效果差以及自发荧光增强23,24,25。成功插入导管后,可见血液回流(图1A)。若无血液回流,应使用注射器将1×PBS注入导管接头,以避免灌注过程中气泡进入肝脏,否则会阻塞血管并妨碍肝脏进一步灌注。将导管插入门静脉过深、接近肝叶时,可能导致整个肝脏灌注不完全。将导管插入门静脉是一个技术难度较高的步骤,容易意外穿破静脉和/或周围组织。一旦发生穿刺损伤,应保持门静脉导管原位,并迅速在...
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作者无任何利益冲突需要披露。
本研究由 1R01 DK136016-01 和 5P30CA196521(NCI 中心资助)资助。显微成像和/或图像分析在西奈山伊坎医学院的显微成像与先进生物成像核心设施(Microscopy and Advanced Bioimaging CoRE)完成。本研究部分得到西奈山蒂施癌症研究所(Tisch Cancer Institute at Mount Sinai)的支持,资助编号为 P30 CA196521 — 癌症中心支持资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 抗RFP抗体,兔源,预吸附 | Rockland | 600-401-379 | |
| 四室35 mm玻璃底培养皿,带20 mm微孔,#1.5盖玻片 | Cellvis | D35C4201.5N | |
| AnaSed注射液(赛拉嗪注射液) | Akorn, Inc. | NDC 593990110-20 | 20 mg/mL |
| 锥形离心管:50 mL | Falcon | 352098 | |
| 棉签 | Medline | MDS202000 | |
| 带锁扣的弯止血钳 | Fisher Scientific | 16-100-117 | |
| Cy3标记的AffiniPure驴抗大鼠IgG(H+L) | Jackson ImmunoResearch | 712-165-153 | |
| 精细手术剪,4.75" 弯头,尖端锐利/钝 | Roboz Surgical Instrument | 728501 | |
| 二苄基醚(DBE),98% | Sigma Aldrich | 108014 | |
| 二氯甲烷(DCM), ≥99.8% | Sigma Aldrich | 270997 | |
| 二甲基亚砜(DMSO),≥99.9% | Sigma Aldrich | D8418 | |
| 驴抗兔IgG(H+L)高度交叉吸附二抗,Alexa Fluor 647标记 | ThermoFisher Scientific | A31573 | |
| 驴血清 | EMD Millipore | S30 | |
| 肉桂酸乙酯,99% | Sigma Aldrich | 112372 | |
| 超精细显微解剖剪;24 mm刀片 | Fisher Scientific | NC9232515 | |
| F4/80单克隆抗体,大鼠源 | ThermoFisher Scientific | 14-4801-82 | |
| Fiji | NIH | ||
| 镊子 | Fisher Scientific | NC9214139 | |
| 甘氨酸 | Bio-Rad | 1610718 | |
| 肝素钠盐 | Chem-Impex | 29984 | |
| Hybaid杂交炉 | Triad Scientific | Maxi 14 | |
| 过氧化氢,30% | Sigma Aldrich | 31642 | |
| Imaris 10.2.0 软件 | Oxford Instruments | ||
| ImarisFileConverter 10.2.0 软件 | Oxford Instruments | ||
| ImarisViewer 11.0.0 | Oxford Instruments | ||
| 静脉导管 | Exel International Inc. | EXE 26751 | |
| 氯胺酮盐酸盐注射液 | Dechra | B8U4 | 100 mg/mL |
| LAS X 4.4.0.24861 软件 | Leica | ||
| Leica Stellaris 8 共聚焦显微镜 | Leica | ||
| 甲醇,HPLC级 | Fisher | A452-2 | |
| 多功能旋转仪 | Scientific Industries, Inc. | Model 151 | |
| 针头(27G × 1/2") | BD | 305109 | |
| 多聚甲醛,粉末,95% | Sigma Aldrich | 158127 | |
| 蠕动泵 | Gilson | Model Minipuls 3 | |
| 蠕动泵管,MasterFlex | Thermo Scientific | 96400-16 | 内径3.1 mm × 长7.6 m,过氧化物固化的硅胶精密泵管,L/S 16规格,1/8 in接头 |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | Cytiva | SH30256.01 | 无菌,pH 7.0–7.2,不含钙、镁 |
| 碘化丙啶,≥94.0%(HPLC) | Sigma Aldrich | P4170 | |
| 剃须刀片 | American Line | 66-0362 | |
| 摇床平台 | VWR | Model 200 | |
| 叠氮化钠,≥99.5% | Sigma Aldrich | S2002 | |
| 缝合线 | Ethicon | J109T | |
| 注射器(1 mL) | BD | 309628 | |
| Triton X-100 | Sigma | T9284 | |
| Tween-20 | Thermo Scientific | J20605-AP | |
| 螺口小瓶,带实心盖和铝衬垫,预组装 | Sigma Aldrich | 27470-U | 体积7 mL,琥珀色玻璃小瓶,外径 × 高17 mm × 60 mm,螺纹规格15-425 |
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