本文介绍了一份详细介绍小鼠肺组织弹性纤维可视化和定量分析组织准备的方案。该方法能够在生理和病理条件下稳健评估组织结构、空间纤维组织及细胞外基质重塑。
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本文介绍了一份详细介绍小鼠肺组织弹性纤维可视化和定量分析组织准备的方案。该方法能够在生理和病理条件下稳健评估组织结构、空间纤维组织及细胞外基质重塑。
肺细胞外基质(ECM)的重塑是肺损伤和疾病的关键特征。弹性纤维是肺ECM的核心组成部分,提供正常呼吸功能所需的弹性和回坐力,其破坏会导致组织力学受损。该方案描述了一个稳健且可重复的流程,用于小鼠肺组织的制备和分析,重点是弹性纤维的可视化和定量剖析。该书概述了优化的组织处理和组织染色方法,以保护和检测弹性蛋白结构。此外,该方案详细介绍了影像分析流程,能够定量评估肺部弹性纤维的丰度、组织结构和空间分布。该工作流程还结合了QuPath中的染色矢量估计、Fiji/ImageJ中的颜色反卷积以及基于TWOMBLI的图像分析,以实现弹性纤维丰度、分支和网络复杂度的定量评估。包含图像采集、兴趣区域选择、参数优化和质量控制策略,以确保可重复性并减少用户依赖性偏差。通过该流程,我们成功识别了肥胖小鼠肺部弹性纤维组织和网络结构的变化,证明其在检测疾病相关ECM重塑中的适用性。这些方法共同提供了一个全面的框架,用于研究弹性纤维重塑及其对生理和病理条件下组织结构的贡献。该方法有助于研究成纤维细胞驱动的结构变化,并支持对肺部疾病背后ECM变化机制的机制性见解。
弹性纤维是肺细胞外基质(ECM)的重要组成部分,ECM主要由弹性蛋白及相关的微纤维蛋白组成,这些蛋白组装成高度有序、具有弹性的网络1。在肺部,弹性纤维排列于肺泡隔膜和支气管周围结构上,提供正常呼吸力学所需的弹性和回坐力 1,2。作为肺、主动脉和子宫等组织中最丰富的结构性ECM成分之一,其完整性对于维持组织顺应性至关重要1,2。弹性纤维组织的破坏已在多种肺部疾病中被观察到,包括纤维化、肺气肿和慢性炎症性疾病,这些疾病中纤维结构的改变会导致肺功能和机械性能受损 2,3。
肺母体最近被鉴定,揭示了核心ECM蛋白如胶原蛋白和层联蛋白,以及母体相关成分,包括细胞因子、ECM调控因子和ECM相关蛋白(如整合素配体、半凝蛋白)4,5。除了提供结构支持外,这些成分还积极调节组织功能,形成支持驻留和迁移细胞的特殊生态位 6,7。值得注意的是,近期研究表明,肥胖等代谢状况与弹性纤维组织的显著变化相关,将系统性代谢失调与肺部ECM结构和成纤维细胞功能的变化联系起来。这些发现强调了将弹性纤维重塑视为一个动态且与疾病相关的过程的重要性。
弹性纤维的传统评估通常依赖于定性组织学评估、半定量评分系统或弹性蛋白丰度测量,这些方法提供关于纤维组织、连接性和网络复杂度的信息有限 8,9。虽然这些方法有助于检测弹性蛋白含量的显著变化,但可能无法捕捉与组织重塑相关的细微结构变化。基于图像的定量分析有潜力克服这些局限,能够客观且可重复地描述弹性纤维网络,并便于不同实验条件和研究之间的比较。为此,本文所述的协议支持对肺部ECM组织的综合分析,特别关注弹性纤维结构。除了已建立的ECM表征4,5方法外,该工作流程还结合了Elastica染色和基于TWOMBLI的10张图像分析流程,优化了肺组织结构。通过结合Elastica染色与定量网络分析,该工作流程超越了传统的组织学评估,能够详细表征纤维丰度、断裂、空间组织和结构复杂性。该方案特别适合研究纤维化、肺气肿、肥胖相关肺重塑、炎症性肺病、衰老及其他以肺部细胞外基质重塑为特征的疾病。
本文所述的所有小鼠实验均依据德国北莱茵-威斯特法伦州动物伦理委员会的批准进行(亚利桑那州:81-02.04.2021.A221)。
注意:在整个过程中请佩戴适当的个人防护装备(白大褂、手套、护目镜)。
1. 小鼠肺组织的采样与制备
注意:小鼠在组织采集前根据机构和政府指南通过异氟醚过量安乐死。
2. 弹性纤维染色
3. 弹性纤维成像与网络分析
该方案提供了弹性纤维网络在不同肺部区域和实验条件下的定量参数。如前所述,TWOMBLI分析可获得纤维长度、分支密度、空隙度和分形尺寸等参数,用于细胞外基质评估10。基于该框架,我们的方法能够全面表征弹性纤维组织,从而评估生理和病理肺组织中纤维丰度、连接性、均匀性和结构复杂性的变化。
在健康的肺组织中,弹性纤维沿肺泡隔膜和支气管周围结构形成长而连续且排列良好的网络。相比之下,病理性或代谢改变的肺,如肥胖小鼠的肺,通常表现出分支增加和网络复杂度增加,反映弹性纤维组织的变化3。代表性输出,包括二进制掩码和定量参数,如 图1A、B所示。这些输出可与组织学和分子分析 整合,以评估ECM完整性及重塑程度。在健康肺组织中,通过裂隙和间隙填充来观察ECM组织的差异(见图1C)。结合其他定量指标,这些参数捕捉网络复杂性,揭示由ECM重组驱动的组织结构变化,洞察弹性纤维网络中结构重塑的不同模式。
准确解读这些定量输出的关键在于高质量的图像采集和处理。不理想的成像或处理条件,包括对焦差、照明不一致或染色矢量估计不准确,可能导致遮罩碎片化或噪点大,进而导致定量输出不可靠(见图1D)。因此,在解读前,对原始图像和分割结果进行仔细的目视检查至关重要,以确保数据质量。次优掩膜通常表现为连续纤维过度碎片化、断裂或不完全的分割、背景噪声作为纤维结构的掺入,或原始染色图案与生成掩膜之间重叠不良,这表明图像采集、染色矢量估计或分割参数需要重新评估。为说明这些特征,故意分析了带有反染色的切片,这会干扰弹性纤维的识别,导致分段效果不佳。图 1E展示了这样一种低质量掩罩的例子。为进一步评估工作流程的鲁棒性和可重复性,两位研究者使用相同的优化分析参数独立分析了图像数据集(见图2A)。此外,还纳入了来自独立动物的样本,以评估生物变异性(见图2B)。在操作员和生物复制品之间获得了可比的定量输出,支持了拟议图像分析流程的可重复性和用户独立性。这些分析共同表明,该工作流程能够稳健评估弹性纤维组织,并便于生理与病理条件的比较。

图1. Elastica染色分析工作流程。 (A) 代表性原始图像,通过图像解卷积获得的孤立弹性纤维信号,使用TWOMBLI生成的二进制掩码,以及原始弹性纤维与相应遮罩叠加,展示了准确的分割。(B) 由TWOMBLI分析生成的代表性定量参数。(C)健康小鼠肺组织中空缺性和间隙填充分析示例,以说明细胞外基质组织的差异。(D) 因图像采集或图像处理不优而导致的碎片化和噪点掩码的示意图。(E)组织切片用血液素和伊苏素进行对色,显示弹性纤维识别受损且掩膜生成不优。标示原始染色图案与生成遮罩之间不匹配的区域。比例尺 A,D = 100微米, E = 50微米。 请点击此处查看该图的更大版本。

图2。弹性纤维分析工作流程的可重复性和稳健性。 (A) 两位研究人员使用TWOMBLI分析参数独立分析图像数据集,以评估操作员间的可重复性。展示了定量的TWOMBLI衍生指标。A和B表示两个独立的算符。(B)分析了来自独立动物的样本以评估生物变异性。展示了定量的TWOMBLI衍生指标,展示了生物复制体间的可比输出,支持分析流程的稳健性。M1、M2和M3表示个体健康的个体。n = 3,统计分析采用单向方差分析,随后进行Dunnett多重比较检验。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 参数 | 价值观 |
| 对比饱和度 | 0.75 |
| 最小线宽 | 5 |
| 最大线宽 | 10 |
| 最小曲率窗口 | 20 |
| 最大曲率窗口 | 80 |
| 最小分支长度 | 10 |
| Maximun HDM 显示屏 | 175 |
| 最小隙直径 | 0 |
表1: TWOMBLI衍生定量参数摘要。 TWOMBLI生成的参数及其解释,用于评估肺组织弹性纤维结构。指标包括光纤数量、分支、对齐、连接性和网络组织等指标。
补充文件1:无偏投资回报率的肺泡 请点击此处下载此文件。
补充文件2:无偏ROI支气管周围区域,请点击此处下载此文件。
该方案提供了一个稳健且可重复的工作流程,用于研究小鼠肺部细胞外基质(ECM)结构,特别关注成纤维细胞驱动的弹性纤维重塑。弹性纤维对于维持肺部顺应性和后坐力至关重要,其破坏是多种肺部疾病的标志,包括纤维化、肺损伤、衰老和代谢疾病2。尽管弹性纤维具有核心功能作用,但对弹性纤维组织和组装的定量评估仍然有限。该工作流程通过系统化和定量地表征弹性光纤网络架构,弥补了这一空白。
该方法的一个主要优势在于将定量成像工作流程与结构组织学分析相结合。虽然传统方法通常分别评估ECM成分或组织学特征,但该方案能够客观量化弹性纤维组织,包括纤维长度、分支和网络复杂度。这有助于直接比较生理和病理状况,并为成纤维细胞介导的ECM重塑提供见解。
然而,确保实验一致性和数据质量的关键是若干技术层面。Resorcin–Fuchsin染色对固定时间、切面厚度和试剂一致性等变量敏感,因此标准化对于可重复性至关重要。TWOMBLI的定量输出依赖于图像质量、分辨率和兴趣区域选择的一致性,因此必须与组织学评估一同解释,并在多个样本中进行验证。此外,肺泡和支气管周围区域的纤维密度和形态存在差异,需要针对特定区域进行优化。该方法捕捉了弹性纤维网络在二维中的整体组织,且不解析超微结构特征,而超微结构则需要电子显微镜等更高分辨率技术。三维成像技术,包括共聚焦显微镜或多光子显微镜,可能进一步提升纤维几何和连通性分析。
工作流程中的几个步骤对于确保结果的可靠性和可复现性尤为关键。组织固定、切片质量以及均匀的复染-紫杉染色对弹性纤维的可视化有显著影响,因此应严格标准化。 染色强度低、染色不均匀或背景较高可能源于试剂质量不一、染色条件不一致或组织保存不足。此外,建议纳入健康和病变肺组织、技术染色控制以及跨实验批次处理的参考样本,以监测染色的一致性和分析稳健性。富含弹性纤维的组织还可作为正对照,验证图像采集和分割程序。在图像反卷积过程中准确估计染色矢量是另一个重要步骤,因为不合适的矢量选择可能导致纤维提取不完整和遮罩碎片化。根据实验问题的不同,工作流程可以通过调整投资回报率的大小和数量、调整图像处理参数,或整合三维成像方法来进一步研究弹性纤维组织。
总体而言,该方法为研究ECM重塑在生理和病理背景下提供了多样化的平台。由于弹性纤维完整性直接关联肺部顺应性和机械功能,这种方法对于理解ECM结构变化如何转化为肺功能变化尤为重要。它非常适合研究成纤维细胞驱动的结构变化,并为更好地理解ECM重塑及其对疾病进展和组织功能的贡献提供了新机遇。该方法还可以扩展到其他组织,包括心血管组织、皮肤、子宫、结缔组织疾病、纤维化器官和人体标本,或结合先进的空间和高分辨率成像技术,进一步扩大其应用范围。
作者声明没有利益冲突。
我们要感谢波恩大学医学院组织学核心设施的协助。此外,我们感谢Daniela Kraus和iFET动物设施全体团队的支持工作。V.L.K.由德国研究基金会(Deutsche Forschungsgemeinschaft,DFG)资助,该项目基于德国卓越战略(EXC 2151 – 390873048)。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Axio CS2 幻灯片扫描仪 | Carl Zeiss | ||
| Coplin 玻璃染色罐 | Sigma-Aldrich | S6016 | |
| DPX 载玻片封片剂 | Sigma-Aldrich | 6522 | |
| 组织切片用乙醇(100%) | Carl Roth | 9065.4 | |
| Fiji | https://imagej.net/software/fiji/ | 版本 1.54t | |
| 中性缓冲福尔马林溶液 10% | Sigma | HT501128 | |
| HISTOSETTE I 组织处理/包埋盒 | Sigma-Aldrich | H0542 | |
| 显微切片机 | Thermo Fischer Scietific | HM355S | |
| 显微镜载玻片 | VWR | 631-0108 | |
| 小鼠:C57BL/6J | The Jackson Laboratory | RRID: IMSR_JAX:000664 | 菌株号:000664 |
| 石蜡包埋系统 | Epredia HistoStar 包埋模块 | ||
| Prism | https://www.graphpad.com | 版本 11 | |
| Qupath | https://qupath.github.io | 版本 0.7.0 | |
| 间苯三酚-品红 | Waldeck | 2.00E-30 | |
| TWOMBLI 插件 | https://github.com/wershofe/TWOMBLI | ||
| 二甲苯 | Applichem GmBH | 14020172 |
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