Hier beschreiben wir einen korrelativen Workflow für die Exzision, Druckbeaufschlagung, Fixierung und Bildgebung der murinen Pulmonalklappe, um die grobe Konformation und lokale extrazelluläre Matrixstrukturen zu bestimmen.
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Hier beschreiben wir einen korrelativen Workflow für die Exzision, Druckbeaufschlagung, Fixierung und Bildgebung der murinen Pulmonalklappe, um die grobe Konformation und lokale extrazelluläre Matrixstrukturen zu bestimmen.
Die zugrunde liegenden Ursachen der Herzklappenerkrankung (HVD) sind schwer fassbar. Murine Tiermodelle bieten ein hervorragendes Werkzeug für die Untersuchung von HVD, aber das chirurgische und instrumentelle Fachwissen, das erforderlich ist, um die Struktur und Organisation über mehrere Längenskalen hinweg genau zu quantifizieren, hat seinen Fortschritt behindert. Diese Arbeit bietet eine detaillierte Beschreibung der murinen Dissektion, der En-bloc-Färbung, der Probenverarbeitung und der korrelativen Bildgebungsverfahren zur Darstellung der Herzklappe auf verschiedenen Längenskalen. Hydrostatischer Transvalvulardruck wurde verwendet, um die zeitliche Heterogenität durch chemische Fixierung der Herzklappenkonformation zu kontrollieren. Die Mikro-Computertomographie (μCT) wurde verwendet, um die Geometrie der Herzklappe zu bestätigen und eine Referenz für die nachgelagerte Probenverarbeitung zu liefern, die für die serielle Blockflächen-Rasterelektronenmikroskopie (SBF-REM) erforderlich ist. Hochauflösende serielle REM-Bilder der extrazellulären Matrix (ECM) wurden aufgenommen und rekonstruiert, um eine lokale 3D-Darstellung ihrer Organisation zu erhalten. μCT- und SBF-SEM-Bildgebungsverfahren wurden dann korreliert, um die räumliche Variation über die Pulmonalklappe zu überwinden. Obwohl sich die vorgestellte Arbeit ausschließlich auf die Pulmonalklappe betrifft, könnte diese Methodik zur Beschreibung der hierarchischen Organisation in biologischen Systemen übernommen werden und ist entscheidend für die strukturelle Charakterisierung über mehrere Längenskalen hinweg.
Die Pulmonalklappe (PV) dient dazu, eine unidirektionale Durchblutung zwischen dem rechten Ventrikel und der Lungenarterie sicherzustellen. Lungenklappenfehlbildungen sind mit verschiedenen Formen angeborener Herzerkrankungen verbunden. Die aktuelle Behandlung für angeborene Herzklappenerkrankungen (HVD) ist die Klappenreparatur oder der Klappenersatz, was mehrere invasive Operationen während des gesamten Lebens eines Patienten erfordern kann1. Es ist allgemein anerkannt, dass die Funktion der Herzklappe von ihrer Struktur abgeleitet wird, die oft als Struktur-Funktions-Korrelat bezeichnet wird. Genauer gesagt bestimmen die geometrischen und biomechanischen Eigenschaften des Herzens seine Funktion. Die mechanischen Eigenschaften wiederum werden durch die Zusammensetzung und Organisation des ECM bestimmt. Durch die Entwicklung einer Methode zur Bestimmung der biomechanischen Eigenschaften von murinen Herzklappen können transgene Tiermodelle verwendet werden, um die Rolle des ECM auf die Herzklappenfunktion und Dysfunktionabzufragen 2,3,4,5.
Das mausige Tiermodell gilt seit langem als Standard für molekulare Studien, da transgene Modelle bei Mäusen im Vergleich zu anderen Arten leichter verfügbar sind. Murine transgene Modelle bieten eine vielseitige Plattform für die Erforschung herzklappenbedingter Erkrankungen6. Das chirurgische Know-how und die Instrumentierungsanforderungen, um sowohl die Geometrie als auch die ECM-Organisation zu charakterisieren, waren jedoch eine große Hürde für den Fortschritt der HVD-Forschung. Hstologische Daten in der Literatur liefern ein Bild in den gehalt an extrazellulären Matrixen der mausinen Herzklappe, jedoch nur in Form von 2D-Bildern, und können ihre 3D-Architektur nicht beschreiben7,8. Darüber hinaus ist die Herzklappe sowohl räumlich als auch zeitlich heterogen, was es schwierig macht, über Experimente hinweg Rückschlüsse auf die ECM-Organisation zu ziehen, wenn die Probenahme und Konformation nicht festgelegt sind. Herkömmliche 3D-Charakterisierungsmethoden wie MRT oder 3D-Echokardiographie bieten nicht die Auflösung, die erforderlich ist, um ECM-Komponenten9,10aufzulösen.
Diese Arbeit beschreibt einen vollständig korrelativen Arbeitsablauf, bei dem die zeitliche Heterogenität aufgrund des Herzzyklus durch Fixierung der Konformation der murinen PV mit hydrostatischem Transvalvulardruck angesprochen wurde. Die räumliche Heterogenität wurde präzise kontrolliert, indem Bereiche von Interesse abgesonden und Datensätze aus verschiedenen Bildgebungsmodalitäten, insbesondere μCT und serielle Blockflächen-Rasterelektronenmikroskopie, über verschiedene Längenskalen registriert wurden. Diese Methode des Scoutings mit μCT zur Führung der nachgelagerten Probenahme wurde bereits vorgeschlagen, aber da die Pulmonalklappe zeitliche Variationen aufweist, war eine zusätzliche Kontrollebene auf der chirurgischen Ebene11erforderlich.
In-vivo-Studien, die die Biomechanik der murinen Herzklappe beschreiben, sind spärlich und stützen sich stattdessen bei der Beschreibung des Deformationsverhaltens auf Computermodelle. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass lokale extrazelluläre Daten auf der Nanometerlängenskala mit der Geometrie und Lage der Herzklappe in Verbindung stehen. Dies wiederum liefert quantifizierbare, räumlich abgebildete Verteilungen von mechanisch beitragenden ECM-Proteinen, mit denen bestehende biomechanische Herzklappenmodelle verstärkt werden können12,13,14.
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Die Verwendung von Tieren in dieser Studie erfolgte in Übereinstimmung mit dem institutionellen Tierpflege- und Verwendungsausschuss des Nationwide Children's Hospital unter dem Protokoll AR13-00030.
1. Lungenklappenexzision
2. Druckfixierung der Pulmonalklappe
3. En-bloc Probenfärbung und Einbettung15,16
ACHTUNG: Die in diesem Abschnitt verwendeten Färbereagenzien (Kaliumferrocyanid, Osmiumtetroxid, Thiocarbohydrazid, Bleiaspartat und Uranylacetat) sind hochgiftig und sollten mit äußerster Vorsicht behandelt werden. Die Verwendung eines Abzugs und einer geeigneten PSA wird empfohlen.
4. Mikro-Computertomographie Bildgebung
5. Probenverarbeitung und Bildkorrelation
6. Serielle Blockflächen-Rasterelektronenmikroskopie18
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Anastomose der Lungenarterie zum Druckschlauch ist in Abbildung 1Adargestellt. Nach der Anwendung von hydrostatischem Druck dehnung sich der Lungenstamm radial (Abbildung 1B), was darauf hinweist, dass sich die Lungenklappenblättchen in einer geschlossenen Konfiguration befinden. Die Pulmonalklappenkonformation wurde durch μCT bestätigt. In diesem Fall waren die Blättchen koapt (geschlossen) und der Ring war kreisförmig (Abbildung 2A
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Die Entfernung der Ventrikel dient zwei Zwecken. Erstens, die Ventrikelseite dem atmosphärischen Druck auszusetzen, wodurch nur ein transvalvulärer Druck von der arteriellen Seite der Pulmonalklappe ausgeübt werden muss, um sich zu schließen, und zweitens, eine stabile Basis bereitzustellen, um eine Verdrehung des Lungenstamms zu verhindern. Während der Druckbeaufschlägeung dehnung sich der Lungenstamm radial und minderwertig, wodurch er anfällig für Verdrehungen wird, was zum Zusammenbruch des Lungenstamms führt. Die Vo...
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Die Autoren haben nichts preiszugeben.
Diese Arbeit wird teilweise durch R01HL139796- und R01HL128847-Zuschüsse an CKB und RO1DE028297 und CBET1608058 für DWM unterstützt.
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| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 25 % Glutaraldehyd (aq) | EMS | 16210 | Primäre Fixierkomponente |
| 0,9 % Natriumchlorid-Injektion | Hospira Inc. | NDC 0409-4888-10 | |
| mL Spritze | BD | 309659 | |
| 10 mL Spritze | BD | 309604 | |
| 200 proof Ethanol | EMS | 15055 | |
| 22G Nadel | BD | 305156 | |
| 3 mL Spritze | BD | 309657 | |
| 3-Wege-Absperrhahn | Smiths Medical ASD, Inc. | ||
| 4% Osmiumtetroxid | EMS | 19150 | Färbekomponente |
| 4% Paraformaldehyd (aq) | EMS | 157-4-100 | Primärfixierende Komponente |
| Resorbierbares Blutstillungsmittel | Ethicon | 1961 | |
| Aceton | EMS | 10012 | |
| Schwarzes Polyamid-Monofilament-Nahtmaterial, 10-0 | AROSurgical instruments Corporation | ||
| Schwarzes monofiles Polyamid-Nahtmaterial, 6-0 | AROSurgical instruments Corporation | SN-1956 | |
| C57BL/6 | Mäuse Jackson Laboratories | 664 | Ungefähr 1 Jahr |
| Calciumchlorid | Sigma-Aldrich | 10043-52-4 | |
| Klemmzange zum Anlegen | FST | 00072-14 | |
| Wattestäbchen-Applikatoren | Fisher Scientific | 23-400-118 | |
| DPBS | Gibco | 14190-144 | |
| Dumont #5 Pinzette | FST | 11251-20 | |
| Dumont #5/45 Pinzette | FST | 11251-35 | |
| Dumont #7 Feinzange | FST | 11274-20 | |
| Durcupan ACM Harz | EMS | 14040 | Zum Einbetten |
| Feine Schere | FST | 14028-10 | |
| Heliscan microCT | Thermo Fisher Scientific | Micro-CT | |
| Ketaminhydrochlorid Injektion | Hospira Inc. | NDC 0409-2053 | |
| L-Asparaginsäure | Sigma-Aldrich | 56-84-8 | Färbekomponente |
| Bleinitrat | EMS | 17900 | Färbekomponente |
| Niedrigvakuum-Rückstreudetektor | Thermo Fisher Scientific | VSDBS | REM Rückstreudetektor |
| Mikro-Adson-Pinzette | FST | 11018-12 | |
| Millex-GP Filter, 0,22 μm, PES 33mm, unsteriles | EMD Millipore | SLGP033NS | |
| Vliesstoff Songes | McKesson Corp. | 94442000 | |
| Kaliumhexacyanoferrat(II)-trihydrat | Sigma-Aldrich | 14459-95-1 | Färbekomponente |
| Kaliumhydroxid | Sigma-Aldrich | 1310-58-3 | |
| Drucküberwachungsleitung | Smiths Medical ASD, Inc. | MX562 | |
| Kochsalzlösung (steril 0,9 % Natriumchlorid) | Hospira Inc. | NDC 0409-0138-22 | |
| Größe 3 BEEM-Kapsel | EMS | 69910-01 | Einbettbehälter |
| Natriumcacodylat-Trihydrat | Sigma-Aldrich | 6131-99-3 | |
| FST | 17000-04 | ||
| Sputter-, Carbon- und E-Beam-Coater | Leica | EM ACE600 | Goldcoater |
| Operationsmikroskop | Leica | M80 | |
| Thiocarbohydrazid (TCH) | EMS | 21900 | Färbekomponente |
| Tish Nadelhalter/Pinzette | Micrins | MI1540 | |
| Trimmer | Wahl | 9854-500 | |
| Uranylacetat | EMS | 22400 | Färbekomponente |
| Volumescope Rasterelektronenmikroskop | Thermo Fisher Scientific | VOLUMESCOPESEM | Serielles Block-Rasterelektronenmikroskop |
| Xylazin sterile Lösung | Akorn Inc. | NADA# 139-236 |
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