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Research Article
Manuel Lasch1,2,3, Mykhailo Vladymyrov4, Dominic van den Heuvel1,5, Philipp Götz1,3, Elisabeth Deindl1,3, Hellen Ishikawa-Ankerhold1,5
1Walter-Brendel-Centre of Experimental Medicine, University Hospital,Ludwig-Maximilians-Universität München, 2Department of Otorhinolaryngology, Head & Neck Surgery, University Hospital,Ludwig-Maximilians-Universität München, 3Biomedical Center, Institute of Cardiovascular Physiology and Pathophysiology, Faculty of Medicine,Ludwig-Maximilians-Universität München, 4TKI,University of Bern, 5Department of Internal Medicine I and Cardiology, University Hospital,Ludwig-Maximilians-Universität München
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
El reclutamiento de leucocitos y plaquetas constituye un componente esencial necesario para el crecimiento efectivo de las arterias colaterales durante la arteriogénesis. La microscopía multifotónica es una herramienta eficiente para rastrear la dinámica celular con alta resolución espacio-temporal in vivo y menos fototoxicidad para estudiar el reclutamiento y extravasación de leucocitos durante la arteriogénesis.
La arteriogénesis depende en gran medida del reclutamiento de leucocitos y plaquetas en el espacio perivascular de los vasos colaterales en crecimiento. El enfoque estándar para analizar arterias colaterales y leucocitos en arteriogénesis es la metodología histológica ( inmuno) ex vivo. Sin embargo, esta técnica no permite la medición de procesos dinámicos como el flujo sanguíneo, el esfuerzo cortante, las interacciones célula-célula y la velocidad de las partículas. Este artículo presenta un protocolo para monitorear los procesos in vivo en el crecimiento de arterias colaterales durante la arteriogénesis utilizando imágenes intravitales. El método descrito aquí es una herramienta confiable para la medición dinámica y ofrece un análisis de alto contraste con fotocitotoxicidad mínima, proporcionada por microscopía de excitación multifotónica. Antes de analizar las arterias colaterales en crecimiento, se indujo arteriogénesis en el músculo aductor de ratones mediante ligadura unilateral de la arteria femoral.
Después de la ligadura, las arterias colaterales preexistentes comenzaron a crecer debido al aumento del esfuerzo cortante. Veinticuatro horas después de la cirugía, se eliminó la piel y la grasa subcutánea por encima de las arterias colaterales, construyendo un bolsillo para análisis adicionales. Para visualizar el flujo sanguíneo y las células inmunes durante las imágenes in vivo , se inyectaron anticuerpos contra el isotiocianato de fluoresceína CD41 (FITC) (plaquetas) y la CD45-ficoeritrina (PE) (leucocitos) por vía intravenosa (IV) a través de un catéter colocado en la vena de la cola de un ratón. Este artículo presenta la imagen multifotónica intravital como una alternativa o complementación in vivo a los análisis histológicos estáticos ex vivo (inmuno) comúnmente utilizados para estudiar procesos relevantes para la arteriogénesis. En resumen, este artículo describe un método in vivo novedoso y dinámico para investigar el tráfico de células inmunes, el flujo sanguíneo y el estrés de cizallamiento en un modelo de arteriogénesis de las extremidades posteriores, lo que mejora notablemente las posibilidades de evaluación.
A pesar del intenso interés de la investigación durante los últimos años, las enfermedades cardiovasculares, por ejemplo, la cardiopatía isquémica y el accidente cerebrovascular, siguen siendo la principal causa mundial de muerte1. Los tratamientos actuales para estas enfermedades son terapias altamente invasivas como la angioplastia transluminal percutánea, la angioplastia coronaria transluminal percutánea o la cirugía de derivación2. Por lo tanto, se necesita urgentemente el desarrollo de opciones terapéuticas alternativas y no invasivas. El cuerpo puede crear derivaciones naturales alrededor de un vaso estenosado u ocluido para redirigir el flujo sanguíneo interrumpido a la parte distal de la estenosis. Este proceso se llama arteriogénesis2. Muchos estudios recientes han demostrado que el aumento del cizallamiento del líquido afecta el reclutamiento de leucocitos, que desempeña un papel importante durante la arteriogénesis3. Las principales opciones actuales para analizar el reclutamiento de leucocitos durante la arteriogénesis son los análisis (inmuno) histológicos ex vivo o la metodología de clasificación celular activada por fluorescencia (FACS)4. Para permitir la evaluación de la dinámica de los leucocitos durante la arteriogénesis, este artículo presenta un protocolo de imagen intravital con microscopía multifotónica.
Los leucocitos son las principales células sanguíneas reclutadas durante el proceso de arteriogénesis3. Este protocolo utiliza imágenes multifotónicas para mostrar el rastreo de leucocitos adherentes marcados con anticuerpos anti-CD45-PE inyectados en arterias colaterales, 24 h después de la inducción de la arteriogénesis por ligadura de la arteria femoral (FAL) empleando un modelo de isquemia murina de las extremidades posteriores 5,6. Alternativamente, las células inmunes pueden etiquetarse ex vivo e inyectarse cuidadosamente en ratones, como se muestra en estudios sobre angiogénesis utilizando microscopía intravital7. El flujo sanguíneo dentro de los vasos y arterias puede ser visualizado por CD41-FITC (para etiquetar plaquetas), dextrano-FITC (plasma), o por la segunda generación armónica (SHG), que visualiza el colágeno tipo 1 presente en la membrana basal de alguna parte del árbol vascular. SHG es un efecto único de etiquetado libre de la excitación multifotónica. Las imágenes multifotónicas permiten el seguimiento celular a largo plazo sin dañar el tejido y activar las células mediante la excitación de potencia láser. La microscopía multifotónica es el método de imagen de elección para visualizar células y estructuras marcadas con fluorescencia en animales vivos debido a su capacidad para excitar los fluoróforos más profundamente en el tejido / órganos con una fototoxicidad mínima8.
El uso de láseres infrarrojos sintonizados con pulsos entregados dentro de intervalos de femtosegundos excita el fluorocromo solo en el plano focal, sin excitación por encima y por debajo del plano focal8. Por lo tanto, la microscopía multifotónica permite una alta resolución espacio-temporal, menos fotodaño y una mayor penetración de imágenes de tejido para estudiar eventos biológicos dinámicos dentro de los órganos. Es una herramienta de microscopía ideal para imágenes de animales vivos. Sin embargo, el multifotón y cualquier otro arte de la microscopía intravital está limitado por el movimiento del tejido debido a los latidos del corazón, la respiración, los movimientos peristálticos, la tonalidad muscular y otras funciones fisiológicas, lo que perturba la adquisición y el análisis de imágenes. Como estos movimientos perjudican la resolución temporal y espacial y, a veces, incluso prohíben el análisis posterior, deben abordarse adecuadamente para permitir un análisis e interpretación precisos de los datos. Se han desarrollado varias estrategias para reducir o prevenir el movimiento de los artefactos del tejido. Este protocolo aplica un software de corrección de deriva in situ llamado VivoFollow9 para corregir la deriva del tejido durante la adquisición de imágenes. Este enfoque proporciona la estabilización de imagen requerida, lo que permite el análisis de imágenes y seguimiento celular a largo plazo.
Este estudio fue aprobado por el Comité de Cuidado y Uso de Animales de Baviera (aprobado por el código ético: ROB-55.2Vet-2532.Vet_02-17-99); estos experimentos se llevaron a cabo en estricta conformidad con las directrices de la legislación animal alemana.
1. Los animales y la ligadura de la arteria femoral (FAL)
NOTA: Para inducir inflamación estéril y arteriogénesis, se utilizaron ratones machos C57BL / 6J de 8-10 semanas de edad. Ninguno de los ratones murió o sufrió de infección de la herida o alteración de la cicatrización de la herida durante o después de la cirugía FAL o simulada, respectivamente.
2. Preparación tisular para imágenes intravitales multifotónicas
3. Microscopía multifotónica intravital
La microscopía multifotónica ofrece una alta resolución espacio-temporal para el seguimiento de leucocitos, en la que los pasos y la velocidad de la migración celular pueden ser rastreados y monitoreados (Figura 4A, B). Sin embargo, el movimiento fisiológico de la muestra plantea un desafío, especialmente para las adquisiciones de imágenes de microscopía intravital a largo plazo. Por lo tanto, se requiere una buena preparación de tejido y soportes para fijar el tejido y herramientas, como la corrección de imágenes en tiempo real para la deriva del tejido, para una adquisición de imágenes exitosa y estable. Aquí, se empleó una herramienta de deriva en vivo, VivoFollow, para corregir la deriva del tejido generada durante la adquisición de imágenes a largo plazo.
La aplicación de esta herramienta permite la adquisición de imágenes a largo plazo y permite la recopilación de datos de alta calidad, adecuados para el seguimiento de celdas para mediciones de velocidad. Como se muestra en la Figura 3B, sin corrección de deriva, la región de interés se aleja progresivamente de la vista de grabación, lo que afecta la capacidad de rastrear celdas para el análisis de velocidad. Sin embargo, como se muestra en la Figura 3C, con el software de corrección de deriva, se pueden grabar películas estables y se puede rastrear más celdas durante un largo período. El software de corrección de deriva también puede proporcionar una visualización de los desplazamientos x, y y z a lo largo del tiempo que el sistema corrigió, como se muestra en la Figura 3D.

Figura 1: Configuración de imágenes Doppler láser y preparación para la ligadura de la arteria femoral y preparación de tejidos para imágenes intravitales. (A) Configuración de imágenes LDI. (B) El ratón se coloca dentro de la cámara de calentamiento LDI para la adquisición de imágenes. (C) Imágenes LDI de las piernas derecha e izquierda antes (panel superior) y después de FAL (panel inferior) para verificar la perfusión de las extremidades posteriores después de la ligadura. La arteria femoral derecha fue ligada/ocluida, mientras que la arteria femoral izquierda fue operada de forma simulada (Sham) y sirvió como control interno. En la barra de color, el azul indica una baja perfusión sanguínea y el rojo indica una mayor perfusión. (D-K) Las imágenes representan los pasos de la cirugía de la ligadura arterial femoral. Barra de escala = 10 mm. (L-S) Preparación tisular para imágenes intravitales después de FAL. El área a fotografiar está indicada por el círculo negro, donde se encuentran los vasos colaterales. Barra de escala = 5 mm. Abreviaturas: LDI = Laser Doppler imaging; FAL = ligadura de la arteria femoral; Occ = oclusión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: Configuración para imágenes intravitales multifotónicas. (A) Preparación del catéter venoso; 1-Tubo fino de polietileno de 10 cm, aguja 2: 2x 30 G; 3: catéter montado conectado con jeringa de 1 ml; 4: pegamento histoacrílico tisular; 5: soporte de aguja. (B) El ratón colocado en posición supina con ambas extremidades posteriores colocadas sobre trozos de arcilla negra para modelar (flechas rojas) preparados para la obtención de imágenes. (C) Miembro posterior derecho e izquierdo ocluidos (Occ), extremidad posterior operada de forma simulada lista para la obtención de imágenes. (D) Configuración del microscopio multifotón que muestra cajas láser, caja de lámpara de fluorescencia, tubos para calentar la cámara de la incubadora. (E) Cámara de incubación del microscopio multifotónico. (F) Ratón colocado dentro de la cámara del microscopio con el objetivo 16x tocando el tejido cubierto con gel ultrasónico. Detalle que muestra el catéter venoso fijado en la vena de la cola para inyección de anticuerpos. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: Configuración del software de corrección de deriva VivoFollow. (A) (i-xiv) Pasos de configuración del software como se describe en el paso de protocolo 3.2.2-3.2.11.9. (B) Imágenes representativas de series temporales que muestran la deriva de imágenes sin el software de corrección de deriva activado. La arteria colateral está delimitada por las líneas blancas discontinuadas (Video 1 y Video 2). (C) Imágenes representativas de series temporales que muestran la serie temporal estable cuando se aplica la corrección de deriva en vivo durante la adquisición de imágenes. Los leucocitos se marcaron con anticuerpos CD45-PE (rojo), las plaquetas se marcaron con anticuerpos CD41-FITC (verde) y el colágeno tipo 1 con el SGH (azul). La arteria colateral está delimitada por las líneas blancas discontinuadas. (D) Gráfico de líneas que muestra la corrección en vivo a lo largo de las direcciones x, y y z. Abreviaturas: PE = ficoeritrina; FITC = isotiocianato de fluoresceína; SGH = segunda generación armónica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Resultados representativos . (A) Velocidades leucocitarias medidas en arterias colaterales de extremidades posteriores operadas con simulacro (Sham) y ligadas a la arteria femoral. (B) Las imágenes representativas muestran las celdas rastreadas (magenta) con las pistas codificadas por colores. La barra de códigos de color representa la velocidad de la celda con las celdas más lentas mostradas por pistas azules y las celdas más rápidas con pistas rojas. Los leucocitos se marcaron con anticuerpos CD45-PE inyectados (rojo), las plaquetas se marcaron con anticuerpos CD41-FITC inyectados (verde) y el colágeno tipo 1 con el SGH (azul). Resultados de tres experimentos individuales. Barra de escala = 20 μm. Ver Video 3 y Video 4. Abreviaturas: Occ= ocluido/ligado a la arteria femoral; PE = ficoeritrina; FITC = isotiocianato de fluoresceína; SGH = segunda generación armónica. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Video 1: Imágenes intravitales multifotónicas de una arteria colateral sin corrección de deriva. Las imágenes cuatridimensionales se grabaron con un tamaño de píxel de 554 x 554 μm, frecuencia de 600 Hz, un intervalo de 1100 ms/cuadro, tamaño de paso de 2 μm y rango de 40 μm. El video muestra la imagen a la deriva sin la aplicación del software de corrección de deriva VivoFollow. La arteria colateral se muestra en la parte inferior del video, y la vena colateral aparece después de 3 minutos en la parte superior de la película. Barra de escala = 50 μm. Haga clic aquí para descargar este video.
Video 2: Imágenes intravitales multifotónicas de una arteria colateral con corrección de deriva aplicada. Se tomaron imágenes cuatridimensionales con un tamaño de píxel de 554 x 554 μm, frecuencia de 600 Hz, un intervalo de 1100 ms/fotograma, tamaño de paso de 2 μm y rango de 40 μm. El video fue grabado con el software de corrección de deriva en vivo, VivoFollow, y muestra la estabilidad de imagen promovida al aplicar el software de corrección de deriva. Barra de escala = 50 μm. Haga clic aquí para descargar este video.
Video 3: Imágenes de seguimiento celular en una arteria colateral después de una operación simulada. Los leucocitos marcados con anticuerpos anti-CD45-PE inyectados se obtuvieron imágenes en una arteria colateral en reposo de la pierna operada de forma simulada y se rastrearon utilizando el software Imaris con el complemento para rastrear células. Las celdas rastreadas fueron seleccionadas y representadas por los puntos magenta. Las pistas estaban codificadas por colores de acuerdo con la velocidad de la celda. Las celdas más lentas están representadas por pistas azules y las celdas más rápidas por pistas rojas. Barra de escala = 50 μm. Abreviatura = PE = ficoeritrina. Haga clic aquí para descargar este video.
Video 4: Imágenes de seguimiento celular en una arteria colateral después de FAL. Los leucocitos marcados con anticuerpos anti-CD45-PE se obtuvieron imágenes en una arteria colateral en crecimiento 24 h después de la inducción de la arteriogénesis por FAL y se rastrearon mediante el uso del software Imaris con el complemento para rastrear células. Las celdas rastreadas fueron seleccionadas y representadas por los puntos magenta. Las pistas estaban codificadas por colores de acuerdo con la velocidad de la celda. Las celdas más lentas están representadas por pistas azules y las celdas más rápidas por pistas rojas. Barra de escala = 50 μm. Abreviaturas: FAL = ligadura de la arteria femoral; PE = ficoeritrina. Haga clic aquí para descargar este video.
| Problemas técnicos | Soluciones propuestas |
| En caso de que los vasos de la cola no sean visibles para introducir el catéter | • Use una compresa tibia que rodea la cola del ratón durante 3-5 minutos para promover la vasodilatación local. Ayudará a hacer visible la vena. |
| En caso de que el catéter de cola no se pueda fijar para la inyección de anticuerpos | • Utilice una jeringa de 1 ml con una aguja de 30 g para introducir en la vena e inyectar directamente los anticuerpos y colorantes antes de la obtención de imágenes. |
| • En algunos casos (dependiendo de los anticuerpos) la inyección se puede aplicar i.p. 1 h antes de la imagen. | |
| Cuando el movimiento del tejido impide la estabilidad de la imagen | • Trate de volver a colocar y volver a fijar la pata superior del ratón para evitar los movimientos abdominales fisiológicos. |
| • Compruebe si la mesa del microscopio tiene suficiente aire para cancelar la vibración. | |
| • Asegúrese de que el ratón esté en anestesia profunda y no se despierte. | |
| • Monitorizar la respiración del ratón. Cuando el ratón respira demasiado rápido, puede tener un impacto en el movimiento de la imagen. | |
| Cuando la calidad de la imagen comienza a disminuir | • Asegúrese de que el gel ultrasónico no se seque. |
| • Vuelva a llenar el gel ultrasónico. | |
| • Asegúrese de que el objetivo esté limpio (limpie el gel ultrasónico seco en el objetivo cada vez que se realice un nuevo relleno). | |
| Cuando las arterias se dañan durante la preparación para la obtención de imágenes | • En este caso, no será posible adquirir imágenes. No es posible ejecutar el experimento. |
Tabla 1: Solución de problemas.
Los autores no tienen conflictos de intereses que declarar.
El reclutamiento de leucocitos y plaquetas constituye un componente esencial necesario para el crecimiento efectivo de las arterias colaterales durante la arteriogénesis. La microscopía multifotónica es una herramienta eficiente para rastrear la dinámica celular con alta resolución espacio-temporal in vivo y menos fototoxicidad para estudiar el reclutamiento y extravasación de leucocitos durante la arteriogénesis.
El estudio fue financiado por la Deutsche Forschungsgemeinschaft SFB 914 (HI-A/SM, proyecto Z01). Agradecemos a la Dra. Susanne Stutte por leer el manuscrito.
| Jeringa de 1,0 ml | BD Biosciences, San José, CA, EE. UU. | 309628 | jeringa inyectable |
| 3M Durapore cinta quirúrgica 1538-0 | 3M, St. Paul, MN, EE. UU. | 1538-0 | cinta de fijación |
| Atipamezole | Zoetis, Berlín, Alemania | antagonizar la anestesia | |
| Buprenorfina | Reckitt Benckiser Healthcare, Slough, Reino Unido | antagonizar la anestesia | |
| Ratón C57/B6J | Charles River, Sulzfeld, Alemania | utilizó animales para cirugía/diagnóstico por imágenes | |
| CD41-FITC ab | Biolegend | 133904 | Marcaje de plaquetas in vivo |
| CD45-PE ab | Biolegend | 368510 | Etiquetado de leucocitos in vivo |
| Desinfectante Cutasept | Carl Roth GmbH, Karlsruhe, Alemania | AK64.2 | |
| Desinfección Contorno de ojos (Bepanthen) | Bayer Vital GmbH | 5g | |
| Fentanilo | CuraMED Pharma, Karlsruhe, Alemania | anestesia | |
| Flumazenilo | Inresa Arzneimittel GmbH, Friburgo, Alemania | Anestesia Antogonizante | |
| Tubo de polietileno de diámetro fino | Smiths medical | Lote 278316 | 0,28 mm de diámetro interno y 0,61 mm de diámetro exterior, tubo para el catéter venoso |
| Histoacryl flexible | BRAUM | 1050052 | pegamento tisular |
| Software Imaris | Oxford Instruments | versión 9.2 | Se utiliza para el seguimiento de células, el análisis de la velocidad de las células, la proyección 3D |
| Láser Doppler Instrumento de imagen | Moor LDI 5061 y Moor Software Versión 3.01, Moor Instruments, Remagen, Alemania | ||
| LEICA KL300 LED | Leica, Solms, Alemania | luz para microscopio | |
| Leica M60 | Leica, Solms, Alemania | microscopio para cirugía | |
| LEICA MC120 HD | Leica, Solms, Alemania | cámara para microscopio | |
| Medetomidina | Pfizer Pharma, Berlín, Alemania | anestesia | |
| Midazolam | Ratiopharm GmbH, Ulm, Alemania | anestesia | |
| Microscopio multifotónico | Lavision | TRIMScope II | WL 820 nm |
| NaCl 0.9% | Braun, Melsungen, Alemania | solución | salina 3570310 para bolsillo |
| Naloxona | Inresa Arzneimittel GmbH, Friburgo, Alemania | Anestesia antagonizante | |
| Aguja 30 G | BD Biosciences, San José, CA, EE. UU | .Aguja 305128 | para catéter intravenoso |
| Sutura trenzada de seda (7-0) | Pearsalls Ltd., Taunton, Reino Unido | SUT-S 103 | sutura para ligadura de arteria femoral |
| Gel ultrasónico | SONOSID-ASID BONZ 250 mL | 782012 | gel para la obtención de imágenes |
| Sutura Vicryl 6.0 | Vicryl, Johnson& Johnson, New Brunswick, NJ, EE. UU | .Sutura NW-2347 | para construir el |
| software de corrección de deriva VivoFollow | de bolsillo Desarrollado por Mykhailo Vladymyrov | Referencia 9 |