אנו מדווחים על שיטה לשחזור מזוסקופי של לב העכבר כולו על ידי שילוב של התקדמות חדשה בטרנספורמציה וצביעה של רקמות עם פיתוח של מיקרוסקופ אור סרוק אקסיאלי.
הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.
מאמר שיטה
* These authors contributed equally
אנו מדווחים על שיטה לשחזור מזוסקופי של לב העכבר כולו על ידי שילוב של התקדמות חדשה בטרנספורמציה וצביעה של רקמות עם פיתוח של מיקרוסקופ אור סרוק אקסיאלי.
מחלות לב גנטיות ולא גנטיות יכולות לגרום לתהליכי שיפוץ חמורים בלב. שיפוץ מבני, כגון תצהיר קולגן (פיברוזיס) ואי-התאמה תאית, יכול להשפיע על ההולכה החשמלית, לגרום להפרעות אלקטרומכניות, ובסופו של דבר להוביל להפרעות קצב. מודלי החיזוי הנוכחיים של שינויים פונקציונליים אלה מבוססים על מידע מבני לא משולב וברזולוציה נמוכה. הצבת מסגרת זו בסדר גודל שונה היא מאתגרת בשל חוסר היעילות של שיטות הדמיה סטנדרטיות בביצוע הדמיה ברזולוציה גבוהה ברקמה מסיבית. בעבודה זו אנו מתארים מסגרת מתודולוגית המאפשרת הדמיה של לבבות עכברים שלמים ברזולוציה מיקרומטרית. השגת מטרה זו דרשה מאמץ טכנולוגי שבו שולבו התקדמות בטרנספורמציה של רקמות ובשיטות הדמיה. ראשית, אנו מתארים פרוטוקול CLARITY אופטימלי המסוגל להפוך לב שלם לצורה ננו-נקבובית, היברידית הידרוג'ל, נטולת שומנים, המאפשרת שקיפות גבוהה וכתמים עמוקים. לאחר מכן, מתואר מיקרוסקופ אור פלואורסצנטי המסוגל להשיג במהירות תמונות של שדה ראייה מזוסקופי (בקנה מידה מ"מ) ברזולוציה של קנה מידה מיקרוני. בעקבות פרויקט mesoSPIM, המיקרוסקופ שהגה מאפשר שחזור של כל לב העכבר ברזולוציה מיקרומטרית בסריקה טומוגרפית אחת. אנו מאמינים כי מסגרת מתודולוגית זו תאפשר להבהיר את מעורבותם של אי-סדר הציטו-ארכיטקטורה בתפקוד החשמלי ותסלול את הדרך למודל מקיף המתחשב הן בנתונים הפונקציונליים והן בנתונים המבניים, ובכך יאפשר חקירה מאוחדת של הגורמים המבניים המובילים לשינויים חשמליים ומכניים לאחר שיפוץ הרקמה.
שיפוץ מבני הקשור למחלות לב יכול להשפיע על ההולכה החשמלית ולהכניס תפקוד אלקטרומכני של האיבר 1,2. הגישות הנוכחיות המשמשות לחיזוי שינויים תפקודיים משתמשות בדרך כלל ב-MRI וב-DT-MRI כדי לקבל שחזור כולל של תצהיר פיברוזיס, עץ כלי דם וחלוקת סיבים של הלב, והן משמשות למודלים של נתיבי התפשטות פוטנציאלית של פעולה מועדפת (APP) על פני האיבר 3,4. אסטרטגיות אלה יכולות לספק סקירה יפה של ארגון הלב. עם זאת, הרזולוציה המרחבית שלהם אינה מספיקה כדי לחקור את ההשפעה של שיפוץ מבני על תפקוד הלב ברמה התאית.
הצבת מסגרת זו בסדר גודל שונה, שבו תאים בודדים יכולים למלא תפקידים בודדים על התפשטות פוטנציאל פעולה, היא מאתגרת. המגבלה העיקרית היא חוסר היעילות של שיטות הדמיה סטנדרטיות לביצוע הדמיה ברזולוציה גבוהה (רזולוציה מיקרומטרית) ברקמות מסיביות (בגודל סנטימטר). למעשה, הדמיית רקמות ביולוגיות בתלת-ממד ברזולוציה גבוהה מסובכת מאוד בשל אטימות הרקמות. הגישה הנפוצה ביותר לביצוע שחזורים תלת-ממדיים באיברים שלמים היא להכין חתכים דקים. עם זאת, חיתוך, הרכבה והדמיה מדויקים דורשים מאמץ וזמן משמעותיים. גישה חלופית שאינה דורשת חיתוך הדגימה היא יצירת רקמה שקופה. במהלך השנים האחרונות, מספר מתודולוגיות להבהרת רקמות הוצעו 5,6,7,8. האתגר לייצר רקמות מסיביות, שקופות ומסומנות פלואורסצנטיות הושג לאחרונה על ידי פיתוח גישות טרנספורמציה אמיתיות של רקמות (CLARITY9, SHIELD10). בפרט, שיטת CLARITY מבוססת על הפיכת רקמה שלמה לצורה ננו-נקבובית, הידרו-היברידית, נטולת שומנים, המאפשרת להעניק שקיפות גבוהה על ידי הסרה סלקטיבית של דו-שכבתיות של שומנים בממברנה. יש לציין כי שיטה זו נמצאה מוצלחת גם בהכנה לבבית11,12,13,14. עם זאת, מכיוון שהלב שברירי מכדי להיות מתאים לניקוי אקטיבי, יש לנקות אותו באמצעות הגישה הפסיבית, הדורשת זמן רב כדי להעניק שקיפות מלאה.
בשילוב עם טכניקות הדמיה מתקדמות כמו מיקרוסקופיה של יריעות אור, ל-CLARITY יש פוטנציאל לצלם רקמות לב מסיביות בתלת-ממד ברזולוציה מיקרומטרית. במיקרוסקופיה של יריעות אור, הארת הדגימה מתבצעת עם יריעה דקה של אור המוגבלת במישור המוקד של מטרת האיתור. הפליטה הפלואורסצנטית נאספת לאורך ציר בניצב למישור התאורה15. ארכיטקטורת הגילוי דומה למיקרוסקופיית שדה רחב, מה שהופך את הרכישה למהירה הרבה יותר ממיקרוסקופים לסריקת לייזר. העברת הדגימה דרך יריעת האור מאפשרת קבלת טומוגרפיה מלאה של דגימות גדולות, עד דגימות בגודל סנטימטר. עם זאת, בשל התכונות הפנימיות של קרן גאוס, ניתן לקבל יריעת אור דקה מאוד (בסדר גודל של כמה מיקרונים) רק עבור הרחבה מרחבית מוגבלת, ובכך להגביל באופן דרסטי את שדה הראייה (FoV). לאחרונה הוצגה ערכת עירור חדשנית כדי להתגבר על מגבלה זו ולהחיל הדמיה מוחית, המאפשרת שחזורים תלת-ממדיים ברזולוציה איזוטרופית16.
במאמר זה מוצגת גישת סליקה פסיבית, המאפשרת הפחתה משמעותית של תזמון הסליקה הנדרש על ידי פרוטוקול CLARITY. המסגרת המתודולוגית המתוארת כאן מאפשרת לשחזר לב עכבר שלם ברזולוציה מיקרומטרית בסריקה טומוגרפית אחת עם זמן רכישה בסדר גודל של דקות.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
כל הטיפול והנהלים בבעלי חיים בוצעו בהתאם להנחיות דירקטיבה 2010/63/EU של הפרלמנט האירופי להגנה על בעלי חיים המשמשים למטרות מדעיות והתאימו לעקרונות ולתקנות של משרד הבריאות האיטלקי. פרוטוקול הניסוי אושר על ידי משרד הבריאות האיטלקי (פרוטוקול מספר 647/2015-PR). כל בעלי החיים סופקו על ידי ENVIGO, איטליה. בניסויים אלה נעשה שימוש ב-5 עכברי C57BL/6J זכרים בני 6 חודשים.
1. הכנת פתרון
2. בידוד לב
3. ניקוי לב
4. מכתים את קרום התא
5. הרכבה ורכישה של הלב
הערה: כל רכיבי המערכת האופטית מפורטים בפירוט בטבלת החומרים.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
מערך הסליקה הפסיבית שפותח מאפשר לקבל לב עכבר בוגר מנוקה (עם ממד של הסדר 10 מ"מ x 6 מ"מ x 6 מ"מ) תוך כ -3 חודשים. כל רכיבי ההתקנה מותקנים כפי שמוצג באיור 1. שיפוע הטמפרטורה הזניח בין כל תא ניקוי (בסדר גודל של 3 מעלות צלזיוס) מאפשר שמירה על הטמפרטורה בטווח תקין בכל התאים.

איור 1: סכימה של מערך הסליקה הפסיבית.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
בעבודה זו הוצגה גישה מוצלחת לניקוי, הכתמה ותמונה של לב עכבר שלם ברזולוציה גבוהה. ראשית, פרוטוקול טרנספורמציה של רקמות (CLARITY) עבר אופטימיזציה ובוצע, שונה מעט ליישומו על רקמת הלב. ואכן, כדי להשיג שחזור יעיל בתלת מימד של לב שלם, חיוני למנוע את תופעת פיזור האור. מתודולוגיית CLARITY מאפשרת לנו להשיג לב שלם שקוף מאוד, אך היא דורשת זמני דגירה ארוכים כאשר היא מבוצעת באופן פסיבי (כ -5 חודשים). לגבי המוח, רקמת הלב אינה מתאימה לניקוי פעיל, המנצל שדה חשמלי. גם במתחים נמוכים, השדה החשמלי מוביל לנזקים ולשברים ברקמות. כאן, גישת סליק...
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
אין מה לחשוף.
פרויקט זה קיבל מימון מתוכנית המחקר והחדשנות Horizon 2020 של האיחוד האירופי במסגרת הסכם מענקים No 952166 (תיקון), MUR במסגרת תוכנית FISR, פרויקט FISR2019_00320 ו- Regione Toscana, הצדעה לבנדו רייסרקה 2018, פרויקט PERCARE.
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| 2-2' תיודיתנול | סיגמא-אולדריץ' | 166782 | |
| אקרילאמיד | ביו-ראד | 61-0140 | |
| AV-044 יוזם | Wako כימיקלים | AVP5874 | |
| ביס-אקרילאמיד | ביו-ראד | 161-042 | |
| חומצה בורית | סיגמא-אולדריץ' | B7901 | |
| מצלמה | המאמאטסו | אורקה פלאש 4.0 v3 | |
| תוכנת מצלמה | Hamamatsu | HC עדשת | |
| Thorlabs | AC254-050-A-ML | ||
| זרוע זיהוי | אופטיקה משולבת | 0638L-15A-NI-PT-NF | |
| עדשת עירור | Nikon | 91863 | |
| Exteraì nal quartz cuvette | Portmann Instruments | UQ-753 | |
| מראות מתקפלות | Thorlabs | BBE1-E02 | |
| מראה גלוונומטרית | Thorlabs | GVS211/M | |
| גלוקוז | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| HCImage Live | Hamamatsu | 4.6.1.19 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| קובטה קוורץ פנימית | Portmann Instruments | UQ-204 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P4504 | |
| מקור לייזר | אופטיקה משולבת | 0638L-15A-NI-PT-NF | |
| מסנן מעבר ארוך | Thorlabs | FELH0650 | |
| בסיס מגנטי | Thorlabs | KB25/M | |
| MgCl2 | Chem-Lab | CI-1316-0250 | |
| מכשיר פיזיסק ממונע | M-122.2DD | ||
| NaCl | סיגמא-אולדריץ' | 59888 | |
| אובייקטיבי | Thorlabs | TL2X-SAP | |
| Paraformaldehyde | Agar Scientific | R1018 | |
| תמיסת חיץ פוספט | Sigma-Aldrich | P4417 | |
| Polycap AS | עדשת ממסר Whatman | 2606T | |
| Qioptiq | G063200000 | ||
| נתרן דודציל סולפט | סיגמא-אולדריץ' | L3771 | |
| עדשת צינור | Thorlabs | ACT508-200-A-ML | |
| עדשה מתכווננת | Optotune | EL-16-40-TC-VIS-5D-1-C | |
| משאבת ואקום | KNF Neuberger Inc | N86KT.18 | |
| מים אמבטיה | Memmert | WTB |
הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.