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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Il reclutamento di leucociti e piastrine costituisce una componente essenziale necessaria per l'efficace crescita delle arterie collaterali durante l'arteriogenesi. La microscopia multifotonica è uno strumento efficiente per tracciare la dinamica cellulare con alta risoluzione spazio-temporale in vivo e meno fototossicità per studiare il reclutamento e lo stravaso dei leucociti durante l'arteriogenesi.
L'arteriogenesi dipende fortemente dal reclutamento di leucociti e piastrine nello spazio perivascolare dei vasi collaterali in crescita. L'approccio standard per l'analisi delle arterie collaterali e dei leucociti nell'arteriogenesi è la metodologia istologica ex vivo (immuno-). Tuttavia, questa tecnica non consente la misurazione di processi dinamici come il flusso sanguigno, lo sforzo di taglio, le interazioni cellula-cellula e la velocità delle particelle. Questo articolo presenta un protocollo per monitorare i processi in vivo nelle arterie collaterali in crescita durante l'arteriogenesi utilizzando l'imaging intravitale. Il metodo qui descritto è uno strumento affidabile per la misurazione dinamica e offre un'analisi ad alto contrasto con fotocitotossicità minima, fornita dalla microscopia ad eccitazione multifotonica. Prima di analizzare le arterie collaterali in crescita, l'arteriogenesi è stata indotta nel muscolo adduttore dei topi mediante legatura unilaterale dell'arteria femorale.
Dopo la legatura, le arterie collaterali preesistenti hanno iniziato a crescere a causa dell'aumento dello stress da taglio. Ventiquattro ore dopo l'intervento, la pelle e il grasso sottocutaneo sopra le arterie collaterali sono stati rimossi, costruendo una tasca per ulteriori analisi. Per visualizzare il flusso sanguigno e le cellule immunitarie durante l'imaging in vivo , gli anticorpi CD41-fluoresceina isotiocianato (FITC) (piastrine) e CD45-ficoeritrina (PE) (leucociti) sono stati iniettati per via endovenosa (e.v.) tramite un catetere posto nella vena della coda di un topo. Questo articolo introduce l'imaging multifotonico intravitale come complemento alternativo o in vivo alle analisi istologiche statiche ex vivo (immuno-) comunemente utilizzate per studiare i processi rilevanti per l'arteriogenesi. In sintesi, questo articolo descrive un nuovo e dinamico metodo in vivo per studiare il traffico di cellule immunitarie, il flusso sanguigno e lo stress da taglio in un modello di arteriogenesi degli arti posteriori, che aumenta notevolmente le possibilità di valutazione.
Nonostante l'intenso interesse della ricerca negli ultimi anni, le malattie cardiovascolari, ad esempio la cardiopatia ischemica e l'ictus, sono ancora la principale causa globale di morte1. I trattamenti attuali per queste malattie sono terapie altamente invasive come l'angioplastica transluminale percutanea, l'angioplastica coronarica transluminale percutanea o la chirurgia di bypass2. Pertanto, è urgentemente necessario lo sviluppo di opzioni terapeutiche alternative e non invasive. Il corpo può creare bypass naturali attorno a un vaso stenosed o occluso per reindirizzare il flusso sanguigno interrotto alla parte distale della stenosi. Questo processo è chiamato arteriogenesi2. Molti studi recenti hanno dimostrato che l'aumento del taglio dei fluidi influisce sul reclutamento dei leucociti, che svolge un ruolo importante durante l'arteriogenesi3. Le principali opzioni attuali per analizzare il reclutamento dei leucociti durante l'arteriogenesi sono le analisi istologiche ex vivo (immuno-) o la metodologia di selezione cellulare attivata dalla fluorescenza (FACS)4. Per consentire la valutazione della dinamica dei leucociti durante l'arteriogenesi, questo articolo presenta un protocollo di imaging intravitale con microscopia multifotonica.
I leucociti sono le principali cellule del sangue reclutate durante il processo di arteriogenesi3. Questo protocollo utilizza l'imaging multifotonico per mostrare il crawling di leucociti aderenti marcati con anticorpi anti-CD45-PE iniettati nelle arterie collaterali, 24 ore dopo l'induzione dell'arteriogenesi mediante legatura dell'arteria femorale (FAL) impiegando un'ischemia murina degli arti posteriori modello 5,6. In alternativa, le cellule immunitarie possono essere marcate ex vivo e iniettate con cura nei topi, come mostrato negli studi sull'angiogenesi utilizzando la microscopia intravitale7. Il flusso sanguigno all'interno dei vasi e delle arterie può essere visualizzato da CD41-FITC (per etichettare le piastrine), destrano-FITC (plasma) o dalla seconda generazione armonica (SHG), che visualizza il collagene di tipo 1 presente nella membrana basale di alcune parti dell'albero vascolare. SHG è un effetto unico di etichettatura libera dell'eccitazione multifotonica. L'imaging multifotonico consente il tracciamento cellulare a lungo termine senza danneggiare il tessuto e attivando le cellule mediante eccitazione di potenza laser. La microscopia multifotonica è il metodo di imaging scelto per visualizzare cellule e strutture marcate con fluorescenza in animali viventi grazie alla sua capacità di eccitare i fluorofori più in profondità nei tessuti / organi con una fototossicità minima8.
L'uso di laser a infrarossi sintonizzati con impulsi erogati entro intervalli di femtosecondi eccita il fluorocromo solo sul piano focale, senza eccitazione sopra e sotto il piano focale8. Pertanto, la microscopia multifotonica consente un'elevata risoluzione spazio-temporale, meno foto-danni e una maggiore penetrazione tissutale per lo studio di eventi biologici dinamici all'interno degli organi. È uno strumento di microscopia ideale per l'imaging di animali vivi. Tuttavia, il multifotone e qualsiasi altra arte della microscopia intravitale è limitata dal movimento dei tessuti a causa del battito cardiaco, della respirazione, dei movimenti peristaltici, della tonalità muscolare e di altre funzioni fisiologiche, che disturbano l'acquisizione e l'analisi delle immagini. Poiché questi movimenti compromettono la risoluzione temporale e spaziale e talvolta impediscono persino analisi successive, devono essere affrontati in modo appropriato per consentire un'analisi e un'interpretazione accurate dei dati. Sono state sviluppate diverse strategie per ridurre o prevenire gli artefatti dal movimento dei tessuti. Questo protocollo applica un software di correzione della deriva in situ chiamato VivoFollow9 per correggere la deriva del tessuto durante l'acquisizione delle immagini. Questo approccio fornisce la stabilizzazione dell'immagine richiesta, consentendo l'imaging a lungo termine e l'analisi del tracciamento cellulare.
Questo studio è stato approvato dal Comitato bavarese per la cura e l'uso degli animali (approvato dal codice etico: ROB-55.2Vet-2532.Vet_02-17-99); questi esperimenti sono stati condotti in stretta conformità con le linee guida tedesche sulla legislazione animale.
1. Animali e legatura dell'arteria femorale (FAL)
NOTA: Per indurre infiammazione sterile e arteriogenesi, sono stati utilizzati topi maschi C57BL / 6J di 8-10 settimane. Nessuno dei topi è morto o ha sofferto di infezione della ferita o disturbi della guarigione delle ferite durante o post-FAL o finto intervento chirurgico, rispettivamente.
2. Preparazione tissutale per imaging intravitale multifotone
3. Microscopia multifotonica intravitale
La microscopia multifotonica offre un'elevata risoluzione spazio-temporale per il tracciamento dei leucociti, in cui le fasi di migrazione cellulare e la velocità possono essere monitorate e monitorate (Figura 4A,B). Tuttavia, il movimento fisiologico del campione rappresenta una sfida, specialmente per le acquisizioni di immagini di microscopia intravitale a lungo termine. Pertanto, una buona preparazione del tessuto e supporti per fissare il tessuto e strumenti, come la correzione dell'imaging in tempo reale per la deriva del tessuto, sono necessari per un'acquisizione di immagini di successo e stabile. Qui, uno strumento di deriva dal vivo, VivoFollow, è stato impiegato per correggere la deriva del tessuto generata durante l'acquisizione di immagini a lungo termine.
L'applicazione di questo strumento consente l'acquisizione di immagini a lungo termine e consente la raccolta di dati di alta qualità, adatti per il tracciamento delle celle per le misurazioni della velocità. Come mostrato nella Figura 3B, senza correzione della deriva, la regione di interesse si allontana progressivamente dalla vista di registrazione, influenzando la capacità di tracciare le celle per l'analisi della velocità. Tuttavia, come mostrato nella Figura 3C, con il software di correzione della deriva, è possibile registrare filmati stabili e tenere traccia di più celle per un lungo periodo. Il software di correzione della deriva può anche fornire una visualizzazione degli offset x, y e z nel tempo corretti dal sistema, come mostrato nella Figura 3D.

Figura 1: Configurazione e preparazione dell'imaging laser Doppler per la legatura dell'arteria femorale e la preparazione del tessuto per l'imaging intravitale. (A) Configurazione dell'imaging LDI. (B) Il mouse viene posizionato all'interno della camera di riscaldamento LDI per l'acquisizione delle immagini. (C) Immagini LDI della gamba destra e sinistra prima (pannello superiore) e dopo FAL (pannello inferiore) per controllare la perfusione degli arti posteriori dopo la legatura. L'arteria femorale destra era legata/occlusa, mentre l'arteria femorale sinistra era finta (Sham) e fungeva da controllo interno. Nella barra dei colori, il blu indica una bassa perfusione sanguigna e il rosso indica una perfusione più elevata. (D-K) Le immagini rappresentano le fasi chirurgiche della legatura arteriosa femorale. Barra della scala = 10 mm. (L-S) Preparazione tissutale per imaging intravitale dopo FAL. L'area da fotografare è indicata dal cerchio nero, dove si trovano i vasi collaterali. Barra scala = 5 mm. Abbreviazioni: LDI = Laser Doppler imaging; FAL = legatura dell'arteria femorale; Occ = occlusione. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 2: Configurazione per l'imaging intravitale multifotone. (A) preparazione del catetere venoso; 1-Tubo in polietilene fine di 10 cm, 2: 2x 30 G ago; 3: catetere montato collegato con una siringa da 1 ml; 4: colla istoacrilica tissutale; 5: porta aghi. (B) Il topo posizionato in posizione supina con entrambi gli arti posteriori posti su pezzi di argilla nera da modellazione (frecce rosse) preparati per l'imaging. (C) Arto posteriore destro occluso (Occ) e arto posteriore sinistro, finto operato, pronto per l'imaging. (D) Configurazione del microscopio multifotone che mostra scatole laser, scatola della lampada a fluorescenza, tubi per il riscaldamento della camera dell'incubatore. (E) Camera dell'incubatore del microscopio multifotone. (F) Topo posto all'interno della camera del microscopio con l'obiettivo 16x che tocca il tessuto coperto con gel ad ultrasuoni. Dettaglio che mostra il catetere venoso fissato sulla vena caudale per l'iniezione di anticorpi. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 3: Configurazione del software di correzione della deriva VivoFollow. (A) (i-xiv) Fasi di configurazione del software come descritto nella fase del protocollo 3.2.2-3.2.11.9. (B) Immagini rappresentative di serie temporali che mostrano la deriva dell'immagine senza software di correzione della deriva attivato. L'arteria collaterale è delimitata dalle linee bianche dismesse (Video 1 e Video 2). (C) Immagini rappresentative di serie temporali che mostrano la serie temporale stabile quando viene applicata la correzione della deriva in tempo reale durante l'acquisizione dell'imaging. I leucociti sono stati marcati con anticorpi CD45-PE (rosso), le piastrine sono state marcate con anticorpi CD41-FITC (verde) e il collagene di tipo 1 con SGH (blu). L'arteria collaterale è delimitata dalle linee bianche dismesse. (D) Grafico a linee che mostra la correzione in tempo reale lungo le direzioni x, y e z. Abbreviazioni: PE = ficoeritrina; FITC = isotiocianato di fluoresceina; SGH = seconda generazione armonica. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.

Figura 4: Risultati rappresentativi. (A) Velocità dei leucociti misurate nelle arterie collaterali degli arti posteriori operati (Sham) e delle arterie femorali. (B) Le immagini rappresentative mostrano le celle tracciate (magenta) con le tracce codificate a colori. La barra del codice colore rappresenta la velocità della cella con le celle più lente mostrate dalle tracce blu e le celle più veloci con le tracce rosse. I leucociti sono stati marcati con anticorpi CD45-PE iniettati (rosso), le piastrine sono state marcate con anticorpi CD41-FITC iniettati (verde) e il collagene di tipo 1 con SGH (blu). Risultati di tre singoli esperimenti. Barra della scala = 20 μm. Vedere Video 3 e Video 4. Abbreviazioni: Occ= occluded/femore-artery-ligated; PE = ficoeritrina; FITC = isotiocianato di fluoresceina; SGH = seconda generazione armonica. Fare clic qui per visualizzare una versione ingrandita di questa figura.
Video 1: Imaging intravitale multifotone di un'arteria collaterale senza correzione della deriva. Le immagini quadridimensionali sono state registrate con una dimensione dei pixel di 554 x 554 μm, frequenza 600 Hz, un intervallo di 1100 ms / fotogramma, dimensione del passo di 2 μm e gamma di 40 μm. Il video mostra l'immagine alla deriva senza l'applicazione del software di correzione della deriva VivoFollow. L'arteria collaterale è mostrata nella parte inferiore del video e la vena collaterale appare dopo 3 minuti nella parte superiore del film. Barra di scala = 50 μm. Clicca qui per scaricare questo video.
Video 2: Imaging intravitale multifotone di un'arteria collaterale con correzione della deriva applicata. Le immagini quadridimensionali sono state scattate con una dimensione dei pixel di 554 x 554 μm, frequenza 600 Hz, un intervallo di 1100 ms / fotogramma, dimensione del passo di 2 μm e gamma di 40 μm. Il video è stato registrato con il software di correzione della deriva dal vivo, VivoFollow, e mostra la stabilità dell'immagine promossa applicando il software di correzione della deriva. Barra di scala = 50 μm. Clicca qui per scaricare questo video.
Video 3: Imaging di tracciamento cellulare in un'arteria collaterale dopo un'operazione fittizia. I leucociti marcati con anticorpi anti-CD45-PE iniettati sono stati ripresi in un'arteria collaterale a riposo della gamba finta e monitorati utilizzando il software Imaris con il plug-in per il tracciamento delle cellule. Le celle tracciate sono state selezionate e rappresentate dai punti magenta. Le tracce erano codificate a colori in base alla velocità della cella. Le celle più lente sono rappresentate da tracce blu e le celle più veloci da tracce rosse. Barra di scala = 50 μm. Abbreviazione = PE = ficoeritrina. Clicca qui per scaricare questo video.
Video 4: Imaging di tracciamento cellulare in un'arteria collaterale dopo FAL. I leucociti marcati con anticorpi anti-CD45-PE sono stati visualizzati in un'arteria collaterale in crescita 24 ore dopo l'induzione dell'arteriogenesi da parte di FAL e monitorati utilizzando il software Imaris con il plugin per il tracciamento delle cellule. Le celle tracciate sono state selezionate e rappresentate dai punti magenta. Le tracce erano codificate a colori in base alla velocità della cella. Le celle più lente sono rappresentate da tracce blu e le celle più veloci da tracce rosse. Barra di scala = 50 μm. Abbreviazioni: FAL = legatura dell'arteria femorale; PE = ficoeritrina. Clicca qui per scaricare questo video.
| Problemi tecnici | Soluzioni proposte |
| Nel caso in cui i vasi di coda non siano visibili per l'introduzione del catetere | • Utilizzare un impacco caldo che circonda la coda del topo per 3-5 minuti per promuovere la vasodilatazione locale. Aiuterà a rendere visibile la vena. |
| Nel caso in cui il catetere di coda non possa essere fissato per l'iniezione di anticorpi | • Utilizzare una siringa da 1 mL con ago da 30 G da introdurre nella vena e iniettare direttamente gli anticorpi e i coloranti prima dell'imaging. |
| • In alcuni casi (a seconda degli anticorpi) l'iniezione può essere applicata i.p. 1 h prima dell'imaging. | |
| Quando il movimento del tessuto impedisce la stabilità dell'imaging | • Cercare di riposizionare e rifissare la zampa superiore del mouse per evitare i movimenti addominali fisiologici. |
| • Controllare se il tavolo del microscopio ha abbastanza aria per annullare le vibrazioni. | |
| • Assicurarsi che il topo sia in anestesia profonda e non si svegli. | |
| • Monitorare la respirazione del mouse. Quando il mouse respira troppo velocemente, può avere un impatto sul movimento dell'immagine. | |
| Quando la qualità dell'immagine inizia a diminuire | • Assicurarsi che il gel ad ultrasuoni non si asciughi. |
| • Riempire nuovamente il gel ad ultrasuoni. | |
| • Assicurarsi che l'obiettivo sia pulito (pulire il gel ad ultrasuoni essiccato sull'obiettivo ogni volta che viene eseguito un nuovo riempimento). | |
| Quando le arterie sono danneggiate durante la preparazione per l'imaging | • In questo caso, non sarà possibile acquisire immagini. Non è possibile eseguire l'esperimento. |
Tabella 1: Risoluzione dei problemi.
Gli autori non hanno conflitti di interesse da dichiarare.
Il reclutamento di leucociti e piastrine costituisce una componente essenziale necessaria per l'efficace crescita delle arterie collaterali durante l'arteriogenesi. La microscopia multifotonica è uno strumento efficiente per tracciare la dinamica cellulare con alta risoluzione spazio-temporale in vivo e meno fototossicità per studiare il reclutamento e lo stravaso dei leucociti durante l'arteriogenesi.
Lo studio è stato finanziato dalla Deutsche Forschungsgemeinschaft SFB 914 (HI-A/SM, progetto Z01). Ringraziamo la dottoressa Susanne Stutte per aver letto il manoscritto.
| Siringa da 1,0 ml | BD Biosciences, San Jose, CA, USA | Siringa 309628 | per iniezione |
| 3M Durapore Surgical Tape 1538-0 | 3M, St. Paul, MN, USA | 1538-0 | Nastro di fissazione |
| Atipamezole | Zoetis, Berlino, Germania | antagonizzare l'anestesia | |
| Buprenorfina | Reckitt Benckiser Healthcare, Slough, Regno Unito | antagonizzare l'anestesia | |
| C57/B6J topo | Charles River, Sulzfeld, Germania | ha utilizzato animali per chirurgia/imaging | |
| CD41-FITC ab | Biolegend | 133904 | Etichettatura piastrinica in vivo |
| CD45-PE ab | Biolegend | 368510 | Etichettatura leucociti in vivo |
| Disinfettante Cutasept | Carl Roth GmbH, Karlsruhe, Deutschland | AK64.2 | Disinfezione |
| Crema per gli occhi (Bepanthen) | Bayer Vital GmbH | 5g | |
| Fentanyl | CuraMED Pharma, Karlsruhe, Germania | anestesia | |
| Flumazenile | Inresa Arzneimittel GmbH, Friburgo, Germania | antagonizzare l'anestesia | |
| Tubo in polietilene a foro fine | Smiths medical | Lotto 278316 | 0,28 mm ID e 0,61 mm OD, tubo per il catetere venoso |
| Histoacryl flessibile | BRAUM | colla per tessuti | 1050052|
| Software Imaris | Oxford Instruments | versione 9.2 | Utilizzato per il tracciamento cellulare, l'analisi della velocità cellulare, la proiezione 3D |
| Laser Doppler Strumento di imaging | Moor LDI 5061 e Moor Software versione 3.01, Moor Instruments, Remagen, Germania | ||
| LEICA KL300 LED | Leica, Solms, Germania | luce per microscopio | |
| Leica M60 | Leica, Solms, Germania | microscopio per chirurgia | |
| LEICA MC120 HD | Leica, Solms, Germania | fotocamera per microscopio | |
| Medetomidina | Pfizer Pharma, Berlino, Germania | anestesia | |
| Midazolam | Ratiopharm GmbH, Ulm, Germania | anestesia | |
| Microscopio multifotone | Lavision | TRIMScope II | WL 820 nm |
| NaCl 0,9% | Braun, Melsungen, Deutschland | soluzione | salina 3570310 per tasca |
| Naloxone | Inresa Arzneimittel GmbH, Friburgo, Deutschland | antagonizzare anestesia | |
| Ago 30 G | BD Biosciences, San Jose, CA, USA | 305128 | ago per catetere endovenoso |
| Sutura intrecciata in seta (7-0) | Pearsalls Ltd., Taunton, Regno Unito | SUT-S 103 | sutura per legatura dell'arteria femorale |
| Ultrason Gel | SONOSID-ASID BONZ 250 mL | 782012 | gel per imaging |
| Vicryl 6.0 sutura | Vicryl, Johnson& Johnson, New Brunswick, NJ, USA | NW-2347 | sutura per costruire il software di |
| correzione della deriva tascabile VivoFollow | Sviluppato da Mykhailo Vladymyrov | Riferimento 9 |