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$$\longrightharp{xx}$$,

Figura 1: Confronto tra tre metodi di compensazione. A sinistra: immagini in campo chiaro di campioni (A) non cancellati e (B-D) cancellati. A destra: Z-stack con viste ortogonali xz e yz di 90 organoidi retinici DIV colorati con il marcatore nucleare DRAQ5 (giallo) acquisito con un microscopio confocale a scansione laser dotato di un obiettivo d'aria 10x (RI = 1,00). (A) Organoide retinico non chiarito (N = 3). Gli organoidi retinici fissati con PFA non sono abbastanza trasparenti per la visualizzazione 3D. (B) organoide chiarificato con fruttosio/glicerolo (N = 3). (C) organoide chiarificato con ECi (N = 3). (D) Organoide FluoClear autorizzato con BABB (N = 3). Barre di scala = 100 μm. Abbreviazioni: BF = campo chiaro; CLSM = microscopio confocale a scansione laser; RI = indice di rifrazione; PFA = paraformaldeide; ECi = cinnamato di etile; BABB = alcool benzilico/benzoato di benzile; DIV = giorni in vitro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Confronto dei metodi di chiarificazione ottica per studi di immunofluorescenza in organoidi neuroretinici
Qui, presentiamo i risultati di tre metodi di chiarificazione per dimostrare l'efficacia di FluoClear BABB nel rendere trasparenti gli organoidi retinici. Nella Figura 1, osserviamo organoidi retinici chiariti con fruttosio/glicerolo (Figura 1B), ECi (Figura 1C) e FluoClear BABB (Figura 1D). I metodi di chiarificazione testati sono stati scelti perché è stato dimostratoche tutti 10,11 sono compatibili con la colorazione in immunofluorescenza e preservano la fluorescenza dalle proteine endogene (ad esempio, GFP presente nelle GCaMP).
Il fruttosio/glicerolo12 è un protocollo di chiarificazione per immersione semplice e non tossico che non richiede disidratazione, riducendo significativamente il tempo di lavorazione rispetto ad altri metodi. È stato riportato che è efficace per la trasparenza di organoidi derivati da vari tessuti: vie aeree, reni, fegato e cancro al seno umano12.
ECi (Ethyl Cinnamate)11 è un aroma alimentare e additivo approvato dalla FDA per cosmetici13,14, è considerato innocuo e ha dimostrato di essere un eccellente reagente di pulizia per i tessuti dei mammiferi. È noto per la sua rapida capacità di schiarimento e la minima distorsione dei tessuti. È classificato come metodo di chiarificazione idrofobica, ma rispetto ai solventi a base di BABB, non è tossico e preserva la fluorescenza dalle proteine fluorescenti più a lungo (fino a 14 giorni). Come è comune nella maggior parte dei protocolli di clearing, l'ECi richiede una fase di disidratazione precedente. Per ottenere risultati ottimali, questa fase si ottiene immergendo il campione in soluzioni con concentrazioni di alcol progressivamente crescenti. Poiché l'ECi non è dannoso, una volta che il campione è stato eliminato, può essere manipolato in modo sicuro e conservato in contenitori di plastica. Tuttavia, le fasi di disidratazione vengono eseguite utilizzando l'1-propanolo, un solvente organico che deve essere manipolato sotto una cappa aspirante e conservato in contenitori di vetro.
FluoClear BABB10 è una variante di un protocollo idrofobico basato su alcol benzilico/benzil benzoato (BABB) come soluzione di corrispondenza dell'indice di rifrazione. È noto per essere molto tossico e corrosivo, quindi deve essere maneggiato con cura. FluoClear BABB è stato descritto come una versione migliorata che preserva meglio GFP e RFP rispetto alle versioni precedenti e consente l'uso di 1-propanolo o terz-butanolo come agenti di disidratazione.
Per valutare le prestazioni dei tre metodi di chiarificazione, abbiamo analizzato i piani Z con un microscopio confocale dotato di un obiettivo ad aria NA0.4 10x, che fornisce un ampio campo visivo (FoV) di 2,5 x 2,5 x 2,56 mm per catturare l'intero volume dell'organoide retinico. Abbiamo utilizzato organoidi retinici in uno stadio intermedio di maturazione (90 giorni in vitro (DIV)) che contengono tutti i neuroni retinici (cellule ganglionari, cellule bipolari e fotorecettori), raggiungendo la densità cellulare e la compattazione e quindi essendo opachi. Come spiegato nell'introduzione, la chiarifica ottica si ottiene quando l'RI viene abbinato su tutto l'oggetto da riprendere. Pertanto, i mezzi di immersione utilizzati per l'imaging avranno un impatto drastico sulla trasparenza ottenuta. La tabella 2 descrive in dettaglio l'indice recitazionale dei mezzi di immersione e le soluzioni di chiarificazione testate.
| Soluzione | Indice di rifrazione |
| Mezzi di immersione | Aria | 1 |
| Acqua | 1.33 |
| Glicerolo | 1.45 |
| Olio | 1.51 |
| Soluzioni di compensazione | Fruttosio/Glicerolo | 1.468 |
| Eci | 1.558 |
| FluoClear BABB | 1.56 |
Tabella 2: Indice di rifrazione (RI) dei mezzi di immersione più utilizzati per la microscopia ottica e le metodologie di chiarificazione ottica testate per la chiarificazione di organoidi retinici. Abbreviazione: RI = indice di rifrazione.
Confrontando le immagini confocali risultanti (Figura 1, pannello a destra), il trattamento con fruttosio/glicerolo ha portato al minimo miglioramento della trasparenza, limitando la visualizzazione degli strati retinici e impedendo la visualizzazione del nucleo dell'organoide. ECi ha ottenuto una migliore trasparenza, consentendo la visualizzazione degli strati retinici, ma ancora una visualizzazione limitata del nucleo dell'organoide retinico a causa della diffusione della luce che ostacolava il rilevamento della fluorescenza dalle parti interne del campione. FluoClear BABB ha fornito il massimo miglioramento in termini di trasparenza, consentendo una chiara visualizzazione sia del nucleo che della corteccia dell'organoide retinico a una risoluzione più elevata con un'intensità di fluorescenza simile.
Vale la pena ricordare che entrambi i protocolli ECi e FluoClear BABB hanno indotto un notevole restringimento del campione, come illustrato dalle corrispondenti immagini in campo chiaro di ciascun organoide retinico cancellato (Figura 1, pannello a sinistra). Il restringimento del campione è dovuto alle precedenti fasi di disidratazione che rimuovono l'acqua, e questo è il motivo per cui il protocollo Fruttosio/Glicerolo non riduce il campione. Questo restringimento, tuttavia, rappresenta un'opportunità unica per un'esplorazione più approfondita. Sebbene comprima le dimensioni complessive dell'organoide e potenzialmente sottovaluti le distanze interne, aumenta anche la compattezza. Questa compattezza isotropa, relativamente uniforme in tutte le direzioni, ci consente di sfruttare obiettivi ad alto ingrandimento con un potere risolutivo superiore (a causa del loro NA più grande) che altrimenti immaginerebbero solo lo strato cellulare più esterno a causa delle loro distanze di lavoro (WD) più brevi. Ad esempio, un obiettivo pneumatico 10x NA 0,4 offre un WD di 2,53 mm, mentre un obiettivo a olio 63x NA 1.4 con una risoluzione significativamente migliore ha un WD di soli 0,14 mm. Utilizzando organoidi più compatti e autorizzati con BABB, possiamo superare efficacemente questa limitazione e ottenere immagini ad alta risoluzione di strutture più profonde, come lo strato di cellule gangliari situato all'interno dell'organoide (Figura 2).

Figura 2: Ricostruzioni 3D di un organoide retinico (200 DIV) purificato con FluoClear BABB ripreso con un microscopio confocale a scansione laser. Il microscopio era dotato di un obiettivo ad aria (A) 10x NA 0.4 e (B) di un obiettivo ad olio 63x NA 1.5. La chiarificazione e l'imaging consentono la visualizzazione dell'intero organoide e, allo stesso tempo, l'immagine con dettagli precisi di alcune regioni di interesse. DRAQ5 (nuclei), opsina B+GR (coni) e TUJ1 (neuroni). Abbreviazioni: DIV = giorni in vitro; BABB = alcool benzilico/benzoato di benzile; NA = apertura numerica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
In conclusione, la nostra scelta per il clearing è ricaduta su FluoClear BABB in quanto offriva una visualizzazione superiore dell'intero organoide retinico con un'alta risoluzione e un rapporto segnale/rumore. È importante sottolineare il restringimento indotto da BABB, compattando isotropicamente l'organoide. Questa compattezza ci ha permesso di sfruttare obiettivi ad alto ingrandimento per l'esplorazione dettagliata di strutture più profonde. Infine, la compatibilità di BABB con gli obiettivi a immersione in olio ha garantito una dispersione minima della luce e immagini di alta qualità in tutti gli ingrandimenti.
Identificazione e distribuzione spazio-temporale delle cellule retiniche all'interno degli organoidi durante la maturazione
Seguendo la metodologia qui descritta, e impiegando l'imaging whole-mount su organoidi immunomarcati con gli anticorpi specifici descritti nella Tabella 1, abbiamo studiato come la neuroretina viene modellata da organoidi in diversi punti di maturazione, dai primi stadi di sviluppo (40 DIV) a stadi più maturi (fino a 250 DIV), esibendo una struttura 3D ben definita. Questo approccio ci ha permesso di visualizzare la formazione e l'organizzazione delle varie componenti retiniche descritte in questa sezione.
| Anticorpo | Specificità | Obiettivi | Posizione in Retina | [ ]finale (diluizione) | Ospite | #RRDI |
| Anti-GFP | Valentina | Valentina | Celle GCaMP6s-positive | 10 μg/mL (1:1.000) | Ch | AB_300798 |
| Chx10 | Omeobox 2 dell'ipotalamo ventromediale (Vsx2) | Fattore di trascrizione | Neuroblasti e cellule bipolari | 10 μg/mL (1:2) | Ms | AB_10842442 |
| Opsina B | Blu Opsin | Segmento esterno dei coni blu | Coni blu | 10 μg/mL (1:100) | Rb | AB_177457 |
| Opsin RG | Opsina verde e rosso | Segmento esterno dei coni verdi e rossi | Coni verdi e rossi | 10 μg/mL (1:100) | Ch | AB_11213279 |
| RECUPERO | Recupero | Proteina legante il calcio | Fotorecettori | 10 μg/mL (1:100) | Rb | AB_2253622 |
| RHO (RET-P1) | Rhodopsin | Segmento esterno delle aste | Aste | 63 μg/mL (1:100) | Ms | AB_260838 |
| TUJ1 | Beta-tubulina di classe III neurone-specifica | Isoforma della tubulina beta-III | Neuroni | 50 μg/mL (1:200) | Ms | AB_2315514 |
Tabella 1: Anticorpi primari testati in organoidi retinici provenienti da diversi stadi di maturazione. Abbreviazioni: pollo = ch; Topo = Ms; Coniglio = Rb.
L'immunomarcatura con diversi marcatori ha permesso l'identificazione delle cellule conformi a questa struttura stratificata. TUJ1 è una beta-tubulina di classe III neurone-specifica (Tabella 1), tipicamente utilizzata in campioni sezionati per marcare le cellule gangliari retiniche (RGC)15 a causa della sua abbondanza. TUJ1 è presente in tutti i neuroni retinici16 e fin dalle prime fasi del differenziamento neurale17. L'espressione di TUJ1 è stata riscontrata in tutti gli stadi di maturazione nella corteccia dell'organoide, consentendo il follow-up dell'organizzazione delle cellule retiniche in strati. Nella Figura 3, possiamo osservare che nelle prime fasi di sviluppo (40 DIV), TUJ1 è distribuito uniformemente in un unico strato sottile e uniforme. A partire da 90 DIV, la regione apicale dell'organoide diventa più densa e compatta, poiché si popola di molte più cellule che si accumulano nella regione apicale. A 170 DIV, l'organoide retinico ha acquisito una struttura retinica stratificata in 3D con uno strato apicale discreto. A 200 DIV, possiamo vedere che ci sono altri corpi cellulari che estendono lunghe proiezioni, che sono molto meno numerose, che si trovano più in profondità all'interno dell'organoide. Infine, a 250 DIV, è evidente la struttura in tre strati nucleari, corrispondenti a: (1) lo strato nucleare esterno (ONL) conformato da fotorecettori maturi, (2) lo strato nucleare interno (INL) popolato principalmente da cellule bipolari e (3) lo strato di cellule gangliari (GCL) formato da RGC, come indicato in Figura 3 (in basso a destra).

Figura 3: Organizzazione neuronale dopo la maturazione degli organoidi retinici in una struttura stratificata a strati. Proiezioni Z-stack di immagini confocali di organoidi retinici FluoClear BABB colorati con TUJ1. A 40 DIV, non si formano strutture stratificate. A partire da 170 DIV, la neuroretina si stratifica in strati. Sono indicati gli strati nucleari retinici: ONL, INL e GCL (punte di freccia gialle). Barre di scala = 25 μm (sinistra) e 10 μm (destra). Abbreviazioni: BABB = alcool benzilico/benzil benzoato; DIV = giorni in vitro; ONL = strato nucleare esterno, INL = strato nucleare interno; GCL = strato di cellule ganglionari. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Con questa metodologia, potremmo anche riportare l'assemblaggio di fasci di assoni. Come si vede nelle regioni ingrandite (Figura 4), abbiamo osservato fasci di fibre che si estendono dal nucleo interno dell'organoide verso la periferia, proiettandosi verso regioni distanti (fino a 1 mm). È interessante notare che la formazione di queste fibre è avvenuta in diverse fasi di maturazione. Man mano che l'organoide cresce, le fibre si ispessiscono, diventano più complesse e raccolgono più proiezioni cellulari (Figura 4 [250 DIV] e Video Supplementare S1). Le RGC sono le prime cellule a differenziarsi durante lo sviluppo retinico e, quindi, possono organizzare le loro proiezioni fin dalle primissime fasi di sviluppo. Le RGC possono avviare l'estensione dei neuriti anche prima di stabilire la loro posizione finale all'interno dell'organoide. I nostri risultati sono in linea con i precedenti rapporti18 che dimostrano la formazione di una struttura simile al nervo ottico in co-colture di organoidi retinici e cerebrali.

Figura 4: Assemblaggio di proiezioni neuronali a vari stadi di maturazione. Le fibre si estendono dai piani interni dell'organoide retinico verso la periferia. La formazione di queste fibre è avvenuta in diversi stadi di maturazione, da 40 DIV al punto di maturazione più vecchio studiato (250 DIV). Barre di scala = 25 μm (riga superiore) e 100 μm (riga inferiore). Abbreviazioni: DIV = giorni in vitro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Nel sito apicale degli organoidi retinici, alcuni fotorecettori maturano in bastoncelli, che contengono rodopsina nei segmenti esterni per rilevare la visione monocromatica in condizioni di scarsa illuminazione, mentre altri maturano in coni, che esprimono opsine blu, verdi e rosse e sono responsabili del colore e della visione ad alta acuità in condizioni di luce intensa. La Figura 5 (in alto) illustra la popolazione di fotorecettori a cono all'interno dell'organoide retinico che esprimevano opsine blu e/o verdi/rosse (OPSINA B e GR, Tabella 1). Queste cellule presentano una morfologia allungata con le diverse opsine distribuite in tutto il corpo cellulare, escluso il nucleo. In particolare, la punta esterna di queste cellule appare più luminosa, potenzialmente simile al segmento esterno del fotorecettore contenente i dischi. Per visualizzare sia i coni blu che quelli verde/rosso utilizzando un singolo canale per la rilevazione della fluorescenza, gli anticorpi secondari contro l'opsina blu (OPSIN B, coniglio) e l'opsina verde/rossa (OPSIN GR, pollo) sono stati marcati con lo stesso fluoroforo, ottimizzando l'uso del canale e semplificando il processo di imaging evitando la sovrapposizione spettrale. Un sottogruppo di cellule fotorecettrici nella Figura 5 (in basso) esprimeva rodopsina (RHO, Tabella 1 e Video Supplementare S2), indicando inequivocabilmente la loro identità come bastoncelli. Questi bastoncelli condividono la morfologia allungata precedentemente descritta, con il nucleo posizionato centralmente e il corpo cellulare ricco di opsina orientato verso la periferia dell'organoide.

Figura 5: Organoidi retinici provenienti da fasi successive di sviluppo. Parte superiore: coni maturi, parte inferiore: bastoncelli. Proiezione Z di immagini confocali di organoidi retinici FluoClear BABB-cleared colorati con TUJ1 (neuroni), DRAQ5 (nuclei), opsina-B+GR (coni) e RHO (bastoncelli). I disegni schematici sono mostrati come riferimento. Barre della scala = 100 μm (sinistra) e 10 μm (destra). Abbreviazioni: DIV = giorni in vitro; BABB = alcool benzilico/benzil benzoato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Le cellule bipolari e la loro distribuzione spazio-temporale sono state identificate tracciando l'espressione di Chx10 (nota anche come Vsx2) su 250 DIV di maturazione (Figura 6). Chx10 (Tabella 1) è un fattore di trascrizione critico per la proliferazione delle cellule progenitrici e la determinazione delle cellule bipolari nella retina in via di sviluppo19,20. Come gene omeobox, è espresso nelle prime fasi di sviluppo nei neuroblasti e nella retina matura si trova esclusivamente nelle cellule bipolari. La Figura 6 mostra la distribuzione delle cellule Chx10-positive all'interno dell'organoide in via di sviluppo. Inizialmente, si osservano numerose cellule Chx10-positive che si estendono dalla periferia neuroretinica verso il centro. Man mano che l'organoide matura, queste cellule diventano meno abbondanti e si trasferiscono nell'INL, dove risiedono le cellule bipolari.

Figura 6: Espressione di Chx10 su 250 DIV di maturazione. Immagini confocali a proiezione Z di un organoide retinico FluoClear BABB colorato con DRAQ5 (nuclei) e Chx10 (neuroblasti e cellule bipolari mature). Barra di scala = 100 μm. Abbreviazioni: DIV = giorni in vitro; BABB = alcool benzilico/benzil benzoato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Infine, dimostriamo che la GFP endogena dei marcatori di calcio GCaMP viene preservata dopo la purificazione con questa metodologia. Nella Figura 7, possiamo osservare la neuroretina di 70 organoidi retinici DIV infettati con Ad5-CMV-GCaMP6 e immunomarcati con anti-GFP (Tabella 1) per migliorare la fluorescenza dopo la fissazione a lungo termine.

Figura 7: GCaMP endogena conservata nel metodo di clearing FluoClear BABB. Un organoide retinico di 70 DIV infettato con Ad5-CMV-GCaMP6s immunomarcato con anti-GFP (cellule che esprimono GCaMP), Chx10 (neuroblasti e cellule bipolari in stadio iniziale) e DRAQ5 (nuclei). Barre di scala = 100 μm (sinistra) e 25 μm (destra). Abbreviazioni: BABB = alcool benzilico/benzil benzoato; DIV = giorni in vitro. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Video supplementare S1: Ricostruzione 3D di un organoide retinico che presenta un assemblaggio di proiezioni neuronali. Proiezione Z di immagini confocali di organoidi retinici FluoClear BABB-cleared a 250 DIV colorati con TUJ1 (neuroni) rappresentati in viola e DRAQ5 (nuclei) in giallo. Abbreviazioni: BABB = alcool benzilico/benzil benzoato; DIV = giorni in vitro. Clicca qui per scaricare questo video.
Video supplementare S2: Ricostruzione 3D dei bastoncelli allineati sulla superficie di un organoide retinico nelle ultime fasi di sviluppo (200 DIV). Proiezione Z di immagini confocali di organoidi retinici FluoClear BABB-cleared a 200 DIV colorati con RECOV (fotorecettori) rappresentati in verde e RHO (bastoncelli) in viola. Abbreviazioni: DIV = giorni in vitro; BABB = alcool benzilico/benzil benzoato. Clicca qui per scaricare questo video.