이 콘텐츠를 보려면 JoVE 구독이 필요합니다. 로그인하거나 오늘 무료 평가판을 시작하세요.

방법 논문

Murine 심장 연구에 대 한 빛-시트 형광 현미경 검사 법

8.8K 조회수

DOI:

10.3791/57769

2018년 9월 15일

이 논문에서

요약

이 연구 murine 마음 공부 광 청소와 함께 양면 조명 빛 시트 형광 현미경 검사 법 (LSFM) 기법을 사용 합니다.

초록

빛 시트 형광 현미경 검사 법은 축 고해상도 마이크로미터에서 밀리미터 규모와 빠른 이미지 수집을 위해 널리 사용 되었습니다. 전통적인 빛 시트 기술 샘플 조직에서 기가 감독 단일 조명 광속의 사용을 포함 한다. 단일 조명 광선을 사용 하 여 생성 되는 큰 샘플의 이미지 줄무늬 또는 아티팩트를 포함 하 고는 조직에 의해 빛의 흡수와 산란 감소 해상도에서 고통. 이 연구 양면 조명 광속 및 단순화 된 선명도 광학 기술 murine 마음에 대 한 삭제를 사용 합니다. 이러한 기술은 마음에서 지질을 제거 하 여 깊은 이미징에 대 한 허용 하 고 영상, 10 x 10 x 10 m m3보다 더 큰 분야를 생산. 결과적으로,이 전략을 수 있습니다 계량 실의 크기, 심장 계보를 추적 하 고 심장 특정 단백질 및 충분 한 대비와 성인 쥐 심 혼에는 출생에서 이온 채널의 공간 분포를 지역화 하 고 해상도입니다.

서론

빛-시트 형광 현미경 검사 법 1903 년에 처음 개발 하는 기술 이었고, 유전자 발현을 연구 하 고 조직 샘플1,2,3또는 4 차원 3 차원 모델을 생성 하는 방법으로 오늘 사용 된다. 이 이미징 방법만 그 비행기는 검출기에 의해 캡처 있도록 샘플의 단일 면을 밝히는 빛의 얇은 시트를 사용 합니다. 샘플 다음 이동할 수 있습니다 축 방향으로 각각 캡처 레이어, 한 번에 하나의 섹션 및 인수 이미지4의 후 처리 후 3 차원 모델을 렌더링. 그러나, 흡수 및 산란 광자의 LSFM 되었습니다 샘플 중 몇 미크론 두께 또는 광학 투명1을 제한.

LSFM의 한계는 제 브라 같은 광학 투명 한 조직 있는 생물의 광범위 한 연구를이 끌고있다. 심장 개발 및 차별화는 종종 연구 zebrafish에 있기 때문에 인간과 zebrafish5,6보존된 유전자. 이러한 연구는 cardiomyopathies6,7에 관련 된 심장 연구에 발전을 이끈, 비록 여전히 포유류와 같은 수준의 유기 체에 유사한 연구 수행 필요가 하다.

포유류 심장 조직의 두께와 불투명도 조직, 전통적인 LSFM 방법1 아래 샘플의 단면 조명으로 인해 발생 하는 스트라이핑에 붉은 혈액 세포, 헤모글로빈 때문 흡수의 과제를 안으십시오 , 8. 이러한 제한에 대 한 보상, 우리 양면 조명과 선명도 기법9 일치 하는 솔루션 (RIMS) 굴절 인덱스와 결합의 단순화 된 버전을 사용 하 여 제안. 따라서,이 시스템은8비행기 축과 측면에서 좋은 품질의 해상도 유지 하면서 10 m m3 x 10 x 10 보다 크면 시료의 이미징에 대 한 수 있습니다.

이 시스템은 먼저 유리 튜브 내에서 다른 구성에서 배열 하는 형광 구슬을 사용 하 여 보정 됩니다. 그런 다음, 시스템 출생 및 성인 murine 마음을 이미지를 사용 되었다. 첫째, 출생 후 마우스 마음은 7 일 (P7) 심 실 구멍, 심 실 벽, 밸브 구조 및 trabeculation의 존재의 두께 공개에 몇 군데. 둘째, 연구 cardiomyocytes Cre 표시와 노란 형광 성 단백질 (YFP) 1 일 (P1)에서 출생 마우스 마음을 사용 하 여 cardiomyocytes에 분화 것 셀을 식별 하기 위해 실시 됐다. 마지막으로, 7.5 개월에서 성인 쥐 유전자 치료8후 신장 외부 골 수 칼륨의 존재 (ROMK) 채널을 관찰 하는 몇 군데 했다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

프로토콜

동물의 사용을 포함 하는 모든 절차는 캘리포니아 대학, 로스 앤젤레스, 캘리포니아에서 기관 검토 위원회 (IACUC)에 의해 승인 되었습니다.

1. 영상 시스템 설치

주: 그림 1그림 2를 참조 하십시오.

  1. 3 파장 연속파 (CW) 레이저 검색: 405 nm, 473 nm와 532 nm. 장소 2 거울 (M1 및 M2) 150 mm 떨어져와 45 ° 광속에 그들의 거울 비행기와 그들을 맞춥니다.
    참고:이 단계는 양면 조명 설치에서 레이저를 수행 됩니다. 결과 빔 초기 광속과 같은 방향에 있을 것입니다.
  2. 0-광학 밀도 범위는 25 m m 직경 홍 채 격 막/핀 홀 (PH), 직경 50 mm 중립 밀도 필터 (NDF)을 통해 서 광선 통과 4.0, 빔 익 스팬 더 (BE)의 폭 30 mm 슬릿 (S) ~ 0-6 m m, 그리고 거울 (M3) 모두 서로에서 150 m m 위치. 45 ° 광속의 거울 평면 거울을 놓습니다.
  3. 150 m m m 3에서 배치 하는 50: 50 빔 스플리터를 통해 광속을 전달 합니다. 거울 (M6) 빔 스플리터에서 150mm 놓고 그것의 대칭 면은 앞으로 방향에서 방출 되는 광속을 45 °에 정렬 합니다. 반사 광선을 사용 하 여 듀얼-조명 빛 시트의 1 개의 측을 형성.
  4. 거울 (M4) 빔 스플리터에서 150mm 놓고 그것의 대칭 면은 45 ° 빔 스플리터에서 90 ° 각도로 방출 되는 광속에 정렬 합니다. 두 번째 미러 (M5) 150 m m m 4에서 배치 하 고 그것의 대칭 면은 M6에서 반영 광속에 45 °에 맞춥니다. M5에서 방출 하는 광속을 사용 하 여 듀얼-조명 빛 시트의 두 번째 측면을 형성.
  5. 대칭 방식에서 양면 조명 시스템 설정 ( 그림 1참조). 한 원통형 렌즈 (CL1) 장소 [지름 (d) = 1; 초점 거리 (f) = 50mm] 한쪽과 다른 동일한 원통형 렌즈 (CL2) 듀얼-조명 setu의 반대편에 M6에서 방출 하는 빔 라인 150 m m M5에서 방출 하는 빔 라인 150 m m p. 90 ° 광선을 반영 하기 위해 50 m m의 거리에서 2 거울 (M7 및 M8) 각 원통형 렌즈 라인을 놓습니다.
  6. 렌즈의 쌍에서 무색 남자 용 상의 형성 합니다. 첫 번째 렌즈, L1 배치 (d = 1; f = 100 m m), M7, 그리고 두 번째 렌즈, L2에서 100 m m (d = 1; f = 60 m m), l 1에서 160 m m. 이 동일한 렌즈 (L3, L4) 듀얼-조명의 반대편에 m 8에서 동일한 거리 배치를 반복 합니다.
  7. 장소 거울, M9, M10, 60mm 렌즈 l 2와 L4, 각각, 그리고 빔 라인. 조명 목표, OL1 및 OL2 배치 (d = 2; f = 150 m m), M9, M10 및 빔 라인 150 m m. 목표에서 방출 하는 광선 빛 시트 샘플 이미지를 형성 한다.
  8. 3 차원 프린터를 사용 하 여 샘플 홀더 아크릴로 니트 릴 부 타 디 엔 스 티 렌 (ABS)에서 인쇄. 커버 유리의 조각을 포함 [굴절률 (RI) = 1.4745] 챔버, 수직 굴절률 일치를 최소화 하기 위해 조명 광속의 각 측에. 균등 하 게 대물 렌즈에서 방출 된 광선 사이 챔버 장소.
  9. 설치는 스테레오 현미경 확대 객관적이 고 과학적인 보완 금속 산화물 반도체 (sCMOS) 카메라 조명에 수직인 X 1 비행기 ( 그림 2참조).

2. 이미징 시스템 교정

  1. 형광 성 폴리스 티 렌 구슬 0.53 μ m 직경에 있는 검색 합니다.
  2. 1:150, 000에 1% 낮은 용융 포인팅 agarose와 굴절률 매칭 솔루션 (테두리)에 구슬 솔루션을 diluting 하 여 형광 구슬 샘플을 준비 합니다. 30 m m의 길이에 내경 12 m m와 18 mm의 외부 직경 붕 규 산 유리 배관의 조각을 잘라.
    참고: 붕 규 산 유리 배관 굴절률 (1.47)에 맞게 사용 됩니다.
  3. 1 %agarose 희석된 비드 샘플 혼합 하 고 구슬/agarose 솔루션 붕 튜브에 플라스틱. 실 온 (23 ° C)에서 공고히 agarose를 허용 합니다.
  4. 99.5% 글리세롤 솔루션 (1.7 단계)에서 ABS 챔버를 채우십시오. 챔버 내부에 구슬 포함 하는 붕 규 산 유리 튜브를 놓습니다. 이중 조명 시스템에 의해 만들어진 가우스 광속의 센터에 되도록 이미징 시스템에 ABS 챔버를 놓습니다.
  5. 3 차원 동력된 변환 단계 운동 및 ABS 챔버 내 샘플의 방향을 제어 하 붕 규 산 유리 튜브를 연결 ( 추가 그림 1참조).
  6. (Fps) 초당 30 프레임의 속도로 sCMOS 카메라를 사용 하 여 이미지를 취득 합니다. 모터 컨트롤러를 사용 하 여 샘플 1 m m 옆 방향으로 이동 하 고 sCMOS 카메라를 사용 하 여 각 1 m m 증가에서 이미지. 전체 샘플 이미지가 포함 된 때까지 계속 합니다.
  7. 시각화 소프트웨어를 사용 하 여 인수 이미지 스택 ( 재료의 표참조). 이 구슬 이미지를 사용 하 여 시스템의 확산 기능 (PSF)를 측정 합니다. 이 PSF deconvolution 이미지 나중 단계에서 처리 하는 동안 사용 합니다.

3. 샘플 준비

  1. 마음 야생 유형 P1 마우스와 Rosa26 YFP 유전자 이중 heterozygous sarcolipin-Cre knockin 마우스 해 부 (SlnCre / +; R26YFP 기자 / +) P7에.
    참고: 안락사 pentobarbital로 빈스 외. 에 의해 설명 하는 기법을 사용 하 여 수행 10. 해 부 국가 심 혼, 폐, 혈액 연구소 (NHLBI)10,11에서 설명 하는 기술에 따라 수행 되었다.
  2. 케빈 성 에 설명 된 대로 murine 마음의 청소 화학 수행 12.
    참고: 다음 단계 이후 사용 되 고 화학 물질 독성 증기 두건에서 수행 되어야 합니다.
    1. 인산 염 버퍼 식 염 수 (PBS) 3 x 1에 마음 씻어 10 분 x. Rinsing 후, 4 %paraformaldehyde 솔루션에 마음을 놓고 하룻밤 4 ° C에서이 샘플을 품 어.
    2. 0.5 %w / v 2, 2'-Azobis dihydrochloride의를 포함 하는 4% 아크릴 솔루션에는 샘플을 놓습니다. 샘플 하룻밤 4 ° C에서 알을 품을 수 있습니다. 밤새 부 화 후 샘플을 제거 하 고 2-3 h 37 ° C에서 그들을 품 어.
    3. PBS와 샘플을 헹 구 고 8 %w / v 나트륨 라우릴 황산 염 및 1.25 %w / v 붕 소의 산 성 솔루션에 그들을 배치. 그들은 분명 때까지 37 ° C에서 샘플을 품 어. 이 샘플의 두께 따라 몇 시간이 걸릴 수 있습니다. 개간, 후 샘플을 제거 하 고 1 일 인산 염 버퍼 염 분 x 1에 배치 합니다.
    4. 일치 하는 비 밀도 그라데이션 중간의 40 g 솔루션 굴절률 준비 ( 재료의 표참조) 0.02 M 인산 버퍼 (PB), 0.1% 트윈-20, 그리고 0.01% 나트륨 아 지 드의 30 ml에서. 수산화 나트륨으로 7.5의 pH에 솔루션을가지고.
  3. 1.46 1.48 및 1 %agarose 굴절률을 가진 바퀴에 지운된 샘플을 놓습니다. 붕 규 산 유리 배관으로 샘플을 삽입 하 고 실 온 (23 ° C)에서 공고히 agarose를 허용.
  4. 움직임을 제어 하는 붕 규 산 유리 튜브를 3 차원 동력된 변환 단계를 연결 하 고 3 차원 내에서 샘플의 방향 인쇄 ABS 챔버 ( 보충 그림 1참조).

4. 성인 심장 이미징

  1. 2 개월 야생 타입 (C57BL/6) 마우스의 꼬리 정 맥으로 심장 관련 분 T 발기인 (cTnT) 및 녹색 형광 단백질 (GFP)를 포함 하는 1012 의 바이러스 유형 adeno 관련 바이러스 벡터 9 (AAV9) x 8.7 100 μ 볼륨에 주사.
    참고:는 AAV9 위안 에 의해 설명 하는 기술에 따라 개발 되었다 13. 그러면 신장 외부 골 수 칼륨 채널 (ROMK) AAV9-cTnT-ROMK-GFP 생산에 바인딩할 GFP ( 재료의 표참조).
  2. NHLBI11에서 설명 하는 기술에 따라 7.5 개월에서 성인 쥐 심 혼을 해 부. 단계 3.1-3.3을 사용 하 여 샘플을 준비 합니다.
  3. 모터 액추에이터를 모터 컨트롤러를 연결 합니다. 움직임을 제어 하는 붕 규 산 유리 튜브에 액추에이터를 연결 하 고 3 차원 내에서 샘플의 방향 인쇄 ABS 챔버.
  4. 그것은 이중 조명 시스템에 의해 만들어진 가우스 광속의 센터에 되도록 샘플을 놓습니다. 100 fps의 속도로 sCMOS 카메라를 사용 하 여 이미지를 취득 합니다.
  5. 모터 컨트롤러를 사용 하 여 샘플 1 m m 축 방향에서 이동한 sCMOS 카메라와 함께 각 1 m m 증가에서 이미지를 수집 합니다. 전체 샘플 이미지가 포함 된 때까지 계속 합니다.
    참고: 시스템 사용자 정의 개발 장비 제어 소프트웨어에 의해 제어 됩니다.
  6. 시각화 소프트웨어를 사용 하 여 인수 이미지 스택 ( 재료의 표참조). 이러한 이미지 스택 및 시각화 소프트웨어14를 사용 하 여 3 차원 이미지를 개발 합니다. 획득된 한 이미지 스택에 단계 2.6에서에서 PSF deconvolve 심장의 윤곽을 관찰 하 고 의사 색이 회색조 강도에 따라 이미지를 추가 하려면 픽셀 임계값 강도 값을 설정 합니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

결과

설명 하는 기술은 여기 깊은 이미징 깊이 및 충분 한 이미지 해상도 (그림 1) 더 큰 이미징 볼륨 마우스 심장 조직 샘플의 광학 청소와 함께 양면 조명 광선을 사용. 시스템 보정, 형광 구슬 유리 튜브 내부와 이미징 시스템 내에서 배치 했다. 구슬에 몇 군데 했다 그리고 x y 평면, y z 평면, 시각 그리고 포인트를 x-z 평면에서 시스템8기능 (PSF)를 확산. 시스템 보정 d측면 ≈의 측면 방향에서 해결 생산 2.8 µ m 및 dXZ ≈ 17.4 µ m 및 dYZ ≈ 17.9 µ m 포함 중간8로 글리세롤을 사용 하는 경우의 축 방향에서 해결.

형광 구슬 캘리...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

토론

LSFM 시스템 및 여기에 설명 된 기술 개발의 출생 및 성인 단계에서 이미지 마우스 마음에 광 청소와 함께 양면 조명 광속을 이용 한다. 전통적인 단일 조명 광선은 광자 산란 및 흡수 두꺼운 및 더 큰 조직 샘플1,3에서 겪고 있다. 양면 보 샘플, 스트라이핑 및 종종 한 면 조명에 의해 생산 하는 이미지에 표시 되는 다른 아티팩트 효과 최소화의 더 심지어 조명을 제공 합니다. 이 기술은 또한 듀얼 가우스 빔8의 위치를 조정 하 여 몇 군데 수 샘플의 크기를 증가 시킵니다. 단일 조명 제 브라와 초파리 의 마음 같은 작은 마음에 샘플의 크기를 제한 하는 반면이 광선의 최대 분리 조직 샘플 성인 마우스 마음 처럼 크기가 몇 밀리미터 이미징에 대 한 허용 .

형광 이미징 광학 투명 하지 않은 조직에 더 도전 산란 조직 ...

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

공개 사항

저자는 공개 없다.

감사의 글

저자는 마우스 샘플 이미지를 제공 하기 위한 UCLA에서 타오 구 엔과 아츠 시 나카노에 게 감사를 표현 하 고 싶습니다. 이 연구는 NIH (Tzung K. Hsiai)에 HL118650, HL083015 (Tzung K. Hsiai)를, (N. C. 치 및 Tzung K. Hsiai)에 HD069305, HL111437 (Tzung K. Hsiai N. C. 치)를, (에 Tzung K. Hsiai), HL129727 및 텍사스 대학교 시스템 교부 받음 (지주에 자금에 의해 지원 되었다 리)입니다.

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재료

이 논문에 사용된 재료 목록
이름회사카탈로그 번호댓글
CW LaserLaserglow TechnologiesLMM-GBV1-PF3-00300-05형광단의 여기
중성 밀도 필터ThorlabsNDC-50C-4M시스템에 들어가는 빛의 양 제어
무채색 빔 확장기ThorlabsGBE05-A광선 확장
기계식 슬릿ThorlabsVA100C
빔 스플리터ThorlabsBS013형태 이중 조명 빔
1X 대물 렌즈가 있는 실체 현미경OlympusMVX10샘플 관찰에 사용
ORCA-Flash4.0 LT sCMOS 카메라Hamamatsu PhotonicsC11440-42U이미지 캡처에 사용
아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS),StratasysuPrint, 샘플 홀더를 3D 프린팅하는 데 사용되는 재료
형광 폴리스티렌 비드Spherotech IncPP-05-10이미징 시스템 보정에 사용
붕규산 유리 튜브CorningPyrex 7740샘플 임베딩용 튜빙
글리세롤Fisher ScientificBP229-4샘플 챔버 채우기
인산염 완충 식염수Fisher ScientificBP39920마우스 심장용 헹굼 용액
파라포름알데히드전자 현미경 과학RT-15700첫 번째 배양 용액
아크릴아미드Wako ChemicalsAAL-107마우스 심장용 두 번째 배양 용액을 위해 2,2'-Azobis dihydrochloride와 혼합
2,2'-Azobis dihydrochlorideWako ChemicalsVA-044마우스 심장
용 두 번째 배양 용액을 위해 아크릴아미드와 혼합소듐 도데실 설페이트 Sigma Aldrich71725마우스 심장용 3차 배양 용액을 위해 붕
Boric acidFischer ScientificA74-1마우스 심장용 3차 배양 용액을 위해 도데실황산나트륨과 혼합
Sigma D2158Sigma AldrichD2158굴절률 정합 용액으로 PB, Tween-20 및 아지드화나트륨과 혼합
Tween-20Sigma Aldrich11332465001굴절률 정합 용액으로 Sigma D2158, PB 및 Sodium azide와 혼합
azideSigma AldrichS2002굴절률 정합 용액으로 Sigma D2158, PB 및 Tween-20과 혼합
Vector BiolabsVB2045로 태그된 심장 특이적 트로포닌 T 프로모터가 있는 Adeno-associated virus vector 9에 결합 시 GFP를 발현
Z825B라이트 시트 내에서 축 방향으로 샘플의 이동에 사용
K-Cube 브러시 DC 서보 모터 컨트롤러ThorlabsKDC101모터 액추에이터에 연결하여 액추에이터의 움직임을 제어
AmiraFEI 소프트웨어N/A2D 및 3D 이미지 생성을 위한 시각화 소프트웨어
폭 제어산과 혼합 SodiumGFP ROMK DC 서보 모터 액추에이터 Thorlabs

참고문헌

  1. Richardson, D. S., Lichtman, J. W. Clarifying tissue clearing. Cell. 162 (2), 246-257 (2015).
  2. Lee, J., et al. 4-Dimensional light-sheet microscopy to elucidate shear stress modulation of cardiac trabeculation. Journal of Clinical Investigation. 126 (5), 1679-1690 (2016).
  3. Huisken, J., Swoger, J., Del Bene, F., Wittbrodt, J., Stelzer, E. Optical sectioning deep inside live embryos by selective plane illumination microscopy. Science. 305 (5686), 1007-1009 (2004).
  4. Huisken, J., Stainier, D. Y. Selective plane illumination microscopy techniques in developmental biology. Development. 136 (12), 1963-1975 (2009).
  5. Bakkers, J. Zebrafish as a model to study cardiac development and human cardiac disease. Cardiovascular Research. 91 (2), 279-288 (2011).
  6. High, F. A., Epstein, J. A. The multifaceted role of Notch in cardiac development and disease. Nature Reviews Genetics. 9 (1), 49-61 (2008).
  7. Sachinidis, A. Cardiac specific differentiation of mouse embryonic stem cells. Cardiovascular Research. 58 (2), 278-291 (2003).
  8. Ding, Y., et al. Light-sheet fluorescence imaging to localize cardiac lineage and protein distribution. Scientific Reports. 7, 42209(2017).
  9. Tomer, R., Ye, L., Hsueh, B., Deisseroth, K. Advanced CLARITY for rapid and high-resolution imaging of intact tissues. Nature Protocols. 9 (7), 1682-1697 (2014).
  10. Robbins, N., Thompson, A., Mann, A., Blomkalns, A. L. Isolation and excision of murine aorta; a versatile technique in the study of cardiovascular disease. Journal of Visualized Experiments. (93), e52172(2014).
  11. National Heart, L., Blood Institute, Standard Operating Procedures (SOP's) for Duchenne Animal Models. , (2015).
  12. Sung, K., et al. Simplified three-dimensional tissue clearing and incorporation of colorimetric phenotyping. Scientific Reports. 6, 30736(2016).
  13. Yuan, Z., Qiao, C., Hu, P., Li, J., Xiao, X. A versatile adeno-associated virus vector producer cell line method for scalable vector production of different serotypes. Human Gene Therapy. 22 (5), 613-624 (2011).
  14. FEI, Amira User's Guide. , Konrad-Zuse-Zentrum fur Informationstechnik. Berlin. 59-138 (2017).
  15. Gao, L., et al. Noninvasive imaging of 3D dynamics in thickly fluorescent specimens beyond the diffraction limit. Cell. 151 (6), 1370-1385 (2012).
  16. Truong, T. V., Supatto, W., Koos, D. S., Choi, J. M., Fraser, S. E. Deep and fast live imaging with two-photon scanned light-sheet microscopy. Nature Methods. 8 (9), 757-760 (2011).
  17. Ding, Y., et al. Integrating light-sheet imaging with virtual reality to recapitulate developmental cardiac mechanics. JCI Insight. 2 (22), (2017).

액세스가 제한되었습니다. 이 콘텐츠를 보려면 로그인하거나 체험판을 시작하세요.

재인쇄 및 허가

태그

CLARITYsCMOS3D