이 기사에서는 다광자 현미경을 사용하여 힘줄을 준비, 설정 및 이미징하는 과정을 간략하게 설명합니다. 또한 콜라겐 원섬유 정렬을 분석하고 힘줄의 3D 표현을 생성하기 위한 SHG의 적용을 다룹니다. 이 방법론은 손상 및 발달 중에 힘줄 세포와 ECM을 특성화하는 데 매우 유용한 것으로 입증되었습니다.
방법 논문
이 기사에서는 다광자 현미경을 사용하여 힘줄을 준비, 설정 및 이미징하는 과정을 간략하게 설명합니다. 또한 콜라겐 원섬유 정렬을 분석하고 힘줄의 3D 표현을 생성하기 위한 SHG의 적용을 다룹니다. 이 방법론은 손상 및 발달 중에 힘줄 세포와 ECM을 특성화하는 데 매우 유용한 것으로 입증되었습니다.
이광자 현미경 검사는 심부 조직 세포를 평가하고 다양한 생물학적 시스템에서 세포외 기질(ECM)의 정렬을 특성화하기 위한 강력한 도구로 부상했습니다. 이 기술은 비선형 광-물질 상호 작용에 의존하여 두 가지 별개의 신호, 즉 콜라겐 섬유와 그 방향의 시각화를 용이하게 하는 SHG(Second Harmonic Generated) 확산 신호와 자외선 여기 자가형광 이미징을 위한 근적외선 여기 신호입니다.
SHG 이미징은 섬유소 콜라겐 I의 비중심대칭 결정 구조로 인해 콜라겐 섬유를 시각화하는 데 특히 효과적인 것으로 입증되었습니다. 힘줄은 세포 수가 제한된 매트릭스가 풍부한 조직이라는 점을 감안할 때 콜라겐 함량이 높기 때문에 이광자 현미경을 사용한 분석에 이상적인 후보입니다. 결과적으로, 이광자 현미경 검사는 힘줄의 콜라겐 이상을 분석하고 특성화할 수 있는 유용한 수단을 제공합니다. 그 응용 분야는 힘줄 발달, 부상, 치유 및 노화 연구로 확장되어 이광자 현미경 도구를 사용하여 다양한 조건에서 힘줄 세포와 ECM과의 상호 작용을 포괄적으로 특성화할 수 있습니다. 이 프로토콜은 힘줄 생물학에서 이광자 현미경의 사용을 간략하게 설명하고 발달 중 및 손상 후 힘줄 세포의 효과적인 이미징 및 특성화를 달성하기 위한 적응된 방법론을 제시합니다. 이 방법을 사용하면 얇은 현미경 절편을 활용하여 힘줄 및 이 매트릭스와 상호 작용하는 세포 내의 ECM에 대한 포괄적인 이미지를 생성할 수 있습니다. 특히 이 기사는 동물 모델에서 이광자 현미경을 사용하여 3D 이미지를 생성하는 기술을 보여줍니다.
근육에서 뼈로 힘을 전달하고 적절하게 기능하기 위해힘줄은 1 콜라겐 섬유 사이의 분자간 및 분자 내 결합에 의존합니다. 콜라겐 섬유의 복잡한 자체 조립, 가교 결합 및 정렬은 힘줄 조직의 생체 역학적 강도와 유연성에 기여하는 고도로 조직화된 매트릭스의 형성을 초래합니다 2,3,4. 다른 ECM 단백질도 힘줄5의 섬유소 네트워크의 안정성에 기여하지만, 힘줄 건조 덩어리는 약 86%가 콜라겐6이며, 콜라겐 I은 총 콜라겐 함량 7,8의 최대 96%를 차지합니다. 이것은 궁극적으로 콜라겐 구조를 정상적인 힘줄 건강과 기능의 핵심 출력물로 만듭니다.
힘줄에 사용되는 일부 임상 영상 방식은 MRI 및/또는 초음파입니다. 초음파 기술은 힘줄의 근막 구조에 대한 이미지를 제공하고 조직9의 섬유소 구조 중 일부를 드러내지만, 해상도는 정량화에 적합하지 않습니다. MRI는 초음파 영상보다 공간 해상도가 우수하지만 여전히 제한적입니다. 그러나 이러한 방법은 조직을 통한 잠재적인 이미징 깊이에도 제한이 있습니다. 보다 미시적인 규모에서는 소각 및 광각 광 산란 및 컨포칼 현미경을 사용하여 콜라겐 원섬유의 구조와 잠재적인 이상을 평가할 수 있습니다.
대조적으로, SHG(Second-Harmonic Generation) 현미경은 콜라겐 원섬유의 외부 껍질을 캡처할 수 있다는 점에서 다른 이미징 방법과 다릅니다. 힘줄의 콜라겐 I 원섬유는 힘줄 ECM을 통해 단축 평행 방식으로 조직되며 본질적으로 비중심 대칭입니다 4,10. 이러한 특성은 다광자 현미경을 사용한 이미징에 활용할 수 있으며, 이는 컨포칼 이미징보다 최대 2-3배 더 깊은 선명한 이미지를 생성할 수 있습니다11. 이것은 또한 힘줄의 더 나은 품질의 광학 단면을 생성할 수 있게 해줍니다. 관심 샘플에 빛이 투사되면 SHG 신호가 생성되고 이러한 빛의 산란을 캡처할 수 있습니다. 힘줄에서 이것은 콜라겐 구조와 정렬에 대한 이미지를 생성하므로 건병증, 부상 등의 잠재적인 형태학적, 병리학적 결과를 평가할 수 있습니다.
콜라겐은 힘줄 건조 덩어리의 대부분을 구성하고 힘줄 기능에 기여하기 때문에 6,12, 콜라겐 구조의 파괴는 힘줄의 생체역학적 특성에 영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 구조를 분석하면 부상의 영향과 심각성을 더 잘 이해할 수 있을 뿐만 아니라 치유 효능에 대한 지표를 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 논문은 다광자 및 SHG 현미경을 사용하여 발달 및 손상이 콜라겐 I 원섬유의 구조와 정렬에 어떤 영향을 미치는지 분석하고 동물 모델에서 힘줄 ECM의 3D 이미지를 생성하는 방법을 검토합니다. 따라서 힘줄을 이미지화하는 당사의 방법은 연구자들이 발달 중 또는 손상 후에 힘줄 세포와 ECM을 특성화하는 데 도움이 될 수 있습니다.
모든 동물 실험은 매사추세츠 종합 병원의 기관 동물 관리 및 사용 위원회(IACUC)(프로토콜 #2013N0000062) 및 AAALAC 지침에 따라 수행되었습니다. 본 연구에는 생후 30일의 Scx-GFP 배경에서 BHLHE40 null knockout 또는 이형접합 암컷 마우스가 사용되었습니다. 동물은 상업적 출처에서 얻었습니다 ( 재료 표 참조).
1. 조직 준비 및 정착
2. 힘줄 절제 및 이미징을 위한 조직 준비
3. 다광자 현미경을 사용한 이미징
이 프로토콜은 손상 후, 발달 중 또는 돌연변이 상태에서 힘줄 세포와 그 세포외 기질(ECM)을 특성화하는 데 유용합니다. 샘플을 신중히 해부하고 준비하면 시상 방향으로 조직을 통해 z-stack 비디오를 생성할 수 있습니다(비디오 1 및 비디오 2). ImageJ/FIJI를 사용하여 이미지를 처리하고 다시 슬라이스하면 아킬레스건의 횡방향 보기가 생성됩니다(비디오 3 및 비디오 4). 이것은 tenocytes의 성상 형태를 드러내고 조밀한 콜라겐 매트릭스 내에서 그들의 독특한 구조를 관찰할 수 있게 해줍니다.
다광자 현미경을 활용하고 섬유소 콜라겐 I의 비중심대칭 결정 특성을 활용하여 힘줄 세포와 그 매트릭스를 모두 캡처하는 고해상도 광학 단면 이미지를 생성했습니다. 이러한 광학 섹션은 BHLHE40 +/- 모두에 대해 z-stacks와 격리됩니다. SCX-GFP 및 BHLHE40 -/-; Scx-GFP 마우스(각각 그림 1A, B). 섹션은 2-P 이미징에 의해 생성된 원본 시상 z-스택과 ImageJ/FIJI를 사용하여 생성된 재슬라이스된 z-스택에서 가져옵니다. 이 외에도 이 이미징 방법을 사용하여 두 마우스 간의 콜라겐 조직, 세포 형태 등의 잠재적 차이를 분석할 수도 있습니다.

그림 1: BHLHE40 +/-의 광학 섹션; SCX-GFP 및 BHLHE40 -/-; Scx-GFP 마우스 힘줄. Z-stack은 다광자 현미경을 사용하여 캡처했습니다. (A) Z-스택에서 획득한 광학 섹션은 BHLHE40 +/-에서 SHG 신호와 GFP+/Draq5+ 셀을 보여줍니다. Scx-GFP (P30, 암컷, 14.68 g) 및 (B) BHLHE40-/-; Scx-GFP(P30, 암컷, 12.16g). 시상면에는 SHG 신호가 포함되어 있지만 횡단면에는 포함되지 않습니다. 샘플은 Draq5로 대조 염색되었습니다. SHG는 조직의 콜라겐 매트릭스를 포착합니다. 스케일 바 = 10μm. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 1: BHLHE40 +/-의 시상면도의 Z 스택 비디오; Scx-GFP 마우스 힘줄. Z-스택은 이광자 현미경을 사용하여 캡처했습니다. 비디오는 아킬레스 건의 시상면을 보여줍니다. 샘플은 Draq5로 대조 염색되었습니다. SHG는 조직의 콜라겐 매트릭스를 포착합니다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 2: BHLHE40의 시상면도의 Z-스택 비디오 -/-; Scx-GFP 마우스 아킬레스건. Z-스택은 이광자 현미경을 사용하여 캡처했습니다. 이 비디오는 BHLHE40 null KO 마우스의 아킬레스건에 대한 시상면을 보여줍니다. 샘플은 Draq5로 대조 염색되었습니다. SHG는 조직의 콜라겐 매트릭스를 포착합니다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 3: BHLHE40 +/-의 가로 보기의 Z 스택 비디오; Scx-GFP 마우스 힘줄. Z-스택은 이광자 현미경을 사용하여 캡처했습니다. 비디오는 아킬레스 건의 횡단면을 보여줍니다. 샘플은 Draq5로 대조 염색되었습니다. SHG는 조직의 콜라겐 매트릭스를 포착합니다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
비디오 4: BHLHE40의 가로 보기의 Z 스택 비디오 -/-; Scx-GFP 마우스 아킬레스건. Z-스택은 이광자 현미경을 사용하여 캡처했습니다. 이 비디오는 BHLHE40 null KO 마우스에서 아킬레스건을 가로 방향으로 보여줍니다. 샘플은 Draq5로 대조 염색되었습니다. SHG는 조직의 콜라겐 매트릭스를 포착합니다. 이 비디오를 다운로드하려면 여기를 클릭하십시오.
이 기사에서는 힘줄 ECM의 비중심대칭 결정 특성을 활용하여 마우스 아킬레스건을 준비, 절제 및 이미지화하는 방법을 제시합니다. 조직 준비의 주요 단계에는 counterstain에 대한 투과화와 이미징 중 페트리 접시에 적절한 조직 배치를 확인하는 것이 포함됩니다. Draq5 대신 Hoechst 33258을 1:100,000 희석13으로 사용할 수 있지만 Draq5는 높은 투과성, 광안정성 및 최소한의 광표백으로 인해 선호됩니다. 잘못된 방향은 결과 이미지에 영향을 줄 수 있으므로 커버슬립과 힘줄 사이의 기포를 방지하기 위해 적절한 조직 배치가 중요합니다.
다른 현미경 검사 방법과 비교하여 SHG(Second Harmonic Generation) 현미경을 사용하면 매트릭스10 내에서 콜라겐 원섬유와 힘줄 세포를 캡처할 수 있습니다. 이 데이터를 카운터 스테인과 결합하여 발달, 부상 또는 돌연변이가 힘줄 구조에 어떤 영향을 미치는지 분석 할 수 있습니다. 힘줄 ECM의 3D 이미지를 생성하면 힘줄을 통과할 때 광학 단면을 관찰할 수 있습니다. 다광자 기술은 우수한 조직 침투를 제공하지만 전체 아킬레스건을 통한 이미징에는 여전히 한계가 있어 절편과 같은 추가 기술이 필요합니다. 그러나 이 방법을 사용하면 약 150개의 0.4미크론 광학 절편을 선명하게 생산할 수 있어 절편을 통한 조직 섭동을 방지할 수 있습니다.
요약하면, 이 방법은 다광자 현미경을 사용하여 힘줄 세포와 ECM을 이미징하여 힘줄 발달, 부상, 치유 및 노화를 특성화하는 데 귀중한 통찰력을 제공합니다. 광학 절편에 대한 다광자 이미징과 조직 전체의 z-stack 비디오를 활용하면 실험 조건에서 힘줄 형태의 변화를 더 잘 이해할 수 있습니다.
저자는 공개할 내용이 없습니다.
저자는 이러한 프로토콜의 개발 및 문제 해결에 대한 지원과 격려에 대해 Jenna Galloway와 Galloway Lab 구성원에게 감사드립니다.
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 0.5 M EDTA pH 8.0 | Invitrogen | AM9262 | |
| 2 mL 마이크로 원심분리기 튜브 | USA Scientific | 1620-2700 | |
| 20 mL 섬광 바이알 | Sigma-Aldrich | Z190527-1PAK | |
| 4% 파라포름알데히드 | 전자 현미경 과학 | 50-980-487 | PFA 앰플을 사용하여 4% PFA 용액 생성 |
| 6mm 생검 펀치 도구 | Ted Pella Inc. | 15111-60 | |
| 60 x 15 mm 페트리 디쉬 | |||
| BHLHE40 Scx-GFP 배경의 널 녹아웃 또는 이형접합 마우스 | The Jackson Laboratory | JAX ID #029732 | MGI ID #3717419 |
| Coverslips | Fisher | 12-544-F | |
| Draq5 | ABCAM | ab108410 | |
| Fine scissors 21 mm cutting | edge Fine Science Tools | 14060-10 | |
| FVMPE-RS 다광자 레이저 영역을 아우르는 모든 커버슬립을 사용할 수 있습니다. 스캐닝 현미경 | Olympus | ||
| Gelfoam 멸균 스폰지 크기 50 | Pfizer | 00009-0323-01 | |
| INSIGHT X3-OL IR 펄스 레이저 | Olympus | ||
| MaiTai HPDS-O IR 펄스 레이저 | Olympus | ||
| Phosphate-Buffered Saline (1x) | Invitrogen | AM9625 | 10x PBS를 milli-Q 물에 희석하여 1x 용액 |
| 얻기 스테인레스 스틸 M20 평면 세척기 | McMaster-Carr | ||
| Triton X-100 | MP Biomedicals | 807426 | Triton X-100을 dPBS로 희석하여 1% 용액을 얻습니다 |
| Vannas 스프링 가위 4mm 최첨단 | Fine Science Tools | 15018-10 | |
| XLPlan N 25X WMP 렌즈 |
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