이 프로토콜은 최적화된 2단계 두개골 청소 절차를 기반으로 한 헤드마운트 광학 투명 두개골(HOTS) 창을 설명합니다. 이 접근법은 매우 투명한 두개골을 만들어 성체 쥐 대뇌 피질을 최대 ~800 μm 깊이까지 2광자 영상화할 수 있게 합니다.
방법 논문
이 프로토콜은 최적화된 2단계 두개골 청소 절차를 기반으로 한 헤드마운트 광학 투명 두개골(HOTS) 창을 설명합니다. 이 접근법은 매우 투명한 두개골을 만들어 성체 쥐 대뇌 피질을 최대 ~800 μm 깊이까지 2광자 영상화할 수 있게 합니다.
성체 쥐 대뇌 피질의 고해상도 2광자 영상은 두개골에서 나오는 빛 산란으로 인해 신호가 약화되고 생체 내 영상 깊이가 제한되어 심각하게 제한됩니다. 두개골 청소 방법이 온전한 두개골을 통해 피질에 광학적 접근을 가능하게 하는 방법이 개발되었지만, 제한된 청소 시간과 최적의 제거 칵테일로 인해 실용적인 성능이 제한됩니다. 여기서는 헤드마운트 광학 투명 두개골(HOTS) 창을 구현하는 상세한 프로토콜을 제시합니다. 이 방식에서는 머리에 장착된 모자를 사용해 두개골 위에 정화 용액을 유지함으로써 장기간 마취나 신체적 제약을 피하고, 깨어 있을 때 자유롭게 행동하는 쥐가 몇 시간 동안 두개골을 정리할 수 있게 되었습니다. 추가로, 시약(HOTS-S1: 10% wt/v EDTA, 15% wt/v D-만노스, 10% wt/v 설폴란, 0.5% wt/v Tween 20; HOTS-S2: 70% wt/v D-만노스, 5% wt/v 설폴란, 0.5% wt/v 트윈 20) 체계적 화학적 스크리닝을 통해 최적화됨. 두개골 노출 및 안정화, 머리 장착 캡 제작 및 장착, 투명 시약의 전달 및 재충전, 그리고 이후 영상 촬영 준비를 포함한 단계별 프로토콜을 제공합니다. 6주 된 쥐(~20g)에서 HOTS 프로토콜은 피아(pia) 아래 최대 ~800 μm 깊이까지 2광자 이미징을 지원하는 매우 투명한 두개골을 일상적으로 생성하며, 개방형 두개골 창에 근접하는 성능에 근접합니다. HOTS 윈도우는 Thy1-GFP-M 마우스에서 구조적 이미징을, Thy1-GCaMP6s 마우스에서 기능성 칼슘 이미징을 가능하게 합니다. 우리는 편리하고 최소 침습적인 접근법으로서 HOTS 창이 심부 경두개골 영상과 광유전학, 광약리학 및 기타 빛 기반 조작을 생 체 내에서 크게 촉진할 것이라고 믿습니다.
피질 신경세포의 생체 내 모니터링은 뇌 구조와 기능을 이해하는 데 필수적입니다. 2광자 현미경(TPM)은 이러한 생체 내 연구의 핵심 도구입니다 2,3. 하지만 불투명한 두개골에서 나오는 강한 빛 산란으로 인해 영상 품질과 깊이가 심각하게 제한됩니다.
개방형 두개골6과 얇아진 두개골 창 7,8은 피질에 대한 광학 접근을 크게 개선하며 널리 사용되고 있지만, 두 방법 모두 본질적인 한계가 있습니다. 개방 두개골 창은 급성 뇌 손상과 염증 반응을 유발할 수 있으며,두개골 얇아짐은 기술적으로 까다롭고 균일한 두께를 달성하기 어렵습니다11,12.
생체 내 두개골 광학 클리어 기법은 성체 마우스에서 축삭 해상도로 2광자 영상을 가능하게 하는 최소 침습적 대안을 제공합니다. 하지만 달성 가능한 영상 깊이는 제한적입니다(일반적으로 PIA 아래 150–400 μm 지점)12,13,14,15. 실제로 두개골 클리어는 보통 마취 하에서 단단한 머리 고정 상태에서 짧은 시간 내에 제한되며, 두개골 골 구성에 대한 클리어링 칵테일의 체계적 최적화는 아직 탐구되지 않았습니다12, 13, 14, 15.
이러한 한계를 극복하기 위해, 우리는 이전에 자유롭게 행동하는 쥐에서 장시간 오프라인 두개골 정리를 지원하는 헤드마운트형 광학 투명 두개골(HOTS) 창을 개발했습니다(그림 1A)16. 이 접근법은이전 연구16에서 체계적인 화학 스크리닝을 통해 최적화된 시약(S1 및 S2)을 이용한 2단계 클리어 절차를 사용합니다. 클리어링 시약의 체계적 최적화와 HOTS 윈도우의 클리링 효능, 가역성, 생체 안전성, 생 체 내 영상 성능의 특성 규명은 이전 연구16에서 보고되었으며, HOTS 처리 후 긍정적인 인상교세포 반응도 입증되었습니다. 여기서는 성체 쥐에서 심층 경두개골 2광자 영상을 가능하게 하는 HOTS 창을 설정하는 단계별 프로토콜을 제시합니다. 대표적인 준비 과정에서 영상 깊이는 pia 아래 ~800 μm까지 도달하며, 이는 개폐 두개골 창으로 달성할 수 있는 깊이와 거의 일치합니다. HOTS 윈도우는 Thy1-GFP-M 마우스에서 심층 구조 영상을, 깨어 있는 Thy1-GCaMP6s 마우스에서 기능성 칼슘 영상을 가능하게 합니다.
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모든 동물 관리 및 실험 절차는 광둥성 동물 관리 및 이용위원회의 승인을 받았으며, 중국과학원 선전첨단기술연구소 동물실험윤리위원회의 지침에 따라 수행되었습니다. 이 프로토콜에서 사용되는 시약과 장비는 재료표에 나열되어 있습니다.
참고: 이 프로토콜은 두개골 두께가 약 100 μm인 6주 된 쥐(체중 ~20g)에 최적화되어 있습니다.
1. 두개골 제거 용액 준비
2. 수술 준비
3. 수술 및 헤드플레이트 장착
4. HOTS 창 생성
5. 깨어 있는 자유롭게 행동하는 쥐의 두개골 청소
참고: 정리 단계 동안 쥐는 깨어 있고 집 우리 안에서 자유롭게 행동합니다. 용액 주입과 헤드 마운트 캡을 통한 교환 시에만 짧은 이소플루란 마취를 사용하세요.
6. 영상 준비
7. 회복
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프로토콜에 따라 헤드마운트 광학 투명 두개골(HOTS) 창은 성체 쥐에서 두개골의 무결성을 유지하면서 심두개골 2광자 영상을 가능하게 합니다. 성공적인 준비는 두 가지 주요 결과로 나타난다: (1) 피질 혈관이 제거 시 두개골을 통해 명확히 보인다(그림 1Bf), (2) 제거된 두개골에 약간의 움푹 들어간 부분이 나타나 효과적인 탈석화와 콜라겐 이완을 나타낸다. HOTS 창은 모세혈관 출혈을 방지하기 위해 온전한 두개골 위에 위치시키고 봉합사에서 멀리 떨어져 있어야 하며, 이는 HOTS 창문 파손의 흔한 원인입니다. 또 다른 흔한 고장 모드는 캡-소프트 라이너 재료 인터페이스가 잘못 밀봉된 곳에서 시약이 누출되어 투명성이 완전히 떨어지는 것입니다.
광학 투명 효과를 평가하기 위해 체 외 및 생체 내 투명도...
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HOTS 방법은 머리에 장착된 광학 투명 두개골(HOTS) 창을 사용하여 클리어링 시약이 담긴 캡과 2단계 두개골 클리어 절차를 결합하여 성체 쥐의 두개골 투명도를 높이면서도 두개골의 무결성을 유지합니다. 표준 프로토콜(6주 된 마우스의 경우 S1에 6시간, S2에 1시간)에 따르면, 결과된 윈도우는 심층 경두개내 2광자 영상을 신뢰성 있게 지원했고, pia 아래 ~800 μm 아래까지 구조를 시각화할 수 있게 했습니다.
안정적이고 투명한 윈도우를 얻기 위해서는 여러 절차적 단계가 매우 중요합니다. 두개골은 깨끗하고 건조해야 하며, 두피와 골막은 치아 시멘트가 뼈에 단단히 붙어 이후 영상 촬영 시 헤드플레이트를 단단히 고정하도록 조심스럽게 제거해야 합니다. 시멘트 층은 노출된 뼈와 주변 조직을 덮어 단단한 기초를 제공해야 합니다. 이후 치아 시멘트 위와 창문 주변에 얇은 자기 경화 치아 소프트 라이너 재료를 덮어 이후 ...
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저자들은 이해 상충이 없음을 선언합니다.
이 연구는 충칭 과학기술혁신 핵심 연구개발 프로그램(CSTB2024TIAD-STX0004), 선전 의학연구기금(D2404004), 중국국가자연과학기금(62475278, 62305369, 62405351, 92359303)의 지원을 받았습니다. 광둥성 기초 및 응용 기초 연구 재단(2024A1515012517, 2020B121201010); 중국과학원 청년 혁신 진흥 협회(2023377); 선전 기초 연구 프로그램(RCJC20200714114433058, RCYX20210609104445093, JCYJ20241202124924033, ZDSY20130401165820357). Thy1-GFP-M 마우스를 제공해 주신 양잔 교수님(중국 선전, 선전 첨단기술연구소, 선전 첨단기술연구소, 중국 선전)께 감사드립니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1mL 일회용 피펫 | 베이징 바이오탑 및 nbsp; 과학 & 기술 주식회사 | 해당 없음 | |
| 덴탈 시멘트 | 상하이 롱샹 치과재료 유한회사. | 해당 없음 | |
| D-만노스 | 맥클린 | D813082 | |
| EDTA | 알라딘 | 엘 16428 | |
| 이소플루란 | 후륜구동 | 해당 없음 | |
| 퀵-캐스트 | WPI | 해당 없음 | 생체 적합성 있는 실란트 |
| 나오 | 맥클린 | S832169 | |
| 자가 경화 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 치과 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 그리고 nbsp; 부드러운 라이너 재질 | 양마후 바이오테크놀로지(헤비) 유한회사. | 해당 없음 | |
| 펜토바르비탈 나트륨 | 바이오파이크 | 해당 없음 | |
| 입체 이동 장치 | 후륜구동 | 해당 없음 | |
| 멸균 일회용 주사기 | 미난크 | 해당 없음 | 1 mL; 26G 바늘 |
| 설폴란 | 맥클린 | S817950 | |
| Thy1-GFP-M 마우스 | 해당 없음 | 제공됨; 양잔 교수 작성 | |
| Thyl-GCaMP6s 쥐들 | 잭슨 연구소 | ||
| 트윈 20세 | 시그마-베텍 | V900548 | |
| 수중 침수 목표 | 니콘 | N25X-APO-MP | 25×/NA 1.1 목표 |
| 수중 침수 목표 | 니콘 | N16XLWD-PF | 16×/NA 0.8 objective |
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