Excitatie van twee fotonen werd voor het eerst beschreven in haar proefschrift door Maria Göppert-Mayer in 1931, die later de Nobelprijs voor de natuurkunde won voor het beschrijven van de nucleaire schilstructuur 22,23. Traditionele fluorescentiemicroscopie is gebaseerd op excitatie van één foton, met excitatiegolflengten die korter en energieker zijn dan emissiegolflengten. In tegenstelling tot enkelvoudige fotonmicroscopie, omvat twee-fotonmicroscopie gelijktijdige excitatie door twee fotonen, elk met langere golflengten dan die van het uitgezonden fluorescentiesignaal 24,25,26. Omdat twee individuele fotonen co-localiseren om een enkel brandpunt in het weefsel te exciteren, is de excitatie van twee fotonen ruimtelijk tot een klein monstervolume, waardoor optische doorsnede 24,25,26 mogelijk is en er minder fotobleking is boven en onder het vlak dat het brandpunt 27 bevat. De kans op gelijktijdige excitatie door twee fotonen is erg laag, dus een femtoseconde gepulseerde laser is nodig om de excitatie-intensiteit te bereiken die nodig is voor een fluorescentie-emissiesignaal 25,26,27. De excitatielaser bevindt zich in het nabij-infraroodbereik (700-1100 nm), met als voordeel minder verstrooiing, waardoor het licht dieper in het weefsel kan doordringen28. De diepte van de beeldvorming is afhankelijk van de oscillatiesnelheid en het vermogen van de laser24. In de long kunnen beeldvormingsdiepten van ~500-600 μm worden bereikt17. De combinatie van beelddiepte en lage fotobleking maakt twee-fotonmicroscopie dus zeer geschikt voor intravitale beeldvorming van organen.
Twee-fotonmicroscopie is gebruikt in meerdere verschillende weefsels en anatomische plaatsen, zoals de huid12,13, lymfeklieren29, veneus endotheel30, hersenschors10,11, nier14,15 en lever31,32. In de dermis van muizen is bijvoorbeeld intravitale beeldvorming van twee fotonen gebruikt om het zwermen van neutrofielen na steriel lichamelijk letsel te beschrijven12. In een model van veneuze trombose werden bloedmonocyten en neutrofielen gevisualiseerd die langs het endotheel van de inferieure vena cavakropen 30. Menselijke microglia zijn met succes in vivo in beeld gebracht nadat ze waren geëxenotransplanteerd in een menselijk hersenorganoïde model33. Met voortdurende vooruitgang in twee-fotonmicroscopie is intravitale beeldvorming mogelijk op grotere diepten en zelfs in niet-statische organen. Zo zijn dieptes tot 1000 μm in beeld gebracht in de neocortex bij muizen met behulp van een Ti:Al2O3 regeneratieve versterker34.
Een van de uitdagingen van intravitale beeldvorming in thoracale organen is beeldstabilisatie. Door beweging van het kloppende hart en de longademhaling kunnen bewegingsartefacten de beeldkwaliteit aanzienlijk verminderen. Er zijn verschillende methoden voor stabilisatie voor beeldvorming van hart en longen ontwikkeld, waaronder lijmenvan het orgaan 4,7, zuigstabilisatie 19,35,36,37 en a posteriori bewegingscorrectie38. Onze techniek voor het afbeelden van de long is gebaseerd op het lijmen van het longoppervlak op een gestabiliseerd dekglas. We houden de long doorbloed, beademd en normotherm, wat de omstandigheden in vivo simuleert. Vergeleken met de zuigstabilisatiemethode beschreven door Looney et al.19 heeft dit protocol verschillende voordelen. Ten eerste hebben we geen speciale afzuiging nodig. In plaats daarvan kunnen onze beeldvormingskamer en bovenplaat worden geconstrueerd met materialen die direct beschikbaar zijn in een microscopielaboratorium. Bovendien maakt de lijmtechniek die in dit onderzoek wordt gebruikt, in vergelijking met het zuigapparaat (dat een interne diameter van 4 mm heeft), een groter beeldoppervlak mogelijk (tot 10 mm). Bij omtreklijm wordt het gebied van de long binnen de lijmcirkel voldoende beperkt en wordt de beademingsbeweging geminimaliseerd. In vergelijking met de zuigtechniek voorkomt de benadering van het afdekglas convexe vervorming van het longoppervlak, wat de subpleurale capillaire bloedstroom zou kunnen beïnvloeden. Nadelen van ons systeem zijn onder meer het onvermogen om het dekglaasje te verwijderen zonder de pleuroparenchymale overgang in gevaar te brengen. Het is dus niet mogelijk om de long een tweede keer af te beelden met de hier gebruikte lijmtechniek, terwijl de zuigtechniek seriële beeldvorming mogelijk maakt. Bovendien vereist het gebruik van een thoracotomie het verlies van de normale negatieve intrathoracale druk, die, in combinatie met positieve drukventilatie, niet fysiologisch is. Aanvullende beperkingen, beperkingen van beeldvorming met twee fotonen worden hieronder besproken.
Terwijl de borstkas open is tijdens intravitale beeldvorming, is het van cruciaal belang om zo dicht mogelijk bij een fysiologische omgeving te blijven. De bodemplaat waarop de muis ligt, wordt op een temperatuur van 35-37 °C gehouden. Met alleen de huidplaat verwarmd, hebben we ontdekt dat de kerntemperatuur van de muis (gemeten via een rectale sonde) gedurende enkele uren goed wordt gereguleerd. Onze ervaring is dat de beweeglijkheid en het gedrag van de cellen pas zichtbaar worden beïnvloed wanneer de temperatuur onder de 32 °C daalt, wat met deze opstelling waarschijnlijk niet zal gebeuren. Als er een probleem is bij het handhaven van weefselnormothermie of longperfusie tijdens de eerste installatie van deze beeldvormingskamer, kunnen naast de basisplaat twee extra weerstanden worden bevestigd om de bovenplaat te verwarmen (aanvullende afbeelding 1). Zodra de beeldvormingskamer is geoptimaliseerd, is het niet nodig om tijdens elk beeldvormingsexperiment routinematig de interne temperatuur van de muis te controleren. Bovendien hebben we ontdekt dat de combinatie van met zoutoplossing doordrenkt gaas dat over de open borstholte wordt geplaatst en de occlusieve lijmring rond het gebied van de long dat moet worden afgebeeld, effectief is in het minimaliseren van vochtverlies tijdens beeldvorming.
Een belangrijke technische overweging is het bereiken van een goede hemostase tijdens ribresectie bij het maken van het thoracale beeldvormingsvenster. Delen van de linker 3etot en met 5eribben worden weggesneden en aanhoudende bloedingen uit deze gesneden ribben zullen de overleving van de muis tijdens beeldvorming in gevaar brengen. Om dit tegen te gaan, raden we aan om de ribben eerst proximaal af te klemmen op de plaats waar ze moeten worden verwijderd gedurende 10 s om de microvasculatuur te trombose (zie figuur 1C,D). Vervolgens, na het verwijderen van de ribben, moeten de snijranden van de ribben royaal worden gecoaguleerd met elektrocauterisatie. Ten slotte is het van cruciaal belang om de linkerlong tijdens de beeldvorming op de strook met met zoutoplossing doordrenkt gaas te plaatsen (zie figuur 1F) om te voorkomen dat de scherpe ribranden de long doorboren. Met deze combinatie van technische overwegingen kunnen we gedurende enkele uren duidelijke video's maken van het verkeer van immuuncellen in het longparenchym met minimaal bewegingsartefact zonder longbeschadiging of verlies van normale perfusiepatronen.
Twee-fotonmicroscopie is in longen gebruikt om modellen van infectieziekten en steriele ontstekingen te bestuderen. De ene groep gebruikte beeldvorming met twee fotonen om de motiliteit en migratie van B-cellen in het geheugen van de bewoner te bestuderen na herhaalde uitdagingen van muizenlongen met het influenzavirus39. Bovendien is twee-fotonmicroscopie gebruikt bij transplantatie van huid-, nier- en pancreaseilandjes 40,41,42,43. Met een transplantatiemodel kunnen de donor en ontvanger genetisch worden veranderd om hun respectievelijke celpopulaties te bestuderen. Voor zover wij weten, was onze groep de eerste die intravitale beeldvorming van twee fotonen uitvoerde bij longtransplantaties bij muizen4. We zagen snelle rekrutering en clustering van neutrofielen na transplantatie-gemedieerde ischemie-reperfusieschade, die werd verminderd door farmacologische depletie van bloedmonocyten4. In verder werk hebben we aangetoond dat van de milt afgeleide monocyten van de ontvangende milt neutrofiele extravasatie vergemakkelijken door de productie van IL-1B44. Intravitale beeldvorming in deze onderzoeken stelde ons in staat om stroomopwaartse regulatoren van neutrofiele extravasatie te ontdekken als mogelijke therapeutische doelen om de ontstekingsreactie na transplantatie te verminderen45. Daarnaast hebben we ook intravitale beeldvorming uitgevoerd in kloppende muizenharten na heterotope transplantatie16. We visualiseerden de rekrutering van neutrofielen naar het myocardium en ontdekten dat ferroptotische celdood van harttransplantaatcellen ontstekingen initieert na harttransplantatie46. We pasten een vergelijkbare stabilisatietechniek toe op getransplanteerde aortabogen om monocytair verkeer in atherosclerotische plaques te visualiseren47. Deze studies toonden de haalbaarheid en het nut aan van intravitale beeldvorming van niet-statische getransplanteerde thoracale organen.
Ten slotte is het de moeite waard om methoden te bespreken om verschillende celtypen en het longparenchym te visualiseren. Er worden twee hoofdmethoden gebruikt om cellen te labelen: 1) transgene muizenstammen met knock-in-mutaties van fluorescerende eiwitten en 2) fluorescerend gelabelde antilichamen tegen kleurcellen. Veelgebruikte transgene muizenstammen om immuuncellen te identificeren door middel van twee-fotonmicroscopie zijn onder meer LysM-GFP voor neutrofielen48, CX3Cr1-GFP voor verschillende interstitiële macrofaagpopulaties49,50, CCR2-GFP voor klassieke monocyten51, CD19-tdTomato voor B-cellen52 en Foxp3-GFP voor regulerende T-cellen5. Met name CX3Cr1 alleen is niet voldoende om cellen ondubbelzinnig te identificeren, maar dit kan worden geholpen door celmorfologie en locatie die consistent zijn met die van interstitiële macrofagen. Alveolaire macrofagen kunnen zonder labeling worden afgebeeld vanwege hun autofluorescentie53,54, onderscheidende morfologie en gedrag (d.w.z. gebrek aan beweeglijkheid bij de tijdresolutie van time-lapse-opnamen). Vergeleken met eosinofielen, die ook autofluorescerend zijn, zijn alveolaire macrofagen groter en aanzienlijk helderder met een excitatie van 890 nm54. Als alternatief kunnen alveolaire macrofagen ook worden geëtiketteerd op basis van hun fagocytische functie via intrapulmonale toediening van kleurstofaggregaten54.
Visualisatie van immuuncellen bij ontvangers van transplantaties kan ook worden bereikt door intravasculaire adoptieve overdracht van fluorescerend gelabelde cellen of door injectie van fluorescerend gelabelde antilichamen tegen celspecifieke oppervlaktemarkers 18,55. Een ander inherent voordeel van twee-fotonmicroscopie is SHG door bepaalde dubbelbrekende structuren in weefsel, zoals collageen56. Dit fenomeen is vooral nuttig voor beeldvorming van de longen vanwege het hoge collageengehalte in de alveolaire zakjes, dat fungeert als een intrinsieke indicator van de alveolaire structuur zonder extra fluorescerende kleurstoffen. Verder worden longblaasjes ook begrensd door alveolaire haarvaten die worden gelabeld met 655 nm q-dots. Ten slotte kunnen bloedvaten worden gelabeld met intraveneuze injectie van q-dots (zoals beschreven in dit protocol) of rhodamine B dextran. Bij het ontwerpen van een intravitaal twee-fotonmicroscopie-experiment raden we het gebruik van niet meer dan vier verschillende emissiekanalen aan om het risico op doorbloeding en slechte differentiatie tussen kanalen te minimaliseren.
Een van de belangrijkste beperkingen van onze beschreven lijmstabilisatietechniek is het onvermogen om het dekglas uit de long te verwijderen zonder mogelijke weefselbeschadiging en lijmresten op het longoppervlak. De long kan dus maar één keer in beeld worden gebracht in plaats van op meerdere tijdstippen gedurende meerdere dagen. Om deze beperking aan te pakken, heeft één groep een semi-permanent thoracaal beeldvormingsvenster beschreven, dat seriële beeldvorming van de long mogelijk maakt57. Onze ervaring is echter dat deze benadering geen adequate longstabilisatie mogelijk maakt voor langere perioden van beeldvorming. Deze techniek biedt de mogelijkheid om de long meerdere uren in beeld te brengen, wat belangrijke inzichten biedt in aangeboren en adaptieve immuunresponsen na transplantatie.
Andere beperkingen van beeldvorming met twee fotonen zijn onder meer de dure initiële kosten van de installatie en de expertise die nodig is om het systeem te onderhouden. De scanvelden zijn relatief klein in vergelijking met immunofluorescerende beeldvorming. Thermische en fotoschade kunnen aanzienlijk zijn zonder zorgvuldige optimalisatie van de acquisitieparameters. De functie voor de spreiding van het excitatiepunt met twee fotonen is breed, wat de resolutie enigszins beperkt, vooral in de z-dimensie. Bovendien vereist beeldvorming met twee fotonen dat cellen van belang fluorescerend worden geëtiketteerd, en sommige cellen kunnen niet ondubbelzinnig worden gelabeld met een enkele celmarker. Het aantal signalen dat tegelijkertijd kan worden afgebeeld, is vaak beperkt tot vier of minder. Ten slotte kunnen anesthesie, chirurgie en beeldvorming extra ontsteking en fysiologische veranderingen veroorzaken bovenop de longtransplantatie die experimentele resultaten en interpretaties kunnen verwarren, ondanks de inspanningen om een fysiologische omgeving te behouden. Toekomstige richtingen omvatten de ontwikkeling van minimaal invasieve methoden voor intravitale beeldvorming (zoals door middel van een kleinere thoracotomie of bronchoscopische benadering).
Concluderend is intravitale twee-fotonmicroscopie een hulpmiddel van onschatbare waarde bij het bestuderen van meerdere ziekteprocessen. Hier beschrijven we een betrouwbare techniek van longimmobilisatie en beeldvorming met twee fotonen, die intravitale observatie van celverkeer en dynamische interacties tussen verschillende celpopulaties na longtransplantatie bij muizen mogelijk maakt. Deze techniek heeft ons begrip van het immuunlandschap na transplantatie verbreed en zal een onmisbaar hulpmiddel blijven bij de studie van longtransplantatie en andere longziekteprocessen.