Intact Histologische Karakterisering van Brain-geïmplanteerde Microdevices en het omringende weefsel
February 11th, 2013
Hier presenteren we een histologische methode voor het vastleggen, etikettering, optisch opruimen, en het afbeelden van de intacte hersenen weefsel-interface rond chronisch geïmplanteerde Microdevices in knaagdieren hersenweefsel. Resultaten van de technieken die deze methode bruikbaar voor het begrijpen van de invloed van verschillende penetrerende brain-implantaten hun omringende weefsel.
Het doel van deze procedure is om de intacte hersenweefselinterface rond chronisch geïmplanteerde micro-apparaten in knaagdierhersenweefsel te beeldvormen. Dit wordt bereikt door eerst snel cell siliconen elastomeer en een twee-delig tandheelkundig acryl te gebruiken om de craniotomie te bedekken en een schedelkap rond het in de hersenen geïmplanteerde apparaat te vormen. Na het perfunderen van het dier met fixeermiddel en post-mortem weefselverwerking, wordt het in de hersenen geïmplanteerde deel van het apparaat gescheiden van de hoofdkap door het tandheelkundig acryl weg te branden en door het snelcel te snijden.
Vervolgens wordt de hersenen verwijderd en gesneden met een viome om het implantaat in een weefselsectie vast te leggen. De laatste stap is om het weefsel voor fluorescente beeldvorming voor te bereiden door het te wassen, te labelen en vervolgens de weefselsectie in optische verhelderende oplossing te verhelderen. Uiteindelijk wordt confocale microscopie gebruikt om de intacte biologische respons te tonen die het penetrerende hersenimplantaat produceert in het omringende weefsel op subcellulair niveau.
Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van bestaande methoden zoals het uitleggen van het apparaat, is dat de techniek voorkomt dat het weefsel rond en aan het geïmplanteerde apparaat wordt verstoord, zodat het interfaceweefsel intact kan worden onderzocht. Deze methode is gebaseerd op geavanceerde immunohistologische en microscopietechnieken en resulteert in confocale microscopiegegevens die in detail de regio rond een in de hersenen geïmplanteerde apparaat beschrijven. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen op het gebied van neuroprothetiek, zoals de mate waarin lokale celdood, gliascicatricivorming en herordening van bloedvaten echt van invloed zijn op de levensduur van in de hersenen geïmplanteerde micro-elektrode-apparaten.
Hoewel deze methode inzicht kan geven in de chronische neurale interface van in de hersenen geïmplanteerde micro-elektrode-arrays, kunnen de technieken die in deze methode worden gebruikt, ook worden toegepast op andere gebieden van neurowetenschappelijk onderzoek, inclusief geïmplanteerde canules of glasvezels. Begin de procedure in een afzuigkap door voorzichtig de huid en andere weefsels rond de acryl schedelkap te verwijderen, met behulp van pincetten en kleine schaar terwijl hitte-insensitive handschoenen worden gedragen. Gebruik een soldeerbout om een venster in het dentacryl te maken en een gebied van onderliggend snelzegel bloot te leggen.
Het apparaat zou zichtbaar moeten zijn ingebed in de heldere snelzegel. Vervolgens snijdt u onder een chirurgische microscoop met een paar gebogen microscharen in het siliconenelastomeer. Vervolgens verwijdert u kleine stukjes snelzegel met pincetten en microscharen tot de positie waar het apparaat de hersenen binnengaat.
Ga door met snijden langs het oppervlak van de craniotomie om de apparaatcomponenten die aan polysilicium en de schedel zijn bevestigd, te scheiden van de componenten die in de hersenen zijn geïmplanteerd. Wees voorzichtig bij het snijden door de blootgestelde apparaatcomponenten. Vermijd het duwen of slepen van de implantaten in het vaste weefsel.
Vervolgens verwijdert u voorzichtig het bot rond de kopkap met behulp van de rauw shes. Gebruik een spatel om de hersenen met het geïmplanteerde apparaat te scheiden van de schedel. Plaats nu de hersenen in een glazen petrischaal gevuld met HBHS.
Gebruik de hersenblok en scheermessen om de hersenen te sectioneren en een vlakke vlak te creëren die nauw overeenkomt met de hoek van de geïmplanteerde apparaten. Druk daarna twee scheermessen door het hersenweefsel en leg de platte oppervlakte bloot die op de Vibram zal worden gemonteerd. Plaats vervolgens wat ijs onder de Vibram-platform.
Droog vervolgens het weefseloppervlak kort op een papieren handdoek. Orienteer vervolgens het monster zodat de breedste dimensie parallel is aan de bewegingsrichting van de vibraat-toonmes om te voorkomen dat het mes het weefsel onmiddellijk omver kan stoten, lijm het vlakke vlak onmiddellijk vast aan het stadium met superlijm. Nadat de lijm is uitgehard, brengt u een gekoelde PBS aan naar de vibrato-schaal rond het weefsel.
Snijd nu de weefselsneden tussen 250 tot 500 micron met behulp van de maximale vibratiesnelheid en een langzame bladvoortgangssnelheid met een bladhoek van 10 graden van horizontaal. Verzamel vervolgens de sneden voorzichtig met een borstel en lepelspatel en bewaar een HBHS in een 24-wellplaat bij vier graden Celsius tijdens het verzamelen van sneden, houd een register bij van de dikte en locatie van elke snede terwijl ze worden verwijderd naar de 24-wellplaat. Zodra het Insitu-apparaat zichtbaar is, verzamel een weefselsnede van ongeveer 500 micron dik.
Om het apparaat in een enkele weefselsnede vast te leggen om een dunnere weefselsectie te verzamelen, kunnen 100 micron sneden zorgvuldig worden verzameld om het apparaat naderbij te komen. Op dat punt kan een snede van minder dan 500 micron dik worden verzameld met het apparaat erin. Begin met weefselverwerking door de sneden drie keer te wassen met vijf minuten per wasbeurt in HBHS.
Bekijk ze vervolgens gedurende 15 minuten in natriumboraathydride. Draai elke kant van de snede langzaam om met behulp van een kleine verfkwast en vermijd contact met gebieden rond het geïmplanteerde apparaat. Een roestvrijstalen of met Teflon beklede microlepel kan ook worden gebruikt samen met de kleine verfkwast.
Was de sneden nu drie keer met vijf minuten per wasbeurt in wasoplossing bij kamertemperatuur. Blok ze in wasoplossing gedurende twee uur bij kamertemperatuur terwijl je de sneden omdraait. Na één uur na twee uur, bewaar de sneden in primaire antilichaam gedurende ongeveer 48 uur bij vier graden Celsius.
Voer vervolgens zes snelle wasbeurten van drie minuten uit met wasoplossing. Voer ver
Overzicht
Dit artikel presenteert een histologische methode voor het beeldvormen van de intacte hersenweefselinterface rond chronisch geïmplanteerde microdevices in knaagdierhersenweefsel. De techniek maakt het mogelijk om de biologische reactie op penetrerende hersenimplantaten te onderzoeken terwijl het omliggende weefsel wordt behouden.
Belangrijke studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschap
- Histologie
- Microscopie
Achtergrond
- Het begrijpen van de interactie tussen hersenimplantaten en omliggend weefsel is cruciaal voor neuroprosthetica.
- Bestaande methoden verstoren vaak het weefsel rond de implantaten.
- Deze studie introduceert een techniek die de weefselintegriteit behoudt voor betere analyse.
- Geavanceerde immunohistologie en microscopietechnieken worden gebruikt.
Doel van het onderzoek
- Om een methode te ontwikkelen voor het beeldvormen van de hersenweefselinterface rond geïmplanteerde devices.
- Om de biologische reactie van het weefsel op chronische implantaten te beoordelen.
- Om inzichten te bieden in factoren die de levensduur van hersen-geïmplanteerde devices beïnvloeden.
Gebruikte methoden
- De craniotomie bedekken met siliconen elastomeer en tandheelkundig acryl.
- Het dier perfunderen met fixeermiddel en het weefsel post-mortem verwerken.
- Confocale microscopie gebruiken om de weefselreactie te visualiseren.
- Geavanceerde immunohistologietechnieken gebruiken voor labeling.
Belangrijkste resultaten
- De methode maakt een intact onderzoek van de interfaceweefsel rond implantaten mogelijk.
- Confocale microscopie onthult gedetailleerde biologische reacties op subcellulair niveau.
- Inzichten in lokale celdood, gliale littekenvorming en herstructurering van bloedvaten werden verkregen.
- De techniek kan worden aangepast voor andere neurowetenschappelijke onderzoekstoepassingen.
Conclusies
- Deze histologische methode is effectief voor het bestuderen van hersen-geïmplanteerde devices.
- Het behoudt de integriteit van het omliggende weefsel, waardoor gedetailleerde analyse mogelijk is.
- De bevindingen dragen bij aan het begrijpen van de chronische neurale interface in neuroprosthetica.
Veelgestelde vragen
Executive Industry Relevance
Preserving the native tissue architecture around chronically implanted neural interfaces enables accurate assessment of biological responses that directly impact device longevity and functional performance. This capability supports mechanistic de-risking in neuroprosthetics development by providing subcellular resolution data on glial scarring, neuronal loss, and vascular reorganization without tissue disruption artifacts. Such insights inform early-stage target validation and predictive confidence in implant design iterations, reducing late-stage failure risk in preclinical pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of tissue-implant interfaces to validate hypotheses about chronic inflammatory responses and foreign body reactions.
- Operational Value: Provides reproducible histological readouts for assessing candidate biomaterials and surface modifications in rodent models.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative multiplexed immunofluorescence data on microglia activation, neuronal density, and vascular markers surrounding implants.
- Operational Value: Standardizes tissue preparation and imaging workflows for comparative analysis across device geometries or coating conditions.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Maintains spatial relationships between implant sites and tissue responses, enabling correlation of histological endpoints with functional electrophysiology outcomes.
- Operational Value: Supports longitudinal studies by allowing serial sectioning from the same implanted cohort without explant-induced variability.
Pipeline & Workflow Integration
This method integrates into discovery biology workflows by providing intact tissue readouts that bridge in vitro biocompatibility screening and in vivo functional validation, informing go/no-go decisions prior to GLP toxicology studies.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of material-tissue interactions through preserved subcellular architecture for detailed morphometric analysis.
- Screening: Enables assay readiness via standardized thick-section preparation compatible with high-content immunofluorescence screening of implant candidates.
- Analytics: Delivers multiplexed quantitative readouts (e.g., IBA1+ microglia coverage, NeuN+ neuronal density, CD31+ vascular density) to compare implant conditions.
- Translational Research: Connects discovery-phase histological responses to preclinical continuity by preserving tissue for correlative functional assessments.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable histology platform for evaluating diverse neural interfaces (MEAs, cannulas, fiber optics) across neuroscience discovery programs.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Reduces mechanistic ambiguity in tissue response characterization by avoiding explant-induced artifacts.
- Operational Value: Enhances reproducibility through standardized fixation, sectioning, clearing, and imaging protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by enabling early identification of non-viable implant designs before costly chronic studies.
- Portfolio Impact: Facilitates risk-adjusted prioritization of neuroprosthetic candidates based on quantitative histological risk scores.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microsurgery, immunohistochemistry, and optical clearing techniques.
- Dependent on access to vibratory microtomes, confocal microscopes, and clearing solution handling infrastructure.
- Necessitates cross-team standardization between surgery, histology, and imaging teams for consistent tissue orientation and sectioning.
- Adaptation considerations include optimizing clearing times and antibody penetration for different tissue thicknesses and implant materials.
- Practical limitations include extended clearing durations (1-3 weeks) and potential autofluorescence from clearing solutions requiring spectral unmixing.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
2:12
Brain Removal with In situ Devices
5:17
Tissue Processing and Clearing
7:05
Panorama Imaging of Full Tissue and Device Interface
9:26
Results: Intact Histological Characterization of Brain-implanted Microdevices and Surrounding Tissue
10:51
Conclusion
