To badanie przedstawia protokół odwracalnego oczyszczania tkanek, barwienia immunologicznego, renderowania 3D i analizy sieci naczyniowych w próbkach ludzkich kosmków łożyskowych rzędu 1 - 2 mm3.
Method Article
To badanie przedstawia protokół odwracalnego oczyszczania tkanek, barwienia immunologicznego, renderowania 3D i analizy sieci naczyniowych w próbkach ludzkich kosmków łożyskowych rzędu 1 - 2 mm3.
Wymiana składników odżywczych i gazów między matką a płodem zachodzi na styku krwi międzykosmkowej matki i rozległej sieci naczyń włosowatych kosmków, która stanowi większość miąższu ludzkiego łożyska. Sieć naczyń włosowatych dystalnych kosmków jest końcem dopływu krwi do płodu po kilku pokoleniach rozgałęzień naczyń wystających z pępowiny. Sieć ta ma ciągłą osłonkę komórkową, warstwę barierową syncytialnego trofoblastu, która zapobiega mieszaniu się krwi płodu z krwią matki, w której jest ona stale kąpana. Naruszenie integralności sieci naczyń włosowatych łożyska, występujące w zaburzeniach takich jak cukrzyca matki, nadciśnienie i otyłość, ma konsekwencje, które stanowią poważne zagrożenie dla zdrowia płodu, niemowlęcia i osoby dorosłej. Aby lepiej zdefiniować strukturalne skutki tych uszkodzeń, opracowano protokół dla tego badania, który rejestruje strukturę sieci kapilarnej rzędu 1 - 2 mm3 , w którym można zbadać jej cechy topologiczne w pełnej złożoności. Aby to osiągnąć, skupiska końcowych kosmków z łożyska są wycinane, a warstwa trofoblastu i śródbłonek naczyń włosowatych są znakowane immunologicznie. Próbki te są następnie klarowane za pomocą nowego procesu oczyszczania tkanek, który umożliwia uzyskanie konfokalnych stosów obrazów do głębokości z- ~1 mm. Trójwymiarowe renderingi tych stosów są następnie przetwarzane i analizowane w celu wygenerowania podstawowych pomiarów sieci kapilarnej, takich jak objętość, liczba gałęzi kapilarnych i punkty końcowe gałęzi kapilarnych, jako walidacja przydatności tego podejścia do charakterystyki sieci kapilarnej.
Nasze zrozumienie rozwijającego się łożyska i jego patologii jest w dużej mierze ograniczone do wnioskowanych relacji przestrzennych między sąsiednimi kosmkami a zamkniętymi naczyniami włosowatymi pochodzącymi z odcinków histologicznych. W tym badaniu zajęliśmy się tym problemem, opracowując środki do generowania trójwymiarowych (3D) renderingów sieci naczyń włosowatych łożyska człowieka, które są odpowiednie do analiz cech sieci kapilarnych (np. rozgałęzienia, solidność). W tym celu połączyliśmy barwienie immunofluorescencyjne z dwoma dostępnymi na rynku produktami do oczyszczania tkanek, Visikol-1 i Visikol-2 (określanymi poniżej jako Roztwór-1 i Roztwór-2).
Łożysko ludzkie to ogromny kompleks naczyń krwionośnych znajdujących się na styku krwi międzykosmkowej matki a rozwijającym się płodem. Rozciągając się od wprowadzenia do płytki kosmówkowej, pępowina rozgałęzia się w sieć tętnic i żył, które rozgałęziają się, pokrywając powierzchnię kosmówki skomplikowaną siecią naczyniową. Ich końce następnie wnikają w dół do wnętrza lub głębokości krążka łożyskowego, gdzie przechodzą kilka kolejnych rozgałęziających się pokoleń i kończą się w końcowych kosmkach i zawartych w nich sieciach naczyń włosowatych, miejscu wymiany gazów, składników odżywczych i odpadów metabolicznych między krwią płodu i matki.
Uszkodzenia sieci naczyń włosowatych łożyska podczas rozwoju mają trwałe konsekwencje dla zdrowia płodu, noworodka i dorosłego dziecka w nagłych wypadkach 1,2,3. Ze względu na patologie związane z ciążą, takie jak poronienia, wewnątrzmaciczne zahamowanie wzrostu, stan przedrzucawkowy i cukrzyca matki 4,5,6 dużą wagę przywiązuje się do opracowania metod pomiaru i charakterystyki sieci naczyń włosowatych kosmków łożyska. Główną przeszkodą jest to, że sieciowe naczynia łożyskowe obejmują szeroki zakres skali. Powierzchniowe sieci naczyniowe mogą mieć nawet 4-5 mm średnicy. Końcowe naczynia włosowate kosmkowe mają średnicę rzędu 10 -20 μm; Łożysko zawiera ponad 300 km naczyń krwionośnych 7. Obecnie istnieje kilka łatwych w użyciu i szybkich technik, które mogą uchwycić te ekstremalne rozmiary naczyń. Do tej pory tylko niewielka liczba kosmków może być odwzorowana pod mikroskopem. Na przykład Jirkovska i wsp. skupili się na kosmkach łożyskowych w terminie, łącząc mikroskopię konfokalną z seryjnymi przekrojami optycznymi w odstępach 1 μm uzyskanymi z odcinków o grubości 120 μm; Nie podano żadnych danych na temat liczby badanych próbek ani statystyk 8. Zidentyfikowano struktury kapilarne, a kontury kosmków i naczyń włosowatych narysowano ręcznie, a ślady wyeksportowano do analizy obrazu. Podczas gdy autorzy omawiają implikacje swoich odkryć dla "rosnącej sieci naczyniowej kosmków", takie wnioski są problematyczne, gdy badana jest tylko tkanka "donoszona" (36+ tydzień ciąży). Podobnie, Mayo i Pearce i in. polegali na tkance w tym samym wieku, w swoich symulacjach przepływu krwi i transferu tlenu, ale ich analizy były ograniczone tylko do kilku terminów, końcowych kosmków 9,10. Stereologia znalazła również zastosowanie do badania budowy naczyń kosmkowych. Ale znowu, nacisk kładziono na późniejsze ciąże, w których rodzą się żywe niemowlęta z jednym lub więcej powikłaniami ciąży 11,12.
Do niedawna mikroskopia konfokalna była ograniczona do obrazowania do głębokości tkanki 100-200 μm ze względu na absorpcję wzbudzenia i emisji fluorescencji przez leżącą nad nią tkankę 13 . Chociaż oczyszczanie tkanek i histologia 3D zostały szeroko opisane w literaturze i istnieje wiele metod oczyszczania tkanek, wiele z nich nie nadaje się do stosowania z tkankami w ogóle, ponieważ nieodwracalnie uszkadzają morfologię komórkową poprzez nadmierne nawodnienie białek lub usuwanie lipidów. W związku z tym nie jest możliwe sprawdzenie, czy wyniki te wskazują na samą tkankę, a nie artefakty z przetwarzania, podczas gdy nasz proces oczyszczania tkanek jest odwracalną techniką, która jest w stanie zweryfikować w porównaniu z tradycyjną histologią. Oczyszczanie tkanek na ogół obejmuje jedno z trzech głównych podejść: 1) równomierne dopasowanie współczynnika załamania światła (RI) składników tkankowych poprzez zanurzenie w roztworach pasujących RI, które usuwa skumulowane rozpraszanie światła spowodowane soczewkowaniem z powodu ciągłych wahań składników o niskim RI (cytozol) i wysokim RI (białko / lipidy); 2) usuwanie składników lipidowych poprzez zatopienie w hydrożelu i wykorzystanie elektroforezy/dyfuzji do usunięcia składników lipidowych; 3) ekspansja/denaturacja struktury białka w celu umożliwienia zwiększonej penetracji rozpuszczalników w celu zapewnienia jednorodności RI 13. Chociaż podejścia te mogą sprawić, że tkanki staną się przezroczyste i pozwolą na generowanie reprezentacji 3D biomarkerów, te reprezentacje 3D mają wątpliwą wartość kliniczną, ponieważ trudno jest określić, czy obrazy te wskazują na właściwości tkanki, czy na proces oczyszczania tkanek. Z drugiej strony, ponieważ nasze oczyszczanie tkanek jest odwracalne, standardową histologię i/lub immunohistochemię można zastosować do tej samej tkanki, aby ocenić, czy zmiany są klinicznie istotne.
To badanie przedstawia analizę 47 próbek dystalnych kosmków uzyskanych z łącznie 23 klinicznie normalnych i celowo przerwanych ciąż między 9 a 23 zakończonym tygodniem ciąży i dwoma pełnoprawnymi normalnymi porodami. Znakowanie immunofluorescencyjne trofoblastu i śródbłonka umożliwiło ilościową i zautomatyzowaną analizę zmian w sieciach naczyniowych kosmków i ich złożoności.
Za pomocą tego protokołu wyizolowaliśmy i przeanalizowaliśmy kosmki końcowe oraz ich sieci kapilarne na skalę, która wcześniej nie była możliwa. To podejście, zastosowane do rozwoju kosmków i sieci naczyń włosowatych w całej ciąży, pozwoli zidentyfikować te właściwości, które są podstawą narodzin zdrowego dziecka. Zastosowane do badań nad ciążami powikłanymi, wyjaśni również, kiedy i w jaki sposób patologie łożyska modyfikują drzewa kosmkowe i sieci naczyń włosowatych, które pokrywają, oraz jak wpływają one na dobrostan płodu.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Ten protokół jest zgodny z wytycznymi komitetu etyki badań na ludziach Instytutu Badań Podstawowych Niepełnosprawności Rozwojowej Stanu Nowy Jork.
1. Rozwarstwienie kosmków
2. Barwienie immunofluorescencyjne
3. Wyjaśnienie tkanki
4. Montaż do mikroskopii
5. Mikroskopia konfokalna
6. Odwrócenie oczyszczania
7. Dekonwolucja
UWAGA: Dla poniższych kroków, polecenia oprogramowania, zakładki i rozwijane menu są pisane kursywą.
8. Przetwarzanie obrazu
9. Analiza
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Wygenerowane rendery 3D naczyń włosowatych w skupiskach końcowych kosmków w ludzkim łożysku od 8 tygodnia ciąży do porodu zostały policzone jako indywidualne klastry i zszkieletowane do analizy sieciowej. Jednostkami funkcjonalnymi łożyska (Rysunek 1A) są kosmki, które są przedłużeniem naczyń powierzchniowych, w których przeniknęły do miąższu łożyska (Rysunek 1B i powiększone w 1C). Fragmenty dystal...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Instytucjonalna Komisja Rewizyjna zatwierdziła pobranie tkanek kosmków łożyskowych w celu utrwalenia formaliny z ciąż przerwanych planowo. Przed wykonaniem zabiegów przeprowadzono krótki przegląd dokumentacji medycznej, w którym zwrócono uwagę na wiek matki, poród i potwierdzono brak jakichkolwiek podstawowych objawów medycznych (np. nadciśnienie, cukrzyca i toczeń) lub płodowych (anomalie strukturalne lub chromosomalne, nieprawidłowy wzrost). Karta katalogowa i wszelkie pobrane próbki zostały oznaczone jedynie ...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Autorzy nie mają nic do ujawnienia.
Ta praca była wspierana przez Biuro Stanu Nowy Jork ds. Osób z Niepełnosprawnością Rozwojową i Analizą Łożyska LLC, New Rochelle, NY.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| 10% roztwór formaldehydu (w/v) w wodnym buforze fosforanowym | Macron Fine Chemicals | H-121-08 | Ogólny środek utrwalający, formuła gotowa do użycia, należy zachować ostrożność, ponieważ opary są toksyczne |
| Ostrza skalpela | ThermoFisher Scientific | 08-916-5B No. 11 | |
| Skalpel | ThermoFisher Scientific | 08-913-5 | |
| Kleszcze drobnoziarniste | Usługi | mikroskopii elektronowej78354-119 | |
| Mikroprobówka (1,7 ml) | PGC Scientifics | 505-201 | |
| Sól fizjologiczna buforowana fosforanami | Sigma | D8537 | PBS |
| Pipeta | VWR | 52947-948 | jednorazowa, 3ml pipeta transferowa |
| Triton X-100 | Boehriner Mannheim | 789 704 | Rozcieńczyć do 0,1% z zapasu |
| Kozia surowica | Gibco | 16210-064 | Rozcieńczyć do 2% w roztworze PBS |
| Mysi monokloniczny anty-ck7 Keratyna 7 Ab-2 (klon OV-TL 12/30) | ThermoFisher Scientific | MS-1352-RQ | |
| Królik Przeciwciało anty-CD31 | Abcam | ab28364 | |
| emitujące zielone (520 nm) fluorochrom | Invitrogen | A11017 | Alexa-Fluor 488 |
| fluorochrom emitujący podczerwień (652 nm) | Invitrogen | A21072 | Alexa Fluor 633 |
| Alkohol etylowy 200 proof | Pharmco-Aaper | 111000200 | Rozcieńczyć do niższych stężeń za pomocą PBS w razie potrzeby |
| Rozwiązanie-1 | Visikol Inc. | Visikol Histo-1 | |
| Solution-2 | Visikol Inc. | Visikol Histo-2 | |
| Komory Skyes-Moore BellCo | Glass Inc. | P/N 1943-11111 | |
| Igła o rozmiarze 25 | ThermoFisher Scientific | 14-826AA | BD Precision Glide Wymaga |
| strzykawki 3 ml | Jednorazowa strzykawka | ThermoFisher Scientific | 14-823-40 |
| silikonowe PDMS | McMaster-Carr | P/N 578T31 | |
| Nikon Inc. | Mikroskop konfokalny Nikon C1 | ||
| Oprogramowanie do dekonwolucji | Cybernetyka | AutoQuant X22 | |
| przetwarzania obrazów Fidżi | za darmo, Oprogramowanie Open source dostępne pod adresem https://fiji.sc | ||
| Hematoxylin | Leica Biosystems | 3801570 | Komponent 1 SelecTech H& System barwienia |
| E Alkoholowa eozyna | Leica Biosystems | 3801615 | Składnik 2 firmy SelecTech H& System barwienia |
| E Blue Buffer | Leica Biosystems | 3802918 | Komponent 3 firmy SelecTech H& System barwienia |
| E Aqua Define MCX | Leica Biosystems | 3803598 | Komponent 4 firmy SelecTech H& System barwienia E |
| System detekcji immunohistochemicznej | ThermoFisher Scientific | TL-125-QHD | UltraVision Quanto Detection System HRP DAB |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission