$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
W medycynie translacyjnej świnie są coraz częściej używane jako duże modele zwierzęce1,2,3,4,5, ze względu na kilka korzystnych podobieństw między anatomią i fizjologią świni a człowiekiem, a także dostępność uznanych metod biologii molekularnej pozwalających na tworzenie dostosowanych, Genetycznie zmodyfikowane modele świń dla szerokiego zakresu stanów chorobowych1,4.
Jednak w porównaniu do modeli gryzoni, liczba zwierząt z danego modelu świni, które mogą być dostarczone do eksperymentów w dowolnym momencie, jest ograniczona. Wynika to z okresu między pokoleniami świń wynoszącego około jednego roku oraz nakładów finansowych i czasochłonnych niezbędnych do stworzenia modeli świń i hodowli zwierząt. Dlatego też pojedyncze zwierzęta w modelu świniowym, jak również próbki, które można uzyskać od tych świń, są bardzo cenne, szczególnie jeśli bada się genetycznie zmodyfikowane modele świń i/lub długoterminowe problemy eksperymentalne (np. późne powikłania chorób przewlekłych) u osób w podeszłym wieku2,6,7.
W trakcie jakiegokolwiek badania, wykonanie dodatkowych analiz, które nie zostały zaplanowane w początkowym projekcie eksperymentalnym badania, może później okazać się istotne, np. w celu rozwiązania różnych pytań wynikających z wcześniej odkrytych nieoczekiwanych wyników. Jeżeli odpowiednie próbki do takich dodatkowych doświadczeń nie są dostępne, konieczne mogą być nieproporcjonalnie wysokie koszty i czasochłonne wydatki w celu wygenerowania dodatkowych próbek świń i tkanek. Aby być przygotowanym na takie ewentualności, za ważne podejście uważa się generowanie kolekcji biobanków z zachowanymi próbkami zapasowymi różnych narządów, tkanek lub biopłynów, ilościowo i jakościowo nadających się do szerokiego zakresu późniejszych analiz2,6,7. Uzyskując optymalne korzyści z modelu świnionego, dostępność odpowiednich próbek z biobanku oferuje również unikalną możliwość przeprowadzenia szerokiego spektrum różnych metod analizy identycznych materiałów próbek na poziomie wielonarządowym u tych samych pojedynczych zwierząt, np. poprzez dystrybucję próbek do naukowców z różnych grup roboczych zorganizowanych w sieć badawczą2, 6,7. Ponadto "perspektywiczna" strategia pobierania próbek w biobankach również przyczynia się do zmniejszenia liczby zwierząt potrzebnych w badaniu. Korzyści płynące z biobankowania modelu świń zostały niedawno zademonstrowane w wielonarządowym, multiomicznym badaniu, w którym analizowano krzyżowość narządów w genetycznie zmodyfikowanym modelu długotrwałej cukrzycy świń, przy użyciu próbek z monachijskiego MIDY Pig Biobank2.
Istnieją pewne obowiązkowe wymagania, które próbki z biobanków muszą zazwyczaj spełniać, aby ustalić wiarygodność i interpretowalność wyników następnie przeprowadzonych analiz. Próbki muszą być generowane w sposób powtarzalny i muszą być reprezentatywne, tj. odpowiednio odzwierciedlać interesujące cechy morfologiczne i molekularne tkanki/narządu, z którego pobrano próbki7. Aby próbki nadawały się do szerokiego zakresu dalszych analiz, muszą być pobierane w wystarczających ilościach i przetwarzane zgodnie z wymaganiami (w tym warunkami czasowymi i temperaturowymi) różnych metod analitycznych, w tym opisowych analiz histopatologicznych, takich jak kriohistologia, histologia parafiny i tworzyw sztucznych, immunohistochemia, in situ hybrydyzacja, ultrastrukturalne analizy mikroskopu elektronowego i kliniczne laboratoryjne analizy diagnostyczne, a także analizy molekularne DNA, RNA, białek i metabolitów.
Aby umożliwić ocenę szerokiego zakresu różnych ilościowych parametrów morfologicznych, takich jak liczby, objętości, długości lub powierzchnie różnych struktur tkankowych za pomocą ilościowych analiz stereologicznych, należy przygotować losowe płaszczyzny przekroju próbek histologicznych odpowiednich narządów/tkanek7,8,9,10,11. W ilościowych badaniach morfologicznych niezwykle ważne jest precyzyjne określenie całkowitej objętości tkanki, narządu lub przedziału narządowego, z którego pobrano próbki (tj. przestrzeń odniesienia)7,9,12 do obliczenia bezwzględnych ilości interesujących parametrów w danym organie, tkance lub organizmie. Ostatecznie należy określić i uwzględnić efekt obkurczania tkanek związanego z osadzaniem podczas przygotowywania skrawków histologicznych13. W związku z tym, ilościowe analizy stereologiczne, zwłaszcza próbek archiwalnych (utrwalone próbki tkanek, osadzone bloki tkankowe, skrawki histologiczne itp.) z poprzednich badań są czasami poważnie ograniczone lub nawet niemożliwe12, szczególnie jeśli nie przeprowadzono wolumetrii odpowiednich narządów/tkanek, jeśli nie zastosowano odpowiednich projektów pobierania próbek, aby zagwarantować reprezentatywne próbki, jeśli liczba i ilość dostępnych pojedynczych próbek jest niewystarczająca, lub jeżeli przetwarzanie próbek jest niezgodne z oszacowaniem ilościowego(-ych) parametru(-ów) morfologicznego(-ych) będącego(-ych) przedmiotem zainteresowania. Ze względu na wieloraki możliwych czynników wpływających, nie można jednoznacznie stwierdzić, czy materiały archiwalne są wykorzystywane do analiz różnych ilościowych parametrów morfologicznych, ale zależy to od starannej oceny każdego indywidualnego przypadku.
Tak więc, ponieważ lokalizacja, rozmiar, liczba, przetwarzanie, kierunek przycinania i orientacja próbek mogą potencjalnie wpływać na wyniki kolejnych analiz, czynniki te mają ogromne znaczenie i muszą być brane pod uwagę w eksperymentalnym projekcie każdego badania. W odniesieniu do tych aspektów i szczególnych cech anatomii świń, niedawno ustanowiono kompleksowe, szczegółowe, wielkoskalowe wytyczne dotyczące pobierania próbek dostosowane do modeli świń, stanowiące solidne odniesienie do znormalizowanego, powtarzalnego i wydajnego generowania nadmiarowych, odpowiednio przetworzonych, wysokiej jakości próbek z ponad 50 różnych narządów i tkanek świń6,7.
Opisy metodologiczne i film instruktażowy pokazany w tym artykule dostarczają szczegółowych, ilustracyjnych, zrozumiałych, krok po kroku instrukcji do praktycznego wykonywania różnych technik wolumetrii, pobierania próbek tkanek i organów świń oraz przetwarzania próbek tkanek dla różnych metod dalszej analizy. Przedstawione techniki obejmują metody określania objętości i gęstości narządów/tkanek w oparciu o zasady Archimedesa i Cavalieri9, w tym określanie wymiarów trójwymiarowego skurczu tkanki związanego z zatopieniem w różnych podłożach do zatapiania14 podczas przetwarzania do badania histologicznego, zastosowanie praktycznych metod systematycznego losowego pobierania próbek ważonych objętością, przetwarzanie pobranej tkanki Próbki do różnych kolejnych analiz7,8,9,15, oraz generowanie odpowiednio zorientowanych i przetworzonych próbek do potencjalnych ilościowych analiz stereologicznych7,8,9,10,11. Przedstawione metody, oprócz ich zastosowania w projektach biobanków trzody chlewnej, są zasadniczo odpowiednie dla wszystkich badań oceniających ilościowe właściwości histomorfologiczne narządów/tkanek. Co więcej, systematyczne projekty losowego pobierania próbek są szczególnie korzystne dla generowania reprezentatywnych próbek w eksperymentach wykorzystujących metody analizy molekularnej do wykrywania zmian obfitości, np. RNA, białek lub metabolitów w różnych narządach i tkankach.
Następne akapity zawierają krótkie wprowadzenie do tych metod, podczas gdy ich praktyczne działanie jest opisane w sekcji protokołu.
Oznaczanie objętości narządów/tkanek
Określenie masy i objętości narządów jest ważne w kilku warunkach eksperymentalnych, ponieważ czynniki te mogą wskazywać na zmiany, potencjalnie związane z eksperymentalnie badanymi czynnikami będącymi przedmiotem zainteresowania. Całkowita objętość narządu/tkanki jest również powszechnie wymagana do obliczenia bezwzględnych parametrów ilościowych (np. całkowitej liczby komórek) na podstawie stereologicznie oszacowanych liczbowych gęstości objętości (tj. liczby komórek na jednostkę objętości tkanki)7,12. Oprócz technik wykorzystujących skomplikowany sprzęt techniczny, takich jak tomografia komputerowa, istnieją zasadniczo trzy praktyczne metody powszechnie stosowane do określania bezwzględnej objętości narządu lub tkanki. Objętość narządu można określić za pomocą "bezpośredniego pomiaru objętościowego" zgodnie z zasadą Archimedesa, tj. pomiaru objętości wody lub soli fizjologicznej przemieszczonej przez konstrukcję po całkowitym zanurzeniu. Jednak w przypadku porównywalnie dużych narządów świń podejścia te są niepraktyczne i podatne na nieprecyzyjność, ponieważ wymagają bardzo dużych kolb miarowych. Wygodniej, objętość narządu/tkanki można obliczyć na podstawie jej masy i gęstości7,12,16, które można efektywnie określić za pomocą "metody zanurzenia"7,12,16 (Krok 1.1 Protokołu). Objętość narządów/tkanek można również oszacować za pomocą metod wolumetrycznych opartych na "zasadzie Cavalieriego" (1598–1647). Najprościej rzecz ujmując, zasada Cavalieriego mówi, że jeśli dwa obiekty są przecięte w płaszczyznach równoległych do płaszczyzny podłoża, a profile przekrojów przecięte przez dwa obiekty w odpowiednich odległościach od płaszczyzny podłoża mają te same powierzchnie, to oba obiekty mają taką samą objętość. W ten sposób objętość obiektów o dowolnym kształcie można oszacować jako iloczyn ich równoległych obszarów profilu przekroju, jednakowo odległych płaszczyzn przekroju i odległości między płaszczyznami przekroju. Jest to zrozumiałe przy następującej analogii: rozważmy dwa stosy składające się z tej samej liczby identycznych monet umieszczonych obok siebie, jeden stos z monetami ułożonymi w porządku jedna na drugiej, co daje cylindryczny kształt stosu monet, a drugi stos monet z monetami umieszczonymi poza środkiem (Rysunek 3A). Chociaż kształty obu stosów monet są różne, ich objętości są takie same, ponieważ obszary monet na odpowiednich poziomach obu stosów (tj. obszary profili równoległych sekcji przecinających oba stosy monet w równych odległościach od ziemi) są identyczne. Szacowanie objętości narządów i tkanek świń przy użyciu zasady Cavalieriego7,12,15 jest opisane w kroku 1.2.
Określenie stopnia kurczenia się tkanek związanych z zagnieżdżeniem histologicznym
W analizach kilku ilościowych parametrów morfologicznych mierzonych w histologicznych skrawkach tkanek należy określić i uwzględnić wpływ obkurczania się tkanki związanej z zatopieniem, występujący podczas przetwarzania tkanki do badania histologicznego. Stopień skurczu tkanki związanej z zatopieniem może być zmienny i zależy zarówno od tkanki, jej przetwarzania, jak i podłoża do zatapiania8,13,17,18,19. Ogólnie rzecz biorąc, zmiany objętości próbki tkanki związane z osadzaniem (tj. głównie kurczenie się) zachodzą we wszystkich trzech wymiarach przestrzeni, a zatem wpływają na wszystkie parametry wymiarowe oszacowane za pomocą ilościowych analiz stereologicznych8. Zasadniczo zakres kurczenia się tkanki związany z osadzaniem, wyrażony jako liniowy współczynnik kurczenia się tkanki (f S), można oszacować, jak pokazano w kroku 1.3. i służy do korekcji (wrażliwych na skurcz) ilościowych parametrów morfologicznych14.
Systematyczne losowe pobieranie narządów/tkanek ważone objętością
W celu ustanowienia biobanku próbek narządów/tkanek świń, metody systematycznego losowego pobierania próbek ważone objętościowo, takie jak opisane w kroku 2, okazały się praktycznymi, oszczędzającymi czas i skutecznymi technikami generowania reprezentatywnych, wielofunkcyjnych próbek tkanek7,8,9,15.
Generowanie izotropowych jednolitych sekcji losowych i pionowych jednolitych sekcji losowych dla ilościowych analiz stereologicznych
Próbki tkanek z biobanku muszą być odpowiednie do zastosowania w szerokim zakresie różnych metod ilościowej analizy stereologicznej w celu oszacowania maksymalnej liczby parametrów, których nie można określić bez odpowiednio przygotowanej próbki. Prawie wszystkie ilościowe parametry stereologiczne można określić za pomocą "izotropowych (niezależnych) jednorodnych sekcji losowych (IUR)"8,9. W przekrojach IUR trójwymiarowa orientacja płaszczyzny przekroju próbki tkanki jest losowa. Można to osiągnąć poprzez randomizację położenia próbki tkanki względem położenia płaszczyzny przekroju, zgodnie z metodą "Isector"11 (krok 3.1 protokołu), lub przez randomizację orientacji płaszczyzny przekroju względem próbki tkanki, jak w metodzie "Orientator"10 (Krok 3.2 protokołu). W próbkach tkanek, takich jak próbki skóry lub błony śluzowej, wykazujące naturalnie występującą lub zdefiniowaną i prawidłowo identyfikowalną oś pionową, korzystne jest przygotowanie "pionowych jednolitych odcinków losowych (VUR)" (krok 3.3 protokołu) ściśle przeciętych w płaszczyźnie ich osi pionowej8,20. W celu pełnego omówienia teoretycznych podstaw próbkowania IUR/VUR oraz obszernego omówienia potencjalnych dalszych ilościowych analiz stereologicznych, zainteresowanego czytelnika odsyłamy do podręczników stereologii ilościowej w naukach przyrodniczych8,9.