Przedstawiamy metodę mezoskopowej rekonstrukcji całego serca myszy poprzez połączenie nowych osiągnięć w transformacji tkanek i barwieniu z rozwojem osiowo skanowanego mikroskopu świetlnego.
Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.
Artykuł metodologiczny
* These authors contributed equally
Przedstawiamy metodę mezoskopowej rekonstrukcji całego serca myszy poprzez połączenie nowych osiągnięć w transformacji tkanek i barwieniu z rozwojem osiowo skanowanego mikroskopu świetlnego.
Zarówno genetyczne, jak i niegenetyczne choroby serca mogą powodować poważne procesy przebudowy serca. Przebudowa strukturalna, taka jak odkładanie się kolagenu (zwłóknienie) i niewspółosiowość komórek, może wpływać na przewodnictwo elektryczne, wprowadzać dysfunkcje elektromechaniczne i ostatecznie prowadzić do arytmii. Obecne modele predykcyjne tych zmian funkcjonalnych opierają się na niezintegrowanych informacjach strukturalnych o niskiej rozdzielczości. Umieszczenie tych ram w innym rzędzie wielkości jest trudne ze względu na nieskuteczność standardowych metod obrazowania w wykonywaniu obrazowania w wysokiej rozdzielczości w masywnych tkankach. W niniejszej pracy opisano ramy metodologiczne, które umożliwiają obrazowanie całych serc myszy z rozdzielczością mikrometryczną. Osiągnięcie tego celu wymagało wysiłku technologicznego, w ramach którego połączono postępy w metodach transformacji tkanek i obrazowania. Po pierwsze, opisujemy zoptymalizowany protokół CLARITY zdolny do przekształcenia nienaruszonego serca w nanoporowatą, hydrożelowo-hybrydyczną, wolną od lipidów formę, która umożliwia wysoką przezroczystość i głębokie barwienie. Następnie opisano fluorescencyjny mikroskop arkuszowy zdolny do szybkiego pozyskiwania obrazów mezoskopowego pola widzenia (w skali mm) z rozdzielczością w skali mikronowej. W ślad za projektem mesoSPIM, opracowany mikroskop pozwala na rekonstrukcję całego serca myszy z rozdzielczością mikrometryczną w jednym skanie tomograficznym. Wierzymy, że te ramy metodologiczne pozwolą wyjaśnić udział chaosu cytoarchitektury w dysfunkcjach elektrycznych i utorują drogę do kompleksowego modelu, który uwzględnia zarówno dane funkcjonalne, jak i strukturalne, umożliwiając w ten sposób ujednolicone badanie przyczyn strukturalnych, które prowadzą do zmian elektrycznych i mechanicznych po przebudowie tkanki.
Przebudowa strukturalna związana z chorobami serca może wpływać na przewodnictwo elektryczne i wprowadzać elektromechaniczne dysfunkcje narządu1,2. Obecne podejścia stosowane do przewidywania zmian funkcjonalnych często wykorzystują MRI i DT-MRI w celu uzyskania ogólnej rekonstrukcji odkładania się zwłóknienia, drzewa naczyniowego i rozmieszczenia włókien serca, a także są wykorzystywane do modelowania ścieżek propagacji preferencyjnego potencjału czynnościowego (APP) w całym narządzie3,4. Strategie te mogą zapewnić piękny przegląd organizacji serca. Jednak ich rozdzielczość przestrzenna jest niewystarczająca do zbadania wpływu przebudowy strukturalnej na funkcję serca na poziomie komórkowym.
Umieszczenie tego frameworka w innym rzędzie wielkości, gdzie pojedyncze komórki mogą odgrywać indywidualne role w propagacji potencjału czynnościowego, jest wyzwaniem. Głównym ograniczeniem jest nieskuteczność standardowych metod obrazowania w wykonywaniu obrazowania o wysokiej rozdzielczości (rozdzielczość mikrometryczna) w masywnych (centymetrowych) tkankach. W rzeczywistości obrazowanie tkanek biologicznych w 3D w wysokiej rozdzielczości jest bardzo skomplikowane ze względu na nieprzezroczystość tkanek. Najczęstszym podejściem do wykonywania rekonstrukcji 3D całych organów jest przygotowanie cienkich odcinków. Jednak precyzyjne cięcie, montaż i obrazowanie wymagają znacznego wysiłku i czasu. Alternatywnym podejściem, które nie wymaga cięcia próbki, jest wygenerowanie przezroczystej tkanki. W ciągu ostatnich lat zaproponowano kilka metodologii wyjaśniania tkanek5,6,7,8. Wyzwanie polegające na wyprodukowaniu masywnych, przezroczystych i znakowanych fluorescencyjnie tkanek zostało niedawno osiągnięte dzięki opracowaniu prawdziwych metod transformacji tkanek (CLARITY9, SHIELD10). W szczególności metoda CLARITY opiera się na przekształceniu nienaruszonej tkanki w nanoporowatą, hydrożelowo-hybrydyczną, wolną od lipidów formę, która umożliwia nadanie wysokiej przezroczystości poprzez selektywne usuwanie dwuwarstw lipidowych błony. Warto zauważyć, że metoda ta okazała się skuteczna również w preparatyce kardiologicznej11,12,13,14. Ponieważ jednak serce jest zbyt delikatne, aby nadawało się do aktywnego oczyszczenia, musi zostać oczyszczone przy użyciu podejścia pasywnego, co wymaga dużo czasu, aby zapewnić pełną przejrzystość.
W połączeniu z zaawansowanymi technikami obrazowania, takimi jak mikroskopia arkuszowa, CLARITY ma potencjał do obrazowania 3D masywnych tkanek serca w rozdzielczości mikrometrycznej. W mikroskopii arkuszowej oświetlenie próbki odbywa się za pomocą cienkiego arkusza światła zamkniętego w płaszczyźnie ogniskowej obiektywu detekcji. Emisja fluorescencji jest zbierana wzdłuż osi prostopadłej do płaszczyzny oświetlenia15. Architektura detekcji jest podobna do mikroskopii szerokokątnej, dzięki czemu akwizycja jest znacznie szybsza niż w przypadku laserowych mikroskopów skaningowych. Przesuwanie próbki przez arkusz świetlny pozwala na uzyskanie pełnej tomografii dużych próbek, do centymetrów. Jednak ze względu na wewnętrzne właściwości wiązki Gaussa możliwe jest uzyskanie bardzo cienkiej (rzędu kilku mikronów) warstwy światła tylko przy ograniczonej rozciągłości przestrzennej, co drastycznie ogranicza pole widzenia (FoV). Niedawno wprowadzono nowatorski schemat wzbudzenia, aby przezwyciężyć to ograniczenie i zastosowano go do obrazowania mózgu, umożliwiając rekonstrukcje 3D z rozdzielczością izotropową16.
W tym artykule przedstawiono pasywne podejście do czyszczenia, umożliwiające znaczne skrócenie czasu czyszczenia wymaganego przez protokół CLARITY. Opisane tu ramy metodologiczne pozwalają na rekonstrukcję całego serca myszy z rozdzielczością mikrometryczną w pojedynczym skanie tomograficznym z czasem akwizycji rzędu minut.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Wszystkie procedury dotyczące postępowania ze zwierzętami zostały przeprowadzone zgodnie z wytycznymi Dyrektywy Parlamentu Europejskiego 2010/63/UE w sprawie ochrony zwierząt wykorzystywanych do celów naukowych oraz zgodne z zasadami i przepisami włoskiego Ministerstwa Zdrowia. Protokół eksperymentalny został zatwierdzony przez włoskie Ministerstwo Zdrowia (numer protokołu 647/2015-PR). Wszystkie zwierzęta zostały dostarczone przez firmę ENVIGO z Włoch. Do tych eksperymentów wykorzystano 5 samców myszy C57BL/6J w wieku 6 miesięcy.
1. Przygotowanie roztworu
2. Izolacja serca
3. Oczyszczanie serca
4. Barwienie błony komórkowej
5. Montaż i akwizycja serca
UWAGA: Wszystkie elementy systemu optycznego są szczegółowo wymienione w Tabeli Materiałów.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Opracowany układ pasywnego klarowania umożliwia uzyskanie sklarowanego serca dorosłej myszy (o wymiarach rzędu 10 mm x 6 mm x 6 mm) w ciągu około 3 miesięcy. Wszystkie komponenty układu są zamontowane zgodnie z Rysunkiem 1. Pomijalny gradient temperatury między poszczególnymi komorami klarującymi (rzędu 3°C) pozwala na utrzymanie temperatury w odpowiednim zakresie we wszystkich komorach.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
W tej pracy wprowadzono skuteczne podejście do czyszczenia, barwienia i obrazowania całego serca myszy w wysokiej rozdzielczości. W pierwszej kolejności zoptymalizowano i przeprowadzono protokół transformacji tkankowej (CLARITY), nieznacznie zmodyfikowany pod kątem jego zastosowania w tkance serca. Rzeczywiście, aby uzyskać skuteczną rekonstrukcję w 3D całego serca, konieczne jest zapobieganie zjawisku rozpraszania światła. Metodologia CLARITY pozwala nam uzyskać wysoce przezroczyste nienaruszone serce, ale wymaga długie...
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
Nic do ujawnienia.
Ten projekt otrzymał dofinansowanie z programu Unii Europejskiej Horyzont 2020 w zakresie badań i innowacji w ramach umowy o grant nr 952166 (REPAIR), MUR w ramach programu FISR, projektu FISR2019_00320 i Regione Toscana, Bando Ricerca Salute 2018, projektu PERCARE.
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 2-2' Tiodiethanol | Sigma-Aldrich | 166782 | |
| Akrylamid | Bio-Rad | 61-0140 | |
| Inicjator | Wako Chemicals | AVP5874 | |
| Bis-Acrylamid | Bio-Rad | 161-042 | |
| Kwas borowy | Sigma-Aldrich | B7901 | |
| Aparat | Hamamatsu | Orca Flash 4.0 v3 | |
| Oprogramowanie kamery | Hamamatsu | HC Image | |
| Soczewka kolimacyjna | Thorlabs | AC254-050-A-ML | |
| Ramię detekcyjne | Zintegrowana optyka | 0638L-15A-NI-PT-NF | |
| Soczewka wzbudzająca | Nikon | 91863 | |
| Exteraì kuweta kwarcowa portmann | Instruments | UQ-753 | |
| Lustra składane | Thorlabs | BBE1-E02 | |
| Lustro galwanometryczne | Thorlabs | GVS211/M | |
| Glukoza | Sigma-Aldrich | G8270 | |
| HCImage Live | Hamamatsu | 4.6.1.19 | |
| HEPES | Sigma-Aldrich | H3375 | |
| Wewnętrzna kuweta kwarcowa | Portmann Instruments | UQ-204 | |
| KCl | Sigma-Aldrich | P4504 | |
| Źródło laserowe | Zintegrowane optyki | 0638L-15A-NI-PT-NF | |
| Filtr długoprzepustowy | Thorlabs | FELH0650 | |
| Podstawa magnetyczna | Thorlabs | KB25/M | |
| MgCl2 | Chem-Lab | CI-1316-0250 | |
| Zmotoryzowany przekładnik | Instrument Physisk | M-122.2DD | |
| NaCl | Sigma-Aldrich | 59888 | |
| Obiektyw | Thorlabs | TL2X-SAP | |
| Paraformaldehyd | Agar Scientific | R1018 | |
| Roztwór buforu fosforanowego | Sigma-Aldrich | P4417 | |
| Polycap AS | Whatman | 2606T | |
| Soczewka przekaźnikowa | Qioptiq | G063200000 | |
| Dodecyl siarczan sodu | Sigma-Aldrich | L3771 | |
| Soczewka tubusu | Thorlabs | ACT508-200-A-ML | |
| Przestrajalna soczewka | Optotune | EL-16-40-TC-VIS-5D-1-C | |
| Pompa próżniowa | KNF Neuberger Inc | N86KT.18 | |
| Woda wanna | Memmert | WTB |
Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.