$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Интравитальная микроскопия — это мощный инструмент для динамической визуализации биологических процессов in vivo 1,2,3 в отличие от традиционной иммунофлуоресцентной гистологии с фиксированной тканью или живыми клетками и анализом проточной цитометрии изолированных клеток. Для осмотра печени IVM применяется для изучения секреции и кровотокажелчи 4,5, мобилизацииглюкозы 6,7, непаренхимальныхклеток 8,9,10 и заболеванийпечени 11,12. Кроме того, в области исследования накопления липидов IVM позволяет в реальном времени получать информацию о динамике образования, роста и деградации липидных капель в живых тканях, например, визуализировать и количественно оценивать капи с высоким пространственным разрешением, а также прямую корреляцию накопления липидных капель с другими клеточными и физиологическимипроцессами 13. Несмотря на эти преимущества, IVM остаётся технически сложной задачей: она требует специализированного оборудования и знаний, может вызывать повреждение тканей, изменять поведение клеток и требовать инвазивных процедур. Традиционные in vivo исследования, основанные на поведенческом наблюдении, физиологическом мониторинге и генетическом анализе, предоставляют ценную информацию, но не имеют пространственного и временного разрешения, которое обеспечивает интравитальная микроскопия.
Первая серьёзная проблема с IVM — контроль нестабильности артефактов, вызванных сердцебиением и дыханием исследуемого животного, что может ухудшить качество изображения и привести к затуманенным или искажённым изображениям наблюдаемыхбиологических процессов 15. Попытки исправить это с помощью обработки изображений часто приводят к потере важной пространственной и временной информации или требуют современного хирургического оборудования и обслуживания16,17. Во-вторых, мышиные модели для исследований заболеваний печени, такие как MAFLD и T2D, часто имеют ожирение и, следовательно, труднее стабилизируются из-за увеличенного размера и содержания липидов втканях 16,18. В моделях мышей с ожирением NAFLD и T2D увеличение массы тела создаёт механические трудности для интравитальной визуализации, превышая нагрузку стандартных стадий микроскопа и усложняя стабилизацию животных19. Этот дополнительный вес увеличивает риск артефактов движения и сжатия тканей, которые снижают точностьвизуализации 20.
Одновременно повышенное содержание липидов в печени увеличивает непрозрачность тканей и рассеяние света, что ухудшает разрешение изображения и контраст. Эти эффекты часто усугубляются метаболическими сопутствующими заболеваниями, такими как изменённая перфузия и воспаление, что дополнительно снижает распределение красителя и ясностьсигнала 21. Наконец, поддерживать физиологию и биологическую активность тканей может быть сложно и ухудшает повторяемость. Кроме того, стабильное положение печени на стадии микроскопа во время IVM имеет решающее значение для предотвращения механического напряжения или повреждениятканей 7. Обнажение тканей печени — деликатная процедура, требующая технической точности для предотвращения сильного кровотечения и повреждения паренхимыпечени 7. Чтобы уменьшить артефакты движения, грудная клетка мыши ранее поднималась с микроскопа с помощью картона, что позволяло гравитации оттащить печень от остальной частитела. Хотя этот подход оказался успешным в получении количественных данных, картонный материал неустойчив, так как теряет форму и его трудно чистить. Кроме того, сложно изменить размеры картонной вставки для моделей мышей с ожирением.
В последние годы появились несколько передовых методов печёночной интравитальной микроскопии, включая сканирующую световую микроскопию и вычислительно улучшенные оптические системы, которые показали улучшение пространственно-временного разрешения23, снижениефототоксичности 24, увеличенную глубину изображения25,26 и подавление артефактовдвижения 27. Эти достижения, как показаны недавнимиисследованиями 28, 29 и 30, представляют собой важный технологический прогресс в этой области. В этой статье представлен многоразовый инструмент для печеночной визуализации (RHIT) — инновационный инструмент для IVM печени мышей. RHIT вносит вклад в этот развивающийся ландшафт, предлагая масштабируемый и многоразовый инструмент, который повышает механическую стабильность и доступность тканей на различных животных моделях, включая тех, у кого есть метаболические заболевания. Его дизайн решает постоянные проблемы движения, вариабельности и сложности установки, интегрируя анатомическую подгонку, воспроизводимость постановок и простоту использования. Совместимость RHIT как с традиционными, так и с современными методами визуализации расширяет возможности этих новых методов, способствуя надёжной и физиологически стабильной внутрижизненной визуализации печени.
Хотя были предложены различные методы стабилизации ткани во время IVM, такие как хирургическоеокно 9,31,32,33,34,35,36 и индивидуально собранный акриловый этап 6,37, эти методы также вводят множество ограничений и сложностей в отношении масштабируемости, воспроизводимости и хирургических навыков. Для сравнения, RHIT функционально отличается своей целью и дизайном. Он не использует прямую компрессию или гель-вложение38. Вместо этого RHIT служит масштабируемым, многоразово используемым, анатомически оформленным инструментом, который поддерживает изоляцию печени с помощью гравитационного положения, сохраняя физиологическую ориентацию без ограничения и искажения ткани. Критически важно, что RHIT улучшает воспроизводимость данных, точность изображения и процедурную согласованность при широком диапазоне размеров мышей. Это устраняет необходимость в гелях, клеях или сложных хирургических интерфейсах, одновременно упрощая выравнивание тканей и контроль температуры. Кроме того, RHIT — это специализированный инструмент, соединяющий животное с микроскопом, разработанный для поддержки как физиологической поддержки, так и точности визуализации.
RHIT напрямую решает механические и оптические задачи метаболически компрометированных моделей с помощью масштабируемой геометрии, которая учитывает более крупные размеры животных и равномерно распределяет вес для минимизации нестабильности платформы. Углублённое отверстие печени стабилизирует ткань с помощью гравитации без сжимающей силы, обеспечивая постоянный доступ и уменьшая движение во время визуализации. Его многоразовый, химически инертный дизайн обеспечивает совместимость с биологическими тканями и поддерживает гигиеническое повторное использование. Обеспечивая стабильное позиционирование, минимизацию артефактов движения и поддержание целостности тканей, RHIT обеспечивает фундаментальный прогресс в процессах внутривитальной микроскопии. Его адаптивность и доступность с открытым исходным кодом дополнительно способствуют широкой полезности в лабораториях и на животных моделях, устанавливая новый стандарт для инструментов визуализации, поддерживающих как образец, так и систему визуализации.
Кроме того, коммерчески доступные нагреваемые ступени микроскопа могут требовать сложных установок и обработкимикроскопа 39. Они не масштабируются по образцу и, как правило, дороже, что делает их менее доступными для многих исследователей. Таким образом, многоразовая масштабируемая вставка важна для стандартизации IVM для различных животных моделей. Технология 3D-печати, также известная как аддитивное производство, становится всё более популярной в научныхлабораториях, меняя протоколы биохимии, физики и биологии. Для IVM используется 3D-технология для производства лёгких оптических окон для визуализации41,42, улучшения доступноститканей 43 и облегчения восстановления и реконструкциитканей 44. Таким образом, индивидуальный инструмент для стабилизации тканей, который, насколько нам известно, не был описан, представляет собой отличную возможность для применения 3D-печати для преодоления некоторых трудностей печеночного IVM.
RHIT создаётся с использованием одноэтапного метода 3D-печати и значительно улучшает стабилизацию тканей на длительное время. RHIT очень доступен и подходит для острых экспериментов IVM, требующих минимальной хирургической экспертизы. Кроме того, RHIT легко масштабируется по размеру животных и имеет низкую производственную стоимость. Наконец, мы показали, что RHIT обеспечивает стабильную флуоресцентную визуализацию с таймлапсом и улучшает стабильность тканей по сравнению с ранее использованной картонной вставкой. RHIT упрощает IVM гомеостаза липидов печени без прямого контакта или измеримого влияния на физиологические состояния. Таким образом, RHIT предоставляет конкурентное преимущество как ускоренный, многоразовый и адаптируемый вклад вIVM 34,36,45.

Рисунок 1: Конструкция RHIT. (A) Конструкция и размеры 3,0 мм RHIT, масштабированные для мыши с ожирением. Вид с лицевой стороны (слева) показывает размеры, расположение и размер отверстия ткани, а также ориентацию мыши во время визуализации. Боковой вид (справа) показывает размеры и указывает положение грелки и вставки температурного датчика. Параметры масштабирования для разных размеров мышей приведены в таблице 1. (B) 3D enface view RHIT, сгенерированный из открытого файла STL, показывающий, куда провод ректального зонда вставляется через пользовательский порт (помечен размеры вставки ректального зонда, показанные в правом верхнем углу). (C) Техническая сборка RHIT, показывающая интеграцию нагревательного устройства и индивидуальных структурных вставок для различных размеров RHIT, провод вставляется в ректальный зондовый вставку для доступа температурного датчика. Сокращение: RHIT = многоразовый инструмент для печёночной визуализации. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы увидеть увеличенную версию этой фигуры.
RHIT изначально был разработан как однокомпонентная сборка с использованием ABS (акрилонитрил-бутадиен стирол), широко используемого термопластичного полимера для моделирования сплавленного осаждения (3D-печать). ABS предлагает несколько преимуществ для этого применения: он лёгкий, термостойкий (температура плавления ~200 °C) и обладает хорошей ударостойкостью46, 47, 48. Конструкция RHIT использует регулируемую плотность ABS, позволяя ему поглощать физиологические движения, такие как сердцебиение и дыхание. Увеличенная плотность заполнения улучшает демпфирование движения, что приводит к большей стабильности изображения и улучшению качества изображения.
RHIT предназначен для поглощения движения путём корректировки плотности химически инертного материала, такого как ABS. В этом контексте плотность относится именно к внутреннему проценту заполнения, используемому при 3D-печати, что влияет на жёсткость и способность платформы снижатьвибрацию 49,50,51. Увеличение плотности ABS зафиксировано снижает передачу движений, вызванную сердцебиением и дыханием, что обеспечивает стабильную платформу для визуализации и улучшает качество изображения. Мы протестировали конструкции RIT с разной плотностью внутреннего заполнения (20-100%) и качественно наблюдали, что конфигурации с высокой плотностью приводят к заметному снижению артефактов движения при интравитальной визуализации печени у мышей. Формальная количественная оценка не проводилась, так как конфигурация с высокой плотностью оказалась достаточно прочной и эффективной для всех тестируемых размеров RHIT, а также стабильно обеспечивала надёжную работу при рутинных условиях визуализации. Для большинства пользователей такая стандартная плотность будет удобна без дополнительных изменений. Однако для экспериментов, требующих специфических механических характеристик, плотность заполнения и параметры конструкции могут быть изменены, а также предоставлены полные инструкции по 3D-печати для поддержки такой настройки.
Для печати могут использоваться альтернативные материалы; однако ABS является предпочтительным материалом для изготовления RHIT, поскольку он обладает рядом ключевых преимуществ. Он химически инертный, минимизируя риск взаимодействия с тканями или биологическими жидкостями, и нерастворим в воде, что обеспечивает эффективную очистку, хранение и повторное использование. Эти свойства делают ABS надёжным и долговечным выбором для экспериментального использования. Когда доступ к принтеру для моделирования сплавленного осаджения ограничен, можно использовать другие техники и материалы для 3D-печати. Стереолитография, селективное лазерное спекание и многоструйный термоядерный синтез подходят для использования таких материалов, как нейлон, фотополимерные смолы или композитные порошки. Нейлон обеспечивает долговечность и гибкость, тогда как стереолитографические смолы обеспечивают высокое разрешение для задач, требующих мелких структурных деталей. Дизайн RHIT легко адаптируется к допускам и ограничениям различных материалов, что делает его совместимым с различными печатными платформами. Пользователям следует выбирать материалы на основе механической устойчивости, биосовместимости, совместимости с рабочими процессами изображения и доступных печатных ресурсов.