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Medicine

小鼠脑海绵体畸形的诱导及显微 CT 成像

Published: September 4, 2017 doi: 10.3791/56476
Automatic Translation
1,2, 3, 4, 1, 1,2,3
1Lab of Cardiovascular Signaling, Centenary Institute, 2Faculty of Medicine, Sydney Medical School, University of Sydney, 3Department of Pharmacology, School of Basic Medical Sciences, Tianjin Medical University, 4Australian Centre for Microscopy & Microanalysis, University of Sydney

Summary

本协议演示了在小鼠模型中诱导脑海绵状畸形的疾病, 并使用对比增强微计算机断层扫描来测量病变的负担。该方法提高了建立的小鼠模型的价值, 以研究脑海绵状畸形和其他血管性疾病的分子基础和潜在的疗法。

Abstract

突变在CCM1 (aka KRIT1), CCM2,或CCM3 (aka PDCD10)基因导致大脑海绵状畸形 (CCM) 在人类。在产后动物中, 用他莫昔芬引起的ccm基因缺失, 建立了小鼠 ccm 疾病模型。这些小鼠模型为研究 CCM 疾病的分子机制和治疗方法提供了宝贵的工具。准确和定量的方法来评估病变的负担和进展是必不可少的充分利用这些动物模型的价值。在这里, 我们演示了 ccm 疾病的诱导在一个小鼠模型和使用对比增强 X 射线显微计算机断层扫描 (微 CT) 方法测量 ccm 病变负荷的小鼠脑。在产后日 1 (P1), 我们使用 4-hydroxytamoxifen (4HT) 激活重组活动从 Cdh5-CreErt2 转基因, 以切割 floxed 等位基因的Ccm2。P8 对小鼠脑内 CCM 病变进行分析。在微 CT, 碘基卢戈的解决方案被用来提高对比度的脑组织。我们优化了扫描参数, 并利用了9.5 µm 的体素维数, 这导致了大约25µm 的最小特征尺寸。该分辨率足以全面准确地测量 ccm 病变体积和数量, 为小鼠脑内的 ccm 病变提供高质量的3维图谱。该方法提高了已建立的小鼠模型的价值, 研究了 CCM 和其他脑血管疾病的分子基础和潜在的疗法。

Introduction

CCM 是薄壁, 扩张血管畸形在大脑中的流行率高达 0.5%, 在人口1。CCM 可以遗传为显性障碍, 由于功能突变的三基因之一: CCM1 (aka Krit1), CCM2, 和CCM3 (也称为PDCD10)2,3,4 ,5,6。这些基因存在于单一信号复合体中。

各种模型已经开发出模型人类 ccm 疾病和了解的 ccm 基因的下游途径, 负责 ccm7,8,9,10。最健壮的模型是有条件地删除任何一个Ccm基因与他莫昔芬诱导的Cdh5-CreERT2在 P1 在新生幼崽8,10。这些幼崽从 P6 发展到大脑中的 ccm 病变, 并有望成为临床前研究的理想模型, 以寻找治疗 ccm 疾病的机制和治疗剂。

在小鼠大脑中, CCM 病变的负担主要是用 histology-based 方法测量的, 这种方法非常耗时, 并受调查者的偏见10,11,12。采用 MRI 方法对成人小鼠模型9,13中的 CCM 损伤负荷进行评估。然而, 一个高度专业化的小动物磁共振成像仪和长时间扫描-一夜之间需要达到一个满意的分辨率, 以确定 CCM 病变。还有, MRI 是否可用于检测新生小鼠的 CCM 病变尚未报告, 分辨率可能会限制灵敏度。

我们最近开发了一种显微 CT 技术来图像和分析 CCM 病变14,15。这种高分辨率、时间和 cost-effective 的方法极大地提高了 CCM 疾病模型在机械和治疗研究中的价值。对比增强, 全贴装染色方法已用于软组织和小鼠胚胎的显微 CT 成像16,17。以前, 我们使用了 osmium-based 染色增强了在脑部14中 CCM 病变的微 CT 成像的对比度。本文采用了一种无毒、无损、低成本的试剂--碘基卢戈溶液, 增强了微 CT 成像的对比度。碘可以弥漫整个大脑和具有高亲和力的血液18。

详细的协议是在这里提出的诱导 ccm 病变的新生儿小鼠模型, 连同成像和分析的 ccm 病变的 contrast-based 微 CT。该方法对 ccm 病变体积进行了定量的全球测量, 准确地确定了小鼠脑内 ccm 病变的数目和3维位置, 大大降低了这些动物表型的成本和时间。

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Protocol

所有动物伦理和议定书均经悉尼地方卫生区动物福利委员会和天津医科大学动物保育与使用委员会 (IACUC) 批准。所有实验都是根据悉尼大学和天津医科大学百年研究所的指导方针/条例进行的,

1。小鼠脑内海绵状畸形的诱导模型

  1. 跨 Cdh5-CreErt2;Ccm2 fl/fl 与 Ccm2 fl/fl 和 #160 的小鼠; 用 Cdh5-CreErt2 生成凋落物;Ccm2 fl/fl 和 #160;( Ccm2 iECKO ) pup 和 littermate 控件 ( Ccm2 fl/fl )。 Cdh5-CreErt2 和 Ccm2 fl/fl 动物先前被描述为 19 。
  2. 在100% 乙醇中溶解 4HT, 存储在-80 和 #176; C 等分30和 #181; L (4HT 浓度:10 毫克/毫升)。在使用日, 稀释 aliquoted 4HT 的玉米油 (0.5 毫克/毫升).
  3. 灌注入50和 #181; L 4HT (0.5 毫克/毫升) 到 P1 的新生幼崽, 用胰岛素注射器诱导实验性 CCM 病变.

2。微 CT 扫描的样品制备

  1. 通过二氧化碳窒息在 P8 安乐新生幼崽.
  2. 通过在 PBS 中插入一个29口径的3毫升2% 甲醛的针头, 将10毫升注射器注入老鼠心脏的心室进行内灌注.
    警告: 甲醛有毒;穿戴适当的保护.
  3. 使用剪刀将头部与身体分离。用剪刀把所有的皮肤从头上取下, 用钳子剥开头骨, 解剖整个大脑.
  4. 在7.82x 放大倍数、1x 增益、0.6 伽玛和20毫秒曝光时间内, 将大脑的图像显微镜.
  5. 在 PBS 解决方案中一夜之间修复4% 甲醛的解剖大脑.
    警告: 甲醛有毒;穿戴适当的保护.
  6. 在第二天, 使用镊子分离 hindbrains, 并用 PBS 溶液冲洗.
  7. 在卢戈和 #39 的碘溶液中孵育 hindbrains 48 h.
  8. 在孵化后, 短暂风干 hindbrains 以去除过量的卢戈和 #39 的碘溶液.
  9. 将卢戈和 #39 的碘染 hindbrains 在0.65 毫升离心管和密封完全与塑料石蜡膜, 以避免组织萎缩 ( 图 2 A ).
  10. 将离心管放在5毫升塑料管中, 用海绵防止它们在扫描过程中移动 ( 图 2 B )。

3。小鼠脑内 CCM 的显微 ct 扫描

  1. 垂直装入在微 ct 系统中的铝质支架上的管中的后脑.
  2. 将扫描参数设置为540投影和2的曝光时间, 其源条件为 50 kV 和 10 W, 以获取层析数据集 (图像分辨率9.5 和 #956; m/像素).
    3. 通过微 CT 系统提供的基于硬件的投影重建软件, 对扫描的 x 射线进行自动重建, 生成16位轴向切片 (#34、TXM 和 #34; 文件) 的图像序列.

4。微 CT 数据集分析

  1. 在3维分析软件中打开重建的图像文件 (#34; TXM 和 #34; 文件), 并使用和 #34 可视化大脑; 卷呈现和 #34; 函数.
  2. 将后脑转换为所需的方向, 方法是使用 #34; 边界框和 #34; #34; 修剪平面和 #34; 函数.
  3. 在扩展模式下对转换后的图像重新取样, 并保留体素大小.
  4. 创建和 #34; 编辑新标签字段和 #34; 在转换后的图像 (4.3) 上, 仅使用灰度强度突出显示后脑.
  5. 添加突出显示的区域和运行和 #34; 标签分析和 #34; 获取整个后脑的度量值 ( 即 、总体积和面积)。在 Excel 文件中导出度量值.
  6. 使用和 #34 显示后脑; 等值渲染和 #34; 函数.
  7. 创建其他 #34; 编辑新标签字段和 #34; 在变换后的图像上, 使用灰度强度突出病灶部位.
  8. 添加突出显示的区域和运行和 #34; 标签和 #34; 分析以获得后脑内病变的测量 (即: , 总体积和面积)。在 Excel 文件中导出度量值.
  9. 使用和 #34 可视化病灶; 生成表面和 #34; #34; 曲面视图和 #34; 函数.
  10. 按所需方向拍摄后脑的图像, 或为病灶的3维可视化生成电影.

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Representative Results

单注射4HT 在 P1 是足以诱发 CCM 病变的小脑。卢戈的碘对比微 CT 充分检测 CCM 病变, 并可以量化其体积和数量。利用优化的微 CT, 我们在Ccm2iECKO 小鼠的 hindbrains 中对 CCM 病变进行了成像。扫描的 X 射线图像重建, 以产生3维图像的鼠标的大脑, 这使得可视化整个病变的脑实质在不同的深度和方向, 和评估的结构和3的位置的病变在大脑中。重要的是, 这个图像数据集也可以用来有效和准确地量化病变的大小和病变的数字。

图 1显示了在 P8 的Ccm2iECKO (B) 的小脑中 CCM 病变的成功诱导, 但不在 littermate 控件 (Ccm2fl/fl) (A) 中。

图 2显示了用于微 ct 扫描 (aB) 的填充样本, 以及来自控制的微 ct 扫描 (Ccm2fl/fl) (C) 和Ccm2 的具有代表性的重建图像iECKO (D-E)。图 2E"在Ccm2iECKO中显示标记的病灶。

图 3显示了带有病灶的Ccm2iECKO 大脑的呈现3维图像 (a-B)。相邻表显示了一个例子, 定量输出的标记个别病灶。

Figure 1
图 1: 新生儿小鼠 CCM 病变的诱导.Ccm2fl/fl (A) 和Ccm2iECKO (B) 的宏观图像在产后8天。刻度线 (白色), 5 毫米.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 样品制备和重构2D 图像.样品装在一个离心管 (a) 和5毫升管 (B)。绿色箭头显示示例。有代表性的图像Ccm2fl/fl (C) 和Ccm2iECKO (D-E) 大脑。(E ")Ccm2iECKO 大脑中的标记病灶。刻度线 (白色), 1 毫米.请单击此处查看此图的较大版本.

Figure 3
图 3: 呈现3维图像.呈现Ccm2iECKO 脑部的图像 (a) 和病灶 (B)。病灶以红色标记。右侧的表显示了一个单独标记病灶的定性输出的例子。刻度线 (白色), 1 毫米.请单击此处查看此图的较大版本.

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Discussion

CCM 是一种常见的血管畸形, 影响多达0.5% 的个人1。CCM 可以以零星或家族形式出现。患者的预后往往不清楚, 因为 CCM 病变可能破裂意外导致中风和其他神经后果。目前, 唯一的治疗方法是手术切除病灶, 伴随着高风险。

人类 CCM 条件最近被复制在动物模型7,8,9,10。这些模型为研究 CCM 疾病所涉及的机制提供了宝贵的工具。准确、有效和定量分析的方法将有助于利用这些模型的全部价值。

我们最近开发了一种显微 CT 方法, 以锇氧化为对照剂14, 在小鼠模型中成像 CCM 病变。在目前的研究中, 我们随后使用卢戈的碘溶液来增强脑组织的对比度, 以检测病灶。与锇氧化相比, 卢戈的碘溶液毒性较小, 无损, 而且价格低廉。因此, 样品可以用于其他目的, 如组织学后, 卢戈的碘溶液被冲走。

我们的显微 CT 方法可以产生足够的图像质量, 以检测在小鼠大脑中的 CCM 病变。样本准备是直接的, 不需要高度专门化的技术。此方法可以提供大约一小时扫描时间的高分辨率投影。将数据集从微 CT 扫描和3维分析软件结合在一起, 是生成3维全球脑内 CCM 病变的一种强有力的方法。相对于脑解剖的病变的定量和定性表征很容易实现。与 histology-based 3 维重建相比, 我们的方法是高度时间 cost-effective 的, 并且产生更精确的3维表示。

然而, 也有一些限制和关键步骤需要考虑。首先, 该方法需要一个微型 CT 系统, 它是一种高度专业化的设备, 可能不易获得。其次, 由于脑组织的柔软度和大小, 对新生鼠脑进行解剖是相当有挑战性的。这是非常重要的, 不损害大脑在解剖过程中, 以获得准确的测量和可视化的 CCM 病变在大脑中。最后, 对微 CT 扫描的样品制备至关重要。卢戈的碘染的大脑必须完全包装, 以避免因蒸发而导致组织萎缩。此外, 样品必须放置在微 CT 扫描安全。扫描过程中的任何移动都会改变扫描的质量, 从而导致量化和可视化。

我们只在固定的新生鼠脑中应用了我们的方法。然而, 这种方法有能力用于其他研究涉及不同的样本, 可以作为一个令人振奋的和新的工具, 其他血管畸形研究。

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Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

作者承认悉尼大学显微镜 & 微量分析研究设施 (AMMRF) 和澳大利亚显微镜 & 微微量分析中心 (ACMM) 的设施和科学和技术援助。这些研究得到了澳大利亚国家卫生和医学研究理事会 (澳洲) 项目赠款161558和 APP1124011 的支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
4-hydroxy tamoxifen Sigma-Aldrich H6278 To activate Cdh5-CreErt2
Corn oil Sigma-Aldrich C8267-500ML To dilute 4-hydroxy tamoxifen
Stereomicroscope Leica M205FA To take macroscopic images
Lugol's Iodine solution Sigma-Aldrich L6146 To stain samples for contrast micro-CT
Plastic paraffin film Parafilm PM992 To package samples
Micro-CT Xradia MicroXCT-400 Micro-CT
3D rendering software FEI Visualization Science group Avizo 3D image processing software To analyse micro-CT scans

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References

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医学 问题 127 微计算机断层扫描 脑海绵状畸形 小鼠模型 血管畸形 CCM1 基因 Krit1gene
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Choi, J. P., Yang, X., Foley, M., Wang, X., Zheng, X. Induction and Micro-CT Imaging of Cerebral Cavernous Malformations in Mouse Model. J. Vis. Exp. (127), e56476, doi:10.3791/56476 (2017).

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