Summary
本研究提出了一套易于使用、完整且简单的方法来标记和分析来自 CUBIC 清除的小鼠肾脏的肾小球。使用异硫氰酸荧光素 (FITC)-葡聚糖、光片荧光显微镜 (LSFM) 或常见的共聚焦显微镜和软件(如 Imaris)可以轻松可靠地获得肾小球数量和体积等数据。
Abstract
肾小球是肾脏的基本单位;因此,研究肾小球对于了解肾功能和病理学至关重要。生物成像提供直观的信息;因此,标记和观察肾小球具有重要意义。然而,目前使用的肾小球观察方法需要复杂的操作,并且结果可能会丢失标签细节或三维(3D)信息。清晰、畅通无阻的脑成像鸡尾酒和计算分析(CUBIC)组织清除技术已广泛应用于肾脏研究,可实现更准确的检测和更深的检测深度。我们发现,通过尾静脉注射中等分子量的FITC-葡聚糖,然后采用CUBIC透明化方法,可以快速有效地标记小鼠肾小球。清除的小鼠肾脏可以通过光片显微镜(或切片时的共聚焦显微镜)扫描,以获得整个肾脏中所有肾小球的三维图像堆栈。使用适当的软件处理,肾小球信号可以很容易地数字化并进一步分析,以测量肾小球的数量、体积和频率。
Introduction
肾小球的数量和体积对于各种肾脏疾病的诊断和治疗非常重要1,2,3,4,5。肾小球数估计的黄金标准是物理解剖器/分馏器组合。然而,这种方法需要特殊的试剂和设备,使其速度慢且昂贵6,7,8,9。活检提供了丰富的信息,但显然,这种方法只适用于粗略估计10,11。医学成像技术,包括磁共振成像(MRI)、计算机断层扫描(CT)和X射线,也广泛用于肾小球检测12,13,14,15,但这些技术需要笨重的仪器。新方法,如基质辅助激光解吸/电离 (MALDI) 成像质谱仪16 或厚薄切片法17,也已用于肾小球检测,尽管它们仍然繁琐而费力。
在透明技术的帮助下,可以观察更深的深度,并从厚组织甚至整个器官中获得更丰富、更完整的信息18,19,20,21,22,23。因此,透明技术在肾脏研究中得到了广泛的应用24。还涉及清除肾脏中肾小球的观察和检测。然而,这些已发表的文章要么只是简单地提到肾小球检测25,要么使用难以实现的标记方法,如转基因动物26、自产染料13或高浓度抗体孵育27来标记肾小球。此外,尽管研究分析了清除肾脏中的肾小球,但分析总是有限的13或依赖于作者自己建立的分析算法26。
我们之前已经展示了一种更方便的方法来标记小鼠肾脏中的肾小球28。通过使用 Imaris,我们发现可以快速获得肾小球计数、频率和体积。因此,在这里,我们提出了一套更易于访问、更全面和更简化的方法来标记和分析小鼠肾脏的肾小球。
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Protocol
本研究使用成年C57BL / 6小鼠(6周龄,25-30g)。所有程序均按照当地动物福利和实验伦理法规进行。该研究已获得四川大学华西医院生物医学研究伦理委员会的批准。
1. 肾小球标记和组织制备
- 肾小球标记
- 将FITC-葡聚糖(10mg)以1:1(1mg:1mL)的比例溶解在1x磷酸盐缓冲盐水(PBS)中,以制备工作探针溶液。
注意:工作溶液可以在4°C下储存1个月。 - 将C57小鼠置于小鼠尾静脉固定器中。用热水润湿纱布,将纱布缠绕在老鼠尾巴的中间部分,然后将尾巴加热1分钟。
- 用75%乙醇擦拭鼠尾,直到左右尾静脉可见。
- 用 1 mL 胰岛素注射器抽取 100 μL 工作探针溶液,然后将溶液缓慢注入小鼠尾静脉。
- 注射后,让探针溶液循环30分钟。让老鼠在笼子里自由移动。
- 一旦达到足够的循环,通过腹膜内注射戊巴比妥钠(1%,60-80μg/ kg)深度麻醉小鼠。
- 将FITC-葡聚糖(10mg)以1:1(1mg:1mL)的比例溶解在1x磷酸盐缓冲盐水(PBS)中,以制备工作探针溶液。
- 肾脏取样和固定
- 将麻醉的小鼠以仰卧位固定在解剖板上。用医用胶带固定他们的爪子。
- 皮肤制备后,用致死剂量的戊巴比妥钠(1%,10mg / kg)对小鼠实施安乐死。
- 做一个腹部中线切口,露出腹腔。
- 露出肾脏,用手术刀和剪刀在通风橱中取出。轻轻取出肾包膜。
- 收集肾脏并将其固定在4°C的4%多聚甲醛(PFA)中过夜。
- 用PBS洗涤样品三次,每次1小时,在室温(RT)下振荡。
- 准备肾脏进行显微镜检查。
- 将肾脏切片进行共聚焦显微镜检查:使用脑基质(1 mm 钢,40-75 g)将肾脏切成 1 毫米厚的薄片,以标准化切片厚度。将切片转移到4%PFA中,并在4°C下继续固定过夜。
- 用于光片显微镜的全肾:将肾脏固定在4°C的4%PFA中48小时。
2. 清算
- 试剂制备
- 通过混合10%(wt/wt)N-丁基二乙醇胺,10%(wt/wt)Triton X-100和80%ddH2O来制备CUBIC-L试剂。
- 通过混合 45% (wt/wt) 安替比林、30% (wt/wt) 烟酰胺、0.5% (vol/vol) N-丁基二乙醇胺和 24.5% ddH2O 来制备 CUBIC-R 试剂。 确保溶液的 pH 值为 9.6-9.8,折射率 (RI) 为 1.522。
注意:CUBIC-L 用于脱脂,CUBIC-R 用于折射率匹配。
- 清算程序
- 在50mL离心管中收集肾脏样品,然后在CUBIC-L中以60rpm在37°C下振荡清除它们。 每 4 小时更换一次 CUBIC-L(用于肾切片)或每 24 小时更换一次(对于整个肾脏),直到达到令人满意的光学透明度。
注意:此过程对肾脏切片需要 1 天,整个肾脏需要 5 天。 - 在PBS中洗涤样品三次,在室温下轻轻摇动1小时。
- 将CUBIC-R施加到样品上,在37°C,60rpm下振荡样品6小时。
- 直接观察清除的样品或将它们储存在装有CUBIC-R的黑色试管中,在室温下储存1周。
- 在50mL离心管中收集肾脏样品,然后在CUBIC-L中以60rpm在37°C下振荡清除它们。 每 4 小时更换一次 CUBIC-L(用于肾切片)或每 24 小时更换一次(对于整个肾脏),直到达到令人满意的光学透明度。
3. 图像采集
- 共聚焦成像
注意:用共聚焦显微镜(镜头:Plan Apo λ 4×/0.2 N1物镜或Plan Apo VC 10×/0.45 DIC N1物镜)对切片的肾脏样本进行成像。使用 z 堆栈捕获大图像(例如,肾切片为 6052 μm x 6052 μm)。- 按以下顺序打开共聚焦显微镜:激光功率、共聚焦控制开关、计算机、显微镜和共聚焦硬件。运行自检后,打开共聚焦软件。
- 选择合适的镜头。从 CUBIC-R 试剂中取出样品,将其放入共聚焦培养皿中,并盖上盖子以防止 CUBIC-R 试剂变干。
- 将样品移动到视野中间并调整焦平面,直到其对焦。
- 应用3D重建(步骤3.1.4.1)和大图像重建(步骤3.1.4.2-3.1.4.3)。
- 3D重建(共聚焦):在一个方向上切换变焦平面,直到看不到荧光;此位置被定义为顶部。然后,将变焦平面向相反方向切换,直到看不到荧光;这个位置被定义为底部。单击对话框右下角的 “运行 ”按钮开始扫描。
- 大图像重建(共聚焦):将视场移动到样品中间,并将当前位置设置为中心。选择 2 x 2 视场。
- 在ND多功能界面中,选择 Z堆栈 重建大图,并在面板中设置不同的选项。然后按 Run butto n 开始扫描。
- 光片荧光显微镜(LSFM)成像
注意:用光片荧光显微镜(镜头:EC Plan-Neofluar 5x/0.16(中等n = 1.529)物镜)对整个肾脏进行成像。- 样品贴装 (LSFM):
- 将透明肾脏粘在样品固定适配器上,等待肾脏牢固连接。
- 将肾脏浸泡在样品箱中,然后将样品箱推入显微镜系统。关闭舱口。
- 观察和扫描 (LSFM):
- 在 定位 界面中,将样品移动到合适的观察位置。切换到 采集 界面,设置光路,选择 488nm激光器,LBF 405/488/561/640,光分光滤光片 块SBS LP 490,选择 相机2,将伪彩色更改为绿色。
- 填写之前记录在通道子菜单中的左/右 Z 偏移值。选择最小缩放 (0.36) 并对其进行微调以获得最大清晰度。
- 求出整个器官的 X\Y 边界和 Z 范围。调整激光强度和曝光时间(最好小于 10 毫秒),然后单击 “运行 ”开始。
- 如果组织太大,请使用图像拼接合并两个或多个图像。使用显微镜软件(此处为蔡司ZEN 3.7)打开捕获的文件。选择 “处理>方法”>“拼接”>“方法参数”>“应用 ”以完成图像拼接。
- 样品贴装 (LSFM):
4. 数据处理和量化
注意:使用 Imaris(图像分析)软件处理图像堆栈,使用 Surface 功能标记肾小球并执行分析。
- 肾小球计数
- 将大图像(共聚焦显微镜)或拼接图像(光片显微镜)导入图像分析软件。
- 在图像分析软件中打开文件。单击“ Surface ”按钮以创建新的 Surface。按照屏幕左下角的指南进行操作。
- 单击 “下一步 ”按钮(向右箭头按钮)而不勾选任何内容。
- 勾选“平滑”选项前的框并输入适当的数字(例如,14.5)以控制曲面的细节。在阈值中选择背景减法,并在框中填充肾小球的近似平均直径。单击“下一步”按钮。
- 如果需要,请进行调整,然后单击 “下一步 ”按钮。选择适当的范围,然后单击 “下一步 ”按钮以创建 Surface。
- 单击 “过滤器”,然后单击 “添加 ”按钮以添加 Sphericity 以过滤掉非球形对象。单击 “复制 ”(Duplicate) 按钮以复制此新曲面。
- 单击“ 统计 ”按钮,然后单击 “整体 ”按钮;该软件将肾小球的数量显示为 表面总数。
- 肾小球体积
- 如上所述创建肾小球表面。
- 完成 Surface 后,单击“ 选择 ”按钮以选择目标对象并显示每个对象的体积。单击 “保存 ”按钮,然后将统计数据导出到电子表格以进行进一步分析。
- 切片或整个肾脏的体积
- 将大图像(共聚焦显微镜)或拼接图像(光片显微镜)导入图像分析软件。
- 在图像分析软件中打开文件。单击“ Surface ”按钮以创建新的 Surface。按照屏幕左下角的指南进行操作。
- 单击 “下一步 ”按钮(向右箭头按钮)而不勾选。
- 勾选“平滑”选项前的框,然后输入适当的数字(例如,50)以控制曲面的细节。在阈值中选择绝对强度。单击“下一步”按钮。
- 调整 Surface,直到它覆盖整个组织,然后单击“ 下一步 ”按钮。单击 “下一步 ”按钮以创建 Surface。
- 单击 “选择 ”按钮以选择整个组织的表面并显示组织的体积。单击 “保存 ”按钮将统计信息导出到电子表格。
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Representative Results
本研究为小鼠肾脏肾小球的标记和分析提供了一种简单有效的方法。
肾小球(血管)可以通过血管内注射 FITC-葡聚糖很好地标记。清除过程后,肾脏变得透明(图1A),并且可以通过使用光片显微镜(图1B)或共聚焦显微镜(图1C)清楚地观察到肾小球。共聚焦显微镜的扫描深度有限,因此应将肾脏切成约 1 毫米厚的切片。如果使用光片显微镜,可以直接扫描整个肾脏。
有了明确的信号,很容易计算出肾小球的数量。事实上,标签非常有效,可以用肉眼计数肾小球。肾小球的体积也可以直接测量。当然,像Imaris这样的软件大大加快了这一过程。使用 表面 功能,可以选择肾切片(图2)、整个肾脏(图3)或条带(图4)中的所有肾小球,并且可以直接获得肾小球的数量和体积(图2C, 图3C, 图4C)。也可以测量所选区域的体积(图2B, 图3B, 图4B),因此可以计算出某个区域或整个肾脏的肾小球体积比和频率(图2D, 图3D, 图4D)。可以选择肾脏的一个区域来执行特定区域的计算。我们展示了一种类似于活检的条带。条带中肾小球的数量、体积和频率也可以很容易地获得(图4)。
如图所示,本研究中给出的结果是(N =数字,F =频率,V =体积,V(a)=平均体积,V(t)=总体积):
切片肾小球 N = 1128,全肾肾 N 肾小球 = 14006,切片肾小球 F = 65/mm3,全肾 F 肾小球 = 105/mm3,V 总肾小球切片/V切片 = 2.24%,全肾 V 总肾小球/V肾 = 5.54%,切片 V(a) 肾小球 = 373654 μm3,全肾 V(a) 肾小球 = 521627 μm3, 切片中的 V(t) 肾小球 = 421481724 μm3,整个肾脏的 V(t) 肾小球 = 7305386256 μm3(图 2D、图 3D)。
条带中的肾小球 N = 63,条带中的 F肾小球 = 72/mm 3,带状/V带中的 V总肾小球 = 2.23%,条带中的 V(a) 肾小球 = 307698 μm3,带状中的 V(t) 肾小球 = 19384977 μm3(图 4D)。
图 1:肾组织透明度和 FITC-葡聚糖标记的肾小球。 (A)透明治疗前后的肾脏。(B) 用 LSFM 扫描的整个肾脏的图像。(C)用共聚焦显微镜扫描的肾脏切片图像(左:4x,右:10x)。比例尺 = 300 μm(4x,共聚焦);比例尺 = 100 μm(10 倍,共聚焦)。比例尺 = 700 μm(5 倍,变焦 0.36,LSFM)。肾小球用FITC-葡聚糖标记。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 2:应用于共聚焦扫描肾切片的功能 Surface。 (A) 创建切片表面和所有肾小球。粉红色 = 肾小球,蓝色 = 肾切片表面,绿色 = 血管(肾小球和一些大血管)的原始标签。比例尺 = 300 μm。 (B) 当选择切片表面(左)或肾小球(右)时(选定的对象将变为黄色),可以直接获得数据(虚线框突出显示数据的位置)。(C)可直接获得每个肾小球的数量、体积和总肾小球的体积以及切片的体积。(D) 可以进一步分析导出的数据,以便计算出肾小球的平均体积和肾小球与选定面积的体积比。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 3:应用于 LSFM 扫描整个肾脏的 Surface 功能。 (A)创建整个肾脏和所有肾小球的表面。粉红色 = 肾小球,蓝色 = 整个肾脏的表面,绿色 = 血管(肾小球和一些大血管)的原始标签。比例尺 =1000 μm。 (B) 当选择肾脏表面(左)或肾小球(右)时(选定的对象会变黄),可以直接获得数据(虚线框突出显示数据的位置)。(C)可直接获得每个肾小球的数量、体积和肾小球的数量,以及肾脏的体积。(D) 可以进一步分析导出的数据,以便计算出肾小球的平均体积以及肾小球和整个肾脏的体积比。 请点击这里查看此图的较大版本.
图 4:应用于所选肾条的 Surface 函数。 (A) 创建条带表面和所有肾小球。粉红色 = 肾小球,蓝色 = 肾条表面,绿色 = 血管(肾小球和一些大血管)的原始标签。比例尺 =150 μm。 (B) 当选择条带表面(左)或肾小球(右)时(选定的对象将变为黄色),可以直接获得数据(虚线框突出显示显示数据的位置)。(C)可直接获得每个肾小球的数量、体积和总肾小球的体积,以及条带的体积。(D) 可以进一步分析导出的数据,以便计算出肾小球的平均体积和肾小球与选定面积的体积比。 请点击这里查看此图的较大版本.
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Discussion
组织清除技术可分为3组或4组29,30,31。有机溶剂型组织透明化(例如DISCO和PEGASOS)、水性组织透明化(例如CUBIC)和水凝胶包埋组织透明化(例如CLARITY)均已应用于肾脏透明化25,26,28,32。正如我们已经证明的那样,当肾小球(血管)用 FITC-葡聚糖标记时,CUBIC 效果最好。此外,CUBIC具有相对更方便的操作过程,并且不需要比普通显微镜27多,因为处理后的样品不需要浸泡在有机试剂33中。但是,不同的清关方法和容器标签方法各有优缺点;研究人员可能需要尝试不同的方法来满足他们的特定需求。
先前的研究发现,当肾脏中的血管被标记为13,25,26,28时,肾小球可以在清除的肾脏中被标记。对这种现象的彻底解释仍有待进一步研究,但可以推断出,一种良好的血管系统标记方法也可以有效地标记肾小球。根据实验结果,我们推荐血管内注射中等分子量(如150 kDa)的FITC-葡聚糖。然而,由于标记依赖于血液循环,当肾小球缺乏循环时,这种方法可能无法标记肾小球。
LSFM允许大规模组织观察,使其更适合全肾小球检测。然而,并非每个实验室都提供光片显微镜。因此,我们提供了一套使用普通共聚焦显微镜的替代方案。虽然肾脏需要切成多个部分,但获取整个肾脏中肾小球计数和体积等数据是可行的。此外,共聚焦显微镜提供的数据量更小,更有利于数据处理。
Imaris提供直接数据输出。但是,应注意将模拟信号与原始信号紧密匹配。此外,该软件可能需要很长时间来处理大文件,这可能会令人沮丧。只要肾小球可以清晰标记和可视化,数据分析的独特解决方案就不止一种。来自不同实验室的研究人员可以使用自己熟悉的软件和编程语言。
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Disclosures
所有作者均声明无利益冲突。
Acknowledgments
本研究得到了国家自然科学基金(82204951)和四川省科学技术计划(2020JDRC0102)的资助。
Materials
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4% PFA | Biosharp | 7007171800 | Fixation reaagen |
502 Glue | Deli | 7146 | For fixing the kidney to the sample fixing adapter |
Antipyrine | Aladdin | A110660 | Clearing reagent |
Brain Matrix | RWD Life Science | 1mm 40-75 | Tissue slicing |
Confocal microscopy | Nikon | A1plus | Image acquisition |
FITC-Dextran | Sigma-Aldrich | FD150S | Labeling reagent |
Light sheet fluorescence microscopy | Zeiss | Light sheet 7 | Image acquisition |
Mice | Ensiweier | Adult C57BL/6 mice (6 weeks of age, 25–30 g) | |
N-Butyldiethanolamine | Aladdin | B299095 | Clearing reagent |
Nicotinamide | Aladdin | N105042 | Clearing reagent |
Pentobarbital Natriumsalz | Sigma-Aldrich | P3761 | |
Tail vein fixator | JINUOTAI | JNT-FS35 | Fix the mouse for vail injection |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787 | Clearing reagent |
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