Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Fare kalp çalışma için ışık sayfalık floresans mikroskobu

8.8K görüntülenme

DOI:

10.3791/57769

15 Eylül 2018

Bu makalede

Özet

Bu çalışmada optik takas ile kombine bir çift taraflı aydınlatma ışık sayfalık floresans mikroskobu (LSFM) fare kalp çalışmaya kullanmaktadır.

Özet

Işık sayfalık floresans mikroskobu mikrometre yüksek bir Aksiyel çözünürlüğünden milimetre ölçek ile hızlı resim alma için yaygın olarak kullanılmış. Geleneksel ışık sayfalık teknikleri uygun örnek doku yönettiği bir tek aydınlatma ışın kullanımı dahil. Bir tek aydınlatma ışını kullanılarak üretilen büyük örnekleri görüntüleri şeritler veya eserler içeren ve düşük çözünürlüğe saçılma ve doku tarafından ışık emilimi nedeniyle muzdarip. Bu çalışmada bir çift taraflı aydınlatma ışını ve Basitleştirilmiş netlik fare kalp için teknik Temizleme optik kullanır. Bu teknikler yürekten lipidler kaldırarak daha derin görüntüleme için izin ve büyük bir alan görüntüleme, 10 x 10 x 10 mm3daha büyük üreten. Sonuç olarak, bu strateji ventrikül boyutları ölçmek, kardiyak lineage izlemek ve kardiyak spesifik proteinler ve iyon-kanalları Doğum sonrası yetişkin fare kalpler yeterli kontrast için kayma dağılımını yerelleştirmek bize sağlar ve çözünürlük.

Giriş

Işık sayfalık floresans mikroskobu ilk 1903 yılında geliştirilen bir teknik olduğunu ve bugün bir yöntem olarak gen ekspresyonu çalışma ve doku örnekleri1,2,33-b veya 4-D modelleri üretmek için kullanılır. Böylece sadece o uçağı dedektörü tarafından yakalanır örneği tek bir uçağı aydınlatmak için ışık ince bir levha bu görüntüleme yöntemini kullanır. Örnek sonra eksenel yönde her yakalamak için hareket edebilir, her seferinde bir bölümü katman ve 3B modele alınan görüntüleri4sonrası işlendikten sonra render. Ancak, emme ve fotonlar saçılma nedeniyle, LSFM ya da birkaç mikron kalınlığında veya optik şeffaf1örnekleri sınırlı olmuştur.

LSFM sınırlamaları optik şeffaf, zebra balığı gibi dokulara sahip organizmaların kapsamlı çalışmalar yol açmıştır. İnsanlar ve zebra balığı5,6arasında korunmuş gen olduğundan kalp geliştirme ve farklılaşma ilgili çalışmalar kez zebra balığı üzerinde yapılmaktadır. Bu çalışmalar kalp araştırma kardiyomiyopatiler6,7' ye ile ilgili gelişmeler yol açmıştır, ancak, bu hala memeliler gibi üst düzey organizmalar üzerinde benzer araştırma yapmak gerek vardır.

Memeli kalp doku kalınlığı ve opaklık doku, kırmızı kan hücreleri ve tek taraflı aydınlatma geleneksel LSFM yöntemleri1 altında örnek nedeniyle oluşur şeritleme hemoglobin nedeniyle emme nedeniyle bir meydan okuma sunuyor , 8. Bu sınırlamalar için telafi etmek için biz çift taraflı aydınlatma ve çözüm (jant) eşleşen bir kırılma indisi ile kombine netlik tekniği9 basitleştirilmiş bir sürümünü kullanmak için önerilen. Bu nedenle, bu sistem bakımı iyi nitelik kararlılık Aksiyel ve yanal8uçak iken 10 x 10 x 10 mm3 daha büyük bir örnek görüntüleme için sağlar.

Bu sistem ilk floresan boncuk cam boru içinde farklı konfigürasyonlarda düzenlenmiş kullanılarak kalibre. Sonra sistem Doğum sonrası ve yetişkin fare kalpler görüntü için kullanıldı. İlk olarak, Doğum sonrası fare kalp 7 gün (ventrikül boşluğuna, kalınlığı ventrikül duvar, vana yapıları ve trabeculation varlığını ortaya çıkarmak için P7) görüntüsü. İkinci olarak, bir çalışma cardiomyocytes 1 gün (P1) Cre etiketli cardiomyocytes ve Sarı floresan protein (YFP) ile Doğum sonrası fare kalp kullanarak hücre tanımlamak için yapılmıştır. Son olarak, yetişkin fareler 7,5 aylıkken böbrek dış medüller potasyum varlığı (ROMK) kanalları gen terapisi8' den sonra gözlemlemek için görüntüsü.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Hayvanlar kullanımını içeren tüm yordamları Kaliforniya Üniversitesi, Los Angeles, California kurumsal inceleme komiteleri (IACUC) tarafından onaylanmış olması.

1. görüntüleme sistem kurulumu

Not: Resim 1 ve Şekil 2bakın.

  1. Sürekli dalga (CW) lazer 3 dalga boyu ile almak: 405 nm, 473 nm ve 532 nm. Place 2 (M1 ve M2) 150 mm ayrı yansıtır ve onları ayna uçaklarını kirişe 45 ° ile hizalayın.
    Not: Uzak çift taraflı aydınlatma kurulum lazer yönlendirmek için bu adım gerçekleştirilir. Elde edilen ışın ilk ışın olarak aynı yönde olacaktır.
  2. Bir 25-mm çap iris diyafram/iğne deliği (PH), 50-mm çapı nötr yoğunluk filtresi (NDF) ışını 0 - bir optik yoğunluk aralığı ile geçmek 4.0, bir ışın genişletici (BE), bir (S) 30 mm yarık uzunluğuna sahip ~ 0 - 6 mm ve bir ayna (M3) , tüm diğer her 150 mm konumlandırılmış. Ayna, ayna uçak ile 45 ° kirişe yerleştirin.
  3. M3 150 mm'den yerleştirilen bir 50: 50 ışın ayırıcı ışını geçmek. Bir ayna (M6) ışın bölücü 150 mm'den yerleştirin ve böylece onun ayna uçak 45 ° ileriye doğru yönde yayılan kirişe hizalayın. Yansıyan ışın çift aydınlatma ışık sayfanın bir tarafına oluşturmak için kullanın.
  4. Bir ayna (M4) ışın bölücü 150 mm'den yerleştirin ve böylece onun ayna uçak 45 ° ışın splitter üzerinden 90 ° açıyla yayılan kirişe hizalayın. İkinci bir ayna (M5) 150 mm M4 dan yerleştirin ve böylece onun ayna uçak M6 yansıyan ışın için 45 ° hizalayın. M5 yayılan ışını çift aydınlatma ışık sayfası ikinci tarafını oluşturmak için kullanın.
  5. Çift taraflı aydınlatma sistemi simetrik bir biçimde ayarlayın (bkz. Şekil 1). Bir silindirik lens (CL1) yer [çapı (d) =; 1 odak uzaklığı (f) = 50 mm] M5 M6 çift aydınlatma tertibat diğer tarafında üzerinden yayılan ışını doğrultusunda 150 mm bir tarafı ve başka bir aynı silindirik lens (CL2) üzerinde yayılan ışını doğrultusunda 150 mm s. 2 (M7 ve M8) her silindirik mercekler doğrultusunda 90 ° ışın yansıtmak için 50 mm mesafelerde yer aynalar.
  6. Bir çift lens dan akromatik bir kütleye oluştururlar. İlk lens, L1 yerleştirin (d =; 1 f = 100 mm), 100 mm M7 ve ikinci lens, L2 (d =; 1 f = 60 mm), 160 mm L1 üzerinden. Bu çift-aydınlatma aynı lensler (L3, L4) ile diğer tarafında M8 aynı mesafede yerleştirilmiş yineleyin.
  7. Yer, M9 ve M10, 60 mm lens L2 ve L4, sırasıyla ve ışın doğrultusunda yansıtır. Aydınlatma amaçları, OL1 ve OL2 yer (d = 2; f = 150 mm), 150 mm M9 ve M10 ve ışın ile uyumlu. Hedefleri yayılan ışını örnekleri görüntüleme için ışık sayfası oluşturur.
  8. 3-b Yazıcı örnek sahibi Akrilonitril bütadien stiren (ABS) yazdırmak için kullanın. Kapak cam parçası katıştırma [kırılma indisi (RI) 1.4745 =] odası aydınlatma ışık kırılma indisi eşleşmeyebilir en aza indirmek için dikey her tarafında. Odası objektif lensler yayılan kirişler arasında eşit olarak yerleştirin.
  9. 1 X büyütme objektif ve bilimsel tamamlayıcı metal oksit yarı iletken (sCMOS) kamera aydınlatma için dikey stereo mikroskopla uçak (bkz. Şekil 2) yükleyin.

2. görüntüleme sistemi kalibrasyon

  1. 0,53 mikron çapında olan flüoresan polistren boncuk almak.
  2. Floresan boncuk örnek bir kırılma indisi eşleşen çözüm (jant) boncuk çözümde sulandrarak 1:150, 000 için % 1 düşük-melt işaret özel ile hazır olun. Borosilikat cam boru bir parça ile bir iç çapı 12 mm ve 18 mm bir dış çapı 30 mm uzunluğa kes.
    Not: Borosilikat cam boru kırılma indisi (1.47) eşleştirmek için kullanılır.
  3. % 1'özel ile seyreltilmiş boncuk örnek mix ve boncuk/özel çözüm borosilikat boru içine pipette. Oda sıcaklığında (23 ° C) kuvvetlendirmek özel izin.
  4. ABS odası (Kimden adım 1,7) % 99.5 gliserol çözüm ile doldurun. Boncuk oda içinde içeren borosilikat cam boru yerleştirin. ABS odası çift aydınlatma sistem tarafından oluşturulan Gauss ışını ortasına öyle görüntüleme sistemi yerleştirin.
  5. Bir 3-b motorlu translasyonel sahne hareket ve ABS odası içinde örnek yönünü denetlemek için borosilikat cam tüp takın (bkz. ek Şekil 1).
  6. Görüntüleri en 30 kare / saniye (fps) saniyede sCMOS kamera kullanarak elde. Motor kontrolörü kullanarak, örnek 1 mm yanal yönde hareket ve görüntüleri, sCMOS kamera kullanarak her 1 mm artışı. Tüm örnek yansıma kadar devam edin.
  7. Alınan görüntüleri Görselleştirme yazılımları kullanarak yığını ( Tablo malzemelerigörmek). Bu boncuk görüntüleri kullanarak sistem noktaya yayılmış fonksiyonu (PSF) ölçmek. Bu PSF görüntü'sonraki adımlarında işleme sırasında deconvolution için kullanın.

3. numune hazırlama

  1. Kalpleri bir vahşi türü P1 fare ve bir çift Heterozigoz sarcolipin-Cre knockin fare ile Rosa26-YFP gen teşrih (SlnCre / +; R26YFP muhabir / +), P7.
    Not: Fentobarbital ve Robbins ve ark. tarafından açıklanan tekniği kullanarak ötenazi gerçekleştirildi 10. Ulusal Kalp, akciğer ve kan Enstitüsü (NHLBI)10,11tarafından açıklanan tekniği göre diseksiyon gerçekleştirildi.
  2. Kevin Sung vd tarafından açıklandığı gibi fare kalpleri temizleyerek bir kimyasal gerçekleştirmek 12.
    Not: kullanılan kimyasalların toksik olan aşağıdaki adımları bir duman mahallede gerçekleştirilmesi gerekiyor.
    1. 1 fosfat tamponlu tuz çözeltisi (PBS) 3 x kalpleri durulama x 10 dk için. Sonra durulama, kalpleri %4 paraformaldehyde çözeltilerine yerleştirin ve bu örnekler 4 ° C'de gecede kuluçkaya.
    2. Örnekleri % 0,5 w/v 2, 2'-Azobis dihydrochloride içeren bir % 4 akrilamid çözümde yerleştirin. Gecede 4 ° C'de kuluçkaya örnekleri sağlar. Gecede kuluçka sonra örnekleri kaldırmak ve onları için 2-3 h 37 ° C'de kuluçkaya.
    3. PBS örnekleriyle durulayın ve sonra %1.25 w/v Borik asit ve % 8 w/v Sodyum Lauryl sülfat çözeltilerine koyun. Onlar berraklaşana kadar 37 ° C'de örnekleri kuluçkaya. Bu örnek kalınlığına bağlı olarak birkaç saat sürebilir. Takas sonra örnekleri kaldırmak ve 1 gün için 1 x fosfat tamponlu tuz koyun.
    4. Çözüm Nonyonik yoğunluk gradient orta 40 g ile eşleşen bir kırılma indisi hazırlamak ( Tablo malzemelerigörmek) 0,02 M fosfat tampon (PB), % 0,1 ve 0,01 ara-%20 sodyum azid 30 ml. Sodyum hidroksit ile 7,5 pH çözüm getirmek.
  3. Temizlenen örnek jantlar 1.46-1,48 ve % 1'özel bir kırılma indisini ile yerleştirin. Örnek borosilikat cam boru içine yerleştirin ve oda sıcaklığında (23 ° C) kuvvetlendirmek özel izin.
  4. Bir 3-b motorlu translasyonel sahne hareketini denetlemek için borosilikat cam tüp takmak ve 3-b içinde örnek yönünü baskılı ABS odası ( Tamamlayıcı Şekil 1bakınız).

4. yetişkin kalp görüntüleme

  1. Bir özel kardiyak troponin T organizatörü (cTnT) ve yeşil flüoresan protein (GFP) içeren 8,7 1012 virüs türü adeno ilişkili virüs vektör 9 (AAV9) x 100-μL hacmindeki 2 aylık vahşi türü (C57BL/6) fare kuyruğu damar içine enjekte.
    Not: AAV9 Yuan vd tarafından açıklanan tekniği göre geliştirilmiştir 13. bu AAV9-cTnT-ROMK-GFP üreten böbrek dış medüller Potasyum kanal (ROMK) bağlamak GFP neden olur (bkz. Tablo malzeme).
  2. 7.5 ay-in yaş NHLBI11tarafından açıklanan tekniği göre yetişkin fare kalpleri parçalara. Adımları 3.1-3.3 kullanarak örnekleri hazırlayın.
  3. Motor kontrolörü motor aktüatör bağlayın. Aktüatör hareketini denetlemek için borosilikat cam tüp takmak ve 3-b içinde örnek yönünü ABS odası yazdırılır.
  4. Çift aydınlatma sistem tarafından oluşturulan Gauss ışını ortasına öyle örnek konumlandırın. SCMOS kamera 100 fps hızında çalıştırarak görüntüleri elde etmek.
  5. Motor kontrolörü kullanarak, örnek 1 mm eksenel yönde hareket ve sCMOS fotoğraf makinesi ile imge vasıl her 1 mm artışı elde. Tüm örnek yansıma kadar devam edin.
    Not: Sistem özel geliştirilen alet-kontrol yazılımı tarafından kontrol edilir.
  6. Alınan görüntüleri Görselleştirme yazılımları kullanarak yığını ( Tablo malzemelerigörmek). Bu görüntü yığınları ve görselleştirme yazılım14kullanarak 3 boyutlu görüntüleri geliştirin. PSF adım 2.6 ile elde edilen görüntü yığını deconvolve. Kalp kıvrımlarına gözlemlemek ve görüntüleri bu gri tonlama yoğunluk dayalı sahte renk eklemek için piksel eşik yoğunluk değeri ayarlayın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Açıklanan tekniği fare kalp doku örnekleri bir optik takas ile kombine bir çift taraflı aydınlatma ışını daha derin bir görüntüleme derinliği ve daha büyük görüntüleme birimi yeterli görüntü çözünürlüğü (Şekil 1) ile elde etmek için burada kullanılmıştır. Sistem ayarlamak için floresan boncuk cam boru içinde ve görüntüleme sistemi içinde yerleştirildi. Boncuk sonra yansıma ve x-y uçak, y-z uçak, görüntülenir ve x-z düzlemde nokta elde etmek için işlev (PSF) s...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

LSFM sistemi ve burada açıklanan tekniği kullanır onun gelişim Doğum sonrası ve yetişkin aşamasında görüntü fare kalp için bir optik temizlenmesi ile kombine bir çift taraflı aydınlatma ışını. Foton saçılma ve emilimi ile daha büyük ve kalın doku örnekleri1,3geleneksel tek aydınlatma ışını muzdarip. Çift taraflı kirişler örnek böylece şeritleme ve tek taraflı bir aydınlatma tarafından üretilen görüntüler sık görülen diğer yapıları etkisini en aza indirmek, daha d...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa gerek yok.

Teşekkürler

Yazarlar Thao Nguyen ve Atsushi Nakano UCLA'dan fareler örnek görüntü sağlamak için teşekkür etmek istiyorum. Bu çalışmada hibe NIH HL118650 (için Tzung K. Hsiai), HL083015 (için Tzung K. Hsiai), HD069305 (için N. C. Chi ve Tzung K. Hsiai.), HL111437 (için Tzung K. Hsiai ve N. C. Chi), HL129727 (için Tzung K. Hsiai) ve University of Texas sistemi yıldız (Juhyun için finansman tarafından desteklenen Lee).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
CW LazerLaserglow TeknolojileriLMM-GBV1-PF3-00300-05Floroforların uyarılması
Nötr yoğunluk filtresiThorlabsNDC-50C-4MSisteme giren ışık miktarını kontrol eder
Akromatik ışın genişleticiThorlabsGBE05-AIşık huzmesini genişletir
Mekanik yarıkThorlabsVA100CIşın genişliğini kontrol eder
Işın ayırıcıThorlabsBS013Çift aydınlatmalı huzme oluşturur
1X objektif lensli stereo mikroskopOlympusMVX10Numunenin gözlemlenmesi için kullanılır
ORCA-Flash4.0 LT sCMOS kameraHamamatsu PhotonicsC11440-42UGörüntü yakalamak için kullanılır
Akrilonitril bütadien stiren (ABS)StratasysuPrintBir numune tutucuyu 3D yazdırmak için kullanılan malzeme
Floresan polistiren boncuklarSpherotech IncPP-05-10Görüntüleme sistemi kalibrasyonu için kullanılır
Borosilikat cam boruCorningPyrex 7740Numune gömme için boru
GliserolFisher ScientificBP229-4Numune odası için doldurun
Fosfat tamponlu tuzlu suFisher ScientificBP39920Fare kalpleri için durulama solüsyonu
ParaformaldehitElektron mikroskobu bilimleriRT-15700İlk inkübasyon çözeltisi
AkrilamidWako ChemicalsAAL-107Fare kalpleri için ikinci inkübasyon solüsyonu için 2,2'-Azobis dihidroklorür ile karıştırılmış
2,2'-Azobis dihidroklorürWako ChemicalsVA-044Fare kalpleri
için ikinci inkübasyon solüsyonu için Akrilamid ile karıştırılmıştırSodyum dodesil sülfat Sigma Aldrich71725Fare kalpleri için üçüncü inkübasyon çözeltisi için Borik asit ile karıştırılmış
Borik asitFischer ScientificA74-1Fare kalpleri için üçüncü inkübasyon çözeltisi için Sodyum dodesil sülfat ile karıştırılmış
Sigma D2158Sigma AldrichD2158Kırılma indisi eşleştirme çözeltisi olarak PB, Tween-20 ve Sodyum azid ile karıştırılmış
Tween-20Sigma Aldrich11332465001Kırılma indisi eşleştirme çözeltisi olarak Sigma D2158, PB ve Sodyum azid ile karıştırılmıştır
Sodyum azidSigma AldrichS2002Kırılma indisi eşleştirme çözümü olarak Sigma D2158, PB ve Tween-20 ile karıştırılmıştır
GFP ile etiketlenmiş kardiyak spesifik bir Troponin T promotörü ile adeno ilişkili virüs vektörü 9Vector BiolabsVB2045Thorlabs'a bağlandığında GFP'yi ifade eder
Z825BNumunenin hafif levha içinde eksenel yönde hareketi için kullanılır
K-Cube Fırçalı DC Servo Motor Kontrol CihazıThorlabsKDC101Motor aktüatörüne bağlanır ve aktüatörün hareketini kontrol eder
AmiraFEI YazılımıN/A2 boyutlu ve 3 boyutlu görüntüler üretmek için görselleştirme yazılımı
, ROMK DC Servo Motor Aktüatörü

Kaynaklar

  1. Richardson, D. S., Lichtman, J. W. Clarifying tissue clearing. Cell. 162 (2), 246-257 (2015).
  2. Lee, J., et al. 4-Dimensional light-sheet microscopy to elucidate shear stress modulation of cardiac trabeculation. Journal of Clinical Investigation. 126 (5), 1679-1690 (2016).
  3. Huisken, J., Swoger, J., Del Bene, F., Wittbrodt, J., Stelzer, E. Optical sectioning deep inside live embryos by selective plane illumination microscopy. Science. 305 (5686), 1007-1009 (2004).
  4. Huisken, J., Stainier, D. Y. Selective plane illumination microscopy techniques in developmental biology. Development. 136 (12), 1963-1975 (2009).
  5. Bakkers, J. Zebrafish as a model to study cardiac development and human cardiac disease. Cardiovascular Research. 91 (2), 279-288 (2011).
  6. High, F. A., Epstein, J. A. The multifaceted role of Notch in cardiac development and disease. Nature Reviews Genetics. 9 (1), 49-61 (2008).
  7. Sachinidis, A. Cardiac specific differentiation of mouse embryonic stem cells. Cardiovascular Research. 58 (2), 278-291 (2003).
  8. Ding, Y., et al. Light-sheet fluorescence imaging to localize cardiac lineage and protein distribution. Scientific Reports. 7, 42209(2017).
  9. Tomer, R., Ye, L., Hsueh, B., Deisseroth, K. Advanced CLARITY for rapid and high-resolution imaging of intact tissues. Nature Protocols. 9 (7), 1682-1697 (2014).
  10. Robbins, N., Thompson, A., Mann, A., Blomkalns, A. L. Isolation and excision of murine aorta; a versatile technique in the study of cardiovascular disease. Journal of Visualized Experiments. (93), e52172(2014).
  11. National Heart, L., Blood Institute, Standard Operating Procedures (SOP's) for Duchenne Animal Models. , (2015).
  12. Sung, K., et al. Simplified three-dimensional tissue clearing and incorporation of colorimetric phenotyping. Scientific Reports. 6, 30736(2016).
  13. Yuan, Z., Qiao, C., Hu, P., Li, J., Xiao, X. A versatile adeno-associated virus vector producer cell line method for scalable vector production of different serotypes. Human Gene Therapy. 22 (5), 613-624 (2011).
  14. FEI, Amira User's Guide. , Konrad-Zuse-Zentrum fur Informationstechnik. Berlin. 59-138 (2017).
  15. Gao, L., et al. Noninvasive imaging of 3D dynamics in thickly fluorescent specimens beyond the diffraction limit. Cell. 151 (6), 1370-1385 (2012).
  16. Truong, T. V., Supatto, W., Koos, D. S., Choi, J. M., Fraser, S. E. Deep and fast live imaging with two-photon scanned light-sheet microscopy. Nature Methods. 8 (9), 757-760 (2011).
  17. Ding, Y., et al. Integrating light-sheet imaging with virtual reality to recapitulate developmental cardiac mechanics. JCI Insight. 2 (22), (2017).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

ift tarafl Ayd nlatmaMurin Kalp G r nt lemeCLARITY Optik effafla t rmaVentrik l Boyutu KantifikasyonuKardiyak Soy Hatt TakibiProtein yon Kanal LokalizasyonusCMOS Kamera G r nt leme3D Motorize Translasyon SahnesiK r lma ndisi E leme zeltisi