长期高分辨率活体显微镜在肺与真空稳定成像窗口

Cancer Research

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Rodriguez-Tirado, C., Kitamura, T., Kato, Y., Pollard, J. W., Condeelis, J. S., Entenberg, D. Long-term High-Resolution Intravital Microscopy in the Lung with a Vacuum Stabilized Imaging Window. J. Vis. Exp. (116), e54603, doi:10.3791/54603 (2016).

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Abstract

转移到辅助站点,如肺,肝,骨,死亡率约90%1创伤性事件。这些网站,肺是最困难的使用活体光学成像评估由于身体,细腻的性质和维持适当的生理至关重要的作用范围内的封闭位置。而临床形式(正电子发射断层扫描(PET),磁共振成像(MRI)和计算机断层扫描(CT))能够提供该组织的非侵入性的图像,它们缺乏必要的可视化的最早播种事件分辨率,与单个像素由近千细胞。肺转移播种假设当前模型只是一个肿瘤细胞的到来之后发生的事件是确定性的生存和随后的生长。这意味着,与单细胞分辨率的2实时活体成像工具,以限定播种CEL的表型是必需ls和测试这些模型。虽然已使用各种体外制剂进行肺部的高分辨率光学成像,这些实验一般是单个时间点测定法和易受工件和可能的错误的结论,由于显着地改变的环境(温度,丛生,细胞因子, 等等。 )从胸腔和循环系统3去除导致。最近的工作然而使用一真空稳定成像窗2,4,5中所示的完整的肺的那个时间推移活光学成像是可能的,典型的成像时间被限制在约6小时。在这里,我们描述了使用这种窗口历时12小时的肺进行长期活时间推移成像的协议。用这种方法得到的隔时图像的序列使在肺可视化和细胞 - 细胞相互作用的定量,膜动力学和血管灌注。我们进一步Ðescribe的图像处理技术,让肺微血管的空前明确的说法。

Introduction

高分辨率活光学成像已被证明是对理解许多生物过程,允许单细胞和亚细胞的参数被测量和量化的关键。在癌症研究,肿瘤和基质细胞的活体成像导致许多微环境相互作用6-11是仅在完整的动物本的发现。

关于体内单细胞分辨率的光学成像血管内和肿瘤细胞的传播在乳腺癌相关的微环境的发现甚至导致对预后和治疗反应的乳腺癌患者12-16新颖标记。适用于完整的内部重要器官的深处观赏的最佳成像技术是临床模式(MRI,PET,CT),它提供整个器官的美丽风景,并可以揭示病理它们产生临床症状之前也。他们无法,HH但是,揭示转移的驱动肿瘤进展的早期阶段和细胞机制由于缺乏单细胞分辨率。到时候肺转移,在这些模式可见,他们很好地建立和增殖。中的估计,90%的该到达肺要么不生存17或最初保持休眠18,它们比以前预期19,成像到达和生存的最早步骤更早到达播散的肿瘤细胞,并观察变得至关重要理解转移性接种和肿瘤生长的复发在偏远地点的过程。

表演肺这些意见已被证明不过非常困难;绝大部分影像学已经利用体外或植制剂20-23,只给个说法成单个时间点的肺。虽然这些准备工作确实提供了有用的信息细则第十五,它们不给微环境的各种部件之间发生的相互作用,因果关系,以及动态特性的完整的理解。缺乏适当的循环系统(与稳态伴随失调),并从人体的免疫系统的其余部分断开的使得它渴望来验证这些制剂在体内完整的组织产生的结论。

许多团体都进行了完整的肺2,4,5,24-33与Wearn和德国是第一个手术暴露胸膜层24和特里率先利用植入式成像窗口25的活体成像。

在肺高分辨率成像是由肺的恒定运动大大阻碍和几种技术已经开发了克服这种限制。瓦格纳和菲利浦27所研究的犬肺部的自然运动并设计了手术方案在一个相对固定的区域找到他们的植入窗口,而瓦格纳在他的窗口手术准备利用真空固定组织28。自那时以来,各种技术已被用于图像肺包括:支气管夹紧,顺序呼吸暂停和选通成像,过取样的采集,肺叶和真空34的胶合。每一种都有其优点和缺点,没有一种技术已成为优于其他34。例如,支气管夹紧和连续呼吸暂停改变气体在肺正常交流,并可能导致肺不张。门控成像和过采样收购不从这些缺点,但需要高速或专门的影像设备不普及。最后肺既胶合和真空技术避免两者上述缺点的,但是可能表现出剪切力引起的损伤,如果服务不是德恩。近年来,真空窗口已被小型化,并适于在使用共聚焦和多光子显微镜4,5,33和优异的高分辨率成像的小鼠用已经达到2。 表1概括本丰富的历史,并强调那些描述新颖的论文进步在利用活体肺显像窗口。

本协议描述在现场,完整的肺使用较长时间推移多光子活体显微镜的图像转移具有最高分辨率亚细胞可能。图像使用配备有高数值孔径物镜和多个光电倍增管(PMT)探测器多光子显微镜获得长达12小时。转基因小鼠模型被用于荧光标记天然的巨噬细胞用荧光高分子葡聚糖和荧光蛋白转染的肿瘤细胞(标记脉管和肿瘤细胞respectivel沿Y)。虽然这种选择荧光标记的细胞使肿瘤细胞,内皮细胞 - 巨噬细胞的相互作用和动态可视化,该协议将荧光或无荧光,鼠标的任何应变工作。采集后,残余漂移运动(如果有的话)是使用斐济插件35,36和自定义宏时间平均血管通道,以消除由未标记的循环血细胞闪烁引起的消除。

虽然该协议的重点成像转移,该技术适用于观察到的与在肺高分辨率单细胞成像的许多其它生物过程。

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Protocol

在本协议中所述的所有程序都按照为使用脊椎动物,包括医药机构动物护理和使用委员会的爱因斯坦医学院的事先批准的准则和条例被执行。

1.生成荧光标记的小鼠模型和肿瘤细胞

  1. 通过将0.1g的BSA用100ml的PBS混合制备100ml的0.1%(重量/体积)牛血清白蛋白/磷酸盐缓冲盐水(BSA / PBS)缓冲液。
  2. 通过稳定转染制备荧光标记的肿瘤细胞。
    注意:在这里,我们使用E0771-LG的细胞,从C57BL / 6小鼠的肺开发转移性肿瘤中分离该E0771小鼠乳腺腺癌细胞37的高转移性衍生物与亲E0771细胞38静脉内注射。
    1. 转染前24小时,板材1×10的60毫米组织培养皿5 EO771-LG细胞上2毫升antibio的抽动自由10%FBS(胎牛血清)的DMEM(Dulbecco氏改良的Eagle培养基),并在37℃和5%的CO 2。
    2. 在转染时,加入190微升减少血清的介质的前孵育荧光蛋白载体的2微克与10微升转染试剂的30分钟。
    3. 洗涤EO771-LG一旦细胞用Dulbecco氏磷酸盐缓冲盐水(D-PBS),并轻轻地添加转染混合物。
    4. 孵育在37℃,5%CO 2的6小时。
    5. 洗转染的细胞和培养在2毫升完全DMEM(10%FBS,1mM的丙酮酸,100U / ml青霉素,100微克/ ml链霉素)2天。
    6. 洗涤细胞用2ml无菌PBS,加入500μl0.25%胰蛋白酶-EDTA,并在37℃孵育2分钟。
    7. 收集细胞悬液并用至少1体积完全DMEM的混合,并在280×g下离心。
    8. 悬浮细胞在1毫升完全DMEM,扩大细胞培养成10cm的组织培养皿。
    9. 通过加入700微克/毫升G418的选择性抗生素的8毫升完全DMEM和文化的一个星期,变换媒体每三天开始转染细胞的选择。
  3. 从转染的细胞已经通过荧光激活细胞分选(FACS)39,40一直下选择在G418的充实荧光人口。
    1. 洗涤细胞用5ml PBS中并加入1.5毫升的0.25%胰蛋白酶。
    2. 孵育在37℃下2分钟,并以完全DMEM中的至少一个体积混合。
    3. 收集细胞悬浮液,在280 XG降速并在1mL的无菌0.1%(重量/体积)BSA / PBS缓冲液重新悬浮细胞。
    4. 通过40微米的筛网过滤器的细胞悬浮液,并调整体积至1ml用0.1%BSA / PBS缓冲液进行排序。
    5. 10%的人口亮基于使用流式细胞分选机41荧光光谱FACS排序。
    6. 文化的排序细胞一个星期ü升气管选择(700微克/毫升G418的完全DMEM)中。
    7. 通过流式细胞术再次重复步骤1.3.1至1.3.6重新选择荧光标记的细胞流动。
    8. 如所描述(步骤1.3.1-1.3.4)的第二轮选择,trypsinize,过滤器和后重新悬浮在0.1%BSA / PBS的细胞。调整浓度至2×10 6个细胞/ ml的单细胞分选到使用FACS分拣机96孔板中。
    9. 3-5准备96孔板用100微升完全DMEM的收集。要排序后提高生存率,从那里EO771-LG细胞生长42菜肴加100微升过滤的培养基。
    10. 将细胞分选到96孔板后,返回细胞培养2天(37℃,5%CO 2)。
    11. 通过检查在5倍放大在倒置显微镜下识别与可行的单个克隆的孔中。
    12. Trypsinize和扩大可行的克隆,冷冻细胞进行备份。
      1. 用洗井克由于用100μl无菌PBS的克隆。添加0.25%w / v的胰蛋白酶50微升,并且在37℃下孵育2分钟。加入50μl完全DMEM的并转移到无菌的V形底或圆底96孔板在280 xg离心降速5分钟。
      2. 悬浮细胞在100μl700微克/毫升G418的完全DMEM的和板在12孔板的每个克隆。加入400微升完全DMEM与G418和文化直到融合。
      3. 洗孔用500μl的PBS中,添加100μl的0.25%胰蛋白酶并在37℃下孵育2分钟。加入100μl完全DMEM和降速在280×g的5分钟。重悬的细胞在100微升与在6孔板直到汇合G418和板细胞完全DMEM的。
      4. 一旦汇合,trypsinize细胞,降速重悬在FBS 10%DMSO冷冻细胞股票。
      5. 保持在培养的细胞悬浮液的1/10通过在100mm组织培养皿镀他们的转移潜能的评估。
  4. 测试选择的克隆转移潜能。
    1. Trypsinize并重新悬浮在盐水中的细胞以2.5×10 6个细胞/ ml的浓度,并通过尾静脉注射200微升到C57BL / 6小鼠静脉内。
    2. 2周后,收集肺组织,如前所述23和由表面计数或体视方法43量化肿瘤负荷。选择具有高转移潜能的活体成像的克隆。
  5. 提高MacBlue(髓系特异性启动子驱动青色荧光蛋白(CFP)的表达(CSF1R -GAL4VP16 / UAS-ECFP 16))记者44只。
    注:通常,使用8至12周的小鼠,但早在7晚20星期过测试工作,以及老鼠。

2.多光子显微镜设置和成像准备

注:虽然可以在任何m处执行这个协议ultiphoton显微镜,用于获取在这个协议中所示的数据的系统进行了详细45如前所述。

  1. 打开所有显微镜和激光组件,包括双光子激光器和检测器前方的期望的成像时间至少一小时。
  2. 刚好手术前,通过只是在显微镜之前放置光功率计的头部中的光束路径测量的光输入到显微镜的功率,并调整激光端腔镜旋钮直到在880纳米的最大的光强度被读出上光功率计。

3,真空系统设置

  1. 胶盖玻片到成像窗口(参考图1)与腈基丙烯酸酯。允许至少4小时的胶水完全干透。
    注意:此步骤也可完成的时间提前。
  2. 切100μl的移液管尖端在与小开口的第一行和未切割的一端连接到薄vacuum软管。
  3. 根据图1补充图2连接的真空系统。
  4. 用在真空和开放端受阻,调整为<3英寸汞柱的真空调节器。
    注:真空度的最终调整,将通过体内脉管的观察来进行的。
  5. 申请石油油脂的薄膜的成像板,以防止物镜浸没介质从由成像板被邪恶远的下侧。
  6. 放置在显微镜舞台成像板。
    注:定制成像板( 参考图3)是1/8的片“厚的铝加工既适合在阶段插入空间并在中心的通孔,用于保持所述成像窗口。
  7. 插入所述真空窗口与盖玻片向下成像板。
  8. 消毒所有表面和仪器,包括成像舞台板,和成像双赢陶氏用70%的乙醇。
  9. 连接枪头到真空窗口的切割端和胶带将软管向下到成像板。
  10. 使物镜靠近成像窗口,并将客观和盖玻片之间的大滴的水。
  11. 保证有通过阻断真空窗口的中心开口并验证目标和盖玻片之间水滴不会被吸出从盖玻片没有泄漏。
    注:放置在窗户的老式电脑鼠标球是堵塞中央开口有用。

4.手术

  1. 准备无菌手术区。
    1. 将所有仪器近在咫尺。消毒所有表面和仪器,包括手术区,并用70%乙醇外科手术工具。
  2. 领带2-0缝合3英寸长的导管,¼英寸带双结套以上。
  3. 准备尾静脉导管FOL由哞哞叫哈尼 46公布的协议。
  4. 使用红外(IR)加热灯,温暖的动物在笼子里〜5分钟,以增加尾静脉血流,并在导管插入帮助。建议保持动物温热至生理温度在整个使用一个加热灯或变暖垫手术过程。
  5. 麻醉用5%异氟醚的动物和验证是否有一个脚趾捏没有反应。
  6. 适用眼药膏动物的眼睛。
  7. 申请脱毛洗剂为10-30秒以从动物的左侧移除毛发;从胸部的中线到后面的四分之一,并从腋下到略低于胸腔。
  8. 清洁任何多余的洗剂和消毒用70%酒精暴露的皮肤。
  9. 附加填充有PBS中至尾静脉导管的无菌注射器,并代替继哈尼等人公布的协议插入和磁带 46。确保胶带被牢固地附着在针本身并没有在尾部和带之间的间隙自由。
  10. 插管鼠标以下或者通过Das等 47或由杜佩奇等人公布的协议。48
  11. 打开呼吸机,并设置成每分钟呼吸135和200微升异氟醚氧混合物。
  12. 气管导管连接到呼吸机。
  13. 将鼠标移动到手术区。要格外小心不打跑导管。
  14. 领带的门牙周围下鼠标的鼻子2-0缝线。
  15. 胶带将导管吻。
  16. 大盘的左前肢的导管,以保持它的手术野。
  17. 降低异氟醚麻醉2.5%的原有水平,并确认有一个脚趾捏没有反应。
  18. 使用锋利的剪刀,拆下左胸壁皮肤上方1厘米2。
  19. 电梯ŧ他乳腺脂肪垫和烧灼任何裸露的血管有烧灼笔。
  20. 用锋利的剪刀切除脂肪垫。
  21. 通过用锋利的剪刀切割除去肌肉层向下到肋笼。注意不要切腋静脉运行在前肢的基地。
  22. 使用镊子抓住并提起 6肋骨。使用以浅角度保持的锋利的剪刀(〜5°)切割肋邻近皮肤的开口的边缘。要格外小心,不要触摸暴露的肺组织。
  23. 加宽在胸壁的开口通过除去四个连续的肋,以暴露整个肺叶。
    注意:从胸骨保持开口至少5mm,以避免心脏。
  24. 小心地抓住尾巴和气管导管解除鼠标和鼠标移动到显微镜成像阶段。
  25. 与真空断开,填充用PBS真空窗口的腔室。
  26. 反转鼠标和定位曝光肺在真空成像窗口。
  27. 在真空慢慢转用球阀汞约3-5英寸。
  28. 将在取得一半以上的鼠标和磁带到舞台板的胸前两次纸巾的限制安全带所示参考图2。
  29. 剪辑脉搏血氧仪的大腿传感器动物的大腿上,并启动该软件。
  30. 在舞台上放置的环境室并打开热能来维持鼠标在生理温度。
  31. 减少异氟醚的水平1-1.5%维持麻醉,维持血流。

5.活体成像

  1. 使25×0.95数值孔径(NA)的物镜靠近盖玻片并在它们之间添加一大滴的水。
  2. 使用表面荧光模式,查看FITC通道,并把肺组织成为关注的焦点。
  3. 如果没有前做完手术,我nject肿瘤细胞通过尾静脉导管。
    1. 断开尾静脉导管PBS注射器。
    2. 装载用100μl的肿瘤细胞悬浮液(2×10 7个细胞/ ml在PBS中的最大值)的无菌注射器。
      注:该步骤可预先进行研究在不同时间点肿瘤细胞到达肺。
    3. 与肿瘤细胞的注射器连接到尾静脉导管。
    4. 缓缓注入肿瘤细胞到尾静脉。
    5. 断开与从尾静脉导管的肿瘤细胞中的注射器。
    6. 重新连接PBS注射器尾静脉导管。
      注:注入葡聚糖当它变得难以通过注射后眼来区分从葡聚糖信号肿瘤细胞之前确定所有的肿瘤细胞的位置。
  4. 定位的肿瘤细胞将图像
    1. 成像个别肿瘤细胞,找到所有的肿瘤细胞,并记录他们与日地点软件电子多点面板。
      1. 通过显微镜观察眼肿瘤细胞找到全部视野图像。
      2. 在软件中,通过点击多点按钮切换到多点面板,并通过点击添加位置按钮存储单元的位置。
    2. 对于镶嵌影像,找到镶嵌的起源和设置成像坐标
      1. 定位在结构的左上角的位置上被捕获。
      2. 零通过按压阶段控制器上的“零”键台上的x,y和z坐标。
      3. 通过点击“Load”按钮,然后选择列表加载了马赛克坐标相应的列表。
        注:对于一个2×2马赛克的视图500μm的场的20%的重叠的例子清单将是:POS.1 =(0,0),位置。 2 =(400,0),波什。 3 =(0,400),波什。 4 =(400,400)。
  5. 取下注射器W¯¯第i个的PBS在尾静脉导管和替换用含有葡聚糖的注射器。
  6. 缓缓注入高达100微升的20毫克/毫升155 kDa的罗丹明 - 葡聚糖经尾静脉导管溶解在PBS入小鼠,随后通过注射50μl的无菌PBS冲洗线。不引入任何气泡成线。必要时,注入葡聚糖癌细胞注射后至少一小时,使施用至小鼠的总体积不超过4毫升/千克/小时。
  7. 设置成像参数。
    1. 切换显微镜多光子模式。
    2. 通过点击定时信号按钮,更新缩放系数字段设置变焦2倍的一个因素。
    3. 调整激光功率,以〜10%(〜在样品10-15毫瓦)通过点击探测器和激光按钮,然后调整海啸电源滑块10。
  8. 图像中的每个位置,以验证肿瘤细胞的存在和可视化的vascu流动和完整性lature。
    注:船舶用流动的红细胞出现充分灌注和荧光葡聚糖应该包含在血管内无渗漏到血管外空间。约10 - 20肿瘤细胞有望成为真空窗口的透明孔径内。
  9. 调整每个位置的起始深度要成像。
    1. 对于每个位置,调整由阶段控制器上的调焦旋钮旋转到图像的肿瘤细胞的顶片的z轴位置。
    2. 细胞中的视场的中心的位置。
    3. 点击多点按钮,点击视野的位置以突出显示它,然后单击添加随后删除按钮来代替多点列表中的单元格的存储位置。
    4. 目视观察在每个位置上的肿瘤细胞的相对亮度。
  10. 通过点击在多点面板的保存按钮保存每个小区的新的位置d指定文件名。
  11. 对于个别肿瘤细胞成像,挑选大约相当于亮度的三个单元,并通过点击自己的位置,在列表中,然后点击删除按钮删除多点列表中的所有其它位置。
  12. 点击探测器和激光按钮和调整滑块为绿色和红色通道45这样的光电倍增管的增益,该信号低于饱和。
  13. 调整滑块蓝色通道45,巨噬细胞出现青色。
    注意:任何二次谐波信号将只出现在蓝色通道,并且可以从青色的巨噬细胞通过以下信道减法过程来分离先前所述45。
  14. 设置Z堆栈开始深度为0微米和最终深度为24μm分别移动Z阶段的位置并点击开始和结束按钮。
    注:此深度范围内的细胞将具有最佳信号而被可视化噪声和分辨率。
  15. 的Z步长设置为3微米。
  16. 设置以下参数的摄像参数先前描述45,49。
    1. 对于个别肿瘤细胞的影像,点击定时信号按钮,然后输入4 V输入缩放系数场(相当于1.5倍的变焦因子),输入3到帧的平均场,然后点击时间推移按钮,输入10入定时字段。
      注意:这些设置将收购1帧每3秒。
    2. 对于镶嵌影像,点击定时信号按钮,输入1.5V的缩放因子(相当于4倍的变焦系数),帧平均数输入3,然后点击时间推移按钮,然后输入10到时间经过时间延迟场。
      注意:这些设置将收购1帧每3秒。
  17. 启用通过点击其按钮多点,Z堆栈和T-推移成像模式。
  18. 按录制按钮来获取图像。
    不E:肺组织非常娇嫩,容易受到光损伤。如果在成像场的时间推移成像血流停止后,该激光是最有可能过高和随后的其它领域的成像必须在较低的功率来完成。
  19. 每30-45分钟,慢慢注入50μl的PBS或生理盐水,以保持动物的水合。

6.安乐死

  1. 增加异氟烷%至5%。
  2. 保持5%异氟醚下的动物,直到30秒它停止呼吸,从舞台上拆下后的动物。
  3. 执行颈椎脱位,以确保完全安乐死。

7.图像分析

  1. 对于单细胞成像实验:
    1. 将图像载入斐济和其格式为Hyperstack。
    2. 在Hyperstack每个Z-片,玩的时间间隔电影,寻找残留的XY移动。如果发现残留的XY移动,适用叫StackReg 36插件在堆栈中,消除运动。
  2. 对于镶嵌成像实验:
  3. 将图像载入斐济和通过打开马赛克拼接宏(补充代码文件马赛克拼接),并输入信息有关的图像,如目录,文件基本名称,X和Y字段的镶嵌数和人数它们拼接片和时间点。
    注:由于Java的如何解释目录,文件夹名称必须有两个反斜线作为分隔符的子文件夹。由于内置插件成对拼接的限制,基本文件名称不得包含任何破折号。
  4. 为了获得脉管系统的界限的清晰视图,所有血液通道的时间点的平均值连成一个单一的形象,然后复制这个图像为背景的电影中其他渠道的每一帧。
    注:这是通过简单的运行进行血液平均宏观完成(补充代码文件进行血液平均)。
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Representative Results

为了证明可以用这种方法可以实现的结果的类型,我们注射标记有荧光蛋白三叶草成MacBlue小鼠44的尾静脉在手术前不同时间点E0771-LG的肿瘤细胞。手术后,155 kD的罗丹明标记的葡聚糖注射IV标记进行血管和时间推移成像。

当成像的小鼠后24小时注射,单细胞是血管内可见,与巨噬细胞和单核细胞相互作用。这种情况的一个例子示于图2A( 参考电影1)。在这里,在肺血管12微米深递交的孤肿瘤细胞(绿色)的一个单一的光学部分被成像在5小时和20分钟,因为它瞬时与居民的巨噬细胞(青色)相互作用。脉管由高分子葡聚糖标记。的稳定性成像是使得该场的顺序Z堆叠成像能够获取和一个3维重建可制成( 图2B, 参考电影2)。

在协议为镶嵌成像中描述的显微镜设置使用允许比的视图中的单个场更大的结构的成像。例如, 图3显示采集单个转移性病灶的12天后注射。这5×5镶嵌显示的视图超过205分钟,在15的890微米字段( 图3A,左面板;补充电影3)肺的表面下和25微米( 图3A,右图)。尽管视场大,构成镶嵌底层帧的高分辨率使得亚细胞事件,例如单细胞的有丝分裂的捕获由染色体分离( 图3B中,参考所证明电影4)。

高分子量的血管内注射荧光标记的血管腔的标记葡聚糖的结果,但是未标记循环红细胞和白细胞阻塞葡聚糖。在肺的小毛细血管闭塞完成导致葡聚糖信号的闪烁和脉管边界定义的损失( 图4,左边; 补充电影5)。由这个协议所提供的高空间稳定性允许血液流路的时间平均化,不模糊的,从而恢复暂时闭塞。其他的信号通道然后可以对血管覆盖,以提供容器边界( 图4,右; 补充电影6)一个明确的说法。

图1
1: 真空系统的布局屋真空被利用,并设置为与一真空调节器定义的水平。一个捕获烧瓶中体液防止监管真空系统的污染。薄的柔性管传送真空到一个枪头切装配到成像窗的真空口。成像窗口是配合到成像板保持其相对于显微镜物镜位置稳定性的凹槽。 请点击此处查看该图的放大版本。

图2
图2: 在肺癌单细胞成像 (A)仍然由在肺毛细血管床的单个肿瘤细胞的时间推移电影尾静脉后24小时注射。 (红色=血管,绿色=肿瘤细胞,青色=巨噬细胞)(B)的稳定的成像允许成像数据的三维重建一段时间。血管已经为了清楚时间平均。 (红色=血管,绿色=肿瘤细胞,蓝色=巨噬细胞)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图3
3: 龙的稳定性允许高分辨率,显示成像的大视场中的龙的连续采集和拼接在一起的多个低倍率场 (A)5×5拼接显示的视图的一个890微米场一个转移灶的肺肿瘤细胞的尾静脉注射在15微米的肺表面下采取后12天(左图)。右图显示了在25微米的肺表面下同转移性病灶。 ( )个人高分辨率领域显露亚细胞过程,如染色体排列(黄色箭头)和细胞分裂过程中分离(红色箭头)。 请点击此处查看该图的放大版本。

图4
图4: 标记高分子葡聚糖标记血管的管腔将荧光血管内注射除了当未标记红细胞和其他循环细胞堵塞荧光信号 (A)闭塞导致一个不完整的标签而移动在时间上产生了闪烁的效果遮蔽血管边界。 ( )高真空窗口的空间稳定性允许血液通道进行时间平均,填充在临时遮挡并清楚地限定容器的边界。然后其它通道没有被覆盖的平均。 请点击此处查看该图的放大版本。

第一作者/最后作者动物手术成像类型笔记
1926年 Wearn&德语胸壁削减到胸膜层。第二开口穿过膈肌下降到胸膜照明的。 明亮的视野显微镜。 第一“窗口”,通过胸腔壁。
1939年特里猫排骨在分开的,1。窗植入,空气与真空去除胸部。 双目和皮肤显微镜使用偏振照明。 首先植入的光学窗口。二手真空吸取组织到窗口。
1963年德·阿尔瓦·莱纳 - 兔&狗一个或两个肋骨切除中1。插入窗口缝合胸壁。皮肤关闭了窗口,并允许愈合的动物。成像前,皮肤解剖暴露窗口。 通过低MAG(11X)客观二手高速频闪摄影奖。 首先生存窗口。
1965年瓦格纳与菲利浦小狗右前肢取出,一根肋骨切和窗口插入并缝合。 反射镜与22X目标。 一是相对运动免费窗口而不真空。
瓦格纳小狗一个肋是在切除,3。窗口植入。在窗口螺纹法兰螺丝,形成密封胸壁。 明场显微镜具有高倍率100X油浸物镜。 第一个窗口使用真空来稳定组织运动。
1992年格罗 - 戈茨一根肋骨切除中,1.2窗口植入。在窗口螺纹法兰螺丝,形成密封胸壁。真空应用。 啶显微镜与25X目标。 第一次使用与落射荧光真空窗口。
1994年芬加和威曼大鼠 2肋骨切除中,1。窗口植入缝合胸壁和皮肤。 啶显微镜与40X目标。 大鼠首先生存窗口。
2000 Funakoshi与三井老鼠整个胸壁取出。真空吸环连接到右肺。 共聚焦显微镜使用20倍的目标。 在小鼠中首先采用真空窗口。
2005年拉姆和Glenny 大鼠整个胸壁去掉,1。连接到肺窗。 反思与啶显微镜用20倍的目标。 大鼠首先采用真空窗口。
2008年田渊&Keubler 老鼠 3肋骨切除,塑料薄膜适用于开放封在胸壁洞。空气通过胸腔置管取出。 啶显微镜与20X目标。 先用塑料薄膜密封在胸壁开。

表1:杰韦利的历史考察活体肺显像的Windows opment。许多新的活体肺显像窗户已经发展了很多年的最近期被小型化的小鼠使用,采用了稳定的组织和真空获得足够高的分辨率必须能够揭示亚细胞的细节。

参考图1:设计的真空成像窗口的图纸 ,请点击此处下载这个数字。

补充图2:真空安装的照片 请点击这里下载这个数字。

参考图3:设计Drawi舞台板插入的NG ,请点击此处下载这个数字。

参考图1
补充电影1:图2A剧照电影 (点击下载)。

补充图2
补充移动2:如图2B所示出不同的视角和发展随着时间的推移三维重建的电影 (点击下载)。


补充电影3:在15微米以下肺表面如图3A所示5x5的拼接电影 (点击下载)。

补充图4
补充电影4:在图3B中描绘发生在肺中有丝分裂的单个细胞的电影 (点击下载)。

补充图5
补充电影5:图4的电影,呈现闭塞和f左侧面板绑扎。(右键点击下载)。

补充图6
补充电影6:图4的电影,可见血液平均后的血管清晰的复苏右侧面板 (右键点击下载)。

补充代码文件:马赛克拼接 请点击这里下载此文件。

补充代码文件:执行血液平均 请点击这里下载此文件。

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Discussion

体内光学成像用荧光标记的功能标记,如蛋白质和抗体结合高分辨率急剧增加了转移级联的理解。它使直接可视化和单细胞,并在肿瘤细胞中的亚细胞参数,宿主细胞及其微环境的定量。原发性肿瘤内这种成像已经导致,例如,到离散的微环境是支持或者生长侵袭或传播6,7的发现。在入侵的情况下, 在体内成像揭示巨噬细胞和肿瘤细胞的共的迁徙流的在血管内7,50优先的作用。

在辅助站点,如肺,了解肿瘤细胞行为的动态转移时的最初阶段,包括微预苗期时,肿瘤细胞单和小团体到达,与血管内皮相互作用,将只使用高分辨率光学成像来实现。标准临床成像方式不必可视或者毛细血管床的精细结构或小区中的单细胞分辨率的形态和相互作用所需要的分辨率。在这个协议中提出的成像技术完成这一艰巨的任务。

活体成像的窗户,例如通过保持适当肺生理包括灌注,连接到免疫系统,并提供比蜂窝动力学只是静态视图更加表1提供超过离体肺的制剂中列出的显著优势的。真空稳定窗口中特别报价的组织稳定的水平,其允许获得高度为注册图像,使三维重建( 图2B)和用于视图镶嵌成像大视场的能力( URE 3A)。连同这些提供了一系列的意见肺,从中给出了组织形态,以至于甚至可以揭示染色体分离和鉴别休眠除以肿瘤细胞( 图3B)的子细胞美景的组织学类型低倍率的观点。多个采集通道允许几个细胞类型和它们之间的相互作用可以同时可视化( 图2A)。

尽管该协议确实需要一些专业技能,实践和注意一些关键步骤,并指出将提高到12小时的程序和成像时代的成功率可以预期。它是要确保肺组织是公集中于该窗口(步骤4.25)是至关重要的。这确保了真空跨肺组织(步骤4.27),均匀地和完全应用。失败居中组织将导致组织的运动。约束线束( 参考图2)被用来吨Ø减少在自然呼吸的动物采取诱导肋间肌的收缩运动。它应该在鼠标贴身,而不是压缩胸部。过分压缩力压所有肺的裂片以及心脏和结果在小鼠的降低的存活力。如果没有观察到葡聚糖注射(步骤5.8)后流入的肺血管,肺组织或处理不当手术期间损坏或真空水平过高。降低由0.5-1英寸汞柱的真空可以尝试以查看是否恢复流动。如果未恢复的流动,或者如果有流,同时葡聚糖extravascularly观察,肺组织已经在该区域损坏,这将是必要的图像的视图不同的字段。在成像区域适当血流的维护以确保适当的生理正在测量重要。由于氧气从肺泡内通过输精管供给至组织,而不是culature,缺血缺氧的可能性不大。仍然,unperfused脉管可以潜在导致改变氧气/ CO 2水平,也将防止到达感兴趣组织循环白细胞。流动的红细胞的可视化可以用作适当的肺功能的指示。肺组织很细腻,也容易受到光损伤。如果在成像场的时间推移成像血流停止后,该激光是最有可能过高和随后的其它领域的成像必须在较低的功率来完成。我们采用GFP或三叶草(其中有四次平均亮度)转染的细胞时,发现10-15〜毫瓦产生足够明亮的图像,而不光损伤的样本。为荧光蛋白最小亮度水平高度依赖于显微镜参数,并在细胞中的表达水平和必须凭经验测试。

在这个协议中,肿瘤细胞都贴有一个光明的胞浆MIC荧光蛋白,提供细胞体和排除蛋白质( 核)的细胞内空间的一个明确的说法。巨噬细胞通过利用转基因小鼠模型的同源肿瘤细胞标记。贴标两种类型的细胞使他们的实时直接交互的可视化。成像的持续时间延长允许的频率,持续时间和程度与癌细胞与巨噬细胞的生理相关上下文相互作用的定量。

当正确地进行,此过程使运动自由,多通道,高分辨率,单细胞成像的完整肺长达12小时的时期。如25X 0.95NA和多光子的能力对电子变焦的使用高数值孔径物镜的允许看到迄今肺中的最高分辨率的光学成像。

血管内注射荧光,高分子葡聚糖PErforms标记血管空间和验证其完整性的双重作用。 155 kDa的葡聚糖是用来防止扩散通过interendothelial空格。缺乏血管流或血管渗漏到血管外空间中的任何迹象表明该组织损伤,由于处理不当或过度的真空。

最后,独特的图像处理技术可以用于所有以本协议的高空间稳定性的优势。因为未标记的红细胞和其它白细胞排除荧光葡聚糖当它们通过毛细管,该信号可以随时间进行平均以消除他们创建的闪烁。这提供了一个良好定义的脉管的视图没有其他可能。

这种技术的局限性包括手术,其中它的这削弱了动物疾病研究使用潜在的复杂的侵入性( 晚期转移性癌,急性镰状细胞性贫血),并且这限制了它使用一个单一,尽管长(长达12小时的事实,即外科手术是终端),成像会话。此外,由于在成像会话和小鼠51的低肝糖原储备的持续时间长,葡萄糖补充剂可给予,以避免在实验偏差的潜在来源。

该协议可能被与任一代替或除了右旋糖酐以标签的其它结构或细胞类型,实时注射荧光标记的抗体修饰。这将扩大分析和直接可视化实时肿瘤细胞宿主细胞相互作用和动态解剖肿瘤微环境的能力。

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Materials

Name Company Catalog Number Comments
Nickel-Plated Brass Vacuum Regulator 1/8 NPT Female, w/ Gauge, 0 - 20" Hg Vacuum McMaster Carr 4172K12  Vacuum Regulator
Brass Barbed Hose Fitting Adapter for 1/4" Hose ID X 1/8" NPTF Male Pipe McMaster Carr 5346K13 Vacuum Regulator Hose Adapter
Pyrex Brand Filtering Flasks with Tubulation; Neck tooled for rubber stopper No. 4; Capacity: 50 ml Corning Life Sciences Glass 5360-50 Vacuum Flask
Round Glass Coverslips Thickness #1.5, 0.16 - 0.19 mm 10 mm dia.  Ted Pella, Inc. 260368 Cover slips
Exel International Disposable Safelet I.V. Catheters; 22 g x 1 in.  Exel International 26746 Tracheal Catheter
PERMA-HAND Black Braided Silk Sutures, ETHICON LIGAPAK Dispensing Reel Size 2-0 VWR 95056-992 String
Liquid Super Glue, Clear, 0.14 oz Hendel Corp. LOC1647358 Cyano-acrylate Glue
Tetramethylrhodamine isothiocyanate–Dextran Sigma-Aldrich T1287-500MG 155 kD Dextran
Laboratory Clear Tygon PVC Tubing, 1/16" ID, 1/8" OD, 1/32" Wall Thickness, 25 ft. Length McMaster Carr 5155T12 Thin Tubing & Tubing for Luer
Crack-Resistant Polyethylene Tubing, 1/8" ID, 1/4" OD, 1/16" Wall Thickness, White, 50 ft. Length  McMaster Carr 5181K24  Thick Tubing
Depillatory Lotion Nair -
Micro Medical Tubing 95 Durometer LDPE Scientific Commodities Inc. BB31695-PE/1 Tubing for tail vein catheter
30 G x 1 in. BD PrecisionGlide Needle BD 305128 Needles for tail vein catheter
Puritan Nonsterile Cotton-Tipped Swabs  Fisher Scientific 867WCNOGLUE
Clear Polycarbonate Barbed Tube Fitting, Reducing Straight for 3/32" x 1/16" Tube ID McMaster Carr 5117k51 Connectors between tubes
One-Hole Rubber Stoppers Fisher Scientific 14-135F Stopper for Vacuum Flask
SHARP Precision Barrier Tips, For P-100, 100 µl Denville Scientific Inc. P1125 Pipette Tip
Laboratory tape Fisher Scientific 159015R
Puralube Henry Schein Animal Health 008897 Opthalmic Ointment
Gemini Cautery Kit Harvard Apparatus 726067 Cautery Pen
Graefe Micro Dissecting Forceps; Serrated; Slight Curve; 0.8 mm Tip Width; 4" Length Roboz Surgical RS-5135  Forceps
Extra Fine Micro Dissecting Scissors 4" Straight Sharp/Sharp 24 mm Roboz Surgical RS-5912 Sharp Scissors
Micro Dissecting Scissors 4" Straight Blunt/Blunt Roboz Surgical RS-5980 Blunt Scissors
Wipes Fisher Scientific 06-666-A  Harness
PhysioSuite System Kent Scientific PhysioSuite Vitals Monitor
1 ml Syringe, Tuberculin Slip Tip BD 309659 Syringe
Cyano acrylate Staples LOC1647358 Cover Slip Adhesive
Petroleum Jelly Fisher Scientific 19-086291 Water Barrier
Adapter Luer Cannulla 1.5 - 2.2 mm Harvard Apparatus 734118 Catheter Connector
PhysioSuite MouseSTAT pulse oximeter Kent Scientific Pulse Oximeter
Isoethesia (isoflurane) Henry Schein Animal Health 50033 250 ml
Oxygen TechAir OX TM
1x PBS Life Technologies 10010-023
PVC Ball Valve, Push to Connect, 1/4 In Grainger 3CGJ7 Vacuum Valve
Small Animal Ventilator Harvard Apparatus 683 Alternative is available from Kent Scientific: MouseVent
OptiMEM Reduced Serum Medium ThermoFisher Scientific 31985062 
Lipofectamine 2000 Transfection Reagent ThermoFisher Scientific 11668019
MacBlue Tg(Csf1r*-GAL4/VP16,UAS-ECFP)1Hume/J Mice Jackson Laboratory 026051 
Multiphoton Microscope Olympus Fluoview FV1000 Alternative to custom built scope
Environmental Enclosure Precision Plastics Chamber for FV1000 Alternative to custom built enclosure
Phosphate Buffered Saline ThermoFisher Scientific 14190136
Laser Power Meter Coherent FieldMaxIITOP
Laser Power Meter Head Coherent PM10
pcDNA3-Clover Fluorescent Protein Vector Addgene 40259
G418 Sulfate Selective Antibiotic ThermoFisher Scientific 10131027
MoFlo Fluorescent-Activate Cell Sorter  Beckman Coulter XDP
Trypsin EDTA 1x Corning 25-052-Cl
40 µm Mesh Falcon 352235
96 Well Plate Costar 3599
60 mm Culture Dish Corning 430196
10 cm Culture Dish Corning 353003
Bovine Serum Albumin Sigma-Aldrich A4503
Dulbecco's Phosphate Buffered Saline 1x Corning 21-031-CV
C57BL/6J Mouse Jackson Laboratory 000664 
Kim Wipes Fisher Scientific 06-666-A 

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