В настоящем исследовании описаны основанные на децеллюляризации методики визуализации и количественной оценки отложения внутримышечной жировой ткани (IMAT) через интактный мышечный объем, а также количественная оценка показателей отдельных адипоцитов, составляющих IMAT.
Жировая инфильтрация представляет собой скопление адипоцитов между миоволокнами в скелетных мышцах и является характерной чертой многих миопатий, метаболических нарушений и дистрофий. Клинически в человеческих популяциях жировая инфильтрация оценивается с помощью неинвазивных методов, включая компьютерную томографию (КТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ) и ультразвуковое исследование (УЗИ). Несмотря на то, что в некоторых исследованиях использовалась КТ или МРТ для количественной оценки жировой инфильтрации в мышцах мышей, стоимость и недостаточное пространственное разрешение остаются сложной задачей. Другие методы мелких животных используют гистологию для визуализации отдельных адипоцитов; Однако эта методология страдает от систематической ошибки выборки при гетерогенной патологии. Этот протокол описывает методологию качественного просмотра и количественного измерения жировой инфильтрации комплексно по всей интактной мышечной мышце мыши и на уровне отдельных адипоцитов с помощью децеллюляризации. Протокол не ограничивается конкретными мышцами или конкретными видами и может быть расширен на биопсию человека. Кроме того, валовая качественная и количественная оценка может быть проведена с помощью стандартного лабораторного оборудования за небольшую плату, что делает эту процедуру более доступной для исследовательских лабораторий.
Накопление адипоцитов между миоволокнами в скелетных мышцах является характерной чертой различных заболеваний, от диабета 2 типа до саркопении и травм опорно-двигательного аппарата 1,2,3,4,5,6,7. Комплексная оценка этой внутримышечной жировой ткани (ИМАТ) имеет решающее значение для понимания патогенеза этих состояний, поскольку отложение ИМАТ сильно коррелирует с резистентностью к инсулину 3,8,9,10 и плохой функцией скелетных мышц 11,12,13,14,15 . Несмотря на то, что эти связи отмечались на протяжении десятилетий, механизмы, связанные с IMAT и их происхождение, до сих пор остаются предметом интенсивных исследований. Отчасти это связано с тем, что большинство исследований, оценивающих жировую инфильтрацию скелетных мышц, были проведены на людях, где механистические исследования ограничены16,17. Тем не менее, в последнее время модели мелких животных, включая мышей, были использованы для того, чтобы помочь точно определить клеточную регуляцию развития IMAT и передачи сигналов18,19,20. Эта работа направлена на предоставление нового инструмента для использования на моделях мелких животных для качественной визуализации и количественной оценки жировой инфильтрации скелетных мышц.
Клинически в человеческих популяциях жировая инфильтрация оценивается с помощью неинвазивных методов, включая компьютерную томографию (КТ)6,21, магнитно-резонансную томографию (МРТ)16,17,22,23 и ультразвуковое исследование (УЗИ)17,24. Эти методы визуализации, как правило, определяют определенную область интереса (ROI) в мышце и получают срезы изображения в этой области, хотя также используются комплексные подходы25,26,27. Эти фрагменты изображения подвергаются качественной цветокоррекции6 и количественно оцениваются с помощью пиксельного порога28. Аналогичные подходы применялись у животных ранее29,30; Однако они дорогостоящие и требуют доступа к системам визуализации мелких животных. Пространственное разрешение с помощью КТ и МРТ также представляет собой серьезную проблему, поскольку они не могут разграничить адипоциты IMAT от скелетных мышечных волокон внутри воксела и вместо этого полагаются на субъективное разделение преимущественно мышечных областей и в первую очередь областей IMAT31,32. Таким образом, неспособность точно идентифицировать жировую или мышечную ткань также приводит к неточным количественным определениям репрезентативных количеств этих тканей.
Из-за этих ограничений современные методы оценки жировой инфильтрации скелетных мышц на моделях мелких животных чаще всего полагаются на гистологию в качестве недорогой и доступной альтернативы33,34. Стандартные процедуры окрашивания, включая гематоксилин и эозин (H&E), масляно-красный O (ORO) и иммуноокрашивание маркеров адипоцитов, таких как перилипин, позволяют легко обнаруживать и визуализировать адипоциты, содержащие жировую инфильтрацию в мышцах. Однако гистологические подходы редко бывают всеобъемлющими, и, как правило, качественная или количественная оценка IMAT ограничивается одним разделом34. Экстракция липидов также использовалась для количественного определения общих липидов мышц35; однако этот метод не позволяет провести различие между интрамиоцеллюлярными запасами липидов (IMCL) и внутримышечными запасами жировой ткани (IMAT)36. Подводя итог, можно сказать, что существующие методики визуализации и количественного определения жира в мышцах по-прежнему ограничены либо финансовыми затратами, либо специфическим выявлением IMAT.
В данной статье мы подробно опишем методику оценки жировой инфильтрации скелетных мышц как путем качественной визуализации, так и с помощью многомасштабной количественной оценки. Эта методика использует простую технику децеллюляризации, которая удаляет миоцеллюлярные структуры, включая IMCL, но сохраняет более крупные липидные капли, полученные из адипоцитов IMAT, нетронутыми. Валидация специфичности этого метода была опубликована37, в том числе с использованием липидной экстракции, чтобы показать истощение IMCL при децеллюляризации, μCT для демонстрации сохранения паттерна IMAT при децеллюляризации, и гистологии, чтобы показать аналогичное распределение липидных капель IMAT по размерам по сравнению с теми, которые идентифицированы при децеллюляризации. После децеллюляризации мышцы могут быть окрашены жирорастворимыми красителями для качественной визуализации рисунка и степени жировой инфильтрации и/или количественной визуализации отдельных липидных капель IMAT. Впоследствии красители могут быть экстрагированы с помощью изопропанола, а оптическая плотность (OD) полученного раствора может быть использована для оценки объема липидов IMAT. Строгая валидация этого метода была опубликована в другом месте37. В этой статье представлен подробный протокол использования этой методики с мышцами мыши и даны советы по устранению неполадок для поддержки внедрения этого метода в других приложениях, таких как мышцы других видов или другие ткани.
В данной статье описаны методы качественной визуализации и количественной оценки жировой инфильтрации скелетных мышц на моделях мелких животных, которые могут быть применены для дальнейшего понимания патогенеза развития и патологического расширения внутримышечной жировой ткани (ИМАТ). Использование цельномышечной децеллюляризации и жирорастворимого окрашивания позволяет использовать экономичную, воспроизводимую и простую методику для комплексной оценки наличия IMAT в целых мышцах.
В основе этого протокола лежит то, что децеллюляризация мышц с помощью SDS удаляет клеточные компоненты миоволокон, в том числе мелкие липидные капли IMCL, но щадит крупные липидные капли в интрамиоцеллюлярных адипоцитах. SDS широко используется в тканевой инженериидля децеллюляризации матриц. Такие ткани, как жировые и скелетные мышцы, обычно требуют дополнительной механической диссоциации и/или экстракции спиртом для удаления остаточного липида адипоцитов42,43. Ранее мы показали, что это связано с тем, что в то время как децеллюляризация с помощью SDS устраняет IMCL, она щадит крупную липидную каплю в адипоцитах37. Визуализация окрашенных тетраоксидом осмия интактных мышц до и после децеллюляризации с помощью микроКТ подтвердила, что пространственный паттерн IMAT не был нарушен децеллюляризацией. Кроме того, внутримышечное количественное определение триглицеридов в децеллюляризованной мышце с незначительным IMAT составило ~5% от интактных мышечных значений, что подтверждает удаление IMCL. Таким образом, данная методика сохраняет липидные капли IMAT в их первоначальном анатомическом распределении через полупрозрачный мышечный матрикс.
Правильная децеллюляризация является наиболее важным этапом в этом протоколе. Если децеллюляризация неполная, липидные капли IMAT будет трудно визуализировать, а остаточный IMCL вызовет высокое фоновое окрашивание либо ORO, либо BODIPY (рисунок 2). Распространенными ошибками неопытных пользователей являются недостаточное покрытие SDS на каждую мышцу (в каждой лунке), так что каждая мышца не полностью покрыта раствором SDS, отсутствие использования коромысла для перемешивания раствора во время децеллюляризации и недостаточно частая смена раствора. В этой рукописи мы рекомендовали количество SDS, необходимое на единицу мышечной массы, но пользователю все равно нужно будет убедиться, что мышцы полностью покрыты растворами, так как каждая мышца имеет уникальную геометрию. Пользователям также рекомендуется обильно менять растворы (до двух раз в день), чтобы обеспечить полную децеллюляризацию. Хорошее качество окрашивания липидных капель IMAT было достигнуто уже через 4 дня обработки SDS. Для получения качественных результатов окрашивания ORO также важна адекватная фиксация и приготовление раствора ORO. Аналогично описанному выше методу SDS, необходимо адекватное покрытие 3,7% раствора формальдегида для каждого образца мышцы. Если мышца будет удалена из фиксатора слишком рано, липидные капли будут слабо окрашиваться ORO. В общей сложности 1-2 ч должно быть достаточно, но рекомендуется ночная фиксация, чтобы закрепитель проник в центр мышцы и полностью зафиксировал все липидные капли. Дополнительная проблема при окрашивании ORO заключается в том, что при снижении концентрации спирта до 60% начинают образовываться твердые частицы. Эти частицы могут осесть на поверхности и застрять на границе мышцы. Лучший способ избежать этого — сделать свежий рабочий раствор для каждого окрашивания и использовать фильтры как 40 мкм, так и 0,22 мкм. Затем, поддерживая перемешивание с помощью коромысла и ограничивая время окрашивания до 10 минут, вы предотвратите оседание любых образующихся частиц. Если проблема не устранена, может помочь создание свежего решения для запасов РВК. Если какой-то артефакт остается прилипшим к децеллюляризованной поверхности мышцы, для удаления этого артефакта можно использовать стереомикроскоп, щипцы и хирургические ножницы. Неспособность устранить артефакты повлияет на качество изображения мышц и переоценит содержание IMAT во время экстракции липидов при подготовке к измерению OD.
В целом, этот метод прост и имеет ряд преимуществ по сравнению с методами золотого стандарта для визуализации и количественной оценки жировой инфильтрации скелетных мышц. Неинвазивные методы, такие как КТ, МРТ и УЗИ, которые широко используются на людях, а иногда и на животных моделях, имеют ограниченное пространственное разрешение и не способны отличить липидные капли от мышечных волокон. Таким образом, пиксель или воксель промежуточной интенсивности сигнала обозначается как «мышца» или «жир», в то время как на самом деле это, скорее всего, смесь миоволокон и адипоцитов. Чаще жировую инфильтрацию в мышцах животных оценивают с помощью гистологии, чаще всего с помощью ORO в мышечных криосекциях. Однако, как правило, это выполняется только в одном репрезентативном срезе, и его трудно количественно оценить из-за рассеяния липидов по срезу. В отличие от этого, окрашивание всей децеллюляризованной мышцы ORO обеспечивает всестороннюю оценку IMAT с теми же затратами и усилиями, что и интактная морфология. Кроме того, в дополнение к улучшению визуализации, ORO-окрашивание децеллюляризации позволяет количественно оценить жировую инфильтрацию путем липидной экстракции. Для более глубокого погружения в особенности жировой инфильтрации в сочетании с конфокальной микроскопией можно использовать флуоресцентный краситель BODIPY. Это позволяет реконструировать отдельные липидные капли IMAT для картографирования 3D-ландшафта, что невозможно при гистологии, если срезы не анализируются по всей длине мышцы. Несмотря на то, что конфокальный микроскоп не является стандартным лабораторным оборудованием, он с большей вероятностью будет доступен в университетских или промышленных условиях, чем МРТ или КТ мелких животных. Кроме того, большая часть этого процесса может быть автоматизирована, что снижает временные затраты по сравнению с последовательной гистологией. Оптимизация настроек конфокального микроскопа является дополнительным фактором при окрашивании по методу БОДИПИ. Они уникальны для каждого микроскопа. Критическим значением является интенсивность лазера, которая должна быть достаточно высокой, чтобы обнаружить липидные капли на дальней поверхности мышцы, но при этом не насыщать сигнал от липидных капель на ближней стороне. В связи с этим предполагается, что использование окрашивания BODIPY с конфокальной микроскопией лучше всего подходит для более тонких мышц, включая EDL или диафрагму.
Некоторые ограничения этого подхода заслуживают обсуждения. Во-первых, несмотря на то, что предполагается, что этот метод имеет широкое применение за пределами моделей травм (кардиотоксин и глицерин) у мышей, представленных здесь, новые приложения (например, модель mdx) могут потребовать оптимизации, поскольку размер и состав мышцы (например, фиброз) могут повлиять на децеллюляризацию, требуя увеличения концентрации SDS или инкубационного времени. Другие модели заболеваний с измененной мышечной массой также потребуют анализа как абсолютных, так и нормализованных (к мышечной массе) показателей жировой инфильтрации, чтобы определить абсолютное количество липидов или процентное соотношение липидов по отношению к мышечному объему, чтобы обеспечить более значимую оценку результата. Кроме того, ожидается, что этот метод будет широко применим к более крупным моделям животных и биопсии человека, но это может потребовать оптимизации для каждого нового применения. Во-вторых, в этой стратегии вся мышца должна быть посвящена этому анализу и не может быть использована для оценки другого патологического признака. Исследования, направленные на оценку продольных изменений IMAT, лучше подходят для неинвазивных методов визуализации, а исследования, основная цель которых требует использования мышцы для других целей (гистология, количественная полимеразная цепная реакция, вестерн-блоттинг), лучше подходят для гистологической оценки, поскольку оставшаяся часть замороженной мышцы может быть отнесена к другим анализам. Тем не менее, этот анализ хорошо подходит для сочетания с тестированием in vivo, таким как бег на беговой дорожке или сократительное тестирование ex vivo , поскольку эти меры могут быть проведены до децеллюляризации44. В-третьих, несмотря на то, что использование окрашивания BODIPY с конфокальной микроскопией обеспечивает визуализацию и количественное определение липидных капель с высоким разрешением, оно не может окончательно идентифицировать липидные капли как отдельные адипоциты, так как клеточная мембрана удаляется, а эндогенные белки адипоцитов теряются. Мультилокулярные адипоциты, представляющие собой незрелые адипоциты или фенотип «коричнево-бежевый», могут быть идентифицированы как множественные липидные капли. Наконец, протокол плохо работает на ранее замороженных мышцах. Эти ограничения, вероятно, наиболее серьезны для биопсии человека, поскольку, хотя вся биопсия может быть децеллюляризована, пространственное распределение IMAT в биопсии вряд ли будет более репрезентативным для всей мышцы, чем гистологический срез. Однако, поскольку этот метод относительно нечувствителен к условиям обработки незамороженной биопсии (например, часы на льду в PBS), биопсия может быть разделена позже для различных анализов, включая часть для децеллюляризации, что обеспечит лучшее разрешение отдельных липидных капель.
В заключение следует отметить, что был разработан новый метод качественного и количественного анализа жировой инфильтрации скелетных мышц путем окрашивания и визуализации сохраненного липида децеллюляризованных конструкций. Эта методология предлагает преимущества по сравнению с подходами золотого стандарта, поскольку она позволяет получить всестороннюю визуализацию трехмерной жировой инфильтрации в мышцах и быструю и дешевую количественную оценку с помощью окрашивания ORO. Для более детальных измерений второй жирорастворимый краситель БОДИПИ обеспечивает более детальную количественную оценку количества капель, объема и характера распределения липидов, полученных с помощью конфокальной микроскопии. Вместе эти меры дают исследователям возможность точно измерить жировую инфильтрацию скелетных мышц на уровне отдельных липидных капель без отбора проб или дорогостоящей неинвазивной визуализации.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана R01AR075773 GAM.
0.22 µm Syringe Filter | Fisher Scientific | SLGP033RS | |
1 mL LuerLock Syringes | Fisher Scientific | 14823434 | |
12 mm Coverslips | Fisher Scientific | 12545F | |
12 well plates | Fisher Scientific | 08-772-29 | |
24 well plates | Fisher Scientific | 08-772-1H | |
2-Propanol (Isopropanol) | Sigma Aldrich | I9516 | 0.5 mg/mL stock solution can be stored at room temperature for 1 month. Working solution must be made fresh. |
37% Formaldehyde Solution | Sigma Aldrich | 8187081000 | |
40 µm Mesh Filter | Fisher Scientific | 87711 | |
6 well plates | Fisher Scientific | 08-772-1B | |
96 well plates | Fisher Scientific | 08-772-2C | |
BODIPY 493/503 | Fisher Scientific | D-3922 | |
C57BL/6J Mice | Jackson Laboratory | 000664 | |
Confocal Imaging Dish | VWR | 734-2905 | |
Confocal Microscope | Leica | TCS SPEII | |
Dissecting/stereo Microscope | Zeiss | 4107009123001000 | |
Dissection scissors | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
Ethanol | Fisher Scientific | 033361.K2 | |
ImageJ | NIH | ||
Matlab | Mathworks | ||
Oil Red O Powder | Sigma Aldrich | O0625 | |
Plate reader | Bio-tek | Synergy II | |
Rocker/Shaker | Reliable Scientific | 55D | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Sigma Aldrich | L3771 | 1% Solution can be stored at room temperature for 1 month |
Transfer pipettes | Fisher Scientific | 137119D | |
Vannas spring scissors | Fine Science Tools | 15000-00 |