Ersättning av frisk muskelvävnad med intramuskulärt fett är ett framträdande inslag i mänskliga sjukdomar och tillstånd. Detta protokoll beskriver hur man visualiserar, avbildar och kvantifierar intramuskulärt fett, vilket möjliggör en noggrann studie av mekanismerna som ligger till grund för intramuskulär fettbildning.
Fibro-adipogena förfäder (FAPs) är mesenkymala stromaceller som spelar en avgörande roll under skelettmuskelhomeostas och regenerering. FAPs bygger och underhåller den extracellulära matrisen som fungerar som en molekylär myofiberställning. Dessutom är FAP oumbärliga för myofiberregenerering eftersom de utsöndrar en mängd fördelaktiga faktorer som känns av muskelstamcellerna (MuSC). I sjuka tillstånd är dock FAPs det cellulära ursprunget till intramuskulärt fett och fibrotisk ärrvävnad. Denna feta fibros är ett kännetecken för sarkopeni och neuromuskulära sjukdomar, såsom Duchennes muskeldystrofi. En viktig barriär för att bestämma varför och hur FAP skiljer sig åt i intramuskulärt fett är effektiv konservering och efterföljande visualisering av adipocyter, särskilt i frysta vävnadssektioner. Konventionella metoder för bearbetning av skelettmuskelvävnad, såsom snäppfrysning, bevarar inte korrekt morfologin hos enskilda adipocyter, vilket förhindrar noggrann visualisering och kvantifiering. För att övervinna detta hinder utvecklades ett rigoröst protokoll som bevarar adipocytmorfologi i skelettmuskelsektioner som möjliggör visualisering, avbildning och kvantifiering av intramuskulärt fett. Protokollet beskriver också hur man bearbetar en del muskelvävnad för RT-qPCR, vilket gör det möjligt för användare att bekräfta observerade förändringar i fettbildning genom att se skillnader i uttrycket av adipogena gener. Dessutom kan den anpassas för att visualisera adipocyter genom helmonterad immunofluorescens av muskelprover. Slutligen beskriver detta protokoll hur man utför genetisk härstamningsspårning av Pdgfrα-uttryckande FAPs för att studera den adipogena omvandlingen av FAPs. Detta protokoll ger konsekvent högupplösta och morfologiskt exakta immunofluorescerande bilder av adipocyter, tillsammans med bekräftelse av RT-qPCR, vilket möjliggör robust, rigorös och reproducerbar visualisering och kvantifiering av intramuskulärt fett. Tillsammans är analyspipelinen som beskrivs här det första steget för att förbättra vår förståelse för hur FAP skiljer sig åt i intramuskulärt fett och ger ett ramverk för att validera nya interventioner för att förhindra fettbildning.
Infiltrationen av frisk muskelvävnad med fet fibros är ett framträdande inslag i Duchennes muskeldystrofi (DMD) och andra neuromuskulära sjukdomar, liksom sarkopeni, fetma och diabetes 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Även om ökad fettinfiltration vid dessa tillstånd är starkt förknippad med minskad muskelfunktion, är vår kunskap om varför och hur intramuskulärt fett bildas fortfarande begränsad. FAPs är en multipotent mesenkymal stromalcellpopulation som finns i de flesta vuxna organ, inklusive skelettmuskulatur11,12. Med ålder och kroniska sjukdomar producerar FAP emellertid fibrotisk ärrvävnad och differentieras till adipocyter, som ligger mellan enskilda myofibrer och bildar intramuskulärt fett 13,14,15,16,17,18,19,20.
För att börja bekämpa intramuskulär fettbildning måste mekanismerna för hur FAPs förvandlas till adipocyter definieras. PDGFRα är “guldstandard” -markören i fältet för att identifiera FAP i muskeln hos flera arter 13,16,17,18,20,21,22,23,24,25,26,27. Som ett resultat har flera murina tamoxifeninducerbara Cre-linjer, under kontroll av Pdgfrα-promotorn, genererats, vilket möjliggör genetiskt manipulering av FAP in vivo med Cre-LoxP-systemet 27,28,29. Till exempel, genom att kombinera denna inducerbara Cre-linje med en genetisk reporter, kan härstamningsspårning av FAP: er utföras, en strategi som vi framgångsrikt har tillämpat för att ödeskarta FAP i muskel- och vit fettvävnad20,30. Förutom härstamningsspårning ger dessa Cre-linjer värdefulla verktyg för att studera FAP-till-fett-omvandlingen.
Ett stort hinder för att definiera mekanismen för den adipogena omvandlingen av FAPs till intramuskulärt fett är förmågan att noggrant och reproducerbart kvantifiera mängden intramuskulärt fett som har bildats under olika förhållanden. Nyckeln är att balansera bevarandet av muskel- och fettvävnad och matcha detta med tillgängliga färgningsmetoder för att visualisera adipocyter. Till exempel är skelettmuskulaturen ofta snäppfrusen utan föregående fixering, vilket bevarar myofibrer men stör adipocytmorfologin (figur 1). Däremot tar fixering följt av paraffininbäddning, samtidigt som den visar den bästa vävnadshistologin, inklusive adipocyter, bort alla lipider, vilket gör de flesta lipofila färgämnen, såsom det vanliga färgämnet Oil Red O, oanvändbart.
Figur 1: Representativa bilder av intramuskulärt fett i snapfrysta kontra fasta muskelvävnader. Immunofluorescerande bilder som visar adipocyter (gul), myofibrer (grå) och kärnor (cyan) inom både (B) snap-frusen och (C) fast TAs vid 21 dagar efter glycerolskada. Skalstreck: 50 μm. Klicka här för att se en större version av denna figur.
Protokollet som beskrivs här bevarar myofiber- och adipocytmorfologi och möjliggör visualisering och analys av flera celltyper. Detta tillvägagångssätt är baserat på immunofluorescensfärgning av adipocyter i paraformaldehyd (PFA) -fixerad muskelvävnad, vilket möjliggör samfärgning med flera antikroppar. Det kan också enkelt anpassas för att rumsligt visa intramuskulärt fett i intakt vävnad med hjälp av helmonterad avbildning, vilket ger information om den cellulära mikromiljön av fett i muskeln. Dessutom kan detta protokoll kombineras med vårt nyligen publicerade tillvägagångssätt för att bestämma tvärsnittsarean för myofibrer i fasta muskelvävnader31, en viktig mätning för att bedöma muskelhälsa. Att kombinera detta tillvägagångssätt med genetisk härstamningsspårning för att ödeskarta differentieringen av FAP till adipocyter beskrivs också här. Således möjliggör det mångsidiga protokollet som beskrivs här rigorös och reproducerbar bedömning av FAPs och deras differentiering till intramuskulärt fett i vävnadssektioner och intakta vävnader.
Bild 2: Översikt över schematiskt protokoll. Schematisk översikt över vävnadsbehandling där en tredjedel av TA avlägsnas, snäppfryses och homogeniseras för efterföljande RNA-isolering och transkriptionsanalys via RT-qPCR. De andra två tredjedelarna av TA är PFA-fixerade och bearbetade för immunfärgning på frysta sektioner eller helmonterade fibrer. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Detta protokoll beskriver ett omfattande och detaljerat protokoll som möjliggör effektiv visualisering och rigorös kvantifiering av intramuskulärt fett. Genom att dela upp samma muskel i två delar, en används för immunofluorescens och den andra för RT-qPCR-analys, är detta protokoll också mycket mångsidigt. Det kan också kombineras med genetisk härstamningsspårning av FAPs för att studera deras omvandling till adipocyter under vissa förhållanden och är mycket anpassningsbar för att märka och avbilda flera ytterligare celltyper.
De vanligaste sätten att visualisera intramuskulärt fett är paraffinsektioner följt av hematoxylin- och eosinfärgning eller frysta sektioner färgade för lipofila färgämnen som Oil Red O (ORO). Men medan paraffinbehandlade vävnader upprätthåller den bästa histologin, extraherar samma process också alla lipider som förhindrar användning av lipofila färgämnen. Även om lipofila färgningsmetoder kommer att fungera på både PFA-fixerade och ofixerade vävnadssektioner, förskjuts lipiddroppar lätt genom att applicera tryck på täckglaset och därigenom snedvrida den rumsliga fördelningen av intramuskulärt fett. För att kringgå detta upprättade en nyligen genomförd studie ett rigoröst protokoll för att visualisera ORO + adipocyter med hjälp av en helmonteringsmetod. För detta decellulariserade författarna TA för att visualisera den rumsliga fördelningen av intramuskulärt fett genom hela TA41. Så kraftfull som denna teknik är, förhindrar den också användning av andra samfläckar för att markera ytterligare cellulära strukturer. Hela mount immunofluorescensmetoden som presenteras här kan användas för att samfärga adipocyter med en mängd olika markörer som möjliggör fin kartläggning av den cellulära miljön. En stor utmaning är dock vävnadspenetrationen av antikropparna. Ju fler fibrer som hålls ihop, desto svårare blir det för antikropparna att lika penetrera och binda alla tillgängliga antigener. Således är denna metod mest effektiv när man tittar på små grupper av fibrer. Samtidigt är detta också en begränsning eftersom den övergripande anatomiska platsen för intramuskulärt fett går förlorad när man fokuserar på endast små, avskalade fiberbuntar. Men med den nuvarande utvecklingen av nya vävnadsrensningsmetoder plus ny bildteknik kommer större vävnadspenetration och visualisering att vara möjlig i framtiden 42,43,44.
Medan tidigare fixering av muskelvävnad bevarar adipocytmorfologi, skapar det också en utmaning att bedöma storleken på myofibrer, ett viktigt mått på muskelhälsa. Myofiberstorlek bestäms genom att mäta myofibrernas tvärsnittsarea. Vi har tidigare rapporterat att tidigare fixering av muskelvävnad kommer att orsaka att de flesta markörer som är tillgängliga för att beskriva myofibrer misslyckas31. För att övervinna detta hinder har vi utvecklat en ny bildsegmenteringspipeline, som möjliggör mätning av myofiberstorlek även i fasta muskelsektioner31. Således har vi etablerat en robust och effektiv vävnadsbehandlingsrörledning som, i kombination med detta protokoll, övervinner de flesta nackdelar orsakade av tidigare fixering av muskelvävnad.
En annan stor fördel med detta tillvägagångssätt är mångsidighet. Genom att dela upp TA i två delar maximeras mängden information som kan erhållas från en muskel. Detta minskar inte bara djurantalet utan lägger också till ett extra lager av kontroll genom att bekräfta histologi genom genuttryck och vice versa. Dessutom kan många olika gener undersökas bortom adipogena gener. Det isolerade RNA kan också användas för ett helt muskel RNAseq-experiment. Slutligen kan den snap-frysta muskelbiten också användas för proteinarbete. En begränsning i detta protokoll är risken för att skadan inte är konsekvent över hela den totala tillåtna fångstmängden. Detta kan leda till ett scenario där de två muskeldelarna avviker i mängden intramuskulärt fett de innehåller och kan motivera att ett sådant prov utesluts från någon nedströmsanalys. Det rekommenderas därför att inte bara förlita sig på RT-qPCR för att dra viktiga slutsatser om mängden intramuskulärt fett, utan snarare som stödjande data till de histologiska kvantifieringarna.
Tillsammans beskriver detta protokoll en robust, effektiv och rigorös vävnadsbehandlingspipeline som möjliggör visualisering och kvantifiering av intramuskulärt fett, det första steget i att utveckla nya behandlingsalternativ för att bekämpa fettfibros. Samtidigt är den mångsidig och kan anpassas till många olika celltyper i muskeln samt adipocyter i andra vävnader.
The authors have nothing to disclose.
Vi tackar medlemmarna i Kopinke-laboratoriet för att de hjälpte till med datainsamlingar och kritisk läsning av manuskriptet. Vi tackar också medlemmarna i Myology Institute vid University of Florida för deras värdefulla bidrag till manuskriptet. Arbetet stöddes av NIH-anslaget 1R01AR079449. Figur 2 skapades med Biorender.
16% PFA (Pack of 12, 10 mL bottles) | Electron Miscroscopy Sciences | 15710 | |
2.0 mL Microcentrifuge Tubes | Fisher Scientific | 05-408-138 | microcentrifuge tubes for snapfreezing/bead beating |
2-Methylbutane (4 L) | Fisher Chemical | O3551-4 | isopentane |
Absolute Ethanol (200 proof) | ThermoFisher Scientific | BP2818100 | |
AffiniPure Fab fragment donkey anti-mouse | Jackson ImmunoResearch | 715-007-003 | mouse-on-mouse blocking |
Alexa Fluor 488 donkey anti-chicken secondary antibody | Jackson ImmunoResearch | 703-545-155 | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-mouse secondary antibody | Invitrogen | A21202 | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-rabbit secondary antibody | Invitrogen | A21206 | |
Alexa Fluor 568 donkey anti-goat secondary antibody | Invitrogen | A11057 | |
Alexa Fluor 568 donkey anti-rabbit secondary antibody | Invitrogen | A11037 | |
Alexa Fluor 568 Phalloidin antibody | Invitrogen | A12380 | Dissolved in 1.5 mL methanol (~66 µM working solution) |
BioLite 24-well Multidishes | ThermoFisher Scientific | 930186 | 24 well plate for PFA tissue incubation |
Biometra TOne | analytikjena | 8462070301 | Thermal cycler |
Chicken anti-GFP antibody | Aves Labs | GFP-1020 | |
Chloroform/isoamyl alcohol 24:1(v/v) for molecular biology, DNAse, RNAse, and Protease free | ThermoFisher Scientific | AC327155000 | |
Corn oil | Sigma Aldrich | C8267 | |
DAPI stain | Invitrogen | D1306 | 150 µM working solution in dH2O |
Donkey Serum (100 mL) | Millipore Sigma | 5058837 | for blocking solution |
Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 11251-20 | sharp-tipped tweezers |
Fine Scissors Straight 9 cm | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Fluoromount-G | SouthernBiotech | 0100-01 | mounting medium |
Glycerol, 99.5%, for molecular biology (500 mL) | Acros Organics | 327255000 | |
Goat anti-PDGFRα antibody | R&D | AF1062 | |
Hybridization Oven | VWR | 230301V | for Tamoxifen incubation |
ImmEdge Hydrophobic Barrier PAP Pen | Vector Laboratories | H-4000 | hydrophobic pen |
Insulin Syringe with Micro-Fine IV needle (28 G) | BD | 329461 | |
Insulin Syringe with Slip Tip, 1 mL | BD | 329654 | Insulin syringe without needle, for oral gavaging |
iScript cDNA Synthesis Kit | Bio-Rad | 1708890 | |
Isoflurane | Patterson Veterinary | 78938441 | |
Leica DMi8 inverted microscope | Leica | micrscope used for widefield IF and confocal imaging | |
Micro Slides | VWR | 48311-703 | positively charged microscope slides |
mouse anti-MYOD antibody | Invitrogen | MA1-41017 | |
mouse anti-PAX7 antibody (supernatant) | DSHB | AB 428528 | |
MX35 Premier+ Microtome blades | ThermoFisher Scientific | 3052835 | microtome blades |
NanoDrop 2000 Spectrophotometer | ThermoFisher Scientific | ND2000 | spectrophotometer for RNA yield |
Play-Doh | Hasbro | modeling compound | |
PowerUp SYBR Green Master Mix | ThermoFisher Scientific | A25742 | green dye PCR master mix |
Puralube Vet Ointment | Puralube | 17033-211-38 | vet ophthalmic ointment |
QuantStudi 6 Flex Real-Time 384-well PCR System | Applied Biosystems | 4485694 | qPCR machine |
Rabbit anti-perilipin antibody | Cell Signaling Technology | 9349S | |
Red-Rotor Shaker | Hoefer Scientific | PR70-115V | shaker for IF staining |
Richard-Allan Scientific Slip-Rite Cover Glass | ThermoFisher Scientific | 152460 | coverslips |
RNeasy Mini Kit | QIAGEN | 74106 | contains mini spin columns |
Safe-Lock Tubes 1.5 ml, natural | Eppendorf | 22363204 | |
Sample Tubes RB (2 mL) | QIAGEN | 990381 | |
Sodium azide | Alfa Aesar | 14314 | |
Stainless Steel Beads, 2.8 mm | Precellys | KT03961-1-101.BK | small beads |
Stainless Steel Beads, 5 mm | QIAGEN | 69989 | medium beads |
Stainless Steel Beads, 7 mm | QIAGEN | 69990 | large beads |
Stainless Steel Disposable Scalpels | Miltex | 327-4102 | scalpel |
Stainless steel feeding tube, 20 G x 38 mm, straight | Instech Laboratories | FTSS-20S-3 | gavage needle |
Tamoxifen | Toronto Research Chemicals | T006000 | |
Tissue Plus O.C.T. Compound | Fisher HealthCare | 4585 | embedding medium |
TissueLyser LT | QIAGEN | 85600 | bead beater |
TissueLyser LT Adapter, 12-Tube | QIAGEN | 69980 | |
Tissue-Tek Cryomold | Sakura | 4566 | specimen molds |
Triton X-100 | Alfa Aesar | A16046 | |
TRIzol Reagent | ThermoFisher Scientific | 15596026 | guanidium thiocyanate |
Tween20 (500 mL) | Fisher BioReagents | BP337-500 | |
VWR Micro Slides – Superfrost Plus | VWR | 48311703 | |
Wheaton Coplin staining jars | Millipore Sigma | S6016 | Coplin jar |