Summary

için Femur Pencere Odası Modeli<em> İn Vivo</emFare Kemik İliği içinde> Hücre Takibi

Published: July 28, 2016
doi:

Summary

The protocol describes a novel murine femur window chamber model that can be used to track movement of cells in the femoral bone marrow in vivo. Intravital multiphoton fluorescence microscopy is used to image three components of the femoral bone marrow (vasculature, collagen matrix, and neutrophils) over time.

Abstract

Bone marrow is a complex organ that contains various hematopoietic and non-hematopoietic cells. These cells are involved in many biological processes, including hematopoiesis, immune regulation and tumor regulation. Commonly used methods for understanding cellular actions in the bone marrow, such as histology and blood counts, provide static information rather than capturing the dynamic action of multiple cellular components in vivo. To complement the standard methods, a window chamber (WC)-based model was developed to enable serial in vivo imaging of cells and structures in the murine bone marrow. This protocol describes a surgical procedure for installing the WC in the femur, in order to facilitate long-term optical access to the femoral bone marrow. In particular, to demonstrate its experimental utility, this WC approach was used to image and track neutrophils within the vascular network of the femur, thereby providing a novel method to visualize and quantify immune cell trafficking and regulation in the bone marrow. This method can be applied to study various biological processes in the murine bone marrow, such as hematopoiesis, stem cell transplantation, and immune responses in pathological conditions, including cancer.

Introduction

Kemik iliği, hematopoiez ve bağışıklık düzenlenmesinde rol oynayan önemli bir organdır. Bu hematopoietik kök ve projenitör hücreleri (HSPCs) ihtiva eden bir hematopoietik bileşen oluşur ve mezenkimal hücreler 1 doğuran olmayan hematopoietik projenitor hücrelerini ihtiva eden stromal bileşeni. Hematopoetik faaliyet üçte ikisi miyeloid hücrelerin 2 nesil adamıştır. 1-2 x 10 hücre 11, normal, yetişkin bir insan 2 günde üretilen özellikle nötrofillerden çok sayıda, kemik iliği üretilir. Nötrofiller mikrobik enfeksiyonlara karşı ilk savunma hattıdır ve stres periferik nötrofil 1,3 tamamlamak için onların seferberlik tetikler kadar çoğunlukla kemik iliğinde saklıdır. anti-mikrobik etkilere ek olarak, son çalışmalar dönüştürücü büyüme bağlı pro- ve anti-tümör oluşturucu fenotiplerinin her ikisi de olan, Kanser biyolojisinde nötrofil önemli bir rol oynadığını düşündürürtümör mikro 4,5'ten sinyalizasyonu faktör beta (TGF-β). Ayrıca, çalışmaların dolaşımdaki nötrofil bir sitotoksik anti-metastatik etkisi 8 gösterirler ve birincil tümörlerin biriken nötrofiller, T-hücreleri 6,7 sitotoksik fonksiyonunu bastırmak Pro-tümörijenik ve metastatik etkisi olduğunu göstermiştir. Bu nedenle, kemik iliği hematopoetik hücreler ve özellikle nötrofiller, araştırılması bağışıklık ve tümör düzenleme rollerini açıklık için çok önemlidir.

Histopatoloji ve tam bir periferal kan sayımı rutin kemik iliği 9 hücresel ve yapısal değişiklikler değerlendirmek için kullanılır. Bununla birlikte, bu yöntemler sadece farklı hücre popülasyonlarının veya doku mikro statik bilgi sağlar. In vivo görüntüleme uzunlamasına hücreden C gibi bir çok hücresel, vaskular ve stromal bileşenleri dinamiklerini değerlendirmek için standart yöntem ile kombinasyon halinde kullanılabiliruzunlamasına bir şekilde ell etkileşimleri. Mikroskopik çözünürlükte 10 hayvanların yaşama görüntüleme gibi tanımlanmıştır intravital mikroskobu (IVM), aynı numunede, zaman içinde dinamik hücresel işlemleri değerlendirilmesi gereken deney hayvan sayısını azaltmak için özellikle yararlıdır. IVM genellikle haftalar ve aylar arasında bir süre boyunca görüntüleme için ilgi organ ulaşmak için kronik transplant pencere bölmesi (WC) ile birleştirilir. Kraniyal ve dorsal-deri kıvrımı wc modeller 1990'lı yılların ortalarına kadar uzanan kullanım uzun bir geçmişi var. Daha yakın zamanlarda, örneğin meme yağ pedi ve çeşitli karın organlarının gibi diğer organa özgü tuvalet modelleri 11 geliştirilmiştir.

In vivo kemik iliği görüntüleme için tipik yaklaşım inceltilmiş kemik minimal cerrahi müdahale 12-14 ile tek hücre doğrudan görüntülenmesine olanak tanıyan farelerin calvaria, ağırlıklı olarak dahil pozlama vardır. Ancak, kalvarial kemik iliği b olabilire HSPCs 15 bakım ve gelişme indirgenmiş gösterir calvaria'da HSPCs ve hipoksik hücrelerde daha düşük bir sayıda, gösterildiği gibi, bu tür uzun kemik gibi diğer kemik, bu farklı. Bu nedenle, uzun kemik hücresel bileşenleri değerlendirmek için alternatif yaklaşımlar araştırılmıştır. Bu femur kemik iliği 16 doğrudan maruz kalma ve dorsal deri kıvrım WC 17 bölünmüş femur ektopik nakli sayılabilir. Ancak, eski uzun süreler boyunca, hücresel yapısal ve fonksiyonel değişiklikler izleme izin vermez bir terminal işlemdir ve ikincisi olasılıkla nedeniyle dorsal deri altı WC içinde ektopik siteye femur nakli normal kemik iliği fonksiyonunu bozar. zamanla femoral kemik iliği ortotopik seri sokulmuşlardır Başka bir yöntem, femur kemiği içindeki bir WC kullanılmasıdır. Bir önceki rapor kullanarak femoral kemik iliğinde mikrosirkülasyonun uzun vadeli görüntüleme gösterdiFarelerde 18 WC femur. Buna ek olarak, yazarlar izleme kemik iliği metastazında yararını gösteren femur tümör hücrelerinin görselleştirme gösterdi. Bununla birlikte, bu tuvalet bir tasarım büyük bir fareler (26-34 g, yaş 3-6 aylık) için uygun olduğu büyük boyutu (1.2 cm çaplı) ve nispeten küçük bir görüntüleme alanı (4 mm çapında) ile sınırlı ve böylece verme rutin kullanım için pratik yaklaşım.

Bu nedenle, bir daha küçük bir genel boyutu ile yeni WC ve geniş iç görüntüleme alanı Bu çalışmanın amacı için dizayn edilmiştir. Bu çalışmanın amacı, femoral kemik iliğinden çeşitli hücre tipleri görüntülenmesi için bir yöntem sağlamaktır. Femur WC modeli in-house geliştirilen ve 3D damar ağı içinde nötrofillerin görselleştirmek ve izlemek için kullanılmıştır. Bu modeli kullanarak, kemik iliği IVM 40 gün içinde seri yapılabilir. Bu yaklaşım, bağışıklık düzenlemesi, bir hematopoez işlemleri ortaya çıkması için çeşitli alanlarda uygulanabilirnd tümör gelişimi.

Protocol

NOT: Tüm hayvan çalışmaları Üniversitesi Sağlık Ağı Kurumsal Hayvan Bakım ve Kullanım Kurulu tarafından onaylanan protokol # 2615 altında gerçekleştirilmiştir. Mouse 1. Cerrahi Hazırlık Cerrahiden önce, tüm cerrahi aletler ve otoklav ile pencere odası (WC) sterilize edin. 2 gün önce cerrahi amoksisilin 50 mg / kg vücut ağırlığı ile içme suyu katkı. periton boşluğu içine 4 saat önce cerrahi buprenorfin 0.1 mg / kg vücut ağırlığı ile fare enjekte edilir. <l…

Representative Results

Mürin femur kemik iliği başarıyla bireysel nötrofil ve damar ağları görselleştirme etkinleştirmek için WC kullanarak erişebilirsiniz. 1 WC alet gösterir ve iç optik erişim elde etmek için femur kemik ve kortikal kemik incelmesi maruziyetini içeren cerrahi işlem açıklanır Şekil kemik. cerrahi farelerde iyi tolere edilir; onlar sıkıntı yok raporu ile, örneğin 5 gün ameliyat sonrası için WC arka bacak şişmesi, sigara ağırl?…

Discussion

Gerçek zamanlı, kemik iliğinde dinamik hücresel süreçlerin seri görüntüleme aksi takdirde bu tür histoloji ve toplam kan sayımları gibi geleneksel teknikler kullanılarak elde etmek zordur bilgiler sağlar. Burada anlatılan femur WC modeli zamanla kemik iliğinde hücresel ve yapısal değişiklikleri araştırmak için eşsiz fırsatlar sunmaktadır. femur WC modeli daha önce rapor edilmiş olmasına rağmen, bizim yeni tasarım, yetişkin farelerde kullanım için daha uygun olan bir görünüm ve de dah…

Divulgations

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Yazarlar mikroskobu ile yardım için Üniversite Sağlık Ağı Advanced Optik Mikroskop Tesisi (www.aomf.ca) teşekkür etmek istiyorum, ve WC ve görüntüleme sahne üretimi için Prenses Margaret Kanser Merkezi Makine Shop Bay Jason Ellis olacaktır. Biz de el yazması düzenleme için Dr. Iris Kulbatski teşekkür etmek istiyorum.

Materials

NRCNU-F athymic nude mice Taconic Ncr nude 8-10 weeks old, female
Saline Baxter JB1302P
Ketamine hydrochloride Bioniche Animal Health Canada, Inc.  DIN 01989529
Xylazine Bayer HealthCare, Bayer Inc. DIN 02169592
Surgical drape Proxima DYNJP2405
Electric heating pad Life Brand 57800827375
Stereomicroscope Leica Leica M60
Eye ointment (tear gel) Novartis  T296/2
7.5% betadine Purdue Frederick Co 67618-151-16
70% isopropyl alcohol GreenField P010IP7P
10% betadine Purdue Frederick Co 67618-150-05
Scalpel handle (#3) Fine Science Tools 10003-12
Scalpel blade (#15) VWR 89176-368
Spring Scissors curved Fine science Tools 15023-10
Baby-Mixter Hemostat Fine science Tools 13013-14
Fine Scissors Fine science Tools 14094-11
Extra Fine Graefe Forceps Fine science Tools 11151-10
Halsted-Mosquito Hemostats Fine science Tools 13008-12
Micro-drill Harvard Apparaus 72-6065
Micro-drill burrs Fine Science Tools 19007-14
Femur window chamber PMCC machine shop custom design 9.1mm- 8.5mm- 7.5 mm (outer to inner diameter), 2.16 mm (radius of two holes), 13.9mm (distance between two holes), 0.7mm (thickness)
U-shaped bar PMCC machine shop custom design 13.8mm (length), 1.6 mm (width), 3.7mm (height)
Coverglass (8mm) Warner Instruments  HBIO 64-0701 CS-8R
Retaining ring (8mm) ACKLANDS GRAINGER UNSPSC # 31163202
Nuts (hexagon stainless steel) Fastenal 70701
Dental cement 3M RelyX U200
Suture (5-0 Monosof black) Covioien SN-5698
Halsey needle holder Fine Science Tools 12501-13
Buprenorphine (Temgesic) Reckitt Benckiser DIN 0281251
Meloxicam (Metacam) Boehringer Ingelheim DIN 02240463
Amoxicillin (Clamavox) Pfizer DIN 02027879
FITC-Dextran Sigma-Aldrich FD2000S
APC- Anti-Mouse Ly-6G (Gr-1)  eBioscience 17-9668
Two-photon microscope LSM 710 Carl Zeiss Zeiss LSM 710 NLO
Imaging stage PMCC machine shop custom design 15.9cm (length), 11cm (width), 0,9cm (height)
Imaris software Bitplane Imaris 8.0 Image analysis software described in Section 3 of the Protocol 
Zen 2012 Zeiss Zen 2012 Image acqusition software described in Section 2 of the Protocol 

References

  1. Zhao, E., et al. Bone marrow and the control of immunity. Cell Mol Immunol. 9 (1), 11-19 (2012).
  2. Borregaard, N. Neutrophils, from marrow to microbes. Immunity. 33 (5), 657-670 (2010).
  3. Boxio, R., Bossenmeyer-Pourie, C., Steinckwich, N., Dournon, C., Nusse, O. Mouse bone marrow contains large numbers of functionally competent neutrophils. J Leukoc Biol. 75 (4), 604-611 (2004).
  4. Fridlender, Z. G., Albelda, S. M. Tumor-associated neutrophils: friend or foe?. Carcinogenesis. , (2012).
  5. Fridlender, Z. G., et al. Polarization of tumor-associated neutrophil phenotype by TGF-beta: ‘N1’ versus ‘N2 TAN. Cancer Cell. 16 (3), 183-194 (2009).
  6. Coffelt, S. B., et al. IL-17-producing [ggr][dgr] T cells and neutrophils conspire to promote breast cancer metastasis. Nature. 522 (7556), 345-348 (2015).
  7. Kitamura, T., Qian, B. Z., Pollard, J. W. Immune cell promotion of metastasis. Nat Rev Immunol. 15 (2), 73-86 (2015).
  8. Granot, Z., et al. Tumor entrained neutrophils inhibit seeding in the premetastatic lung. Cancer Cell. 20 (3), 300-314 (2011).
  9. Travlos, G. S. Normal structure, function, and histology of the bone marrow. Toxicol Pathol. 34 (5), 548-565 (2006).
  10. Pittet, M. J., Weissleder, R. Intravital Imaging. Cell. 147 (5), 983-991 (2011).
  11. Alieva, M., Ritsma, L., Giedt, R. J., Weissleder, R., van Rheenen, J. Imaging windows for long-term intravital imaging. IntraVital. 3 (2), e29917 (2014).
  12. Hamon, P., Rodero, M. P., Combadiere, C., Boissonnas, A. Tracking mouse bone marrow monocytes in vivo. J Vis Exp. (96), e52476 (2015).
  13. Mazo, I. B., et al. Hematopoietic Progenitor Cell Rolling in Bone Marrow Microvessels: Parallel Contributions by Endothelial Selectins and Vascular Cell Adhesion Molecule 1. J. Exp. Med. 188 (3), 465-474 (1998).
  14. Scott, M. K., Akinduro, O., Lo Celso, C. In Vivo 4-Dimensional Tracking of Hematopoietic Stem and Progenitor Cells in Adult Mouse Calvarial Bone Marrow. J. Vis. Exp. (91), e51683 (2014).
  15. Lassailly, F., Foster, K., Lopez-Onieva, L., Currie, E., Bonnet, D. Multimodal imaging reveals structural and functional heterogeneity in different bone marrow compartments: functional implications on hematopoietic stem cells. Blood. 122 (10), 1730-1740 (2013).
  16. Kohler, A., Geiger, H., Gunzer, M. Imaging hematopoietic stem cells in the marrow of long bones in vivo. Methods Mol Biol. 750, 215-224 (2011).
  17. Balan, M., Kiefer, F. A novel model for ectopic, chronic, intravital multiphoton imaging of bone marrow vasculature and architecture in split femurs. IntraVital. 4 (2), e1066949 (2015).
  18. Hansen-Algenstaedt, N., et al. Femur window–a new approach to microcirculation of living bone in situ. J Orthop Res. 23 (5), 1073-1082 (2005).
  19. Xu, N., Lei, X., Liu, L. Tracking Neutrophil Intraluminal Crawling, Transendothelial Migration and Chemotaxis in Tissue by Intravital Video Microscopy. J. Vis. Exp. (55), e3296 (2011).
  20. Mizuno, R., et al. In vivo imaging reveals PKA regulation of ERK activity during neutrophil recruitment to inflamed intestines. J. Exp. Med. 211 (6), 1123-1136 (2014).
  21. Kreisel, D., et al. In vivo two-photon imaging reveals monocyte-dependent neutrophil extravasation during pulmonary inflammation. Proc. Natl. Acad. Sci. 107 (42), 18073-18078 (2010).
  22. Yipp, B. G., Kubes, P. Antibodies against neutrophil LY6G do not inhibit leukocyte recruitment in mice in vivo. Blood. 121 (1), 241-242 (2013).
  23. Bucher, K., et al. Fluorescent Ly6G antibodies determine macrophage phagocytosis of neutrophils and alter the retrieval of neutrophils in mice. J Leukoc Biol. 98 (3), 365-372 (2015).
  24. Lammermann, T., et al. Neutrophil swarms require LTB4 and integrins at sites of cell death in vivo. Nature. 498 (7454), 371-375 (2013).
  25. Progatzky, F., Dallman, M. J., Lo Celso, C. From seeing to believing: labelling strategies for in vivo cell-tracking experiments. Interface Focus. 3 (3), (2013).
  26. Koewler, N. J., et al. Effects of a Monoclonal Antibody Raised Against Nerve Growth Factor on Skeletal Pain and Bone Healing After Fracture of the C57BL/6J Mouse Femur. J. Bone Miner Res. 22 (11), 1732-1742 (2007).
  27. Garcia, P., et al. Rodent animal models of delayed bone healing and non-union formation: a comprehensive review. Eur Cell Mater. 26, 1-12 (2013).
  28. Liu, K., et al. A murine femoral segmental defect model for bone tissue engineering using a novel rigid internal fixation system. J Surg Res. 183 (2), 493-502 (2013).
  29. Morrison, S. J., Scadden, D. T. The bone marrow niche for haematopoietic stem cells. Nature. 505 (7483), 327-334 (2014).
  30. Ellis, S. L., et al. The relationship between bone, hemopoietic stem cells, and vasculature. Blood. 118 (6), 1516-1524 (2011).
  31. Vacaru, A., Vitale, J., Nieves, J., Baron, M., Singh, S. R., Coppola, V. Mouse Genetics. Methods in Molecular Biology. 1194, 289-312 (2014).

Play Video

Citer Cet Article
Chen, Y., Maeda, A., Bu, J., DaCosta, R. Femur Window Chamber Model for In Vivo Cell Tracking in the Murine Bone Marrow. J. Vis. Exp. (113), e54205, doi:10.3791/54205 (2016).

View Video