Çift reçine döküm mikro hesaplamalı tomografi veya DUCT, organ mimarisinin 3D analizini kolaylaştırmak için aynı anda iki borulu sistemin görselleştirilmesini, dijitalleşmesini ve segmentasyonunu sağlar. DUCT, iki radyopak reçinenin ex vivo enjeksiyonunu ve ardından tomografik verilerin mikro bilgisayarlı tomografi taramasını ve segmentasyonunu birleştirir.
Karaciğer, insanlarda ve farelerde en büyük iç organdır ve yüksek oto-floresan, organın üç boyutlu (3D) mimarisini tüm organ düzeyinde değerlendirmek için önemli bir zorluk teşkil eder. Karaciğer mimarisi, vasküler ve safra ağaçları da dahil olmak üzere reçine ile doldurulabilen ve aksi takdirde hepatosit bakımından zengin parankimde son derece kalıplaşmış bir desen oluşturan birden fazla dallanma lümenize yapı ile karakterizedir. Bu protokol, çift reçine döküm mikro bilgisayarlı tomografi veya “DUCT” gerçekleştirmek için işlem hattını açıklar. DUCT, portal damarı ve ortak safra kanalının iki farklı radyopak sentetik reçine ile enjekte edilmesini ve ardından doku fiksasyonunu gerektirir. Bir lobun veya tüm karaciğerin optik temizleme maddesi ile temizlenmesiyle kalite kontrolü, uygun şekilde enjekte edilen numunelerin ön taramasına izin verir. KANAL boru hattının ikinci bölümünde, mikro bilgisayarlı tomografi (mikroCT) taraması, (yarı)otomatik segmentasyon ve portal venöz ve safra ağlarının 3D işlenmesi için bir lob veya tüm karaciğer kullanılabilir. MikroCT, iki reçine için 3D koordinat verileri ile sonuçlanır ve iki sistemin nitel ve nicel analizine ve mekansal ilişkilerine izin verir. DUCT doğum sonrası ve yetişkin fare karaciğerine uygulanabilir ve akciğerlerdeki damar ağları ve hava yolları gibi diğer tübüler ağlara daha da genişletilebilir.
Organ reçinesi dökümü 17. yüzyıla dayanan bir tekniktir1. Modern reçine dökümünün ilk örneklerinden biri bir otopsiden insan karaciğerine yapıldı. İntrahepatik safra kanalları jelatin ile karıştırılmış bir kontrast madde ile dolduruldu, ardından x-ışını CT taraması ile görüntüleme2. KANAL tekniğinin amacı, iki borulu reçine dökümlü ağı birlikte 3D olarak görselleştirmek, dijitalleştirmek ve analiz etmektir.
DUCT, tek sistemli karaciğer reçine dökümünün mevcut geniş bilgisine dayanmaktadır3,4,5,6,7,8 ve iki sistemin eşzamanlı 3D görselleştirme ve analizine kadar uzanır9. DUCT, farklı kontrastlı iki radyopak reçineyi karıştırarak ve bu reçineleri iki farklı ağa, özellikle ortak safra kanalı ve portal damarına enjekte ederek çift reçine dökümüne gelişmiş tek reçine dökümü. DUCT, doğum sonrası 15 (P15) gibi erken bir zamanda tekrarlanabilir sonuçlara sahip genç postnatal farelere uygulanabilir. Mikroskopi tabanlı görüntüleme teknikleri ile karşılaştırıldığında, en büyük avantajı DUCT’nin daha hızlı, antikorsuz olması ve karaciğer dokusu otoflüoresansının görüntülemeyi engellememesidir. Ayrıca, DUCT lümenizasyon durumunu, iç çapı, ağ bağlantısını ve perfüzyonu açıklayan nicel veriler sağlar. Lümen oluşturan hücrelerin varlığı ile bunların fiil morfogenezini tüplere ayırma, Alagille sendromunda olduğu gibi ductular hücrelerin bulunduğu ancak tüp oluşturmadığı organları analiz etmek için gereklidir10. DUCT’nin ana dezavantajı, viskoz olan ve küçük kalibreli (<5 μm) tüplere girmeyen reçinenin sınırlı penetrasyonudur. DUCT, enjeksiyon giriş noktası belirlendikten sonra arteriyel ve venöz dolaşım sistemleri, hava yolları, ekstrahepatik safra kanalı veya lenfatik damarlar gibi herhangi bir tübüler yapı için uygulanabilir. Böylece akciğerler ve pankreas gibi diğer dokuların tüm organ mimarisi analizini kolaylaştırabilir.
MikroCT segmentli görüntüler, ImageJ gibi ticari olarak kullanılabilen görüntüleme yazılımı veya özel yazılı işlem hatları (örneğin, MATLAB) kullanılarak işlenebilir. Reçine enjekte edilen karaciğer, ağ genişlemesi ve bağlantısı için nitel olarak veya tek bir sistemin hacmi, uzunluğu, dallanması, işkencesi ve iki sistem arasındaki mesafe veya dallanma bağımlılığı gibi iki sistem arasındaki etkileşim için nitel olarak analiz edilebilir (sistem 1 dallanma sistemi 2 dallanma yakınlığında mı?). Reçine enjeksiyonu, mikroCT taraması ve BT veri segmentasyonunu kapsayan DUCT boru hattı, iki borulu sistemin mimari mekanizmalarının ayrıntılı nicel analizi ile birlikte, hayvan modellerinde tüm karaciğer analizi için bir standart sağlayabilir.
Örnek hazırlamadan CT cihazının parametrelerine kadar çeşitli kritik adımlar KANAL başarısını belirler. En iyi sonuçları elde etmek için, 3D veri, görüntü ve film elde etmek için otomatik eşikleme ile basit dijital işlemeye izin vermek için iyi kontrastlı, iyi enjekte edilmiş ve kabarcıksız reçine kullanılmalıdır. Eğitim ve bu protokole uyulurken enjeksiyonların %90’ı başarılıdır ve tekrarlanabilir verilerle sonuçlanır. Enjekte edilen iki sistem arasında en iyi kontrastı elde etmek için taze sarı reçine kullanmak önemlidir. Sarı reçine çok güçlü bir radyopaklığa sahipken, mavi reçine tespit edilemeyen radyopaklığa sahiptir. En iyi sonuçlar, yeni bir sarı reçine şişesi açıldıktan sonraki ilk üç ay içinde elde edilir. Zamanla, reçine çökeltir ve daha uzun depolamadan sonra (>6 ay), sarı ve yeşil reçineler artık CT taramalarında ayırt edilemez. Kontrastı zayıf görüntüler, iki sistemin kapsamlı ve zaman alıcı manuel izleme ve segmentasyonunu gerektirir. Daha sonra, iyi gerilmiş boru, yetişkin farelerin ortak safra kanalına ve doğum sonrası farelerin ortak safra kanalına ve portal damarına sığmak için vazgeçilmezdir. Enjeksiyonun giriş noktası özenle oluşturulmalıdır. Ortak safra kanalı enine olarak kesilirse, borunun başarılı bir şekilde girmesini önleyerek çevredeki dokudan kopması muhtemeldir. Bu adım, özellikle ortak safra kanalının çevre dokusundan ayrılmışsa geri çekip “kıvrıldığı” doğum sonrası fareler için hassastır ve borunun yerleştirilmesini son derece zorlaştırır. Ortak safra yolu girişi ve enjeksiyonu biraz pratik gerektirebilir. Boruyu reçine ile ve enjeksiyon boyunca hazırlarken, kabarcıklar CT görüntülerinde negatif alan yaratacağından ve zaman alıcı manuel düzeltme gerektireceğinden kabarcık oluşumundan kaçının. Enjeksiyon işlemi sırasında ve sonrasında ıslanmış pamuklu çubukla yüzeyi üzerinden yuvarlanarak karaciğere hafifçe masaj yapmak önemlidir, çünkü bu reçine yayılmasını bile kolaylaştırır. Enjeksiyonun tamamlanmasından ve borunun çıkarılmasından sonra, ipek dikiş düğümü hızlı ve dikkatli bir şekilde sıkılmalıdır, böylece reçine tamamen polimerize olmadan önce karaciğerden akmaz. Başarılı mikroCT görüntüleme için, numune agarose ile düzgün bir şekilde sabitlenmeli ve BT verilerindeki hareket yapıtlarını ortadan kaldırmak için termal olarak uyarlanmalıdır. Alım ayarları, ince yapıları çözmek için yeterli bir uzamsal çözünürlüğe ulaşmak için optimize edilmesi gereken önemli öneme de sahiptir.
Genç farelerde enjeksiyon elde etmek için enjeksiyon prosedüründe teknik değişiklikler yapılabilir. Şu anda, genç fare karaciğerlerinin reçine dökümü, PE10’un piyasada bulunan en küçük boru olmasıyla yeterince ince boruların mevcudiyeti ile sınırlıdır. Tanimizu ve arkadaşları, cam kılcal damarlar kullanarak embriyonik gün 17 (E17) ortak safra kanalına karbon mürekkedeyi başarıyla enjekte etti11. Bu nedenle reçinenin cam kılcal damarlar aracılığıyla teslim edilip edilemeyeceği konusunda gelecekteki testler ilgi çekici olacaktır. DUCT ayrıca akciğerlerin hava yolları ve pulmoner arter vaskülatürü gibi diğer tübüler sistemleri enjekte etmek için uyarlandı9. Çift reçine enjeksiyonu, piyasada bulunan diğer reçinelerle kullanılmak üzere de değiştirilebilir veya bu protokol karbon mürekkepli enjeksiyonlar için kullanılabilir.
DUCT boru hattının ana sınırlayıcı faktörlerinden biri reçine viskozitesidir. DUCT sadece 5 μm çapındaki borulu yapıların reçine dökümü için kullanılabilir. Bu veri kümesinde, reçine en küçük çapı 5 μm9 olan tüplere nüfuz edebilir. Bu boyut sınırlaması ince kanallar ve küçük kılcal damarların analizini önler. DUCT boru hattını daha küçük kalibreli kaplara daha da ilerletmek için, piyasada bulunan diğer reçineler test edilmelidir veya yeni düşük viskoziteli radyopak ajanların geliştirilmesi lümen penetrasyonunu artırabilir.
Hankeova ve ark.9’da, DUCT yaygın olarak kullanılan diğer iki teknikle karşılaştırıldı, çift karbonlu mürekkep enjeksiyonları ve ardından doku temizleme ve standart fotoğrafçılık ve iDISCO + alfa-pürüzsüz kas hücresi aktin ve safra kanalları ile kan damarlarının lekelenmesi ile sitokeratin 7, ardından 3D görüntüleme9. DUCT, ikili analiz (yüksek karaciğer otoflüoresansı nedeniyle iDISCO+ için zorlayıcı olan), 3D görüntüleme ve nicelik (karbon mürekkep enjeksiyonu ile mümkün değildir) ve lümenizasyon (DUCT iç lümen mimarisi ve sistem perfüzyonu için veri sağlar) açısından diğer iki yöntemi geride bıraktı. Yukarıda belirtildiği gibi, DUCT’nin ana sınırlaması, hem karbon mürekkep enjeksiyonunun hem de iDISCO+’nın daha iyi performans gösterdiği bir parametre olan enjekte edilebilen ve analiz edilebilen minimum lümen boyutudur (5 μm sınırı). DUCT, enjekte edilen her sistemin ayrı ayrı analizini sağladığı ve ayrıca iki sistem arasındaki mimari ilişkiyi incelemek için çift 3D incelemeyi kolaylaştırdığı için tek sistemli reçine dökümünden daha üstündür3,5,6.
DUCT, herhangi iki borulu ağı 3D olarak incelemek için uygulanabilir. İlke kanıtı olarak, karaciğer safra ve portal damar sistemlerini ve akciğerdeki pulmoner arter vaskülatını ve hava yollarını görselleştirmek için DUCT kullanıldı9. İntrahepatik safra kanalları portal damara bitişik olarak gelişir ve portal damar, safra ağacının büyümesini ve farklılaştırılmasını düzenleyen yapısal bir şablon ve sinyal merkezi sağlar12. Hankeova ve ark.9’da DUCT, insan pediatrik hastalığı Alagille sendromu için bir fare modelinde safra rejenerasyonunu araştırdı. DUCT, safra sisteminin vahşi tip benzeri bir hacim elde etmek için kullandığı daha önce bildirilmemiş mimari mekanizmaları ortaya çıkardı9. Alagille sendromu fareleri iki farklı strateji kullandı: (1) karaciğerin hilar ve orta bölgelerinde, safra sistemi dallanmayı artırdı ve (2) karaciğer çevresinde, de novo tarafından üretilen safra kanalları oldukça işkenceliydi. Bu iki faktör, anormal mimariye rağmen, normale yakın bir safra sistemi hacmi sağlamak için bir araya gelir. Ayrıca, DUCT, portal damar dallanma ve safra kanallarından bağımsız olarak meydana gelen anormal safra kanalı dallanma tespit etti ve iki portal damarı arasında köprüler oluşturdu9. Bu fenotiplerin tek reçine dökümünde tespit edilmesi imkansızdır ve 2D histolojik bölümlerde safra kanalı çoğalması olarak yanlış yorumlanabilir. DUCT böylece tüm organ veya lob düzeyindeki iki borulu ağın 3D mimarisini nitel ve derinlemesine nicel analiz olasılığı ile açıklayan veriler sağlar. DUCT, farklı hayvan modellerinde doğum sonrası karaciğer gelişimi ve karaciğer rejenerasyon analizleri için yeni bir standart olabilir.
The authors have nothing to disclose.
Kari Huppert ve Stacey Huppert’a safra yolu kanülasyonu ve laboratuvar misafirperverliği konusundaki uzmanlıkları ve yardımları için teşekkür ederiz. Nadja Schultz ve Charlotte L. Mattsson’a da ortak safra yolu kanülasyonuna yardımları için teşekkür ederiz.
Aşağıdaki Hibe Kuruluşlarına destekleri için teşekkür ederiz:
ERA Lab’de çalışmak için: Karolinska Institutet (2-560/2015-280), Stockholms Läns Landsting (CIMED (2-538/2014-29)), Ragnar Söderbergs stiftelse (İsveç Vakıfları Başlangıç Hibesi), Avrupa Karaciğer Araştırmaları Derneği (Daniel Alagille Ödülü), İsveç Kalp-Akciğer Vakfı (20170723) ve Vetenskapsrådet (2019-01350).
JK Lab’deki çalışmalar için: MEYS CR (LM2018110) tarafından desteklenen CzechNanoLab Araştırma Altyapısını kabul ediyoruz. Hibe FSI-S-20-6353 desteği sayesinde J.K.
1.5 mL SafeSeal micro tubes | Sarstedt | 72.706 | |
23 G butterfly needle with tubing | BD bioscience | 367283 | |
25 G needle | BD bioscience | 305122 | |
30 G needle | BD bioscience | 305106 | |
Agarose | Top-Bio | P045 | |
Benzyl alcohol | Sigma Aldrich | 108006 | |
Benzyl benzoate | Sigma Aldrich | B6630 | |
Corning 50 mL tubes | Sigma Aldrich | CLS430829-500EA | polypropylene |
Cotton swabs | Medicarier | 60406 | |
Dissection Microscope | Leica Camera AG | Leica M60 | |
Dulbecco's phosphate-buffered saline | ThermoFisher Scientific | 14190144 | |
Ethanol 70% | VWR | 83801.41 | |
Falcon tube 15 mL | Verkon | 331.850.084.006 | |
Forceps curved | Fine Science Tools | 11051-10 | Fine Graefe 10 cm curved |
Forceps straight | Fine Science Tools | 11050-10 | Fine Graefe 10 cm straight |
Formaldehyde solution | Sigma Aldrich | F8775 | |
GE Phoenix v|tome|x L 240 | Waygate Technologoies | micro computed tomography scanner | |
Hanks' Balanced Salt Solution | ThermoFisher Scientific | 14025092 | |
Heparin | Leo Pharma | B01AB01 | 5000 IE/mL |
Isolfurane | Baxter | FDG9623 | |
Methanol | ThermoFisher Scientific | 11413413 | |
MICROFIL | Flowtech | MV-122 | synthetic resin yellow |
MICROFIL | Flowtech | MV-120 | synthetic resin blue |
MICROFIL | Flowtech | MV-diluent | clear resin diluent |
Pasteur pipette | Verkon | 130.690.424.503 | |
Peristaltic pump | AgnThos | 010.6131.M20 | |
phoenix datos|x 2.0 software | Baker Hughes | CT data reconstruction software | |
Rocker | VWR | 444-0142 | |
Silk suture | AgnThos | 14757 | Black silk, 4-0, sterile, 100 m |
Skin scissor | Fine Science Tools | 14058-09 | Iris straight tip 9 cm |
Spring scissor | Fine Science Tools | 15000-03 | Vannas micro, straight tip 2 mm |
Syringe 1 mL Luer | BD bioscience | 303172 | |
Tubing PE10 | BD bioscience | 427401 | |
Tubing PE50 | BD bioscience | 427411 | |
VG Studio MAX 3.3 software | Volume Graphics GmbH | CT data processing and analysis software |