Hier beschrijven we een platform dat niet-invasieve in vivo beeldvorming mogelijk maakt van leversferoïden die zijn geënt in de voorste oogkamer van het oog van de muis. De workflow strekt zich uit van het genereren van sferoïden van primaire levercellen tot transplantatie in het oog van de muis en in vivo beeldvorming met cellulaire resolutie door confocale microscopie.
Biomedische studies van de lever bij zoogdieren worden gehinderd door het gebrek aan methoden voor in vivo niet-invasieve longitudinale beeldvorming met cellulaire resolutie. Tot nu toe is optische beeldvorming van de lever in situ mogelijk door middel van intravitale beeldvorming, die beeldvorming met hoge resolutie op cellulair niveau biedt, maar niet meerdere keren en dus longitudinaal bij hetzelfde dier kan worden uitgevoerd. Niet-invasieve beeldvormingsmethoden, zoals bioluminescentie, maken herhaalde beeldvormingssessies op hetzelfde dier mogelijk, maar bereiken geen celresolutie. Om deze lacune in de methodologie aan te pakken, hebben we een platform ontwikkeld voor niet-invasieve in vivo beeldvorming van leversferoïden die zijn geënt in de voorste oogkamer van het oog van de muis. In de workflow die in deze studie wordt beschreven, worden primaire leversferoïden van muizen in vitro gegenereerd en getransplanteerd in de voorste oogkamer van ontvangende muizen, waar ze op de iris worden geënt. Het hoornvlies fungeert als een natuurlijk lichaamsvenster waardoor we de geënte sferoïden kunnen afbeelden met conventionele confocale microscopie. De sferoïden overleven maandenlang in het oog, waarbij de cellen kunnen worden bestudeerd in een context van gezondheid en ziekte, en kunnen worden gecontroleerd als reactie op verschillende stimuli tijdens herhaalde beeldvormingssessies met behulp van geschikte fluorescerende sondes. In dit protocol geven we een overzicht van de noodzakelijke stappen om dit beeldvormingssysteem te implementeren en leggen we uit hoe het potentieel ervan het beste kan worden benut.
De monitoring van de leverfunctie bij zoogdieren tijdens gezondheid en ziekte wordt beperkt door het ontbreken van niet-invasieve in vivo beeldvormingstechnieken met hoge resolutie. De visualisatie van dit orgaan wordt belemmerd door de ontoegankelijke locatie, en om cellulaire processen samen te voegen, vertrouwen in vivo-studies op het offeren van dieren op verschillende tijdstippen. Om deze beeldvormingsbeperking te omzeilen, vertrouwt veel werk op in vitro modellen, waarin leverachtige microweefsels worden gevisualiseerd en bestudeerd in een gecontroleerde omgeving.
In de afgelopen jaren heeft de ontwikkeling van driedimensionale kweeksystemen, zoals leversferoïden, het leveronderzoek geholpen en bevorderd. Leversferoïden zijn meercellige aggregaten die tot opzekere hoogte de micro-omgeving en complexe cel-celinteracties van leverweefsel nabootsen 1 en duidelijke voordelen bieden ten opzichte van traditionele monolaagculturen 2,3. Leversferoïden worden ook gebruikt als modellen voor verschillende leverziekten 4,5,6 en zijn van groot belang geweest voor het begrijpen van ziektemechanismen. Toch zijn de belangrijkste beperkingen van de huidige in vitro levermodellen het ontbreken van een fysiologisch in vivo milieu en de beperkte gebruikstijd in cultuur (ongeveer 20 dagen)3. Leversferoïden zijn eerder in vivo getransplanteerd naar verschillende plaatsen, zoals onder de niercapsule7 of intraperitoneaal8, die niet toegankelijk zijn voor optische beeldvorming. Intravitale leverbeeldvorming is een state-of-the-art techniek die real-time beeldvorming met celresolutie biedt. Momenteel is deze in situ beeldvorming van de lever alleen mogelijk op het uitwendige orgaan, dat zeer invasief en vaak terminaal is9. Hoewel het plaatsen van een buikvenster herhaalde leverbeeldvormingssessies mogelijk zou maken, brengt het complexe chirurgie en nazorg met zich mee.
Om longitudinale monitoring met cellulaire resolutie uit te voeren, onderzochten we transplantatie van leversferoïden in de voorste oogkamer (ACE) van muizen, waar het leverachtige weefsel wordt geënt in een fysiologisch milieu, verbonden met de lichaamsstimuli en toegankelijk voor optische beeldvorming. Het hoornvlies is een transparant weefsel en fungeert als een venster waardoor microweefsels die op de iris zijn geënt, niet-invasief en longitudinaal kunnen worden afgebeeld door middel van confocale microscopie. Hier presenteren we een workflow van dit nieuw ontwikkelde platform voor in vivo beeldvorming van leversferoïden10. Dit protocol is een stapsgewijze handleiding voor de implementatie ervan, onderverdeeld in (1) de extractie van primaire levercellen van muizen en in vitro vorming van leversferoïden, (2) de transplantatie van leversferoïden in de ACE van ontvangende muizen, en (3) de in vivo beeldvorming van getransplanteerde leversferoïden bij verdoofde muizen. Verder zullen we enkele van de mogelijkheden en toepassingen van dit beeldvormingsplatform laten zien.
Dit protocol beschrijft een nieuw platform voor intraoculaire in vivo beeldvorming van leversferoïden die in de ACE zijn geënt. De ACE is eerder gebruikt als transplantatieplaats van andere van organen afgeleide microweefsels, zoals pancreaseilandjes11,12, vanwege de unieke micro-omgeving van implantatie, die rijk is aan bloedvaten, zenuwen en zuurstof, en de toegang tot beeldvorming via het hoornvlies. Hoewel intravitale beeldvorming van de lever de visualisatie van cellen en processen in situ mogelijk maakt, is longitudinale monitoring niet mogelijk. Beeldvorming van de lever door een abdominaal venster brengt een complexe operatie met zich mee, en de beweging van het orgaan in het lichaam maakt het moeilijk om single-cells in de loop van de tijd te volgen. Daarom maakt deze nieuwe beeldvormingsmethode niet-invasieve, longitudinale monitoring van levercellen mogelijk met een resolutie van één cel.
Dit protocol is opgedeeld in drie delen. De eerste is de isolatie van primaire hepatocyten via tweestaps collagenaseperfusie, aangepast van Charni-Natan et al.13, met het verschil dat we de leverperfusie uitvoeren op de dode muis in plaats van op de verdoofde levende dieren. Deze variatie brengt bepaalde voordelen met zich mee, zoals minder ethische overwegingen en het vermijden van anesthesieresten in het organisme. In dit werk genereren we leversferoïden uit de met hepatocyten verrijkte fractie van de isolatie, maar dit sluit niet het potentieel uit om andere niet-parenchymale celpopulaties te isoleren met behulp van andere gespecialiseerde protocollen om cocultuursferoïden van diverse samenstelling te maken14,15.
Het tweede deel van dit protocol omvat de transplantatie van de leversferoïden in de ACE van ontvangende muizen. Dit is een snelle (minder dan 10 minuten) en eenvoudige operatie die wordt uitgevoerd bij verdoofde muizen en vereist geen postoperatieve behandeling. Het hoornvlies puncteert zichzelf, sluit zichzelf af en geneest gedurende 3-5 dagen. Af en toe, tijdens het genezingsproces, wordt er wat ontgroening waargenomen rond de incisie, maar dit verdwijnt binnen een paar dagen. We hebben geen gevallen van anterieure synechie in de ogen van geopereerde dieren meegemaakt. We voeren de transplantatieprocedures uit in een schoon maar openluchtlaboratorium en zonder problemen met infecties in de geopereerde ogen. De inoculatie en implantatie van sferoïden in het oog brengen het zicht niet in gevaar en veranderen het gedrag van het ontvangende dier niet. In dit protocol gebruiken we isofluraan-anesthesie voor zowel transplantatiechirurgie als in vivo beeldvorming, die goed wordt verdragen bij muizen. Vanwege het dosisafhankelijke effect kan het tijdens de procedures gemakkelijk worden aangepast en heeft het het voordeel dat de slaap- en ontwaaktijden worden verkort. Er kunnen echter alternatieve injecteerbare anesthetica worden gebruikt. Na transplantatie geven we over het algemeen 1 maand de tijd om de sferoïden volledig te implanteren, te vasculariseren en te nerveren, voordat we behandelingsinterventies en in vivo beeldvorming uitvoeren. We hebben ook aangetoond dat transplantatie en implantatie mogelijk is met behulp van menselijke leversferoïden en immuungecompromitteerde ontvangende muizen10.
Het derde deel van deze methode is de in vivo beeldvorming van de getransplanteerde leversferoïden in de ACE. Dit protocol beschrijft de in vivo beeldvormingsopstelling, waarbij gebruik wordt gemaakt van microscopieapparatuur die vaak wordt aangetroffen in onderzoeksbeeldvormingsfaciliteiten. Bovendien zijn de gespecialiseerde materialen, zoals de muiskophouder en de plastic canule, nu in de handel verkrijgbaar. Met deze beeldvormingsopstelling zijn we in staat om z-secties vast te leggen en een driedimensionale reconstructie van de sferoïde architectuur te verkrijgen, afhankelijk van de diepte van laserpenetratie en fluorescentiedetectie. Het monitoren van de cellulaire functie in de getransplanteerde leversferoïden is gebaseerd op de visualisatie van fluorescerende eiwitten die rapporteren over celtypen, cellulaire functies en dynamiek. Dit beeldvormingsplatform kan dus worden geëxploiteerd met behulp van verschillende modaliteiten, alleen of in combinatie: (1) Fluorescerende sondes kunnen intraveneus worden toegediend, bijv. antilichamen om cellen te labelen en te volgen, evenals functionele kleurstoffen; (2) Leversferoïden kunnen worden gegenereerd uit cellen die zijn geïsoleerd uit reportermuismodellen die leverspecifieke fluorescerende eiwitten tot expressie brengen, bijv. FUCCI-leversferoïden die rapporteren over de dynamiek van de celcyclus; (3) De vorming van leversferoïden in vitro kan worden gecombineerd met transfectie of transductie, om de sferoïden uit te rusten met fluorescerende eiwitten en biosensoren. bijv. adeno-geassocieerde virussen. In onze experimentele instellingen en door een enkel foton te gebruiken voor excitatie, is de beelddiepte die mogelijk is ongeveer 60-100 μm. Dit is echter afhankelijk van het laservermogen en de beschikbaarheid van multifotonbeeldvorming, de emissiekenmerken en gevoeligheid van de fluorescentiesonde van de detectoren, evenals de hoek van het oog waarin de sferoïde is geënt. Na beeldvorming kan de stroomafwaartse beeldanalyse worden uitgevoerd met behulp van populaire programma’s zoals Image J en Imaris. In het geval van de FUCCI-verslaggever kunnen bijvoorbeeld actieve cellen van de celcyclus in het groen worden geteld en vergeleken met het totale aantal rode cellen om de activiteit van de celcyclus in de getransplanteerde sferoïde te beoordelen. Bovendien kunnen met het ACE-beeldvormingsplatform stoffen op het oog worden aangebracht (in de vorm van oogdruppels) of rechtstreeks in de ACE worden geïnjecteerd om het transplantaat te behandelen en de reactie ervan te volgen. Post-mortem kunnen de getransplanteerde sferoïden gemakkelijk worden opgehaald door handmatige microdissectie en kunnen ze waardevolle informatie opleveren door middel van ex vivo-technieken , zoals immunofluorescentiekleuring, transcriptomische analyse, enz.10.
Deze techniek heeft bepaalde beperkingen. De eerste is dat uit onze ervaring blijkt dat de ontvangende muizen albino moeten zijn, d.w.z. een niet-gepigmenteerde iris moeten hebben. Bij implantatie worden de leversferoïden bedekt met een monolaag van iriscellen, wat de levensvatbaarheid of functie van de sferoïden niet beïnvloedt, maar het pigment in de iriscellen voorkomt beeldvorming. Een tweede overweging is de stabiliteit tijdens intraoculaire beeldvorming bij verdoofde muizen. Tijdens de in vivo beeldvormingssessies moeten de anesthesieconcentratie en ademhaling van het dier nauwlettend in de gaten worden gehouden om beweging tot een minimum te beperken. Desalniettemin zijn we met behulp van de hier aangegeven beeldvormingsinstellingen in staat om beeldvorming met hoge resolutie op het niveau van één cel te bereiken.
Samenvattend beschrijft dit protocol de implementatie van een niet-invasief in vivo beeldvormingsplatform van leverachtig weefsel dat in de ogen van muizen is geënt. We gebruiken eenvoudige procedures, gemeenschappelijke apparatuur en betaalbare materialen, waardoor het voor veel onderzoekers een haalbare aanpak is. Dit model combineert de voordelen van in vitro 3D-leversferoïden met het in vivo milieu en de optische toegankelijkheid die door de ACE wordt geboden om een waardevol platform te creëren voor het bestuderen van leverfysiologie en pathologie in fundamenteel onderzoek en preklinische omgevingen.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door de Zweedse Diabetes Vereniging, Fondsen van het Karolinska Institutet, de Zweedse Onderzoeksraad, de Novo Nordisk Foundation, de Family Erling-Persson Foundation, het Strategic Research Program in Diabetes aan het Karolinska Institutet, de Family Knut en Alice Wallenberg Foundation, de Jonas & Christina af Jochnick Foundation, de Zweedse Vereniging voor Diabetologie en ERC-2018-AdG 834860-EYELETS. De figuurtekeningen zijn gemaakt door FL-B met behulp van BioRender.com.
27 G butterfly needle | Venofix | 4056388 | |
AAV8-CAG-GFP | Charles River | CV17169-AV9 | Incubated with isolated hepatocytes at 1 µL/mL during liver spheroid formation |
Absolute and 70% ethanol | N/A | N/A | |
Absorbent pad | Attends | 203903 | |
Albumin-Cre;RCL-tdTomato (B6.Cg-Speer6-ps1Tg(Alb-cre)21Mgn/J ; B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J) | Jackson | #003574 and #007914 | Mice obtained from in-house breeding |
B6 albino mice (B6(Cg)-Tyrc-2J/J) | Jackson | #000058 | Mice obtained from in-house breeding |
B6;129P2-Gt(ROSA)26Sor[tm1(CAG-Venus/GMNN,-Cherry/CDT1)Jkn]/JknH | INFRAFRONTIER/EMMA | EM:08395 | Mice obtained from in-house breeding |
BD Insyte IV Catheter 24 G x 0.75 in | BD Medical | 381212 | |
Borosillicate standard glass cappilaries | World Precision Instruments | 1B150-4 | |
Cell lifter | Corning | 3008 | |
Cell strainer, 70 µm | Falcon | 352350 | |
Custom-made metal plate | Hardware store | N/A | |
Dexamethasone | Sigma-Aldrich | D4902 | |
Dual-Stage Glass Micropipette Puller | Narshige | Model PC-100 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | |
Electric heating pad | Hardware store | N/A | |
FBS | Gibco | N/A | |
GlutaMAX | Gibco | 35050061 | |
Green CMFDA | Abcam | ab145459 | Reconstituted in DMSO, administered at 100 µg/mouse in PBS 10% FBS |
Hamilton syringe | Hamilton | 81242 | Model 1750 Luer Tip Threaded Plunger Syringe, 500 µL |
HBSS; no calcium, no magnesium and no phenol red | Gibco | 14175095 | |
HCX IRAPO L 25x/0.95 W objective | Leica | N/A | |
HEPES | Gibco | 15630080 | |
Induction chamber 0.8 L | Univentor | 8329001 | |
Insulin-Transferrin-Selenium (ITS-G) | Gibco | 41400045 | |
Isoflurane | Baxter | N/A | |
Lectin DyLight-649 | Invitrogen | L32472 | Administered at 1 mg/mL and 100 µL/mouse |
Liberase TM Research Grade | Sigma-Aldrich | 5401127001 | |
Microelectrode beveler | World Precision Instruments | Model BV-10 | |
Mouse head-holder and gas mask | Narshige | Model SGM-4 | |
Nunclon Sphera 96-Well, U-Shaped-Bottom Microplate | Thermo Fisher | 174929 | |
Oculentum simplex | APL | N/A | |
PBS 10x | Gibco | 14080055 | |
PBS 1x; no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Percoll | Sigma-Aldrich | P1644 | |
Peristaltic pump | Ismatec | Model ISM795 | |
PharMed BPT Pump Tubing | VWR | VERN070540-07 | Inner diameter 0.76 mm, outer diameter 2.46 mm |
pHrodo Red-LDL | Invitrogen | L34356 | Administered at 1 mg/mL and 100 µL/mouse |
Portex Fine Bore Polyethylene Tubing | Smiths Medical | 800/100/140 | Inner diameter 0.4 mm, outer diameter 0.8 mm |
Silicone dissection mat | Hardware store | N/A | |
Sodium chloride 0.9% | Braun | N/A | |
Solid Universal Joint | Narshige | Model UST-2 | |
Stereomicroscope | Leica | Model M80 | |
Suspension culture dish 35 mm | Sarstedt | 833900500 | |
Temgesic | Indivor | N/A | Administered s.c. at 0.05 mg/mL and 2 µL/g mouse |
Translucent Silicone Tubing | VWR | 228-1450 | Inner diameter 1.5 mm, outer diameter 3 mm |
Trypan Blue | Sigma-Aldrich | T8154 | |
Univentor 400 Anesthesia unit | Univentor | 8323001 | |
Upright laser scanning confocal microscope | Leica | Model TCS SP5 II | |
Viscotears | Novartis | N/A | |
William's E Medium; no glutamine, phenol red | Gibco | 22551089 |