Een protocol wordt gepresenteerd combineren weefsel clearing met licht blad fluorescentie microscopie (LSFM) om driedimensionale en cellulaire resolutie beelden van de lymfevaten en lymfeklieren (LN’ s) het verzamelen van de cerebrospinale vloeistof (CSF) en spinale epidurale vloeistof te verkrijgen.
Het lymfestelsel geassocieerd met het centrale zenuwstelsel (CNS) omvat de lymfe vasculatuur die draait rond de hersenen, het ruggenmerg, en de bijbehorende LNs. Het cns-geassocieerde lymfestelsel is betrokken bij de drainage van CSF macromoleculen en meningeale immuuncellen in de richting van CNS-drainerende LNs, waardoor de klaring van afval en immuunsurveillance in CNS-weefsels wordt geregeld. Gepresenteerd is een nieuwe benadering van het verkrijgen van driedimensionale (3D) en cellulaire resolutie beelden van CNS-geassocieerde lymfotica met behoud van de integriteit van hun circuits binnen de omliggende weefsels. Het iDISCO+ protocol wordt gebruikt om lymfevaten in ontkalkte en gewiste hele mount preparaten van de wervelkolom die vervolgens worden afgebeeld met lichtblad fluorescentie microscopie (LSFM) immunolabel. De techniek onthult de 3D-structuur van het lymfenetwerk dat de meningeale en epidurale ruimten rond het ruggenmerg verbindt met extravertele lymfevaten. Voorzien zijn 3D-beelden van de drainage circuits van moleculaire tracers eerder geïnjecteerd in ofwel de CSF via de cisterna magna of de thoracolumbar spinale parenchyma. De iDISCO+/LSFM-aanpak biedt ongekende mogelijkheden om de structuur en functie van het cns-geassocieerde lymfestelsel in de neurovasculaire biologie, neuro-immuun- en wervelkanker, of wervelbot en gewrichtsbiologie te verkennen.
Het CZS is omgeven door het CSF en overlegende lagen hersenvliezen, epidurale weefsel, en botten. Alles bij elkaar biedt het CSF fysieke bescherming aan de zachte hersenen en het ruggenmerg. Het wordt voornamelijk afgescheiden door de choroïde plexus en de meningeale membranen (d.w.z. de pia mater, de arachnoid en de dura mater). Het CSF-meningeal complex creëert ook een functionele interface tussen de CNS weefsels en de rest van het lichaam, waardoor bij te dragen aan CNS homeostase. Ten eerste dringt het CSF door het CNS parenchyma door de CNS para-arteriële ruimten en interageert dynamisch met de interstitiële vloeistof (ISF)1 via het glymfphatische (glia-lymfe) systeem, dat bestaat uit de paravasculaire ruimten en de astrocyten eindpootmembranen rond de CNS-schepen2,3,4. Metabolisch afval en overtollig vocht worden dan uiteindelijk gewist door intramurale perivasculaire drainage rechtstreeks van de hersenen parenchyma naar de systemische circulatie 3 ,evenalsde paraveneuze ruimten in de richting van het CSF en via brain-drainerende lymtische vaten, volgens de glymphatische model2,4. Csf-uitstroom verloopt voornamelijk via het lymfestelsel, via de cribriforme plaat en de bijbehorende extracraniële lymfevaten5,6,7 ,evenalsdoor de hersenlymfeklieren, die samenkomen bij de braintrainerende LN’s8,9,10,11,12 ( figuur1). Een belangrijke, hoewel secundaire, rol bij csf-uitstroom wordt ingenomen door de craniale arachnoid villi, die de lacune van meningeale veneuze sinussen13penetreren.
De CFS drainage circuits zijn uitgebreid onderzocht door middel van experimentele benaderingen op basis van de injectie van gekleurde / fluorescerende tracers in het CNS of CSF, gevolgd door de beeldvorming van het patroon van de tracers in het CNS en door de organen en weefsels van het lichaam op verschillende tijdpunten na injectie13. Lange tijd werd de uitstroom van CSF beschouwd als uitsluitend en rechtstreeks genomen door de bloedcirculatie, door middel van arachnoid villi projecteren in vurale veneuze sinussen13. De csf-uitstroom wordt echter voornamelijk uitgevoerd door de lymfevaat, zoals onlangs is aangetoond door de dynamische beeldvorming van csf-geïnjecteerd tracertransport bij muizen9,10. De CSF-drainerende lymfevaten keren dan via de juiste subclavian ader terug naar de bloedbaan. Aanvullende approches hebben zowel extracraniële6,7,,13 en intracraniale9,10,1111,12 lymfeuitgangen van CSF-geïnjecteerde tracers gedetecteerd en suggereren dat het CSF wordt geabsorbeerd door twee lymfepaden, een externe en de andere inwendig aan de schedel en wervelkolom. Het grootste deel van csf-drainage komt snel voor door lymfatische vaten die zich rostraal, buiten de schedel in het neusslijmvlies bevinden, via kanalen van de cribriforme plaat van het ethmoïde bot3,6,13 en, caudally, buiten lumbosacrale wervelbotten door dorsolaterale routes die nog niet volledig zijn gekarakteriseerd7,14. Bovendien absorberen lymfevaten van de dura mater in de hersenvliezen van de schedel direct CSF en meningeale immuuncellen naar oerlymfecollectoren die de schedelbotten kruisen en verbinding maken met CNS-drainerende LNs12,14. Deze meningeale lymfevaten spelen een belangrijke rol in CNS pathofysiologie, omdat hersenvlieslymfatica worden veranderd bij veroudering en ook van invloed zijn op de uitkomst van neurologische hersenziekten, waaronder neurodegeneratie, neuro-ontsteking en hersenkanker15,16,17. Daarom kan de cns-geassocieerde lymfevaat (d.w.z. de oer- en perifere lymfevaten die het CSF aftappen) een veelbelovend nieuw doelwit zijn om CNS-ziekten bij de mens te bestrijden.
Convergente studies uitgevoerd met immunohistologie en hoge resolutie magnetische resonantie beeldvorming aangetoond dat de meningeale lymfevaat vasculatuur bestaat ook bij primaten, met inbegrip van gemeenschappelijke marmoset apen en mensen7,11,13. Bovendien zijn hersenlymfatische bloedvaten niet beperkt tot de schedel, maar breiden zich binnen de wervelkolom uit tot het oppervlak van spinale ganglia en rami13,18. Driedimensionale (3D) beeldvorming van de wervelkolomlymfolytica met behoud van de algehele anatomie van gelabelde wervel- en ruggegraatsmonsters, waaronder bovenliggende botten, spieren, ligamenten, evenals naburige viscerale weefsels, werd onlangs uitgevoerd14. Het iDISCO+ protocol19,20 werd gebruikt om de preparaten van de hele wervelkolom met lymfespecifieke antilichamen met lymbraanreceptor LYVE121 of de transcriptiefactor PROX122te immunolabelen . Beeldacquisitie en -analyse werden vervolgens uitgevoerd met light sheet fluorescentiemicroscopie (LSFM) en de Imaris-software. LSFM zorgt voor snelle en minimaal invasieve 3D-beeldvorming van grote exemplaren door axiale opsluiting van verlichting, wat resulteert in verminderde fotobleekte en fototoxiciteit23.
De iDISCO+/LSFM-benadering maakt karakterisering van de verschillende lagen van durale en epidurale lymfevaten mogelijk, en de verbinding van deze vasculatuur met de extravertebrale lymfecircuits en de LN’s die de wervelkolom naburig zijn. Het protocol werd toegepast op weefsels die eerder met fluorescerende tracers werden geïnjecteerd om wervelkanaaldrainage aan te tonen. Het onderhavige document geeft details over de iDISCO+/LSFM-methodologie om de wervellymfefeatuur in beeld te brengen en illustreert de relevantie ervan voor CSF en epidural fluid drainage investigation.
Het iDISCO+/LSFM-protocol biedt ongekende 3D-weergaven van het cns-geassocieerde lymfenetwerk binnen de omliggende weefsels op een cellulair resolutieniveau. Dit protocol is goed aangepast aan middelgrote monsters, niet exeeding 1,5 cm3, als gevolg van de beperkingen van het LSFM optische systeem, de verminderde werkafstand, en de grote omvang van de commerciële objectieve lenzen voor hoge resolutie microscopie23. Deze beperking voorkomt het vastleggen van de hele hersenen-geassocieerde lymfestelsel. Het is belangrijk op te merken dat het onderzoeksgebied voorzichtig moet worden afgebakend en dat de weefsels rond het CZS zorgvuldig moeten worden ontleed om de extracraniële lymfevaten en LNs op te nemen die bijdragen aan het hele lymfecircuit(tabel 2).
Naast grootte en anatomische overwegingen varieert de complexiteit van omliggende mesenchymale weefsels langs de schedel en de wervelkolom, wat aanpassing van de ontkalking en preclearing behandeling vereist om een homogene monsterverduidelijking te verkrijgen en lichtbundel voortplanting binnen een zacht isotropisch biologisch weefsel mogelijk te maken. Bij afwezigheid van botten vereist LFSM-beeldvorming van de hersenen of ruggenmergweefsels de ontkalkingsstap niet en is de uiteindelijke resolutie van de vastgelegde beelden optimaal19. Het hierboven beschreven protocol, dat een milde ontkalkingsstap met morse’s oplossing omvat, is goed aangepast voor LSFM-beeldvorming van de wervelkolom zoals geïllustreerd in figuur 1 jp figuur 4. In tegenstelling, de nek regio toont een bijzonder complexe bot anatomie in aanvulling op meerdere lagen van spieren, vet en klierweefsels, die de kwaliteit van de vastgelegde LSFM beelden te verminderen, zoals weerspiegeld in figuur 3B. LSFM beeldvorming van de nek en cervicale gebied kan dus worden verbeterd door een strengere behandeling van weefsels; bijvoorbeeld met EDTA, zoals eerder gemeld24. De ontkalkingsstap is daarom kritiek en de ontkalkingsvoorwaarden moeten eerder worden getest voor elk antilichaam dat wordt gebruikt voordat het volledige iDISCO+ protocol(tabel 2)wordt gestart.
Hoewel het iDISCO+/LSFM-protocol het mogelijk maakt om een 3D-weergave te maken van verbindingscircuits tussen de meningeale en epidurale ruimten en de bijbehorende LN’s, de directe kwantitatieve analyse van lymfevaat van lsfm-gevangen beelden is om de volgende redenen niet haalbaar: 1) afbakening van lymfevatcircuits is onbetrouwbaar vanwege het discontinu patroon van lymfemarkeringsexpressie, omdat membranar LYVE1 erfelijk verdeeld is21 en PROX1 een kernexpressiepatroonheeft 22; 2) de heterogene penetratie van antilichamen, evenals de anisotropie die kan aanhouden in het biologische weefsel als gevolg van onvolledige en heterogene ontkalking en preclearing. LSFM beeldvorming moet dus worden uitgebreid met virtual reality tools die interactieve visualisatie mogelijk maken en zo kwantificering van de lymfevaat (www.syglass.io) vergemakkelijken. Het is ook opmerkelijk dat de precieze beschrijving van het cns-geassocieerde circuit een back-up van LSFM-informatie vereist met confocale gegevens met hoge resolutie die zijn verkregen door conventionele immunolabeling op dunne (5-10 μm) cryostat of paraffine-embedded weefselsecties, met name om de positie van lymfevaten met betrekking tot de dura mater en het CSF nauwkeurig te lokaliseren, zoals eerder gemeld11,14,18.
Het iDISCO+/LSFM-protocol maakt een driedimensionale visualisatie van de macromoleculaire drainage in het cns-geassocieerde lymfestelsel mogelijk, zoals geïllustreerd in figuur 3 jp figuur 4. De functionele beoordeling van de lymfedrainage vereist echter, naast de aanbevelingen over het hierboven beschreven iDISCO+/LSFM-protocol, na een rigoureuze procedure, omdat het uiteindelijke resultaat afhangt van de kwaliteit van de injectieoperatie, de keuze van de leveringslocatie, het type en het geïnjecteerde volume van de gebruikte macromolecule marker en het tijdstip van opoffering na traceradministratie (tabel 2). Als gevolg van variaties van het tracerpatroon tussen geïnjecteerde dieren, vereist de karakterisering van lymfedrainagecircuits grote experimentele groepen (>10 door injectieconditie). In het gepresenteerde protocol 1) moet de dura mater vóór de injectie worden doorboord om ongewenste laesies en penetratie in de CNS-weefsels te voorkomen; 2) het geïnjecteerde volume moet minder dan 2 μL bedragen om ongewenste verspreiding door het injectiegat, langs de injectiecapillaire, in de epidurale ruimte of extravertebrale weefsels te beperken; 3) de diepheid van het inbrengen van injectiecapillaire middelen moet worden beperkt tot 2 mm onder de duramater om cns-letsel of mistargeting in respectievelijk ICM en intraspinale injecties te voorkomen. Merk ook op dat een aanvullende confocale analyse met hoge resolutie van naburige wervelsegmenten moet worden uitgevoerd, zoals hierboven aangegeven, om de aanwezigheid van geïnjecteerde tracer in de lymfevaten te beoordelen. Deze analyse vereist het vaststellen van de intensiteitsprofielpercelen voor de tracer en de lymfemarker op dwarsdoorsnedes van lymfevaten met het markerlabel. Deze aanpak is eerder gebruikt om ova555 opname door ThLb lymfolytica aan te tonen op 15 min na injectie (aanvullende figuur 5F in Jacob et al.14). In deze studie is echter niet aangetoond dat de anti-LYVE1-tracer in deze studie is aangetoond (figuur 4).
Onder mogelijke CSF tracers, OVA-A555 is een uitstekende optie omdat het bestand is tegen de iDISCO+ protocol behandelingen en onderhoudt hoge fluorescentie voor LSFM beeldvorming. Houd er echter rekening mee dat het type tracer moet worden gekozen overeenkomstig het analysetijdpunt(tabel 1 jp tabel 2). Zoals hierboven vermeld, wordt OVA-A555 etikettering van lokale wervellymfelyserende vaten waargenomen op 15 minuten na injectie14. OVA-A555 wordt echter niet meer gedetecteerd in deze lokale lymfecircuits op 45 minuten na injectie (figuur 3) in tegenstelling tot het anti-LYVE1-antilichaam (figuur 4).
Tot slot is het iDISCO+/LSFM-protocol goed aangepast voor het onderzoeken van de 3D-structuur en drainage van het cns-geassocieerde lymfestelsel in fysiologische en pathologische aandoeningen zoals CNS- en wervelkolomkanker, of wervelbot- en gewrichtsziekten. Hoewel de volledige procedure lang is en methodologische strengheid vereist, biedt het waardevolle, unieke informatie wanneer het wordt gebruikt met aanvullende analyse met behulp van virtual reality-tools en confocale beeldvorming met hoge resolutie.
The authors have nothing to disclose.
Dit werk werd ondersteund door het Institut National de la Sante et de la Recherche Medicale, Agence Nationale Recherche (ANR-17-CE14-0005-03), Federation pour la Recherche sur le Cerveau (FRC 2017), Carnot Maturation (to L.J.), Universidade Federal de Rio de Janiero (UFRJ voor J.B.), NIH (R01EB016629-01) en de Yale School of Medicine. Wij erkennen de ICM-platforms: ICM-QUANT voor cellulaire beeldvorming en ICM-histomics voor immunohistochemie. Al het dierwerk werd uitgevoerd in de PHENO-ICMice faciliteit. De Kern wordt ondersteund door 2 “Investissements d’avenir” (ANR-10- IAIHU-06 en ANR-11-INBS-0011-NeurATRIS) en de “Fondation pour la Mé Recherchedicale”. Wij erkennen Nicolas Renier voor methodologisch advies en manuscriptlezing.
Consumables | |||
Centrifuge tubes: 0.2ml | Eppendorf | 30124359 | |
Centrifuge tubes: 2ml | Eppendorf | 30120094 | |
Conical centrifuge tubes: 15ml | Falcon | 352096 | |
Conical centrifuge tubes: 50ml | Falcon | 352070 | |
Microtome blade 80mm | Microm Microtech France | F/MM35P | |
Needles 26G (0.45×13 mm) | Terumo | AN*2613R1 | |
Syringe 1ml | Terumo | SS+01H1 | |
Microscopes and imaging softwares | |||
AxioZoom.V16 fluorescence stereo zoom microscope, equipped with an ORCA-Flash 4.0 digital sCMOS camera (Hamamatsu Photonics) or an OptiMOS sCMOS camera | Zeiss | ||
Imspector Microscope controller software, Version v144 (acquisiton software) | Abberior instruments | ||
Imaris File Converter x64 9.2.0(file convertion software) , Imaris stitcher software 9.2.0 (stitcher software), Imaris x64 9.2.0 (3D software) | OXFORD instruments | ||
LED lasers (OBIS) LVBT Laser module 2nd generayion | COHERENT | ||
Ultramicroscope II equipped with a sCMOS camera (Andor Neo) and a 4 × /0.3 objective lens (LVMI-Fluor WD6) | LaVision Biotec | ||
Reagents | |||
Alexa Fluor 568 Donkey anti Rabbit | Thermo Fisher | A10042 | |
Alexa Fluor 647 Donkey anti goat | Jackson ImmunoResearch | 705-605-147 | |
Alexa Fluor 647 Donkey anti Rabbit | Jackson ImmunoResearch | 711-605-152 | |
Anti-LYVE1 polyclonal antibody | Angiobio | #11-034 | |
Anti-PROX1 goat polyclonal IgG antibody | R&D systems | #AF2727 | |
Buprenorphine Injection Ampoules (Buprecare solution, 0.3mg/ml) | Animalcare | Ampule 1ml | |
Dibenzyl Ether 100% (DBE) | Sigma Aldrich | 108014 | |
Dichloromethane 100% (DCM) | Sigma Aldrich | 270997 | |
Formic acid 99% | CARLO ERBA | 405793 | |
Glycine | Sigma Aldrich | G.7126 | |
Heparine sodium salt from porcine | Sigma Aldrich | H4784 | |
Hydrogen peroxide solution (H2O2 30%) | Sigma Aldrich | H1009 | |
Isoflurane (Iso-Vet 100%) | Piramal | NDC 66794-013-10 | |
Methanol 100% | Sigma Aldrich | 322415 | |
Ovalbumin Alexa Fluor 555 Conjugate | Invitrogen | 11549176 | |
Phosphate Buffer Solution PBS (stock solution 10X) | Euromedex | ET330-A | |
Sodium Pentobarbital (Euthasol 400mg/mL) | Dechra | 08718469445110 | |
Tri-sodium citrate | VWR | 6132-04-3 | |
Surgical tools and equipments | |||
Anaesthesia system | Univentor | Univentor 410 Anaesthesia Unit | |
Glass micropipette puller | Narishige | PC-10 | |
Heating pad | CMA Microdialysis AB | CMA 450 Temperature controller | |
Microcapillaries (Glass Capillaries) | Harvard Apparatus | GC120-15 | |
Microforceps, forceps,dissection scissors and Michel Suture Clips (7.5 × 1.75mm) | Fine Science Tool | 12040-01 | |
Scalpel (sterile disposable scalpel 23) | Swann-Norton | 0510 | |
Stereotaxic apparatus | KOPF | Model 940 | |
Syringe Hamilton 10µl 701N | Hamilton | 28618-U | |
Warm air System | Vet-Tech LTD | HE011 |