Dubbelharsgieten micro-computertomografie, of DUCT, maakt visualisatie, digitalisering en segmentatie van twee buisvormige systemen tegelijkertijd mogelijk om 3D-analyse van orgelarchitectuur te vergemakkelijken. DUCT combineert ex vivo injectie van twee radiopaqueharsen gevolgd door micro-computertomografiescanning en segmentatie van de tomografische gegevens.
De lever is het grootste interne orgaan bij mensen en muizen, en hoge autofluorescentie vormt een belangrijke uitdaging voor het beoordelen van de driedimensionale (3D) architectuur van het orgaan op het niveau van het hele orgaan. Leverarchitectuur wordt gekenmerkt door meerdere vertakkende lumenstructuren, die kunnen worden gevuld met hars, waaronder vasculaire en galbomen, waardoor een zeer stereotiep patroon ontstaat in het anders hepatocytrijke parenchym. Dit protocol beschrijft de pijplijn voor het uitvoeren van microcomputertomografie met dubbele harsgiet, of “DUCT”. DUCT omvat het injecteren van de poortader en de gemeenschappelijke galwegen met twee verschillende radiopaque kunstharsen, gevolgd door weefselfixatie. Kwaliteitscontrole door één kwab, of de hele lever, te zuiveren met een optisch clearingmiddel, maakt pre-screening van geschikte geïnjecteerde monsters mogelijk. In het tweede deel van de DUCT-pijplijn kan een kwab of de hele lever worden gebruikt voor micro-computertomografie (microCT) scanning, (semi-)geautomatiseerde segmentatie en 3D-rendering van de portale veneuze en galwegen. MicroCT resulteert in 3D-coördinatengegevens voor de twee harsen die zowel kwalitatieve als kwantitatieve analyse van de twee systemen en hun ruimtelijke relatie mogelijk maken. DUCT kan worden toegepast op postnatale en volwassen muizenlever en kan verder worden uitgebreid naar andere buisvormige netwerken, bijvoorbeeld vasculaire netwerken en luchtwegen in de longen.
Orgelharsgieten is een techniek die teruggaat tot de 17e eeuw1. Een van de eerste voorbeelden van modern harsgieten werd uitgevoerd op de menselijke lever van een autopsie. Intrahepatische galwegen werden gevuld met een contrastmiddel gemengd met gelatine, gevolgd door beeldvorming met een röntgen-CT-scan2. Het doel van de DUCT-techniek is om twee buisvormige hars-gegoten netwerken in combinatie in 3D te visualiseren, digitaliseren en analyseren.
DUCT is gebaseerd op de uitgebreide bestaande kennis van single-system leverharsgieten3,4,5,6,7,8 en strekt zich uit tot gelijktijdige 3D-visualisatie en analyse van twee systemen9. DUCT geavanceerde single resin casting naar double resin casting door twee radiopaque harsen van verschillend contrast te mengen en deze harsen in twee verschillende netwerken te injecteren, met name het gemeenschappelijke galkanaal en de poortader. DUCT kan worden toegepast op jonge postnatale muizen met reproduceerbare resultaten al op postnatale dag 15 (P15). In vergelijking met op microscopie gebaseerde beeldvormingstechnieken is het belangrijkste voordeel dat DUCT sneller, antilichaamvrij is en leverweefselautofluorescentie de beeldvorming niet verstoort. Verder biedt DUCT kwantitatieve gegevens die de lumenisatiestatus, interne diameter, netwerkconnectiviteit en perfusie beschrijven. Onderscheid maken tussen de aanwezigheid van lumenvormende cellen en hun de facto morfogenese in buizen is essentieel voor het analyseren van organen waarin ductulaire cellen aanwezig zijn maar geen buizen vormen, zoals het geval kan zijn bij het syndroom van Alagille10. Het grootste nadeel van DUCT is de beperkte penetratie van de hars, die stroperig is en niet in buizen met een klein kaliber (<5 μm) komt. DUCT kan worden toegepast voor elke buisvormige structuur na het bepalen van het injectie-ingangspunt, zoals de arteriële en veneuze bloedsomloop, luchtwegen, de extrahepatische galwegen of lymfevaten. Het zou dus de analyse van de hele orgaanarchitectuur van andere weefsels zoals longen en pancreas kunnen vergemakkelijken.
MicroCT-gesegmenteerde afbeeldingen kunnen worden verwerkt met behulp van in de handel verkrijgbare beeldvormingssoftware, zoals ImageJ, of op maat geschreven pijplijnen (bijv. MATLAB). De harsgeïnjecteerde lever kan kwalitatief worden geanalyseerd voor netwerkuitbreiding en connectiviteit of kwantitatief voor volume, lengte, vertakking, tortuositeit van een enkel systeem en de interactie tussen twee systemen, zoals de afstand tussen twee systemen, of branchpoint-afhankelijkheid (vertakt systeem 1 zich in de nabijheid van systeem 2-vertakking?). De DUCT-pijplijn met harsinjectie, microCT-scanning en CT-gegevenssegmentatie, gecombineerd met gedetailleerde kwantitatieve analyse van architecturale mechanismen van twee buisvormige systemen, zou een standaard kunnen bieden voor volledige leveranalyse in diermodellen.
Verschillende kritische stappen bepalen het succes van DUCT, van monstervoorbereiding tot de parameters van het CT-apparaat. Om de beste resultaten te bereiken, moet goed contrasterende, goed geïnjecteerde en bubbelvrije hars worden gebruikt om eenvoudige digitale verwerking met geautomatiseerde drempels mogelijk te maken om 3D-gegevens, afbeeldingen en films te verkrijgen. Met training en het volgen van dit protocol is 90% van de injecties succesvol en resulteert dit in reproduceerbare gegevens. Het is belangrijk om verse gele hars te gebruiken om het beste contrast tussen de twee geïnjecteerde systemen te bereiken. De gele hars heeft een zeer sterke radiopaciteit, terwijl de blauwe hars een niet-detecteerbare radiopaciteit heeft. Topresultaten worden behaald binnen de eerste drie maanden na het openen van een nieuwe gele harsfles. Na verloop van tijd slaat hars neer en na langere opslag (>6 maanden) zullen de gele en de groene harsen niet langer te onderscheiden zijn in CT-scans. Beelden met een slecht contrast vereisen uitgebreide en tijdrovende handmatige tracering en segmentatie van de twee systemen. Vervolgens zijn goed uitgerekte buizen onmisbaar om te passen in het gemeenschappelijke galkanaal van volwassen muizen en het gemeenschappelijke galkanaal en de poortader van postnatale muizen. Het toegangspunt voor de injectie moet met zorg worden gecreëerd. Als het gemeenschappelijke galkanaal transversaal wordt opengesneden, zal het waarschijnlijk loskomen van het omliggende weefsel, waardoor een succesvolle binnenkomst van de slang wordt voorkomen. Deze stap is vooral delicaat voor postnatale muizen waarbij het gemeenschappelijke galkanaal zich terugtrekt en “opkrult” als het zich heeft losgemaakt van het omliggende weefsel, waardoor het inbrengen van de slang uiterst uitdagend is. De gemeenschappelijke galweginvoer en injectie kan enige oefening vereisen. Tijdens het voorbereiden van de slang met hars en tijdens de injectie, vermijd bubbelvorming, omdat bubbels negatieve ruimte creëren in de CT-beelden en tijdrovende handmatige correctie vereisen. Het is belangrijk om de lever zachtjes te masseren door tijdens en na de injectieprocedure met een bevochtigd wattenstaafje over het oppervlak te rollen, omdat dit een gelijkmatige harsverspreiding vergemakkelijkt. Na de voltooiing van de injectie en het verwijderen van de slang, moet de zijden hechtknoop snel en voorzichtig worden aangespannen, zodat de hars niet uit de lever stroomt voordat deze volledig polymeriseert. Voor succesvolle microCT-beeldvorming moet het monster op de juiste manier op zijn plaats worden gefixeerd met agarose en thermisch worden aangepast om bewegingsartefacten in de CT-gegevens te elimineren. De acquisitie-instellingen zijn ook van cruciaal belang, die moeten worden geoptimaliseerd om een adequate ruimtelijke resolutie te bereiken om fijne structuren op te lossen.
Technische wijzigingen in de injectieprocedure kunnen worden aangebracht om injectie bij jongere muizen te bereiken. Momenteel wordt het harsgieten van jongere muizenlevers beperkt door de beschikbaarheid van voldoende dunne buizen, waarbij PE10 de kleinste commercieel verkrijgbare buis is. Tanimizu et al. injecteerden met succes koolstofinkt in embryonale dag 17 (E17) gemeenschappelijke galwegen met behulp van glazen haarvaten11. Toekomstige testen of hars via glazen capillair kan worden geleverd, zou daarom van belang zijn. DUCT werd verder aangepast om andere buisvormige systemen te injecteren, zoals de luchtwegen en de longslagadervaculatuur van de longen9. De dubbele harsinjectie kan ook worden aangepast om te worden gebruikt met andere in de handel verkrijgbare harsen, of dit protocol kan worden gebruikt voor injecties met koolstofinkt.
Een van de belangrijkste beperkende factoren van de DUCT-pijplijn is de viscositeit van de hars. DUCT kan alleen worden gebruikt voor het gieten van hars van buisvormige structuren boven een diameter van 5 μm. In deze dataset kon de hars buizen binnendringen met de kleinste diameter van 5 μm9. Deze groottebeperking sluit de analyse van fijne ductules en kleine haarvaten uit. Om de DUCT-pijpleiding verder te ontwikkelen naar vaten van kleiner kaliber, moeten andere commercieel verkrijgbare harsen worden getest, of de ontwikkeling van nieuwe radiopaquemiddelen met lage viscositeit kan de lumenpenetratie verbeteren.
In Hankeova et al.9 werd DUCT vergeleken met twee andere veelgebruikte technieken, dubbele koolstofinktinjecties gevolgd door weefselverwijdering en standaardfotografie, en iDISCO+ met kleuring van de bloedvaten met alfa-gladde spiercelactine en galwegen met cytokeratine 7, gevolgd door 3D-beeldvorming9. DUCT presteerde beter dan de andere twee methoden in termen van dubbele analyse (wat een uitdaging was voor iDISCO + vanwege hoge leverautofluorescentie), 3D-beeldvorming en kwantificering (niet mogelijk met koolstofinktinjectie) en lumenisatie (DUCT levert gegevens voor de interne lumenarchitectuur en systeemperfusie). Zoals hierboven vermeld, is de belangrijkste beperking van DUCT de minimale lumengrootte die kan worden geïnjecteerd en geanalyseerd (limiet van 5 μm), een parameter waarin zowel koolstofinktinjectie als iDISCO + beter presteerden. DUCT is superieur aan harsgieten met één systeem3,5,6 omdat het analyse van elk geïnjecteerd systeem afzonderlijk mogelijk maakt en ook dubbel 3D-onderzoek mogelijk maakt om de architecturale relatie tussen de twee systemen te bestuderen.
DUCT kan worden toegepast om twee buisvormige netwerken in 3D te bestuderen. Als proof of principle werd DUCT gebruikt om de leverbiliaire en poortadersystemen en de longslagader vasculatuur en luchtwegen in de longen te visualiseren9. De intrahepatische galwegen ontwikkelen zich naast de poortader en de poortader biedt een structureel sjabloon en signaleringscentrum dat de groei en differentiatie van de galboom reguleert12. In Hankeova et al.9 onderzocht DUCT galregeneratie in een muismodel voor de menselijke pediatrische ziekte Alagille-syndroom. DUCT onthulde niet eerder gerapporteerde architecturale mechanismen die het galsysteem gebruikte om een wild-type-achtig volume te bereiken9. De Alagille-syndroommuizen gebruikten twee verschillende strategieën: (1) in de hilarische en centrale regio’s van de lever verhoogde het galsysteem zijn vertakking en (2) in de leverrand waren de de novo gegenereerde galwegen zeer kronkelig. Deze twee factoren samen leverden een bijna normaal galsysteemvolume op, ondanks de abnormale architectuur. Bovendien detecteerde DUCT abnormale galkanaalvertakkingen die onafhankelijk van poortadervertakkingen optraden en galwegen die verbindingsbruggen vormden tussen twee poortaders9. Deze fenotypen zouden onmogelijk te detecteren zijn in enkelharsgieten en zouden verkeerd kunnen worden geïnterpreteerd in 2D histologische secties als galwegproliferatie. DUCT levert dus gegevens die de 3D-architectuur van twee buisvormige netwerken op het hele orgaan- of kwabniveau beschrijven met de mogelijkheid van kwalitatieve en diepgaande kwantitatieve analyse. DUCT zou een nieuwe standaard kunnen zijn voor postnatale leverontwikkeling en leverregeneratieanalyses in verschillende diermodellen.
The authors have nothing to disclose.
Wij danken Kari Huppert en Stacey Huppert voor hun expertise en hulp op het gebied van galweg cannulatie en hun laboratorium gastvrijheid. We bedanken ook Nadja Schultz en Charlotte L. Mattsson voor hun hulp bij gemeenschappelijke galweg cannulatie.
Wij danken de volgende subsidieverlenende instanties voor hun steun:
Voor werk in ERA Lab: Karolinska Institutet (2-560/2015-280), Stockholms Läns Landsting (CIMED (2-538/2014-29)), Ragnar Söderbergs stiftelse (Starting Grant van Zweedse Stichtingen), European Association for the Study of the Liver (Daniel Alagille Award), Swedish Heart-Lung Foundation (20170723) en Vetenskapsrådet (2019-01350).
Voor werk in JK Lab: We erkennen CzechNanoLab Research Infrastructure ondersteund door MEYS CR (LM2018110). J.K. dankzij de steun van subsidie FSI-S-20-6353.
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 |