אנחנו פיתח פרוטוקולים ועוצב מנגנון מותאם אישית כדי לאפשר הטבעה של מילימטר-סולם דגימות. אנו מציגים מדגם הכנת נהלים תוך שימת דגש על הטמעת שרף אקרילי, פוליאימיד אבובים להשיג הנייח נוקשה, אחסון לטווח ארוך של דגימות לחקירה הרקמה תא ואדריכלות מורפולוגיה של מיקרו-טי
במשך יותר ממאה שנים, המחקר היסטולוגית של רקמות כבר תקן זהב עבור אבחון רפואי כי היסטולוגיה מאפשר כל סוגי תאים ברקמת כל להיות מזוהה, מאופיין. המעבדה שלנו פועלת באופן פעיל כדי להפוך ההתקדמות הטכנולוגית רנטגן שחושב מיקרו טומוגרפיה (מיקרו-CT זה יביא את הכוח אבחון של היסטולוגיה במחקר של אמצעי אחסון רקמות מלאה ברזולוציה הסלולר) (כלומר., רנטגן מודאליות Histo-tomography). לצורך כך עשינו שיפורים יישוב הצינור הכנת המדגם. אופטימיזציה מפתח אחד, המוקד של העבודה הנוכחית, היא שיטה פשוטה להטבעת נוקשה של דגימות מילימטר-סולם קבוע ומוכתמים. רבים מן השיטות שפורסמו עבור מדגם הנייח והדמיה מיקרו-CT correlative להסתמך על הצבת הדגימות פרפין, agarose או נוזלים כגון אלכוהול. הגישה שלנו מרחיב זה לעבוד עם שגרות מותאמות אישית ובעיצוב של מנגנון להדפסה תלת-ממדי כדי להטביע את הדגימות בתוך שרף אקרילי ישירות לתוך פוליאימיד אבובים, אשר יחסית שקופה לרנטגן. במסמך זה, דוגמת הכנת נהלים מתוארים הדגימות מ- 0.5 עד 10 מ מ קוטר, אשר יהיה מתאים דג זברה כל הזחלים של קטינים, או אחרים בעלי חיים, דגימות רקמה של ממדים דומים. כמו הוכחת הרעיון, אנחנו שהטבעת דגימות רזבורה, דרוזופילה, דפניה, העובר על העכבר; נציג תמונות סריקות תלת-ממדי של שלוש הדוגמאות הללו מוצגים. חשוב לציין, המתודולוגיה שלנו מוביל יתרונות רבים לרבות הנייח נוקשה, שימור לטווח ארוך של משאבים שנוצר בעמל רב וכן היכולת לחקור מחדש את דגימות.
פנוטיפים הן תכונות הנצפה של אורגניזם המייצגים את ההשלכות של אינטראקציות ייחודי בין הרקע הגנטי שלו לסביבה. מאפיינים אלה יכולים לכלול מאפיינים התנהגותיים, הביוכימי, מורפולוגיים, התפתחותית, ו/או פיזיולוגית. חשוב, הבדלים בין התכונות בין אורגניזמים פראי-סוג מוטציות גנטיות יכול לספק תובנה מפתח מנגנוני והפונקציות של גנים המושפעת. לגבי מורפולוגיה, histopathology הוא תקן זהב להערכת פנוטיפים ברמה התאית אבל סובל חפצים מכני, אינה מאפשרת ניתוח מדויק volumetric כמותי1. מעבדה שלנו הוא מוטיבציה כדי להתגבר על חסמי היישום של הכוח אבחון של היסטולוגיה לאמצעי אחסון של רקמות מלאה ברזולוציה כחיוניים.
סקר של טכנולוגיות זמינות מרמז כי הדמיה על ידי צילום רנטגן מיקרו-שחושב טומוגרפיה (מיקרו-CT) עשוי לספק יכולות אידיאלי לצורך מילימטר בקנה מידה כל-בעלי חיים תלת-ממדי (3D) היסטולוגיה. מיקרו-CT מאפשר הרסניות, איזוטרופיות, 3D להדמיה ואת היכולת לערוך ניתוח כמותי של רקמות-אדריכלות-1,–2. בשנים האחרונות, הדמיה תלת-ממדית של דג זברה וללא רבב, מוכתם מתכת על ידי מיקרו-CT צברה המתיחה הולך וגדל, יש נעזרו volumetric ניתוח של מספר רקמות, כולל שריר, שיניים, עצמות, רקמות adipose3,4 ,5,6,7,8,9,10. מודל אורגניזמים אחרים, דגימות רקמה נתונות גם מיקרו-CT הדמיה. למשל, כבר הציג קו צינור לכימות תנועת נוירואנטומיה mesoscale צפופה של מוח העכבר עם תמונה באמצעות מיקרו-CT סינכרוטרון11. באופן דומה, פרוטוקול מכתימים מבוסס-אאוזין הוכח להיות מתאים רקמות רכות מיקרו-CT הדמיה של העכבר כל האיברים12. ניתוח Morphometric של חוליות L3 אנושית וללא רבב והדמיה של ריאות האדם שהוכתמו כסף באמצעות מיקרו-CT הראו התועלת של טכנולוגיה זו עבור האדם דגימות13,14.
על מנת לממש את ההבטחה הגדולה של מיקרו-CT עבור מלאה מורפולוגיים phenotyping של חיות קטנות ללא פגע, דגימות רקמה, מספר משוכות צריך להתגבר ביחס תפוקה, רזולוציה, שדה-of-view, מקיף תא מכתים, שימור לטווח ארוך. בעוד כל אחד מהיבטים אלה היא חשובה ביותר, המוקד בכתב היד הוא אופטימיזציה של נהלים ההטבעה, הערות נוספות על קיבוע הדגימה, מכתים. צביעת מתכות כבדות שימושית בגלל הניגוד הטבועה בין רקמות רכות שונות בתמונות מיקרו-CT הוא נמוך. כתמי בעצמת מתכת שונים, כגון אוסמיום ארבע-חמצני, יוד, חומצה phosphotungstic (PTA) ו- gallocyanin-chromalum, כדי לשפר את הניגודיות עבור מיקרו-CT הדמיה כבר למדה15,16,17. Uranyl אצטט גם שימש כסוכן מנוגדים עבור מיקרו-CT הדמיה של עצם, סחוס18,19. ועד ההורים כמו בשימוש פרוטוקול שלנו מוביל מכתים עקבית של כמעט כל הרקמות, תאים דגימות כל דג זברה, מניב תמונות זה שעשוי להיות תואם עם היסטולוגיה כמו מחקרים באמצעות אמצעי אחסון מלאה של רקמות.
במהלך ייבוא תמונות מיקרו-CT, הקרנה (2D) 2-ממדי הוא נלקח כפי המדגם מסובבת על ידי חלקיק תואר וחזר עד המדגם השלים סיבוב 180° או 360°, הפקת סדרה של אלפי התחזיות 2D המשמש שחזור מתוך20תלת-ממדי. בתהליך זה, יגרום בכל ההפרעות של הדגימה ההשתקפויות 2D המתאימים להיות לא מיושרים, וכתוצאה מכך כרכים 3D לקוי המשוחזרת. לדוגמה הנייח היא דרך לתיקון בעיה זו ולערב כמה אסטרטגיות הנוכחי השוקע המדגם באלכוהול או הטבעה של agarose צינורות פוליפרופילן או micropipette טיפים3,5,15, 16 , 21 , 22. טבילה נוזלי שיטות אינן אידיאלי כי דגימת תנועה במהלך ייבוא תמונות יכול להתרחש בין מערכות הדמיה, וכתוצאה מכך שהוסטו שחזורים של אמצעי אחסון 3D23. יתרה מכך, זה ידוע כי יציבותו הפיזית של דגימות רקמה המאוחסנות בנוזל הוא עני פרקי זמן של חודשים עד שנים, עקב חוסר יציבות כימית ושחיקה השטח המזוהים עם התנועה של נקודות מגע בין מדגם לבין (קיר של מיכל אישי תצפיות עם דגימות רקמה חיה ואנושית קבוע).
כדי להפחית את האפשרות לתנועה מדגם במהלך דימות, דוגמאות ניתן להטביע את agarose24,25,26, אך נוהג זה מזוהה עם הסיכון של הכתם לשדר לתוך agarose ובכך להקטין תמונה לעומת זאת26. יתר על כן, תכשירים נוזליים או agarose הם נוטים נזק פיזי ולבזות את לאורך זמן, שהופך אותם מתאימים לאחסון מדגם לטווח ארוך. אנחנו הסיק כי שיטה הנייח דוגמה מוצלחת וישירה באופן פוטנציאלי יכול להיות ממאמרו של שימוש עבור דגימות מיקרוסקופ אלקטרונים. שרפים polymerized כגון 812 EPON (הופסק והוחלף להטביע 812) משמשים כדי לספק את הקשיות הנדרש להפקת מקטעים ודק במיוחד עבור מיקרוסקופ אלקטרונים27,28. ואכן, מספר מחקרים השוואתיים בין דימות רנטגן ואלקטרון הראו כי הדגימות נעוץ שרף יכול לדימות על ידי רנטגן-מיקרוסקופיה-29,–30. עם זאת, חלק נוהלי סטנדרטי של מיקרוסקופ אלקטרונים לא לתרגם ישירות על מיקרו-CT הדמיה. לדוגמה, מיקרו-CT הדמיה של דגימות עם בריבוע שרף קצוות גושי שרף טיפוסי, דגימות של אלה בלוקים מזוהה עם קצה עקיפה חפצים יכולים להפריע הדמיה. החלקת קצוות שרף, בעוד זה אפשרי, זה מפרך ולגזול.
בעוד מגוון רחב של פלסטיק שרפים ההטבעה מועסקות מיקרוסקופ אלקטרונים, רקע גבוה המשויך שרפים קשה כגון 812 להטביע הוביל אותנו לבחון את האחרים. בחרנו LR לבן שלו צמיגות נמוכה, התכווצות נמוך, נטייה נמוכה טופס בועות בזמן הפילמור ורקע נמוכה יותר. כדי ליצור דוגמאות ללא קצה, וכדי לצמצם את הכמות של שרף המקיפים את הדגימה, פיתחנו הפרוטוקולים למשוך דגימות נוזל שרף לתוך פוליאימיד אבובים לפני הפילמור. פוליאימיד נבחר שלו יציבות תרמית גבוהה, גבוהה רנטגן להדמיה כך ההסרה של הצנרת אינו הכרחי עבור הדמיה. בסופו של דבר, תיכננו מתאם micropipette מותאם אישית עבור הדגימה הטבעה טכניקה כדי להחזיק את הצנרור ולמנוע הזיהום של micropipettes באופן אמין. המתאם יכול להיות מודפס מקובץ התמונה CAD תלת-ממד. יחדיו, המטרה של שיטות הכנה מדגם המובאת כאן היא לבצע הטבעה של דוגמאות קטנות יותר הגונים, להשיג משופרת מכתים ניגודיות הנייח נוקשה, אחסון לטווח ארוך של מילימטר שלם-סולם דגימות.
כתב יד זה, אנו מציגים פרוטוקול מפורט עבור קיבעון נוקשה של מילימטר-סולם קבוע, מיטה דגימות (0.5-2.5 מ”מ קוטר) עבור מיקרו-CT הדמיה. לאור התקדמות מהירה טכנולוגיית מיקרו-CT מבחינת רזולוציה ומהירות, שיטת שימור מדגם קבוע עם יכולות הדמיה מחדש רצוי מאוד. באופן מסורתי, שרף ההטבעה צפופה משמשות בדרך כלל מיקרוסקופ כדי לספק תמיכה מבנית כדי למזער את הנזק הדגימה גזורה מקטעים ודק במיוחד. השיטה שלנו הותאם לשימוש בטקטיקות נוקשה במהלך דימות בלתי הרסניות. כדי למזער את החפצים הדמיה של הנוכחות של שרף עודף, יישמנו את השימוש אבובים פוליאימיד שקוף רנטגן כדי ליצור דוגמאות עגולה ללא קצוות, וכדי להגביל את עוצמת הקול של שרף סביב המדגם.
תוצאה אופטימלית של ההליך ההטבעה זה מקצוע ביצוע זהיר של מספר שלבים קריטיים ותשומת מדגם שלמות לאורך כל ההליך. אכן, פגיעה הדגימה יביא תמונה סופית פרוץ ללא קשר להצלחת ביצוע הדמיה. כיוון מצמרר תורם הצטמצמות של התגובות כאב, רקמות מבולבל מדרדרת במהירות רבה יותר בטמפרטורות גבוהות יותר, אנו משתמשים ריאגנטים מראש צוננת. דגימות גדולות ייתכן שתצטרך לחתוך כדי לאפשר את כניסתם של מקבע לתוך החלק הפנימי של הדגימה כך איברים פנימיים כגון כבד, לבלב בטן קבועים לחלוטין. רקמות מבולבל להידרדר ולאבד המבנית, להרוס את המבנה הביולוגי. עוד צעד המפתח היא לשמור את הדגימה במערך הטבעי שלה. לכן, אנו עו ד לשימוש של מכולות שהונעו, שבהם נשתמש ברחבי הליך חשובות במיוחד במהלך קיבעון. קיבוע פוליפרופילן צינורות או צינורות חרוט אשר בדרך כלל יש חלק תחתון בצורת V להימנע כי הם יכולים לגרום דגימות מוארך לכופף, אשר חולקה על המורפולוגיה הטבעי של הדגימה. בנוסף, כדי לצמצם את השימוש שרף, הקוטר הפנימי של הצנרת פוליאימיד הוא רק מעט גדול יותר מאשר הרוחב של הדגימה. כיפוף של הדגימה יכול גם לגרום לנזק הדגימה המתאוששת הצנרת. כמו כן מומלץ להעביר את הדגימה אל הצנרת באופן טבעי קדימה כדי למנוע נזק הגפיים. התייבשות נכונה היא עוד צעד קריטי. זו מושגת עם במרווחים קטנים של ריכוז EtOH לאט להחליף מים עם EtOH, וזה יותר miscible עם השרף. בעליות גדולה בריכוז EtOH קשורים עם רקמת הצטמקות של יכולים להשתפר על ידי נוספים בהפרשים של דגירה EtOH לעשות את המעבר יותר הדרגתית. לבסוף, כדי למזער את התנועה של הדגימה או כיסי אוויר, אם יש כאלה, הדגימות ממוקמים אופקית במהלך פלמור שרף (סוף יום 4). כיסי אוויר או איטום ליד הדגימה גורם חפצים אופטי עם דימות רנטגן הקשורים עם קצה עקיפה, הפחתת איכות התמונה.
לגבי שינויים אפשריים הפרוטוקול אחרים ההטבעה שרפים, מתכת כתמי יכול לשמש במקום אקריליק לבן LR ו- PTA, בהתאמה. Embed812, שרף אפוקסי נפוץ מיקרוסקופ אלקטרונים, בעלי צמיגות גבוהה, קשה יותר להעביר, עלול לגרום העיוות של דגימות, והיא קשורה עם רקע גבוה יותר מאשר שרפים methacrylate אקריליק או גליקול. בעוד JB4 פלוס, methacrylate גליקול, הוא פחות צמיגה יותר EMbed812 ויש לו רקע נמוך יותר, אקראי היווצרות כיסי אוויר מופיעים לעתים קרובות באזור הדגימה. כאמור, כיסי אוויר לבזות את איכות התמונה, בעייתיים במיוחד עבור דגימות היקר. ראוי לציין כי Technovit 7100, עוד methacrylate גליקול, מפריע PTA מכתים, וכתוצאה מכך המסכן הניגודיות בתמונה הסופית. יחסית, אקריליק לבן LR יש כמו מים צמיגות, רקע נמוך, והוא אינו מפריע PTA מכתים. בידיים שלנו, שיעור ההצלחה של הטמעת LR-לבן ללא בועות נזק או אוויר מדגם גדול מ- 95%. מסיבות אלו, אנו עו ד את השימוש בשם השרף ההטבעה בשביל לרקמות מיקרו-טי לגבי כתמים, התוצאה של מתכת שונים כתמים כגון אוסמיום ארבע-חמצני, יוד, ואת בישיבת מיקרו-CT הדמיה כבר בהשוואה ולא במקומות אחרים שנדונו15,16,17 מההיקף של זה כתב היד.
גודל המדגם הוא מגבלה משמעותית את הפרוטוקול הנוכחי שלנו. מאז אנו מעסיקים שאיבה להעביר דגימות לתוך הצנרת, היכולת לראות את הדגימה הוא קריטי עבור כיוון ולהבטיח כי זה אכן בתוך הצנרת. כתוצאה מכך, מילימטר דוגמאות כגון דובוני מים (כלומר., דובוני מים) קשים מאוד להטביע מכיוון שהן דורשות השימוש מיקרוסקופ כדי ניתן לאבחן. לאחר שאיבה מוחל, דגימות מיקרוסקופיים אובדים בקלות מהמטוס מוקד ולהיות מאתגר לגלות מחדש, ולכן קשה לקבוע אם הם עברו רחוק מדי עד הסוף המצורפת של הצנרת. במדגמים גדולים, כגון עכבר עוברי (3-10 מ מ) יכול להיות מוטבע עם שינויים קלים פרוטוקול ההטבעה (איור 4D). בפרט, הצנרת פוליאימיד היה מלא 1/3 עם שרף נוזלי, אשר היה polymerized לפני הטבעה. המדגם קבוע, מיטה הונח על גבי שרף polymerized מראש. הצנרת ואז מלא מלא עם שרף polymerized האו ם, ואחריו פלמור השני.
המשמעות של פרוטוקול ההטבעה שלנו הוא סעפת. קיבוע נוקשה כל דגימות חיים או רקמות הם רצויים מסיבות כולל: (1) יצירת מאגרים לטווח ארוך של דגימות שקשה ליצור או להכין; (2) רכישה מחדש של נתונים; (3) הפעלת באמצעות הדמיה טורי שיטות הדמיה מרובים; (4) מתן סטנדרטים כיול ופיתוח טכנולוגיה. המוכנים שלנו תהליך ההטבעה נארזים שרף מוצק זה גמיש מפני נזק ודוגמאות ולכן ניתן בקלות לאחסן אולי ללא הגבלת זמן. אחסון לטווח ארוך שימושי במיוחד עבור דגימות נדירות או שנוצר בעמל רב כגון אלה הקשורים phenome פרויקטים. עוד יותר, בכל מקרה שבו הנתונים דיגיטלי הולכים לאיבוד, ניתן להפיק את הנתונים של המדגם המקורי. היכולת של תמונה חדשה על פני תקופה ארוכה של זמן פוטנציאלי מאפשר באותה דגימת זרע להיחקר עם יותר הדמיה בעתיד שיטות מתקדמות. מאז הדגימות יציבים מבחינה פיזית בין המופעים הדמיה, תמונות נרכשים מן הדגימה זהה באותו הכיוון, הקלת רישום בין ערכות נתונים קודמת, ומאוחר יותר. לדוגמה, תמונה ברזולוציה נמוכה עשוי לאפשר רק פילוח של רקמות בזחל דג זברה. הזחל באותו יכול מאוחר יותר מחדש תמונה ברזולוציה גבוהה יותר כך מפורט יותר ניתוחים חישובית ברזולוציה הסלולר. יכולת זו לשם השוואה ישירה בין הסריקות רשום מרמזת על דגימות שרף-מוטבע פוטנציאל סטנדרטי לפיתוח טכנולוגיה מיקרו-טי ההשפעות של שינוי כלשהו לשיטת הדימות יכול להיות מוערך על ידי הדמיה של המדגם אותו כך כל המשתנים בשלב הכנת המדגם נשלטים. לבסוף, מדגם רגיל שרף-מוטבע ניתן לצורך כיול מכשיר לבדיקת עקביות של הדמיה.
העבודות הקודמות שלנו בחינת דגים מוטנטים וחולים היסטולוגיה הראה כי הרזולוציה הסלולר מאפשר זיהוי של חריגות עדינים בתוך מבנה רקמות שדילגה בבדיקה מגעיל באמצעות מיקרוסקופ ויבתר36או של צריכת חשמל נמוכה סטריאו מיקרוסקופ. אנחנו רוצים להרחיב את הבדיקות שלנו ברזולוציה גבוהה דגימות אנושי. דג זברה הזחלים, המהווים את הנושא העיקרי של עבודת פיתוח שלנו, דומים ביופסיות מחט האנושי שלהם השבריריות, רקמות הסלולר ואת המערכת הטרוגניות, (1-3 מ מ קוטר) בגודל צורה מוארכת. על סמך ניסיוננו עם דג זברה, והעבודה אחרים מראה המיקרו-סריקת צבעונית בהצלחה וייסרק רקמה אנושית, גם אם בכל רזולוציה נמוכה יותר37, אנו מצפים שלנו גישות להביא ערך מוסף הדמיה וניתוח של ביופסיות מחט. אנו משוער זה מכלול של ערכת מספיק עבור בתכשיר אחד עד 20 דוגמאות באותו המצב של להיות פוטנציאל פחות מ 30 דולר ארה ב. הדגימות שהוכנו על ידי שיטת ההטבעה שלנו הינם עמידים יותר בפני נזק פיזי ולכן קל להעביר. עלות נמוכה וקלות התחבורה מציע את האפשרות של איסוף דגימות ברחבי העולם, במיוחד באזורים בהם הדמיה ברזולוציה הסלולר עם מיקרו-CT אינו נגיש בקלות. החזון שלנו הוא עבור קבצים דיגיטליים ברזולוציה גבוהה של ביופסיות מחט (החל מ- 0.1 ועד כמה טרה-בתים) מאפשרות היצירה של אטלס דיגיטלי של רקמות אנושיות, ולאפשר במקביל החוקרים לשכלל ולשפר את צינורות ניתוח הנוכחי עבור לוקליזציה ואפיון כמותי של אדריכלות הסלולר ורקמות בתוך ההקשר 3D מלא של הרקמות שנסרקו.
The authors have nothing to disclose.
המחברים רוצה להודות רולנד מאיירס מתבקשים לספק את הפרוטוקולים TEM המקורי. בנוסף, ברצוננו להודות ד ר ג’ון Colbourne על מתן הדגימה דפניה , ד ר ענבר שוב Girirajan על מתן הדגימה דרוזופילה ו ד ר כמאל Fadia למתן העובר העכבר. החוקרים לאשר תמיכה NIH במימון (1R24OD18559-01-A2, PI: KCC), מעבדות Gittlen ג’ייק לחקר הסרטן, ומתוך פרס פיילוט מימון מכוני האק כח של מדעי החיים, מכון CyberScience.
10X Neutral buffered formalin | Fisher Scientific | SF100-4 | |
Phosphotunstic Acid | VWR | MK282402 | |
Tricaine-S (MS-222) | Western Chemical | MS-222 | |
LR White | Electron Microscopy Sciences | 14380 | |
Polyimide tubing (ID 0.04") | Nordson Medical | 141-0065 | The exact polyimide tubings described in the manuscript are no longer available. A close match is provided here. Tubing with custom diameter can be manufactured upon request. |
Ethyl Alcohol 200 Proof | Pharmco-Aaper | 111000200 | |
Oil-based soft modeling clay | Sculpey | S302 001 | |
Micropipette P200 | Gilson | F123601 | |
Micropipette P1000 | Gilson | F123502 | |
Glass vials | VWR | 66015-042 | |
V-shaped basin | VWR | 89094-676 | |
Weigh boats | VWR | 10803-148 | |
200 μL yellow micropipette tip | Fisher Scientific | 02-707-500 | |
1 mL blue micropipette tip | Fisher Scientific | 02-681-163 | |
Tabletop shaker | Thermolyne | M71735 | |
Camera | Photometrics | CoolSNAP HQ2 CCD | |
X-ray microscope | Zeiss | Xradia 520 Versa |