プロトコルを開発し、ミリ波スケール試料の埋め込みを有効化するカスタム装置を設計されています。アクリル樹脂、ポリイミドのマイクロ CT による剛体の固定化と組織アーキテクチャおよび細胞形態の尋問のための標本の長期保存を実現するためにチューブを埋め込むことに重点を置いたサンプル準備手順を提案します。
100 年以上にわたって組織の組織学的研究は組織を発見し、特徴付けられるすべての組織ですべての細胞型を可能にするため医療診断のゴールド スタンダードをされています。私たちの研究室は x 線マイクロ-コンピューター断層撮影 (マイクロ CT) 携帯電話の解像度でフル組織ボリュームの研究組織の診断力をもたらす技術の進歩を積極的に取り組んで (すなわち、x 線。Histo-tomography モダリティ)。この終わりの方は、サンプル準備のパイプラインに対し的確な改善をしました。1 つのキーの最適化と現在の仕事の焦点は、固定と染色ミリ スケール サンプルの剛体を埋め込むため簡単な方法です。公開されているサンプルの固定化と相関のマイクロ CT イメージング法の多くは、パラフィン ワックス、アガロース、またはアルコールなどの液体のサンプルを配置するのに依存します。我々 のアプローチは、カスタム プロシージャと x 線に比較的透明なアクリル樹脂のチューブ、ポリイミドに直接サンプルを埋め込むに 3 次元印刷装置の設計でこの動作を拡張します。試料調製方法は全体のゼブラフィッシュ仔と稚魚、または他の動物のために適している、直径 10 mm の 0.5 からサンプルと似たような寸法の組織サンプルの記載が。概念の証拠として、我々 は、ゼブラフィッシュ、ショウジョウバエ、ミジンコマウス胚の採取が埋め込まれています。これらのサンプルの 3 つの 3 次元スキャンから代表的なイメージが表示されます。重要なは、我々 の方法論は、剛体の固定化、苦心して作成のリソースの長期的な保全と再サンプルを調査する能力を含む複数の利点につながります。
表現型は、その遺伝的背景と環境のユニークな相互作用の結果を表す生物の観察可能な特徴です。これらの特徴は、行動、生化学的、形態学的、発達、および生理学的プロパティを含めることができます。重要なは、野生型生物と遺伝的変異の形質の違いは重要な洞察のメカニズムと影響を受けた遺伝子の機能を提供できます。形態、病理学的細胞レベルでの表現型を評価するためのゴールド スタンダードですが、苦しんでいる機械的な人工物および正確な定量容積測定分析1を許可しません。当研究室は、組織の診断力のサブミクロン分解能における組織ボリュームへの応用への障壁を克服するために。
利用可能な技術の調査では、x 線によるイメージング マイクロ-計算するマイクロ ct はミリ スケール全体動物 3 次元 (3 D) 組織学に必要な理想的な機能を提供することが示唆しています。マイクロ CT 非破壊、等方性、3 D の可視化と組織アーキテクチャ1,2の定量分析を行うことができます。近年、マイクロ CT を用いた金属染色無染色しゼブラフィッシュの 3 D イメージング増加トラクションを得ており、脂肪組織、骨、歯筋3,4 を含むいくつかの組織の容量分析用に利用されています。 ,5,6,7,8,9,10。他のモデル有機体および組織標本はマイクロ CT 画像に適しています。例えば、パイプラインはマウス脳放射光マイクロ CT11を介してイメージの密なメソスケールの神経解剖学を定量化するために導入されています。同様に、エオシン ベースの汚損のプロトコルは、全体マウス臓器12の軟部組織のマイクロ CT イメージングのために適していることが示されています。無染色人間 L3 椎体の形態計測学的解析とマイクロ CT を用いたひと肺の銀染色の可視化は、人間の技術の実用サンプル13,14を実証しています。
そのまま小動物や組織標本の完全な形態学的表現型解析のためのマイクロ CT の偉大な約束を実現するためにハードルの数がスループット、解像度、視野の染色、包括的なセルに関連して克服しなければなりません。長期保存。これらの各側面は非常に重要ですが、本稿の焦点、サンプル固定および汚損に関する追加のノートでの埋め込み手順の最適化です。重金属染色は、軟部組織の異なるマイクロ CT 画像間固有のコントラストが低いので便利です。四酸化オスミウム、ヨウ素、リンタングステン酸 (PTA)、gallocyanin chromalum など、様々 な金属の効力が汚れ、マイクロ CT 画像のコントラストを高めるため勉強15,16,17をされています。酢酸ウランは、骨と軟骨の18,19のマイクロ CT イメージングのための対照的なエージェントとして使用されています。PTA 私たちプロトコルで使用され、ほぼすべての組織の一貫性のある染色につながるイメージを降伏全体ゼブラフィッシュ標本における細胞、組織のボリュームを全体を通じて、組織のような研究と潜在的に互換性。
2 次元 (2 D) 投影マイクロ CT 画像集録中にサンプルがある程度の割合で回転を取られ、サンプルが投影用の何千ものシリーズを生成する、180 ° または 360 ° 回転を完了するまでを繰り返し、3 D ボリューム20の再建。この過程で、試料の任意摂動は、ずれて、不十分な再建された 3 D ボリュームで対応する 2D プロジェクションになります。この問題を修正する方法であり、いくつかの現在の戦略を含むアルコールのサンプルを水没またはポリプロピレン チューブやマイクロ ピペットのヒント3,5,15, agarose の埋め込みサンプル固定16,21,22. 画像集録中にサンプルを移動イメージングの 3 D ボリューム23のシフトの再構成の結果として発生するため液浸方法は理想的ではありません。さらに、液体貯蔵組織試料の物理的安定性は化学的不安定性と試料と容器壁 (間接点の動きに関連付けられている表面の摩耗の結果として、年に数ヶ月の時間スケールで貧しいことが知られています。固定の動物および人間のティッシュのサンプルと個人的な観察)。
イメージング中にサンプルを移動の可能性を減らすため、サンプルは agarose24,25,26, で埋め込むことができますが、これは汚れ画像を減らすアガロースに拡散のリスクと関連26をは対照的します。さらに、液体または agarose の準備は物理的な損傷に傾向があり時間の経過と共に低下する、サンプルの長期保存には不向き。我々 は潜在的成功と簡単なサンプルの固定法が電子顕微鏡標本で使用する合わせることができることを推論します。EPON 812 (中止し、埋め込む 812 に置き換え) など重合樹脂は、超薄切片電顕27,28を生成に必要な硬さを提供するために使用されます。確かに、いくつかの比較研究 x 線イメージング、電子顕微鏡は、樹脂に埋め込まれたサンプル x 線顕微鏡29,30によって視覚化されることを実証しています。しかし、電子顕微鏡の標準的なプラクティスのいくつかはマイクロ CT 画像に直接変換はできません。たとえば、マイクロ CT イメージングによる試料の乗典型的な樹脂ブロックの樹脂エッジとこれらのブロックからカット サンプルは画像に干渉することができますエッジ回折の成果物に関連付けられています。可能であれば中の樹脂エッジを平滑化は面倒で時間がかかるです。
さまざまな埋め込み樹脂は、電子顕微鏡で採用されて、難しく樹脂埋め込む 812 などに関連付けられている高いバック グラウンドつながって私たちは他のものをテストします。低粘度、低収縮、低気泡を形成傾向のため低バック グラウンドと重合中に LR ホワイトを選びました。エッジ無料サンプルを作成し、サンプルを囲む樹脂の量を最小限に抑えるため、重合前にポリイミド チューブに液体樹脂標本を描画するプロトコルを開発しました。ポリイミドは、そのチューブの除去は撮影に必要なないので高い熱安定性、x 線透過率が高いため選ばれました。最後に、我々 は確実に管を保持し、マイクロ ピペットの汚染を防止するために技術を埋め込むサンプルのカスタム マイクロ ピペット アダプターを設計しました。アダプターには、3 D CAD イメージ ファイルから印刷をすることができます。一緒に取られて、ここで示したサンプル調製法の目的より簡単な小さな試料の埋め込みを実現する拡張コントラスト、剛体の固定化とそのままミリ スケール標本の長期保存の染色です。
本稿では、マイクロ CT イメージング用 (0.5 から 2.5 mm 径) 標本固定と染色ミリ スケールの剛体の固定化のための詳しいプロトコルを提案します。解像度と速度に関してマイクロ CT 技術の急速な進歩を考えると、再イメージング機能を持つ恒久的なサンプル保存の方法は、非常に望ましいです。伝統的に、超薄切片を切り、試料へのダメージを最小限に抑えるために構造サポートを提供するために、密な埋め込み樹脂が電子顕微鏡でに使用されます。本手法は適応非破壊イメージング中に剛体の固定化のための使用です。余分な樹脂の存在から画像アーチファクトを最小限にするには、x 線透明ポリイミド チューブ サンプルの周りの樹脂量を制限して、エッジのないラウンドのサンプルを作成するの使用を実施いたします。
埋め込みの手順の最適な結果のいくつかの重要なステップとサンプル プロシージャ全体で整合性に注意慎重に実行に依存しています。確かに、供試体の損傷は、イメージングの実行の成功に関係なく危険にさらされた最終的なイメージになります。痛みの反応の減少に貢献する低温未固定組織が高温でより急速に低下するので、我々 は中古冷蔵試薬を使用します。大規模な標本は、肝、膵、腸などの内臓は完全に固定して試料の内部に定着剤のエントリを許可するようにカットする必要があります。固定されていない組織は、悪化し、生物学的構造を破壊する構造の健全性を失います。もう一つの重要なステップは、その自然な配置で供試体を維持することです。したがって、プロシージャと固定の間に特に重要なは全体を用いて平底の容器の使用を主張します。固定ポリプロピレン チューブまたは V 字の底を持っている通常の円錐管避けなければならない原因を曲げないように、細長いサンプル標本の自然な形態を歪められて。さらに、樹脂の使用を最小限に抑えるため古河ポリイミド チューブの内径は試料の幅よりわずかに大きいだけ。供試体の曲げでも、損傷試料管に入ってきた。また、管に有害な四肢を避けるために自然な前方方法で供試体を転送することをお勧めします。適切な脱水は、別の重要なステップです。ゆっくりより樹脂混和性であるエタノールと水を交換するエタノール濃度の増加の小さな単位で行われます。エタノール濃度の大きな増加は組織収縮に関連付けられ、江藤潜伏移行をより緩やかにするための追加の単位によって改善することができます。最後に、いずれかがある場合、試料または空気のポケットの動きを最小限に抑えるサンプル時は配置された水平樹脂重合 (第 4 日終了)。空気のポケットまたは標本の横にあるシール エッジ回折、画像品質を下げることに関連付けられている x 線イメージングと光のアーティファクトが発生します。
プロトコル、その他の埋め込み樹脂および金属に可能な修正に関して汚れそれぞれ LR ホワイト アクリル、PTA、代わりに使用することができます。Embed812、電子顕微鏡でよく使用されるエポキシ樹脂は高粘度、転送が難しく、試験片の歪みが生じる、アクリルまたはリコールのメタクリル樹脂よりも高いバック グラウンドに関連付けられています。JB4 プラス、グリコール メタクリル酸 EMbed812 よりも粘性が低くより低い背景には、空気のポケットのランダムな形成は試料近傍よく表示されます。前述のように、空気のポケットは画像品質が低下して、貴重なサンプルのため特に問題となります。それは最終的なイメージで貧しいコントラストをもたらす PTA 染色と干渉する Technovit 7100、メタクリル酸グリコール別、注目に値するです。比較的、LR ホワイト アクリルは水のような粘度、低バック グラウンド、PTA 染色と干渉しません。私たちの手で LR ホワイト サンプル損傷や気泡のない埋め込みの成功率は 95% 以上です。これらの理由から、我々 は組織のマイクロ CT の埋め込み樹脂として使用を提唱します。汚れに関して様々 な金属の結果ヨウ素、四酸化オスミウムなど汚れとマイクロ CT イメージングで PTA に比べて、他の場所で説明した15,16,17をされており、この範囲外は原稿。
サンプル サイズは、私たちの現在のプロトコルの主要な制限です。チューブに試料を転送するための吸引を用いて、供試体を見る能力オリエンテーションと確かにチューブであることを確保するため非常に重要です。結果として、クマムシなどサンプルのサブミリ (すなわち。、水クマ) 顕微鏡可視化することが要求されるので、埋め込むことは非常に困難です。吸引を適用すると、顕微鏡標本は焦点面から簡単に失われ、彼らはチューブの添付の終わりまであまり渡されるかどうかを決定するが難しく、再発見するに困難になります。マウス胚、(3-10 mm) などの大きなサンプル (図 4) プロトコルを埋め込むにわずかな変更で埋め込むことができます。特に、ポリイミド チューブは、1/3 埋め込む前に重合した液体の樹脂に満ちていた。固定と染色のサンプルは、事前重合樹脂の上に置かれました。チューブが完全に非重合樹脂を充填、2 番目の重合後に。
プロトコルを埋め込む、性は多様です。堅く固定化全体の動物や組織標本などの理由で望ましい: (1) 生成や準備が難しいサンプルの長期的なリポジトリの作成(2) データの再取得(3) シリアル複数の画像形式を使用してイメージングを有効にします。校正および技術開発のため (4) 基準。サンプルの埋め込み手順と準備は損傷に対して弾力性のある固体樹脂を包んだ、したがって簡単に保存できますおそらく無期限に。長期保管は稀または苦心して生成された標本フェノーム プロジェクトに関連付けられているなどの場合に特に便利です。さらに、デジタル データが失われた場合に、データは元のサンプルから生成できます。可能性のある長い期間にわたって再イメージングの能力は同じサンプルで尋問を画像診断、将来的に高度なことができます。サンプルがイメージング インスタンス間物理的に安定しているので、画像は以前とそれ以降のデータ セット間の登録を促進する、同じ方向に同じ標本から取得されます。たとえば、低解像度の画像がゼブラフィッシュ幼虫組織の分割に限定します。同じ幼虫は、携帯電話の解像度で計算解析の詳細に高い解像度で再イメージング後することができます。登録スキャン間の直接比較のためこの機能は、潜在的なマイクロ ct 技術開発のための標準として樹脂包埋試料を示唆しています。サンプルの準備のステップですべての変数を制御して、同一試料のイメージングによるイメージング法に変更の影響を評価できます。最後に、測定器の校正の場合、イメージングの一貫性をテストする樹脂に埋め込まれた標準的なサンプルを使用できます。
筆者らは突然変異と病気の魚組織を調べることを示した携帯電話の解像度が、解剖顕微鏡36、または低消費電力を使用して総検査で見落とされる組織構造の微妙な異常の検出を可能ステレオの顕微鏡。人間のサンプルを当社の高分解能解析を展開したいです。開発事業の主な対象を構成する、ゼブラフィッシュの幼虫は、脆弱性、細胞、細胞間の組織の不均一性、サイズ (直径 1-3 mm)、細長い形状でひと針生検に似ています。ゼブラフィッシュ、低い解像度37でとはいえそのマイクロ CT が正常に染色し、ヒト組織をスキャンを示す他の仕事と当社の豊富な経験に基づき、イメージングや針生検の解析に付加価値をもたらすための私たちのアプローチを見込んでいます。我々 と推定している 30 ドルよりも少ない可能性があります同じ条件の最大 20 のサンプルの 1 つの準備のため十分なキットのアセンブリ。物理的な損傷に耐性のため運搬しやすい埋め込み手法により作製したサンプル。低コストと輸送の容易さは特にエリア細胞分解能マイクロ CT 観察が容易にアクセス可能ではないの世界中からサンプルのコレクションの可能性を示唆します。私たちのビジョンは、針生検 (0.1 から数テラバイトまで) の高解像度デジタル ・ ファイル ヒト組織のデジタル地図の作成を有効にすると同時に改良、現在解析パイプラインを強化して研究者を許可します。ローカリゼーションとフル 3 D スキャン組織のコンテキスト内での細胞およびティッシュのアーキテクチャの定量的な特徴づけ。
The authors have nothing to disclose.
著者は、元の TEM プロトコルを提供する親切ローランド マイヤーズを感謝したいです。さらに、博士ジョン Colbourneミジンコ供試体を提供するため、ショウジョウバエの標本を提供する博士 Santhosh Girirajan と博士 Fadia カマル マウス胚を提供するために感謝したいと思います。捜査当局を NIH 資金認める (PI 1R24OD18559-01-A2: KCC)、癌研究と生命科学の PSU のハック所とサイバー サイエンス研究所からパイロット賞の資金からジェイク Gittlen 研究所。
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 |