Bu protokol, beyin ensheathing perisitlerinden floresan kalsiyum görüntülerini ve uyuşturulmış farelerde yakındaki kan damarlarından kan akışı verilerini elde etmek ve analiz etmek için adımlar sunar. Bu teknikler duvar hücresi fizyolojisi çalışmaları için yararlıdır ve herhangi bir hücre tipinde kalsiyum geçicilerini araştırmak için uyarlanabilir.
Protein biyolojisi ve fare genetiğindeki son gelişmeler, beyin hücrelerinin hücre içi kalsiyum dalgalanmalarının in vivo olarak ölçülmeyi ve bunu lokal hemodinamik ile ilişkilendirmeyi mümkün kıltlamaktadır. Bu protokol, kronik bir kraniyal pencere ile hazırlanmış transgenik fareler kullanır ve genetik olarak kodlanmış kalsiyum göstergesi RCaMP1.07’yi, vasküler düz kas hücreleri ve ensheathing perisitleri gibi duvar hücrelerini özellikle etiketlemek için α pürüzsüz kas aktilin promotörü altında ifade eder. Kan akışını izlemek için floresan boyaların intravenöz enjeksiyonu için bir kuyruk damar kateterinin nasıl hazırlanacağı ve ketamin /ksilazine uyuşturulmuş farelerde kraniyal pencereden in vivo olarak iki foton mikroskopisi ile beyin perisit kalsiyumu ve lokal kan damarı hemodinamiklerinin (çap, kırmızı kan hücresi hızı vb.) nasıl ölçüleceğinin adımları özetlenmiştir. Son olarak, bu süreçlerin diğer hücresel görüntüleme verilerine nasıl uyarlanabilebileceğine vurgu yapılarak, Barrett ve ark. 2018 tarafından geliştirilen görüntü işleme algoritmaları aracılığıyla kalsiyum dalgalanmalarının ve kan akışı filmlerinin analizi için ayrıntılar sağlanmaktadır.
Merkezi sinir sistemi vaskülat, delici arteriküller, kılcal damarlar ve yükselen venülelerden oluşur. Bu ağ içinde, damar düz kas hücreleri arteriyoleleri ve perisitleri kaplayan vasküler hücreler, hücresel süreçleri ilk arteriole dalları ve kılcal damarlar boyunca genişletir1. Perisitlerin beyin içinde kan-beyin bariyeri 1 ,2,göç ve hareketlilik3, potansiyel kök hücre özelliklerinin bakımı ve beyin kan akışının düzenlenmesi 4,5 ,6dahil olmak üzere çeşitlirolleresahip olduğu görülmektedir. Perisitlerin fonksiyonel rollerinin çoğu, hücre içi kalsiyumda bu hücrelerin genişlemesini veya daralmasını düzenleyebilecek dalgalanmalarla bağlantılıdır4,5,6.
Birkaç yeni çalışma, farklı beyin perisitleri7,8. Penetrasyon arteriyüllerinin ilk 4 dalındaki duvar hücreleri, kontrtil protein α pürüzsüz kas aktinin (αSMA) ifadelerine ve çıkıntılı, ovoid somata damarlarını saran süreçlere dayanan ensheathing perisitlerdir 7,8,9. Ensheathing perisitlerindeki kalsiyum dalgalanmalarını görselleştirmek için, bu protokol yeni bir transgenik fare hattı kullanır, Acta2-RCaMP1.07, Tg (RP23-370F21-RCaMP1.07)B3-3Mik/J10olarak da bilinir. Bu fareler, αSMA eksprese hücrelerinde (damar düz kas hücreleri ve ensheathing perisitleri) genetik olarak kodlanmış kırmızı kalsiyum göstergesi RCaMP1.07’yi ifade eder. Üreme kolonileri, hemizygotlarla noncarrier hayvanları geçerek korunur. RCaMP1.07, hücre içi kalsiyum 10,11’ebağlanırken floresan artıran calmodulin bağlayıcıetki alanına sahip kırmızı bir floresan proteindir. Bu protokol, floresan boyaların kuyruk damarı enjeksiyonu, uyuşturulmuş farelerde mikroskop görüntü alımı ve programlama platformları ile veri analizi dahil olmak üzere iki foton mikroskopisi ile ensheathing perisitlerin ve kan akışı ölçümlerinin kombine kalsiyum görüntüleme adımlarını özetlemektedir (Şekil 1). Bu teknikler, duvar hücresi fizyolojisi ile ilgili soruları ele almak için yararlıdır, ancak beyindeki veya diğer organ sistemindeki herhangi bir hücre tipinde kalsiyum geçicilerini incelemek için uyarlanabilir.
Bu makalede sunulan deney için 10 aylık bir dişi Acta2-RCaMP1.07 fare kullanıldı. Fare iki ay önce kronik kraniyal pencere ve kafa sonrası implantasyon için ameliyat oldu. Cerrahi protokole ilişkin detaylar önceki çalışmalarda ele alınmıştır12,13 ve benzeri işlemler daha önce yayınlanan diğer protokollerde de gerçeklenmiştir14,15. Vaskülat, intravenöz olarak enjekte edilen yeşil floresan-Dektran (70.000 MW, anionik çözelti, % 2.5 w/v) ile etiketlenmiştir. Bu boya uygun maliyetlidir ve ticari kaynaklardan kolayca temin edilebilir, ancak RCaMP emisyonu ile örtüşebilecek ve mikroskop görüntü alımı sırasında kanayabilecek daha geniş bir emisyon spektrumu vardır. Spektral karıştırma adımları, bunu atlatmak için aşağıdaki Bölüm 4’te özetlenmiştir, ancak EGFP’ye dayananlar gibi daha dar emisyon spektrumlarına sahip diğer yeşil boyalar da kullanılabilir.
Mevcut yöntem, bir kateter ile fare kuyruğu damar enjeksiyonu, derinlik yığınları için iki foton mikroskop görüntü alımı, hücre kalsiyum sinyal filmleri, hemodinamik kimografların oluşturulması ve görüntü işleme algoritmalarımızla kalsiyum ve hemodinamik analiz hakkında ayrıntılı bilgi vermektedir17 (Şekil 1). Bu tekniklerin in vivo görüntüleme sonucunu iyileştiren ve oturum sırasında zaman, kaynak ve hayvan stresini azaltan çeşitli avantajları vardır. İlk olarak, kuyruk damarı enjeksiyonu için kateter kullanılması, iğne, şırınga ve farenin dolaşımına enjekte edilen madde miktarı üzerinde daha fazla kontrol sağlar. Ek olarak, kuyruk dokusuna boya enjeksiyonu önleyerek pahalı reaktiflerden tasarruf sağlar. İkinci olarak, ensheathing perisitlerinde genetik olarak kodlanmış kalsiyum sensörlerini ifade eden transgenik fareler kullanıyoruz ve bunları beyin damar ağı içinde, sonraki görüntüleme seanslarında hücre tanımlamasını ve yer değiştirmesini uzun süreli kolaylaştıran bir derinlik z-yığını ile nasıl lokalize edeceğimizi gösteriyoruz. Bu perisit çalışmalarında önemli bir faktördür ve uygun hücre sınıflandırmasısağlar 6,7. Üçüncü olarak, dinamik hücresel sinyalleri ölçmek için iyi bir başlangıç noktası olan kalsiyum filmleri ve hemodinamik hat tarama verilerini toplamak için parametrelerimizi sunuyoruz. Son olarak, görüntü işleme algoritmalarımızı sunuyoruz17Görüntü ön işleme (spektral karıştırma gibi), kalsiyum görüntü analizi ve hemodinamik analiz (çap, hız vb.) için birden fazla yaklaşım içeren kapsamlı bir görüntü işleme araç kutusu. Bu algoritmalar, sonuçları analiz etmek için gereken kullanıcı uzmanlığı düzeyini en aza indirirken, verilerin hızlı ve kolay bir şekilde görselleştirilmesi için çizimler oluşturabilir. Ayrıca, aynı parametrelerle birden çok veri kümesini hızlı bir şekilde işlemek için birkaç kod satırıyla otomatik hale getirebilir. Bu, potansiyel olarak veri görselleştirmeyi ve araştırmacının zaman yatırımını artırabilir.
İyi kalsiyum görüntüleme verilerini toplamanın anahtarı, net floresan sinyal alımı için lazer gücünü ve PMT ayarlarını yapmak, aynı zamanda tüm kalsiyum olayını yakalamak için yeterli kare hızında veri toplamaktır. Bu protokoldeki veriler saniyede 10-11 karede elde edildi, bu da ensheathing perisitlerindeki daha yavaş kalsiyum salınımlarını yakalar. Analiz sırasında analiz sonucunu iyileştirebilecek birkaç adım da vardır. İlk olarak, spektral karıştırma, floroforların emisyon spektrumu arasında önemli bir örtüşüyorsa faydalıdır (Şekil 2). Floresan-dektran bu protokolde kullanılmıştır, çünkü hemodinamik ölçümler için yaygın olarak kullanılan uygun maliyetli ve ticari olarak kullanılabilen bir dektran konjugedir5. Spektral karıştırma, kalsiyum sinyallerinin daha iyi tespiti için verilerin temizlenmesine yardımcı olur, ancak daha dar emisyon spektrumlarına sahip alternatif floroforlar da kullanılabilir. İkincisi, hücresel yapıları ROI olarak elle seçmek (Şekil 3) soma veya proses dalları gibi farklı hücresel altı bölgelerdeki kalsiyum olaylarını sınıflandırmak için yararlıdır. Aktivite bazlı yatırım getirisi seçimi (Şekil 4)16, bireysel kalsiyum olayları hakkında daha mekansal ve zamansal bilgi sağlar. Bu, belirli bir alandaki kalsiyum olaylarının sıklığını veya olayların diğer hücresel alanlara yayılmasını belirlerken yararlı olabilir. Görüntüleme verilerini analiz etmek için programlama yazılımının kullanılması, veriler toplu olarak işlendiğinde araştırmacılara saatler kazandırabilir, ancak en iyi sonuçlar için parametreleri ayarlamak için biraz ilk zaman yatırımı gerektirir. En önemli faktörler aktif bölgenin beklenen boyutu(μm 2cinsinden) ve sinyalin süresidir (minimum sinyal süresi ve maksimum sinyal süresi tanımlanmalıdır). Araştırmacılar, hangi parametrelerin verilerine en iyi şekilde uyduğunu belirlemek için önce bazı örnek T serisi filmleri incelemelidir. Son olarak, mikroskopta elde edilen düşük kaliteli veriler kalsiyum ve hemodinamik analizini büyük ölçüde engelleyebilir (Şekil 6). Bu nedenle, başlangıçta mikroskop alma ayarlarını optimize etmeye özen edilmelidir. Bu faktörler göz önünde bulundurularak, diğer dokularda veya hücre tiplerinde kalsiyum görüntüleme veya diğer dinamik hücresel sinyallerin (örneğin floresan sodyum, potasyum, metabolit veya voltaj dalgalanmaları) analizine uyacak şekilde uyarlanabilen bu protokol.
Bu iletişim kuralının birkaç sınırlaması vardır. İlk olarak, veriler anestezi altında toplanır, bu da beyin aktivitesini etkiler ve kan akışını etkileyebilir. Benzer görüntüleme, daha fizyolojik sonuçlar için kafa fiksasyonunu kabul etmek için eğitilmiş uyanık farelerde de yapılabilir. Ek olarak, 3 boyutlu bir hücrenin ve kan damarının 2 boyutlu görüntülerini topladığımızı hatırlamak önemlidir vivo. Bu nedenle, bu hücrelerdeki kalsiyum olaylarının bir fraksiyonu veya kan damarının tek bir bölümündeki kan akışını aynı anda yakalayabiliriz.
Dikkat edilmesi gereken bir başka sınırlama, iki fotonlu kalsiyum görüntülemenin, odak düzlemine girip çıkan hareketin kalsiyum dalgalanmaları ile karıştırılabileceği hareket eserlerine karşı hassas olmasıdır. Bu protokol, hayvanın hareketini sınırlayan anestezi altında gerçekleştirildi; bununla birlikte, hareket eserleri farenin nefes alma hızı, kalp atış hızı, olası doku şişmesi ve ensheathing perisitleri, damar kasılması veya vasomotion durumunda 4,6,18,19ile tanıtılabilir. Hareket eserleri çeşitli stratejilerle azaltılabilir. Bu protokolde kullanılan görüntü işleme paketleri, görünür vaskülat13,17‘ye dayanarak görüntüleri T serisi içinde hizalamak için 2D konvolüsyon motoru kullanan isteğe bağlı bir hareket düzeltme adımı içerir. Odak düzleminde önemli değişiklikler olan çerçeveler bu algoritma tarafından tanımlanır ve analizden hariç tutulabilir. Ek olarak, görüntüleme işleme paketleri içinde, harekete bağlı kalsiyum dalgalanmalarını normalleştirmek için floresan izlerini oluştururken Z skoru gibi istatistiksel stratejiler kullanmak mümkündür20. İki fotonlu görüntülemede hareket yapıtlarını hesaba katmak için en sağlam yaklaşım, kalsiyum göstergesi (örneğin, GCaMP) ve kalsiyumdan bağımsız bir floresan muhabiri (örneğin, mCherry) gibi aynı hücre içindeki iki floresan göstergenin ifadesini birleştirmektir. Floresan muhabirdeki dalgalanmalar daha sonra harekete bağlanabilir ve hareket yapıtlarını normalleştirmek için kalsiyum gösterge sinyalinden çıkarılır.
Bu protokolün amacı, en uygun kalsiyum görüntüleme ve kan akışı verilerinin in vivo olarak nasıl toplanır konusunda net bir anlayış sağlamak ve araştırmacıların sonuçlarını iyileştirmek için uygulayabilecekleri yeni yöntemler ve analiz araçları sunmaktır. Bu teknikler, farklı perisit popülasyonlarının kan akışı kontrolünde veya farklı beyin hastalığı durumlarındaki rolünü incelemek için uygulanabilir. Bu görüntüleme parametreleri diğer hücre tiplerinde ve organ sistemlerinde kalsiyum ve kan akışını incelemek için de kullanılabilir ve benzer ilkeler, kalsiyum dışında genetik olarak kodlanmış diğer sensörler tarafından mümkün olan diğer dinamik görüntüleme teknikleri için de geçerlidir.
The authors have nothing to disclose.
J. Meza, Mitacs ve Research Manitoba bursları tarafından desteklenmektedir. Bu çalışma için kanada Sağlık Araştırmaları Enstitüleri, Araştırma Manitoba, Manitoba Tıbbi Hizmet Vakfı, Kanada Beyin Araştırma Fonu aracılığıyla Manitoba Üniversitesi ve Brain Canada’dan başlangıç finansmanı, Health Canada ve Azrieli Vakfı’nın finansal desteğiyle sağlandı. Burada ifade edilen görüşler mutlaka Sağlık Bakanı’nın veya Kanada Hükümeti’nin görüşlerini temsil etmez.
Acta2-RCaMP1.07 | The Jackson Laboratory | 28345 | In the video protocol the animal model used is a female mouse of 10 months, 1 day old. |
Applicators (Regular) | Bisco | X-80250P | |
BioFormats package for MATLAB | NA | NA | Denominated in this protocol as "image processing packages". Available in: https://docs.openmicroscopy.org/bio-formats/ |
CHIPS MATLAB toolbox | NA | NA | Denomitaded in this protocol as "image processing algorithms". Barrett MJP, Ferrari KD, Stobart JL, Holub M, Weber B. CHIPS: an Extensible Toolbox for Cellular and Hemodynamic Two-Photon Image Analysis. Neuroinformatics. 2018;16(1):145-147. doi:10.1007/s12021-017-9344-y. Available in: https://github.com/EIN-lab/CHIPS |
Clear Ultrasound Gel, Medium viscosity | HealthCare Plus | UGC250 | |
Dextran, fluorescein, 70,000 MW, anionic | Thermo Fisher Scientific | D1823 | |
Dextran, Texas Red, 70,000 MW, neutral | Thermo Fisher Scientific | D1830 | |
Eye Lube Plus | Optixcare | NA | |
FIJI | Image J | NA | Denominated in this protocol as "image processor software". Available in: https://imagej.net/Fiji/Downloads |
GCaMP6sfl/fl | The Jackson Laboratory | ||
Head Post fixing platform | University of Zurich | NA | |
Ketamine (Narketan 100 mg/mL) | Vetoquinol | 440893 | |
MATLAB R2020b | NA | Denominated in this protocol as "programming platform ". Available in: https://www.mathworks.com/downloads/ | |
Needle 0.3mmx25mm | BD PrecisionGlide | 305128 | |
Objective XLUMPLFLN20XW | Olympus | NA | https://www.olympus-lifescience.com/en/objectives/lumplfln-w/ |
PDGFRβ-CreERT2 | The Jackson Laboratory | 30201 | |
Polyethylene Tubing, PE10 I.D. 28mm (0.11”) O.D. 61mm (.024”) | BD Intramedic | 427401 | |
Prairie View | Bruker Fluorescence Microscopy | NA | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/fluorescence-microscopy/multiphoton-microscopes/ultima-in-vitro.html |
Ultima In Vitro Multiphoton Microscope | Bruker Fluorescence Microscopy | NA | https://www.bruker.com/en/products-and-solutions/fluorescence-microscopy/multiphoton-microscopes/ultima-in-vitro.html |
Under Tank Heater | Reptitherm U.T.H | E169064 | |
Xylazine (Rompun 20 mg/mL) | Bayer HealthCare | 2169592 |