פרוטוקול זה מציג צעדים לרכישה וניתוח של תמונות סידן פלואורסצנטיות מפריקיטים משחישת מוח ונתוני זרימת דם מכלי דם סמוכים בעכברים מרדים. טכניקות אלה שימושיות למחקרים של פיזיולוגיה של תאי קיר וניתן להתאים אותן לחקור סידן ארעי בכל סוג תא.
ההתקדמות האחרונה בביולוגיה של חלבונים וגנטיקה של עכברים אפשרה למדוד תנודות סידן תאיות של תאי מוח ב-vivo ותיאם זאת עם המודינמיקה המקומית. פרוטוקול זה משתמש בעכברים מהונדסים שהוכנו עם חלון גולגולת כרוני ומבטאים את מחוון הסידן המקודד גנטית, RCaMP1.07, תחת מקדם אקטין שריר חלק α כדי לסמן במיוחד תאי ציור קיר, כגון תאי שריר חלקים וסקולרית ו pericytes ensheathing. השלבים מפורטים על איך להכין צנתר וריד זנב להזרקה תוך ורידי של צבעים פלואורסצנטיים כדי לעקוב אחר זרימת הדם, כמו גם כיצד למדוד סידן ריסייט במוח ואת המודינמיקה כלי הדם המקומי (קוטר, מהירות תאי דם אדומים, וכו ‘) על ידי שני מיקרוסקופיה פוטון ב vivo דרך החלון הגולגולתי בעכברים מרדימים קטמין / קסילאסין. לבסוף, פרטים מסופקים לניתוח של תנודות סידן וסרטי זרימת דם באמצעות אלגוריתמי עיבוד תמונה שפותחו על ידי בארט ואח ‘2018, בדגש על האופן שבו תהליכים אלה יכולים להיות מותאמים לנתוני הדמיה תאית אחרים.
כלי ההשמה של מערכת העצבים המרכזית מורכב מחדירה לעורקים, נימים וצמחייה עולה. בתוך רשת זו, תאי קיר כגון תאי שריר חלקים וסקולריים עטוף arterioles ו pericytes להרחיב תהליכים תאיים לאורך ענפי arteriole הראשון נימים1. Pericytes נראה שיש כמה תפקידים בתוך המוח כולל תחזוקה של מחסום הדם – מוח1,2, הגירה תנועתיות3, תכונות תאי גזע פוטנציאליים, ואת הרגולציה של זרימת הדם במוח4,5,6. רבים מהתפקידים התפקודיים של פריציטים נקשרו לתנודות בסידן תאי שעשויות לווסת את ההתכלחות או ההתכווצות של תאים אלה4,5,6.
מספר מחקרים אחרונים קבעו קריטריונים לזיהוי סוגים שונים של פריציטים במוח7,8. תאי קיר בתוך 4 הענפים הראשונים של עורקים חודרים הם ensheathing pericytes בהתבסס על הביטוי שלהם של חלבון התכווצות α שריר חלק אקטין (αSMA) שלהם בולט, סומטה בוצית עם תהליכים העוטפים את כלי הדם7,8,9. כדי לדמיין תנודות סידן pericytes ensheathing, פרוטוקול זה משתמש קו עכבר מהונדס רומן, Acta2-RCaMP1.07, הידוע גם בשם Tg (RP23-370F21-RCaMP1.07)B3-3Mik / J10. עכברים אלה מבטאים את מחוון הסידן האדום המקודד גנטית, RCaMP1.07, בתאי αSMA המבטאים (תאי שריר חלקים וסקולריים ופריציטים). מושבות הרבייה נשמרות על ידי חציית בעלי חיים שאינם מקריים עם hemizygotes. RCaMP1.07 הוא חלבון פלואורסצנטי אדום עם תחום מחייב calmodulin, אשר מגביר פלואורסצנטיות בעת קשירה סידן תאי10,11. פרוטוקול זה מתאר את השלבים להדמיית סידן משולבת של פריציטים וזרימת דם על ידי שתי מיקרוסקופיות פוטון כולל הליכים להזרקת וריד זנב של צבעים פלואורסצנטיים, רכישת תמונת מיקרוסקופ בעכברים מרדים וניתוח נתונים עם פלטפורמות תכנות (איור 1). טכניקות אלה שימושיות לטיפול בשאלות על פיזיולוגיה של תאי קיר, אך ניתן להתאים אותן לחקר סידן ארעי בכל סוג תא במוח או במערכת איברים אחרת.
עכבר Acta2-RCaMP1.07 בן 10 חודשים שימש לניסוי שהוצג במאמר זה. העכבר עבר ניתוח לחלון גולגולתי כרוני ולהשתלת ראש חודשיים לפני כן. פרטים על הפרוטוקול הכירורגי נדונים במחקרים קודמים12,13 והליכים דומים בוצעו בפרוטוקולים אחרים שפורסמו בעבר14,15. כלי ההדבקה מסומן עם פלואורסצאין-דקסטרן ירוק (70,000 מגוואט, פתרון אניוני, 2.5% w/v) מוזרק תוך ורידי. צבע זה חסכוני וזמין ממקורות מסחריים, אך יש לו ספקטרום פליטה רחב יותר שעשוי לחפוף עם פליטת RCaMP ולדמם דרך במהלך רכישת תמונת מיקרוסקופ. צעדים לבחינת אי-קמיקס ספקטרלי מפורטים בסעיף 4 להלן כדי לעקוף זאת, אך ניתן להשתמש גם בצבעים ירוקים אחרים עם ספקטרום פליטה צר יותר, כגון אלה המבוססים על EGFP.
השיטה הנוכחית מספקת פרטים על הזרקת וריד זנב העכבר עם קטטר, רכישת תמונה מיקרוסקופ שני פוטון עבור ערימות עומק, סרטי איתות סידן תאים, יצירת קימאוגרפים המודינמיים, וניתוח סידן והמודינמי עם אלגוריתמי עיבוד התמונה שלנו17 (איור 1). ישנם מספר יתרונות לטכניקות אלה המשפרים את תוצאת ההדמיה in vivo ומפחיתים זמן, משאבים ומתח מן החי במהלך הפגישה. ראשית, השימוש של קטטר עבור הזרקת וריד הזנב מספק שליטה רבה יותר על המחט, המזרק ואת כמות החומר מוזרק לתוך זרימת של העכבר. בנוסף, זה מונע הזרקת צבע לתוך רקמת הזנב, חיסכון ריאגנטים יקרים. שנית, אנו משתמשים בעכברים מהונדסים המבטאים חיישני סידן מקודדים גנטית ב- pericytes ensheathing ומדגימים כיצד להתאים אותם לרשת כלי הדם במוח עם ערימת z עומק, המאפשרת זיהוי תאים והעתקה בפגישות הדמיה עוקבות לטווח ארוך. זהו גורם חשוב במחקרי פירוק ומבטיח סיווג תאים תקין6,7. שלישית, אנו מספקים את הפרמטרים שלנו לאיסוף סרטי סידן ותוני סריקת קו המודינמי שהם נקודת התחלה טובה למדידת אותות סלולריים דינמיים. לבסוף, אנו מציגים את אלגוריתמי עיבוד התמונה שלנו17, ארגז כלים מקיף לעיבוד תמונה המכיל גישות מרובות לעיבוד קדם תמונה (כגון ביטול ספקטרלי), ניתוח תמונת סידן וניתוח המודינמי (קוטר, מהירות וכו ‘). אלגוריתמים אלה יכולים ליצור התוויות להדמיה מהירה וקלה של הנתונים, תוך מזעור רמת המומחיות הנדרשת לניתוח תוצאות. יתר על כן, זה יכול להיות אוטומטי עם כמה שורות של קוד כדי לאצווה במהירות לעבד ערכות נתונים מרובות עם אותם פרמטרים. זה יכול לשפר את הדמיית הנתונים ואת ההשקעה בזמן של החוקר.
המפתח לאיסוף נתוני הדמיית סידן טובים הוא להתאים את עוצמת הלייזר ואת הגדרות PMT לרכישת אותות פלואורסצנטיות ברורה, אך גם לאסוף נתונים בקצב פריימים מספיק כדי ללכוד את כל אירוע הסידן. הנתונים בפרוטוקול זה נרכשו במהירות של 10-11 פריימים לשנייה, הלוכדת את תנודות הסידן האיטיות יותר בפריקיטים. ישנם גם מספר שלבים במהלך הניתוח שיכולים לשפר את תוצאת הניתוח. ראשית, ביטול ספקטרלי מועיל אם יש חפיפה משמעותית בין ספקטרום הפליטה של פלואורופורים(איור 2). פלואורסצ’ין-דקסטרן שימש בפרוטוקול זה מכיוון שהוא מצומד דקסטרן חסכוני וזמין מסחרית המשמש בדרך כלל למדידות המודינמיות5. ביטול ספקטרלי עוזר לנקות את הנתונים לגילוי משופר של אותות סידן, אך ניתן להשתמש גם בפלואורופורים חלופיים עם ספקטרום פליטה צר יותר. שנית, בחירת יד של מבנים תאיים כ- ROIs (איור 3) שימושית לסיווג אירועי סידן באזורים תת-תאיים שונים כגון ענפי סומה או תהליך. בחירת ROI מבוססת פעילות (איור 4)16 מספקת מידע מרחבי וטמפורלי יותר על אירועי סידן בודדים. זה יכול להיות מועיל בעת קביעת התדירות של אירועי סידן באזור נתון או הפצת אירועים לאזורים תאיים אחרים. השימוש בתוכנת תכנות לניתוח נתוני הדמיה יכול לחסוך לחוקרים שעות של זמן כאשר הנתונים מעובדים באצווה, אך נדרש השקעה ראשונית בזמן כדי להתאים את הפרמטרים לתוצאות אופטימליות. הגורמים החשובים ביותר הם הגודל הצפוי (ב- μm 2 ) של האזור הפעיל, כמו גם משך האות (יש להגדיר זמן אות מינימליוזמןאות מרבי). החוקרים חייבים לבחון תחילה כמה סרטי T-series לדוגמה כדי לקבוע בצורה הטובה ביותר אילו פרמטרים מתאימים לנתונים שלהם. לבסוף, נתונים באיכות ירודה שנרכשו במיקרוסקופ עלולים לעכב מאוד את ניתוח הסידן והמודינמיקה(איור 6). לכן, יש להקפיד כדי לייעל את הגדרות רכישת המיקרוסקופ בהתחלה. עם גורמים אלה בראש, פרוטוקול זה שניתן להתאים להדמיית סידן או ניתוח של אותות תאיים דינמיים אחרים (למשל, נתרן פלואורסצנטי, אשלגן, מטבוליט, או תנודות מתח) ברקמות או בסוגי תאים אחרים.
קיימות מספר מגבלות לפרוטוקול זה. ראשית, הנתונים נאספים תחת הרדמה, אשר משפיע על פעילות המוח ועלול להשפיע על זרימת הדם. הדמיה דומה יכולה להיעשות בעכברים ערים שאומנו לקבל קיבוע ראש לתוצאות פיזיולוגיות יותר. בנוסף, חשוב לזכור כי אנו אוספים תמונות דו ממדיות של תא תלת מימדי וכלי דם ב vivo. לכן, אנחנו יכולים ללכוד רק סיעה של אירועי הסידן בתוך תאים אלה או זרימת הדם בחלק אחד של כלי הדם בכל פעם.
מגבלה נוספת שיש לציין היא כי הדמיית סידן שני פוטון רגישה לממצאי תנועה, שבהם התנועה פנימה והחוצה של מישור המוקד יכולה לטעות בתנודות סידן. פרוטוקול זה בוצע תחת הרדמה, אשר מגביל את התנועה של החיה; עם זאת, ממצאי תנועה יכולים להיות הציגו על ידי קצב הנשימה של העכבר, קצב הלב, נפיחות רקמות אפשרית, ובמקרה של pericytes ensheathing, התכווצות כלי דם או vasomotion 4,6,18,19. חפצי תנועה יכולים להיות מקלים על ידי מספר אסטרטגיות. חבילות עיבוד התמונה המשמשות בפרוטוקול זה כוללות שלב אופציונלי לתיקון תנועה, המשתמש במנוע פיתול דו-ממדי כדי ליישר את התמונות בתוך סדרת T בהתבסס על כלי ההשנה הנראה לעין13,17. מסגרות עם שינויים משמעותיים במישור המוקד מזוהות על ידי אלגוריתם זה וניתן לא לכלול אותם בניתוח. בנוסף, ניתן להשתמש באסטרטגיות סטטיסטיות בתוך חבילות עיבוד ההדמיה, כגון ציון Z בעת יצירת עקבות פלואורסצנטיות כדי לנרמל את התנועה המושרה תנודות סידן20. הגישה החזקה ביותר להסביר ממצאי תנועה בהדמיה של שני פוטונים היא לשלב ביטוי של שני אינדיקטורים פלואורסצנטיים באותו תא, כגון מחוון סידן (למשל, GCaMP) וכתב פלואורסצנטי (למשל, mCherry) שאינו תלוי בסידן. לאחר מכן ניתן לייחס תנודות בכתב הפלואורסצנטי לתנועה והם מופחתים מאות מחוון הסידן כדי לנרמל חפצי תנועה.
מטרת פרוטוקול זה היא לספק הבנה ברורה כיצד לאסוף נתוני הדמיית סידן וזרימת דם אופטימליים ב- vivo ולהציג שיטות וכלי ניתוח חדשים שהחוקרים יכולים ליישם על מנת לשפר את תוצאותיהם. טכניקות אלה ניתן ליישם כדי לחקור את התפקיד של אוכלוסיות pericytes שונים בשליטה על זרימת הדם או במצבי מחלות מוח שונים. פרמטרי הדמיה אלה יכולים לשמש גם לחקר סידן וזרימת דם בסוגי תאים אחרים ובמערכות איברים ועקרונות דומים חלים על טכניקות הדמיה דינמיות אחרות המאפשרות חיישנים אחרים המקודדים גנטית, מעבר לסידן.
The authors have nothing to disclose.
ג’יי מזא נתמך על ידי מלגות מ-Mitacs ומחקר מניטובה. מימון עבודה זו ניתן על ידי המכונים הקנדיים לחקר הבריאות, מחקר מניטובה, קרן השירות הרפואי מניטובה, מימון סטארט-אפים מאוניברסיטת מניטובה ומוח קנדה באמצעות הקרן לחקר המוח בקנדה, בתמיכתם הכספית של Health Canada וקרן עזריאלי. הדעות המובעות כאן אינן מייצגות בהכרח את עמדותיהם של שר הבריאות או ממשלת קנדה.
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 |