هنا ، نقدم بروتوكولا للحصول على صور التصوير المقطعي المحوسب الدقيق عالية الدقة لقلوب الثدييات الكبيرة الصحية والمرضية مع تعزيز التباين الانتقائي للكولاجين.
إعادة التشكيل الهيكلي هي نتيجة شائعة للضغوط المرضية المزمنة المفروضة على القلب. يعد فهم الخصائص المعمارية والتركيبية للأنسجة المريضة أمرا بالغ الأهمية لتحديد تفاعلاتها مع السلوك غير المنتظم. تظهر إعادة تشكيل الأنسجة المجهرية ، دون الدقة السريرية ، كمصدر مهم لعدم انتظام ضربات القلب القاتل ، مع انتشار مرتفع بين الشباب. لا تزال هناك تحديات في الحصول على تباين تصوير عال بدقة ميكروسكيل كافية للنماذج قبل السريرية ، مثل قلوب الثدييات الكبيرة الكاملة. علاوة على ذلك ، لا يزال هناك نقص في تحسين التباين الانتقائي لتكوين الأنسجة للتصوير ثلاثي الأبعاد عالي الدقة. يظهر التصوير غير المدمر باستخدام التصوير المقطعي المحوسب الدقيق وعدا بالتصوير عالي الدقة. وكان الهدف هو تخفيف المعاناة من الأشعة السينية على التوهين في العينات البيولوجية الكبيرة. تم استخراج القلوب من الخنازير السليمة (N = 2) ، والأغنام (N = 2) إما مع احتشاء عضلة القلب المزمن الناجم وتشكيل ندبة ليفية أو الرجفان الأذيني المزمن المستحث. تم استئصال القلوب مع: محلول ملحي مكمل بعامل تبريد أيون الكالسيوم وموسع للأوعية الدموية ، والإيثانول في الجفاف التسلسلي ، وسداسي ميثيل ديسيليزان تحت الفراغ. هذا الأخير عزز بنية القلب أثناء تجفيف الهواء لمدة 1 أسبوع. كانت الأنسجة المهيمنة على الكولاجين مرتبطة بشكل انتقائي بعامل تعزيز تباين الأشعة السينية ، وهو حمض الفوسفوموليبديك. كان تكوين الأنسجة مستقرا في الهواء ، مما سمح لعمليات التصوير المقطعي المحوسب الدقيق طويلة الأجل بالحصول على صور عالية الدقة (20.7 ميكرومتر متساوي الخواص). أظهر تحميل عامل التباين الأمثل عن طريق الانتشار تعزيزا انتقائيا للتباين للطبقة الظهارية وألياف Purkinje شبه الشغافية في البطينين الخنازير الصحيين. أظهرت قلوب الرجفان الأذيني (AF) تراكما معززا للتباين في الجدران الخلفية والزوائد من الأذينين، ويعزى ذلك إلى زيادة محتوى الكولاجين. أظهرت قلوب احتشاء عضلة القلب تباينا متزايدا بشكل انتقائي في مناطق تليف القلب ، مما مكن من تحديد ألياف عضلة القلب المتشابكة الباقية على قيد الحياة. مكنت مستحضرات الأنسجة المجففة بالهواء المعززة بالتباين من التصوير المجهري لقلب الثدييات الكبير السليم وتعزيز التباين الانتقائي لمكونات المرض الأساسية.
تمثل أمراض القلب الهيكلية غالبية الوفيات المرتبطة بالقلب في جميع أنحاء العالم1. إعادة تشكيل بنية القلب يؤثر على بيئة عضلة القلب والفضاء الخلالي. نظرا لأن كل من الوظيفة الكهربائية والميكانيكية للقلب تعتمد على تنظيم الخلايا العضلية ، يمكن أن يؤدي الاضطراب إلى عدم انتظام ضربات القلب الذي لا يطاق ، وضعف إجراءات ضخ الدم ، وفشل القلب2،3،4،5،6،7،8،9. تطورات العلاجات العلاجية لأمراض القلب الهيكلية تفوق بكثير انتشار المرض 2,5. على هذا النحو ، تظهر أعداد متزايدة من النماذج قبل السريرية لأمراض القلب الهيكلية لفهم أفضل للملامح التشريحية المورفولوجية والتسبب الناتج عن عدم انتظام ضربات القلب 10،11،12،13،14،15،16،17،18،19،20 ، 21,22,23. لوحظ عبر طيف الأمراض الهيكلية هو زيادة تنظيم التليف الخلالي ، وأكثر شيوعا في الحالات المتعلقة بنقص التروية ، استبدال عضلة القلب بالتليف والأنسجة الدهنية18. يمكن أن يتيح الفهم المورفولوجي للمكونات المرضية خارج الخلية تحديد الركائز المحتملة لعدم انتظام ضربات القلب. يوفر توزيع المرض ومداه مؤشرات قوية على خطر عدم انتظام ضربات القلب. ومع ذلك ، لا تزال هناك تحديات لتصوير ملامح الأمراض بشكل شامل من خلال دمج المقاييس الكلية والدقيقة في القلب السليم.
يظهر التصوير المقطعي المحوسب الدقيق (microCT) ، القائم على الأشعة السينية ، كأداة قوية لاستجواب البنية المجهرية للأنسجة البيولوجية الرخوة باستخدام عوامل التباين. تم الحصول على خرائط تشريحية مفصلة للغاية للقلوب من القوارض الصغيرة 24،25،26 وعينات تشريح صغيرة من قلوب الثدييات الكبيرة27،28. ومع ذلك ، فإن التصوير على مستوى العضو بأكمله لقلوب الثدييات الكبيرة يعرض أطوال مسار مفرطة يتم من خلالها تخفيف فوتونات الأشعة السينية باستخدام تقنيات تحضير الأنسجة التقليدية. وهذا ينطوي على تحميل الأنسجة على النقيض من ذلك وغمر العينة في مذيب عامل التباين أثناء الاستحواذ. وتفرض زيادة حجم العينة ودقتها إطالة أمد إجمالي وقت الاقتناء. لذلك يصبح استقرار الأنسجة أمرا بالغ الأهمية لإعادة بناء الصور القابلة للاستخدام ، مما يعني أنه يجب منع تشوه الأنسجة الناتج عن التجفيف. ومع ذلك ، فإن استخدام سائل الغمر له عيوب: (i) تصبح كثافة إشارة الخلفية الإجمالية غير ضئيلة و (ii) تعزز تخفيف جزيئات التباين المرتبطة بالأنسجة. يساهم كل من هذين العاملين في تقليل تباين الصورة.
تفصل هذه الدراسة خط أنابيب جديد لمعالجة الأنسجة للتخفيف من توهين الفوتون في الخلفية وتحسين النطاق الديناميكي الذي توفره عوامل تعزيز التباين. يقترح استخدام نهج تجفيف الهواء للأنسجة مع تعزيز الأنسجة الكيميائية للحد من تشوه الأنسجة29. لذلك يمكن أن تظل عينات الأنسجة مستقرة في الهواء لعمليات الاستحواذ الطويلة وحذف مساهمات الخلفية من سوائل الغمر. يوفر خط أنابيب المنهجية هذا: (أ) بروتوكول شامل لمعالجة الأنسجة والتصوير الأمثل باستخدام قلوب الخنازير الكاملة. (ii) تقييم تركيز التباين وتقنيات التحميل، و (iii) تطبيق خط الأنابيب هذا في نموذجين متميزين من الأمراض المزمنة من الرجفان الأذيني واحتشاء عضلة القلب في قلوب الأغنام. تم وصف تطوير نماذج الأمراض المزمنة في مكان آخر لكل نموذج من نماذج أمراض القلب المزمنة ، واحتشاء عضلة القلب الناجم عن انصمام الشريان التاجي عن طريق الجلد13 والرجفان الأذيني المستدام ذاتيا30.
تم وضع بروتوكول مفصل لمستحضرات الأنسجة الكبيرة باستخدام قلوب كاملة من الثدييات الكبيرة للتصوير الهيكلي عالي الدقة اللاحق. أزال نهج تجفيف الهواء تأثيرات توهين الأشعة السينية في الخلفية وتحسين الأنسجة إلى أقصى حد: تباين الخلفية29. باستخدام هذا النهج ، تم تحقيق دقة متساوية في حدود 20 ميكرومتر للتصوير الحجمي عبر عينات يصل قطرها إلى 7.2 سم. ومع ذلك ، يعتمد MicroCT للأنسجة الرخوة عادة على استخدام عوامل تباين غير محددة لتحسين امتصاص الأشعة السينية وحساسية أنظمة microCT34. على الرغم من أن عوامل تباين الأشعة السينية تحسن التوهين العام للأشعة السينية وتعزيز تصوير الأنسجة الرخوة ، إلا أن فصل مكونات الأنسجة على أساس التركيب الكيميائي الحيوي لا يزال يمثل تحديا. ومع ذلك ، لوحظ أن استخدام القلوب المجففة بالهواء مع عامل تباين الأشعة السينية الشائع في الإعداد المختبري ، PMA ، ملطخ بشكل انتقائي مكونات خارج الخلية. تم تعزيز النسيج الضام المرتبط بعضلة القلب الصحية وإعادة التشكيل الهيكلي المرضي في الأمراض المزمنة.
تتطلب عملية تجفيف الأنسجة البيولوجية بالهواء تدخلا لمقاومة تشوه العينة. إعداد عينة للمجهر الإلكتروني له متطلبات مماثلة. عادة ، يتم استخدام طريقة تجفيف النقاط الحرجة ، والتي تستخدم توازنا بين وسط غمر الأنسجة ودرجة الحرارة والضغط للقضاء على التوتر السطحي لمحتوى السائل في الأنسجة ، والذي يسبب تشوها على المستوى الجزيئي عند التبخر35. يتطلب هذا النهج استبدالا موحدا لمحتوى الماء في العينة بثاني أكسيد الكربون السائل ، وهو أكثر موثوقية في العينات الصغيرة والقابلة للانتشار بسهولة. بدلا من ذلك ، يمكن تحسين السلامة الهيكلية للأنسجة وتجفيف الهواء ، أي يمكن تطبيق مرحلة التبخر على مدى فترة أطول لتقليل التشوه الكلي. يخضع جزيء HMDS للسيليل لتشكيل سقالة قائمة على السيليكون لتعزيز واستقرار التنظيم الجزيئي لعينة الأنسجة36. يتم إطالة أمد التبخر عن طريق الحد من التيارات الهوائية المتداولة من البيئة ، وكذلك لتجنب التبخر غير المتجانس ، خاصة بين سطح العينة والطبقات الداخلية.
تم استخدام العديد من عوامل التباين سابقا للتصوير المقطعي المحوسب للأنسجة الرخوة. الأكثر شيوعا هي اليود وحمض الفوسفوتونجستيك (PTA) و PMA. وقد استخدم اليود على وجه الخصوص بسبب ارتفاع معدل الانتشار 34،37،38. ومع ذلك ، يعمل اليود كمحفز لسيليلات كاشف HMDS36. التفاعل المحفز عدواني وطارد للحرارة ، مع وجود خطر كبير لتدمير العينة ومخاطر السلامة إذا بقيت HMDS المتبقية بسبب الجفاف غير الكامل للعينة. يمكن استخدام كل من PTA و PMA المذاب في الإيثانول بأمان بالتزامن مع HMDS. وقد ثبت أن PTA و PMA يوفران قوة حل أكبر للهياكل الدقيقة في الأقراص الفقرية غير المعدنية عند مقارنتها بتلطيخ اليود38. في التصوير المقطعي المحوسب المجهري لعينات الثدييات ، تم استخدام PTA و PMA لتلطيخ أجنة الفئران39 ، ونظام القلب والأوعية الدموية للفئران37 ، وعضلات الأرانب والدماغ40 ، والأوردة الخنازير41. PTA لديه كتلة جزيئية أعلى وكثافة في محلول من PMA. ويرجع ذلك جزئيا إلى ارتفاع الكتلة الذرية للتنغستن (العدد الذري هو 74 جم / مول) ، وهو العنصر الموهن الرئيسي في PTA. وبالمقارنة، فإن أثقل عنصر في PMA، الموليبدينوم، لديه عدد ذري يبلغ 42 جم/مول. كل من الكتلة الذرية وكثافة العينة تكمن وراء توهين الأشعة السينية ، بالإضافة إلى سمك العينة42. زيادة طول مسار الأشعة السينية عن طريق زيادة أحجام العينات، يصبح توهين الأشعة السينية أكثر حساسية لزيادة كثافة العينة. لذلك ، تم اختيار عامل تباين PMA منخفض الكثافة لتقليل خطر التوهين الزائد وتحسين النطاق الديناميكي لتباين الصور للقلوب ذات الحجم الشبيه بالإنسان. وقد أظهرت أدلة أخرى أن تحميل الانتشار من PMA يعطي تلطيخا أكثر تجانسا من الجزيء الأكبر PTA في أنسجة القلب43.
تؤثر طريقة توصيل عامل التباين على توحيد توزيع عامل التباين في أنسجة القلب (الشكل 3). أظهر تروية عوامل التباين في القلب المجفف بالإيثانول مستويات تلطيخ خلفية غير مكتملة من PMA بسبب مقاومة الأوعية الدموية المتغيرة. في القلب المجفف بالهواء ، يتم التأكيد على البنية الصفائحية للعضلات من خلال عملية تجفيف العينة ، مما يزيد من الفصل الرقائقي للعضلات. أدى ذلك في النهاية إلى تحسين النفاذية الكلية للأنسجة لتحميل عامل التباين القائم على الانتشار. ونتيجة لذلك، سهل تجفيف الهواء الأنسجة: تباين الهواء على المستويات الصفائحية وداخل الصفيحة (الشكل 4). علاوة على ذلك ، يمكن تسهيل تحميل الانتشار عن طريق التطبيق تحت فراغ. وقد تبين كذلك أن انكماش الأنسجة من العينات غير المجففة يعتمد على تركيز عامل التباين40. ومع ذلك ، فإن التثبيت المورفولوجي السابق للعينة عن طريق تجفيف الهواء يمنع آثار انكماش الأنسجة29.
تنتج صور microCT عالية الدقة لأعضاء كاملة بطبيعتها كميات كبيرة من البيانات. تتيح طبيعة تقنيات التصوير المقطعي التصور ومعالجة الصور على أساس كل شريحة على حدة ، مما يخفف من معالجة الكمبيوتر وعبء الذاكرة. ومع ذلك ، لتصور مكدسات الصور ثلاثية الأبعاد ، على سبيل المثال ، لتقديم أحجام العينات في تمثيلات ثلاثية الأبعاد ، فإن الحد الأدنى الموصى به من مواصفات الكمبيوتر هو 128 غيغابايت من ذاكرة الوصول العشوائي وسرعة المعالج 3 غيغاهرتز.
يوفر ظهور التصوير المقطعي المحوسب المصغر في مجال القلب العديد من المزايا للدراسات الانتقالية والتحقق السريري. وقد أظهرت مزايا التصوير ثلاثي الأبعاد والميكرومتري بالفعل تطبيقات في تحديد العبء الخثاري لمرضى نقص تروية عضلة القلب ST-elevation44,45. يعتمد رسم خرائط المصادر المحتملة لعدم انتظام ضربات القلب لدى مرضى أمراض القلب الهيكلية إلى حد كبير على تحديد توزيع النسيج الندبي الليفي وتوطين المسارات المتشابكة لعضلة القلب الباقية على قيد الحياة. تستخدم مناهج الخط الثاني لتشخيص عدم انتظام ضربات القلب البطيني التصوير بالرنين المغناطيسي46. يمكن أن يحدد موقع التليف الكثيف بقوة ولكنه يقتصر على التوصيف المورفولوجي منخفض الدقة ويقدم نظرة محدودة على إعادة تشكيل البنية الدقيقة والتوزيعات المنتشرة للآفات الليفية47. الفحص عالي الدقة لتوزيع الندوب وتوصيفها لديه إمكانات هائلة لتحسين فهمنا لإعادة تشكيل القلب الهيكلي وخطر الإصابة بقصور القلب. على وجه الخصوص ، ستستفيد الدراسات البحثية الأساسية أو تحقيقات ما بعد الوفاة من الصور الهيكلية الداعمة لرسم الخرائط الكهربائية لعدم انتظام ضربات القلب.
في الختام ، يمكن تلطيخ القلوب المعززة بمعالجة HMDS وتجفيف الهواء لاحقا بعامل تباين الأشعة السينية لتعزيز توهين الأشعة السينية للمكونات خارج الخلية. على وجه التحديد ، في عضلة القلب الصحية ، يحدث تراكم PMA في الظهارة ، والأنسجة الصمامية ، ومقصورات نظام التوصيل البطيني المغلف بالنسيج الضام مما أدى إلى تعزيز توهين الأشعة السينية. علاوة على ذلك ، في عضلة القلب المريضة هيكليا ، كان التباين المعزز انتقائيا أكثر للتليف.
The authors have nothing to disclose.
تلقت هذه الدراسة دعما ماليا من الحكومة الفرنسية كجزء من برنامج “استثمارات المستقبل” الذي تديره الوكالة الوطنية للبحوث (ANR) ، ومرجع المنح ANR-10-IAHU-04 ، ومؤسسة Leducq (شبكة RHYTHM) ، بالإضافة إلى مرجع المنح ANR-17-CE14-0029-01 [UNMASC] ، والتمويل من منطقة الأبحاث الأوروبية في أمراض القلب والأوعية الدموية (ERA-CVD) ، ومرجع المنح H2020-HCO-2015_680969 [MultiFib] والتمويل من المنطقة الفرنسية Nouvelle Aquitaine ، مراجع المنح 2016 – 1R 30113 0000 7550/2016-1R 30113 0000 7553 و ANR-19-ECVD-0006-01.
10% neutral buffered formalin | Diapath | F0043 | |
Calcium chloride solution | Honeywell | 21114 | |
Canulation Tubing PTFE | VWR | DENE3400102 | |
Constant Head 1L Reservoir | Harvard Apparatus | 50-0496 | |
D-(+)-Glucose | Sigma | G5767 | |
Ethanol absolute | VWR | 20821.330 | |
Ethylenediaminetetraacetic acid (EDTA) | Sigma | 796881 | |
Heparin sodium (5000 U/mL) | Panpharma | 3400891287301. | |
Hexamethyldisilazane (HMDS) | Sigma | 440191-1L | |
Hydrochloric acid, ACS reagent, 37% | Sigma | 258148 | |
Magnesium chloride solution | Honeywell | 63020 | |
Phosphate buffered saline (PBS) | Sigma | P5368 | |
Phosphomolybdic acid hydrate | Fisher Scientific | 417895000 | |
Potassium Chloride | Sigma | P5405 | |
Pump Tubing, 3-Stop | Ismatec | FV-96328-48 | |
SkyScan, 1276 | Bruker | micro CT | |
Sodium bicarbonate | Sigma | S5761 | |
Sodium Chloride | Sigma | S3014 | |
Sodium hydroxide solution 50% in H2O | Sigma | 415413 | |
Tube Connector Kits | Harvard Apparatus | 72-1407 | |
Tubing pump | Ismatec | ISM 1089 | |
Tubing Tygon R-3603 1.6 mm 3.2 mm 0.8 mm | VWR | 228-1279 | |
Tubing Tygon R-3603 3.2 mm 4.8 mm 0.8 mm | VWR | 228-1283 | |
Two-part single-use syringes 50 mL | Norm-Ject | 4850001000 | Pyrogen-free, PVC-free |