Questo protocollo descrive una nuova finestra di imaging mammario con un coperchio sostituibile (R.MIW). La microscopia intravitale dopo l’impianto del R.MIW consente l’imaging longitudinale e di più giorni della ghiandola mammaria sana e malata con una risoluzione cellulare durante le diverse fasi dello sviluppo.
La struttura ramificata della ghiandola mammaria è altamente dinamica e subisce diverse fasi di crescita e rimodellamento dopo la nascita. La microscopia intravitale in combinazione con la chirurgia del lembo cutaneo o l’impianto di finestre di imaging è stata utilizzata per studiare la dinamica della ghiandola mammaria sana in diverse fasi dello sviluppo. La maggior parte delle tecnologie di imaging mammario sono limitate a un intervallo di tempo di ore o giorni, mentre la maggior parte dei processi di rimodellamento della ghiandola mammaria si verificano in intervalli di tempo da giorni a settimane. Per studiare il rimodellamento della ghiandola mammaria, sono necessari metodi che consentano l’accesso ottico al tessuto di interesse per periodi di tempo prolungati. Qui, viene descritta una versione migliorata della finestra di imaging mammario in titanio con un coperchio sostituibile (R.MIW) che consente l’imaging ad alta risoluzione della ghiandola mammaria con una risoluzione cellulare fino a diverse settimane. È importante sottolineare che il R.MIW fornisce l’accesso ai tessuti per l’intera durata dell’esperimento di imaging intravitale e potrebbe quindi essere utilizzato per la manipolazione locale dei tessuti, l’etichettatura, la somministrazione di farmaci o la microdissezione guidata da immagini. Nel loro insieme, il R.MIW consente la caratterizzazione ad alta risoluzione delle dinamiche cellulari durante lo sviluppo della ghiandola mammaria, l’omeostasi e la malattia.
L’epitelio mammario è un organo secretorio unico presente nei mammiferi, che produce e secerne latte per nutrire la prole. Nel corso della vita, la ghiandola mammaria subisce più cicli di sviluppo e crescita, che sono accompagnati da cambiamenti strutturali e funzionali del tessuto1. A seconda dello stadio di sviluppo, i tipi di cellule che contribuiscono al rimodellamento dei tessuti sono diversi, così come la posizione all’interno dell’albero duttale.
La microscopia intravitale multifotonica (IVM) consente lo studio della dinamica delle cellule mammarie in vivo nel setting nativo e minimamente perturbato 2,3,4. Per ottenere l’accesso visivo alla ghiandola mammaria, sono state pubblicate diverse tecniche temporanee di imaging ex vivo o del lembo cutaneo durante diverse fasi dello sviluppo della ghiandola mammaria, tra cui la pubertà 4,5,6,7, l’età adulta 2,8, l’allattamento 9,10,11,12 e la dinamica tumorale 13,14 ,15. Sebbene queste tecniche si traducano in un’elevata risoluzione spaziale e temporale delle dinamiche delle cellule mammarie, il lasso di tempo è limitato a ore, mentre la maggior parte dei processi di rimodellamento della ghiandola mammaria richiede giorni o settimane. Pertanto, sono necessari metodi che consentano l’accesso ottico al tessuto di interesse per intervalli di tempo prolungati. Nel corso degli anni, sono state sviluppate diverse finestre di imaging permanenti per l’imaging del tumore mammario 15,16,17,18, tra cui una finestra di imaging mammario in titanio (MIW)2,3,19. Sebbene molto utile per studiare la crescita del tumore mammario, la visualizzazione della struttura della ghiandola mammaria sana è rimasta limitata a pochi giorni. Recentemente, è stata sviluppata una finestra di imaging al silicio flessibile, che consente la visualizzazione della ghiandola mammaria puberale per più settimane20. Tuttavia, la ghiandola mammaria è incorporata in un cuscinetto di grasso ricco di adipociti, che porta a un’ampia diffusione della luce e, di conseguenza, a una visibilità limitata delle strutture duttali mammarie. Pertanto, sono necessarie condizioni di imaging superiori in ogni momento per visualizzare le dinamiche dei tessuti per periodi di tempo prolungati nella ghiandola mammaria. Né il MIW classico, né la finestra flessibile in silicio consentono la manipolazione dei tessuti o l’ottimizzazione della posizione fisica del tessuto prima dell’imaging, poiché la finestra forma un sistema chiuso dopo l’intervento chirurgico e l’impianto. Di conseguenza, è probabile che l’accesso ottico ottimale al tessuto mammario sottostante venga precluso per periodi di tempo più lunghi. Al contrario, la tecnica del lembo cutaneo consente l’ottimizzazione e il riposizionamento del tessuto durante la sessione di imaging e un lembo cutaneo può essere ripetuto più volte2. Tuttavia, le sessioni di imaging ripetute attraverso un lembo cutaneo sono possibili solo quando viene assegnato un tempo sufficiente (almeno 7 giorni) tra un intervento chirurgico e l’altro per consentire il recupero della pelle ed è quindi più adatto per studiare processi su scale temporali più lunghe. Inoltre, è consigliabile non eseguire questa procedura molte volte a causa della sua natura invasiva e del grande rischio di infezioni e cicatrici alla chiusura della ferita.
Per superare queste limitazioni, vale a dire per garantire condizioni di imaging ottimali per un periodo di tempo prolungato ad alta frequenza e allo stesso tempo consentire la manipolazione dei tessuti, è stata progettata una versione migliorata in titanio del MIW con un coperchio sostituibile (R.MIW) per visualizzare la ghiandola mammaria sana e malata su più giorni fino alle settimane2 (Figura 1A, B). Il R.MIW è stato progettato su misura per fornire un accesso ottimale ai tessuti, consentendo la manipolazione diretta dei tessuti per l’intera durata dell’esperimento IVM, e quindi consente la visualizzazione della ghiandola mammaria al momento giusto e nel luogo giusto per periodi di tempo prolungati. Quando è chiuso, il R.MIW forma un sistema ermetico paragonabile al MIW classico (Figura 1C). Se aperto in condizioni asettiche, il R.MIW consente la manipolazione dei tessuti locali per migliorare l’accesso ottico e consente anche la somministrazione locale di sostanze, come inibitori del percorso o agonisti, l’iniezione di diversi tipi di cellule di interesse, come le cellule tumorali o le popolazioni di cellule immunitarie, o l’aggiunta di coloranti di etichettatura dei tessuti. Il coperchio può essere aperto in qualsiasi momento tra le sessioni di imaging senza causare danni al tessuto sottostante.
Figura 1: Progettazione della finestra di imaging mammario con un coperchio sostituibile. (A) Vista dall’alto e vista laterale del coperchio sostituibile della finestra di imaging mammario con un vetro di copertura da 10 mm incollato all’anello. (B) Vista dall’alto e vista laterale della finestra di imaging mammario, che consiste in un anello esterno e un anello interno con una scanalatura in mezzo per fissare la finestra all’interno della pelle del mouse usando una sutura a cordone di borsa. L’anello esterno ha una piccola scanalatura che si adatta alle quattro proiezioni (bracci) del coperchio. (C) Cartone animato e immagini che dimostrano i meccanismi di apertura e chiusura del coperchio. Le proiezioni inclinate assicurano che il coperchio sia fissato all’interno del telaio della finestra. Questa figura è stata modificata da Messal et al. 2. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Questo protocollo descrive la procedura di progettazione e impianto del R.MIW, nonché una strategia longitudinale IVM per rivisitare gli stessi dotti mammari e la loro visualizzazione a risoluzione cellulare. Il R.MIW consente di seguire le divisioni cellulari e i cambiamenti morfologici durante le diverse fasi di sviluppo della ghiandola mammaria in diversi modelli murini reporter fluorescenti. Nel loro insieme, il R.MIW facilita la caratterizzazione ad alta risoluzione delle dinamiche cellulari durante lo sviluppo della ghiandola mammaria, l’omeostasi e la malattia.
Il R.MIW consente l’imaging longitudinale della ghiandola mammaria sana e malata nel suo ambiente nativo e minimamente disturbato e consente la visualizzazione ripetuta della ghiandola mammaria in diverse fasi dello sviluppo. Il design R.MIW consente di aprire la finestra in qualsiasi momento durante l’esperimento. L’accesso visivo a lungo termine al tessuto di interesse può essere ostacolato, ad esempio, dall’accumulo di detriti cellulari sul coperchio. In questi casi, il R.MIW può essere aperto prima o immediatamente dopo una sessione di imaging per consentire la pulizia dell’intera area visibile del tessuto e del coperchio. Il coperchio rimovibile consente anche manipolazioni del tessuto e l’applicazione locale di sostanze, come inibitori e terapie specifici, coloranti di etichettatura o specifici tipi di cellule di interesse.
Questo metodo supera la limitazione delle procedure di skinflap mammario precedentemente descritte 4,7,8,13, che sono limitate a una sessione di imaging, e può visualizzare processi come la morfogenesi ramificata (Figura 5), il turnover omeostatico del tessuto (Figura 6) o la crescita tumorale a livello cellulare (Figura 3B). ). Tuttavia, allo stesso tempo, il R.MIW consente la manipolazione locale del tessuto tra le sessioni di imaging, che comprende una grande risorsa del R.MIW rispetto al MIW 3,18 precedentemente pubblicato e a tutte le altre finestredi imaging 20,22. Quando si apre il R.MIW, è importante mantenere le condizioni asettiche in ogni momento per prevenire qualsiasi fonte di infezione. La possibilità di aprire il R.MIW in un ambiente asettico consente di ottimizzare le condizioni di imaging prima di ogni sessione di imaging, migliorando notevolmente l’accesso visivo a lungo termine al tessuto di interesse. In particolare, nella ghiandola mammaria, che è incorporata in uno stroma ricco di adipociti, questo è di grande valore. Inoltre, il coperchio sostituibile potrebbe consentire in modo univoco la somministrazione locale di terapie, diversi tipi di cellule, coloranti di etichettatura, microdissezione guidata da immagini o qualsiasi altra manipolazione locale del tessuto senza la necessità di terminare l’esperimento IVM. Ad esempio, per studiare l’inizio del tumore, specifiche popolazioni di cellule tumorali potrebbero essere iniettate direttamente nell’albero duttale o nello stroma in un determinato punto temporale IVM e in una precisa posizione della ghiandola mammaria, purché questo ROI sia accessibile attraverso l’anello R.MIW. Per studiare la progressione tumorale, specifiche popolazioni di cellule tumorali (in una posizione specifica, in un microambiente specifico o con un comportamento specifico) potrebbero essere fotomarcate durante la sessione IVM e successivamente microdissezionate utilizzando un microscopio a dissezione fluorescente dopo l’apertura del R.MIW. Le cellule isolate potrebbero essere ulteriormente elaborate per analisi a valle, come il sequenziamento dell’mRNA (a singola cellula). Usando questo approccio, si potrebbe accoppiare il comportamento cellulare in vivo ai profili di espressione molecolare. Il vantaggio della somministrazione locale del farmaco abilitato dal R.MIW consente di visualizzare il tessuto prima e direttamente dopo il trattamento. L’intervallo necessario per rimuovere il mouse dalla scatola di imaging e per eseguire successivamente la somministrazione locale del farmaco dopo l’apertura del coperchio R.MIW può essere eseguito in pochi minuti, il che consente l’acquisizione immediata di fase dei farmaci ad azione rapida.
Mostriamo che l’IVM della ghiandola mammaria attraverso il R.MIW è compatibile con molti diversi modelli murini reporter fluorescenti. L’ambiente ricco di adiposità è difficile da immaginare, e quindi si raccomanda l’uso di fluorofori luminosi. Tuttavia, come mostrato qui, anche fluorofori meno luminosi come mCFP possono essere visualizzati attraverso il R.MIW in condizioni di imaging ottimali. Inevitabilmente, il cuscinetto di grasso precluderà l’imaging delle strutture duttali più profonde e limiterà l’imaging ai dotti più superficiali. Un’immagine panoramica a bassa risoluzione all’inizio di ogni esperimento IVM aiuterà a identificare le strutture duttali di interesse che sono sufficientemente superficiali per l’imaging ad alta risoluzione. La manipolazione del tessuto locale, la rimozione del tessuto connettivo o il riposizionamento del tessuto adiposo dopo l’apertura del R.MIW possono ottimizzare l’IVM per specifici ROI che sono sovrapposti dal tessuto adiposo. Questo è un vantaggio importante rispetto a tutti i precedenti progetti di finestre, che non consentono di eseguire queste manipolazioni e richiederebbero la completa rimozione della finestra stessa. In particolare, per la visualizzazione del linfonodo inguinale, si consiglia di rimuovere delicatamente il tessuto adiposo sovrastante, che riduce la diffusione della luce e consente l’imaging ad alta risoluzione. Quando si manipola il tessuto, mantenere sempre condizioni asettiche e prevenire sanguinamenti o gravi danni al tessuto, in quanto possono influenzare i processi studiati durante l’esperimento IVM.
Il R.MIW è realizzato in titanio, un materiale comunemente usato nella pratica clinica per sostituire tessuti duri come articolazioni o placche ossee. Il titanio ha diversi vantaggi rispetto alle finestre in acciaio, tra cui il suo carattere leggero e inerte21. Recentemente, diversi altri materiali sono stati utilizzati per generare nuovi tipi di finestre di imaging, tra cui la finestra flessibile in silicio20. A differenza del R.MIW, la finestra flessibile non richiede alcuna sutura per l’impianto ed è adatta per quasi tutte le posizioni anatomiche, in particolare nel caso di tessuti molli e fragili. Le finestre in silicio hanno un impatto minimo sulla motilità animale a causa della loro natura leggera e deformabile e forse più adatte negli esperimenti che studiano la rapida espansione e crescita dei tessuti20. Un altro vantaggio rispetto alla versione in titanio è che le finestre in silicio sono compatibili con altre modalità di imaging, tra cui la risonanza magnetica20,27. Tuttavia, sarà importante tenere presente che gli obiettivi sono ottimizzati per coperture in vetro da 0,17 mm. Inoltre, il tessuto mammario è suscettibile ai movimenti respiratori, che sono difficili da limitare utilizzando la finestra flessibile, specialmente quando si utilizza un microscopio invertito. Gli artefatti respiratori sono ridotti al minimo dal design R.MIW e dalla fissazione del R.MIW nell’intarsio della scatola di imaging. Di conseguenza, le immagini acquisite utilizzando la configurazione R.MIW proposta non vengono distorte a causa di artefatti respiratori. Tuttavia, possono verificarsi lievi derive nella localizzazione dei tessuti, che di solito sono graduali e possono essere corrette utilizzando il software di correzione del movimento post-acquisizione28. Con la crescente cassetta degli attrezzi delle tecnologie IVM 2,20, i requisiti specifici per ogni esperimento determineranno alla fine il modo migliore di visualizzazione in vivo del tessuto di interesse. Diversi design di finestre hanno diversi vantaggi e svantaggi e, a seconda della domanda di ricerca, della configurazione della microscopia disponibile, della risoluzione spaziale e temporale richiesta e dell’intervallo di tempo totale del processo studiato, è necessario determinare l’approccio ottimale.
In sintesi, il R.MIW facilita la caratterizzazione ad alta risoluzione delle dinamiche cellulari durante lo sviluppo della ghiandola mammaria, l’omeostasi e la malattia per più giorni o settimane.
The authors have nothing to disclose.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Research Foundation Flanders (PhD grant fundamental research 11L7222N to M.C.), dalla Boehringer Ingelheim Foundation (PhD Fellowship to C.L.G.J.S), da una borsa di studio post-dottorato EMBO (grant ALTF 1035-2020 a C.L.G.J.S.) e dal Doctor Josef Steiner Award (a J.v.R).
0.9% NaCl | BD | 306573 | Other brands available |
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