Этот протокол описывает новое окно визуализации молочной железы со сменной крышкой (R.MIW). Прижизненная микроскопия после имплантации R.MIW позволяет проводить продольную и многодневную визуализацию здоровой и больной молочной железы с клеточным разрешением на разных стадиях развития.
Разветвленная структура молочной железы очень динамична и проходит несколько фаз роста и ремоделирования после рождения. Прижизненная микроскопия в сочетании с хирургией лоскута кожи или имплантацией визуальных окон была использована для изучения динамики здоровой молочной железы на разных стадиях развития. Большинство технологий визуализации молочной железы ограничены временными рамками от нескольких часов до дней, тогда как большинство процессов ремоделирования молочных желез происходят во временных рамках от дней до недель. Для изучения ремоделирования молочных желез требуются методы, позволяющие оптический доступ к интересующей ткани в течение длительных временных рамок. Здесь описана улучшенная версия титанового окна визуализации молочной железы со сменной крышкой (R.MIW), которая позволяет визуализировать молочной железы с высоким разрешением с клеточным разрешением на срок до нескольких недель. Важно отметить, что R.MIW обеспечивает доступ к тканям в течение всего эксперимента по прижизненной визуализации и, следовательно, может использоваться для местных манипуляций с тканями, маркировки, введения лекарств или микродиссекции с визуальным контролем. Взятый вместе, R.MIW позволяет характеризовать клеточную динамику с высоким разрешением во время развития молочных желез, гомеостаза и заболеваний.
Эпителий молочной железы является уникальным секреторным органом, присутствующим у млекопитающих, который производит и выделяет молоко для питания потомства. На протяжении всей жизни молочная железа претерпевает множественные раунды развития и роста, которые сопровождаются структурно-функциональными изменениями ткани1. В зависимости от стадии развития различаются типы клеток, способствующие ремоделированию тканей, а также расположение внутри протокового дерева.
Многофотонная прижизненная микроскопия (IVM) позволяет изучать динамику клеток молочной железы in vivo в нативной и минимально возмущенной обстановке 2,3,4. Для получения визуального доступа к молочной железе было опубликовано несколько временных методов визуализации ex vivo или кожного лоскута на разных стадиях развития молочной железы, включая половое созревание 4,5,6,7, взрослую жизнь 2,8, лактацию 9,10,11,12 и динамику опухоли 13,14 ,15. Хотя эти методы приводят к высокой пространственной и временной визуализации динамики клеток молочной железы, временные рамки ограничены часами, тогда как большинство процессов ремоделирования молочной железы занимают от нескольких дней до недель. Поэтому требуются методы, позволяющие оптический доступ к интересующей ткани в течение длительных временных рамок. На протяжении многих лет было разработано несколько постоянных окон визуализации для визуализации опухолей молочной железы 15,16,17,18, включая титановое окно визуализации молочной железы (MIW)2,3,19. Хотя это очень полезно для изучения роста опухоли молочной железы, визуализация здоровой структуры молочной железы оставалась ограниченной несколькими днями. Недавно было разработано гибкое кремниевое окно визуализации, которое позволяет визуализировать пубертатную молочную железу в течение нескольких недель20. Однако молочная железа встроена в богатую адипоцитами жировую прокладку, что приводит к обширному рассеянию света и, как следствие, к ограничению видимости структур протоков молочной железы. Поэтому для визуализации динамики тканей в течение длительных периодов времени в молочной железе всегда требуются превосходные условия визуализации. Ни классический MIW, ни гибкое кремниевое окно не позволяют манипулировать тканями или оптимизировать физическое расположение тканей перед визуализацией, поскольку окно образует закрытую систему после операции и имплантации. В результате оптимальный оптический доступ к подлежащей ткани молочной железы, вероятно, будет исключен в течение более длительных периодов времени. Напротив, техника кожного лоскута позволяет оптимизировать и переместить ткань во время сеанса визуализации, и кожный лоскут может быть повторен несколько раз2. Тем не менее, повторные сеансы визуализации через кожный лоскут возможны только тогда, когда между операциями выделяется достаточное время (не менее 7 дней), чтобы обеспечить восстановление кожи, и поэтому в основном подходит для изучения процессов в более длительных временных масштабах. Более того, желательно не выполнять эту процедуру много раз из-за ее инвазивного характера и большого риска инфекций и рубцевания при закрытии раны.
Чтобы преодолеть эти ограничения, т.е. обеспечить оптимальные условия визуализации в течение длительного периода времени на высокой частоте и в то же время позволить манипулировать тканями, была разработана улучшенная титановая версия MIW со сменной крышкой (R.MIW) для визуализации здоровой и больной молочной железы в течение нескольких дней до недель2 (Рисунок 1A, B). R.MIW был специально разработан для обеспечения оптимального доступа к тканям, что позволяет осуществлять прямые манипуляции с тканями в течение всего эксперимента IVM и, таким образом, позволяет визуализировать молочную железу в нужное время и в нужном месте в течение длительных периодов времени. В закрытом состоянии R.MIW образует герметичную систему, сравнимую с классической MIW (рисунок 1C). При вскрытии в асептических условиях R.MIW позволяет проводить локальные манипуляции с тканями для улучшения оптического доступа, а также позволяет локально вводить вещества, такие как ингибиторы или агонисты путей, вводить различные типы клеток, представляющих интерес, такие как популяции раковых клеток или иммунных клеток, или добавлять красители для маркировки тканей. Крышка может быть открыта в любой момент между сеансами визуализации, не вызывая повреждения подлежащей ткани.
Рисунок 1: Конструкция окна визуализации молочной железы со сменной крышкой. (A) Вид сверху и вид сбоку сменной крышки окна визуализации молочной железы с 10-миллиметровым покровным стеклом, приклеенным к кольцу. (B) Вид сверху и сбоку окна для визуализации молочной железы, которое состоит из наружного кольца и внутреннего кольца с канавкой между ними для закрепления окна в коже мыши с помощью шва из кошелька. Внешнее кольцо имеет небольшую канавку, которая подходит к четырем выступам (плечам) крышки. (C) Карикатура и изображения, демонстрирующие механизмы открытия и закрытия крышки. Наклонные выступы обеспечивают фиксацию крышки внутри оконной рамы. Этот рисунок был изменен из Messal et al. 2. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Этот протокол описывает проектирование и процедуру имплантации R.MIW, а также продольную стратегию IVM для повторного посещения тех же молочных протоков и их визуализации с клеточным разрешением. R.MIW позволяет отслеживать деление клеток и морфологические изменения во время различных фаз развития молочной железы в различных флуоресцентных репортерных моделях мышей. Взятый вместе, R.MIW облегчает характеристику клеточной динамики с высоким разрешением во время развития молочной железы, гомеостаза и заболевания.
R.MIW позволяет проводить продольную визуализацию здоровой и больной молочной железы в ее родной и минимально нарушенной среде и позволяет повторно визуализировать молочную железу на различных стадиях развития. Конструкция R.MIW позволяет открывать окно в любой момент эксперимента. Долгосрочный визуальный доступ к интересующей ткани может быть затруднен, например, накоплением клеточного мусора на покровном листе. В таких случаях R.MIW может быть открыт до или сразу после сеанса визуализации, чтобы обеспечить очистку всей видимой области тканей и крышки. Съемная крышка также позволяет манипулировать тканью, а также локально применять вещества, такие как специфические ингибиторы и методы лечения, маркировка красителей или конкретные типы клеток, представляющие интерес.
Этот метод преодолевает ограничение ранее описанных процедур 4,7,8,13 молочной железы, которые ограничены одним сеансом визуализации, и может визуализировать такие процессы, как ветвящийся морфогенез (рисунок 5), гомеостатический оборот тканей (рисунок 6) или рост опухоли на клеточном уровне (рисунок 3B). ). Тем не менее, в то же время R.MIW позволяет локально манипулировать тканью в перерывах между сеансами визуализации, что является большим преимуществом R.MIW по сравнению с ранее опубликованным MIW 3,18 и всеми другими окнами визуализации20,22. При открытии R.MIW важно постоянно поддерживать асептические условия, чтобы предотвратить любой источник инфекции. Возможность открытия R.MIW в асептической среде позволяет оптимизировать условия визуализации перед каждым сеансом визуализации, что значительно улучшает долгосрочный визуальный доступ к интересующей ткани. В частности, в молочной железе, которая встроена в богатую адипоцитами строму, это имеет большое значение. Кроме того, заменяемая крышка может уникально обеспечить локальное введение терапевтических средств, различных типов клеток, красителей для маркировки, микродиссекции с визуальным контролем или любых других локальных манипуляций с тканью без необходимости прекращения эксперимента IVM. Например, для изучения инициации опухоли конкретные популяции раковых клеток могут быть введены непосредственно в протоковое дерево или строму в определенной временной точке IVM и точном расположении молочной железы, если эта рентабельность инвестиций доступна через кольцо R.MIW. Для изучения прогрессирования опухоли конкретные популяции раковых клеток (в определенном месте, в определенной микросреде или с определенным поведением) могут быть фотомаркированы во время сеанса IVM и впоследствии микрорассекнуты с использованием флуоресцентного рассеченного микроскопа после открытия R.MIW. Изолированные клетки могут быть дополнительно обработаны для последующего анализа, такого как (одноклеточное) секвенирование мРНК. Используя этот подход, можно связать поведение клеток in vivo с профилями молекулярной экспрессии. Преимущество местного введения препарата, обеспечиваемое R.MIW, позволяет визуализировать ткань до и непосредственно после лечения. Интервал, необходимый для извлечения мыши из коробки визуализации и последующего выполнения местного введения препарата после вскрытия крышки R.MIW, может быть выполнен за считанные минуты, что позволяет мгновенно захватывать фазу быстродействующих препаратов.
Мы показываем, что IVM молочной железы через R.MIW совместим со многими различными моделями флуоресцентных репортерных мышей. Богатая жировой среду сложна для изображения, и поэтому рекомендуется использование ярких флуорофоров. Однако, как показано здесь, еще менее яркие флуорофоры, такие как mCFP, могут быть визуализированы через R.MIW в оптимальных условиях визуализации. Жировая подушка неизбежно будет препятствовать визуализации более глубоких структур протоков и ограничивать визуализацию более поверхностными протоками. Обзорное изображение с низким разрешением в начале каждого эксперимента IVM поможет определить интересующие проточные структуры, которые являются достаточно поверхностными для визуализации с высоким разрешением. Локальные манипуляции с тканями, удаление соединительной ткани или репозиционирование жировой ткани после вскрытия R.MIW могут оптимизировать IVM для конкретных ROI, которые накладываются жировой тканью. Это важное преимущество перед всеми предыдущими оконными конструкциями, которые не позволяют выполнять эти манипуляции и потребуют полного снятия самого окна. В частности, для визуализации пахового лимфатического узла рекомендуется аккуратно удалить вышележащую жировую ткань, что уменьшает рассеяние света и позволяет получать изображения с высоким разрешением. При манипулировании тканью всегда сохраняйте асептические состояния и предотвращайте кровотечение или серьезное повреждение ткани, так как они могут повлиять на процессы, изучаемые во время эксперимента IVM.
R.MIW изготовлен из титана, материала, который обычно используется в клинической практике для замены твердых тканей, таких как суставы или костные пластины. Титан имеет ряд преимуществ перед стальными окнами, в том числе его легкий и инертный характер21. Недавно несколько других материалов были использованы для создания новых типов окон визуализации, включая гибкое кремниевое окно20. В отличие от R.MIW, гибкое окно не требует каких-либо швов для имплантации и подходит практически для любого анатомического положения, особенно в случае мягких и хрупких тканей. Кремниевые окна оказывают минимальное влияние на подвижность животных из-за их легкой и деформируемой природы и, возможно, больше подходят для экспериментов, изучающих быстрое расширение и рост тканей20. Еще одним преимуществом перед титановой версией является то, что кремниевые окна совместимы с другими методами визуализации, включая магнитно-резонансную томографию20,27. Тем не менее, важно иметь в виду, что цели оптимизированы для стеклянных крышек толщиной 0,17 мм. Кроме того, ткань молочной железы восприимчива к дыхательным движениям, которые трудно ограничить с помощью гибкого окна, особенно при использовании инвертированного микроскопа. Дыхательные артефакты сведены к минимуму конструкцией R.MIW и фиксацией R.MIW в инкрустации коробки изображений. В результате изображения, полученные с использованием предлагаемой установки R.MIW, не искажаются из-за дыхательных артефактов. Однако могут возникать незначительные дрейфы в локализации тканей, которые обычно являются постепенными и могут быть исправлены с помощью программного обеспечения28 для коррекции движения после приобретения. С увеличением набора инструментов технологий IVM 2,20 конкретные требования к каждому эксперименту в конечном итоге определят лучший способ визуализации in vivo интересующей ткани. Различные оконные конструкции имеют разные преимущества и недостатки, и в зависимости от вопроса исследования, доступной настройки микроскопии, требуемого пространственного и временного разрешения и общего временного интервала изучаемого процесса необходимо определить оптимальный подход.
Таким образом, R.MIW облегчает характеристику клеточной динамики с высоким разрешением во время развития молочных желез, гомеостаза и заболеваний в течение от нескольких дней до недель.
The authors have nothing to disclose.
Эта работа была поддержана Исследовательским фондом Flanders (грант PhD фундаментальных исследований 11L7222N для M.C.), Фондом Берингера Ингельхайма (PhD Fellowship to C.L.G.J.S), постдокторской стипендией EMBO (грант ALTF 1035-2020 для C.L.G.J.S.) и премией доктора Йозефа Штайнера (для J.v.R.).
0.9% NaCl | BD | 306573 | Other brands available |
10 mm round coverglass | Fisher scientific | 10696365 | Other brands available |
5-0 braided silk suturs | Ethicon | W580 | |
80% Ethanol | homemade | NA | |
Anesthesia induction box | Kentscientific | VetFlo-MSEKIT | |
Buprenorphine (Vetergesic®) | Ecuphar | NA | |
Cotton tips (sterile) | Fisher scientific | 13113743 | Other brands available |
Cyanoacrylate adhesive | Loctite | NA | Other brands available |
Eye ointment | Duratears | NA | |
Flexible butterfly needle | Greiner Bio-One | 450120 | Other brands available |
Graefe forceps (blunt) | Fine Science Tools | 11051-10 | |
Heating pad | Kentscientific | RightTemp Jr. | Other brands available |
Imaging box | Custom made | NA | |
Infuse nutrient mixture | Braun | Nutriflex special 70/240 | |
Insulin syringes | BD | 324911 | Other brands available |
Inverted multi-photon microscope with automated stage | Leica Microsystems | NA | |
Isoflurane vaporizer | Kentscientific | VetFlo-1231K | |
Needle holder | Fine Science Tools | 12510-14 | |
Parafilm | Sigma-Aldrich | P7793 | semi-transparent tape |
Paper tape tesa | Tesa | NA | |
Petroleum Jelly | Vaseline | NA | |
Razor blades | Fisher scientific | 11904325 | Other brands available |
Silicon tubing | Solutions Elastomeres | NA | Any houseware |
Spring scissors (small) | Fine Science Tools | 15018-10 | |
Sterile PBS | ThermoFisher Scientific | 10010023 | |
Syringe (10 ml) | BD | 305482 | Other brands available |
Thin forceps | Fine Science Tools | 11413-11 | |
Titanium lid for mammary imaging window | Custom made | NA | |
Titanium mammary imaging window | Custom made | NA | |
Wooden sticks toothpicks | Fisher scientific | NC1678836 | Other brands available |