Hier beschreiben wir eine Plattform, die die nicht-invasive In-vivo-Bildgebung von Lebersphäroiden ermöglicht, die in die vordere Kammer des Mausauges transplantiert wurden. Der Arbeitsablauf reicht von der Erzeugung von Sphäroiden aus primären Leberzellen über die Transplantation in das Mausauge bis hin zur In-vivo-Bildgebung mit zellulärer Auflösung durch konfokale Mikroskopie.
Biomedizinische Untersuchungen der Leber an Säugetieren werden durch den Mangel an Methoden für die nichtinvasive longitudinale Bildgebung in vivo mit zellulärer Auflösung behindert. Bisher ist die optische Bildgebung der Leber in situ durch Intravitalbildgebung möglich, die eine hochauflösende Bildgebung auf zellulärer Ebene ermöglicht, aber nicht mehrfach und damit longitudinal am selben Tier durchgeführt werden kann. Nichtinvasive bildgebende Verfahren wie die Biolumineszenz ermöglichen wiederholte Bildgebungssitzungen am selben Tier, erreichen jedoch keine Zellauflösung. Um diese methodische Lücke zu schließen, haben wir eine Plattform für die nicht-invasive In-vivo-Bildgebung von Leber-Sphäroiden entwickelt, die in die vordere Kammer des Mausauges transplantiert wurden. In dem in dieser Studie beschriebenen Arbeitsablauf werden primäre Mausleber-Sphäroide in vitro erzeugt und in die vordere Augenkammer der Empfängermäuse transplantiert, wo sie sich auf der Iris einnisten. Die Hornhaut fungiert als natürliches Körperfenster, durch das wir die transplantierten Sphäroide mit der herkömmlichen konfokalen Mikroskopie abbilden können. Die Sphäroide überleben monatelang im Auge, während derer die Zellen in Kontexten von Gesundheit und Krankheit untersucht werden können und in ihrer Reaktion auf verschiedene Reize in wiederholten Bildgebungssitzungen mit geeigneten Fluoreszenzsonden überwacht werden können. In diesem Protokoll geben wir eine Aufschlüsselung der notwendigen Schritte zur Implementierung dieses Bildgebungssystems und erklären, wie sein Potenzial am besten genutzt werden kann.
Die Überwachung der Leberfunktion bei Säugetieren während der Gesundheit und Krankheit ist durch den Mangel an hochauflösenden, nicht-invasiven In-vivo-Bildgebungsverfahren eingeschränkt. Die Visualisierung dieses Organs wird durch seinen unzugänglichen Ort behindert, und um zelluläre Prozesse zusammenzusetzen, stützen sich In-vivo-Studien auf die Tötung von Tieren zu verschiedenen Zeitpunkten. Um diese Einschränkung der Bildgebung zu umgehen, stützt sich ein Großteil der Arbeit auf In-vitro-Modelle , in denen leberähnliche Mikrogewebe in einer kontrollierten Umgebung sichtbar gemacht und untersucht werden.
In den letzten Jahren hat die Entwicklung von dreidimensionalen Kultursystemen, wie z. B. Lebersphäroiden, die Leberforschung unterstützt und vorangetrieben. Leber-Sphäroide sind mehrzellige Aggregate, die die Mikroumgebung und komplexe Zell-Zell-Interaktionen von Lebergewebe bis zu einem gewissen Grad nachahmen1 und klare Vorteile gegenüber herkömmlichen Monolayer-Kulturen bieten 2,3. Leber-Sphäroide werden auch als Modelle für verschiedene Lebererkrankungen verwendet 4,5,6 und haben maßgeblich zum Verständnis von Krankheitsmechanismen beigetragen. Die wichtigsten Einschränkungen der aktuellen in vitro Lebermodelle sind jedoch das Fehlen eines physiologischen in vivo Milieus und die begrenzte Nutzungszeit in Kultur (etwa 20 Tage)3. Lebersphäroide wurden zuvor in vivo an verschiedene Stellen transplantiert, wie z. B. unter die Nierenkapsel7 oder intraperitoneal8, die für die optische Bildgebung nicht zugänglich sind. Die intravitale Leberbildgebung ist eine hochmoderne Technik, die eine zellaufgelöste Echtzeit-Bildgebung ermöglicht. Derzeit ist diese in situ Leberbildgebung nur am exteriorisierten Organ möglich, das hochinvasiv und oft terminal ist9. Das Einsetzen eines Bauchfensters würde zwar wiederholte Bildgebungsuntersuchungen der Leber ermöglichen, ist aber mit einer komplexen Operation und Nachsorge verbunden.
Um ein longitudinales Monitoring mit zellulärer Auflösung durchzuführen, untersuchten wir die Transplantation von Lebersphäroiden in die vordere Augenkammer (ACE) von Mäusen, wo das leberähnliche Gewebe in ein physiologisches Milieu transplantiert, mit den Körperreizen verbunden und für die optische Bildgebung zugänglich gemacht wird. Die Hornhaut ist ein transparentes Gewebe und fungiert als Fenster, durch das Mikrogewebe, das auf der Iris transplantiert wurde, nicht-invasiv und longitudinal durch konfokale Mikroskopie abgebildet werden kann. Hier stellen wir einen Workflow dieser neu entwickelten Plattform für die in vivo Bildgebung von Leber-Sphäroidenvor 10. Dieses Protokoll ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung für seine Implementierung, unterteilt in (1) die Extraktion von primären Leberzellen der Maus und die In-vitro-Bildung von Lebersphäroiden, (2) die Transplantation von Lebersphäroiden in das ACE von Empfängermäusen und (3) die In-vivo-Bildgebung von transplantierten Lebersphäroiden in anästhesierten Mäusen. Darüber hinaus werden wir einige der Möglichkeiten und Anwendungen dieser Bildgebungsplattform vorstellen.
Dieses Protokoll beschreibt eine neuartige Plattform für die intraokulare in vivo-Bildgebung von Leber-Sphäroiden, die in den ACE transplantiert wurden. Das ACE wurde zuvor als Transplantationsstelle für andere aus Organen gewonnene Mikrogewebe, wie z. B. Pankreasinseln11,12, verwendet, da es eine einzigartige Transplantationsmikroumgebung aufweist, reich an Gefäßen, Nerven und Sauerstoff ist und den Zugang zur Bildgebung durch die Hornhaut ermöglicht. Während die intravitale Bildgebung der Leber die Visualisierung von Zellen und Prozessen in situ ermöglicht, ist ein longitudinales Monitoring nicht möglich. Die Bildgebung der Leber durch ein Bauchfenster erfordert eine komplexe Operation, und die Bewegung des Organs im Körper erschwert die Verfolgung einzelner Zellen im Laufe der Zeit. Daher ermöglicht dieses neuartige bildgebende Verfahren die nicht-invasive, longitudinale Überwachung von Leberzellen mit Einzelzellauflösung.
Dieses Protokoll gliedert sich in drei Teile. Die erste ist die Isolierung von primären Hepatozyten durch zweistufige Kollagenase-Perfusion, adaptiert von Charni-Natan et al.13, mit dem Unterschied, dass wir die Leberperfusion an der toten Maus und nicht an den anästhesierten lebenden Tieren durchführen. Diese Variation bringt gewisse Vorteile mit sich, wie z.B. weniger ethische Überlegungen und die Vermeidung von Narkoserückständen im Organismus. In dieser Arbeit generieren wir Lebersphäroide aus der hepatozytenangereicherten Fraktion der Isolierung, was jedoch nicht das Potenzial ausschließt, andere nicht-parenchymale Zellpopulationen unter Verwendung anderer spezialisierter Protokolle zu isolieren, um Sphäroide unterschiedlicher Zusammensetzung zu kokulturieren14,15.
Der zweite Teil dieses Protokolls beinhaltet die Transplantation der Lebersphäroide in das ACE von Empfängermäusen. Dies ist eine schnelle (unter 10 Minuten) und einfache Operation, die an anästhesierten Mäusen durchgeführt wird und keine postoperative Behandlung erfordert. Die Hornhautpunktion dichtet sich selbst ab und heilt über 3-5 Tage. Gelegentlich wird während des Heilungsprozesses eine gewisse Trübungen um den Schnitt herum beobachtet, die jedoch innerhalb weniger Tage abklingen. Wir haben keine Fälle von anterioren Synechien in den Augen von operierten Tieren erlebt. Wir führen die Transplantationen in einem sauberen, aber offenen Labor und ohne Probleme mit Infektionen in den operierten Augen durch. Die Inokulation und Transplantation von Sphäroiden im Auge beeinträchtigt nicht das Sehvermögen und verändert nicht das Verhalten des Empfängertieres. In diesem Protokoll verwenden wir die Isofluran-Anästhesie sowohl für die Transplantationschirurgie als auch für die In-vivo-Bildgebung , die bei Mäusen gut vertragen wird. Durch seine dosisabhängige Wirkung lässt es sich während der gesamten Eingriffe leicht anpassen und bringt den Vorteil, dass die Schlaf- und Aufwachzeiten verkürzt werden. Es können jedoch auch alternative injizierbare Anästhetika verwendet werden. Nach der Transplantation lassen wir in der Regel 1 Monat warten, bis sich die Sphäroide vollständig transplantiert, vaskularisiert und innerviert haben, bevor wir Behandlungseingriffe und In-vivo-Bildgebung durchführen. Wir haben auch gezeigt, dass eine Transplantation und Transplantation mit humanen Lebersphäroiden und immungeschwächten Empfängermäusen möglich ist10.
Der dritte Teil dieser Methode ist die in vivo Bildgebung der transplantierten Lebersphäroide im ACE. Dieses Protokoll beschreibt den In-vivo-Bildgebungsaufbau , bei dem Mikroskopiegeräte verwendet werden, die üblicherweise in Forschungsbildgebungseinrichtungen zu finden sind. Darüber hinaus sind die Spezialmaterialien, wie z. B. die Mauskopfhalterung und die Kunststoffkanüle, jetzt kommerziell erhältlich. Mit diesem bildgebenden Aufbau sind wir in der Lage, Z-Schnitte zu erfassen und eine dreidimensionale Rekonstruktion der Sphäroidarchitektur zu erhalten, abhängig von der Eindringtiefe des Lasers und der Fluoreszenzdetektion. Die Überwachung der zellulären Funktion in den transplantierten Lebersphäroiden beruht auf der Visualisierung fluoreszierender Proteine, die über Zelltypen, zelluläre Funktionen und Dynamik berichten. Somit kann diese Bildgebungsplattform mit verschiedenen Modalitäten, allein oder in Kombination, genutzt werden: (1) Fluoreszenzsonden können intravenös verabreicht werden, z. B. Antikörper zur Markierung und Verfolgung von Zellen sowie funktionelle Farbstoffe; (2) Lebersphäroide können aus Zellen erzeugt werden, die aus Reporter-Mausmodellen isoliert wurden, die leberspezifische fluoreszierende Proteine exprimieren, z. B. FUCCI-Lebersphäroide, die über die Dynamik des Zellzyklus berichten; (3) Die Bildung von Leber-Sphäroiden in vitro kann mit Transfektion oder Transduktion kombiniert werden, um die Sphäroide mit fluoreszierenden Proteinen und Biosensoren auszustatten. z. B. Adeno-assoziierte Viren. In unseren experimentellen Einstellungen und unter Verwendung eines einzelnen Photons zur Anregung beträgt die mögliche Abbildungstiefe etwa 60-100 μm. Dies hängt jedoch von der Laserleistung und der Verfügbarkeit der Multiphotonenbildgebung, den Emissionseigenschaften der Fluoreszenzsonde und der Empfindlichkeit der Detektoren sowie dem Blickwinkel ab, in den das Sphäroid eingepflanzt wird. Nach der Bildaufnahme kann die nachgelagerte Bildanalyse mit gängigen Programmen wie Image J und Imaris durchgeführt werden. Im Fall des FUCCI-Reporters können beispielsweise die zellzyklusaktiven Zellen in grün gezählt und der Anzahl der gesamten roten Blutkörperchen gegenübergestellt werden, um die Zellzyklusaktivität innerhalb des transplantierten Sphäroids zu bewerten. Darüber hinaus ermöglicht die ACE-Imaging-Plattform das Auftragen von Substanzen auf das Auge (in Form von Augentropfen) oder die direkte Injektion in das ACE, um das Transplantat zu behandeln und seine Reaktion zu überwachen. Postmortal können die transplantierten Sphäroide leicht durch manuelle Mikrodissektion entnommen werden und können durch Ex-vivo-Techniken wie Immunfluoreszenzfärbung, Transkriptomanalyse usw. wertvolle Informationen liefern.10.
Diese Technik hat gewisse Einschränkungen. Die erste ist, dass es sich bei den Empfängermäusen nach unserer Erfahrung um Albinos handeln muss, d.h. um eine nicht pigmentierte Iris. Bei der Transplantation werden die Leber-Sphäroide von einer Monoschicht aus Iriszellen bedeckt, was die Lebensfähigkeit oder Funktion der Sphäroide nicht beeinträchtigt, aber das Pigment in den Iriszellen verhindert die Bildgebung. Eine zweite Überlegung ist die Stabilität während der intraokularen Bildgebung bei anästhesierten Mäusen. Während der In-vivo-Bildgebungssitzungen müssen die Anästhesiekonzentration und die Atmung des Tieres genau überwacht werden, um Bewegungen zu minimieren. Nichtsdestotrotz sind wir mit den hier angegebenen Bildgebungseinstellungen in der Lage, eine hochauflösende Bildgebung auf Einzelzellebene zu erreichen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass dieses Protokoll die Implementierung einer nicht-invasiven In-vivo-Bildgebungsplattform von leberähnlichem Gewebe beschreibt, das in die Augen von Mäusen transplantiert wurde. Wir verwenden einfache Verfahren, gängige Geräte und erschwingliche Materialien, was es für viele Ermittler zu einem erreichbaren Ansatz macht. Dieses Modell kombiniert die Vorteile von in vitro 3D-Lebersphäroiden mit dem in vivo Milieu und der optischen Zugänglichkeit, die das ACE bietet, um eine wertvolle Plattform für die Untersuchung der Leberphysiologie und -pathologie in der Grundlagenforschung und im präklinischen Umfeld zu schaffen.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde unterstützt von der Swedish Diabetes Association, den Funds of Karolinska Institutet, dem Swedish Research Council, der Novo Nordisk Foundation, der Family Erling-Persson Foundation, dem Strategic Research Program in Diabetes am Karolinska Institutet, der Family Knut and Alice Wallenberg Foundation, der Jonas & Christina af Jochnick Foundation, der Swedish Association for Diabetology und ERC-2018-AdG 834860-EYELETS. Die Figurenzeichnungen wurden von FL-B unter Verwendung von BioRender.com erstellt.
27 G butterfly needle | Venofix | 4056388 | |
AAV8-CAG-GFP | Charles River | CV17169-AV9 | Incubated with isolated hepatocytes at 1 µL/mL during liver spheroid formation |
Absolute and 70% ethanol | N/A | N/A | |
Absorbent pad | Attends | 203903 | |
Albumin-Cre;RCL-tdTomato (B6.Cg-Speer6-ps1Tg(Alb-cre)21Mgn/J ; B6.Cg-Gt(ROSA)26Sortm14(CAG-tdTomato)Hze/J) | Jackson | #003574 and #007914 | Mice obtained from in-house breeding |
B6 albino mice (B6(Cg)-Tyrc-2J/J) | Jackson | #000058 | Mice obtained from in-house breeding |
B6;129P2-Gt(ROSA)26Sor[tm1(CAG-Venus/GMNN,-Cherry/CDT1)Jkn]/JknH | INFRAFRONTIER/EMMA | EM:08395 | Mice obtained from in-house breeding |
BD Insyte IV Catheter 24 G x 0.75 in | BD Medical | 381212 | |
Borosillicate standard glass cappilaries | World Precision Instruments | 1B150-4 | |
Cell lifter | Corning | 3008 | |
Cell strainer, 70 µm | Falcon | 352350 | |
Custom-made metal plate | Hardware store | N/A | |
Dexamethasone | Sigma-Aldrich | D4902 | |
Dual-Stage Glass Micropipette Puller | Narshige | Model PC-100 | |
EDTA | Sigma-Aldrich | E9884 | |
Electric heating pad | Hardware store | N/A | |
FBS | Gibco | N/A | |
GlutaMAX | Gibco | 35050061 | |
Green CMFDA | Abcam | ab145459 | Reconstituted in DMSO, administered at 100 µg/mouse in PBS 10% FBS |
Hamilton syringe | Hamilton | 81242 | Model 1750 Luer Tip Threaded Plunger Syringe, 500 µL |
HBSS; no calcium, no magnesium and no phenol red | Gibco | 14175095 | |
HCX IRAPO L 25x/0.95 W objective | Leica | N/A | |
HEPES | Gibco | 15630080 | |
Induction chamber 0.8 L | Univentor | 8329001 | |
Insulin-Transferrin-Selenium (ITS-G) | Gibco | 41400045 | |
Isoflurane | Baxter | N/A | |
Lectin DyLight-649 | Invitrogen | L32472 | Administered at 1 mg/mL and 100 µL/mouse |
Liberase TM Research Grade | Sigma-Aldrich | 5401127001 | |
Microelectrode beveler | World Precision Instruments | Model BV-10 | |
Mouse head-holder and gas mask | Narshige | Model SGM-4 | |
Nunclon Sphera 96-Well, U-Shaped-Bottom Microplate | Thermo Fisher | 174929 | |
Oculentum simplex | APL | N/A | |
PBS 10x | Gibco | 14080055 | |
PBS 1x; no calcium, no magnesium | Gibco | 14190144 | |
Penicillin-Streptomycin | Gibco | 15140122 | |
Percoll | Sigma-Aldrich | P1644 | |
Peristaltic pump | Ismatec | Model ISM795 | |
PharMed BPT Pump Tubing | VWR | VERN070540-07 | Inner diameter 0.76 mm, outer diameter 2.46 mm |
pHrodo Red-LDL | Invitrogen | L34356 | Administered at 1 mg/mL and 100 µL/mouse |
Portex Fine Bore Polyethylene Tubing | Smiths Medical | 800/100/140 | Inner diameter 0.4 mm, outer diameter 0.8 mm |
Silicone dissection mat | Hardware store | N/A | |
Sodium chloride 0.9% | Braun | N/A | |
Solid Universal Joint | Narshige | Model UST-2 | |
Stereomicroscope | Leica | Model M80 | |
Suspension culture dish 35 mm | Sarstedt | 833900500 | |
Temgesic | Indivor | N/A | Administered s.c. at 0.05 mg/mL and 2 µL/g mouse |
Translucent Silicone Tubing | VWR | 228-1450 | Inner diameter 1.5 mm, outer diameter 3 mm |
Trypan Blue | Sigma-Aldrich | T8154 | |
Univentor 400 Anesthesia unit | Univentor | 8323001 | |
Upright laser scanning confocal microscope | Leica | Model TCS SP5 II | |
Viscotears | Novartis | N/A | |
William's E Medium; no glutamine, phenol red | Gibco | 22551089 |