A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.
Method Article
يقدم هذا البروتوكول طريقة سريعة للتصوير الكمي للأوعية الدموية ثلاثية الأبعاد باستخدام الفحص المجهري الفلوري للصفائح الضوئية. يتم إثبات فعالية الطريقة باستخدام نظام الشريان المقوس البلعومي لنموذج جنين الفرخ ، مع تحديد القوى الديناميكية الدموية عبر ديناميكيات السوائل الحسابية.
في النماذج الحيوانية الصغيرة لتطور القلب والأوعية الدموية والأمراض ، تتيح المحاكاة الحسابية الخاصة بالموضوع لتدفق الدم إجراء تقييمات كمية لمقاييس ديناميكا الدم التي يصعب قياسها تجريبيا. تسلط المحاكاة الديناميكية للسوائل الحسابية الضوء على الأدوار الحاسمة للميكانيكا في وظيفة القلب والأوعية الدموية وتطور المرض. يعد الحصول على صور حجمية عالية الجودة للسفن ذات الأهمية أمرا أساسيا لدقة وقابلية تكرار نتائج القياس المورفولوجي وقياس التدفق. تقترح هذه الدراسة طريقة سريعة وفعالة من حيث التكلفة ويمكن الوصول إليها للتصوير عالي الدقة الكامل لأوعية الدموية الحيوانية الصغيرة باستخدام الفحص المجهري الفلوري للصفائح الخفيفة. يتضمن بروتوكول تحضير عينة الورقة الخفيفة iDISCO + (التصوير ثلاثي الأبعاد المدعوم بالملصقات المناعية للأعضاء التي تم تطهيرها بالمذيبات) (1) وضع العلامات على الأوعية الدموية بعامل فلورسنت ، (2) الحفاظ على العينة ، و (3) جعل العينة شفافة. على عكس iDISCO + الكلاسيكي ، الذي يستخدم تلطيخ كيميائي مناعي ، يقوم المؤلفون بتسمية بطانة الأوعية الدموية باستخدام poly-L-lysine الموسومة ب FITC ، وهي صبغة فلورية غير محددة بأسعار معقولة ومقاومة عالية للتبييض الضوئي ، في عملية تسمى "الطلاء الداخلي". يقلل وضع العلامات السريع من وقت تحضير العينة من حوالي أربعة أسابيع إلى أقل من 3 أيام. علاوة على ذلك ، فإن استخدام المذيب الإيثيل سينامات (ECi) كعامل مقاصة وحل تصوير يجعل العينات أكثر أمانا في التعامل معها ومتوافقة مع مجموعة واسعة من مرافق التصوير. يتم تطبيق البروتوكول المقترح للحصول على أكوام صور مجهرية مضان للصفائح الضوئية عالية الدقة لنظام القلب والأوعية الدموية في أجنة الكتاكيت تتراوح من اليوم 3 (HH18) إلى اليوم 8 (HH34). توضح هذه الدراسة أيضا مدى ملاءمة هذه الطريقة لقياس كمية الأوعية الدموية من خلال إعادة البناء ثلاثية الأبعاد والنمذجة الديناميكية الدموية الحسابية لجنين الكتكوت في اليوم 5 (HH 26).
التصوير الحجمي ضروري لإجراء دراسات دقيقة لفسيولوجيا القلب والأوعية الدموية وأمراضها. ينتج التصوير الكمي مجموعات صور عالية الدقة ذات أبعاد حجمية سليمة. يجب الحفاظ على العينات للحفاظ على مورفولوجيتها في الجسم الحي وحجم التجويف بالإضافة إلى تصويرها بسعة موحدة عالية الدقة. من مكدسات التصوير عالية الدقة ، يمكن للمستخدم إنشاء عروض وعائية ثلاثية الأبعاد عالية الدقة تسمح بعرض كامل لأشكال الأوعية وهيكلهاواتصالها 1.
تمتلك هياكل القلب والأوعية الدموية ميزات تشريحية معقدة ثلاثية الأبعاد لا يمكن التقاطها بدقة عند فحصها من خلال عدسة ثنائية الأبعاد مفككة. التصوير المورفولوجي واسع المجال والمنظار المجسم والأقسام النسيجية غير كافية في التقاط الاختلافات المعقدة ثلاثية الأبعاد1،2،3. صور التصوير المقطعي المحوسب بالصغر والنانو هي المعيار الذهبي للتصوير الحجمي الكمي للحيوانات الصغيرة1،4 ، ولكن لا يمكن الوصول إليها على نطاق واسع أو اعتمادها بين المجتمع البيولوجي. سمحت الابتكارات الحديثة في تطهير الأنسجة والفحص المجهري للأعضاء / الصغيرة بالتطبيقات الكمية لتقنيات إزالة التثبيت الكامل ووضع العلامات على الأوعيةالدموية 5،6،7. يعمل تطهير الأنسجة على تجانس تشتت الضوء في عينات الأنسجة ، وبالتالي تقليل التأخير في انتشار الضوء عبر الوسط عن طريق تقليل فرصة تشتت الضوء أو امتصاصه. تتطلب الشفافية العالية معالجة صارمة للأنسجة قد تؤثر على مضاد أو سطوع ملصقات إشارة التألق8. ظهر الفحص المجهري للصفائح الضوئية كأداة تصوير سريعة وقوية تم تبنيها على نطاق واسع من قبل علماء الأحياء9 ، مما يوفر اكتسابا في السرعة عدة أوامر من حيث الحجم عبر المجاهر الماسحة والقدرة على تصوير عينات يزيد حجمها عن 1 سم. من خلال الفحص المجهري الفلوري للصفائح الضوئية (LSFM) ، يضيء الليزر مقطعا عرضيا للعينة بسرعة وعمق متزايدين مقارنة بالفحص المجهري متحد البؤر. لهذا السبب ، تتطلب الطريقة شفافية عالية في العينة.
هنا ، يقوم المؤلفون بتكييف طرق المقاصة الحديثة iDISCO + ، والجمع بينها وبين الطلاءالداخلي 10 في نموذج جنين الكتاكيت لعرض فعالية الطريقة من تطور القلب والأوعية الدموية في وقت مبكر إلى متأخر. iDISCO (التصوير ثلاثي الأبعاد الذي يدعم الملصقات المناعية للأعضاء التي تم تطهيرها بالمذيبات) هي طريقة مقاصة عضوية قائمة على المذيبات ، والتي ، على عكس الطرق القائمة على المقاصة المائية ، لا تخضع للتصوير الأثري الناجم عن تبخر المذيبات. يختلف iDISCO عن iDISCO + في أن خطوة الجفاف رباعي هيدروفوران الأولى (iDISCO) يتم استبدالها بجفاف الميثانول الأكثر اعتدالا متبوعا بخطوة استخراج الدهون (iDISCO +). تشمل مزايا طريقة المقاصة iDISCO + وضع العلامات المناعية للعينات والأجنة الكبيرة من البالغين ، وانكماش الأنسجة المنخفض ، والشفافية العالية8،11. الأهم من ذلك ، أن iDISCO + يسمح بإنشاء مجموعات صور عالية الدقة ، والتوسع في تقنيات وضع العلامات المناعية البيولوجية التقليدية للحصول على معلومات حول عينات الأعضاء الكبيرة أو الجنين بأكمله بدلا من الاقتصار على أخذ عينات من المناطق الصغيرة التي تفتقر إلى المعلومات حول التنظيم على مستوى الأنسجة بالكامل ، كما هو الحال مع علم الأنسجةالتقليدي 9. تشمل عيوب iDISCO + حقيقة أن بروتينات الفلورسنت المشفرة وراثيا لا يتم الحفاظعليها 11. تم تقديم طريقة وضع العلامات على الأنسجة للطلاء الداخلي لأول مرة كفحص عالي الإنتاجية لعيوب القلب والأوعية الدموية باستخدام قلوب أجنة الكتاكيت HH31-HH36 التي تم إغراقها ب 0.5 مجم / مل من FITC-poly-L-lysine في قمة البطين الأيسر. سمح للصبغة بالالتصاق لمدة 4 دقائق قبل التثبيت والتخزين10.
وجدت الدراسة الحالية أنه يمكن استخدام نفس تركيز FITC-poly-L-lysine لمجموعة واسعة من الأجنة (HH18 - HH34) ولكنها وجدت أن وقت التثبيت المثالي يختلف (من 5-10 دقائق) لضمان الأوعية ذات العلامات الزاهية. قد يرغب مستخدمو تقنية endo-DISCO الحالية في ضبط تركيز الصبغة (يتناقص بمقدار 0.1 مجم / مل في المرة الواحدة) إذا ثبت أن المحلول لزج جدا بحيث لا يمكن تسمية جميع الأوعية المرغوبة ، ولكن يتم تشجيعهم على ضبط وقت التثبيت أولا وتحسين الانقباض العضلي للبطين الأيسر قبل ضبط تركيز الصبغة. حاول المؤلفون الطلاء الداخلي بتركيز 0.1 مجم / مل ووجدوا أنه في حين أن الصبغة تنتشر بسهولة أكبر عبر الأوعية الصغيرة ، إلا أنه تم غسلها بسهولة أكبر عند تروية PFA. يوضح المؤلفون أن مكدسات التصوير عالية الدقة التي تم إنشاؤها من خلال التقنية الحالية ذات جودة كافية للنمذجة الديناميكية الدموية الحسابية. تحدث مسارات تدفق الدم والقوى الديناميكية الدموية المقابلة ، بما في ذلك توزيعات الضغط وإجهاد قص الجدار ، في أنماط موضعية معقدة لا يمكن حلها إلا من خلال محاكاة التدفق الحسابي1،12. تؤثر هذه القوى الميكانيكية الحيوية على سلوك أنسجة القلب والأوعية الدموية المجاورة وتؤدي إلى تكيف الأوعية الدموية ونموها وإعادةتشكيلها 13. يلقي فهم قيم القوة الديناميكية الدموية المحلية ضوءا حاسما على المنظمين الميكانيكيين لوظيفة القلب والأوعية الدموية وبدء المرض أوتطوره 2.
يفسر مكتب رعاية المختبر سياسة خدمة الصحة العامة على أنها تنطبق على نموذج الكتكوت على أنه "فقاري" فقط بعد الفقس. هذه الأجنة معفاة بالمثل من اختصاص اللجنة المؤسسية لرعاية واستخدامها (IACUC). يمكن الوصول إلى الأسئلة المتداولة ذات الصلة بالمعاهد الوطنية للصحة على: http://grants.nih.gov/grants/olaw/faqs.htm#ApplicabilityofthePHSPolicy.
1. جمع الأجنة ووضع العلامات والتثبيت
2. جفاف الأجنة وإزالتها
3. الحصول على البيانات
4. التطبيق الكمي: إعادة بناء 3D والنمذجة الديناميكية للسوائل الحسابية
ملاحظة: في هذه الخطوات، يتم تحميل مكدسات الصور عالية الدقة التي تم إنشاؤها بواسطة الألواح الضوئية في البرنامج مفتوح المصدر SimVascular14 لإعادة البناء التشريحي ثلاثي الأبعاد والنمذجة الديناميكية للسوائل الحسابية. توجد دروس مفصلة على موقع SimVascular (انظر جدول المواد). تتكون إعادة الإعمار من إنشاء مسارات في الأوعية ذات الأهمية ، وإنشاء تجزئة ثنائية الأبعاد على طول المسارات ، والجمع بين التجزئة المرتفعة في نموذج صلب ثلاثي الأبعاد. تتكون النمذجة الحسابية من إعداد هندسة متشابكة ، وتحديد الشروط الحدودية ، وتشغيل عمليات المحاكاة.
ينتج بروتوكول التصوير السريع عالي الدقة المثبت بالكامل المقدم هنا (الشكل 1 ، الجدول 1) تجويف الأوعية الدموية المحددة بوضوح كما هو موضح في الشكل 2 والشكل 3 والشكل 4 ، حيث تكون بطانة الأوعية الدموية لجنين الكتا...
تعد القدرة على دراسة علم الأحياء ثلاثي الأبعاد أمرا بالغ الأهمية لفهم دقيق للتعقيد المورفولوجي وبنية الأعضاء الداخلية وروابط الأوعية الدموية. تعد الصور الوعائية ثلاثية الأبعاد الدقيقة والموثوقة أيضا أساسية لمحاكاة ديناميكية الدم الحسابية الخاصة بالموضوع ، والتي غال?...
المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.
تم دعم هذا العمل من خلال جائزة التطوير الوظيفي لجمعية القلب الأمريكية ، وجائزة Burroughs Wellcome Fund المهنية في الواجهة العلمية ، وصندوق أبحاث البطين الفردي الإضافي للمشاريع ، وكلية الطب بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو (Grant P30 NS047101). يشكر المؤلفون الدكتور بوبي طومسون على مقدمته للرسم الداخلي ، وكلية الطب بجامعة كاليفورنيا في سان فرانسيسكو ، وروبرت بورتر (UCSD) للدعم التجريبي.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
#5 forceps | Fine Science Tools | 11252-30 | |
#55-forceps | Fine Science Tools | 11295-51 | |
0.03 inch inner diameter silicone tubing | VWR | 32829-182 | |
20 μL pipette tips | VWR | 76322-134 | |
35 mm Petri dish | VWR | 10799-192 | |
5 mL plastic syringe | VWR | BD 309646 | |
Dichloromethane (DCM) | Sigma-Aldrich | 270997 | Refer to MSDS. Stored in side cabinet under fume hood |
Ethyl cinnamate (ECi) | Sigma-Aldrich | 112372 | Stored at 4 °C |
Fine Curved scissors | Fine Science Tools | 14061-09 | |
FITC-poly-L-lysine | Sigma-Aldrich | P3069 | Store at -20 °C (powder, stock solution), 4ºC (working solution) |
Fluoresent microscope | EVIDENT SCIENTIFIC | MVX10 | |
Glass capillary tubes (0.75 mm ID) | Sutter Instrument | FG-GB100-75-10 | |
Lightsheet microscope | Zeiss | Z.1 system | |
Methanol | Sigma-Aldrich | M1775 | Refer to MSDS. Stored in flammable cabinet under fume hood |
Microforge | Narishige International USA, Inc. | MF2 | |
Micromanipulator | World Percision Instrrument | M3301R | |
Paraformaldehyde (PFA) 4% | Thermo Scientific | J19943.K2 | Refer to MSDS. Stored at -20 °C (powder), 4 °C (4% working solution) |
Phosphate buffered saline (PBS) | Cytiva | SH30256.01 | Stored on benchtop |
SimVascular | open source software www.simvascular.org | ||
Tyrode’s Solution | Made in-house |
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request PermissionThis article has been published
Video Coming Soon
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved