在 Vivo 三维双光子显微镜中,利用玻璃微移器研究本地 ATP 喷射的血管反应

摘要

我们使用玻璃微移液器和快速的双光子超堆成像方法提供优化的局部弹出程序,从而能够精确测量毛细管直径变化,并在三维中调查其调节。

摘要

维持正常的大脑功能需要由复杂的血管网络充分而有效地供应氧气和营养。然而,大脑血流(CBF)的调节不完全理解,特别是在毛细管水平。双光子显微镜是一种强大的工具,广泛用于研究CBF及其调控。目前,由于缺乏体内双光子显微镜研究(1)三维CBF反应,(2)血管反应,以及(3)血管网络内的局部干预,这一领域受到限制。在这里,我们描述了一种使用双光子显微镜的3D体内方法,用于研究通过玻璃微移液器局部弹出ATP引起的血管反应。我们的方法使用快速和重复的超堆栈双光子成像,通过获得的图像的最大强度投影提供精确的直径测量。此外,我们还表明,该方法也可用于研究3D星形钙反应。我们还讨论了玻璃微移液器插入和双光子超堆栈成像的优点和局限性。

引言

大脑有高能量消耗率。人体消耗的氧气和葡萄糖的20%专门用于大脑功能,而大脑只占身体总量的2%。维持正常的大脑功能需要在复杂的血管网络中通过血液流动提供充足和高效的氧气和营养。局部大脑活动和脑血流(CBF)是强强耦合的,取决于神经元、星形细胞、坐体、平滑肌细胞(SMC)和内皮细胞(ECs)1的功能特性。最近,从穿透动脉中分枝的毛细血管的前几条订单已经出现为"热点"2,显示出毛细血管血流的积极调节。在用玻璃微移^剂3的ATP的胡须刺激和局部弹出(喷出)期间,在小鼠躯体感觉皮层的这个"热点"上发现了缓慢的血管反应(CVR)。

虽然通过双光子激光扫描荧光显微镜在体内成像已被广泛用于研究大脑皮层的神经血管反应,但大多数研究测量了血管直径,并研究了其在二维 (2D) x-y 平面。挑战是:首先,脑血管及其拥抱的星形细胞、围细胞和SMC在三维(3D)中构建分支。因此,在 3D 中研究它们的交互作用至关重要。其次,即使是少量的聚焦漂移也会影响容器直径和细胞荧光信号的精确测量。最后,CVR 在三个方面是快速而深远的。3D 体积扫描是检测 CVR 和揭示其机制的最佳选择。我们在双光子显微镜中实现了压电运动目标,以研究小鼠体内的躯体感觉皮层,通过对获得的图像进行最大强度投影,从而进行精确的直径测量。

玻璃微移液器经常用于体内脑研究,例如,散装有机染料4,记录EEGs⁵和贴片夹紧6。然而,限制仍然存在。通常,玻璃微移液器的尖端放置不精确,或者微移液器不用于局部干预。在这里,我们优化了微移液器插入和局部弹出的过程。

此外,3D 双光子显微镜和基因编码荧光指标的结合为在 3D 范围内研究神经血管耦合提供了前所未有的机会。在这项研究中,我们利用了这一点,将携带星形细胞特定基因编码钙指标的病毒载体注射到小鼠躯体感觉皮层中。通过组合不同的荧光标记,同时成像星形细胞和容器直径。

总体而言,我们提出了通过玻璃微移液器和快速双光子超堆栈成像进行局部喷射(浮肿)的优化方法,从而能够精确测量毛细管直径变化。此外,我们的方法提供了一个新的工具,可以同时研究星形细胞和血管直径反应中的Ca²⁺反应的三维轮廓。

研究方案

丹麦国家伦理委员会根据欧洲理事会《保护用于实验和其他科学目的的脊椎动物公约》中规定的准则,批准了涉及动物的所有程序,符合《到达准则》。这是一个终端程序,小鼠在麻醉恢复前被安乐死。

1. 手术前准备

1. 用70%乙醇清洁手术台和周围所有区域。手术前彻底清洁和干燥手术工具。
2. 麻醉NG2DsRed小鼠(Tg(Cspg4-DsRed.T1)1Akik/J;两性;4-8个月大)通过排前注射氯胺酮+木黄素(60毫克/千克=10毫克/千克)溶解在消毒水中,pH 7.4。每25分钟服用补充剂量的氯胺酮(30毫克/千克),直到手术完成。定期检查尾巴和脚趾捏反射,以验证麻醉的深度。
3. 在小鼠背面的四个不同位置注射盐水,总体积为 1 mL,以防止实验期间脱水。为防止眼睛干燥,请涂抹眼部润滑剂。使用直肠温度探头和加热毯将体温保持在37°C。

2. 外科手术

1. 气管 切开
   1. 将鼠标放在鼠标背面。在计划的切口下注射0.04 mL 0.5%的利多卡因,等待2分钟。分离下颌腺和甲状腺肌,然后暴露气管。
   2. 用剪刀在两个气管环之间进行气管切开术。将长度为 16.2 mm、直径为 1 mm 的小金属管插入气管。将管子连接到机械呼吸机和气盖仪,以监控末端呼气CO2(图1A)。
2. 导管插入
   1. 在计划切口下下注射0.5%利多卡因(0.04 mL),等待2分钟。
   2. 使用细尖钳轻轻将动脉与静脉分开。用微血管夹停止血液流向上游。用10-0尼龙缝合两条血管来收缩下游的血流。
   3. 使用微解剖剪刀在动脉和静脉中做一个小切口。将塑料导管插入两个血管。通过拧紧缝合线(8-0)固定导管或10-0尼龙缝合线取决于容器大小),而不损害导管流明。拆下微血管夹并关闭皮肤。
   4. 通过动脉导管监测血压。使用血气分析仪测量每个实验前后动脉血样(50 μL)中的血气水平(正常值:pO2,90-120 mmHg;pCO 2,35-40 mmHg;pH,7.25-7.45)。使用静脉导管输液和麻醉。
3. 开颅 术
   1. 把毛毛从老鼠头上的耳之间去掉。在计划切口下注射0.04 mL 0.5%利多卡因皮下,等待2分钟。
   2. 用10%的氯化铁溶液擦拭头骨,去除骨膜。用盐水彻底冲洗头骨。用氰丙烯酸酯胶水和活化剂将金属头杆粘到头骨上(图1A)。
      注:金属头杆长75毫米,宽13.5毫米,中心有一个直径为5毫米的圆孔。
   3. 钻一个4毫米直径的颅骨切除术,中心在0.5毫米的后面,3毫米在右感觉桶皮层的右脑膜。用细尖容器扩张器拆下杜拉。
   4. 用0.75%的角胶覆盖暴露的皮层,溶解在人工脑脊液中(aCSF;pH = 7.4),冷却至35°C。用10-15°角的玻璃盖玻片覆盖80-90%的颅骨,以10-15°为角度覆盖金属头杆(图1B),允许插入和放置玻璃微移液器。
   5. 为了尽量减少脑脉动,用氰丙烯酸酯胶和活化剂将玻璃盖板的两个角粘附在金属头杆上。小心地应用激活剂,以防止进入暴露的大脑。之后用盐水彻底冲洗粘合的玻璃盖玻片。
4. 执行胡须垫刺激探头的插入。将一组定制的双极电极(8 mm 长度和 0.25 mm 厚度)切入面部左侧,以刺激三叉神经对侧到颅骨的副轨道。将阴极靠近间断位轨道,并将阳极插入粘胶肌肉⁷。在 20 s 的列车中,在 20 s 的 2 Hz 下,以 1.5 mA 的强度执行 1 ms 的电刺激。
5. 手术后,将0.05 mL荧光素异异体-dextran(FITC-dextran,4%w/v,分子量[MW] 50,000)放入股骨静脉,为血浆贴上标签。停止氯胺酮,将麻醉切换到连续静脉输注β-氯洛(17%w/v,最终浓度),与FITC-dextran(2%w/v,最终浓度)混合在0.02 mL/10 g/h。等待约半小时,以稳定新的麻醉状态。
   注:FITC-dextran和β-氯酮均溶解在0.9%盐碱中。

3. 第一次双光子成像会话

1. 将鼠标转移到商用双光子显微镜(材料表)的舞台上。在红色荧光蛋白(RFP,图1C)和绿色荧光蛋白(GFP,图1C)模式下,以5倍目标拍摄暴露皮层的照片。使用 RFP 图片作为"地图",用于在下一个会话中插入玻璃微移液器。
   注: GFP"地图"用于区分静脉/静脉与动脉/动脉。
2. 使用双光子显微镜和 25x 1.0 数值孔径 (NA) 水浸物物用压电电机执行双光子成像。将激发波长设置为 900 nm。搜索皮层,跟随每个穿透动脉,并找到它的水平分支(^第1阶毛细血管)。
3. 图像穿透动脉及其1^阶毛细血管在休息和胡须垫刺激期间。请参阅第 5 节中的详细成像参数。
4. 在 RFP"地图"上用 >5% 的血管扩张标记 1^阶毛细血管的位置(图1C)。具有 <5% 血管扩张的位置被视为在胡须桶皮层区域之外。
   注:如果在实验中使用野生型小鼠而不是 NG2DsRed 小鼠,则 GFP 图像将用作"地图"。

4. 插入玻璃微移液器

1. 使用移液器拉拔器(材料表)准备玻璃微移液器,用于膨胀。玻璃微移液器的电阻为3-3.5 MΩ,片长为4.5-5 mm。装载混合1mM ATP和10μM Alexa 594的移液器,以便在荧光灯和双光子显微镜下可视化移液器尖端。
2. 将玻璃微移液器安装到贴片夹支架上,并将其连接到空气泵。将泵保持压力设置为 0 psi。
3. 使用红色外观荧光照明,用 5x 目标聚焦移液器尖端。将玻璃微移液器放入甘蔗上方的 ACSF 中。将空气泵的保持压力调节到 0.2 psi。可以看到一个小的红色云从ACSF的移液器尖端弹出。这是为了防止在移液器插入过程中堵塞。
4. 选择 RFP"地图"中标记的位置之一作为目标。将移液器尖端移到覆盖玻璃边缘的水平平面上,其距离为 30 μm,大致指向 x-y 平面中的目的地。
5. 小心地将移液器尖端以 z 轴在盖玻璃滑片下下。然后开始将玻璃移液器推进到目的地,直到在大脑表面上方 +500 μm。经常在盖玻璃边缘、移液器尖端和大脑表面之间切换对焦,确保有足够的可用空间来移动移液器。
6. 将目标切换为 25 倍。重新居心移液器尖端,并在 RFP"地图"上进一步向目的地推进移液器尖端。将移液器尖端保持在甘蔗色层中。
7. 当移液器尖端在大脑表面上方 ±100 μm 时,将成像模式切换到双光子显微镜。专注于要吹嘘的目标位置。记下其 x、y 坐标(x 0, y₀) 及其深度低于曲面 (z₀)。计算大脑表面插入点的坐标 (x_i, y_i) 如下:
   x_i = x₀ = z₀ / 晒黑 |
   y_i = y₀
   其中*是移液器支架和水平平面之间的角度。
8. 将移液器尖端置于大脑表面的坐标(x_i,y_i)。轻轻地慢慢插入移液器,直到它达到 (x0, y₀, z₀)。如果容器位于插入路径上,则拔下移液器并重新计算其他插入坐标和路径;或稍微转动舞台板(如图 1 A所示)。
9. 将泵保持压力设置为 0 psi,将喷射压力设置为 10-15 psi。在双光子成像期间,在目标位置将 200-400 ms 的浮松 ATP。如讨论部分所述,调整每个移液器的膨胀压力和持续时间,并随时间延长。

5. 超堆栈双光子成像

1. 使用双光子显微镜和 25 x 1.0 NA 水浸物使用压电电机执行实验。将激发波长设置为 900 nm。过滤发出的光,以收集DsRed(围生)/四甲基二甲胺异氰酸二聚氰胺(TRITC-dextran)染色血浆的红光和FITC-dextran(血浆)/GCaMP6(GFP,星化钙)的绿光。
2. 在感兴趣位置产生高分辨率 z 堆栈,其中包含穿透性动脉、一^阶毛细管、第二阶毛细管和可能相邻的荧光细胞(例如,圆环状细胞、星形细胞)。通过尽可能包括血管的 3D 结构,确定超堆栈成像的 x_y_z 体积。每个堆栈的总高度可能从 30-50 μm 不等,而 x-y 平面大致覆盖 60 μm x 40 μm 的区域。
3. 在成像软件中设置图像堆栈,由 8-10 个平面组成,平面间距离为 4-5 μm。压电电机目标在 z 轴上的每一个电平停止,以获取每个平面的图像。采样速率为每堆栈 1 s,x-y 平面中的像素分辨率为 0.2-0.3 μm(图 2A)。一个记录通常包括 10 个预浮图栈和 150 个后吹捧图像堆栈。

6. 数据处理

1. 使用定制的分析软件处理数据。通过最大强度投影将每个图像堆栈拼合到一个图像中(图 2B)。绘制一个矩形感兴趣区域 (ROI),宽度垂直于 3 μm,垂直穿过感兴趣容器(图 2C)。
2. 为了尽量减少红血球阴影和皮层轻微振动的干扰,通过将矩形 ROI 投影到一条线中,从而平均矩形 ROI,然后表示血管段的平均轮廓。为每个最大强度图像执行此操作。
3. 将轮廓线绘制为 2D 图像,x 轴按时间顺序表示最大强度图像(图2D,上面板)。使用有源轮廓算法(Chan-Vese分割)查找容器^8和9的边缘(以红色曲线表示;图 2D,上面板)。
4. 计算直径的时间过程随着血管边缘之间的差值而变化(图 2D中上下红色曲线之间的垂直距离,下面板)。将直径标准化更改为预膨胀直径基线,直径曲线的图曲线随时间而变化。为每个 ROI 执行此操作 (图 2E)
5. 容器响应振幅定义为膨胀后的最高/最低峰值振幅。响应延迟定义为半最大振幅的延迟(图2G)。通过沿血管放置节点(图2F)并测量每个 ROI 和穿透动脉之间的地理距离,手动跟踪骨架血管结构。通过将距离除以延迟差异来计算 CVR 速度。

7. 病毒载体注射

1. 为了同时研究星形钙反应,按照标准的立体定向病毒载体注射程序,将0.6μL病毒载体(pZac2.1 gfaABC1D-lck-gCaMP6f,Addgene)注入NG2DsRed小鼠的体感皮层¹⁰.
2. 三周后,小鼠躯体感觉皮层中的星形细胞表达基因编码的钙指标GCaMP6f。遵循上述外科手术和小鼠双光子成像。为了区分星形细胞和血管亮度,TRITC-dextran代替FITC-dextran用于染色血管氧化铝红色。

结果

手术后,小鼠被运送到双光子显微镜(图1A)。在目标位置的目标血管附近插入了一个含有1 mM ATP的玻璃微移液器(图1B)。

我们执行超堆栈成像,同时给出 1 mM ATP (图 2A,补充视频 1) 的浮肿。每个图像堆栈通过最大强度投影拼合到一个图像(图 2

讨论

血管研究的一个挑战是精确测量血管直径。我们在这里描述的方法使用电动压电物镜,通过双光子显微镜进行快速和重复的超堆栈成像。首先,这种方法允许反复检查穿透性动脉、1阶和第二阶毛细血管,而不会失去焦点,导致在体内毛细血管中发现缓慢进行的血管反应。其次,结合病毒载体注射技术,使我们能够研究星形钙在三维的反应,这是研究血流调节所必需的。

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
Agarose	Sigma–Aldrich	A6138	Apply upon exposed cortex for protection
Alexa 594	Life Technologies	A-10438	Stain puffing compound to red fluorescent color
ATP	Sigma-Aldrich	A9187	Vasodilator and vasoconstrictor, puffing compound
Cyanoacrylate glue and activator	Loctite	Adhesives and SF7452	Glue for metal piece and coverglass
Eye lubricant	Neutral Ophtha, Ophtha A/S, Denmark		Keep the mouse eyes moisterized
FITC-dextran	Sigma-Aldrich	FD500S	Blood serum dye, green fluorescent color
NG2DsRed mice	Jackson Laboratory	8241	These transgenic mice express an red fluorescent protein variant (DsRed) under the control of the mouse NG2 (Cspg4) promoter
pZac2.1 gfaABC1D-lck-GCaMP6f	Addgene	52924-AAV5	Astrocyte specific viral vectors carrying genetically encoded calcium indicators
TRITC-dextran	Sigma-Aldrich	52194	Blood serum dye, red fluorescent color
List of Equipments
Air pump	WPI	PV830	Give air pressure to pipette puffing
Blood gas analyzer	Radiometer	ABL 700	Measure levels of blood gases
Blood pressure monitor	World Precision Instruments	BP-1	Monitor aterial blood pressure
Body temperature controller	CWE	Model TC-1000	Keep the mouse body temperature in physiological range
Capnograph	Harvard Apparatus	Type 340	Monitor the end-expiratory CO2 from the mouse
Electrical stimulator	A.M.P.I.	ISO-flex	Apply whisker pad stimulation
Mechanical ventilator	Harvard Apparatus	D-79232	Mechanically ventilate the mouse in physiological range
Micropipette puller	Sutter Instrument	P-97
Two-photon microscope	Femtonics Ltd	Femto3D-RC
List of Surgical Instruments
Anatomical tweezer	Lawton	09-0007
Angled and balanced tweezer	S&T AG	00595 FRAS-18 RM-8
Iris scissor	Lawton	05-1450
Micro vascular clamp	S&T AG	462
Mouse vascular catheters	Verutech	100828