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Method Article
Um eine erfolgreiche und qualitativ hochwertige ziliäre Funktionsanalyse für die PCD-Diagnostik zu gewährleisten, ist eine präzise und sorgfältige Methode zur Probenahme und Verarbeitung des respiratorischen Epithels unerlässlich. Um während der COVID-19-Pandemie weiterhin PCD-diagnostische Dienstleistungen anbieten zu können, wurde das ziliäre Videomikroskopieprotokoll aktualisiert, um geeignete Maßnahmen zur Infektionskontrolle aufzunehmen.
Die primäre ziliäre Dyskinesie (PCD) ist eine genetisch bedingte Motilziliopathie, die zu einer signifikanten otosinopulmonalen Erkrankung führt. Die PCD-Diagnose wird aufgrund von Herausforderungen mit unterschiedlichen diagnostischen Modalitäten oft übersehen oder verzögert. Die Ziliar-Videomikroskopie mit digitaler Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie (DHSV), einem der diagnostischen Instrumente für PCD, gilt als die optimale Methode zur Durchführung einer ziliären Funktionsanalyse (CFA), die aus der Analyse der Ziliarschlagfrequenz (CBF) und des Schlagmusters (CBP) besteht. Dem DHSV fehlt jedoch ein standardisiertes, veröffentlichtes Arbeitsverfahren für die Verarbeitung und Analyse von Proben. Es verwendet auch lebendes respiratorisches Epithel, ein wichtiges Problem der Infektionskontrolle während der COVID-19-Pandemie. Um während dieser Gesundheitskrise weiterhin diagnostische Dienstleistungen anbieten zu können, wurde das ziliäre Videomikroskopieprotokoll angepasst, um angemessene Maßnahmen zur Infektionskontrolle zu enthalten.
Hier beschreiben wir ein überarbeitetes Protokoll für die Probenahme und Laborverarbeitung von Flimmeratmungsproben und heben die Anpassungen hervor, die zur Einhaltung der COVID-19-Infektionskontrollmaßnahmen vorgenommen wurden. Repräsentative Ergebnisse von CFA aus Nasenputzproben von 16 gesunden Probanden, die nach diesem Protokoll verarbeitet und analysiert wurden, werden beschrieben. Wir veranschaulichen auch, wie wichtig es ist, epitheliale Flimmerstreifen in optimaler Qualität zu erhalten und zu verarbeiten, da Proben, die nicht den Qualitätsauswahlkriterien entsprechen, nun eine CFA zulassen, was möglicherweise die diagnostische Zuverlässigkeit und die Effizienz dieser Technik verringert.
Die primäre Ziliärdyskinesie (PCD) ist eine vererbte heterogene motile Ziliopathie, bei der die respiratorischen Zilien stationär, langsam oder dyskinetisch sind, was zu einer gestörten mukoziliären Clearance und einer chronischen oto-sino-pulmonalen Erkrankung führt 1,2,3,4. Die klinischen Manifestationen der PCD sind chronischer feuchter Husten und chronische verstopfte Nase ab dem frühen Säuglingsalter, rezidivierende oder chronische Infektionen der oberen und unteren Atemwege, die zu Bronchiektasen führen, sowie rezidivierende oder chronische Mittelohrentzündung und Sinusitis 5,6,7. Etwa die Hälfte der PCD-Patienten weist Organlateralitätsdefekte wie Situs inversus oder Situs ambiguus auf. Einige Patientinnen weisen auch Unfruchtbarkeitsprobleme auf, die auf unbewegliche Spermien bei Männern und unbewegliche Flimmerhärchen in den Eileitern bei Frauen zurückzuführensind 1,2,8. PCD ist selten, aber die Prävalenz ist schwer zu definieren und reicht von 1:10.000 bis 1:20.000 9,10. Es wird jedoch angenommen, dass die tatsächliche Prävalenz der PCD aufgrund von Schwierigkeiten bei der Diagnose und fehlendem klinischem Verdacht höher ist. Die Symptome der PCD ahmen häufige respiratorische Manifestationen anderer akuter oder chronischer Atemwegserkrankungen nach, und die diagnostischen Herausforderungen bei der Bestätigung der Diagnose sind bekannt, was zu einer unzureichenden Behandlung und Nachsorge führt 2,5,9,11.
Die Ziliär-Videomikroskopie mit digitaler Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie (DHSV) ist eines der diagnostischen Instrumente für PCD 4,8,12,13. DHSV gilt als die optimale Methode zur Durchführung einer ziliären Funktionsanalyse (CFA), die aus der Analyse der Ziliarschlagfrequenz (CBF) und des Schlagmusters (CBP) besteht 2,14,15,16. DHSV verwendet lebendes respiratorisches Epithel, das in der Regel durch Nasenbürsten gewonnen wird13.
Angesichts des aktuellen COVID-19-Ausbruchs ist die Bestätigung einer PCD-Diagnose nun noch wichtiger, da es Hinweise darauf gibt, dass eine zugrunde liegende Atemwegserkrankung zu schlechteren Ergebnissen nach einer COVID-19-Infektion führen kann17,18. Eine sichere und effiziente PCD-Diagnostik während der aktuellen Pandemie wird es auch dazu bringen, dass bestätigte PCD-Patienten im Vergleich zur Allgemeinbevölkerung von zusätzlichen Schutzmaßnahmen profitierenkönnen 19.
Die Übertragung von COVID-19 erfolgt hauptsächlich durch Tröpfchenausbreitung20. Ein hohes Übertragungspotenzial von asymptomatischen (oder minimal symptomatischen) Patienten wird durch die hohe Viruslast in der Nasenprobe20 nahegelegt. Wenn Viruspartikel aerosolisiert werden, bleiben sie außerdem mindestens 3 Stunden in der Luft21. Daher sind Beschäftigte in der Atemwegsmedizin einem hohen Reservoir an Viruslast ausgesetzt, während sie die klinische Versorgung und die Probenentnahme für diagnostische Techniken durchführen22. Darüber hinaus setzt die Manipulation lebender Atemwegsproben den Techniker einer COVID-19-Kontamination aus. Während Best-Practice-Empfehlungen für Pneumologen und HNO-Chirurgen, die COVID-19-Patienten betreuen, umgesetzt werden23, fehlt es an Empfehlungen für die Durchführung von DHSV während der COVID-19-Pandemie.
Um weiterhin eine PCD-Diagnostik anbieten zu können und gleichzeitig die Sicherheit des medizinischen Personals (Durchführung der Probenentnahme) und des Technikers (Durchführung der Probenverarbeitung) zu gewährleisten, musste das ziliäre Videomikroskopieprotokoll während der COVID-19-Pandemie angepasst werden. Die Technik der Ziliar-Videomikroskopie ist derzeit auf Forschungsdienste und spezialisierte diagnostische Zentren beschränkt, da CFA eine umfangreiche Ausbildung und Erfahrung erfordert. Darüber hinaus fehlt es derzeit an einer Standardisierung und einem präzisen Arbeitsablauf für die Verarbeitung und Analyse von Proben mit DHSV 4,13.
Das Ziel dieser Arbeit ist es, Standardarbeitsanweisungen für DHSV zu beschreiben, mit besonderem Bezug auf Infektionskontrollmaßnahmen und Sicherheit bei der Probenahme und Verarbeitung von lebendem Nasenepithel. Dies wird es ermöglichen, trotz des aktuellen COVID-19-Ausbruchs eine qualitativ hochwertige PCD-Diagnose und -Versorgung fortzusetzen.
Die Genehmigung wurde von der Ethikkommission des Krankenhauses Lüttich und der Universitätsabteilung für Hygiene und Gesundheitsschutz am Arbeitsplatz eingeholt.
1. Probenahme von respiratorischem Flimmerepithel
2. Gewinnung von Proben aus respiratorischem Flimmerepithel
COVID-19-Anpassung: Auch wenn der COVID-19-Status des Patienten aufgrund der Falsch-Negativ-Rate negativ ist, wird der Patient gebeten, während des Eingriffs eine chirurgische Maske auf dem Mund zu tragen, und der Arzt trägt Handschuhe, FFP2-Maske und Gesichtsschutz.
Abbildung 1: Nasenputztechnik. (A) Gesamte Bürste für die Bronchialzytologie (B) Bürstenfertig: Das Bürstenende des Drahtes wird abgeschnitten (ca. 15 cm lang) und von einer Weil-Blakesley-Nasenzange gehalten(C) Endoskopische Ansicht der Nasenhöhle: Nasenscheidewand (1) Nasenscheidewand (2) und Mittelmuschel (3) (D) Das Nasenputzen wird am hinteren Teil der unteren Nasenmuschel (2) durchgeführt. Nasenscheidewand (1) Nasenmuschel (3). (E) Die respiratorischen Epithelstreifen werden durch Schütteln der Bürste in dem zugesetzten M199-Zellkulturmedium entfernt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
3. Verarbeitung des respiratorischen Flimmerepithels
Anpassung an COVID-19: Der Bediener verwendet persönliche Schutzausrüstung, um die Nasenverarbeitung durchzuführen, einschließlich FFP2-Maske, Handschuhe und langärmeliger wasserabweisender Kittel.
Anpassung an COVID-19: Die oben beschriebene im Labor gebaute Kammer ist offen und ermöglicht den Gas- und Feuchtigkeitsaustausch zwischen der Probe und der Umgebung13. Im Zusammenhang mit der COVID-19-Pandemie ist es möglich, eine geschlossene Visualisierungskammer mit einem doppelseitig geklebten Abstandshalter mit einer Tiefe von 0,25 mm zu verwenden (Abbildung 3, Abbildung 4B). Der Abstandshalter wird auf den Objektträger geklebt, und dann wird ein Deckglas (22 mm x 40 mm) auf den Abstandshalter geklebt.
Abbildung 2: Montage der im Labor gebauten offenen Kammer. (A) Die 2 quadratischen Deckgläser (20 mm x 20 mm) werden auf den Objektträger gelegt. (B) Die quadratischen Deckgläser werden in einem Abstand von ca. 15 mm voneinander getrennt und auf den Objektträger geklebt. (C) Die Kammer wird zwischen den beiden benachbarten quadratischen Deckgläsern mit einer kleinen Probe (ca. 60 μl) Flimmerepithel in supplementiertem M199 gefüllt. (D) Ein langes rechteckiges Deckglas (22 mm x 40 mm) wird auf die beiden benachbarten quadratischen Deckgläser gelegt und deckt die Kammer ab. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Befestigung der geschlossenen Kammer mit einem beidseitig aufgeklebten Abstandshalter. (A) Der Glasschieber und der doppelseitig verklebte Abstandshalter. (B) Der Schutz wird auf einer Seite des Abstandshalters entfernt und der Abstandshalter wird dann auf den Glasschieber geklebt. (C) Der Schutz wird von der anderen Seite des doppelseitig festsitzenden Abstandshalters entfernt, und dann wird der Abstandshalter mit einer kleinen Probe (ca. 60 μl) Flimmerepithel in ergänztem M199 gefüllt. (D) Ein langes rechteckiges Deckglas (22 mm x 40 mm) wird auf den Abstandshalter geklebt und verschließt die Kammer. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Schematische Darstellung der wichtigsten Visualisierungskammern, die für die Durchführung der Ziliarvideomikroskopie mit digitaler Hochgeschwindigkeits-Videomikroskopie (DHSV) verwendet werden. (A) Die Technik des offenen hängenden Tropfens: Die Flimmerprobe wird in einem Tropfen Zellkulturmedium in einer offenen Kammer suspendiert, die durch die Trennung eines Deckglases und eines Glasobjektträgers durch zwei benachbarte Deckgläser entsteht. (B) Die Technik des geschlossenen hängenden Tropfens: Die Flimmerprobe wird in einem Tropfen Zellkulturmedium in einer geschlossenen Kammer suspendiert, die durch einen Abstandshalter entsteht, der zwischen einer Glasseite und einem Deckglas eingeklemmt ist. Der Abstandshalter haftet sowohl auf dem Glasschieber als auch auf dem Deckglas. Reproduziert und modifiziert von Kempeneers et al.13. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 5: Geräte, die im DHSV-Labor verwendet werden. (A) Das Mikroskop, das mit einer 100-fachen Ölimmersions-Phasenkontrastlinse ausgestattet ist, wird auf einen Antivibrationstisch gestellt, um zu vermeiden, dass externe Vibrationen Artefakte für die ziliäre Funktionsanalyse verursachen (B) Das Mikroskop ist von Luftpolsterfolie umgeben, um Wärmeverluste durch Umgebungsluft zu verhindern. (C) Das Ölimmersionsobjektiv erzeugt Wärmeverlust. Dies kann mit einer Linsenheizung (Pfeile) verhindert werden. (D) Die Probe wird mit einem Heizkasten erhitzt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
4. Präparation der respiratorischen Flimmerepithelproben
5. Visualisierung von Wimpernrändern der Atemwege
Abbildung 6: Beschreibung der Nutzung der Software: Visualisierung von respiratorischen Flimmerrändern auf dem Monitor. (A) Das Hauptmenü erscheint direkt beim Öffnen der Software. (B) Schließen Sie den Kamera-Enumerationsfilter. (C) Wählen Sie die Kamera aus und wählen Sie Schnittstelle: Experte. (D) Der Live-Modus ermöglicht es, das durch das Mikroskop gesehene Bild auf dem Monitor zu visualisieren. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 7: Beschreibung der Verwendung der Software: Anpassung der Kameraerfassungseinstellungen für die Videoaufzeichnung der schlagenden Flimmerkanten. (A) Passen Sie in der Erfassungseinstellung Kamera den Interessenbereich (ROI) und die Bildrate für die Videoaufzeichnung (Rate) an. (B) Passen Sie in der Aufnahmeeinstellung Aufnahme die Dauer der Videoaufnahme an (Anzahl der Bilder, die für die gewählte Aufnahmedauer benötigt werden, entsprechend der zuvor gewählten Bildrate). (C) Diese neuen Kamerakonfigurationseinstellungen können mit der Funktion Kamera speichern gespeichert werden. Load Camera Cfg ermöglicht es, die gespeicherten Konfigurationseinstellungen für die weitere Verwendung erneut zu öffnen. (D) Die neuen Kamerakonfigurationseinstellungen können benannt und bei Bedarf mit einem Kommentar versehen werden. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
6. Auswahl der Wimpernränder für die Atemwege
ANMERKUNG: Das experimentelle System ermöglicht es, schlagende Zilien in drei verschiedenen Ebenen zu betrachten: ein seitliches Profil, das direkt auf den Beobachter zuschlägt, und von direkt oben (Abbildung 8).
Abbildung 8: Die DHSV-Technik ermöglicht es, schlagende Zilien in drei verschiedenen Ebenen zu betrachten. (A) im seitlichen Profil. (B) direkt auf den Betrachter zuschlagen und. (C) direkt von oben. Reproduziert von Kempeneers et al.16. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 9: Repräsentatives Bild des Scoring-Systems von Thomas et al.29 für die unterschiedliche Qualität der Flimmerepithelränder. (A) Normalrand: definiert als ein intakter, einheitlich bewimperter Epithelienstreifen > 50 μm Länge (B) Flimmerrand mit geringfügigen Vorsprüngen: definiert als eine Kante >50 μm Länge, mit Zellen, die aus der epithelialen Randlinie herausragen, aber ohne Punkt der apikalen Zellmembran, der über die Spitzen der Flimmerhärchen auf die benachbarten Zellen hinausragt (C) Flimmerrand mit Hauptvorsprüngen: definiert als eine Kante >50 μm Länge, mit Zellen, die aus der epithelialen Randlinie herausragen, wobei mindestens ein Punkt der apikalen Zellmembran über die Spitzen der Flimmerhärchen auf die benachbarten Zellen hinausragt (D) Isolierte Flimmerzelle: definiert als die einzige Flimmerzelle an einem Epithelrand >50 μm Länge (E) Einzelzellen: definiert als Flimmerzellen, die keinen Kontakt untereinander oder zu einem anderen Zelltyp haben. Maßstabsleiste: 5,5 μm. Reproduziert von Thomas et al.29Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
7. Aufnahme von Flimmerrand
Abbildung 10: Beschreibung der Nutzung der Software. (A) Wiedergabemodus. Um eine aufgezeichnete Videosequenz zu überprüfen, in der eine Wimpernkante geschlagen wird, wählen Sie den Wiedergabemodus. Wählen Sie "Wiedergabe", um das Bild anzuzeigen, und "Stopp", um die Anzeige abzuschließen. Die Fame-Rate kann angepasst werden, um die Analyse der Ziliarfunktion zu verbessern (B, C) Speichern der Videoaufzeichnungen von schlagenden Flimmerrändern (B) Um das Video zu sichern, wählen Sie "Datei" und dann "Akquisitionen speichern". (C) Geben Sie den Namen des aufgenommenen Videos ein und wählen Sie die Platzierung aus, an der das Video aufgenommen wird. Stellen Sie sicher, dass die Aufzeichnung als . RAW-Datei (D) Auswahl einer Aufnahme von zu analysierenden Schwebungskanten: Um eine Videoaufzeichnung zu öffnen, wählen Sie "Datei", dann "Öffnen" und dann "Bilder". Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
8. Ziliäre Funktionsanalyse
Abbildung 11: Repräsentatives Bild eines optimalen Qualitätsvorteils und die Aufteilung in 5 Bereiche, um eine CFA-Analyse zu ermöglichen. Ein Flimmerepithelrand mit optimaler Qualität wird in 5 benachbarte Bereiche mit einer Größe von jeweils 10 μm fragmentiert. In jedem Bereich werden maximal 2 CBF-Messungen (und 2 CBP-Auswertungen) durchgeführt, was zu maximal 10 CBF-Messungen (und CBP-Auswertungen) entlang jeder Kante führt. Maßstabsleiste = 20 μm. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Um die Effizienz der Technik zu veranschaulichen, präsentieren wir die Ergebnisse der CFA in einer Serie von 16 gesunden erwachsenen Probanden (5 Männer, Altersspanne 22-54 Jahre).
Nasenputzproben von 14 (4 Männer, Altersspanne 24-54 Jahre) von insgesamt 16 Probanden lieferten genügend geeignete Epithelränder, die die für die Durchführung einer CFA erforderlichen Auswahlkriterien erfüllten. Von diesen 14 Nasenputzproben wurden insgesamt 242 Flimmerränder erfasst, von denen 212 die def...
Dieses Papier zielt darauf ab, ein Standardverfahren für CFA unter Verwendung von Nasenbürstenproben bereitzustellen, wobei Anpassungen für angemessene Überlegungen zur Infektionskontrolle während der COVID-19-Pandemie vorgenommen wurden. Die PCD-Diagnose ist eine Herausforderung und erfordert derzeit gemäß internationaler Empfehlung eine Reihe verschiedener diagnostischer Tests, darunter nasale Stickstoffmonoxidmessung, CFA mit DHSV, ziliäre Ultrastrukturanalyse mit Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Mark...
Diese Autoren haben nichts zu offenbaren.
Wir bedanken uns bei Jean-François Papon, Bruno Louis, Estelle Escudier und allen Teammitgliedern des PCD-Diagnosezentrums von Paris-Est für ihre Verfügbarkeit und den herzlichen Empfang während des Besuchs in ihrem PCD-Diagnosezentrum und den zahlreichen Austausch. Wir danken auch Robert Hirst und allen Teammitgliedern im PCD-Zentrum von Leicester für ihren Empfang und ihre Zeit, ihren Rat und ihr Fachwissen.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
15 mL conical tubes | FisherScientific | 352096 | 15 ml High-Clarity Polypropylene Conical Tube with lid |
Amphotericin B | LONZA | 17-836E | Antifungal solution |
Blakesley-weil nasal forceps | NOVO SURGICAL | E7739-12 | Used to hold the brush to perform the nasal brushing |
Bronchial cytology brush | CONMED | 129 | Used for nasal brushing |
Cotton swab | NUOVA APTACA | 2150/SG | Used for COVID-19 testing |
Digitial high-speed videomicroscopy camera | IDTeu Innovation in motion | CrashCam Mini 1510 | |
Glass slide | ThermoScientific | 12372098 | Microscope slides used to create the visualization chamber |
Heated Box | IBIDI cells in focus | 10918 | Used to heat the sample |
Inverted Light microscope | Zeiss | AXIO Vert.A1 | |
Lens Heater | TOKAI HIT | TPiE-LH | Used to heat the oil immersion lens |
Medium 199 (M199), HEPES | TermoFisher Scientific | 12340030 | Cell Culture Medium |
Motion Studio X64 | IDT Motion | version 2.14.01 | Software |
Oil | FischerScientific, Carl Zeiss | 11825153 | |
Rectangular cover slip | VWR | 631-0145 | Used to cover the visualization chamber |
Spacer (Ispacer) 0.25 mm | Sunjinlab | IS203 | Used for the creation of the hermetic closed visualization chamber |
Square cover slip | VWR | 631-0122 | Used for the creation of lab-built open visualization chamber |
Streptomycin/Penicillin | FisherScientific, Gibco | 11548876 | Antiobiotics solution |
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