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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Il presente protocollo fornisce una procedura passo-passo per la clearing ottica rapida e simultanea, la marcatura multi-round e la ricostruzione volumetrica 3D di decine di sezioni di cervello umano post-mortem combinando la tecnica di trasformazione tissutale corta (SWITCH - H2O2 - Antigen Retrieval - 2,2'-tiodiethanol [TDE]) SHORT con l'imaging al microscopio a fluorescenza a foglio luminoso in un protocollo di routine ad alto rendimento.
Nonostante le numerose tecniche di clearing emerse nell'ultimo decennio, l'elaborazione post-mortem del cervello umano rimane un compito impegnativo a causa delle sue dimensioni e complessità, che rendono particolarmente difficile l'imaging con risoluzione micrometrica. Questo articolo presenta un protocollo per eseguire la ricostruzione di porzioni volumetriche del cervello umano elaborando simultaneamente decine di sezioni con il protocollo di trasformazione tissutale SHORT (SWITCH - H2O2 - Antigen Retrieval - 2,2'-thiodiethanol [TDE]), che consente la clearing, la marcatura e l'imaging sequenziale dei campioni con microscopia a fluorescenza a foglio di luce (LSFM). SHORT fornisce una rapida pulizia dei tessuti e una marcatura multipla omogenea di fette spesse con diversi marcatori neuronali, consentendo l'identificazione di diverse sottopopolazioni neuronali sia nella materia bianca che in quella grigia. Dopo la pulizia, le fette vengono visualizzate tramite LSFM con risoluzione micrometrica e in più canali contemporaneamente per una rapida ricostruzione 3D. Combinando l'analisi SHORT con LSFM all'interno di un protocollo di routine ad alto rendimento, è possibile ottenere la ricostruzione della citoarchitettura 3D di grandi aree volumetriche ad alta risoluzione in breve tempo, consentendo così una caratterizzazione strutturale completa del cervello umano.
L'analisi dell'organizzazione molecolare 3D e della citoarchitettura di grandi volumi del cervello umano richiede la trasparenza ottica dei campioni, ottenuta attraverso protocolli con tempi di elaborazione estesi. Le tecniche di compensazione ottica sono state sviluppate per ridurre al minimo l'eterogeneità dell'indice di rifrazione (RI) all'interno dei tessuti, riducendo così la dispersione della luce e aumentando la profondità di penetrazione della luce per l'imaging ad alta risoluzione 1,2,3,4,5. Gli attuali progressi nei metodi di clearing e marcatura dei tessuti profondi consentono l'imaging volumetrico di organi ed embrioni di roditori intatti sfruttando tecniche di microscopia all'avanguardia 6,7,8,9,10,11,12.
Tuttavia, la ricostruzione volumetrica 3D di vaste aree del cervello umano post-mortem rappresenta ancora un compito impegnativo rispetto agli organismi modello. La complessa composizione biologica e le variabili condizioni di fissazione e conservazione post-mortem possono compromettere l'efficienza di eliminazione dei tessuti, la profondità di penetrazione degli anticorpi e il riconoscimento dell'epitopo 13,14,15,16,17,18,19. Inoltre, il sezionamento meccanico dei tessuti e la successiva pulizia ed etichettatura di ogni fetta sono ancora necessari per ottenere una pulizia efficiente e un'etichettatura uniforme di grandi aree cerebrali umane, con conseguenti lunghi tempi di lavorazione e la necessità di sofisticate apparecchiature personalizzate, rispetto agli organismi modello 15,20,21,22.
La tecnica di trasformazione tissutale SWITCH - H2O2 - antigen Retrieval -TDE (SHORT) è stata sviluppata specificamente per analizzare grandi volumi del cervello umano18,23. Questo metodo impiega la conservazione strutturale dei tessuti del protocollo SWITCH11 e alte concentrazioni di perossido di idrogeno per ridurre l'autofluorescenza tissutale, in combinazione con il ripristino dell'epitopo. SHORT consente una colorazione uniforme di fette di cervello umano con marcatori per diversi sottotipi neuronali, cellule gliali, vascolarizzazione e fibre mieliniche18,24. I suoi risultati sono compatibili con l'analisi di proteine sia a bassa che ad alta densità. Gli elevati livelli di trasparenza che ne derivano e l'etichettatura uniforme consentono la ricostruzione volumetrica di fette spesse con microscopia a fluorescenza, in particolare, per l'acquisizione rapida è possibile utilizzare apparecchi a foglio di luce 18,24,25,26,27.
In questo lavoro, descriviamo come la tecnica di trasformazione tissutale SHORT può essere utilizzata per la pulizia simultanea e l'etichettatura multi-round di decine di sezioni di cervello umano fissate in formalina. Quattro diversi marcatori fluorescenti possono essere utilizzati insieme, portando all'identificazione di diverse sottopopolazioni cellulari. Dopo la pulizia, è possibile eseguire l'imaging volumetrico ad alta risoluzione con microscopia a fluorescenza. In questo caso, abbiamo utilizzato un LSFM invertito su misura 18,24,25,26,27, che consente un rapido sezionamento ottico del campione e una rapida acquisizione di più canali in parallelo. Con questo protocollo di routine ad alto rendimento, è possibile ottenere una caratterizzazione cellulare e strutturale completa con una risoluzione sub-cellulare di vaste aree del cervello umano, come già dimostrato nella mappatura di un'intera area di Broca23.
Campioni di tessuto umano fissati in formalina sono stati forniti dal Dipartimento di Neuropatologia del Massachusetts General Hospital (MGH) Autopsy Service (Boston, USA). Il consenso scritto è stato ottenuto dai partecipanti sani prima della morte, seguendo i protocolli di raccolta dei tessuti approvati dall'IRB dal Comitato Istituzionale per la Biosicurezza dei Partner (PIBC, protocollo 2003P001937). I documenti di autorizzazione sono conservati presso il MGH Autopsy Services di Boston, MA, Stati Uniti, e sono disponibili su richiesta.
1. Inclusione dell'agarosio e taglio del campione
2. Fissazione tissutale
NOTA: Tutte le soluzioni utilizzate nel seguente protocollo sono preparate in grandi volumi, sufficienti per processare tutte le fette dello stesso blocco di tessuto e minimizzare la variabilità tecnica e ridurre i tempi per i singoli passaggi.
3. Inattivazione e cancellazione
NOTA: La glutaraldeide reattiva nei campioni deve essere inattivata mediante incubazione con una soluzione di inattivazione costituita da 1x PBS pH 7,4, 4% p/v acetammide, 4% p/v glicina, pH 9,0. La soluzione può essere conservata a 4 °C per un massimo di 3 mesi. Per rimuovere i lipidi e rendere trasparente il tessuto, utilizziamo la soluzione di clearing composta da 200 mM di sodio dodecil solfato (SDS), 20 mM di solfito di sodio (Na2SO3) e 20 mM di acido borico (H3BO3), pH 9,0. La soluzione deve essere conservata a RT poiché la SDS precipita a 4 °C. Tutti i passaggi successivi verranno eseguiti in provette riempite con la soluzione.
4. Immunoetichettatura
NOTA: Prima della fase di etichettatura, è necessario rimuovere la SDS residua, ridurre l'autofluorescenza e smascherare gli epitopi con una soluzione di recupero dell'antigene composta da 10 mM Tris base, 1 mM EDTA e 0,05% v/v Tween 20, pH 9. Il pH della soluzione di 9 è ottimizzato per un processo di recupero efficiente; La base Tris agisce come agente tampone per mantenere un ambiente a pH stabile; L'EDTA, che è un agente chelante, migliora l'accessibilità dell'antigene. Il detergente non ionico Tween 20 aiuta a migliorare la permeabilità del tessuto. Questa soluzione può essere conservata a 4 °C. È importante notare che il perossido di idrogeno combinato con la fase di recupero dell'antigene ha un effetto sinergico nel ridurre il segnale di autofluorescenza, scomponendo e/o modificando i fluorofori endogeni responsabili del segnale di fondo non specifico (come la lipofuscina).
5. Corrispondenza dell'indice di rifrazione
NOTA: Per ottenere un elevato livello di trasparenza, è necessario omogeneizzare l'indice di rifrazione tissutale. Qui usiamo il 2,2'-tiodietanolo (TDE) diluito in 1x PBS. Le soluzioni TDE devono essere conservate in RT.
6. Montaggio del campione
NOTA: Per facilitare il montaggio del campione e l'acquisizione dell'immagine LSFM, utilizziamo un portacampioni sigillato su misura (denominato "sandwich"), composto da tre parti: un vetrino da microscopio, un distanziatore e un vetrino coprioggetti.
7. Strippaggio
NOTA: La conservazione strutturale e la maggiore accessibilità dell'epitopo di SHORT consentono l'etichettatura multi-round delle fette rimuovendo gli anticorpi e ricolorando i campioni con altri marcatori.
Il protocollo qui descritto consente il trattamento simultaneo di più fette, di spessore variabile da 100 μm a 500 μm, utilizzando il metodo SHORT. Questo approccio riduce significativamente il tempo di elaborazione complessivo per l'intera procedura. In questo lavoro, forniamo una descrizione completa dell'intera pipeline (Figura 1) per l'elaborazione simultanea di più sezioni spesse del cervello umano post-mortem e dimostriamo il protocollo su 24 fette contemporaneamente (
L'imaging ad alta risoluzione e la ricostruzione 3D di grandi aree cerebrali umane richiedono il sezionamento meccanico dei tessuti, seguito dalla pulizia ottica e dall'immunomarcatura di singole fette. Il protocollo qui presentato descrive come il metodo di trasformazione tissutale SHORT può essere utilizzato per l'elaborazione rapida e simultanea di più sezioni spesse del cervello umano per la ricostruzione cerebrale 3D con una risoluzione subcellulare con LSFM.
A differenza di altri appro...
Gli autori dichiarano che la ricerca è stata condotta in assenza di qualsiasi relazione commerciale o finanziaria che possa essere interpretata come un potenziale conflitto di interessi.
Ringraziamo Bruce Fischl, Massachusetts General Hospital, A.A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Dipartimento di Radiologia, per aver fornito i campioni di cervello umano analizzati in questo studio. Questo progetto ha ricevuto finanziamenti dal programma quadro di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea nell'ambito dell'accordo di sovvenzione n. 654148 (Laserlab-Europe), dal programma quadro Horizon 2020 dell'Unione europea per la ricerca e l'innovazione nell'ambito dell'accordo di sovvenzione specifico n. 785907 (Human Brain Project SGA2) e n. 945539 (Human Brain Project SGA3), dal General Hospital Corporation Center del National Institutes of Health con il numero di premio U01 MH117023, e dal Ministero dell'Istruzione nell'ambito di Euro-Bioimaging Italian Node (infrastruttura di ricerca ESFRI). Infine, questa ricerca è stata realizzata con il contributo di "Fondazione CR Firenze". Il contenuto di questo lavoro è di esclusiva responsabilità degli autori e non rappresenta necessariamente il punto di vista ufficiale del National Institutes of Health. La Figura 1 è stata creata con BioRender.com.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
2,2'-thiodiethanol | Merck Life Science S.R.L. | 166782 | |
Acetamide >= 99.0% (GC) | Merck Life Science S.R.L. | 160 | |
Agarose High EEO | Merck Life Science S.R.L. | A9793 | |
Boric Acid | Merck Life Science S.R.L. | B7901 | |
Compressome VF-900-0Z Microtome | Precisionary | / | |
Coverslips | LaserOptex | / | customized |
Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate | Merck Life Science S.R.L. | E5134 | |
Glutaraldehyde | Merck Life Science S.R.L. | G7651 | |
Glycine | Santa Cruz Biotechnology | SC_29096 | |
Hydrogen Peroxide 30% | Merck Life Science S.R.L. | ||
Incubator ISS-4075 | Lab companion | / | |
Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) | / | / | custom-made |
Loctite Attak | Henkel Italia srl | / | |
Microscope slides | Laborchimica | / | customized |
Phospate buffer saline tablet | Merck Life Science S.R.L. | P4417 | |
Picodent Twinsil | Picodent | 13005002 | out of production |
Potassium Hydrogen Phtalate | Merck Life Science S.R.L. | P1088 | |
Sodium Azide | Merck Life Science S.R.L. | S2002 | |
Sodium Dodecyl Sulfate | Merck Life Science S.R.L. | L3771 | |
Sodium Sulfite | Merck Life Science S.R.L. | S0505 | |
Spacers | Microlaser srl | customized | |
Sputum Containers (dishes with screw lids) | Paul Boettger GmbH & Co. KG | 07.061.2000 | |
Tris Base | PanReac AppliChem (ITW reagents) | A4577,0500 | |
Triton X-100 | Merck Life Science S.R.L. | T8787 | |
Tubes | Sarstedt | 62 547254 | |
Tween 20 | Merck Life Science S.R.L. | P9416 | |
Vibratome VT1000S | Leica Biosystem | / | |
Water bath | Memmert | WNB 7-45 | |
Antibodies and Dyes | |||
Alexa Fluor 488 AffiniPure Alpaca Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Reasearch | 611-545-215 | Dilution used, 1:200 |
Alexa Fluor 488 AffiniPure Bovine Anti-Goat IgG (H+L) | Jackson Immuno Reasearch | 805-545-180 | Dilution used, 1:200 |
Alexa Fluor 647 AffiniPure Alpaca Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Reasearch | 611-605-215 | Dilution used, 1:200 |
Anti-NeuN Antibody | Merck Life Science S.R.L. | ABN91 | Dilution used, 1:100 |
Anti-Parvalbumin antibody (PV) | Abcam | ab32895 | Dilution used, 1:200 |
Anti-Vimentin antibody [V9] - Cytoskeleton Marker (VIM) | Abcam | ab8069 | Dilution used, 1:200 |
Calretinin Polyclonal antibody | ProteinTech | 12278_1_AP | Dilution used, 1:200 |
DAPI | ThermoFisher | D3571 | Dilution used, 1:100 |
Donkey Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 568) | Abcam | ab175700 | Dilution used, 1:200 |
Donkey Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 647) | Abcam | ab150107 | Dilution used, 1:200 |
Donkey Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 568) | Abcam | ab175470 | Dilution used, 1:200 |
Donkey Anti-Rat IgG H&L (Alexa Fluor 568) preadsorbed | Abcam | ab175475 | Dilution used, 1:200 |
Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150169 | Dilution used, 1:500 |
Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor 568) | Abcam | ab175711 | Dilution used, 1:500 |
Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor 647) | Abcam | ab150171 | Dilution used, 1:500 |
Goat Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150077 | Dilution used, 1:200 |
Recombinant Alexa Fluor 488 Anti-GFAP antibody | Abcam | ab194324 | Dilution used, 1:200 |
Somatostatin Antibody YC7 | Santa Cruz Biotechnology | sc-47706 | Dilution used, 1:200 |
Vasoactive intestinal peptide (VIP) | ProteinTech | 16233-1-AP | Dilution used, 1:200 |
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