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Method Article
* Questi autori hanno contribuito in egual misura
Questo protocollo presenta una pipeline completa per analizzare campioni ottenuti da cuori umani che abbracciano le scale microscopiche e macroscopiche.
Lo studio dettagliato dei cuori umani non falliti rigettati per il trapianto offre un'opportunità unica per eseguire analisi strutturali su scala microscopica e macroscopica. Queste tecniche includono la pulizia dei tessuti (imaging tridimensionale (3D) di organi puliti con solvente abilitati per l'immunomarcatura modificata) e la colorazione immunoistochimica. Le procedure di esame mesoscopico comprendono la dissezione stereoscopica e la tomografia microcomputerizzata (TC). Le procedure di esame macroscopico includono la dissezione macroscopica, la fotografia (compresi gli anaglifi e la fotogrammetria), la TC e la stampa 3D del cuore sezionato fisicamente o virtualmente o dell'intero cuore. Prima dell'esame macroscopico, può essere eseguita la fissazione pressione-perfusione per mantenere l'architettura 3D e la morfologia fisiologicamente rilevante del cuore. L'applicazione di queste tecniche in combinazione per studiare il cuore umano è unica e cruciale per comprendere la relazione tra caratteristiche anatomiche distinte come la vascolarizzazione coronarica e l'innervazione miocardica nel contesto dell'architettura 3D del cuore. Questo protocollo descrive le metodologie in dettaglio e include risultati rappresentativi per illustrare i progressi nella ricerca sull'anatomia cardiaca umana.
Poiché la funzione segue la forma, la comprensione dell'architettura del cuore è fondamentale per apprezzarne la fisiologia. Sebbene numerose indagini abbiano rivelato l'anatomia cardiaca dalla micro alla macroscala 1,2,3, molte questioni rimangono irrisolte, in particolare quelle relative all'anatomia cardiaca umana. Ciò è in parte dovuto al fatto che gli studi di base incentrati sull'anatomia funzionale hanno generalmente utilizzato cuori di animali 4,5,6, che sono spesso distinti dai cuori umani 1,7,8. Inoltre, ogni singolo studio, anche quelli che utilizzano campioni di cuore umano, tende a concentrarsi su strutture molto specifiche, il che rende difficile applicare i risultati nel contesto dell'intero cuore. Questo è ancora più vero se le strutture focalizzate si trovano su micro o mesoscale, come il perinexus9 e i plessi gangliari10.
In questo contesto, lo studio strutturale sistemico del cuore umano rigettato per il trapianto offre un'opportunità unica e rara per ottenere un atlante completo delle strutture cardiache a fuoco su scale microscopiche e macroscopiche11. I protocolli di esame microscopico includono la pulizia dei tessuti (imaging tridimensionale (3D) di organi puliti con solvente abilitati per l'immunomarcatura modificata, iDISCO+)12,13 e la colorazione immunoistochimica. I protocolli di esame mesoscopico includono la dissezione stereoscopica, la macrofotografia e la scansione tomografica microcomputerizzata (TC). I protocolli di esame macroscopico includono la dissezione macroscopica14, la fotografia (inclusi anaglifi e fotogrammetria)15,16,17, la TC, la dissezione virtuale 18 e la stampa 3D del cuore sezionato fisicamente o virtualmente o dell'intero cuore17. In preparazione all'esame macroscopico, viene eseguita la fissazione pressione-perfusione per mantenere l'architettura 3D e la morfologia fisiologicamente rilevante del cuore 14,19,20,21. L'applicazione combinata di queste tecniche è unica e cruciale per correlare caratteristiche anatomiche distinte nel contesto dell'architettura 3D del cuore umano.
Poiché l'opportunità di ottenere un campione di cuore umano non patologico è estremamente limitata, un approccio multiscala qui descritto massimizza l'uso del campione. Applicando le varie procedure descritte di seguito, i risultati rappresentativi illustreranno al lettore come i risultati possano essere utilizzati per molteplici scopi, tra cui la scoperta nella ricerca scientifica11 (analisi complete dell'innervazione cardiaca, distribuzione dei plessi ganglionati), il miglioramento delle procedure cliniche (simulazione per approcci chirurgici e interventistici) e l'educazione anatomica (vera dimostrazione 3D dell'anatomia cardiaca).
Questo studio ha utilizzato campioni di tessuto anonimizzati raccolti da cuori umani di donatori non falliti ed è stato approvato dall'Institutional Review Board dell'Università della California, Los Angeles (UCLA). I campioni sono stati ottenuti da cuori non falliti che sono stati rifiutati per il trapianto. I cuori sono stati perfusi a pressione, fissati in paraformaldeide al 4% (PFA) e sottoposti a imaging prima dell'elaborazione dei tessuti con i seguenti metodi. La Figura 1 riassume il diagramma di flusso dell'ordine dello studio. I dettagli dei reagenti e delle attrezzature utilizzate nello studio sono elencati nella tabella dei materiali.
1. Esame su microscala
2. Esame in mesoscala
3. Esame su macroscala
Esami su microscala
L'applicazione della pulizia dei tessuti consente l'imaging di volumi maggiori di tessuto in 3D utilizzando la microscopia confocale. Nel cuore è possibile visualizzare i gangli contenenti i neuroni cardiaci e il pattern neurale dell'innervazione miocardica (Figura 2). La Figura 3 mostra un'immagine confocale del miocardio del ventricolo sinistro umano immunocolorato per i nervi e le cellule muscolari lisce. Si nota che i...
Il presente studio dimostra la pipeline completa per analizzare campioni ottenuti da cuori umani interi. I risultati rappresentativi mostrano esami anatomici su micro-macroscala eseguiti di routine per un singolo cuore. Poiché un campione di cuore umano è estremamente prezioso, un approccio multiscala è ideale ed efficace in modo da non sprecare alcuna parte del campione applicando più protocolli per vari scopi, tra cui la scoperta nella ricerca scientifica, il miglioramento delle procedure cliniche e l'educazione an...
Nessuno.
Ringraziamo le persone che hanno donato i loro corpi per il progresso dell'istruzione e della ricerca. Siamo grati alla OneLegacy Foundation, che ha costituito la base per ottenere i cuori dei donatori per la ricerca. Siamo anche grati ad Anthony A. Smithson e Arvin Roque-Verdeflor dell'UCLA Translational Research Imaging Center (Dipartimento di Radiologia) per il loro supporto nell'acquisizione dei dati TC. Questo progetto è stato sostenuto dall'UCLA Amara Yad Project. Siamo grati ai dottori Kalyanam Shivkumar e Olujimi A. Ajijola per aver stabilito e mantenuto una pipeline di cuore umano per la ricerca. Apprezziamo il nostro Research Operations Manager, Amiksha S. Gandhi, per la sua dedizione nel sostenere i nostri progetti. Questo lavoro è stato reso possibile dal sostegno delle sovvenzioni NIH OT2OD023848 e P01 HL164311 e della sovvenzione Leducq 23CVD04 a Kalyanam Shivkumar, del premio per lo sviluppo della carriera dell'American Heart Association 23CDA1039446 a PH e del progetto UCLA Amara-Yad (https://www.uclahealth.org/medical-services/heart/arrhythmia/about-us/amara-yad-project). Lo scanner microPET/CT GNEXT utilizzato in questo studio è stato finanziato da una sovvenzione NIH Shared Instrumentation for Animal Research (1 S10 OD026917-01A1).
Name | Company | Catalog Number | Comments |
1x Phosphate buffered saline | Sigma-Aldrich | P3813 | |
3D Viewer | Microsoft | ||
647 AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 711-605-152 | |
647 AffiniPure Donkey Anti-Sheep IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 713-605-147 | |
AF Micro-NIKKOR 200 mm f/4D IF-ED lens | Nikon | ||
Anti-Actin, α-Smooth Muscle - Cy3 antibody | Sigma-Aldrich | C6198 | |
Antigen Retrieval Buffer (100x EDTA Buffer, pH 8.0) | Abcam | ab93680 | |
Anti-PGP9.5 (protein gene product 9.5) | Abcam | ab108986 | |
Anti-TH (tyrosine hydrox ylase) | Abcam | ab1542 | |
Anti-VAChT (vesicular acetylcholine transporter) | Synaptic Systems | 139 103 | |
Benzyl ether | Sigma-Aldrich | 108014 | |
Bovine serum albumin | Sigma-Aldrich | A4503-10G | |
Cheetah 3D printer filament (95A), 1.75 mm | NinjaTek | ||
Coverslip, 22 mm x 30mm, No. 1.5 | VWR | 48393 151 | |
Cy3 AffiniPure Donkey Anti-Rabbit IgG | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 711-165-152 | |
Dichloromethane | Sigma-Aldrich | 270997-100ML | |
Dimethyl sulfoxide | Sigma-Aldrich | D8418-500ML | |
Ethanol, 100% | Decon laboratories | 2701 | |
Glycine | Sigma-Aldrich | G7126-500G | |
GNEXT PET/CT | SOFIE Biosciences | ||
Heparin sodium salt from porcine intestinal mucosa | Sigma-Aldrich | H3149-50KU | |
Histodenz | Sigma-Aldrich | D2158-100G | |
Hydrogen peroxide solution | Sigma-Aldrich | H1009-500ML | |
Imaging software | Zeiss | ZEN (black edition) | |
Imaging software | Oxford Instruments | Imaris 10 | |
iSpacer | Sunjin Labs | iSpacer 3mm | |
KIRI Engine | KIRI Innovation | ||
Laser scanning confocal microscope | Zeiss | LSM 880 | |
LEAD-2 - Vertical & Multi-channels Peristaltic Pump | LONGER | ||
Lightview XL | Brightech | ||
Methanol (Certified ACS) | Fischer Scientific | A412-4 | |
Nikon D850 | Nikon | ||
NinjaTek NinjaFlex TPU @MK4 | NinjaTek | ||
Normal donkey serum | Jackson ImmunoResearch Laboratories | 017-000-121 | |
Original Prusa MK4 3D printer | Prusa Research | ||
PAP pen | Abcam | ab2601 | |
Paraformaldehyde, 32% | Electron Microscopy Sciences | 15714-S | |
Polycam | Polycam | ||
Primary antibody | |||
PrusaSlicer 2.7.1 | Prusa Research | ||
SARA-Engine | pita4 mobile LLC | ||
Scaniverse | Niantic | ||
Secondary antibody | |||
SlowFade Gold Antiface Mountant | Invitrogen | S36936 | |
Sodium azide, 5% (w/v) | Ricca Chemical Company | 7144.8-32 | |
SOMATOM Definition AS | Siemens Healthcare | ||
Standard Field Surgi-Spec Telescopes, | Designs for Vision | ||
Stereomicroscope System SZ61 | OLYMPUS | ||
StereoPhoto Maker | Free ware developed by Masuji Suto | ||
Superfrost Plus Microscope Slides, Precleaned | Fisher Scientific | 12-550-15 | |
Triton X-100 | Sigma-Aldrich | T8787-50ML | |
Tween-20 | Sigma-Aldrich | P9416-100ML | |
Xylene | Sigma-Aldrich | 534056-4L | |
Ziostation2 | Ziosoft, AMIN |
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