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我々は、高解像度腺鏡検査法を用いたデジタルボリュームデータの生成を可能にするために、様々な種の生検材料、生物医学モデル生物の胚および他の有機組織の試料を処理するための簡単で堅牢なプロトコルを提供する。
我々は、高分解能肛門鏡検査(HREM)法を用いてデジタルボリュームデータを生成するための簡単なプロトコルを提供する。 HREMは、1 x 1 x 1と5 x 5 x 5μm3の間の典型的な数値分解能で最大5 x 5 x 7 mm 3までの体積の有機材料を画像化することができます。標本はメタクリレート樹脂に包埋され、ミクロトーム上で切片化される。各セクションの後に、ブロック表面の画像が複合型顕微鏡ヘッドに接続された光電管上に置かれたデジタルビデオカメラで取り込まれる。光軸は、緑色蛍光タンパク質(GFP)フィルターキューブを通過し、各セクション後にボックホルダーアームが静止する位置に位置合わせされる。このようにして、後続のブロック表面を表示する一連の固有に整列されたデジタル画像が生成される。このような画像シリーズを3次元(3D)視覚化ソフトウェアにロードすることにより、デジタルボリュームデータへの即座の変換が容易になり、仮想データさまざまな直交平面および斜めの平面での動作、およびボリュームおよび表面レンダリングされたコンピュータモデルの作成。我々は、マウス、ニワトリ、ウズラ、カエルおよびゼブラフィッシュの胚、ヒト生検材料、コーティングされていない紙および皮膚代替材料を含む様々な有機体標本を処理するための3つの簡単で組織特異的なプロトコルを提示する。
有機および無機材料の構造解析は、その物理的性質および機能を理解するための第一歩である。そのような分析の基礎は、組織構造、細胞形態およびトポロジー、分子組成および生体力学的特性の詳細を抽出する、様々な単純で洗練された画像化方法を用いて、組織学的セクションを注意深く観察することによって得られる二次元(2D) 2,3 。しかしながら、2D情報は、空間的に複雑な配置を研究するのには適していない。したがって、デジタルボリュームデータの生成を可能にする生体 内および生体外の方法の数が過去数十年に確立され、さらに多くが開発中である。
大部分のボリュームデータ生成方法の原理的な原理は、仮想スタックの生成であるオブジェクトの仮想または物理的な区切りによって得られたセクションを表示するデジタル画像のことである。セクションイメージが適切に整列されている場合は、仮想断面平面で再分割するか、3Dサーフェスおよびボリュームレンダリングモデルを作成するためにボリュームを作成します。人間とより大きな生物学的試料を可視化するための一般的な技術は、磁気共鳴断層撮影(MRT)、コンピュータ断層撮影(CT)、陽電子放射断層撮影(PET)および単一光子放出コンピュータ断層撮影(SPECT)である。小さな検体は、通常、マイクロ磁気共鳴イメージング(μMRI)、光学投影トモグラフィー(OPT)、光干渉断層撮影(OCT)、光音響トモグラフィー(PAT)、組織学的断面化法、共焦点顕微鏡法、および電子断層撮影法を用いて視覚化される。 、 7,8,9,10 、 11,12,13,14,15,16,17 。
小標本および組織学的組織サンプルのデジタルデータを生成する比較的新しいボリュームデータ生成技術は、Tim Mohun 18,19と密接に協力して開発されたHREM法です。これは、ミクロトーム上で切片化された樹脂埋め込み材料からデジタルボリュームデータを生成する、単純な顕微鏡ベースの技術である。このデータは、組織構造および細胞分布の詳細な分析ならびに中間の光学顕微鏡レベルでの小さな特徴のメトリック分析を容易にする。
HREMは、eからキャプチャしたように見える、本質的に整列したデジタル画像のスタックを生成しますosinで染色された組織切片。視野に関する組織コントラストおよびデータ解像度は、μCT、μMRI、およびOPTで生成されるデータのそれを上回るが、共焦点、光シートおよび電子顕微鏡で得られるデータよりも低い20 。しかし、後者とは対照的に、HREMは、5×5×7mm 3までの比較的大きな体積の組織標本を組織学的品質で視覚化することができる。最近のいくつかの研究では、単一イメージング技術の長所と短所の詳細な特徴付けと比較が行われており、客観性のために、それらの限界と応用分野4,21,22,23,24,26,27,28,29,27,28,29 、 24 。
本研究では、HREMイメージング法に焦点を当て、広いスペクトルの有機材料のHREMデータを生成するための非常に簡単なプロトコルと、その応用の例。 HREMデータを作成するワークフローは簡単で、メタクリレート樹脂に埋め込むことができるすべての材料に適用されます( 図1 )。しかし、試料調製には組織特異的な違いがあり、考慮する必要があります。したがって、我々は様々な試料を調製するための3つの標準的なプロトコルを提供する。埋め込みとデータ生成プロトコルの手順は、すべて同じです。
すべての手順は、ウィーン医科大学の倫理ガイドラインに従って実施した。
サンプル調製
埋め込み
注記:保護手袋を着用しているフュームフードの下ですべての手順を実行します。
3.データ生成
注:ここで使用されているHREMプロトタイプ18,25は、以下の項目で構成されています。(i)ブロックホルダー付きロータリーミクロトーム各切断の後にその上方転向点で停止する。 (ii)標準の使い捨てではないミクロトームナイフ、硬質金属、プロファイルD(詳細は表を参照)。 (iii)対物レボルバーおよびGFP-フィルター立方体(励起470/40;発光フィルター525/50)をその光軸に有する蛍光化合物顕微鏡のヘッド。光軸は、ミクロトームに取り付けられたブロックの新たに切断された表面に対して垂直に配置され、上下運動を可能にする装置によって保持される。 (iv)ミクロトームを担持する電動クロステーブル。テーブルは、光軸の方向および横方向にシフトすることができる。 (v)蛍光化合物顕微鏡に取り付けられたデジタルビデオカメラ。 (vi)モノクローム光源(470nm)。 (vii)カメラに接続されたコンピュータ、データ生成ソフトウェア(詳細は表を参照)。
HREMは、ヘマトキシリン/エオジン染色組織切片の画像と同様のコントラストを有する一連の本来的に整列したデジタル画像を生成する。 2D断面画像とは対照的に、HREM画像のスタックは、3Dにおける幅広い種類の有機材料の組織構造、形態およびトポロジーの可視化および分析を可能にする。高いコントラストは、表面レンダリングされたモデルの生成のために、体積レンダリングされたコンピュータモデルおよび半自動等高線所見の迅速かつ簡単な3D視覚化を容易にする。
HREMデータのサイズは、カメラターゲットのサイズ、画像キャプチャモード(8,12,16ビット、グレースケール、カラー)、およびシングルブロック顔画像の数によって異なります。 2,048ピクセル×2,048ピクセルの1,000個の8ビット.jpgグレースケール画像のより小さいデータセットは、約900 MBのサイズを有する。 4,096 pの3,000 8ビット.jpgグレースケール画像のより大きいデータセットixel x 4,096ピクセルの容量は約20 GBです。
提供されるプロトコルはシンプルで堅牢であり、過去10年間に多くの異なる標本のHREMデータを生成するために使用されました。プロトコールセクション1.1は、最大1cmの長さを有する生物医学モデル生物の全胚および5x5x5mm 3までの胚組織サンプルを処理するために最適化された。マウス( Mus musculus) 、ニワトリ( Gallus gallus )、ゼブラフィッシュ( Danio rerio )、ウズラ( Coturnix coturnix) 、アフリカツメガエル( Xenopus laevis )、ウマ( Hepidae)の胚のHREMデータを作成するためにこの方法を使用した。 イクサツメガエル )、ミルクウィードバグ( Oncopeltus fasciatus )、ワニ( Crocodylia )、タコ( Octopus vulgaris )すべての種のデータは優れた品質であった( 図3 )
3までの大きさの若年性および成人組織サンプルを処理するために最適化され、かつ、組織サンプルを視覚化するために使用された。 ( ホモ・サピエンス )、マウス( Mus musculus )、ラット( Rattus norvegicus )、ブタ( Sus scrofa domestica )フェレット( Mustela )から採取した皮膚、肝臓、膵臓、腎臓、甲状腺、心臓、 ( Drosophila melanogaster )、およびゼブラフィッシュ( Danio rerio )のような魚類が含まれる。結果はほとんどの標本( 図4 アニメーション1など )では優れていましたが、3 x 3 x 3 mm 3より大きい皮膚の中央部分(表皮付き)および脳標本は、エオシンの不十分な浸透のためにしばしば染色されずに残っていましたこれらの組織。
プロトコル1.3は、繊維状有機材料を処理するために最適化され、コート紙、コーティングされていない紙、天然の真皮代替材料および幹細胞播種された真皮代替材料の繊維構造を視覚化するために用いられた。これらのサンプルは簡単かつ迅速に処理できました。コーティングされていない紙およびほとんどの皮膚代替物のデータは良好な品質であった( 図5 、 アニメーション2 )。無機材料がエオシンの浸透を妨げると、コート紙の処理に問題が生じた。別の問題は、浸透溶液によって部分的に消化されたため、寒天を基礎にして皮膚を代用するときに発生しました。
図1:ワークフロー。赤いボックスに示されているステップは、サンプルの特性に応じて変更する必要があります。緑色のボックスの手順は、すべてのサンプルにおいて同様である。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図2:カスタマイズされた金型。金型は、元の金型に穴を切って、パスツールピペットの球を挿入し、モデリング材料でそれを密封することによって適合させることができる。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図3:例示的に視覚化された胚。 (A、B)胚の日に採取したマウス胚、E = 9.5。 HREM断面画像を(A)に、 。表面を示す体積レンダリングされた3Dモデルが(B)に示されている。 (C) E15.5マウス胚の頸部のボリュームレンダリングモデルによる仮想矢状断面。 (D)発生Hamburger Hamilton(HH)段階でのニワトリ胚18.すべての胚組織のボリュームレンダリングと組み合わせた心血管コンポーネントの管腔の表面モデル。スケールバー=200μm。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図4:典型的に視覚化された成人組織サンプル。 (A)人間の神経を通したHREM切片像の一部。インレイは、イメージのセクションをより詳細に示します。 (B)ブタ肝臓を通したHREM切片画像の一部。 nに注意してくださいuclei。 (C)ヒトリンパ組織のHREM切片画像の一部。 (D、E)人間の親指パッドの厚い肌。全体の生検のボリュームレンダリングされた3Dモデル。 (D) HREMデータ(E)による仮想切除の前の動脈、静脈、および神経の表面レンダリングされたモデル。 (F)成体マウス組織における実験的腫瘍。ボリュームレンダリングされた3Dモデルは、HREMデータを介して3つの仮想セクションの前にレンダリングされます。壊死部分(矢頭)に注意してください。スケールバー=200μm。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
図5:例示的に視覚化された繊維材料。 (A、B) HREMセクションのコートされていない、茶色の用紙の画像。 (B) は(A)のセクションを示しています。繊維とその内腔に注意してください。 (C)コート紙のHREMセクション。繊維は染色されないままであることに留意されたい。 (D)天然の代用材料の体積表示モデル。ファイバーの異なる口径と形状に注意してください。スケールバー=100μm。 この図の拡大版を見るには、ここをクリックしてください。
アニメーション1:人間の親指パッドの太い皮のボリュームレンダリングモデル。組織ブロックのサイズは、約4.2×2.7×2.7mm 3である 。ボクセルのサイズは1.07×1.07×2μm3です。 このビデオを見るにはここをクリックしてください。 (右クリックしてダウンロードしてください)
HREMは、生物医学および産業分野で使用される広範囲の有機材料を視覚化するのに理想的な、非常に堅牢な顕微鏡法である18,21,26,27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37 、 38,39,40 。それは、発達障害メカニズム(DMDD)プログラム41,42によって現在使用されているように、独占イメージングモダリティとして使用することができる、 43,44またはマルチモーダルイメージングパイプライン45の統合部分として使用することができる。
完全に機能するHREMデータ生成装置は、従来の実験室構成要素から組み立てることができ、電動ミクロトーム、顕微鏡、電動クロステーブル、および適切なソフトウェア25を備えたコンピュータを含む。定義された位置で各セクションの後に再現可能に停止するブロックホルダーと、光路内のGFPフィルターキューブを備えたミクロトームを使用することが重要です。ただし、完全に機能するオールインクルーシブソリューションは、Indigo Scientificなどの企業から購入できます。
HREMは、切片作成または切片マウント中にアーチファクトが導入されないことを除いて、すべての組織学的技術と同じ制限に直面する。しかし、切片化する前に標本を染色する必要性から生じる制限があります。埋め込み材料の特性から決定する。十分な組織のコントラストを得るためには、標本全体を通してのエオシンの浸透が必要である。脂肪組織および無機物質は、エオシンの浸透を効果的に妨げ、この結果、物体の中心に染色されていない組織が生じる。特別な固定剤を使用すると、皮膚の標本を汚すのに役立ちますが、問題を完全に解決するための適切な方法はまだありません。もう1つの制限は、2cmよりも高くブロックする樹脂が切断中に破損する傾向があることである。これは、試料と加工部品を別々に切断することによって部分的に回避することができます。
埋め込みの間に金型内の不規則な表面を有する小さなサンプルまたはサンプルの正しい位置決めが問題となることが多い。アガロースでサンプルをカバーし、プロトコルに記載されているようにアガロースブロックを処理すると、通常この問題が解決されます19 。別の方法は、ブロックが部門間に壊れた場合に役立ちます既に硬化したブロックをそのホルダーから取り外し、前述の埋め込み手順に従って新たに埋め込むことである。
典型的なHREMデータセットは、500から3,000の単一画像を含む。その数値分解能は、連続画像間の距離( すなわち 、断面厚さ)、カメラターゲットの特性、および利用される光学系の特性によって決定される。提示されたプロトコールはアーチファクト20,46からの輝きを完全に排除するものではないが、1μm〜5μmの断面厚さを使用し、良好な結果を達成した。これらのアーチファクトは、ブロック内部の深部に位置する激しく染色された組織によって引き起こされ、その結果ブロック表面上の組織情報のぼけが生じる。
カメラの目標寸法は、2,560×1,920ピクセル2,2048×2,048ピクセル2,4,096×4,096ピクセル2であり、コンビネーション1.25倍、2.5倍、5倍、10倍、20倍の対物レンズを搭載しています。これは、0.18×0.18μm2と5.92×5.92μm2の間の数値ピクセルサイズをもたらし、これは、組織構造および細胞形状の3D解析、ならびに核の視覚化に十分であることが判明した。高い数値分解能が与えられれば、他の細胞オルガネラも同様に可視であるべきである。単純なエオシン染色のためにコントラストが不十分であり、目的物の光学特性が構造を識別する可能性を劇的に低下させる。開口数を考慮したHREMデータの最大真の空間分解能はおよそ1 x 1 x 1μm3であるため、およそ3 x 3 x 3μm3を超える構造の有効な識別が可能になります。
すべてのデジタル画像技術に共通する問題は、視野の大きさと、表示可能な標本の部分を定義するカメラターゲット上のd、および画像の数値解像度。視野が広いほど、可能な限り最大の数値分解能が得られます46 。ここで使用するHREM設定では、0.18 x 0.18μm2および12.12 x 12.12 mm 2 (1.25X対物レンズ)の数値分解能で表示された0.74 x 0.74 mm 2 (20X対物レンズ) 2.96×2.96μm2の数値分解能。代替の商業化されたセットアップは、より大きな視野を提供することができますが、真の解決を犠牲にします。それにもかかわらず、DMDDプログラム47のホームページに表示されるデータから明らかなように、優れた結果を提供する。
著者は何も開示することはない。
著者はTim Mohunに、サンプルを提供するためのHREMとPetra Heffeterの開発に貢献してくれたことに感謝します。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
JB-4 Plus Embedding Kit | Polysciences Europe GmbH | 18570-1 | includes Benzoyl Peroxide, Plasticized (Catalyst) and Solution A+B |
Polyethylene Molding Cup Trays, 6 x 8 x 5 mm hexagon (9 cavities) | Polysciences Europe GmbH | 17177A-3 | |
Polyethylene Molding Cup Trays, 13 x 19 x 5 mm (9 cavities) | Polysciences Europe GmbH | 17177C-3 | |
JB-4 Plastic Block Holders | Polysciences Europe GmbH | 15899-50 | |
Eosin | Waldeck GmbH & Co. KG, Division Chroma | 1A-196 | |
Microtec CUT 4060E | rotary microtome | ||
Leica DM LM, fluorescence compound microscope | Leica Mikrosysteme Handelges.m.b.H | ||
GFP filter set | Leica Mikrosysteme Handelges.m.b.H | 11090937180000 | |
Motorised cross table | Walter Uhl, technische Mikroskopie GmbH & CO. KG | KT5-LSMA | |
Digital video camera SPOT-FLEX | Visitron Systems GmbH. | ||
precisExcite High-Power LED | Visitron Systems GmbH. | light source | |
VisiView 2.1.4 | Visitron Systems GmbH. | Image capturing software | |
Hard metal knife (tungsten carbide), profile D | Leica Mikrosysteme Handelges.m.b.H | ||
KL 2500 LCD | Schott AG | light source |
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