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ヒトの眼の網膜から網膜色素上皮(RPE)を効率的に分離し、RPEの組織学的および形態学的解析のためにRPE/脈絡膜フラットマウント全体を生成する方法について説明します。
網膜色素上皮(RPE)と網膜は、機能的および構造的に接続された組織であり、光の知覚と視覚を調節するために連携して機能します。RPE頂端表面のタンパク質は、視細胞外側セグメント表面のタンパク質と密接に関連しているため、RPEを光受容体/網膜から一貫して分離することは困難です。ヒトの眼のRPEから網膜を効率的に分離し、光受容体とRPE細胞を別々の細胞解析のために完全なRPE/脈絡膜および網膜フラットマウントを生成する方法を開発しました。RPEによって輸送されない糖であるD-マンニトールの高浸透圧溶液の硝子体内注射は、RPE細胞接合部に損傷を与えることなく、後房全体にわたってRPEと網膜の分離を誘導した。網膜に付着したRPEパッチは観察されなかった。アクチンのファロイジン標識はRPE形状保存を示し、上皮全体の形態測定分析を可能にした。人工知能(AI)ベースのソフトウェアが開発され、RPEセルの境界を正確に認識してセグメント化し、30の異なる形状メトリックを定量化しました。この解剖法は再現性が高く、他の動物モデルにも容易に拡張することができます。
網膜色素上皮(RPE)と神経網膜は、光受容体のRPEへの強い生理学的依存性のために、互いに強く相互接続されています。解剖中、RPEからの神経網膜の機械的分離はRPE細胞の裂傷を引き起こし、RPEの頂端部分は網膜光受容体の外側セグメントに付着したままである。RPEと網膜の癒着の程度は非常に大きいため、分離後に網膜に残る色素の量を使用して、網膜の癒着の強さを定量化します1。具体的には、頂端側に位置するRPEタイトジャンクションとそれらをつなぐアクチン構造は、機械的分離中に切断される。したがって、細胞境界のRPEフラットマウントを染色すると、多くの細胞に境界が欠落している斑状の単分子膜が得られます。この効果は、タンパク質が架橋されるようになるにつれて、解剖前に組織がパラホルムアルデヒド(PFA)で固定されると悪化する。
硝子体内薬物送達に関する研究は、後房への高浸透圧溶液の注射が網膜剥離を誘発することを示した2,3。これらの実験では、1,000 mOsmから2,400 mOsmの範囲の50 μLの異なる溶液を硝子体中央部に注入すると、数分以内に網膜剥離を引き起こしました。特に、高浸透圧溶液に長時間さらされた後でも、RPEタイトジャンクションはウサギとサルの両方の目の透過型電子顕微鏡画像に無傷で現れました3。同様の戦略に従って、RPE解離を行う前に、D-マンニトールの高浸透圧溶液を硝子体中部に注入して、効率的な網膜剥離を誘導しました。D-マンニトールはRPE4によって輸送されないため、硝子体内濃度が高く維持され、浸透圧勾配が生成されます。後房全体にわたるRPEと網膜の効率的な分離は、RPE細胞接合の保存を保証し、フラットマウント全体のRPE形態測定の研究を可能にします。さらに、蛍光標識されたRPE細胞の境界を認識してセグメント化し、30の異なる形状メトリックを定量化し、視覚化のために各メトリックのヒートマップを生成する人工知能(AI)ベースのソフトウェアを開発しました5,6。
死体の人間球は、Advanced Sight Network(アラバマ州バーミンガム)から入手しました。死体組織で行われた作業は、NIH治験審査委員会によって研究倫理委員会から免除されます。
1.アイグローブの出荷
2.シリコーン型の準備
3. RPE解剖
4.染色
5. REShAPE分析
注:REShAPE AIベースのアルゴリズムは10倍と20倍の画像でトレーニングされているため、画像撮影時には 10倍または20倍の対物レンズを使用することを強くお勧めします 。そうでない場合は、それに応じて画像を再スケーリングする必要があります。
図1:REShAPEグラフィカルユーザーインターフェイス。 GUI には、作業ディレクトリの選択 ([ディレクトリ ] タブ)、セグメンテーション オプションの変更 ([NN セグメンテーション オプション] タブと [ タイル イメージ オプション] タブ)、解析のパラメーターの指定 ([解析のセル サイズ制限 ] タブと [ 自動単位変換 ] タブ)、およびヒートマップ生成 ([出力グラフィックス オプション] タブ) を行うためのさまざまなタブがあります。省略形: GUI = グラフィカル ユーザー インターフェイス。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
このプロトコルにより、フラットマウントのシングルプレーン画像が作成され、正しく識別されたRPEセルごとにセルの位置と30の形状メトリックが測定されます(図2)。入力ディレクトリ内に「処理済み」という名前のフォルダが自動的に生成されます。このフォルダーには、「分析」、「色分け」、「結合ファイル」、「セグメント化された画像」という名前の 4 つのサブディレクトリと、分析中に生成されたいくつかの一時ファイルが含まれています。「結合されたファイル」フォルダには、すべての形状測定値を含むスプレッドシートと、結合されたすべてのファイルのセル近傍数の頻度を含むスプレッドシートが含まれています。「分析」フォルダには、すべての形状測定値を含むスプレッドシートと、各画像のセル近傍数の頻度を個別に含むスプレッドシートが含まれています。「セグメント化された画像」ディレクトリには、RPEセルの境界線の最後のバイナリマスクが含まれています。セグメンテーションの品質を評価するために使用できます。「色分け」ディレクトリには、各画像の形状パターンを視覚化するための各形状測定のヒートマップが含まれています。形状メトリックの定義と略語は 、表 1 に記載されています。
RPEフラットマウントには、特に視神経の周りで、きれいに除去されなかった網膜の残留片が含まれている場合があります。サンプルのファロイジン染色は、網膜からの強いシグナルをもたらし、これはRPE細胞境界セグメンテーションに問題を引き起こす可能性があります。一部のタイルは完全に黒で表示されますが、周囲のタイルは通常のセグメンテーションを示します。画像に存在する可能性のある他の明るいオブジェクトも、黒いタイルの生成を引き起こします(図3)。このような場合、[Arti Filter]ドロップダウンメニューで使用可能なフィルタリングオプション(弱、通常、強)のいずれかを選択すると、黒いタイルの形成を防ぐことができます。
REShAPE は、8 ビットまたは 16 ビットのグレースケール画像を入力として受け取りますが、RGB 画像は受け取りません。REShAPE分析にRGB画像を使用すると、完全に黒いバイナリ画像が生成されます。この場合、RGB画像をグレースケールに変換すると、正しくセグメント化されたバイナリ画像が生成されます(図4)。染色が最適でない場合や、サンプルが傷によって損傷した場合(図5A)、細胞の大きな塊が単一の非常に大きな細胞として識別される場合があります(図5B)。この場合、セルサイズの閾値を小さくすることで、大きなオブジェクトを解析から除外できます(図5C)。これは、[上限セル サイズ] テキスト ボックスに小さい値を挿入することで実現できます。ただし、これによりヒートマップの範囲が変更されます。研究者がそうすることを選択した場合、手動制限の使用の[はい]チェックボックスをオンにすることで、元のヒートマップ範囲(図5D)を維持することもできます。その後、研究者は[制限の設定]ボタンを左クリックし、テキストボックスに目的の値を挿入して、手動の制限を指定する必要があります。
図2:ヒトRPE単層全体の完全な形態測定解析。 (A)ヒトRPE/脈絡膜フラットマウント全体の低倍率図(マゼンタ:ファロイジン)。(B)ファロイジン染色RPE細胞のズームインビュー。(C)REShAPEが生成したヒトRPE /脈絡膜フラットマウント全体のRPE細胞境界のセグメンテーション、および(D)対応するズームインビュー。(E)人間のフラットマウント全体における個々のRPEセルのセル領域を示すソフトウェア生成ヒートマップ。左上隅の温度スケールは、使用される値の範囲を示します。(F)領域によって色分けされた個々のRPEセルを示す対応するズームインビュー。スケールバー = (B、D、F) 50 μm、(A、C、E) 5 mm。略称:RPE =網膜色素上皮。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図3:明るいアーティファクトのフィルタリング。 (A)細胞境界(マゼンタ:ファロイジン)で染色されたヒトRPEフラットマウントは、セグメンテーションを妨げる明るい領域(緑色の長方形)を示す可能性があります。(B)フラットマウント全体のRPE細胞境界セグメンテーションには、蛍光の明るい領域に対応する3つの完全に黒いタイル(緑色の矢印)が含まれています。(C,E)黒いタイルのうち2つは、明るい点を含む領域に対応しており、おそらく破片です。(D)黒いタイルの1つは、視神経の周りの神経網膜片によって生成され、正しく除去されませんでした。神経網膜の断片はRPE層よりもかなり明るく、細胞のセグメンテーションを妨げます。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図4:入力画像の必要条件。 細胞境界について染色されたRPE細胞は、REShAPE分析のために(A)RGBまたは(B)グレースケール16ビット画像として保存されました。(C)RBG画像解析の出力は黒バイナリ画像であり、(D)グレースケール画像の解析はセル境界の正しくセグメント化されたバイナリを生成する。REShAPEは、8ビットまたは16ビットのグレースケール画像のみを分析できます。スケールバー= 50μm。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
図5:最適ではない結果 。 (A)ファロイジンで染色した細胞が誤って傷ついたRPE単分子膜の一部の画像。(B)セル面積の次元で色分けされたRPEセルのヒートマップ。セル サイズの上限閾値が大きい場合は、解析に大きなオブジェクトが含まれます。(C) 解析から大きなオブジェクトを除外するために、セル サイズの上限閾値を小さく選択したセル領域のヒートマップ。(D)セル領域のヒートマップで、セルサイズの上限しきい値を小さくし、手動で制限を設定して、元々使用されていたヒートマップ範囲を維持します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。
表 1: REShAPE パラメータ。 この表には、各パラメータの定義と、生のスプレッドシート(「_Data.csv」ファイル)およびヒートマップで使用される略語が報告されています。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。
ヒトRPEと網膜の一貫した効率的な分離は、このプロトコルを使用して達成できます。この方法により、ヒト網膜全体にわたるRPE形状の地域差の研究が可能になります5。プロトコルの重要なステップは、RPEと網膜の物理的な分離です。2つの組織が一部の領域で完全に剥離していない場合は、網膜を静かに持ち上げて、組織を壊さないようにする必要があります。大型フラットマウントのREShAPE解析では、かなりのRAMリソースを備えたシステムの使用が必要になる場合があります。この場合、画像全体の再構成を無効にして、処理リソースが不足しているにもかかわらず、ソフトウェアが分析を正常に完了できるようにすることができます。
REShAPEを使用してヒトRPEフラットマウントをセグメント化することの主な制限は、AIアルゴリズムが主に人工多能性幹細胞由来RPEの画像でトレーニングされたことです。その結果、人間のRPEフラットマウントのセグメンテーションの精度が低下します。高齢ドナー由来のRPE細胞には大量のリポフスチン7が含まれており、その自家蛍光の広いスペクトルが細胞境界セグメンテーションを妨げます。将来的には、この種のサンプルの細胞境界セグメンテーションを改善するために、RPEフラットマウントのより多くの画像が使用される予定です。この制限にもかかわらず、REShAPEはRPE細胞の境界を認識してセグメント化するように特別に訓練されており、RPE細胞のボロノイ8 やセルプロファイラー9 セグメンテーションなどの他の既存の方法よりも優れたパフォーマンスを発揮します。
さらに、手動セグメンテーション10と比較して、REShAPEは大きな画像を迅速に分析できるという利点があります(~130,000ピクセルx 130,000ピクセルがテストされました)。結論として、この解剖方法は再現性が高く、他の動物モデルに容易に拡張することができます。さらに、このソフトウェアを使用して、目のフラットマウントまたは細胞培養モデルでRPE形状を研究し、特定の治療の効果を調べることができます。最後に、REShAPEの汎用性により、他のタイプの上皮細胞の分析に広く適用できます。
著者は開示する利益相反を持っていません。
Zeiss Axio Scan.Z1を使用してくださった国立眼科研究所(NEI)の組織学コアに感謝します。また、寄付者とその家族、アドバンス・サイト・ネットワーク、ライオンズ眼科研究所の寛大さにも感謝します。この作業は、NEI IRP基金(助成金番号ZIA EY000533-04)によって支援されました。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Biopsy punch 1.5 mm | Acuderm Inc. | P1525 | |
Bovine albumin | MP Biomedicals | 160069 | |
Coverglass 50 x 75 mm, #1.5 thickness | Brain Research Laboratories | 5075-1.5D | |
Curved spatula | Katena | K3-6600 | |
D-Mannitol | Sigma | M9546 | |
DPBS 1x with Ca2+ and Mg2+ | Gibco | 14040-133 | |
Fine Scissors | Fine Science Tools | 14558-11 | |
Fluormount-G | Southern Biotech | 0100-01 | |
Forceps - Dumont #5 | Fine Science Tools | 11252-23 | |
Microscope slides 50 x 75 x 1.2 mm | Brain Research Laboratories | 5075 | |
Needles 21 G x 1-1/2" hypodermic | Becton Dickinson (BD) | 305167 | |
Needles 27 G x 1-1/4" hypodermic | Becton Dickinson (BD) | 305136 | |
Paraformaldehyde 16% | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
Petri dish 100 mm | Corning | 430167 | |
Phalloidin-iFluor 647 | Abcam | ab176759 | |
Razor blades | PAL (Personna) | 62-0177 | |
Round bottom tubes 50 mL | Newegg | 9SIA4SR9M88854 | |
Silicon Elastomer Kit | Dow Corning Corporation | 4019862 | |
Square weighing boat (81 mm x 81 mm x 25 mm) | Sigma | W2876 | |
Surgical Vitrectomy System | BD Visitrec | 585100 | optional |
Syringe 1 mL | Becton Dickinson (BD) | 309659 | |
Triton X-100 | Sigma | T9284 | |
TrueBlack | Biotium | 23007 | autofluorescence quencher |
Tween 20 | Affymetrix | 20605 | |
Vannas Spring Scissors - 3 mm cutting edge | Fine Science Tools | 15000-10 |
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