В настоящем исследовании описаны основанные на децеллюляризации методики визуализации и количественной оценки отложения внутримышечной жировой ткани (IMAT) через интактный мышечный объем, а также количественная оценка показателей отдельных адипоцитов, составляющих IMAT.
Жировая инфильтрация представляет собой скопление адипоцитов между миоволокнами в скелетных мышцах и является характерной чертой многих миопатий, метаболических нарушений и дистрофий. Клинически в человеческих популяциях жировая инфильтрация оценивается с помощью неинвазивных методов, включая компьютерную томографию (КТ), магнитно-резонансную томографию (МРТ) и ультразвуковое исследование (УЗИ). Несмотря на то, что в некоторых исследованиях использовалась КТ или МРТ для количественной оценки жировой инфильтрации в мышцах мышей, стоимость и недостаточное пространственное разрешение остаются сложной задачей. Другие методы мелких животных используют гистологию для визуализации отдельных адипоцитов; Однако эта методология страдает от систематической ошибки выборки при гетерогенной патологии. Этот протокол описывает методологию качественного просмотра и количественного измерения жировой инфильтрации комплексно по всей интактной мышечной мышце мыши и на уровне отдельных адипоцитов с помощью децеллюляризации. Протокол не ограничивается конкретными мышцами или конкретными видами и может быть расширен на биопсию человека. Кроме того, валовая качественная и количественная оценка может быть проведена с помощью стандартного лабораторного оборудования за небольшую плату, что делает эту процедуру более доступной для исследовательских лабораторий.
Накопление адипоцитов между миоволокнами в скелетных мышцах является характерной чертой различных заболеваний, от диабета 2 типа до саркопении и травм опорно-двигательного аппарата 1,2,3,4,5,6,7. Комплексная оценка этой внутримышечной жировой ткани (ИМАТ) имеет решающее значение для понимания патогенеза этих состояний, поскольку отложение ИМАТ сильно коррелирует с резистентностью к инсулину 3,8,9,10 и плохой функцией скелетных мышц 11,12,13,14,15 . Несмотря на то, что эти связи отмечались на протяжении десятилетий, механизмы, связанные с IMAT и их происхождение, до сих пор остаются предметом интенсивных исследований. Отчасти это связано с тем, что большинство исследований, оценивающих жировую инфильтрацию скелетных мышц, были проведены на людях, где механистические исследования ограничены16,17. Тем не менее, в последнее время модели мелких животных, включая мышей, были использованы для того, чтобы помочь точно определить клеточную регуляцию развития IMAT и передачи сигналов18,19,20. Эта работа направлена на предоставление нового инструмента для использования на моделях мелких животных для качественной визуализации и количественной оценки жировой инфильтрации скелетных мышц.
Клинически в человеческих популяциях жировая инфильтрация оценивается с помощью неинвазивных методов, включая компьютерную томографию (КТ)6,21, магнитно-резонансную томографию (МРТ)16,17,22,23 и ультразвуковое исследование (УЗИ)17,24. Эти методы визуализации, как правило, определяют определенную область интереса (ROI) в мышце и получают срезы изображения в этой области, хотя также используются комплексные подходы25,26,27. Эти фрагменты изображения подвергаются качественной цветокоррекции6 и количественно оцениваются с помощью пиксельного порога28. Аналогичные подходы применялись у животных ранее29,30; Однако они дорогостоящие и требуют доступа к системам визуализации мелких животных. Пространственное разрешение с помощью КТ и МРТ также представляет собой серьезную проблему, поскольку они не могут разграничить адипоциты IMAT от скелетных мышечных волокон внутри воксела и вместо этого полагаются на субъективное разделение преимущественно мышечных областей и в первую очередь областей IMAT31,32. Таким образом, неспособность точно идентифицировать жировую или мышечную ткань также приводит к неточным количественным определениям репрезентативных количеств этих тканей.
Из-за этих ограничений современные методы оценки жировой инфильтрации скелетных мышц на моделях мелких животных чаще всего полагаются на гистологию в качестве недорогой и доступной альтернативы33,34. Стандартные процедуры окрашивания, включая гематоксилин и эозин (H&E), масляно-красный O (ORO) и иммуноокрашивание маркеров адипоцитов, таких как перилипин, позволяют легко обнаруживать и визуализировать адипоциты, содержащие жировую инфильтрацию в мышцах. Однако гистологические подходы редко бывают всеобъемлющими, и, как правило, качественная или количественная оценка IMAT ограничивается одним разделом34. Экстракция липидов также использовалась для количественного определения общих липидов мышц35; однако этот метод не позволяет провести различие между интрамиоцеллюлярными запасами липидов (IMCL) и внутримышечными запасами жировой ткани (IMAT)36. Подводя итог, можно сказать, что существующие методики визуализации и количественного определения жира в мышцах по-прежнему ограничены либо финансовыми затратами, либо специфическим выявлением IMAT.
В данной статье мы подробно опишем методику оценки жировой инфильтрации скелетных мышц как путем качественной визуализации, так и с помощью многомасштабной количественной оценки. Эта методика использует простую технику децеллюляризации, которая удаляет миоцеллюлярные структуры, включая IMCL, но сохраняет более крупные липидные капли, полученные из адипоцитов IMAT, нетронутыми. Валидация специфичности этого метода была опубликована37, в том числе с использованием липидной экстракции, чтобы показать истощение IMCL при децеллюляризации, μCT для демонстрации сохранения паттерна IMAT при децеллюляризации, и гистологии, чтобы показать аналогичное распределение липидных капель IMAT по размерам по сравнению с теми, которые идентифицированы при децеллюляризации. После децеллюляризации мышцы могут быть окрашены жирорастворимыми красителями для качественной визуализации рисунка и степени жировой инфильтрации и/или количественной визуализации отдельных липидных капель IMAT. Впоследствии красители могут быть экстрагированы с помощью изопропанола, а оптическая плотность (OD) полученного раствора может быть использована для оценки объема липидов IMAT. Строгая валидация этого метода была опубликована в другом месте37. В этой статье представлен подробный протокол использования этой методики с мышцами мыши и даны советы по устранению неполадок для поддержки внедрения этого метода в других приложениях, таких как мышцы других видов или другие ткани.
Уход за мышами и их жертвоприношение осуществлялись в соответствии с Руководством Национального института здравоохранения по использованию и уходу за лабораторными животными. Все работы были одобрены Комитетом по изучению животных при Вашингтонском университете в Медицинской школе Сент-Луиса. Для получения образцов изображений, включенных в этот протокол, использовали самцов мышей C57BL/6J в возрасте 2-3 месяцев (см. таблицу материалов). Все действия, описанные ниже, выполняются при комнатной температуре.
1. Мышечная децеллюляризация
2. Визуализация IMAT с масляно-красным O
3. Визуализация липидных капель IMAT с помощью BODIPY
ПРИМЕЧАНИЕ: Конфокальная визуализация наиболее эффективна при работе с тонкими мышцами, такими как EDL или диафрагма (толщина ~2 мм). В качестве альтернативы можно использовать полоски мышц сопоставимой толщины, такие как ТА.
4. Оценка общего объема липидов методом экстракции липидов
5. Количественная оценка показателей липидных капель IMAT по конфокальным изображениям
ПРИМЕЧАНИЕ: Для работы в этом разделе требуется доступ к ImageJ версии 1.47 (см. Таблицу материалов) или более поздней, а также базовые навыки работы с ImageJ40.
Качественная визуализация жировой инфильтрации скелетных мышц
Правильно децеллюляризованные мышцы белые и полупрозрачные (секция 1; Рисунок 1). Когда децеллюляризованные мышцы окрашиваются ORO для визуализации IMAT (раздел 2), липидные капли IMAT видны в прозрачных мышечных структурах в виде красных сфер (рис. 1). Здоровые мышцы задних конечностей мышей имеют мало естественного IMAT, о чем свидетельствует практически полное отсутствие красных ORO-положительных липидов (рис. 1A). Для сравнения, мышцы задних конечностей, которым вводят кардиотоксин (CTX; Рисунок 1Б) или глицерин (GLY; Рисунок 1В) За 14 дней до децеллюляризации наблюдается повышенное накопление IMAT, с большей концентрацией IMAT после CTX по сравнению с GLY, как отмечалось ранее37.
Неполная децеллюляризация может быть идентифицирована сразу после первоначальной обработки SDS или после вымывания окрашивания ORO в виде полупрозрачных светло-розовых волокон (Рисунок 2B в сравнении с Рисунком 2A). Неполный клиренс РВК может быть идентифицирован после вымывания РВК в виде розового или красного однородного фона, а не отдельных волоконных линий (рис. 2C). На рисунке 2A, B также изображен эпимышечный жир (звездочки), скопление липидных капель за пределами децеллюляризованной мышцы. На рисунке 2C также показано сгибание мышц, которое может произойти, если мышцы не раздвигаются во время децеллюляризации. Неполная децеллюляризация, неполный клиренс ОРО и остаточный эпимышечный жир искусственно увеличивают (OD) экстрагированного липида, но не обязательно препятствуют качественной оценке жировой инфильтрации, если они распознаются как артефакт.
Количественная визуализация жировой инфильтрации скелетных мышц
Флуоресцентно меченные липидные капли BODIPY могут быть визуализированы с помощью конфокальной микроскопии для более детальной оценки индивидуальных показателей и распределения липидных капель (рис. 3). Этот процесс является полуавтоматическим, как описано ранее, включая код Matlab37. Хорошее окрашивание по методу БОДИПИ приводит к получению ярких эллиптических форм, отличающихся от соседних фигур при изображении в плоскости (рис. 3A). Пороговые значения и сегментация по форме обеспечивают хороший первый проход для получения ROI для каждой липидной капли (рис. 3B), но для исправления ошибок необходимо ручное редактирование. Наиболее распространенной ошибкой являются липидные капли, которые находятся глубоко в тканях и, таким образом, не являются яркими ни на одном срезе (рис. 3B; розовые двойные стрелки). Это можно исправить, добавив ROI вручную с помощью инструмента Oval в ImageJ (рис. 3C) . Во-вторых, идентификация группы липидных капель как одного ROI (рис. 3B; красная звездочка). Это можно исправить, удалив и заменив исходный ROI несколькими новыми ROI (рис. 3D). Наконец, одна липидная капля идентифицируется как уникальный ROI в нескольких срезах, поэтому повторяющиеся ROI должны быть объединены в один ROI (рис. 3E; синяя стрелка). Проще всего это сделать с помощью инструмента обработки данных, такого как Matlab, но также можно сделать это вручную, определив наибольшую рентабельность инвестиций и удалив остальные. Средние значения для каждого показателя в мышах C57BL6/J и 129Sv можно найти в работе Biltz et al.37.
Рисунок 1: Пример окрашивания децеллюляризованных мышц в масляно-красный цвет O (ORO). Окрашенные ORO мышцы через 14 дней после инъекции физиологическим раствором (SAL), кардиотоксином (CTX) или глицерином (GLY). Мышцы-разгибатели пальцев (EDL) и передние большеберцовые мышцы (TA) имеют мало IMAT (красные сферы) при лечении SAL (A), но накапливают IMAT в ответ на лечение CTX (B) и GLY (C). Происходит полная децеллюляризация и вымывание ОРО, о чем свидетельствуют отчетливые ОРО-положительные липидные капли на прозрачном белом мышечном фоне. Масштабные линейки = 500 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 2: Примеры плохих результатов окрашивания ORO. Неполная децеллюляризация или неполный клиренс ORO приводит к полунепрозрачному розовому/красному фону. По сравнению с прозрачным белым фоном полностью децеллюляризованной мышцы диафрагмы мыши (А), неполная децеллюляризация характеризуется светло-розовыми/красными волокнистыми дорожками (В), а неполный клиренс ORO характеризуется диффузным розово-красным фоном (С). Масштабные линейки: верхние панели = 1 мм; Нижние панели = 500 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
Рисунок 3: Примеры идентификации отдельных липидных капель с помощью флуоресцентного окрашивания BODIPY и конфокальной микроскопии Отдельные липидные капли, окрашенные BODIPY, могут быть идентифицированы и количественно определены в децеллюляризованных мышцах с помощью конфокальной микроскопии. Отдельные срезы через конфокальный стек показывают липидные капли в плоскости в виде ярко-зеленых эллипсов, а липидные капли вне плоскости — в виде более слабых форм (А; синие стрелки). Пороговые значения в сочетании с сегментацией водосборных объектов и идентификацией ROI позволяют отображать ROI, окрашенные BODIPY (B). Пороговое значение может пропустить некоторые более слабые липидные капли (B; розовая двойная стрелка), требующие идентификации вручную (C). Сегментация водосборного бассейна может сгруппировать несколько липидных капель вместе (B; красная звездочка), что требует удаления ROI и повторной оценки вручную (D). Одна и та же липидная капля идентифицируется в нескольких срезах, требующих регистрации изображения (E) для удаления повторяющихся ROI. Масштабные линейки = 100 мкм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.
В данной статье описаны методы качественной визуализации и количественной оценки жировой инфильтрации скелетных мышц на моделях мелких животных, которые могут быть применены для дальнейшего понимания патогенеза развития и патологического расширения внутримышечной жировой ткани (ИМАТ). Использование цельномышечной децеллюляризации и жирорастворимого окрашивания позволяет использовать экономичную, воспроизводимую и простую методику для комплексной оценки наличия IMAT в целых мышцах.
В основе этого протокола лежит то, что децеллюляризация мышц с помощью SDS удаляет клеточные компоненты миоволокон, в том числе мелкие липидные капли IMCL, но щадит крупные липидные капли в интрамиоцеллюлярных адипоцитах. SDS широко используется в тканевой инженериидля децеллюляризации матриц. Такие ткани, как жировые и скелетные мышцы, обычно требуют дополнительной механической диссоциации и/или экстракции спиртом для удаления остаточного липида адипоцитов42,43. Ранее мы показали, что это связано с тем, что в то время как децеллюляризация с помощью SDS устраняет IMCL, она щадит крупную липидную каплю в адипоцитах37. Визуализация окрашенных тетраоксидом осмия интактных мышц до и после децеллюляризации с помощью микроКТ подтвердила, что пространственный паттерн IMAT не был нарушен децеллюляризацией. Кроме того, внутримышечное количественное определение триглицеридов в децеллюляризованной мышце с незначительным IMAT составило ~5% от интактных мышечных значений, что подтверждает удаление IMCL. Таким образом, данная методика сохраняет липидные капли IMAT в их первоначальном анатомическом распределении через полупрозрачный мышечный матрикс.
Правильная децеллюляризация является наиболее важным этапом в этом протоколе. Если децеллюляризация неполная, липидные капли IMAT будет трудно визуализировать, а остаточный IMCL вызовет высокое фоновое окрашивание либо ORO, либо BODIPY (рисунок 2). Распространенными ошибками неопытных пользователей являются недостаточное покрытие SDS на каждую мышцу (в каждой лунке), так что каждая мышца не полностью покрыта раствором SDS, отсутствие использования коромысла для перемешивания раствора во время децеллюляризации и недостаточно частая смена раствора. В этой рукописи мы рекомендовали количество SDS, необходимое на единицу мышечной массы, но пользователю все равно нужно будет убедиться, что мышцы полностью покрыты растворами, так как каждая мышца имеет уникальную геометрию. Пользователям также рекомендуется обильно менять растворы (до двух раз в день), чтобы обеспечить полную децеллюляризацию. Хорошее качество окрашивания липидных капель IMAT было достигнуто уже через 4 дня обработки SDS. Для получения качественных результатов окрашивания ORO также важна адекватная фиксация и приготовление раствора ORO. Аналогично описанному выше методу SDS, необходимо адекватное покрытие 3,7% раствора формальдегида для каждого образца мышцы. Если мышца будет удалена из фиксатора слишком рано, липидные капли будут слабо окрашиваться ORO. В общей сложности 1-2 ч должно быть достаточно, но рекомендуется ночная фиксация, чтобы закрепитель проник в центр мышцы и полностью зафиксировал все липидные капли. Дополнительная проблема при окрашивании ORO заключается в том, что при снижении концентрации спирта до 60% начинают образовываться твердые частицы. Эти частицы могут осесть на поверхности и застрять на границе мышцы. Лучший способ избежать этого — сделать свежий рабочий раствор для каждого окрашивания и использовать фильтры как 40 мкм, так и 0,22 мкм. Затем, поддерживая перемешивание с помощью коромысла и ограничивая время окрашивания до 10 минут, вы предотвратите оседание любых образующихся частиц. Если проблема не устранена, может помочь создание свежего решения для запасов РВК. Если какой-то артефакт остается прилипшим к децеллюляризованной поверхности мышцы, для удаления этого артефакта можно использовать стереомикроскоп, щипцы и хирургические ножницы. Неспособность устранить артефакты повлияет на качество изображения мышц и переоценит содержание IMAT во время экстракции липидов при подготовке к измерению OD.
В целом, этот метод прост и имеет ряд преимуществ по сравнению с методами золотого стандарта для визуализации и количественной оценки жировой инфильтрации скелетных мышц. Неинвазивные методы, такие как КТ, МРТ и УЗИ, которые широко используются на людях, а иногда и на животных моделях, имеют ограниченное пространственное разрешение и не способны отличить липидные капли от мышечных волокон. Таким образом, пиксель или воксель промежуточной интенсивности сигнала обозначается как «мышца» или «жир», в то время как на самом деле это, скорее всего, смесь миоволокон и адипоцитов. Чаще жировую инфильтрацию в мышцах животных оценивают с помощью гистологии, чаще всего с помощью ORO в мышечных криосекциях. Однако, как правило, это выполняется только в одном репрезентативном срезе, и его трудно количественно оценить из-за рассеяния липидов по срезу. В отличие от этого, окрашивание всей децеллюляризованной мышцы ORO обеспечивает всестороннюю оценку IMAT с теми же затратами и усилиями, что и интактная морфология. Кроме того, в дополнение к улучшению визуализации, ORO-окрашивание децеллюляризации позволяет количественно оценить жировую инфильтрацию путем липидной экстракции. Для более глубокого погружения в особенности жировой инфильтрации в сочетании с конфокальной микроскопией можно использовать флуоресцентный краситель BODIPY. Это позволяет реконструировать отдельные липидные капли IMAT для картографирования 3D-ландшафта, что невозможно при гистологии, если срезы не анализируются по всей длине мышцы. Несмотря на то, что конфокальный микроскоп не является стандартным лабораторным оборудованием, он с большей вероятностью будет доступен в университетских или промышленных условиях, чем МРТ или КТ мелких животных. Кроме того, большая часть этого процесса может быть автоматизирована, что снижает временные затраты по сравнению с последовательной гистологией. Оптимизация настроек конфокального микроскопа является дополнительным фактором при окрашивании по методу БОДИПИ. Они уникальны для каждого микроскопа. Критическим значением является интенсивность лазера, которая должна быть достаточно высокой, чтобы обнаружить липидные капли на дальней поверхности мышцы, но при этом не насыщать сигнал от липидных капель на ближней стороне. В связи с этим предполагается, что использование окрашивания BODIPY с конфокальной микроскопией лучше всего подходит для более тонких мышц, включая EDL или диафрагму.
Некоторые ограничения этого подхода заслуживают обсуждения. Во-первых, несмотря на то, что предполагается, что этот метод имеет широкое применение за пределами моделей травм (кардиотоксин и глицерин) у мышей, представленных здесь, новые приложения (например, модель mdx) могут потребовать оптимизации, поскольку размер и состав мышцы (например, фиброз) могут повлиять на децеллюляризацию, требуя увеличения концентрации SDS или инкубационного времени. Другие модели заболеваний с измененной мышечной массой также потребуют анализа как абсолютных, так и нормализованных (к мышечной массе) показателей жировой инфильтрации, чтобы определить абсолютное количество липидов или процентное соотношение липидов по отношению к мышечному объему, чтобы обеспечить более значимую оценку результата. Кроме того, ожидается, что этот метод будет широко применим к более крупным моделям животных и биопсии человека, но это может потребовать оптимизации для каждого нового применения. Во-вторых, в этой стратегии вся мышца должна быть посвящена этому анализу и не может быть использована для оценки другого патологического признака. Исследования, направленные на оценку продольных изменений IMAT, лучше подходят для неинвазивных методов визуализации, а исследования, основная цель которых требует использования мышцы для других целей (гистология, количественная полимеразная цепная реакция, вестерн-блоттинг), лучше подходят для гистологической оценки, поскольку оставшаяся часть замороженной мышцы может быть отнесена к другим анализам. Тем не менее, этот анализ хорошо подходит для сочетания с тестированием in vivo, таким как бег на беговой дорожке или сократительное тестирование ex vivo , поскольку эти меры могут быть проведены до децеллюляризации44. В-третьих, несмотря на то, что использование окрашивания BODIPY с конфокальной микроскопией обеспечивает визуализацию и количественное определение липидных капель с высоким разрешением, оно не может окончательно идентифицировать липидные капли как отдельные адипоциты, так как клеточная мембрана удаляется, а эндогенные белки адипоцитов теряются. Мультилокулярные адипоциты, представляющие собой незрелые адипоциты или фенотип «коричнево-бежевый», могут быть идентифицированы как множественные липидные капли. Наконец, протокол плохо работает на ранее замороженных мышцах. Эти ограничения, вероятно, наиболее серьезны для биопсии человека, поскольку, хотя вся биопсия может быть децеллюляризована, пространственное распределение IMAT в биопсии вряд ли будет более репрезентативным для всей мышцы, чем гистологический срез. Однако, поскольку этот метод относительно нечувствителен к условиям обработки незамороженной биопсии (например, часы на льду в PBS), биопсия может быть разделена позже для различных анализов, включая часть для децеллюляризации, что обеспечит лучшее разрешение отдельных липидных капель.
В заключение следует отметить, что был разработан новый метод качественного и количественного анализа жировой инфильтрации скелетных мышц путем окрашивания и визуализации сохраненного липида децеллюляризованных конструкций. Эта методология предлагает преимущества по сравнению с подходами золотого стандарта, поскольку она позволяет получить всестороннюю визуализацию трехмерной жировой инфильтрации в мышцах и быструю и дешевую количественную оценку с помощью окрашивания ORO. Для более детальных измерений второй жирорастворимый краситель БОДИПИ обеспечивает более детальную количественную оценку количества капель, объема и характера распределения липидов, полученных с помощью конфокальной микроскопии. Вместе эти меры дают исследователям возможность точно измерить жировую инфильтрацию скелетных мышц на уровне отдельных липидных капель без отбора проб или дорогостоящей неинвазивной визуализации.
Эта работа была поддержана R01AR075773 GAM.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.22 µm Syringe Filter | Fisher Scientific | SLGP033RS | |
1 mL LuerLock Syringes | Fisher Scientific | 14823434 | |
12 mm Coverslips | Fisher Scientific | 12545F | |
12 well plates | Fisher Scientific | 08-772-29 | |
24 well plates | Fisher Scientific | 08-772-1H | |
2-Propanol (Isopropanol) | Sigma Aldrich | I9516 | 0.5 mg/mL stock solution can be stored at room temperature for 1 month. Working solution must be made fresh. |
37% Formaldehyde Solution | Sigma Aldrich | 8187081000 | |
40 µm Mesh Filter | Fisher Scientific | 87711 | |
6 well plates | Fisher Scientific | 08-772-1B | |
96 well plates | Fisher Scientific | 08-772-2C | |
BODIPY 493/503 | Fisher Scientific | D-3922 | |
C57BL/6J Mice | Jackson Laboratory | 000664 | |
Confocal Imaging Dish | VWR | 734-2905 | |
Confocal Microscope | Leica | TCS SPEII | |
Dissecting/stereo Microscope | Zeiss | 4107009123001000 | |
Dissection scissors | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Dumont #5 forceps | Fine Science Tools | 11254-20 | |
Ethanol | Fisher Scientific | 033361.K2 | |
ImageJ | NIH | ||
Matlab | Mathworks | ||
Oil Red O Powder | Sigma Aldrich | O0625 | |
Plate reader | Bio-tek | Synergy II | |
Rocker/Shaker | Reliable Scientific | 55D | |
Sodium Dodecyl Sulfate (SDS) | Sigma Aldrich | L3771 | 1% Solution can be stored at room temperature for 1 month |
Transfer pipettes | Fisher Scientific | 137119D | |
Vannas spring scissors | Fine Science Tools | 15000-00 |
Explore More Articles
This article has been published
Video Coming Soon
ABOUT JoVE
Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved