Name: whole-kidney three-dimensional staining with cubic
Uploaded: 2022-07-18T13:00:00
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本研究の一部は、東京大学の上田宏樹教授、順天堂大学須崎悦夫教授、東北大学・田中哲弘教授、深川雅文教授、和田武彦博士、駒場博隆教授(東海大学)との共同研究によって行われました。

すべての実験は東京大学治験審査委員会の承認を受けました。すべての動物の手順は、国立衛生研究所のガイドラインに従って実施されました。8週齢の雄C57BL/6NJclマウスを本研究に用いた。マウスは市販の供給源から入手した( 材料表参照)。
1.動物の準備と腎臓の固定
<ol><li>以下の手順に従って灌流固定を行います。<ol><li>イソフルラン(3%、2.0 ...

<ol>
	<li>Velez-Fort, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+stimulus+selectivity+and+connectivity+of+layer+six+principal+cells+reveals+cortical+microcircuits+underlying+visual+processing.">The stimulus selectivity and connectivity of layer six principal cells reveals cortical microcircuits underlying visual processing.</a> Neuron. 83 (6), 1431-1443 (2014).</li><li>Susaki, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whole-brain+imaging+with+single-cell+resolution+using+chemical+cocktails+and+computational+analysis.">Whole-brain imaging with single-cell resolution using chemical cocktails and computational analysis.</a> Cell. 157 (3), 726-739 (2014).</li><li>Erturk, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Three-dimensional+imaging+of+solvent-cleared+organs+using+3DISCO.">Three-dimensional imaging of solvent-cleared organs using 3DISCO.</a> Nature Protocols. 7 (11), 1983-1995 (2012).</li><li>Tainaka, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chemical+Landscape+for+Tissue+Clearing+Based+on+Hydrophilic+Reagents.">Chemical Landscape for Tissue Clearing Based on Hydrophilic Reagents.</a> Cell Reports. 24 (8), 2196-2210 (2018).</li><li>Susaki, E. A., Ueda, H. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whole-body+and+whole-organ+clearing+and+imaging+techniques+with+single-cell+resolution:+toward+organism-level+systems+biology+in+mammals.">Whole-body and whole-organ clearing and imaging techniques with single-cell resolution: toward organism-level systems biology in mammals.</a> Cell Chemical Biology. 23 (1), 137-157 (2016).</li><li>Keller, P. J., Dodt, H. U. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Light+sheet+microscopy+of+living+or+cleared+specimens.">Light sheet microscopy of living or cleared specimens.</a> Current Opinion in Neurobiology. 22 (1), 138-143 (2012).</li><li>Susaki, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Advanced+CUBIC+protocols+for+whole-brain+and+whole-body+clearing+and+imaging.">Advanced CUBIC protocols for whole-brain and whole-body clearing and imaging.</a> Nature Protocols. 10 (11), 1709-1727 (2015).</li><li>Kubota, S. I., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whole-body+profiling+of+cancer+metastasis+with+single-cell+resolution.">Whole-body profiling of cancer metastasis with single-cell resolution.</a> Cell Reports. 20 (1), 236-250 (2017).</li><li>Hasegawa, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comprehensive+three-dimensional+analysis+(CUBIC-kidney)+visualizes+abnormal+renal+sympathetic+nerves+after+ischemia/reperfusion+injury.">Comprehensive three-dimensional analysis (CUBIC-kidney) visualizes abnormal renal sympathetic nerves after ischemia/reperfusion injury.</a> Kidney International. 96 (1), 129-138 (2019).</li><li>Hasegawa, S., Inoue, T., Inagi, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Neuroimmune+interactions+and+kidney+disease.">Neuroimmune interactions and kidney disease.</a> Kidney Research and Clinical Practice. 38 (3), 282-294 (2019).</li><li>Hasegawa, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+oral+hypoxia-inducible+factor+prolyl+hydroxylase+inhibitor+enarodustat+counteracts+alterations+in+renal+energy+metabolism+in+the+early+stages+of+diabetic+kidney+disease.">The oral hypoxia-inducible factor prolyl hydroxylase inhibitor enarodustat counteracts alterations in renal energy metabolism in the early stages of diabetic kidney disease.</a> Kidney International. 97 (5), 934-950 (2020).</li><li>Gage, G. J., Kipke, D. R., Shain, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whole+animal+perfusion+fixation+for+rodents.">Whole animal perfusion fixation for rodents.</a> Journal of Visualized Experiments. (65), e3564 (2012).</li><li>Hasegawa, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Activation+of+sympathetic+signaling+in+macrophages+blocks+systemic+inflammation+and+protects+against+renal+ischemia-reperfusion+injury.">Activation of sympathetic signaling in macrophages blocks systemic inflammation and protects against renal ischemia-reperfusion injury.</a> Journal of the American Society of Nephrology. 32 (7), 1599-1615 (2021).</li><li>Renier, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=iDISCO:+a+simple,+rapid+method+to+immunolabel+large+tissue+samples+for+volume+imaging.">iDISCO: a simple, rapid method to immunolabel large tissue samples for volume imaging.</a> Cell. 159 (4), 896-910 (2014).</li><li>Klingberg, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fully+automated+evaluation+of+total+glomerular+number+and+capillary+tuft+size+in+nephritic+kidneys+using+lightsheet+microscopy.">Fully automated evaluation of total glomerular number and capillary tuft size in nephritic kidneys using lightsheet microscopy.</a> Journal of the American Society of Nephrology. 28 (2), 452-459 (2017).</li><li>Zhao, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cellular+and+molecular+probing+of+intact+human+organs.">Cellular and molecular probing of intact human organs.</a> Cell. 180 (4), 796-812 (2020).</li><li>Susaki, E. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Versatile+whole-organ/body+staining+and+imaging+based+on+electrolyte-gel+properties+of+biological+tissues.">Versatile whole-organ/body staining and imaging based on electrolyte-gel properties of biological tissues.</a> Nature Communications. 11 (1), 1-22 (2020).</li></ol>

本プロトコルにより、交感神経、集合管、動脈、近位尿細管、糸球体などのさまざまな構造の腎臓全体の3Dイメージングが可能になりました9、10、11。この染色法は、糖尿病性腎疾患11の虚血再灌流障害後の腎交感神経の変化を可視化し、新たな生物学的発見をもたらした。<sup cl...

腎臓はさまざまな細胞集団で構成されています。従来の病理では腎臓の微小環境に関する多くの情報が得られますが、腎臓病進行時の細胞間クロストークを正確に理解するためには、3次元(3D)イメージングが必要です。従来、臓器全体の3Dイメージングには膨大な数の連続切片作成と画像再構成が必要でした1。しかし、この方法は手間がかかりすぎて再現性に問題がありました。
光学クリアリングは、このハードル2,3を克服するための優れた戦略です。組織の不透明度は、各臓器が水、タンパク質、脂質などのさまざまな物質で構成されているため、主に光の散乱と吸収によるものです。したがって、組織透明化の基本的な戦略は、組織内の水と脂質を、タンパク質4と同じ光学特性を持つ屈折率(RI)マッチング試薬に置き換えることです。透明な標本を観察するためには、ライトシート蛍光顕微鏡が有用である5。ライトシートは透明な試料を側面から照らし、励起信号は垂直位置6にある対物レンズを通して取得される。この顕微鏡は、共焦点または多光子蛍光顕微鏡とは異なる、単一のスイープで断面情報を取得します。したがって、低レベルの光退色でzスタック画像をすばやく取得できます。
透明で遮るもののない脳/身体イメージングカクテルおよび計算分析(CUBIC)は、ライトシート蛍光顕微鏡による全臓器イメージングを可能にする組織クリアリング方法の1つです2,7,8。CUBICおよびホールマウント免疫蛍光染色は、マウス腎臓の3D構造を視覚化するために本研究で最適化されています9、10、11。このホールマウント染色法を用いて、糖尿病性腎疾患11の早期虚血再灌流障害9,10および糸球体腫大後の腎交感神経の変化、ならびに腎臓全体の血管、近位尿細管、および集合管の変化を可視化します9。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>14 mL Round Bottom High Clarity PP Test Tube</td>
			<td>Falcon</td>
			<td>352059</td>
			<td>Tissue clearing, staining, wash</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2,3-dimethyl-1-phenyl-5-pyrazolone/antipyrine</td>
			<td>Tokyo Chemical Industry</td>
			<td>D1876</td>
			<td>CUBIC-R+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>37%-Formaldehyde Solution</td>
			<td>Nacalai Tesque</td>
			<td>16223-55</td>
			<td>Post fixation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>4%-Paraformaldehyde Phosphate Buffer Solution</td>
			<td>Nacalai Tesque</td>
			<td>09154-85</td>
			<td>Kidney fixation</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Flour 555-conjugated donkey anti-sheep IgG antibody</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A-21436</td>
			<td>Secondary antibody (1:100)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Alexa Flour 647-conjugated donkey anti-rabbit IgG antibody</td>
			<td>Invitrogen</td>
			<td>A-31573</td>
			<td>Secondary antibody (1:200)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-aquaporin 2 (AQP2) antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab199975</td>
			<td>Primary antibody (1:100)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-podocin antibody</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P0372</td>
			<td>Primary antibody (1:100)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-sodium glucose cotransporter 2 (SGLT2) antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab85626</td>
			<td>Primary antibody (1:100)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-tyrosine hydroxylase (TH) antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab113</td>
			<td>Primary antibody (1:100)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Anti-&#945;-smooth muscle actin (&#945;-SMA) antibody</td>
			<td>Abcam</td>
			<td>ab5694</td>
			<td>Primary antibody (1:200)</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blocker Casein in PBS</td>
			<td>Thermo Fisher Scientific</td>
			<td>37528</td>
			<td>Staining buffer</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Butorphanol Tartrate</td>
			<td>Meiji</td>
			<td>005526</td>
			<td>Anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>C57BL/6NJcl</td>
			<td>Nippon Bio-Supp.Center</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Mouse strain</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Imaris</td>
			<td>Bitplane</td>
			<td>N/A</td>
			<td>Imaging analysis software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Macro-zoom microscope</td>
			<td>OLYMPUS</td>
			<td>MVX10</td>
			<td>The observation unit of the custom-built microscope</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Medetomidine Hydrochloride</td>
			<td>Kyoritsu-Seiyaku</td>
			<td>008656</td>
			<td>Anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Midazolam</td>
			<td>SANDOZ</td>
			<td>27803229</td>
			<td>Anesthetic</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mineral oil</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M8410</td>
			<td>Immersion oil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>N-buthyldiethanolamine</td>
			<td>Tokyo Chemical Industry</td>
			<td>B0725</td>
			<td>CUBIC-L, CUBIC-R+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Nicotinamide</td>
			<td>Tokyo Chemical Industry</td>
			<td>N0078</td>
			<td>CUBIC-R+</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polyethylene glycol mono-p-isooctylphenyl ether/Triton X-100</td>
			<td>Nacalai Tesque</td>
			<td>12967-45</td>
			<td>CUBIC-L, PBST</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicon oil HIVAC-F4</td>
			<td>Shin-Etsu Chemical</td>
			<td>50449832</td>
			<td>Immersion oil</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sodium azide</td>
			<td>Wako</td>
			<td>195-11092</td>
			<td>Staining buffer</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

whole-kidney three-dimensional staining with cubic

従来の病理では腎臓の微細構造に関する情報が数多くありましたが、腎臓の血管、近位尿細管、集合管、糸球体、交感神経の正確な構造を知ることは、3次元(3D)情報が不足しているため困難でした。光学クリアリングは、この大きなハードルを克服するための優れた戦略です。組織クリアリングと3Dイメージング技術を組み合わせることで、臓器全体の複数の細胞を単一細胞分解能で解析できます。しかし、全臓器イメージングのための細胞標識法は未開発のままです。特に、ホールマウント臓器染色は抗体の浸透が難しいため困難です。本プロトコルは、CUBIC(透明で遮るもののない脳/身体イメージングカクテルおよび計算分析)組織クリアリング法による3Dイメージング用のホールマウントマウス腎臓染色を開発しました。糖尿病性腎疾患の早期における虚血再灌流障害後の腎交感神経除神経や糸球体腫大を総合的に可視化することが可能となりました。したがって、この技術は、巨視的な視点を提供することにより、腎臓研究における新しい発見につながる可能性があります。

この染色法を用いて、腎臓全体の交感神経[抗チロシンヒドロキシラーゼ(TH)抗体]および動脈[抗α平滑筋アクチン(αSMA)抗体](図4A、Bおよびビデオ1)を可視化しました9。虚血/再灌流障害(IRI)後の異常な腎交感神経も可視化されました9,10(図4C)。さらに、脾臓<sup class=...

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Whole-Kidney Three-Dimensional Staining with CUBIC

本プロトコルは、3次元(3D)腎臓イメージングのための組織透明化法およびホールマウント免疫蛍光染色を記載する。この技術は、腎臓病理学における巨視的な視点を提供し、新しい生物学的発見につながる可能性があります。

CUBICによる全腎三次元染色

Although conventional pathology provided numerous information about kidney microstructure, it was difficult to know the precise structure of blood ...

このプロトコルは、完全な腎臓の3次元構造の視覚化を可能にし、巨視的な視点を提供することにより、腎臓研究における革新的な発見につながる可能性があります。ホールマウント臓器染色は、抗体の浸透が難しいため困難です。このプロトコルは、抗体による腎臓の高品質でホールマウント染色を実証しています。まず、灌流固定と腎臓サンプリングの直後に、腎臓を4%パラホルムアルデヒドに摂氏4度で16時間浸漬して浸漬固定を行います。PBSを使用してそれぞれ2時間3回洗浄します。固定した腎臓を7ミリの50%CUBIC-Lに14ミリリットルの丸底チューブに浸し、室温で穏やかに振とうして脱色および脱脂プロセスを実行します。6時間後、14ミリメートルの丸底チューブに入った7ミリリットルのCUBIC-Lに腎臓を浸し、摂氏37度で5日間穏やかに振とうします。キュービック-Lを毎日リフレッシュしてください。脱色と脱脂が完了したら、サンプル処理にディスペンシングスプーンを使用し、腎臓をPBSで室温で2時間3回洗浄します。脱脂した腎臓を染色バッファー溶液で希釈した一次抗体で免疫染色し、摂氏37度のインキュベーターシェーカーで7日間穏やかに振とうします。次に、PBSTとしても知られるPBS中の0.5%Triton X-100で腎臓を室温で1日間洗浄します。二次抗体染色の場合は、腎臓を染色バッファー中の二次抗体で、暗所で、摂氏37度で7日間穏やかに振とうして処理します。PBST洗浄で室温で1日染色を修正します。固定後、腎臓をPB中の1%ホルムアルデヒドに3時間浸し、PBSで室温で6時間洗浄します。14ミリリットルの丸底チューブに7ミリリットルの50%CUBIC-R+に腎臓を1日振とうした後、7ミリリットルのCUBIC-R+で室温で2日間振とうして治療し、屈折率マッチングを行います。免疫染色法の助けを借りて、腎臓全体の交感神経と動脈を3D腎臓イメージングで視覚化しました。また,虚血再灌流障害後の腎交感神経異常を可視化した。このプロトコルはまた、脾臓全体の交感神経の視覚化を容易にしました。3次元免疫蛍光染色のためのデータ定量処理をここに表示した。さらに、集合管、近位尿細管のS1セグメント、および糸球体は、腎臓全体で首尾よく視覚化されました。糖尿病性腎疾患の初期段階での薬物投与に起因する糸球体腫大の抑制も、3Dイメージングで視覚化されました。このプロトコルは、腎臓全体の特定の分子を標識することができます。したがって、研究者は血管系の構造変化を分析したり、腎臓組織のまれなイベントを見つけることができます。

Research

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Medicine

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