本文介绍了一种完整全 retina 成像的实验方案,通过手术去除眼球外部不透明/含色素的组织层,并应用光学透明化技术使 retina 变得透明,从而可在完整 retina 中利用光片荧光显微镜实现周边 retina 及玻璃体血管系统的可视化观察。
方法文章
本文介绍了一种完整全 retina 成像的实验方案,通过手术去除眼球外部不透明/含色素的组织层,并应用光学透明化技术使 retina 变得透明,从而可在完整 retina 中利用光片荧光显微镜实现周边 retina 及玻璃体血管系统的可视化观察。
在生理和病理条件下,通过使用完整全视网膜成像技术,相较于传统的视网膜平铺制备和切片方法,能够更清晰地可视化和表征视网膜的神经元和血管结构。然而,完整全视网膜的免疫荧光成像受到眼球不透明外层(即巩膜、脉络膜和视网膜色素上皮层(RPE))以及视网膜各层光散射特性的阻碍,难以实现全层高分辨率光学成像。已有研究采用化学漂白色素层和组织透明化技术来克服这些障碍;但目前报道的方法尚不适用于在完整全视网膜中对绿色荧光蛋白(GFP)等内源性荧光分子进行成像。其他方法通过手术去除色素层及眼球前段以实现完整眼球成像,从而规避了这一限制,但会破坏周边视网膜和玻璃体结构。本文介绍一种结合巩膜/脉络膜/视网膜色素上皮层(RPE)的手术解剖、改良的组织透明化方法以及光片荧光显微镜(LSFM)的完整全视网膜及玻璃体免疫荧光成像方案。该新方法提供了前所未有的视网膜结构观察视野 视网膜中未受干扰的血管和神经结构,以及在病理状态下玻璃体和玻璃体血管系统。
在健康和疾病状态下,视网膜神经元与血管成分之间的相互作用传统上通过免疫荧光技术对石蜡包埋或冷冻固定的视网膜组织切片,或视网膜铺片进行研究1。然而,组织切片会破坏视网膜神经元和血管的连续性,尽管可通过相邻视网膜切片的三维重建来部分弥补,但该方法仍存在误差和人为假象。视网膜铺片制备也会显著破坏视网膜血管和神经元结构的完整性,以及相邻视网膜区域之间的空间连接关系2。作为替代方法,近年来已引入完整全视网膜成像技术,以在天然解剖位置下可视化视网膜神经元和血管成分的三维投射结构2,3,4,5。
在完整全视网膜成像中,使用光片显微镜捕获完整全视网膜相邻区域(图块)中血管和神经元结构的荧光信号;随后将这些图块“拼接”在一起,以重建整个全视网膜的三维图像2,3,4,5,6。完整全视网膜成像为研究视网膜血管性疾病、变性性疾病和炎症性疾病的发病机制提供了前所未有的观察视角2,3,4,5,6。例如,Prahst 等人通过完整全视网膜的活体成像,在氧诱导视网膜病变(OIR)模型中揭示了病理性血管簇此前未被充分认识的“打结样”形态、异常的细胞运动性以及丝状伪足动态的改变2。类似地,Henning 等人、Singh 等人以及 Chang 等人展示了完整全视网膜中复杂的三维视网膜血管网络3,4,6。Vigouroux 等人采用完整全眼球成像方法,揭示了围产期视网膜结构及其视觉投射的组织特征5。为了实现对视网膜如此卓越的三维可视化,完整全视网膜成像技术已克服了两个主要限制:1)眼球不透明且具色素的包膜(巩膜、脉络膜和视网膜色素上皮层,RPE);2)由于视网膜核层和网状层的光散射特性,导致光线难以穿透整个视网膜厚度。Henning 等人和 Vigouroux 等人应用 H2O2 漂白脉络膜/RPE 色素,从而实现对完整视网膜的成像3,5。然而,漂白法不适用于具有内源性荧光蛋白(如绿色荧光蛋白,GFP)的动物品系,或在体内免疫荧光染色后的样本3,5,7。此外,Henning 等人采用的 H2O2 处理方法在水相条件下进行,可能产生微气泡,导致视网膜脱离。而且,H2O2 处理在 55 ˚C 下进行,该条件会进一步降低组织对抗体的结合能力。此外,漂白可能因黑色素氧化而引入强烈的自发荧光8。其他用于眼组织切片的脱色素方案使用高锰酸钾和草酸,虽可去除胚胎组织切片中的 RPE 色素,但该脱色素方法也被证明会降低免疫标记的效率9,10。作为漂白的替代方法,Prahst 等人、Singh 等人和 Chang 等人通过去除巩膜、脉络膜和角膜,使整个视网膜能够被显微镜光线穿透2,4,6。然而,去除角膜、晶状体和周边视网膜可能会扭曲或破坏周边视网膜及玻璃体血管,使得这些方法不适用于对周边视网膜和玻璃体血管系统的研究。
目前所有可用的完整眼球成像方案均包含组织光学透明化步骤,以克服视网膜各层对光的散射特性2,3,4,5。组织光学透明化通过均一化特定组织(此处为视网膜)中所有细胞及细胞间成分的折射率,使视网膜对显微镜光源透明,从而最大限度地减少光的散射和吸收11。由于眼球的色素层(脉络膜和视网膜色素上皮层,RPE)难以被充分透明化,因此在对视网膜进行光学透明化处理前,应先去除或漂白脉络膜和RPE6,12,13,14,15,16,17,18。
在研究早产儿视网膜病变(ROP)、永存胎儿血管(PFV)、Norrie病和Stickler病等病理状态下玻璃体及玻璃体血管系统的参与与作用时,最佳方法是确保视网膜和玻璃体血管在组织制备过程中不被破坏19,20,21,22,23。现有的完整全视网膜成像方法,要么需去除眼球的前段结构,从而不可避免地破坏玻璃体及其血管系统,要么需使用漂白剂,可能导致内源性荧光物质丢失。目前尚缺乏能够对完整、未受干扰的玻璃体及其血管系统进行可视化的已发表方法。本文介绍一种全视网膜与玻璃体成像技术,包括手术剥离眼球表面的色素层和不透明包膜、针对视网膜优化的改良组织透明化处理,以及光片荧光显微镜成像。下文将详细描述样本制备、组织透明化、光片显微镜成像及图像处理的具体步骤。
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所有实验均经德克萨斯大学医学分部机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准。动物的使用与照护均遵循视觉与眼科研究协会(ARVO)关于在眼科与视觉研究中使用动物的声明。执行本实验所需的所有材料均列于材料表中。操作每一步骤时均需佩戴无粉手套。步骤6和步骤7还需参考显微镜的官方操作手册。
1. 动物准备
2. 眼球摘除与固定
3. 样本解剖(图1 和 图2)
4. 血管染色
5. 使用 2,2′-硫代二乙醇(TDE)进行光学透明化
6. 使用光片显微镜进行全眼成像
7. 采集后图像处理
注意:采集后的处理取决于成像文件的类型以及与之兼容的软件。
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视盘周围血管网络与小胶质细胞的零角度投影如图所示 图3A。此外,CX3CR1中完整全视网膜小胶质细胞的分布-GFP 小鼠被展示于 图3B该方法的一个主要优势在于其能够对内源性荧光物质进行成像。 图3C,D 在采用当前完整眼球成像方法制备的样本中,显示小胶质细胞的代表性Z轴投影(绿色通道)图3C)以及平铺制备(图3D)。在随机选择的感兴趣区域中,对完整全层视网膜和视网膜平铺制备样本中的小胶质细胞进行定量和比较。在小胶质细胞数量方面,视网膜平铺法与完整全层视网膜成像之间未观察到具有统计学意义的差异。图 3E)。所有代表性图像均在 图3 从 CX3CR1 捕获-GF...
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视网膜和玻璃体的发育及其病理变化最适合通过完整眼球视网膜成像技术进行研究,该技术无需将视网膜切割成切片或制备成平铺标本。现有的完整眼球成像方法要么采用色素漂白,这会去除内源性荧光基团,要么需要物理性去除眼球的不透明外层结构(如视网膜色素上皮层、脉络膜和巩膜)以及眼前段组织,这些操作可能干扰周边视网膜和玻璃体结构。Chang 等人和 Prahst 等人去除了眼球的外层结构以及角膜,从而可能破坏玻璃体、玻璃体血管系统及周边视网膜2,4。因此,他们的方法可能不适用于研究涉及玻璃体血管系统的视网膜与玻璃体发育及病理过程中的细胞特征。另一种方法中,Henning 等人和 Vigouroux 等人采用色素漂白技术使脉络膜和视网膜色素上皮层透明化以实现显微成像3,5。然而,色素漂白会消除 GFP 信号,并可能影响其他内源性荧光基团以及用于活体染色的荧光探针的性能7。在本文...
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无相关商业利益冲突。
本工作在德克萨斯大学医学部完成。 作者感谢明尼苏达大学的 Harald
Junge 博士、Debora Ferrington 博士以及 Heidi Roehrich 在准备图1和视频2过程中提供的帮助。 LO 获得了美国国家环境卫生科学研究所 T32 培训基金 T32ES007254 的资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 实验动物 | |||
| CX3CR1-GFP 小鼠 | 杰克逊实验室 | 5582 | |
| 麻醉剂 | |||
| 右美托咪定 | Par Pharmaceutical | 42023-146-25 | |
| 氯胺酮 | Fresenius Kabi | ||
| 组织采集、固定与样本解剖 | |||
| 心脏灌注泵 | 费希尔科技 | NC9069235 | |
| 氰基丙烯酸酯超级胶水 | amazon.com | ||
| 精细剪刀—锋利型 | 精细科学工具 | 14160-10 | |
| 精细镊子 | 精细科学工具 | 11412-11 | |
| 多聚甲醛(PFA) | 电子显微镜科学公司 | 15710-S | |
| 磷酸盐缓冲液(PBS) | 吉比科 | 10010049 | |
| 1号画笔 | dickblick.com | ||
| 直型弹簧剪 | 精细科学工具 | 15000-03 | |
| 注射器,针头尖端,27号 × 1.25" | BD | ||
| 1.5 ml、15 ml、50 ml 离心管 | 赛默飞世尔科技 | ||
| Tween-20 | 赛默飞世尔 | 85114 | |
| 免疫荧光染色 | |||
| 抗小鼠胶原蛋白IV抗体 | Abcam | ab19808 | 1:200 稀释 |
| 抗兔 Alexa Fluor 568 | 英潍捷基 | A-11011 | 1:200 稀释 |
| 正常山羊血清 | 赛默飞世尔 | 50062Z | 10% 浓度 |
| 组织透明化 | |||
| 2,2′-硫代二乙醇(TDE) | Fluka analytica | STBD7772V | |
| 摇床振荡器 | 费希尔科技 | 02-217-765 | |
| 显微成像 | |||
| 荧光微球 | TetraSpeck | T14792 | |
| 光片荧光显微镜(LSFM) | 蔡司 | Z1 | |
| 小胶质细胞计数 | |||
| ImageJ | 美国国立卫生研究院 |
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