本方案提供了一种标准化的小鼠器官采集方法,适用于年轻和老年小鼠,以评估多种组织中与年龄相关的解剖学和组织学变化,支持符合伦理且成本效益高的实验设计。
方法文章
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本方案提供了一种标准化的小鼠器官采集方法,适用于年轻和老年小鼠,以评估多种组织中与年龄相关的解剖学和组织学变化,支持符合伦理且成本效益高的实验设计。
衰老是一种系统性、多因素的生物学过程,会逐步影响几乎所有器官和组织,导致结构、细胞和分子水平的改变。本方案概述了一种标准化且可重复的方法,用于通过全面采集小鼠器官,评估与年龄相关的解剖学和形态学变化,以进行后续的组织学和分子分析。利用年轻(2-3月龄)和年老(20-24月龄)的小鼠,我们详细描述了大体解剖和系统性采集主要器官的逐步操作流程,以便后续切片、组织学染色和显微镜观察。该方案可从单只动物中采集多种器官和组织(包括脑、眼、食管、胸腺、心脏、主动脉、肺、淋巴结、肝、胰腺、胃、小肠、结肠、脾、肾、膀胱、皮肤、骨骼肌、骨和脂肪组织)。通过最大化每只实验动物的数据产出,该工作流程通过减少动物使用量支持伦理实验,提高不同研究间的可重复性,并促进对机体衰老的整合分析。
衰老是一种影响几乎全身所有器官的系统性过程,然而大多数实验研究集中于单一组织,这限制了人们对衰老相关变化在全身范围内如何共同发生或相互作用的理解。衰老表现为组织特异性和系统性的双重改变,包括免疫功能障碍、代谢改变、再生能力下降以及结构退化1,2。尽管针对特定器官的研究已提供了有价值的见解,但仍需更广泛的视角来理解不同系统中细胞衰老如何共同导致整个机体功能的衰退。在小鼠等临床前 in vivo 模型中进行多器官分析,对于识别与年龄相关疾病及生理弹性丧失相关的协调性结构、细胞和分子变化至关重要3,4。
由于小鼠具有可操作的遗传特性、较短的寿命、保守的衰老通路,以及能够重现人类衰老的关键特征(包括免疫功能障碍、组织纤维化、代谢衰退和肿瘤发生增加),实验室小鼠仍然是衰老研究中不可或缺且广泛应用的临床前模型5,6,7。然而,高效且标准化的多器官解剖方案尚未被广泛采用。此类方案对于优化组织学比较、减少动物使用量以及整合来自同一受试个体不同组织的组学数据至关重要8,9。
本文介绍了一种可重复且高效的多器官灌注、解剖与保存的小鼠实验方案。 该方案提供了针对年轻(2–3 个月)和老年(20–24 个月)小鼠主要器官进行解剖与采集的逐步操作指南,包括脑、眼、胸腺、心脏、肺、主动脉、腹股沟淋巴结、胃肠道(食管、胃、小肠、结肠)、肝、胰、脾、肾、膀胱、脂肪组织、骨骼肌、骨骼和皮肤。方案中还包含适用于组织学、分子生物学及冷冻切片工作流程的组织保存详细说明。该标准化方法使研究人员能够在同一实验个体中评估器官特异性和系统性的衰老特征,从而支持整合性、高质量的衰老研究4,10,11,12。
C57BL/6J 小鼠饲养于加利福尼亚大学旧金山分校。所有动物实验程序均经机构动物照护与使用委员会(IACUC)批准,并由实验动物资源中心监督执行。小鼠饲养环境保持12小时光照-黑暗循环,每笼饲养成年小鼠少于五只。安乐死操作遵循美国兽医医学协会(AVMA)《动物安乐死指南》13。本方案中,年轻小鼠在3月龄时处死,老龄小鼠在22月龄时处死。在进行解剖和器官采集前,请打印并完成准备工作清单(表1)和组织采集清单(表2)。所用试剂和设备列于材料表中。
1. 宫颈脱位
注意:颈椎脱位操作应由经过培训的人员执行,以尽量减少对颈椎结构的过度损伤。
2. 开胸术与灌注
注意:灌注为可选步骤。所有涉及多聚甲醛(PFA)的操作均须在经认证的化学通风橱内进行,并穿戴适当的个人防护装备(PPE),包括实验服、丁腈手套和护目镜。PFA溶液应根据机构的化学品安全指南进行处理。所有废弃的PFA及受污染材料(如手套、组织、容器等)须收集于标识清晰的危险废物容器中,并通过机构的环境健康与安全(EHS)部门统一处置。 & 安全办公室,遵循符合地方、州和联邦法规的协议。
注意:若使用多聚甲醛(PFA)进行固定,请在通风橱中进行所有操作,以避免接触甲醛蒸气。
3. 器官和组织采集
注意:在比较年轻和老年小鼠时,器官采集顺序至关重要。老年动物的器官通常较为脆弱,易发生自溶或机械性损伤,因此及时且一致的组织处理尤为关键。标准化采集顺序可最大限度地减少死后变异,降低操作带来的假象,并确保各动物间固定质量的一致性14,15。这种一致性对于检测细微的年龄相关形态学变化至关重要,因为延迟或不一致的取样可能引入偏差。若未进行PFA灌注,应迅速采集器官。胰腺、胃、肺和脑若未立即处理,极易发生快速自溶和组织学退化。由于老年小鼠常出现肿瘤性病变,应仔细检查脾脏、肝脏、淋巴结、肺和胸腺是否存在不对称、肿大、结节或变色现象。将这些发现记录为整体疾病负荷的一部分(见表2)。
4. 组织保存与处理
注意:为保持组织完整性,应尽量缩短解剖与保存之间的时间。延迟可能导致组织形态和分子质量下降;组织采集与保存关键时间点的更多详细信息见表2。
注意:若使用多聚甲醛(PFA)进行固定,请在通风橱内完成所有操作,以避免接触甲醛蒸气。
在进行尸体解剖时,老年小鼠常表现出肿瘤性病变,需仔细检查以记录病理学发现13,14,16,17,18。图2A显示了一只22月龄雄性C57BL/6小鼠在灌注后呈仰卧位的状态。肺部完全苍白表明灌注有效,而肝脏仅呈现部分苍白。对肝脏的进一步检查发现多个恶性结节(图2B),同时伴有精囊增大(图2A)和脾肿大(图2C)。这些表现常见于老年小鼠,应作为整体疾病负担的一部分予以记录18。
图3展示了经解剖和灌注后获取的大体形态正常的器官,可用于评估解剖完整性及灌注效率。胃肠道使用生理溶液冲洗以去除消化内容物,使胃、结肠和小肠呈现出洁净且半透明的外观(图3A)。其他结构,包括食管、胰腺、脾脏、内脏脂肪组织、带膀胱的肾脏、淋巴结、心脏和胸腺,均清晰可辨,并可完整分离用于后续分析(图3B、C、E-I)。
通过观察血供丰富组织的褪色情况来评估灌注质量。如图3D和图3J所示,肝脏和肺在未灌注、灌注良好和部分灌注条件下表现出明显差异。完全褪色表明灌注成功,而褪色不完全则提示存在技术差异或潜在异常。其他组织,包括主动脉、骨骼肌、胫骨、脑、眼和皮肤,均被成功分离并保持形态完整,适用于进一步的组织学、分子或成像分析(图3K-P)。该标准化解剖程序可稳定获取完整且保存良好的组织和器官,并支持多种下游分析所需的宏观解剖学评估。解剖和器官采集每只动物约需40–60分钟,具体时间取决于操作者的经验以及是否存在病理发现。
图4 显示了在经石蜡包埋、切片及苏木精-伊红(H&E)染色后,所采集器官随衰老发生的变化示例。与年轻对照组相比,老年小鼠皮肤切片中可见上皮变薄及毛囊丢失(图4A)。肾脏切片显示肾小球囊扩张,并伴有纤维化和坏死性改变,以及符合淋巴瘤特征的区域(图4B)。在胰腺切片中,老年动物出现凋亡小体增多19及淋巴瘤样区域,提示随年龄增长组织完整性受损(图4C)。脾脏切片显示老年动物存在淀粉样沉积物和淋巴瘤区域,反映出与年龄相关的病理学其他特征(图4D)。
这些结果展示了多种组织中衰老的典型组织病理学特征,表明本方案在检测与年龄相关退行的结构标志物方面的实用性。

图 1:小鼠解剖及器官暴露操作的示意图概览。(A)打开胸腔和腹腔的切口位置(红线),包括在膈肌水平的横向切口,随后沿肋骨两侧做 V 形切口以打开胸腔,以及从膈肌至骨盆的腹中线切口并辅以双侧切口,以充分暴露腹腔。(B)灌注装置示意图,显示将蝶形针插入左心室,并切开右心房以实现有效血液引流。(C)腔体暴露后主要胸腔和腹腔器官的解剖布局。(D)头部解剖步骤,包括去除头皮并沿颅骨缝切开颅骨以暴露脑组织。红线表示切口位置。请点击此处查看该图的放大版本。

图2:老年小鼠中肿瘤病变的鉴定。 (A) 经4% PFA灌注后的代表性22月龄雄性C57BL/6小鼠,呈仰卧位。肺部完全褪色(粉红色箭头)表明灌注有效,而肝脏(绿色箭头)仅显示部分褪色。蓝色箭头指示增大的精囊。(B) 肝脏的详细视图,显示多个恶性结节(黑色箭头)。(C) 老年C57BL/6小鼠的脾脏增大(右侧),与年轻动物的正常脾脏(左侧)对比。请点击此处查看该图的高清版本。

图3主要小鼠器官在解剖和灌注后的组织完整性概览 (A胃、小肠和结肠在用生理溶液冲洗以去除消化内容物前后的状态。(B食管(C) 胰腺连同附着的脾脏。(D肝脏未灌注、有效灌注后完全变白,以及部分变白提示灌注不全或存在潜在病理改变。(E内脏脂肪组织(F) 带有附着膀胱的肾脏。G腹股沟淋巴结(H心脏(我胸腺(J无灌注的肺组织、有效灌注后完全变白的肺组织以及部分变白的肺组织。(K主动脉(L从后肢分离的骨骼肌。(M) 保留骨结构的胫骨。(N脑(O眼(P皮肤比例尺:5 mm A, C, D, E, F, J, L, N, P;其余所有图板中为1 mm。 请点击此处以查看此图的放大版本。

图4:采用苏木精-伊红(H&E)染色对主要器官进行组织学分析。(A)来自3月龄(年轻)和22月龄(老年)小鼠的皮肤切片。老年动物的切片显示上皮变薄及毛囊丢失。(B)显示肾小囊的肾脏切片。老年动物的切片显示肾小囊扩大、纤维化和坏死性改变,以及淋巴瘤(橙色箭头)。(C)来自年轻和老年动物的胰腺切片,老年动物显示凋亡小体增多(蓝色箭头)和淋巴瘤区域(橙色箭头)。(D)来自3月龄(年轻)和22月龄(老年)小鼠的脾脏切片。老年动物的切片显示淀粉样物质沉积(亮绿色箭头)和淋巴瘤区域。比例尺(A-C)100 µm。比例尺(D)500 µm。 请点击此处查看该图的放大版本。
表1:准备工作清单。 小鼠组织解剖与保存所需的关键准备步骤的逐步列表,包括管和模具的标记、缓冲液与固定液的配制、冷冻包埋装置的设置、解剖工具的灭菌、工作台的布置以及记录规划。请点击此处下载该表格。
表2:组织采集检查清单。使用本表记录已采集的组织。添加采集时间以及有关组织状况或异常情况的备注。优先采集对您的研究至关重要的组织;在推荐的时间范围内收集最相关的器官,以避免组织自溶或降解。*记录任何异常情况(包括器官变色、结节、恶性增生、器官大小异常)。**建议注明保存方法(包括PFA固定、OCT包埋或速冻)。请点击此处下载该表格。
本方案提供了一种可重复的策略,用于系统性地采集年轻和老年小鼠的多个器官系统,从而支持解剖学、组织学和分子水平的分析。若干技术因素可能影响最终结果的质量,并涉及本方法的局限性。首先,灌注质量的差异是一个需要重点考虑的因素。灌注不完全可能导致残留血液,从而影响组织学、免疫组织化学以及分子分析的结果。在颈椎脱位后进行灌注可能造成颈椎组织损伤,并导致肺部受到血液污染。因此,颈椎脱位操作应仅由经过培训的人员执行。为获得最佳效果,建议在终末麻醉状态下进行灌注,具体操作可参考其他文献20,21,并遵循IACUC和AVMA指南13。其次,固定是决定组织完整性的关键因素。尽管4%多聚甲醛(PFA)被广泛使用,但其对较大或致密器官的穿透可能不足,导致组织学效果不佳和抗原保存不理想。这一局限性可通过使用10%中性缓冲福尔马林(NBF)或将组织切成≤5 mm的切片以增强渗透性来缓解22。第三,某些组织(尤其是胰腺、胃和脑)会迅速发生自溶,因此需在安乐死后5–10分钟内进行固定或冷冻处理,并使用预冷的解剖器械23。在老年小鼠中,肿瘤病变可能进一步扭曲解剖结构,增加解剖难度。此外,固定液用量不足或冷冻不当也可能产生额外的人工假象,导致组织收缩和边缘效应;可通过维持至少10:1的固定液与组织体积比、避免样本过度堆积,以及在包埋前预先冷却OCT模具来尽量减少此类问题。最后,PFA和福尔马林的使用涉及安全性和废弃物处理问题;基于乙二醛的固定剂可作为毒性较低的替代选择。因此,标准化的操作流程、优化的固定条件以及精确的时间控制对于提高实验可重复性、组织质量和后续分析的可靠性至关重要24。
通过在同一动物体内采集超过15个器官的组织,该实验流程可最大化每个实验个体的生物学产出,并符合减少动物使用的伦理要求。该系统性操作步骤可轻松扩展至中等通量的研究,用于分析与年龄相关的生理功能衰退及器官特异性病理变化25。
及时处理易发生自溶的组织对于保持组织学完整性至关重要。使用无钙无镁的生理溶液,随后用4% PFA固定,可有效保存器官结构,并最大限度减少胰腺和消化系统等敏感组织的自溶。与专注于单一器官或疾病模型的方案不同,该方法能够快速且一致地采集多个器官,降低变异并提高通量。整个解剖过程,从灌注到最终组织切除,每只动物可在60分钟内完成,适用于大规模或时间敏感的研究3,11,26。严格遵循精确的灌注-固定顺序,可最大限度减少人为假象,并实现可重复的实验结果。
组织样本的采集、修整和包埋过程的一致性对于准确的组织病理学评估至关重要,尤其是在纵向研究或多中心研究中。组织处理方式的差异可能导致人为假象、掩盖病理学发现,或造成对疾病负荷的误判。《大鼠和小鼠器官取材与修整指南(修订版)》,例如 RENI 修整指南,提供了详细的标准化操作流程,以最大限度地减少此类不一致性22。采用这些统一的方法可提高不同研究和机构间数据的可比性,增强研究的可重复性,并提升衰老研究中基于病理学结果的可靠性4,9。
采集多种器官在衰老研究中尤为重要,因为理解器官系统之间的相互作用对于揭示随年龄增长而导致全身生理功能衰退的机制至关重要。尽管这种方法也可为其他多种研究问题提供帮助,但本方案的重点是支持那些与年龄相关的变化可能同时影响多个器官系统的研究。然而,该方法也可应用于聚焦纤维化、再生和细胞衰老的研究,特别是那些整合转录组学或多组织生物标志物发现的研究9,27,28。
组织学评估显示,多种组织中存在典型的与年龄相关的改变(图4)。在皮肤中,老年动物表现出上皮变薄和毛囊丢失。在肾脏中,老年小鼠的组织切片显示肾小球囊扩大,并伴有纤维化、坏死和淋巴瘤样改变。老年动物的胰腺组织显示出凋亡小体和淋巴瘤的积聚,而脾脏切片则显示出淀粉样沉积物以及额外的淋巴瘤区域。这些观察结果与已确立的小鼠衰老表型一致,表明本方案在检测代表性衰老组织病理学标志物方面的实用性1,18,19,27,29,30,31,32,33,34。
综上所述,本方案为在临床前衰老模型中收集和保存组织提供了一个可靠且可扩展的框架。该方案可用于探索性研究和基于假设的研究,以揭示衰老、退变及抗性相关的组织特异性和系统性机制。
作者无任何利益冲突需要披露。
本工作得到了拉里·L·希尔布卢姆基金会启动资助、美国衰老研究联合会(AFAR)与格伦医学研究基金会青年教员资助、小爱德华·马林克罗特基金会青年研究者奖,以及突破性生物医学研究计划(PBBR)新前沿研究奖对 Hanna Martens 的资助。图1 使用 BioRender 制作。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 吸收垫 | |||
| 老年 C57BL/6J 小鼠 | The Jackson Laboratory | #000664 | |
| 收集托盘 | |||
| 无线修剪器 | BravMini+ | CLP-41590 | 用于脱毛 |
| 70% 乙醇喷雾 | Fisher Scientific | 50-163-3592 | |
| 超精细镊子 5 INOX | Dumont | F6521-1EA | 用于淋巴结的超细尖头镊子 |
| 镊子 | MilliporeSigma | XX6200006P | 钝头镊子 |
| 精细镊子 5 INOX | Dumont | F6521-1EA | 细尖镊子 |
| Hank's 平衡盐溶液 (HBSS) 1x 500 mL | Gibco | 14025092 | |
| 显微解剖剪刀(直型,锐/锐,25 mm) | Roboz Surgical | RS-5668 | 标准显微剪刀,不锈钢,25 mm 刀片(M-37) |
| 显微解剖剪刀(直型,锐/锐,细刃) | Roboz Surgical | RS-5918 | 细刃解剖剪刀,4.5" 长度(H-327) |
| 中性缓冲福尔马林 (NBF) | Sigma | HT501128 | 用于固定 |
| 生理盐水溶液 | Cytiva | 76081-514 | |
| 最佳切割温度 (OCT) 包埋剂 | Fisher Scientific | 23730571 | |
| 4% 多聚甲醛 (PFA) | Electron Microscopy Sciences | 15710 | 用于固定 |
| 培养皿 100 mL × 15 mL | MilliporeSigma | P5856-500EA | |
| 磷酸盐缓冲液 (PBS) | Gibco | 10010023 | |
| 固定针 | Eisco Labs | DISPINS1 | 用于解剖过程中固定小鼠 |
| 20 mL 塑料注射器,鲁尔锁头 | FisherBrand | 302830 | 用于灌注 |
| Seal'N Freeze 冷冻盒(冷冻容器) | Ted Pella, Inc. | 20956 | |
| Seal'N Freeze 冷冻托盘 | Ted Pella, Inc. | 20956-1 | 用于在冷冻容器中定位样品 |
| Sol-Vet 带接头蝶形针 | Sol-Millenium Medical | 110301070003 | 用于灌注 |
| 泡沫塑料盖 | |||
| Tissue-Tek 冷冻模具(活检用) | Sakura | 25608-922 | |
| 年轻 C57BL/6J 小鼠 | The Jackson Laboratory | #000664 |
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