常规的 原位 由于复杂的组织结构、高背景信号、探针特异性有限以及灵敏度不足,杂交技术在颅面组织中对mRNA的可视化存在困难。本方案描述了一种多重荧光RNA 原位 一种用于在福尔马林固定石蜡包埋的小鼠胚胎颅面组织中灵敏、特异性检测多种 mRNA 靶标的杂交方法,克服了以往的局限性。
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常规的 原位 由于复杂的组织结构、高背景信号、探针特异性有限以及灵敏度不足,杂交技术在颅面组织中对mRNA的可视化存在困难。本方案描述了一种多重荧光RNA 原位 一种用于在福尔马林固定石蜡包埋的小鼠胚胎颅面组织中灵敏、特异性检测多种 mRNA 靶标的杂交方法,克服了以往的局限性。
颅面发育依赖于多种特化细胞群体的协调活动,这些细胞在复杂的组织结构中相互作用,以形成并维持正常的组织结构与功能。了解这些细胞如何相互之间以及与其局部微环境进行通讯,对于阐明调控其形成与稳态的分子机制至关重要。这些过程的紊乱可导致先天性颅面异常,包括牙齿缺失、腭裂和唇裂,可单独发生,也可作为综合征的一部分出现。尽管定量技术如RT-PCR具有高灵敏度和宽动态范围,但其需要从均质化组织中提取RNA,导致空间信息和细胞来源的丢失,这对于细胞异质性显著的颅面组织尤为关键,因为无法确定转录本的具体细胞来源。多重荧光RNA 原位 杂交技术通过在保持组织结构的同时实现对多种mRNA转录本的灵敏且特异的检测,克服了这一局限性。该先进方法能够在细胞水平上精确定位基因表达,为了解颅面生物学中发育过程和疾病机制的空间调控提供重要见解。
实时聚合酶链式反应(RT-PCR)因其高灵敏度和宽广的动态范围,已成为基因表达分析的金标准;然而,该方法需要从均质化的组织中提取RNA,导致空间信息和细胞背景的丢失1。这一局限性在胚胎发育过程中的颅面组织等异质性组织中尤为突出,因为无法确定所检测转录本的具体细胞来源。RNA 原位 杂交(ISH)技术由Joseph Gall和Mary Lou Pardue于1968年首创,能够实现mRNA在完整组织结构中的定位,从而克服了这一限制2。然而,传统的RNA ISH技术操作复杂,且高度依赖于最佳的组织固定和样本制备条件,以保持RNA的完整性3。在高度钙化的组织中,这些挑战更为显著,因为此类组织需要进行脱钙处理,而脱钙过程常涉及强化学试剂或长时间操作,容易导致RNA降解。因此,在包含多种细胞类型的颅面组织中开展RNA ISH实验,必须进行精细的优化并具备较高的技术水平,耗时较长,且存在染色效果不理想的较高风险。在牙体组织中,mRNA表达的可视化挑战更加突出,因为牙体组织具有高度复杂的结构和组成。牙齿由矿化成分(如釉质、牙本质、牙骨质及周围骨组织)以及较软的组织(如牙髓和牙周膜)共同构成。这些组织中含有多种不同类型的细胞,在牙齿发育过程中发挥着关键作用4。上述特性要求实验过程必须进行严格标准化,以确保信号检测的可靠性。因此,本方案特别适用于研究牙齿发育及出生后形成阶段的基因表达。
目前存在多种基于荧光原位杂交(FISH)的技术用于RNA的空间检测,包括基于探针扩增的RNA FISH5,6,7,8,9、杂交链式反应FISH6、单分子RNA FISH10、通过交换反应进行信号扩增的FISH5,以及高度多重化的FISH平台如MERFISH11和seqFISH12,13。其中,多重荧光RNA原位杂交(ISH)7,8,9因采用双Z探针设计而具有高灵敏度,可检测单个RNA分子——该设计要求两个相邻探针必须同时与靶序列结合才能启动信号扩增。这种双重识别机制显著提高了特异性,并减少了非靶信号。该方法支持2–4个靶标的多重检测(使用类似技术可扩展至12个或更多靶标),能够保持组织形态,并适用于福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)7,8,9、新鲜冷冻组织以及部分钙化组织,因此适用于颅面和牙齿发育研究中常见的复杂样本。该方法标准化程度高、可重复性强,拥有成熟的探针文库支持,并已在多个实验室中得到广泛验证,确保了在不同实验条件下均可获得可靠且可及的结果。
多重荧光RNA原位杂交技术采用针对同一转录本不同区域的多个探针,并结合信号增强放大系统,能够实现对丰度极低或部分降解的mRNA的高度敏感且特异的检测14,15。尽管多重荧光RNA原位杂交已成功应用于脱钙骨组织样本16,并且在复杂的颅面组织中的应用也已有报道7,8,9;然而,目前尚未见详细描述该技术在此类组织中应用的分步操作方案的报道。
颅面结构包含复杂的组织架构,具有多种细胞类型,包括成骨细胞、破骨细胞、骨细胞、成釉细胞、成牙本质细胞、成纤维细胞、干细胞、免疫细胞、血管系统以及感觉神经元,这些细胞之间在空间上协调的相互作用对于组织的形成、功能、再生以及免疫保护至关重要4。因此,研究这些组织中基因的局部表达具有重要意义,而多重荧光RNA原位杂交(ISH)是此类分析的领先技术。
在本研究中,我们描述了基于RNAscope探针和技术的多重荧光RNA原位杂交(ISH)如何应用于复杂颅面组织的研究(图1)。此外,我们建立了一种优化的FFPE切片工作流程,可保持RNA完整性,实现高质量、具有空间分辨能力的基因表达分析。
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所有动物实验程序均经美国国立卫生研究院(NIH)下属的儿童健康与人类发展研究所动物护理与使用委员会(IACUC)批准,批准编号为动物研究方案 #24-031。
1. 定时交配与胚胎组织采集
2. 组织固定与处理
3. 多重荧光RNA原位杂交用福尔马林固定石蜡包埋组织的处理
4. 第1天:脱蜡和复水
5. 在福尔马林固定石蜡包埋组织切片上进行多重荧光RNA原位杂交
注意:本研究遵循制造商的说明,使用 RNAscope 技术在福尔马林固定石蜡包埋(FFPE)组织切片上进行多重荧光 RNA 原位杂交(ISH)21。
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利用所述方案(图1),我们在蔡司显微镜平台上对小鼠完整头部进行了多重荧光mRNA原位杂交转录本检测成像(图2B)。可通过侧边标签(黄色框)选择特定的图像视图,同时利用通道标签(红色框)可同时显示多个通道。通过显示标签下的控制选项(绿色框),可直接调节实时图像的亮度、伽马值和对比度,以优化关键特征的可见性。
我们还展示了使用多重基因检测面板对野生型新生小鼠头部矢状切片进行检测所获得的转录本可视化结果,该面板可检测Sfrp2、Dspp和Dkk1(图2C)。高倍镜图像揭示了下颌门齿及其周围骨组织中基因表达的独特模式,突出了每种转录本精确的空间定位。综上所述,这些结果表明,采用所述实验方案进行多重荧光RNA原位杂交(ISH),能够实现对颅面发育组织中基因表达的准确、高分辨率定位分析。
多重荧光RNA原位杂...
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原位 杂交技术作为研究基因表达的基础工具已有四十多年历史,并经历了持续的优化。然而,传统的原位杂交(ISH)方法通常受限于灵敏度低、背景信号高以及耗时且劳动密集的实验流程。这些局限性限制了其更广泛的应用,尤其是在需要精确空间分辨率和检测低丰度转录本的复杂颅面组织中。多重荧光RNA原位杂交通过其独特的探针设计和信号放大策略克服了诸多上述挑战,该策略可选择性地放大靶标特异性信号,同时最大限度地减少非特异性背景信号3。因此,该方法实现了显著改善的信噪比,能够在单细胞甚至亚细胞水平上对转录本进行高分辨率定位。
多重荧光RNA原位杂交(ISH)是一种高度敏感且特异的技术,显著推动了在完整组织环境中对细胞水平基因表达进行空间定性与定量分析的发展。与传统的ISH方法不同,多重荧光RNA ISH能够检测几乎所有转录本,包括丰度极低的mRNA,并且适用于技术上具有挑战性的样本,如钙化组织4。尽管具有这些优势,该技术在牙组织中的应用仍面临挑战,原因在于牙齿独特的结构和组成特征,包括高度矿化...
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作者声明无利益冲突。
感谢NICHD动物设施工作人员在动物饲养和繁育方面提供的协助。感谢美国国立卫生研究院/国立儿童健康与人类发育研究所(NIH/NICHD)显微镜与影像中心的Vincent Schram博士在荧光成像方面提供的帮助。本研究论文得到了美国国立卫生研究院/国立牙科与颅面研究所(NIH/NIDCR)RO1DE033520基金(资助对象:M.B.)、国立儿童健康与人类发育研究所(NICHD)院内研究计划(资助对象:E.M.)以及国立儿童健康与人类发育研究所(NICHD)研究资助编号ZIA HD009015的支持。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 1×PBS | 赛默飞世尔科技 | 10010023 | 使用 在实验流程中进行洗涤步骤 |
| 20×SSC | 赛默飞世尔科技 | J60839.K2 | 用于制备 1´ 洗涤缓冲液 |
| 50 mL 圆底离心管(Ambion),无RNA酶 | 赛默飞世尔科技 | AM12502 | 用于在不同溶液中储存样品 |
| 高级轨道摇床 | VWR | 6683-470 | 用于在孵育期间振荡固定液中的组织 |
| 酒精,70%,Fisherbrand,HistoPrep | Fisher Scientific | HC-1000-1GL | 用于清洁和消毒所有工作区域 |
| 抗体稀释液 | Akoya Biosciences | ARD1001EA | TSA-DIG 稀释液 |
| 全自动真空组织处理仪 | Leica Biosystems | ASP300S | 用于样品的透明、脱水、复水和石蜡浸入 |
| 盖玻片厚度1.5,25 mm × 25 mm | 康宁 | 2850-25 | 用于 Visium HD 工作流程中载玻片的封片 |
| 定制预处理试剂 | ACD,Bio-Techne | 300040 | 为了优化组织通透性和靶标可及性 |
| EDTA | 默克生命科学 | 03690 | 用于脱钙矿化组织 |
| 乙醇 100% | AeroBase集团 | 6505001050000 | 用于在处理过程中去除二甲苯并使样本复水 |
| HistoCore 水浴锅 | Leica Biosystems | HIS2326 | 用于在40–43℃下漂浮切片 °C 以去除 FFPE 切片中的皱褶 |
| HybEZ 加湿纸 | ACD,Bio-Techne | 310015 | 在HybEZ烤箱内使用,以保持湿度并防止组织切片在杂交过程中干燥 |
| HybEZ 烤箱、托盘和支架 | ACD,Bio-Techne | 310011, 310012, 310014 | 用于在杂交和孵育步骤中提供受控的温度、湿度以及正确的载玻片定位 |
| ImmEdge 疏水屏障笔 | Vector Laboratories | H-4000 | 用于在载玻片上绘制疏水性边界,以在染色过程中将试剂限定在组织切片区域。 |
| 低剖面一次性刀片 DB80LX | Leica Biosystems | 14035843496 | 用于切片FFPE组织块 |
| 10% 中性缓冲福尔马林 | Azer Scientific | NBF-4-G | 用于固定组织 |
| OPAL 520 试剂盒 | Akoya Biosciences, Inc. | FP1487001KT | 通过荧光标记扩增并检测目标RNA信号。 |
| OPAL 570 试剂盒 | Akoya Biosciences, Inc. | FP1488001KT | 通过荧光标记扩增并检测目标RNA信号。 |
| OPAL 620 试剂盒 | Akoya Biosciences, Inc. | FP1495001KT | 通过荧光标记扩增并检测目标RNA信号。 |
| OPAL 690 试剂盒 | Akoya Biosciences, Inc. | FP1497001KT | 通过荧光标记扩增并检测目标RNA信号。 |
| Opal Polaris 780 试剂盒 | Akoya Biosciences, Inc. | FP1501001KT | 通过荧光标记扩增并检测目标RNA信号。 |
| 普洛朗钻石 | 赛默飞世尔科技 | P36970 | 一种抗荧光淬灭封片介质,用于在成像过程中保护荧光信号并维持RNAscope信号 |
| RNAscope 4-Plex 辅助试剂盒 特定用户界面 | ACD,Bio-Techne | 323120 | RNAscope 多重荧光 v2 检测试剂盒的附加材料 |
| RNAscope DAPI | ACD,Bio-Techne | 320858 | 一种用于RNAscope检测的荧光核染料,用于显示细胞核 |
| RNAscope 多重荧光试剂盒 v2 | ACD,Bio-Techne | 323100 | 进行多重荧光原位杂交 |
| RNAscope 多重 TSA 缓冲液 | ACD,Bio-Techne | 322810 | 用于RNAscope中稀释opal染料的缓冲液 |
| RNAscope 洗涤缓冲液试剂 | ACD,Bio-Techne | 310091 | 用于在检测过程中洗涤载玻片上的组织切片 |
| RNaseZap RNase 去污染溶液 | Thermo Fischer | AM9782 | 用于清洁和去除RNase |
| 半自动旋转式切片机 | Leica Biosystems | RM2245 | 按照指南中所述方法对FFPE组织块进行切片。 |
| Slide Brite | 电子显微镜科学 | 23401-01 | 用于RNAscope处理前的脱蜡步骤。 |
| 带盖玻片加热板 | 首映 | XH2004 | 用于在不同温度下孵育载玻片 |
| Superfrost Plus 载玻片 | Fisher Scientific | 12-550-15 | 用于连接 Vsium HD 的部件 |
| Surgipath Paraplast | Leica Biosystems | 39601006 | 用于组织浸润和包埋 |
| 组织培养培养皿 100 × 20 毫米 500 个/箱 | Fisher Scientific | 877222 | 用于在1中收集和解剖样本´ PBS |
| 二甲苯 | Fisher Scientific | 6.81001E+12 | 用作透明剂以去除酒精并使组织透明 |
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