2018年4月9日
同時に機械的テストを記述し、孤立の動脈壁の 3 D イメージング生きる人間の抵抗動脈とエラスチンとコラーゲンの組織およびボリュームの空間密度の定量化のためのフィジーと Ilastik の画像解析.動脈壁の力学の数理モデルでこれらのデータの利用について述べる。
この方法論の全体的な目標は、細胞外マトリックスの微細構造と動脈壁の力学との関係を分析するために、生きた人間の抵抗動脈の画像を取得するための標準化された手順を提供することです。この方法は、圧力が全体的な形状の変化をどのように誘発するか、血管壁の微細構造など、血管生物学と力学における重要な質問に答えるのに役立ちます。この技術の主な利点は、イメージングのためにサンプルにラベルを付ける必要がないことです。
この方法では、抵抗性動脈のメカニズムに関する洞察を得ることができますが、プロトコルの修正版は、気管支などの他のチューブ状臓器や、人間の膀胱、または腸壁のストリップに適用できます。まず、手術中に切除した直後に目的の組織サンプルを採取し、添付のテキストプロトコルに記載されているように血管を準備します。カニューレを通した動脈を5ミリメートル水銀柱まで加圧します。
次に、2光子レーザーを活性化し、励起波長を820ナノメートルに設定して、イメージングの光路を設定します。460ナノメートルのロングパスダイクロイックミラーを挿入して、発光光を光マルチプライヤー間で分割し、発光を2つのチャネルに同時に収集します。520ナノメートルを中心とする30〜60ナノメートル幅のバンドパスフィルターを使用してエラスチン自家蛍光を収集し、410ナノメートルを中心とする別のバンドパスフィルターを使用してコラーゲンの第2高調波発生シグナルを収集します。
次に、レーザーの滞留時間とピクセルを 10 マイクロ秒に設定します。解像度を 512 x 512 ピクセルに設定すると、視野が 100% になります。連続スキャンを可能にし、できるだけ低い励起光電力とピクセル滞留時間を使用して、写真が生体動脈に損傷を与えないようにします。
次に、動脈を手動でスキャンして、最大直径の平面を見つけます。次に、動脈の最も広い直径をカバーする長方形のスライスを選択し、ピクセルサイズが300ナノメートル/ピクセル以下の単一のフレームをスキャンします。この画像は、後で分析するために保存してください。
動脈の最大直径での内腔の直径と壁の厚さを決定するには、まずフィジーで画像をロードします。メインメニューをクリックしてスケールを設定し、次に分析に移動してからスケールを設定します。ここには、ピクセルあたりのマイクロメーターとピクセル比を入力します。
次に、フィジーラインツールを選択し、動脈内腔の両側にある2つの内部弾性薄板の間に線を引きます。次に、「制御 M」をクリックして、結果テーブルの長さを報告します。さらに線を引いて各壁の厚さを測定し、最終的な測定値を保存します。
開口数が 1 以上の 60X 対物レンズに変更します。動脈壁の全厚さをスキャンして、5ミリメートル水銀でコラーゲンとエラスチンの微細構造を画像化します。次に、Z スタックの開始と終了の深さ、および Z ステップの間隔とピクセル密度を定義します。
Z スタックを設計するときは、関心領域が十分に小さく、後続の解析で曲率が推論されないようにします。完了したら、各チャンネルを別々に保存するように設定します。最後に、1〜3 つの異なる関心領域を見つけて、高品質の 3D 画像スタックを取得します。
エラスチン自家蛍光が漂白している場合は、励起光のパワーが高すぎます。これは避けるべきです。進行中の実験を完了するために、希薄な濃度のエオシンを追加してエラスチン自家蛍光を強化することができます。
終了したら、水銀柱100ミリメートルまで変化する圧力で全プロセスを繰り返し、各圧力ステップの後に筋グラフチャンバー内のバッファーを新しい摂氏37度のHBSに交換します。画像分析を開始するには、フィジーでエラスチン画像スタックを開きます。次に、画像に移動し、スタックをクリックし、Zプロジェクトを選択して作業する画像を選択し、投影タイプの最大強度を選択します。
最大強度投影をTIFF画像として保存します。次に、できるだけ多くの内部弾性薄層繊維分岐点を選択し、角度ツールを使用してそれらを測定します。各画像を体系的に処理し、終了したらフィジーの結果シートを保存します。
外膜コラーゲンのうねりを測定するには、フィジーでコラーゲン画像スタックを開きます。次に、スタックまでの画像に移動し、Zプロジェクトを選択して、使用する画像を選択し、最大強度投影を設定します。次に、画像の種類を 8 ビット TIFF 画像に変更するには、[画像]、[種類]、[8 ビット
] の順にクリックします。最大強度投影をTIFF画像として保存します。Fijiをクリックし、プラグインの下のNeuron Jを選択して、Neuron Jプラグインを開きます。次に、Neuron J.で8ビットTIFFファイルを開きます。開いたら、[トレースの追加]をクリックし、各ファイバーの開始と終了をクリックして分析するファイバーを選択します。
次に、計測トレースに移動し、ダイアログボックスでディスプレイトレースと頂点計測を選択します。コラージュ繊維の真直度を計算するには、まずフィジートレースウィンドウの値をExcelにコピーします。トレースウィンドウの長さの値は、分析されたコラーゲン繊維の全長の測定値ですLf.Second、フィジーの頂点ウィンドウの最初と最後のXY座標を分析した各コラーゲン繊維束のコピーをExcelに。
次に、ピタゴラスの定理を使用して、分析されたコラーゲン繊維L0の各端を結ぶ直線の長さを計算します。コラーゲン繊維の真直度は、最終的にL0/Lfとして計算されます。今示したプロトコルに従って、動脈の最も広い部分が特定され、この時点で、ラベルフリー蛍光顕微鏡を使用して動脈をスキャンし、最大血管径と血管壁の厚さを測定しました。
高倍率から高開口数対物レンズを利用することで、血管の直径や壁の厚さだけでなく、コラーゲンやエラスチンの微細構造も測定できます。エラスチン繊維の分岐角度とコラーゲンの真直度のマイクロアーキテクチャは、適切な画像解析ソフトウェアを使用して、連続した画像切片で決定できます。これにより、コラーゲンとエラスチンの微細構造の圧力による変化と、異なる圧力での弾性率の増加との関係を直接分析することができます。
この手順に従うと、画像から他の情報も抽出できます。これは、血管の縦軸に沿った外形コラーゲンの配向天使である可能性もあれば、中膜の細胞外マトリックスの微細構造である可能性もあります。この手法を用いて画像から抽出された定量的な測定値は、数理モデルにフィードバックすることで、健常者と死亡者の循環がさまざまな条件にどのように反応するかを解明することができます。
このビデオを見れば、圧力が抵抗動脈壁の微細構造の変化をどのように引き起こすかに関する情報を抽出するために、イメージング実験の設計方法とその後の画像解析方法について十分に理解できるはずです。2光子励起蛍光顕微鏡を使用するときは、可視光線と不可視光線への曝露を避ける必要があることを忘れないでください。
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本記事では、細胞外マトリックスの微細構造と動脈壁の力学的特性との関係を分析するために、ヒトの生きた抵抗動脈をイメージングする標準化された手法を提示します。この手法により、サンプルの標識を行うことなく、圧力が血管壁の形状および微細構造にどのような影響を与えるかを評価することが可能になります。
抵抗動脈における圧力誘発性の微細構造変化を理解することは、細胞外マトリックスのリモデリングを血行動態ストレスに結びつけることで、心血管系創薬におけるターゲットバリデーションを支援します。このラベルフリーイメージング手法は、生理学的に適切な圧力下でのコラーゲンとエラスチンの再編成を定量的に評価することにより、血管ターゲットのメカニズム的なリスク低減を可能にします。本手法は、動脈力学の数学的モデルに情報を供することができる、再現性のあるラベル非依存的な構造データを提供することで、前臨床モデルに対する予測的な信頼性をもたらします。
この手法は、ターゲットバリデーションから前臨床評価に至る創薬の連続的なプロセスに適合し、生理学的な圧力条件下で候補化合物が血管細胞外マトリックスのダイナミクスにどのような影響を与えるかを評価するための、ヒトへの適応性の高いプラットフォームを提供します。