La naturaleza de las interacciones entre las células madre hematopoyéticas y progenitoras (hspCs) y nichos de la médula ósea es poco conocido. Modificaciones de hardware personalizados y un protocolo de adquisición de múltiples pasos permiten el uso de dos fotones y microscopía confocal a la imagen ex vivo HSPCs etiquetados alojados dentro de las áreas de la médula ósea, las interacciones de seguimiento y el movimiento.
A través de un delicado equilibrio entre la quiescencia y la proliferación, la auto renovación y la producción de progenie diferenciada, las células madre hematopoyéticas (HSC) mantener la rotación de todos los linajes de células sanguíneas maduras. La coordinación de las señales complejas que conducen a destinos específicos de HSC se basa en la interacción entre las HSC y el microambiente intrincada médula ósea, lo que aún es poco conocido [1-2].
Se describe cómo mediante la combinación de un soporte de la muestra de nuevo desarrollo para el posicionamiento de animales estable con múltiples pasos confocal y de dos fotones es las técnicas de imagen in vivo, es posible obtener de alta resolución 3D pilas que contienen HSPCs y sus nichos circundantes y para su seguimiento a través del tiempo a través de múltiples puntos de time-lapse. Formación de imágenes in vivo de alta definición permite que las células madre y progenitoras hematopoyéticas ex detección etiquetados (HSPCs) que reside dentro de la médula ósea. Por otra parte, múltiples puntos de imagen en 3D de lapso de tiempo, obtained con los ajustes de adquisición más rápidos, proporciona información precisa sobre el movimiento HSPC y las interacciones recíprocas entre HSPCs y células del estroma.
Seguimiento de HSPCs en relación a las células osteoblásticas positivo GFP se muestra como un ejemplo de aplicación de este método. Esta técnica puede ser utilizada para el seguimiento de cualquier hematopoyéticas o células estromales apropiadamente marcada de interés dentro del espacio de la médula ósea bóveda craneal de ratón.
A pesar de haber sido reconocidos nichos de células madre desde hace décadas 3 y caracterizan en muchos tejidos, así como el bulbo olfatorio, la fibra muscular, abultamiento del folículo del pelo o del SNC zona subventricular 4-7, las interacciones entre las células madre hematopoyéticas (HSC) y microambiente de la médula ósea ( BM) son aún poco conocidos debido a la dificultad de observar directamente las células individuales a través del hueso, así como la naturaleza extremadamente fluido del propio tejido. Se ha demostrado, a través de una serie de estudios funcionales sobre la base de la ablación o la sobreexpresión de genes específicos en cualquiera de las CMH o las células del estroma del propio microambiente, que una intrincada red de diferentes tipos de células y señales reguladoras es responsable de regular el delicado equilibrio entre la quietud , la proliferación, la expansión y diferenciación de las HSC 1-2. La diafonía entre HSC y sus nichos se puede entender en profundidad sólo a través de la observación directa. Este es ACHievable gracias a la elaboración de protocolos de imagen avanzadas, combinando la tecnología disponible no sólo en términos de la microscopía, sino también de soluciones de soporte de la muestra y del software de adquisición.
Resolución de celda individual de imágenes en vivo de las células trasplantadas madre hematopoyéticas y progenitoras (hspCs) en el compartimiento de la BM de los huesos calvaria ratón mostró que HSPCs de injerto se localizan en la proximidad de los vasos SDF-1 y VCAM-1-positivas 8-9 y que las células más inmaduras se encuentran dentro de 15 – 20 micras a partir de células osteoblásticas positivas para GFP (línea de ratón transgénico Col2.3-GFP, en la que el promotor 1α colágeno osteoblastos restringida conduce la expresión de GFP), mientras que su progenie son más distal 10. Observaciones similares se han obtenido a partir de huesos de fémur fracturados disecados y 11 y de los huesos tibeal adelgazadas 12. Obtención de imágenes de la médula ósea de calota sigue siendo el método menos invasivo para lograr la visualización directa de HSPCs dentro ªeir microambiente nativa.
Con cualquier imagen espécimen vivo hay una necesidad inherente para mantener la muestra lo más quieto posible para evitar artefactos innecesarios debido al movimiento de la muestra. La respiración causa movimientos oscilatorios de la cabeza del ratón, que deben ser evitados cuando la formación de imágenes de médula ósea de calota. Titulares estereotácticas convencionales, utilizados por ejemplo para formación de imágenes del cerebro y electrofisiología, no son adecuados para formación de imágenes bóveda craneal porque obstruyen los huesos frontales. A partir de un soporte de ratón utilizado para disminuir el sufrimiento durante la formación de imágenes y electrofisiología estudios en vivo 13, un soporte de 2 componente fue desarrollado, con una pequeña pieza fija para la cabeza del ratón para crear una ventana de imágenes conectado a un brazo mayor asegurar asimiento estable con un placa base pesada que asegura firmemente en la platina del microscopio. Fijación de la pieza de cabeza en el cráneo del ratón permite la respiración libre, mientras que todavía la inmovilización de la cabeza en su sitio y eliminar adecuadamente movements debido a la respiración. Un mecanismo 'y llave de bloqueo' que une la cabeza-pieza para el cuerpo de soporte permite que el tamaño de la ventana para minimizar así como una mayor precisión de posicionamiento, por lo tanto, la simplificación de la cirugía, y el ajuste de la placa de base en la etapa permite la alineación precisa en el microscopio. Para controlar con precisión células móviles, un protocolo de lapso de tiempo de múltiples puntos fue diseñado para permitir el rastreo de células en el tiempo con intervalos de 5 min entre puntos de tiempo. HSC Aquí, DiD marcadas se inyectaron en ratones reportero col2.3GFP osteoblasitc 10,14 y la imagen de aproximadamente 20 horas más tarde. El titular de ratón que fue diseñado y la configuración de imagen necesarios para realizar rápida de múltiples puntos de lapso de tiempo de formación de imágenes de las mismas áreas durante un período de múltiples hr se describen en detalle.
¿Qué se logró?
El protocolo utiliza imágenes multidimensionales-lapso de tiempo para controlar la migración de FACS purificada, ex vivo etiquetados, HSPCs trasplantadas en ratones calvarial médula ósea. La identificación de las células trasplantadas individuales se ha logrado y éstos han sido objeto de seguimiento durante períodos prolongados de tiempo (hr) con gran precisión. Respirar los artefactos de movimiento inducidos se han minimizado y las células se han reimaged repetidamente durante un tiempo prolongado curso.
¿Cuáles son las direcciones futuras?
Desarrollo de la técnica podría avanzar hacia experimentos de recuperación para permitir la formación de imágenes en varios días, en el transcurso de una semana o más y el uso de anestésicos tales como gas isoflurano para acortar y simplificar el proceso de recuperación para el ratón (Nota: los experimentos de recuperación requieren estrictamente condiciones de cirugía estériles y la administración de analgésicos apropiados). Development de un mayor color paleta de tintes en vivo, así como el etiquetado genética eficiente de células hematopoyéticas también facilitará experimentos multi-etiquetado, permite comprender mejor las interacciones célula-célula en la médula ósea y permitir experimentos más complejos en el futuro. Además, el etiquetado simultáneo de las estructuras de la médula ósea y varios componentes del estroma proporcionará una imagen más completa de los eventos que tienen lugar en nichos HSPC. Estabilidad de imagen de las películas a intervalos podría mejorarse preadquisición estabilizando el microscopio más, así como minimizar los gradientes de temperatura en la muestra y posterior a la adquisición mediante el uso de algoritmos de registro de imágenes.
Limitaciones:
La técnica descrita presenta algunas limitaciones. La supervivencia de los ratones después de la administración de anestésicos inyectables es impredecible y es muy fácil de experiencia complicaciones dependiendo de la respuesta individual a laanestésico. En general, cuanto más tiempo una sesión de imágenes, más difícil es para el ratón se recupere de la anestesia y por ello es importante planificar cuidadosamente si el ratón se va a recuperar, lo ideal es limitar la duración de las imágenes de lapso de tiempo. El uso de anestésicos inyectables limita el tiempo de cada sesión de formación de imágenes puede durar. Si bien es posible prolongar la anestesia por readministración una dosis más pequeña de anestésico, es difícil realizar esta precisión y una sobredosis del ratón es una de las causas más frecuentes de la terminación prematura de imágenes in vivo. Anestesia de gas es menos tóxico y permite una sesión más larga de imagen inicial, sin embargo rápida recuperación del ratón después de> 2 hr a largo administración de isoflurano es raramente exitosa. Otra limitación de la técnica es la resolución limitada de las imágenes que se pueden obtener durante múltiples puntos de imagen de lapso de tiempo, debido a la necesidad de adquirir imágenes rápidamente. Esto, unido a la deriva o campo focal salta (discoussed arriba), puede hacer el seguimiento de las células difícil.
Comparación con métodos alternativos:
HSPCs suelen ser etiquetados con el colorante lipófilo DiD, pero DiR y DiI colorantes son alternativas equivalentes y otros colorantes celulares pueden ser usados siempre y cuando lo suficientemente brillante, tal como fue revisado en [16]. A pesar de que el etiquetado ex vivo de células con DID se ha demostrado que no afecta a la función a largo plazo de las HSC, tiene la limitación de que DiD (o cualquier otro colorante químico) se diluye en la división celular. Desde HSCs proliferan durante los primeros días después del trasplante, la relación señal a ruido para estas células se deteriora rápidamente. Etiquetado endógena de las células por medio de la manipulación genética y expresión de proteínas fluorescentes es un método alternativo viable, siempre y cuando las proteínas fluorescentes se expresan a niveles suficientemente altos para generar la señal detectable a través del hueso del cráneo. Hay un número de techn alternativaiques disponibles para realizar las imágenes de HSPCs dentro del espacio de la médula ósea, cada uno con sus propias ventajas y limitaciones. La inserción de dispositivos de imagen basado en fibra óptica para formación de imágenes permitió la reconstitución de médula ósea en huesos largos [8], mientras que la imagen confocal después de la exposición quirúrgica de la tibia y el adelgazamiento del esmalte hueso con un taladro quirúrgico [12] produce imágenes detalladas de HSPCs residente en las zonas periféricas de los huesos largos. Sin embargo, estos métodos son mucho más invasivo que el descrito aquí y por lo tanto no permiten repetir las sesiones de formación de imágenes se centran en la misma zona de la médula ósea en el mismo ratón. Además, es posible que estas técnicas pueden afectar a las células observadas dada la respuesta inevitable a grandes daños en el tejido circundante. HSPCs han sido fotografiadas por cortos períodos de tiempo a través de cubreobjetos colocados sobre extirpados, fémures fracturados [11], sin embargo, el impacto de esta dura preparación del tejido en HSPCs no es clear y la técnica se utilizó únicamente para obtener observaciones de un solo punto de tiempo. Huesos de uso han sido seccionadas en cortes seriados, manchado, y las imágenes obtenidas reconstruido en un modelo 3D, que proporciona una excelente resolución en 3D, especialmente cuando se utilizan moldes vasculares [17], y recientemente de barrido láser de Citometría (CSL) se ha utilizado para obtener cuantitativa medidas sobre HSPCs in situ, destacaron por inmunotinción [18] pero no son capaces de proporcionar cualquier información temporal sobre el comportamiento de las células. Las técnicas descritas en esta nueva técnica proporcionan una combinación de buena resolución en 3D, el muestreo temporal suficiente para el seguimiento de las células en 4D y son relativamente no invasiva, por lo tanto ofrecer un enfoque ideal para lograr el seguimiento a largo plazo de HSPCs interactuar con la médula ósea microambiente.
The authors have nothing to disclose.
Imaging se realizó en un microscopio confocal Leica SP5 vertical ubicada dentro de las instalaciones FILM, del Imperial College de Londres, dirigido por el Dr. Martin Spitaler.
El soporte de la muestra y el casco se hizo en colaboración con el departamento de Ingeniería Química del Imperial College de Londres, con el asesoramiento de Samuel Jones y el Dr. Simon Schultz.
Nicola Ruivo, Francisco Díaz y personal de CBS en el Imperial College fueron fundamentales para su asistencia y asesoramiento sobre la cría de ratón. Mark Scott es financiado por HFSP y FILM, Olufolake Akinduro por CRUK y Cristina Lo Celso por CRUK, KKLF, BBSRC y HFSP.
Name of Material/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Ketamine(Narketan 100mg/ml) | Vetoquinol | 407575 0107 C | Other anesthetics may be used in place of this. |
Medetomidine(Domitor 1mg/ml) | Elanco | 134800-2 | Other analgesics may b used in place of this. |
Vibrant DiD cell labeling solution | Roche Products Ltd. | V22887 | Other colors are available and may be used if required. |
Lacrilube ophtalmic ointment | Allergan | n/a | avaliable by prescription by the local vet |
Kemdent "Diamond Carve" glass ionomer cement | Associated Dental Products Ltd. via Kemdent | SUN527 | We use shade A3, but any shade of cement can be used. |
PBS | multiple equivalent | n/a | |
Sterile water | multiple equivalent | n/a | |
Insulin syringes | Terumo Medical Corporation | SS10M3109 | 1mL, 31G |
Mouse restrainer | Harvard Apparatus | 340031 | Cone type (small) |
Autoclaved forceps and scissors | Agar Scientific | AGT577 AGT5034 |
Iris scissors – 90mm; Dumont HP tweezers (0.06mm tip) |
Weigh boat and cement stirrer | VWR | 611-1996/231-0370 | 5mL weigh-boat (black)/ Wooden tongue depressor |
Leica SP5 upright confocal microscope with motorized stage and two-photon laser | Leica Microsystems | Not available | Call for quote |
25x water dipping objective lens (N.A. = 0.95) | Leica Microsystems | 11506323 | HCX IRAPO L lens |
Custom designed mouse holder | Imperial College Engineering Workshop | N/A | See Figure 1 for details |
Heating pad with rectal thermometer probe | BASi Instrumentation | FHC-40902/ FHC-40908/ FHC-4090502 | Heat mat/ Control box/ Thermometer probe |