Erstatning av sunt muskelvev med intramuskulært fett er et fremtredende trekk ved menneskelige sykdommer og tilstander. Denne protokollen skisserer hvordan man visualiserer, avbilder og kvantifiserer intramuskulært fett, slik at man kan studere mekanismene som ligger til grunn for intramuskulær fettdannelse.
Fibro-adipogenic progenitors (FAPs) er mesenkymale stromale celler som spiller en avgjørende rolle under skjelettmuskulaturhomeostase og regenerering. FAPs bygger og vedlikeholder den ekstracellulære matrisen som fungerer som et molekylært myofiber stillas. I tillegg er FAPs uunnværlige for myofiberregenerering, da de utskiller en rekke gunstige faktorer som registreres av muskelstamceller (MuSC). I syke tilstander er FAPs imidlertid den cellulære opprinnelsen til intramuskulært fett og fibrotisk arrvev. Denne fettfibrosen er et kjennetegn på sarkopeni og nevromuskulære sykdommer, som Duchenne muskeldystrofi. En betydelig barriere for å bestemme hvorfor og hvordan FAPs differensierer i intramuskulært fett er effektiv bevaring og påfølgende visualisering av adipocytter, spesielt i frosne vevsseksjoner. Konvensjonelle metoder for behandling av skjelettmuskulaturvev, for eksempel snap-frysing, bevarer ikke morfologien til individuelle adipocytter på riktig måte, og forhindrer dermed nøyaktig visualisering og kvantifisering. For å overvinne denne hindringen ble det utviklet en streng protokoll som bevarer adipocyttmorfologi i skjelettmuskelseksjoner som tillater visualisering, avbildning og kvantifisering av intramuskulært fett. Protokollen skisserer også hvordan man behandler en del av muskelvev for RT-qPCR, slik at brukerne kan bekrefte observerte endringer i fettdannelse ved å se forskjeller i uttrykket av adipogene gener. I tillegg kan den tilpasses for å visualisere adipocytter ved helmontert immunfluorescens av muskelprøver. Til slutt skisserer denne protokollen hvordan man utfører genetisk avstamningssporing av Pdgfrα-uttrykkende FAPs for å studere den adipogene konverteringen av FAPs. Denne protokollen gir konsekvent høyoppløselige og morfologisk nøyaktige immunfluorescerende bilder av adipocytter, sammen med bekreftelse av RT-qPCR, noe som muliggjør robust, streng og reproduserbar visualisering og kvantifisering av intramuskulært fett. Sammen er analyserørledningen beskrevet her det første skrittet for å forbedre vår forståelse av hvordan FAPs skiller seg ut i intramuskulært fett, og gir et rammeverk for å validere nye inngrep for å forhindre fettdannelse.
Infiltrasjon av sunt muskelvev med fettfibrose er et fremtredende trekk ved Duchenne muskeldystrofi (DMD) og andre nevromuskulære sykdommer, samt sarkopeni, fedme og diabetes 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 . Selv om økt fettinfiltrasjon under disse forholdene er sterkt forbundet med redusert muskelfunksjon, er vår kunnskap om hvorfor og hvordan intramuskulære fettformer fortsatt er begrenset. FAPs er en multipotent mesenkymal stromal cellepopulasjon tilstede i de fleste voksne organer, inkludert skjelettmuskulatur11,12. Med alderen og i kroniske sykdommer produserer FAPs imidlertid fibrotisk arrvev og skiller seg ut i adipocytter, som ligger mellom individuelle myofibre og danner intramuskulært fett 13,14,15,16,17,18,19,20.
For å begynne å bekjempe intramuskulær fettdannelse, må mekanismene for hvordan FAPs blir til adipocytter defineres. PDGFRα er “gullstandard” -markøren i feltet for å identifisere FAPs i muskelen til flere arter 13,16,17,18,20,21,22,23,24,25,26,27. Som et resultat har flere murine tamoxifen-induserbare Cre-linjer, under kontroll av Pdgfrα-promotoren, blitt generert, noe som muliggjør genetisk manipulerende FAPs in vivo ved bruk av Cre-LoxP-systemet 27,28,29. For eksempel, ved å kombinere denne induserbare Cre-linjen med en genetisk reporter, kan avstamningssporing av FAPs utføres, en strategi vi med hell har brukt på skjebnekart FAPs i muskel og hvitt fettvev20,30. Foruten avstamningssporing, gir disse Cre-linjene verdifulle verktøy for å studere FAP-til-fett-konvertering.
Et stort hinder for å definere mekanismen for den adipogene omdannelsen av FAPs til intramuskulært fett er evnen til å strengt og reproduserbart kvantifisere mengden intramuskulært fett som har dannet seg under forskjellige forhold. Nøkkelen er å balansere bevaring av muskel- og fettvev og matche dette med de tilgjengelige fargemetodene for å visualisere adipocytter. For eksempel er skjelettmuskulatur ofte snapfrosset uten forutgående fiksering, noe som bevarer myofibre, men forstyrrer adipocyttmorfologien (figur 1). I motsetning til dette fjerner fiksering etterfulgt av parafininnbygging, mens du viser den beste vevshistologien, inkludert adipocytter, alle lipider, og gjør dermed de fleste lipofile fargestoffer, som det ofte brukte fargestoffet Oil Red O, ubrukelig.
Figur 1: Representative bilder av intramuskulært fett i snap-frozen versus fixed muscle tissue. (A) Skjematisk oversikt over eksperimentoppsettet. Immunfluorescerende bilder som viser adipocytter (gul), myofibre (grå) og kjerner (cyan) innenfor både (B) snapfrosne og (C) faste TAer 21 dager etter glyserolskade. Skalafelt: 50 μm. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Protokollen beskrevet her bevarer myofiber- og adipocyttmorfologi og tillater visualisering og analyse av flere celletyper. Denne tilnærmingen er basert på immunfluorescensfarging av adipocytter i paraformaldehyd (PFA) -fast muskelvev, noe som muliggjør samfarging med flere antistoffer. Det kan også enkelt tilpasses for å romlig vise intramuskulært fett i intakt vev ved hjelp av helmontert avbildning, og dermed gi informasjon om det cellulære mikromiljøet av fett i muskelen. I tillegg kan denne protokollen kombineres med vår nylig publiserte tilnærming for å bestemme tverrsnittsarealet av myofibre i fast muskelvev31, en viktig måling for å vurdere muskelhelsen. Kombinere denne tilnærmingen med genetisk avstamningssporing for å skjebnekartlegge differensieringen av FAPs i adipocytter er også skissert her. Dermed muliggjør den allsidige protokollen beskrevet her streng og reproduserbar vurdering av FAPs og deres differensiering i intramuskulært fett i vevsseksjoner og intakt vev.
Figur 2: Skjematisk protokolloversikt. Skjematisk oversikt over vevsbehandling der en tredjedel av TA fjernes, snapfrosses og homogeniseres for påfølgende RNA-isolasjon og transkripsjonsanalyse via RT-qPCR. De andre to tredjedelene av TA er PFA-fast og behandlet for immunostaining på frosne seksjoner eller helmonterte fibre. Klikk her for å se en større versjon av denne figuren.
Denne protokollen skisserer en omfattende og detaljert protokoll som muliggjør effektiv visualisering og streng kvantifisering av intramuskulært fett. Ved å dele den samme muskelen i to deler, en som brukes til immunfluorescens og den andre for RT-qPCR-analyse, er denne protokollen også svært allsidig. Det kan også kombineres med genetisk avstamningssporing av FAPs for å studere deres konvertering til adipocytter under visse forhold, og er svært tilpasningsdyktig til å merke og avbilde flere ekstra celletyper.
De mest brukte måtene å visualisere intramuskulært fett er parafinseksjoner etterfulgt av hematoksylin- og eosinfarging eller frosne seksjoner farget for lipofile fargestoffer som Oil Red O (ORO). Men mens paraffinbehandlet vev opprettholder den beste histologien, trekker den samme prosessen også ut alle lipider som forhindrer bruk av lipofile fargestoffer. Selv om lipofile fargemetoder vil fungere på både PFA-faste og ufikserte vevsseksjoner, blir lipiddråper lett forskjøvet ved å påføre trykk på dekslippen, og derved forvrenge den romlige fordelingen av intramuskulært fett. For å omgå dette etablerte en nylig studie en streng protokoll for å visualisere ORO + adipocytter ved hjelp av en helmontert tilnærming. For dette decellulariserte forfatterne TA for å visualisere den romlige fordelingen av intramuskulært fett gjennom hele TA41. Så kraftig som denne teknikken er, forhindrer den også bruk av andre co-flekker for å markere flere cellulære strukturer. Hele mount immunfluorescensmetoden som presenteres her, kan brukes til å co-farge adipocytter med en rekke markører som muliggjør fin kartlegging av det cellulære miljøet. En stor utfordring er imidlertid vevspenetrasjon av antistoffene. Jo flere fibre som holdes sammen, desto vanskeligere vil det være for antistoffene å trenge inn og binde alle tilgjengelige antigener likt. Dermed er denne metoden mest effektiv når man ser på små grupper av fibre. Samtidig er dette også en begrensning ettersom den generelle anatomiske plasseringen av intramuskulært fett går tapt når man fokuserer på bare små, avskallede fiberbunter. Men med den nåværende utviklingen av nye vevsryddingsmetoder pluss ny bildebehandlingsteknologi, vil større vevspenetrasjon og visualisering være mulig i fremtiden 42,43,44.
Mens tidligere fiksering av muskelvev bevarer adipocyttmorfologi, skaper det også en utfordring å vurdere størrelsen på myofibre, en viktig måling av muskelhelse. Myofiberstørrelse bestemmes ved å måle tverrsnittsarealet av myofibre. Vi har tidligere rapportert at tidligere fiksering av muskelvev vil føre til at de fleste markører som er tilgjengelige for å skissere myofibre, mislykkes31. For å overvinne denne hindringen har vi utviklet en ny bildesegmenteringsrørledning, som gjør det mulig å måle myofiberstørrelse selv i faste muskelseksjoner31. Dermed har vi etablert en robust og effektiv vevsbehandlingsrørledning som, kombinert med denne protokollen, overvinner de fleste ulemper forårsaket av tidligere fiksering av muskelvev.
En annen stor fordel med denne tilnærmingen er allsidighet. Ved å dele TA i to deler maksimeres mengden informasjon som kan oppnås fra en muskel. Dette reduserer ikke bare antall dyr, men legger også til et ekstra lag med kontroll ved å bekrefte histologi gjennom genuttrykk og omvendt. I tillegg kan mange forskjellige gener undersøkes utover adipogene gener. Det isolerte RNA kan også brukes til et helt muskel RNAseq-eksperiment. Til slutt kan det snapfrosne muskelstykket også brukes til proteinarbeid. En begrensning ved denne protokollen er muligheten for at skaden ikke er konsistent over hele TA-lengden. Dette kan føre til et scenario der de to muskeldelene avviker i mengden intramuskulært fett de inneholder, og kan rettferdiggjøre utelukkelse av en slik prøve fra enhver nedstrømsanalyse. Det anbefales derfor ikke bare å stole på RT-qPCR for å trekke store konklusjoner om mengden intramuskulært fett, men heller som støttende data til de histologiske kvantifiseringene.
Sammen skisserer denne protokollen en robust, effektiv og streng vevsbehandlingsrørledning som vil tillate visualisering og kvantifisering av intramuskulært fett, det første trinnet i å utvikle nye behandlingsalternativer for å bekjempe fettfibrose. Samtidig er den allsidig og kan tilpasses mange forskjellige celletyper i muskelen, så vel som adipocytter i andre vev.
The authors have nothing to disclose.
Vi takker medlemmene i Kopinke-laboratoriet for hjelp med datainnsamling og kritisk lesing av manuskriptet. Vi takker også medlemmene av Myology Institute ved University of Florida for verdifulle innspill til manuskriptet. Arbeidet ble støttet av NIH-tilskuddet 1R01AR079449. Figur 2 ble opprettet med Biorender.
16% PFA (Pack of 12, 10 mL bottles) | Electron Miscroscopy Sciences | 15710 | |
2.0 mL Microcentrifuge Tubes | Fisher Scientific | 05-408-138 | microcentrifuge tubes for snapfreezing/bead beating |
2-Methylbutane (4 L) | Fisher Chemical | O3551-4 | isopentane |
Absolute Ethanol (200 proof) | ThermoFisher Scientific | BP2818100 | |
AffiniPure Fab fragment donkey anti-mouse | Jackson ImmunoResearch | 715-007-003 | mouse-on-mouse blocking |
Alexa Fluor 488 donkey anti-chicken secondary antibody | Jackson ImmunoResearch | 703-545-155 | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-mouse secondary antibody | Invitrogen | A21202 | |
Alexa Fluor 488 donkey anti-rabbit secondary antibody | Invitrogen | A21206 | |
Alexa Fluor 568 donkey anti-goat secondary antibody | Invitrogen | A11057 | |
Alexa Fluor 568 donkey anti-rabbit secondary antibody | Invitrogen | A11037 | |
Alexa Fluor 568 Phalloidin antibody | Invitrogen | A12380 | Dissolved in 1.5 mL methanol (~66 µM working solution) |
BioLite 24-well Multidishes | ThermoFisher Scientific | 930186 | 24 well plate for PFA tissue incubation |
Biometra TOne | analytikjena | 8462070301 | Thermal cycler |
Chicken anti-GFP antibody | Aves Labs | GFP-1020 | |
Chloroform/isoamyl alcohol 24:1(v/v) for molecular biology, DNAse, RNAse, and Protease free | ThermoFisher Scientific | AC327155000 | |
Corn oil | Sigma Aldrich | C8267 | |
DAPI stain | Invitrogen | D1306 | 150 µM working solution in dH2O |
Donkey Serum (100 mL) | Millipore Sigma | 5058837 | for blocking solution |
Dumont #5 Forceps | Fine Science Tools | 11251-20 | sharp-tipped tweezers |
Fine Scissors Straight 9 cm | Fine Science Tools | 14060-09 | |
Fluoromount-G | SouthernBiotech | 0100-01 | mounting medium |
Glycerol, 99.5%, for molecular biology (500 mL) | Acros Organics | 327255000 | |
Goat anti-PDGFRα antibody | R&D | AF1062 | |
Hybridization Oven | VWR | 230301V | for Tamoxifen incubation |
ImmEdge Hydrophobic Barrier PAP Pen | Vector Laboratories | H-4000 | hydrophobic pen |
Insulin Syringe with Micro-Fine IV needle (28 G) | BD | 329461 | |
Insulin Syringe with Slip Tip, 1 mL | BD | 329654 | Insulin syringe without needle, for oral gavaging |
iScript cDNA Synthesis Kit | Bio-Rad | 1708890 | |
Isoflurane | Patterson Veterinary | 78938441 | |
Leica DMi8 inverted microscope | Leica | micrscope used for widefield IF and confocal imaging | |
Micro Slides | VWR | 48311-703 | positively charged microscope slides |
mouse anti-MYOD antibody | Invitrogen | MA1-41017 | |
mouse anti-PAX7 antibody (supernatant) | DSHB | AB 428528 | |
MX35 Premier+ Microtome blades | ThermoFisher Scientific | 3052835 | microtome blades |
NanoDrop 2000 Spectrophotometer | ThermoFisher Scientific | ND2000 | spectrophotometer for RNA yield |
Play-Doh | Hasbro | modeling compound | |
PowerUp SYBR Green Master Mix | ThermoFisher Scientific | A25742 | green dye PCR master mix |
Puralube Vet Ointment | Puralube | 17033-211-38 | vet ophthalmic ointment |
QuantStudi 6 Flex Real-Time 384-well PCR System | Applied Biosystems | 4485694 | qPCR machine |
Rabbit anti-perilipin antibody | Cell Signaling Technology | 9349S | |
Red-Rotor Shaker | Hoefer Scientific | PR70-115V | shaker for IF staining |
Richard-Allan Scientific Slip-Rite Cover Glass | ThermoFisher Scientific | 152460 | coverslips |
RNeasy Mini Kit | QIAGEN | 74106 | contains mini spin columns |
Safe-Lock Tubes 1.5 ml, natural | Eppendorf | 22363204 | |
Sample Tubes RB (2 mL) | QIAGEN | 990381 | |
Sodium azide | Alfa Aesar | 14314 | |
Stainless Steel Beads, 2.8 mm | Precellys | KT03961-1-101.BK | small beads |
Stainless Steel Beads, 5 mm | QIAGEN | 69989 | medium beads |
Stainless Steel Beads, 7 mm | QIAGEN | 69990 | large beads |
Stainless Steel Disposable Scalpels | Miltex | 327-4102 | scalpel |
Stainless steel feeding tube, 20 G x 38 mm, straight | Instech Laboratories | FTSS-20S-3 | gavage needle |
Tamoxifen | Toronto Research Chemicals | T006000 | |
Tissue Plus O.C.T. Compound | Fisher HealthCare | 4585 | embedding medium |
TissueLyser LT | QIAGEN | 85600 | bead beater |
TissueLyser LT Adapter, 12-Tube | QIAGEN | 69980 | |
Tissue-Tek Cryomold | Sakura | 4566 | specimen molds |
Triton X-100 | Alfa Aesar | A16046 | |
TRIzol Reagent | ThermoFisher Scientific | 15596026 | guanidium thiocyanate |
Tween20 (500 mL) | Fisher BioReagents | BP337-500 | |
VWR Micro Slides – Superfrost Plus | VWR | 48311703 | |
Wheaton Coplin staining jars | Millipore Sigma | S6016 | Coplin jar |