造血細胞の自動定量化 - 脱灰骨の組織学的画像における間質細胞の相互作用
Summary
A strategy to quantitatively analyze histological data in the bone marrow is presented. Confocal microscopy of fluorescently labeled cells in tissue sections results in 2-dimensional images, which are automatically analyzed. Co-localization analyses of different cell types are compared to data from simulated images, giving quantitative information about cellular interactions.
Abstract
共焦点顕微鏡は、骨髄のような複雑な組織内の複数の細胞型の局在の分析のために選択される方法である。多くの場合、それは、このように評価者に依存するバイアスを導入し者間信頼性を低下させる危険性を有する、手動カウントに依存しているしかし、細胞局在の分析及び定量化は困難である。また、細胞型は、それらの出現頻度に強く異なる場合は特に、ランダムな位置からの二つのセルの結果の間の共局在するかどうかを判断することはしばしば困難である。ここでは、骨髄中の細胞の共局在の公平な定量化するための方法が導入される。プロトコルは、骨髄を含む全マウスの長骨の組織学的切片を得るために使用される試料調製、ならびに染色プロトコルと高解像度画像の取得を記載している。造血細胞および非ヘマトの認識及ぶ分析のワークフローこれらの細胞間の直接的なコンタクトの定量に2次元（2D）骨髄画像におけるopoietic細胞型が提示される。これはまた、特定の細胞型を、周囲の細胞微小環境に関する情報を取得するために、近傍分析を含む。 2つの細胞型の共局在は、ランダムセル測位の単なる結果であるか、または細胞間の優先的な関連性を反映しているかどうかを評価するために、造血ならびに間質細胞の場合には、この仮説をテストするのに適したシミュレーションツールは、ある使用。このアプローチは、骨髄に限定されず、組織学的データの再現性のある、定量的な分析を可能にする他の組織にも拡張することができる。
Introduction
、光学イメージングを含む顕微鏡における近年の急速な技術開発、に、全組織のコンテキスト内の細胞の解析は、免疫学者のためにますますアクセス可能となっています。懸濁液中の単一細胞の特徴は、細胞および分子の機能を理解するための貴重な不可欠な方法を表す。しかし、それらの（マイクロ）-anatomical環境内の細胞の解析は、免疫応答の発生のような複雑なプロセスに協力種々の細胞型の間の相互作用を理解するために不可欠である。
顕微鏡研究は、画像から定性的な情報を取得することが比較的容易であるが、それは部分的にはこの分野での分析方法は、画像取得が可能であるものと比較して遅れているという事実のために、これらのデータを定量化するための課題である。多くの研究者は、まだ、時間がかかり、その組織学的画像におけるマニュアル細胞計数を頼るしたがって、異なる評価者の間でバイアスを導入し、他のグループによって複製を妨げる。多くの場合、1代表画像は、それがハード読者はこのようなイベントの統計的関連性を判断できるようにすること、出版物における細胞の位置や共局在に関する声明を下線に選択される。
一緒にされた画像データの完全な情報内容はほとんど利用されないという事実と、この組織学的画像を分析するためのより公平な、迅速かつ包括的アプローチの必要性を強調している。
骨髄は、大人の脊椎動物の造血器官として重要な生体機能にかかる複雑な組織である。造血細胞1,2-ための出生地であるとBリンパ球の発達3に重要な役割を果たしている他に、免疫反応は4を開始し、成熟した、循環B細胞5をサポートしているサイトとして作用する。私の維持に加えて、その役割免疫記憶を構成する細胞のいくつかの種類が存在6-9存在することが判明しているようにmmunologicalメモリは、ますます10年間で明らかになり、理解されている。
骨髄およびその機能の複雑な組織構造との関係は依然としてとらえどころのないままである。そのようなTおよびB細胞のゾーンとしてマクロ区画に編成されて二次リンパ器官とは異なり、骨髄をクリアマクロ区画を欠いている。これまでのところ、骨髄中の個別のコンパートメントは、骨皮質に、または血管系への近接によって定義されています。そのような幹細胞を支持するようなプロセスの数の骨髄中の様々な常駐間質細胞集団の重要性は、そのような長命形質細胞（パソコン）などの免疫記憶細胞集団（CD4 +のB細胞またはメンテナンスの開発およびCD8 +メモリーT細胞）は、明らかに、骨髄中の微小区画のある程度があることを示している。
<pクラスは= "jove_content">これらの観察は、骨髄中の（様々な段階での細胞の維持、B細胞の発達の幹、および免疫記憶の維持）特定の機能に特化して別個の微細解剖ニッチの概念をもたらした。異なる機能を果たすニッチ間の異質性のある程度があるように思われるが、そのようなCXCケモカインリガンド12（CXCL12）またはインターロイキン7（IL-7）、などの間質細胞によって産生される因子のいくつかはのための決定的な要素であるこれらのニッチ10のいくつか。骨髄間質細胞の可視化および特徴付けにより、細長い樹状骨髄全体ネットワークを形成する拡張機能、および間質亜集団を区別するための適切なマーカーの欠如との形態学的特徴のために困難である。これらのニッチは、それらの細胞および分子は複合に対する共通の特徴を共有してどの程度としてはまだ明らかではないn、および要素は、特定のニッチが一意レンダリング。間質細胞に加えて、造血細胞型は、ニッチのいくつかについて、少なくとも特定の信号を提供することによって、重要な役割を果たすことが示されている。明らかに、ニッチ組成の複雑さは、 その場でそれらの分析を必要とし、免疫学者や血液学者がその細胞成分間の空間的関係を分析することによって、例えば 、骨髄マイクロアーキテクチャにズームインすることがますます重要になってきた。
ここでは、自動化された公平な方法で、骨髄における細胞の共局在及び近隣関係を定量化するための戦略が提示されている。蛍光性の間質細胞及び非蛍光造血細胞を保有するキメラマウスの生成を含むワークフローの詳細、脱灰骨からの組織切片の調製、骨全体を覆って共焦点画像の取得、並びに携帯cは自動画像解析O-ローカライズおよびシミュレーションツールによってランダムポジショニングからの検証/差別が（ 図8）が設けられている。
Protocol
Representative Results
Discussion
現代の光学イメージング法の進歩にもかかわらず、組織学的データの分析は、依然として多くの場合、適切な定量化ツールおよび方法の欠如によって、または関心対象の小領域に集中偏った分析によって妨げられる。ここに提示相乗的なアプローチは、全体の骨髄領域を覆う画像解析を組み合わせた自動セグメンテーションおよび様々な造血細胞および間質細胞型、共局在化分析、新しいお?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
私たちは貴重な議論アンドレアスRadbruchに感謝。私たちは、優れた技術支援のための動物のケアとロバート·ギュンターの支援のためのザビーネGruczek、パトリックThiemannとマヌエラOhdeに感謝しています。私たちは、原稿の校正のための組織学サンプルの評価とランディリンドクイストのために私たちの訓練を受けた評価者ローラ·Oehme、Jannikeバヤット-Sarmadi、Karolinポロック、カトリン·ロス、フィレンツェPacheとカタリーナ·ホーンに感謝。私たちは、MBP特異的抗体のためのJ.とN·リー、メイヨークリニック、スコッツデール、アリゾナ州、米国に感謝します。
この作品は、生体顕微鏡用JIMI-DFG中核施設ネットワークグラントによって及びTRR130 / TP17により、DFG HA5354 / 4-1によってサポートされていました、そしてAEHSZに2165 FOR DFG（HA5354 / 6-1）は、国際マックス·プランクによってサポートされていました感染症や免疫（IMPRS-IDI）、ベルリンのための学校。
Materials
| Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
| Neomycin | Sigma | N6386 SIGMA | Neomycin trisulfate salt hydrate, EU hazard code: GHS08; www.sigmaaldrich.com |
| Ursovit AD3EC | Serumwerke Bernburg | 1 ml contains: 50.000 I.E retinyl palmitate, 5.000 I.E. cholecalciferol, 30 mg tocopheryl acetate, 100 mg ascorbic acid, 1 mg sorbic acid, 200 mg polyoxyl 35 castor oil, 0,5 mg propyl gallate | |
| Transfer buffer (100ml PBS, 1ml 1M HEPES, 50U/ml Penicillin/Streptomycin) | Sigma | P4333 Sigma H3375 Sigma | www.sigmaaldrich.com |
| 4-Hydroxy-3-nitrophenylacetyl hapten conjugated to chicken gamma globulin) | |||
| Chicken gamma globulin (CGG) 100 mg | Rockland | D602-0100 | www.rockland-inc.com |
| 20 % Paraformaldehyde solution (EM-grade) | Science Services | 15713 | EU hazard codes: GHS02, GHS05, GHS07, GHS08 |
| D(+)-Sucrose | Carl Roth | 4621.1 | www.carlroth.com |
| Dry ice | |||
| Acetone | Sigma.Aldrich | 179124 SIGMA-ALDRICH | EU hazard codes: GHS02, GHS07; www.sigmaaldrich.com |
| Hexane | Sigma-Aldrich | 208752 SIGMA-ALDRICH | EU hazard codes: GHS02, GHS07, GHS08, GHS09; www.sigmaaldrich.com |
| Tissue-Tek cryomolds (standard) | Sakura | 4557 | 25 x 20 x 5 mm; www.sakuraus.com |
| Tissue-Tek O.C.T. | Sakura | 4583 | www.sakuraus.com |
| Kawamoto's SCEM embedding medium | Section-Lab, JP | http://section-lab.jp/index.html | |
| Kawamoto's cryosection preparation kit | Section-Lab, JP | http://section-lab.jp/index.html | |
| Kawamoto's cryofilm type 2C(9) | Section-Lab, JP | http://section-lab.jp/index.html | |
| Microtome blade MX35 Premier Plus, Low Profile | Thermo Scientific | 3052835 | L X W: 80 x 8 mm (31.5 x 3.13"), thickness: 0.25 mm (0.01");www.thermoscientific.com |
| polyclonal rabbit anti-RFP antibody, biotinylated | Rockland | 600-406-379 | www.rockland-inc.com |
| Alexa Fluor 555 streptavidin | Life Technologies | S-32355 | www.lifetechnologies.com |
| rat anti-MBP | J. and N. Lee | available from: J. and N. Lee, Mayo Clinic, Scottsdale, AZ , U.S.A., clone MT-14.7 | |
| goat anti-rat-Alexa Fluor 647 | Life Technologies | A-21247 | www.lifetechnologies.com |
| rat anti-B220 – Alexa Fluor 594 | produced and coupled in-house (DRFZ), clone RA3.6B2, Alexa Fluor 594 from Life Technologies | ||
| mouse anti-l1 light chain -FITC | produced and coupled in-house (DRFZ), clone LS136 | ||
| rat anti-k light chain – FITC | produced and coupled in-house (DRFZ), clone 187.1 | ||
| DAPI (4′,6-diamidino-2-phenylindole dihydrochloride) | Sigma | D9542 SIGMA | www.sigmaaldrich.com |
| Fluorescent mounting medium | DAKO | S3023 | www.dako.com |
| Cover slips (24mm x 24mm x 0.13-0.16 mm) | Carl Roth | H875.2 | www.carlroth.com |
| Superfrost slides glasses (75 mm x 25 mm) | VWR | 48311-703 | www.vwr.com |
| Laser scanning confocal microscope | equipped with laser lines of 405, 488, 561, 594, 633 nm and a 20x/0.8 NA air objective lens; We used a Zeiss LSM710 and Zen 2010 Version 6.0 software. | ||
| Automated image analysis tools for bone marrow | Wimasis, Munich | The cell contact tool and cell vicinity tool will be made available by Wimasis upon request: www.wimasis.de | |
| VC2012 Runtime | Microsoft | free download: http://www.microsoft.com/en-us/download/details.aspx?id=30679 | |
| Simulation tool for random cell positioning | available from us, upon request | ||
| Image analysis software with image segmentation functions | We used Volocity (Perkin Elmer) for measuring cell size distributions of hematopoietic cell types in bone marrow (Figure 5). Alternatives are Definiens Image Analysis (Definiens) or Cell Profiler (free download: http://www.cellprofiler.org) | ||
| Fiji image analysis software | free download: http://fiji.sc/Fiji. Fiji was used by trained raters for manual cell count (Figure 3). |
Riferimenti
- Kunisaki, Y., Frenette, P. S. The secrets of the bone marrow niche: Enigmatic niche brings challenge for HSC expansion. Nat Med. 18, 864-865 (2012).
- Morrison, S. J., Scadden, D. T. The bone marrow niche for haematopoietic stem cells. Nature. 505, 327-334 (2014).
- Tokoyoda, K., Egawa, T., Sugiyama, T., Choi, B. I., Nagasawa, T. Cellular niches controlling B lymphocyte behavior within bone marrow during development. Immunity. 20, 707-718 (2004).
- Cariappa, A., et al. Perisinusoidal B cells in the bone marrow participate in T-independent responses to blood-borne microbes. Immunity. 23, 397-407 (2005).
- Sapoznikov, A., et al. Perivascular clusters of dendritic cells provide critical survival signals to B cells in bone marrow niches. Nat Immunol. 9, 388-395 (2008).
- Tokoyoda, K., et al. Professional memory CD4+ T lymphocytes preferentially reside and rest in the bone marrow. Immunity. 30, 721-730 (2009).
- Mazo, I. B., et al. Bone marrow is a major reservoir and site of recruitment for central memory CD8+ T cells. Immunity. 22, 259-270 (2005).
- Lin, G. H., et al. Contribution of 4-1BBL on radioresistant cells in providing survival signals through 4-1BB expressed on CD8(+) memory T cells in the bone marrow. Eur J Immunol. 42, 2861-2874 (2012).
- Zehentmeier, S., et al. Static and dynamic components synergize to form a stable survival niche for bone marrow plasma cells. Eur J Immunol. 44, 2306-2317 (2014).
- Nagasawa, T. Microenvironmental niches in the bone marrow required for B-cell development. Nat Rev Immunol. 6, 107-116 (2006).
- Luche, H., Weber, O., Nageswara Rao, T., Blum, C., Fehling, H. J. Faithful activation of an extra-bright red fluorescent protein in ‘knock-in’ Cre-reporter mice ideally suited for lineage tracing studies. Eur J Immunol. 37, 43-53 (2007).
- Schwenk, F., Baron, U., Rajewsky, K. A cre-transgenic mouse strain for the ubiquitous deletion of loxP-flanked gene segments including deletion in germ cells. Nucleic Acids Res. 23, 5080-5081 (1995).
- Kawamoto, T. Use of a new adhesive film for the preparation of multi-purpose fresh-frozen sections from hard tissues, whole-animals, insects and plants. Arch Histol Cytol. 66, 123-143 (2003).
- Kawamoto, T., Kawamoto, K. Preparation of thin frozen sections from nonfixed and undecalcified hard tissues using Kawamot’s film method. Arch Histol Cytol. 1130 (2012), 149-164 (2012).
- Smith, C. L., et al. Basic confocal microscopy. Current protocols in neuroscience / editorial board, Jacqueline N. Crawley … [et al.]. 2 (Unit 2.2), (2001).
- Otsu, N. A threshold selection method from gray-level histograms. IEEE Trans. Sys., Man., Cyber. 9, 62-66 (1979).
- Hughes, I., Hase, T. . Measurements and Their Uncertainties: A Practical Guide To Modern Error Analysis. , (2010).
- Quinn, G. P., Keough, M. J. . Experimental Design and Data Analysis for Biologists. , (2002).
- Kiel, M. J., Morrison, S. J. Uncertainty in the niches that maintain haematopoietic stem cells. Nat Rev Immunol. 8, 290-301 (2008).
- MacQueen, J. B. Some Methods for classification and Analysis of Multivariate Observations. Proceedings of 5th Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability Vol. 1. , 666 (1967).
- Livet, J., et al. Transgenic strategies for combinatorial expression of fluorescent proteins in the nervous system. Nature. 450, 56-62 (2007).
- Jarjour, M., et al. Fate mapping reveals origin and dynamics of lymph node follicular dendritic cells. J Exp Med. 211, 1109-1122 (2014).
- Gerner, M. Y., Kastenmuller, W., Ifrim, I., Kabat, J., Germain, R. N. Histo-cytometry: a method for highly multiplex quantitative tissue imaging analysis applied to dendritic cell subset microanatomy in lymph nodes. Immunity. 37, 364-376 (2012).
- Moreau, H. D., et al. Dynamic in situ cytometry uncovers T cell receptor signaling during immunological synapses and kinapses in vivo. Immunity. 37, 351-363 (2012).
- Siffrin, V., et al. In vivo imaging of partially reversible th17 cell-induced neuronal dysfunction in the course of encephalomyelitis. Immunity. 33, 424-436 (2010).
- Shen, Q., et al. Adult SVZ stem cells lie in a vascular niche: a quantitative analysis of niche cell-cell interactions. Cell Stem Cell. 3, 289-300 (2008).
- Danielsson, P. E. Euclidian distance mapping. Computer Graphics and Image Processing. 14, 21 (1980).
- Tellier, J., Kallies, A. Finding a home for plasma cells – a niche to survive. Eur J Immunol. , (2014).
- Winter, O., et al. Megakaryocytes constitute a functional component of a plasma cell niche in the bone marrow. Blood. 116, 1867-1875 (2010).
- Rozanski, C. H., et al. Sustained antibody responses depend on CD28 function in bone marrow-resident plasma cells. J Exp Med. 208, 1435-1446 (2011).
- Rodriguez Gomez, M., et al. Basophils support the survival of plasma cells in mice. J Immunol. 185, 7180-7185 (2010).
- Belnoue, E., et al. Homing and adhesion patterns determine the cellular composition of the bone marrow plasma cell niche. J Immunol. 188, 1283-1291 (2012).
- Kohler, A., et al. G-CSF-mediated thrombopoietin release triggers neutrophil motility and mobilization from bone marrow via induction of Cxcr2 ligands. Blood. 117, 4349-4357 (2011).
