Microscopía intravital de fluorescencia de campo ancho de la microcirculación pulmonar en la lesión pulmonar aguda experimental utilizando un sistema de imágenes estabilizado por vacío
Summary
La microscopía de fluorescencia intravital se puede utilizar para estudiar las interacciones leucocitario-endotelial y la perfusión capilar en tiempo real. Este protocolo describe métodos para obtener imágenes y cuantificar estos parámetros en la microcirculación pulmonar utilizando un sistema de imágenes pulmonares estabilizadas por vacío.
Abstract
Las imágenes intravitales de las interacciones leucocitarios-endoteliales ofrecen información valiosa sobre la enfermedad inmunomediada en animales vivos. El estudio de la lesión pulmonar aguda (ALI) / síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA) y otras patologías respiratorias in vivo es difícil debido a la accesibilidad limitada y los artefactos de movimiento inherentes de los pulmones. No obstante, se han desarrollado varios enfoques para superar estos desafíos. Este protocolo describe un método para la microscopía de fluorescencia intravital para estudiar las interacciones leucocitarios-endoteliales en tiempo real en la microcirculación pulmonar en un modelo experimental de ALI. Se utiliza un sistema de imágenes pulmonares in vivo y una plataforma de microscopía intravital impresa en 3D para asegurar el ratón anestesiado y estabilizar el pulmón al tiempo que minimiza la lesión pulmonar confusa. Después de la preparación, la microscopía de fluorescencia de campo ancho se utiliza para estudiar la adhesión de leucocitos, el laminado de leucocitos y la función capilar. Si bien el protocolo presentado aquí se centra en la obtención de imágenes en un modelo agudo de enfermedad pulmonar inflamatoria, también puede adaptarse para estudiar otros procesos patológicos y fisiológicos en el pulmón.
Introduction
La microscopía intravital (IVM) es una herramienta de imagen útil para visualizar y estudiar diversos procesos biofísicos in vivo. El pulmón es muy difícil de obtener imágenes in vivo debido a su ubicación cerrada, la naturaleza frágil de su tejido y los artefactos de movimiento inducidos por la respiración y los latidos del corazón 1,2. Se han desarrollado varias configuraciones de microscopía intravital (IVM) para obtener imágenes en tiempo real de las interacciones leucocitarios-endoteliales en la microcirculación pulmonar para superar estos desafíos. Tales enfoques se basan en exponer quirúrgicamente y estabilizar el pulmón para obtener imágenes.
Los animales generalmente se preparan para la IVM pulmonar mediante procedimientos quirúrgicos. En primer lugar, los animales son intubados y ventilados, lo que permite la escisión quirúrgica de una ventana torácica y las intervenciones posteriores para estabilizar el pulmón para la obtención de imágenes. Una técnica consiste en pegar el parénquima en una cubierta de vidrio3, un procedimiento que corre el riesgo de un trauma físico significativo en el tejido fotografiado. Más avanzada es la utilización de un sistema de vacío para estabilizar el pulmón bajo una ventana de vidrio4. Esta configuración facilita la adherencia suelta de la superficie pulmonar a la cubierta a través de un vacío reversible extendido sobre una gran área local y expande el pulmón al tiempo que limita el movimiento en las dimensiones x, y y z4. El vacío se aplica uniformemente a través de un canal que rodea el área de imagen de la configuración y tira del tejido hacia una región cónica poco profunda frente al cobertor de grado de imagen4. A través de esta ventana de visualización, la microcirculación pulmonar se puede estudiar utilizando varias modalidades de imágenes ópticas.
La IVM pulmonar permite la obtención de imágenes cuantitativas de una multitud de parámetros microcirculatorios. Estos incluyen mediciones como la velocidad y longitudde la pista de leucocitos 5, la velocidad del flujo de glóbulos rojos6 y la oxigenación7, las metástasis tumorales8, la distinción de las subpoblaciones de células inmunes 9,10,11, la visualización de micropartículas12, la dinámica alveolar 13,14, la permeabilidad vascular15 y la función capilar 16 . El enfoque aquí está en el reclutamiento de leucocitos y la función capilar. El inicio del reclutamiento de leucocitos en la microcirculación pulmonar implica interacciones transitorias de rodadura e interacciones adhesivas firmes entre leucocitos y células endoteliales, las cuales se incrementan en condiciones inflamatorias16,17. Típicamente, el laminado se cuantifica por el número de leucocitos que pasan por una línea de referencia definida por el operador, mientras que la adhesión se cuantifica por el número de leucocitos que están inmóviles en el endotelio16. La función capilar también puede verse afectada en estados inflamatorios, lo que a menudo resulta en una disminución de la perfusión. Esto se puede atribuir a varios factores, incluida una reducción de la deformabilidad de los glóbulos rojos18 y la expresión abigarrada de la NO sintasa inducible por las células endoteliales que resulta en una derivación patológica19. Por lo general, la longitud agregada de los capilares perfundidos por área se mide y se informa como densidad capilar funcional (FCD).
El estudio del reclutamiento de leucocitos en los pulmones en tiempo real requiere el etiquetado de objetivos biológicos con colorantes fluorescentes o anticuerpos marcados con fluorescentes20. Alternativamente, varias cepas de ratones transgénicos como los ratones de la proteína fluorescente M-green lisozima (LysM-GFP) se pueden utilizar para obtener imágenes de subconjuntos específicos de células inmunes como los neutrófilos21,22. Los leucocitos marcados con fluorescentes se pueden visualizar utilizando microscopía de fluorescencia de campo amplio, microscopía confocal o microscopía multifotónica. Estas técnicas logran el contraste mediante la utilización de longitudes de onda de excitación específicas y la detección de la fluorescencia emitida, al tiempo que bloquean la detección de la longitud de onda de excitación, destacando así el objeto etiquetado.
La investigación existente sobre la cuantificación del laminado de leucocitos, la adhesión y la densidad capilar funcional en el pulmón murino se ha basado principalmente en el análisis manual de video. Esto es posible gracias al software de código abierto como Fiji 6,23, el software propietario como CapImage12 o los sistemas de procesamiento de imágenes personalizados24. Por el contrario, varias plataformas de software propietario (por ejemplo, NIS Element, Imaris, Volocity, MetaMorph) permiten la medición automatizada de una amplia gama de otros parámetros fisiológicos, incluidos muchos de los mencionados anteriormente aquí 5,6,7,8,9,10,11,12,13,15.
Se han realizado observaciones importantes con respecto a la patología de la lesión pulmonar aguda (ALI) y el síndrome de dificultad respiratoria aguda (SDRA) utilizando la IVM pulmonar. El SDRA se caracteriza por una serie de procesos fisiopatológicos en el pulmón, incluyendo edema pulmonar y daño alveolar causado por la disfunción del endotelio y la barrera epitelial25. Utilizando un modelo murino, se ha encontrado que la ALI inducida por sepsis se asocia con cambios perjudiciales significativos en el tráfico de células inmunes en el entorno pulmonar26. Se encontró que los neutrófilos reclutados en los capilares de ratones con ALI inducida por sepsis impiden la microcirculación, lo que aumenta la hipoxia en ALI26. Además, la IVM se ha utilizado para obtener información sobre el mecanismo subyacente de reparación después de la aparición del SDRA27. La MIV pulmonar también ha sido una herramienta valiosa para comprender los cambios fisiopatológicos en diversas enfermedades pulmonares obstructivas. Por ejemplo, la visualización del transporte de moco en enfermedades como la fibrosis quística (FQ) y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) ha facilitado el estudio de tratamientos novedosos y existentes para el aclaramiento mucoso28. También se ha analizado el tráfico de leucocitos en estas condiciones17.
Este protocolo amplía el enfoque descrito inicialmente por Lamm et al.29 para estudiar las interacciones leucocitarios-endoteliales mediante microscopía de fluorescencia convencional. Los procedimientos descritos emplean un sistema de imágenes pulmonares in vivo , que incluye una base metálica de 16,5 cm x 12,7 cm, un micromanipulador y una ventana de imágenes al vacío (Figura 1). El sistema está montado en una plataforma impresa en 3D de 20 cm x 23,5 cm (Archivo suplementario 1) para proporcionar una fijación segura para el tubo del ventilador y la almohadilla térmica. Este método ofrece imágenes reproducibles y cuantificables de la microcirculación pulmonar murina in vivo. Los aspectos importantes de la preparación quirúrgica, así como la utilización adecuada de un sistema de imágenes pulmonares estabilizadas al vacío se explican en detalle. Finalmente, se utiliza un modelo experimental de ALI para proporcionar imágenes representativas y análisis de la alteración del laminado de leucocitos, la adhesión leucocitaria y la perfusión capilar asociada con la inflamación. El uso de este protocolo debería facilitar otras investigaciones importantes sobre los cambios fisiopatológicos en la microcirculación pulmonar durante los estados de enfermedad aguda.
Protocol
Representative Results
Discussion
El protocolo presentado aquí requiere práctica y atención a algunos pasos críticos. Primero, es importante preparar la ventana de imágenes antes de iniciar la intubación y la cirugía. Use una cantidad mínima de grasa al vacío para recubrir el anillo exterior de la ventana de imágenes, aplique el vidrio de la cubierta y pruebe la succión con una gota de agua destilada. Preparar esto con anticipación evitará que el pulmón expuesto se seque durante la configuración, de lo contrario. Si bien es posible enjuaga…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores desean agradecer al Dr. Pina Colarusso, quien proporcionó una experiencia significativa en la edición y revisión de este manuscrito.
Materials
| 1 mL BD Luer Slip Tip Syringe sterile, single use | Becton, Dickinson and Company | 309659 | 1 mL syringe |
| ADSON Dressing Forceps, Tip width 0.6 mm, teeth length 11.5 mm, 12 cm | RWD Life Science Co. | F12002-12 | Blunt forceps |
| Albumin-Fluorescein Isothiocyanate | Sigma-Aldrich | A9771-1G | FITC-albumin |
| Alcohol Swab Isopropyl Alcohol 70% v/v | Canadian Custom Packaging Company | 80002455 | Alcohol wipe |
| AVDC110 Advanced Digital Video Converter | Canopus | 00631069602029 | Digital video converter |
| B/W – CCD – Camera | Horn Imaging | BC-71 | Camera |
| Bovie Deluxe High Temperature Cautery Kit | Fine Science Tools | 18010-00 | Cauterizer |
| C57BL/6 Mice | Charles River Laboratories International | C57BL/6NCrl | C57BL/6 Mice |
| Cotton Tipped Applicators | Puritan | 806-WC | Cotton applicator |
| CS-8R 8mm Round Glass Coverslip | Warner Instruments | 64-0701 | Glass coverslip |
| Digital Pressure Gauge | ITM Instruments Inc. | DG2551L0NAM02L0IM&V | Digital Pressure Gauge |
| Dr Mom Slimline Stainless LED Otoscope | Dr. Mom Otoscopes | 1001 | Otoscope |
| Ethyl Alchohol 95% Vol | Commercial Alcohols | P016EA95 | 95% ethanol |
| Fine Scissors – Martensitic Stainless Steel | Fine Science Tools | 14094-11 | Scissors |
| Fisherbrand Colored Labeling Tape | Fisher Scientific | 1590110 | Labeling tape |
| Gast DOA-P704-AA High-Capacity Vacuum Pump | Cole-Parmer Canada Company | ZA-07061-40 | Vacuum pump |
| Hartman Hemostats | Fine Science Tools | 13003-10 | Hemostatic forceps |
| High Vacuum Grease | Dow Corning | DC976VF | Vacuum grease |
| Isoflurane USP | Fresenius Kabi | CP0406V2 | Isoflurane |
| LIDOcaine HCl Injection 1% 50 mg/5 mL | Teligent Canada | 0121AD01 | Lidocaine HCl 1% |
| Lung SurgiBoard | Luxidea, Inc. | IMCH-0001 | Designed for intravital microscopy of the lung |
| Mineral Oil | Teva Canada | 00485802 | Mineral oil |
| Mouse Endotracheal Intubation Kit | Kent Scientific Corporation | ETI-MSE | Intubation stand, anesthesia mask, 20 G endotracheal cannula, fibre optic cable |
| MST49 Fluorescence Microscope | Leica Microsystems | 10 450 022 | Fluorescence Microscope |
| N Plan L 20x/0.40 Long Working Distance Microscope Objective | Leica Microsystems | 566035 | 20x objective |
| Non-Woven Sponges 2" x 2" | AMD-Ritmed | A2101-CH | Gauze |
| Optixcare Eye Lube Plus | Aventix | 5914322 | Tear gel |
| Original Prusa i3 MK3S+ 3D Printer | Prusa Research | PRI-MK3S-KIT-ORG-PEI | 3D printer |
| Oxygen, Compressed | Linde Canada Inc. | Oxygen | |
| PrecisionGlide Needle 30 G x 1/2 (0.3 mm x 13 mm) | Becton, Dickinson and Company | 305106 | 30 G needle |
| Pyrex 5340-2L 5340 Filtering Flasks, 2000 mL | Cole-Parmer Canada Company | 5340-2L | Vacuum flask |
| Rhodamine 6 G | Sigma-Aldrich | 252433 | Rhodamine 6G |
| Secure Soft Cloth Medical Tape – 3" | Primed | PM5-630709 | Cloth tape |
| Silastic Medical Grade Tubing .040 in. ID x .085 in. OD | Dow Corning | 602-205 | 1.0 mm I.D. polyethylene tubing |
| Somnosuite Low-Flow Anesthesia System | Kent Scientific Corporation | SS-01, SS-04-module | Small rodent ventilator, Low-flow anesthesia system, Heating pad, Rectal temperature probe, Pulse oximeter |
| Tissue Forceps, 12.5cm long, Curved, 1 x 2 Teeth | World Precision Instruments | 501216 | Toothed forceps |
| Transpore Medical Tape, 1527-1, 1 in x 10 yd (2.5 cm x 9.1 m) | 3M | 7000002795 | Medical tape |
| Tubing,Clear,3/8 in Inside Dia. | Grainger Canada | USSZUSA-HT3314 | 1.0 cm I.D. polyethylene tubing |
| Whatman 6720-5002 50 mm In-Line Filters, PTFE, 0.2 µm | Cole-Parmer Canada Company | 6720-5002 | Inline 0.2µm filter |
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