샘플링 전략 및 돼지 생물 의학 모델에서 Biobank 조직 샘플의 처리

Summary

실용적인 응용 프로그램 및 다운스트림 분석 biobank 프로젝트에서의 광범위 한 스펙트럼에 대 한 돼지 동물 모델의 대표적인 조직 샘플의 세대를 위한 방법의 성능을 시연, volumetry를 포함 하 여 체계적인 무작위 샘플링 그리고 차동 질적 및 양적 형태 론 적과 분자 분석 유형에 대 한 조직 샘플의 처리.

Abstract

변환 의료 연구에서 돼지 모델 꾸준히 더 인기가 되고있다. 특히 유전자 변형된 돼지의 개별 동물의 높은 가치를 고려 하 고 모델과이 모델의 사용 가능한 동물의 자주 제한 수, 적절 하 게 처리 조직 샘플의 (biobank) 컬렉션의 설립에 적합 한 샘플링, 시간 시점에서 지정 되지 않은 분석을 포함 하 여 후속 분석 방법의 광범위 한 의미 있는 접근을 활용 모델의 변환 값을 나타냅니다. 돼지 해부학의 특성에 관하여 포괄적인 지침 최근 대표, 다른 돼지 장기와 조직에서 높은-품질 샘플의 표준화 된 세대에 대 한 설립 되었습니다. 이러한 지침의 결과 다른 연구와 조사 사이 그들의 comparability 재현성에 대 한 필수적인 전제 조건은 없습니다. 기본 데이터, 장기 무게 볼륨, 결정의 샘플링 위치와 조직 샘플의 숫자의 생성으로 그들의 방향, 크기, 처리 및 트리밍 방향, 녹음 관련 요인이 가해질 및 분자, 질적, 양적 형태소 분석에 대 한 견본의 유용성을 결정. 여기, 한 설명, 실용적인, 단계별 데모의 가장 중요 한 기술 담당자의 세대에 대 한, 돼지 조직에서 다목적 biobank 견본 제공 됩니다. 여기에 설명 된 방법이 포함 기관/조직 볼륨 및 밀도, 조직의 수축의 넓이의 포인트-세기, 결정에 의해 parenchymal 장기에 대 한 볼륨-가중치 체계적인 무작위 샘플링 절차의 응용 프로그램 결정 샘플, 및 “Orientator” 및 “Isector” 방법, 및 수직 제복에 의해 생성 된 균일 한 임의의 등방성 (IUR) 섹션 등 양적 stereological 분석에 대 한 무작위로 지향 샘플 세대의 조직학 포함 관련 무작위 (VUR) 섹션입니다.

Introduction

변환 의학, 돼지는 점점 사용을 위해 일반적으로 큰 동물 모델^1,2,3,,45는 돼지 사이의 여러 유리한 유사성 때문과 인간 해부학 및 생리학, 및 설립된 분자 생물학적 방법의 세대에 대 한 허용 여부 맞춤, 유전자 변형 돼지 질병 조건^1,4의 넓은 범위에 대 한 모델.

그러나, 설치류 모델에 비해, 동물 실험에 대 한 언제 든 지 제공 될 수 있다 각각 돼지 모델의 수가 제한 됩니다. 이것은 약 1 년, 그리고 돼지 모델 및 축산의 생성에 필요한 금융 및 시간 집중적인 노력 돼지 세대 간격. 따라서,이 돼지에서 생성 될 수 있는 샘플으로 서 돼지 모델의 개별 동물 들은 매우 귀중 한 유전자 변형 돼지 모델 및 장기 실험 문제 (예를 들면, 늦은 합병증의 경우에 특히 만성 질환) 세 개인^2,,67에 검사 합니다.

모든 연구 과정에서 연구의 초기 실험 설계에 예정 하지 했다 추가 분석의 성능 수 나중으로 판명 관련, 예를 들어, 이전에서 발생 하는 별개 질문 발견 주소 예기치 않은 결과. 이러한 추가 실험에 대 한 적합 한 샘플을 사용할 수 없는 경우 disproportionally 높은 비용과 시간이 많이 소요 비용 추가 돼지와 조직 샘플을 생성 하는 데 필요한 수 있습니다. 그런 우발적 사건을 위해 준비 되, 다른 기관, 조직, 또는 바이오-액체, 양적 및 질적으로 후속 분석의 광범위 한 적합의 보존 백업 샘플 biobank 컬렉션의 중요 한 여겨진다 접근^2,,67. 돼지 동물 모델에서 최적의 혜택을 파생, 적절 한 biobank 샘플의 가용성 또한 가능성을 제공 합니다 독특한 멀티 기관 수준에 동일한 샘플 자료에 광범위 한 다양 한 분석 방법 수행 하는 매우 동일한 개별 동물, 예를 들어, 다른 작업 그룹의 과학자 샘플의 유통 조직 연구 네트워크^2,,67. 또한, biobanking에 ‘앞 ‘ 샘플링 전략 연구에 필요한 동물의 수의 감소에도 기여 한다. 돼지 모델 biobanking의 장점은 최근 다 기관, multiomics 연구, 검사 기관에서에서 입증 되었습니다에서 뮌헨 MIDY 돼지 Biobank 표본을 사용 하 여 장기 당뇨병의 유전자 변형된 돼지 모델에서 크로스 토크 ².

일반적으로 안정성과 이후에 수행된 분석의 결과의 판독을 준수 해야 합니다 biobank 샘플 몇 가지 필수 요구 사항이 있습니다. 샘플 reproducibly, 생성 해야 합니다 그리고 그들은 대표 해야 합니다, 즉, 적절 하 게 반영 하는 샘플⁷에서 찍은 조직/기관의 관심이 형태학 및 분자 기능. 다운스트림 분석 종류의 넓은 범위에 적합 될, 샘플 되어야 충분 한 수량에 촬영 하며 설명 포함 하 여 다른 분석 방법의 요구 사항 (시간 및 온도 조건 등)에 따라 처리 histopathological 분석, cryohistology, 파라핀 및 플라스틱 조직학, immunohistochemistry, 제자리에서 교 잡, ultrastructural 전자 현미경 분석, 임상 실험실 뿐만 아니라 분자 진단 분석 등 DNA, RNA, 단백질, 및 대사 산물의 분석.

수 있도록 다양 한 숫자, 볼륨, 길이, 또는 독특한 조직 구조의 표면 영역 같은 뚜렷한 양적 형태학 매개 변수 평가 대 한 양적 stereological 분석에 의해, 무작위로 섹션의 비행기는 각각 장기/조직의 조직학 샘플^7,,89,,1011준비를 해야 합니다. 양적 형태학 연구, 조직, 기관, 또는 기관 구획의 총 볼륨의 정확한 결심에에서 샘플 (즉, 참조 공간)에서 찍은 결정적으로 중요 한^{7,9 , 12} 각 기관, 조직, 또는 유기 체 내에서 관심이 매개 변수의 절대 수량 계산 하. 결국, 조직학 단면도의 준비 하는 동안 포함-관련 조직 수축 효과 결정 하 여 계정¹³에 있다. 따라서, 이전 연구에서 보관 된 샘플 (고정 조직 샘플, 임베디드 조직 블록, 조직학 단면도, 등등)의 특히 양적 stereological 분석은 때때로 심각 하 게 제한 하거나 심지어 불가능 한¹², 특히 각 기관/조직의 volumetry 수행 되지 않았습니다, 아니 적절 한 샘플링 디자인 영장 대표 샘플을 숫자와 양의 사용 가능한 개별 샘플 충분 하지 않은 경우에 적용 하는 경우 또는 경우의 처리는 샘플의 양적 형태학 매개 변수 추정과 호환 되지 않습니다. 매니폴드 가능한 영향을 미치는 요인으로 인해 뚜렷한 양적 형태학 매개 변수 분석에 대 한 아카이브 샘플 자료의 적합성 명백 하 게 답을 수 없는, 그러나 각 개인적인 케이스의 신중한 평가에 따라 달라 집니다.

따라서, 위치, 크기, 숫자, 처리, 트리밍, 방향과 샘플의 후속 분석의 결과 영향을 줄 것 이다, 이러한 요인 매우 중요 하 고 어떤 연구의 실험 설계에 고려 되어야 한다. 이러한 측면 및 돼지 해부학, 돼지에 적응된 동물 모델 설립 되었습니다 최근, 포괄적인, 상세한, 대규모 샘플링 지침의 특수 기능 표준화, 재현성에 대 한 강력한 참조를 제공 하 그리고 50 개 이상의 다른 돼지 장기와 조직^6,7에서 중복, 적절 하 게 처리, 높은-품질의 효율적인 생성.

방법론 설명 및 현재 문서에 표시 된 비디오 튜토리얼 제공, 설명, 이해할 수 있는, 단계-의해 단계를 지시 volumetry를 위한 기술의 다양 한의 실제 성능에 대 한 돼지 직물의 샘플링 및 장기, 고 다른 다운스트림 분석 방법에 대 한 조직 샘플의 처리. 관련 조직의 3 차원 수축 량의 크기의 결정을 포함 하 여 추천된 기술 기관/조직 볼륨 및 Archimedes 및 Cavalieri⁹의 원칙에 따라 밀도의 결정에 대 한 메서드를 포함 합니다 조직학 검사에 대 한 처리 하는 동안 다른 포함 미디어¹⁴ 에 포함, 실용적인 볼륨 가중치 체계적인 무작위 샘플링의 응용 프로그램, 샘플된 조직 표본에 대 한 처리 접근 다른 후속 분석^7,8,,915및 적절 하 게 지향 및 잠재적인 양적 stereological 분석^{7,8, 샘플 처리 9,,1011}. 돼지 biobank 프로젝트에 응용 프로그램, 옆 시연된 메서드는 일반적으로 장기/조직의 양적 조직 형태학 속성을 검사 하는 모든 연구에 대 한 적절 한. 또한, 체계적인 무작위 샘플링 디자인은 분자 분석 방법을 사용 하 여 풍부한 변경의, 예를 들면, RNAs, 단백질, 또는에서 대사 산물을 검출 하는 실험에서 대표 샘플의 세대에 대 한 특히 유용 각종 기관 및 조직입니다.

다음 단락에서는 그들의 실질적인 성능을 프로토콜 섹션에서 설명 하는 동안 이러한 방법에 대 한 간략 한 소개를 제공 합니다.

기관/조직 볼륨의 결정
장기 무게와 볼륨의 결정은 여러 실험 설정에서 중요 한으로 이러한 요소를 나타낼 수 있습니다 변경, 잠재적으로 관련 된 실험적으로 시험 관심의 요인. 기관/조직의 총 볼륨 또한 일반적으로 절대 양적 매개 변수 (예:, 전체 휴대폰 번호), stereologically 예상된 숫자 볼륨 밀도 (즉, 볼륨 단위 당 세포의 수에서 계산 하는 데 필요한 조직)의^7,12. 컴퓨터 단층 촬영, 같은 복잡 한 기술적인 장비를 사용 하 여 기술을 제외 하 고는 기본적으로 일반적으로 기관 또는 조직의 절대 볼륨을 결정 하는 데 사용 하는 세 가지 실용적인 방법. 장기의 볼륨 “직접 체적 측정” Archimedes, 즉의 원칙에 따라, 물 또는 염 분 완전히 빠져들 때 구조에 의해 난민의 볼륨을 측정 하 여 확인할 수 있습니다. 그러나, comparably 대형 돼지 장기에 대 한 이러한 접근은 허무 하 고 경향이 부정확성, 이후 그들은 매우 큰 체적/측정 플라스 크를 필요로. 더 편리 하 게,의 기관/조직 볼륨의 무게와 밀도^7,,1216, 효율적으로 “침수 방법”^{7,12 사용 하 여 결정 될 수 있는 산출 될 수 있다 ,16} (프로토콜 단계 1.1.). 기관/조직 볼륨 (1598-1647) “Cavalieri의 원칙”에 따라 volumetry 접근을 사용 하 여 추정 또한 수 있습니다. 간단한 기간에서는, Cavalieri 원칙 상태, 두 개체는 접지 평면에 평행한 평면에 구분 하 고 섹션의 프로필에 해당에 두 개체를 극복 하는 경우 지 면에서 거리는 동일한 지역, 두 개체 동일한 볼륨이 있다. 따라서, 임의로 모양의 개체의 볼륨 병렬, 동등 하 게 먼 섹션 평면 및 단면 평면 사이의 거리에 그들의 섹션 프로필 분야의 제품으로 추정 될 수 있습니다. 이것은 다음과 같은 비유를 이해할 수: 동일한 동전 같은 수로 구성 된 두 개의 스택을 병행 하 여, 서로 양보는 동전, 스택과 다른 원통 모양 모양 스택 동전 질서와 하나의 스택 배치 됩니다 고려 오프 센터 코인의 스택 위치 동전 (그림 3A). 두 동전 더미의 형태는 다른, 그들의 볼륨 동일 합니다, 이후 두 스택의 해당 수준에서 동전의 영역 (즉, 병렬 섹션의 프로필 영역에서 동등한 거리에서 두 동전 스택을 통해 잘라는 접지) 같습니다. 돼지 장기 및 조직 Cavalieri 원리^7,,1215 를 사용 하 여 볼륨의 추정 단계 1.2에서에서 설명 되어 있습니다.

조직학 포함 관련 조직 수축의 범위 결정
조직학 직물 단면도에서 측정 된 여러 양적 형태학 매개 변수 분석, 포함-관련 조직 수축 조직 조직학에 대 한 처리 중에 발생의 효과 결정 하 고 고려 한다. 포함-관련 조직 수축 범위 변수를 있을 수 있습니다 그리고 모두 처리, 조직과 포함 중간^{8,,1317,,1819}에 따라 달라 집니다. 포함-관련 변경 사항 (즉, 주로 수축) 조직 샘플의 볼륨의 공간, 및, 따라서, 양적 stereological 분석^{8에 의해 모든 차원 매개 변수 추정의 모든 3 개 차원에서 발생 하는 일반적으로,} . 기본적으로, 단계 1.3에서에서와 같이 포함-관련 조직 수축, 선형 조직 수축 계수 (f_S)로 표현 된 범위 추정 수 있습니다. 그리고 (수축 구분) 양적 형태학 매개 변수¹⁴의 수정에 대 한 사용.

기관/조직의 체계적인 무작위 샘플링 볼륨 가중치
돼지 장기/조직 샘플의 biobank 컬렉션의 설립에 대 한 볼륨 가중치 체계적인 무작위 샘플링 방법과 같은 2 단계에서 설명한 입증 실용적, 시간-절약 및 효율적인 기술 대표의 생성에 대 한 다목적 조직^7,8,,915샘플링합니다.

Stereological 정량 분석에 대 한 임의의 균일 한 등방성 섹션 및 임의의 유니폼 수직 섹션의 세대
Biobank 조직 샘플 매개 변수를 적절 하 게 준비 된 표본 없이 확인할 수 없습니다 그의 최대의 견적에 대 한 다른 양적 stereological 분석 방법의 넓은 범위에 적합 해야 합니다. 거의 모든 양적 stereological 매개 변수, “등방성 (독립) 획 일 한 무작위 (IUR) 섹션”^8,9를 사용 하 여 결정 수 있습니다. IUR 섹션에서 조직 샘플의 섹션 평면 3 차원 방향 무작위입니다. “Isector” 방법¹¹ (3.1 단계 프로토콜), 또는 단면 평면을 기준의 방향의 랜덤 적용이 섹션 비행기의 위치를 기준으로 조직 샘플의 위치는 랜덤에 의해 달성 될 수 있다는 “Orientator” 방법¹⁰ (프로토콜 단계 3.2)에서 조직 샘플 피부 또는 점 막 견본 표시는 또는 정의 자연스럽 게 존재 하 고 제대로 식별 수직 축, “수직 획 일 한 무작위 (VUR) 섹션”의 준비 등 조직 샘플에서 (프로토콜 단계 3.3.)의 평면 내에서 엄격 하 게 구분 그들의 수직 축은 유리^8,20입니다. IUR/VUR 샘플링의 이론적 기초 및 잠재적인 다운스트림 양적 stereological 분석에 대 한 포괄적인 논의의 완전 한 담 론에 대 한 관심이 있는 독자 양적 stereology 인생에서의 교과서 라고 과학^8,9.

Protocol

모든 방법을 설명 여기 죽은 동물에서 파생 된 조직 샘플을 사용 하 고 동물 복지의 독일 법적 규정 준수. 1입니다. Volumetry 조직/기관 밀도의 결정에 대 한 침수 기법 (그림 1 및 그림 2) 7 , 12 , 16 재료 준비: 메?…

Representative Results

조직/기관 밀도의 결정에 대 한 잠수 기술 그림 12A -B 는 밀도의 대표 결정 돼지 신장 단계 1.1 (그림 1, 그림 2)에서 설명 된 침수 기술을 사용 하 여 볼륨을 보여줍니다. 더 대표 추가 돼지 장기 및 조직의 밀도 측정 결과 표 2에 표시 됩니?…

Discussion

돼지 동물 모델에서 biobank 샘플 컬렉션의 대표, 중복 조직 샘플의 광범위 한 범위에 적합의 재현할 수 세대의 기관/조직, 결정에 대 한 강력한 기술 및 프로토콜 필요 다른 분석 방법, 그리고 랜덤 양적 stereological 분석에 대 한 샘플 섹션의 방향에 대 한. 현재 문서에서 설명 하는 방법 돼지 장기와 조직의 크기에 적응 하 고 효과적으로 이러한 요구^2,7을 ?…

Materials

Agar	Carl Roth GmbH, Germany	Agar (powder), Cat.: 5210.3	Dissolve approximately 1 g of agar in 10 ml cold water in a glass or plastic beaker, heat in microwave-oven at 700 W, boil the solution twice with rigorous stirring. Cast into mold while still warm and let solidify. Caution: While handling with hot liquid agar, wear protective goggles and gloves.
Caliper	Hornbach Baumarkt GmbH, Bornheim, Germany	Schieblehre Chrom/Vernickelt 120 mm Cat.: 3664902	Any kind of caliper (mechanical or electronic) will do as well.
Casting molds (metal)	Engelbrecht Medizin & Labortechnik, Edermünde, Germany	Einbettschälchen aus Edelstahl, 14 x 24 x 5 mm, Cat.: 14302b	Any other kind of metal casting mold used for paraffin-embedding will do as well.
Copy templates of cross grids (5mm – 6 cm)	n.a.	n.a.	Copy templates of cross grids (5mm – 6 cm) are provided in the supplemental data file of Albl et al.  Toxicol Pathol. 44, 414-420, doi: 10.1177/0192623316631023 (2016)
Copy templates of equiangular and cosine-weighted circles	n.a.	n.a.	Copy templates of equiangular and cosine-weighted circles are provided in Nyengaard & Gundersen. Eur Respir Rev. 15, 107-114, doi: 10.1183/09059180.00010101 (2006) and in Gundersen et al. Stereological Principles and Sampling Procedures for Toxicologic Pathologists. In: Haschek and Rousseaux´s Handbook of Toxicologic Pathology. 3rd ed, 215-286, ISBN: 9780124157590 (2013).
Foldback clamps (YIHAI binder clips, 15 mm and 19 mm)	Ningbo Tianhong Stationery Co ltd., China	Y10006 and Y10005	Any other type of standard office foldback clamps will do as well.
Forceps (anatomical)	NeoLab Migge GmbH, Heidelberg, Germany	neoLab Standard -Pinzette 130 mm, anatomisch, rund, Cat.: 1-1811	Any type of anatomical forceps will do.
Formaldehyde-solution 4%	SAV-Liquid Produktion GmbH, Flintsbach, Germany	Formaldehyd 37/40 %, Cat.: 1000411525005	Dilute to 4% from concentrated solution. Buffer to neutral pH. Wear appropriate eye-, hand- and respiratory protection. Process tissue samples fixed in formaldehyde solution under an exhaust hood and wear protective goggles and laboratory gloves.
Graph paper (for calibration)	Büromarkt Böttcher AG, Jena, Germany. www.bueromarkt-ag.de	Penig Millimeterpapier A4, Cat.: 2514	Any type of graph paper (scaled in millimeter) will do.
Laboratory beakers (5ml, 10 ml, 50 ml, 100 ml)	NeoLab Migge GmbH, Heidelberg, Germany	Becherglas SIMAX® , niedrige Form, Borosilikatglas 3.3 Cat.: E-1031, E-1032, E-1035, E-1036	Any kind of glass- or plastic beakers of 5 – 100 ml volume will do.
Laboratory scale(s)	Mettler Toledo GmbH, Gießen, Germany	PM6000	Any standard laboratory scales with measuring ranges between 0.1 mg to approximately 20 g, respectively between 100 mg to approximately 500 g will do
	Sartorius AG, Göttingen, Germany	BP61S
Microtome blades	Engelbrecht Medizin & Labortechnik, Edermünde, Germany	FEATHER Microtome blasdes S35, Cat.:14700	Any kind of single-use microtome blades will do.
Morphometry/planimetry software/system	National Institute of Health (NIH)	ImageJ	Download from https://www. imagej.nih.gov/ij/ (1997).
	Zeiss-Kontron, Eching, Germany	VideoplanTM image analysis system	Out of stock
Photo camera	Nikon	D40	Any kind of digital photocamera that can be mounted to a tripod  will do.
Plastic transparencies	Avery Zweckform GmbH, Oberlaindern, Germany	Laser Overhead-Folie DINA4 Cat.:  3562	Any (laser)-printable plastic transparency will do.
Random number tables	n.a.	n.a.	Random number tables can conveniently be generated (with defined numbers of random numbers and within defined intervals), using random number generators, such as: https://www.random.org/
Razor blades	Plano GmbH, Wetzlar, Germany	T5016	Any kind of razor blades will do.
Ruler	Büromarkt Böttcher AG, Jena, Germany. www.bueromarkt-ag.de	Office-Point Lineal 30 cm, Kunststoff, transparent, Cat.: ln30	Any kind of cm-mm-scaled ruler will do as well.
Saline (0.9%)	Carl Roth GmbH, Germany	Natriumchlorid, >99% Cat.: 0601.1	To prepare 0.9% saline, dissolve 9 g NaCl in 1000 ml of distilled water at 20°C.
Scalpel blades	Aesculap AG & Co KG, Tuttlingen, Germany	BRAUN Surgical blades N°22	Any kind of scalpel blades will do.
Scanner	Hewlett-Packard	hp scanjet 7400c	Any type of standard office scanner capable of scanning with resolutions from 150-600 dpi will do.
Slicing devices	n.a.	n.a.	Examples forself constructed slicing devices can be found in Knust, et al. Anatomical record. 292, 113-122, doi: 10.1002/ar.20747 (2009) and in the supplemental data file of Albl et al.  Toxicol Pathol. 44, 414-420, doi: 10.1177/0192623316631023 (2016).
Spherical casting molds (e.g., in 25.5 mm diameter)	Pralinen-Zutaten.de, Windach, Germany	Pralinen-Hohlkugeln Vollmilch, 25.5 mm	Spherical casting molds can as well be be self-constructed, or obtained from other confectioner suppliers (for for pralines). The casting molds indicated here are actually the package/wrapping of hollow pralines bodies (first eat the pralines and then use the package for generation of i-sector sections)
Thin wire	Basteln & Hobby Schobes, Straßfurth, Germany. www,bastel-welt.de	Messingdraht (0.3 mm) Cat.: 216464742	Any other kind of thin wire will also do.
Tissue paper	NeoLab Migge GmbH, Heidelberg, Germany	Declcate Task Wipes-White, Cat.: 1-5305	Any other kind of laboratory tissue paper will do as well.
Waterproof pen	Staedler Mars GmbH & Co KG, Nürnberg, Grmany	Lumocolor permanent 313, 0.4 mm, S, black, Cat.: 313-2	Any other kind of waterproof pen will do as well.