Limpeza óptica e marcação para microscopia de fluorescência de folha de luz em imagens cerebrais humanas em larga escala
Summary
O presente protocolo fornece um procedimento passo-a-passo para limpeza óptica rápida e simultânea, marcação multi-redonda e reconstrução volumétrica 3D de dezenas de cortes cerebrais humanos post-mortem, combinando a técnica de transformação de tecido curto (SWITCH – H2O2 – Antigen Retrieval – 2,2′-thiodiethanol [TDE]) com imagens de microscopia de fluorescência de folha de luz em um protocolo de alto rendimento de rotina.
Abstract
Apesar das inúmeras técnicas de clareamento que surgiram na última década, o processamento de cérebros humanos post-mortem continua sendo uma tarefa desafiadora devido às suas dimensões e complexidade, que tornam as imagens com resolução micrométrica particularmente difíceis. Este trabalho apresenta um protocolo para realizar a reconstrução de porções volumétricas do cérebro humano por meio do processamento simultâneo de dezenas de cortes com o protocolo de transformação tecidual SHORT (SWITCH – H2O2 – Antigen Retrieval – 2,2′-thiodiethanol [TDE]), que permite a limpeza, marcação e obtenção de imagens sequenciais das amostras com microscopia de fluorescência em folha de luz (LSFM). O SHORT proporciona rápida limpeza tecidual e multimarcação homogênea de cortes espessos com vários marcadores neuronais, permitindo a identificação de diferentes subpopulações neuronais tanto na substância branca quanto na cinzenta. Após a limpeza, as fatias são fotografadas via LSFM com resolução micrométrica e em múltiplos canais simultaneamente para uma rápida reconstrução 3D. Combinando SHORT com LSFM dentro de um protocolo de alto rendimento de rotina, é possível obter a reconstrução da citoarquitetura 3D de grandes áreas volumétricas em alta resolução em um curto espaço de tempo, permitindo assim uma caracterização estrutural abrangente do cérebro humano.
Introduction
Analisar a organização molecular 3D e a citoarquitetura de grandes volumes do cérebro humano requer transparência óptica dos espécimes, conseguida através de protocolos com extenso tempo de processamento. Técnicas de clareamento óptico foram desenvolvidas para minimizar a heterogeneidade do índice de refração (IR) dentro dos tecidos, reduzindo o espalhamento de luz e aumentando a profundidade de penetração da luz para imagens de alta resolução 1,2,3,4,5. Os avanços atuais nos métodos de clareamento e marcação tecidual profunda permitem a obtenção volumétrica de órgãos e embriões de roedores intactos, utilizando técnicas de microscopia de ponta6,7,8,9,10,11,12.
No entanto, a reconstrução volumétrica 3D de grandes áreas do cérebro humano post-mortem ainda representa uma tarefa desafiadora em comparação com organismos modelo. A complexa composição biológica e as variáveis condições de fixação e armazenamento post-mortem podem comprometer a eficiência do clareamento tecidual, a profundidade de penetração de anticorpos e o reconhecimento de epítopos13,14,15,16,17,18,19. Além disso, a secção mecânica dos tecidos e a subsequente limpeza e marcação de cada corte ainda são necessárias para obter uma limpeza eficiente e marcação uniforme de grandes áreas cerebrais humanas, resultando em longos tempos de processamento e na necessidade de sofisticados equipamentos personalizados, em comparação com organismos modelo 15,20,21,22.
A técnica de transformação tecidual SWITCH – H2O2 – antigen Retrieval –TDE (SHORT) foi desenvolvida especificamente para analisar grandes volumes do cérebro humano18,23. Este método emprega a preservação estrutural tecidual do protocolo SWITCH11 e altas concentrações de hidrogênio peróxido para diminuir a autofluorescência tecidual, em combinação com a restauração de epítopos. O SHORT permite coloração uniforme de cortes cerebrais humanos com marcadores para diferentes subtipos neuronais, células gliais, vasculatura e fibras mielinizadas18,24. Seus resultados são compatíveis com a análise de proteínas de baixa e alta densidade. Os altos níveis de transparência resultantes e a marcação uniforme permitem a reconstrução volumétrica de cortes espessos com microscopia de fluorescência, em particular, para que equipamentos fotográficos de aquisição rápida possam ser utilizados 18,24,25,26,27.
Neste trabalho, descrevemos como a técnica de transformação de tecido SHORT pode ser usada para limpeza simultânea e marcação multi-redonda de dezenas de cortes cerebrais humanos fixados em formal. Quatro marcadores fluorescentes diferentes podem ser usados em conjunto, levando à identificação de diferentes subpopulações celulares. Após a limpeza, imagens volumétricas de alta resolução podem ser realizadas com microscopia de fluorescência. Neste trabalho, utilizou-se um LSFM invertido sob medida18,24,25,26,27, que permite rápida seccionagem óptica da amostra e rápida aquisição de múltiplos canais em paralelo. Com este protocolo de alto rendimento rotineiro, é possível obter uma caracterização celular e estrutural abrangente com resolução subcelular de grandes áreas do cérebro humano, como já demonstrado no mapeamento de toda uma área deBroca23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Imagens de alta resolução e reconstrução 3D de grandes áreas cerebrais humanas requerem secção mecânica do tecido seguida de clareamento óptico e imunomarcação de cortes únicos. O protocolo aqui apresentado descreve como o método de transformação tecidual SHORT pode ser usado para processamento rápido e simultâneo de múltiplas seções espessas do cérebro humano para reconstrução cerebral 3D com resolução subcelular com LSFM.
Ao contrário de outras abordagens, com o mé…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Bruce Fischl, Massachusetts General Hospital, A.A. Martinos Center for Biomedical Imaging, Department of Radiology, por fornecer as amostras de cérebro humano analisadas neste estudo. Este projeto recebeu financiamento do Programa-Quadro de Investigação e Inovação Horizonte 2020 da União Europeia ao abrigo do acordo de subvenção n.º 654148 (Laserlab-Europe), do Programa-Quadro de Investigação e Inovação Horizonte 2020 da União Europeia ao abrigo do Acordo de Subvenção Específico n.º 785907 (Projeto Cérebro Humano SGA2) e n.º 945539 (Projeto Cérebro Humano SGA3), do Centro da Corporação Hospitalar Geral dos Institutos Nacionais de Saúde sob o número de prémio U01 MH117023, e do Ministério da Educação italiano no âmbito do Nó Italiano Euro-Bioimaging (infraestrutura de investigação ESFRI). Finalmente, esta pesquisa foi realizada com a contribuição da “Fondazione CR Firenze”. O conteúdo deste trabalho é de responsabilidade exclusiva dos autores e não representa, necessariamente, a opinião oficial do National Institutes of Health. A Figura 1 foi criada com BioRender.com.
Materials
| 2,2'-thiodiethanol | Merck Life Science S.R.L. | 166782 | |
| Acetamide >= 99.0% (GC) | Merck Life Science S.R.L. | 160 | |
| Agarose High EEO | Merck Life Science S.R.L. | A9793 | |
| Boric Acid | Merck Life Science S.R.L. | B7901 | |
| Compressome VF-900-0Z Microtome | Precisionary | / | |
| Coverslips | LaserOptex | / | customized |
| Ethylenediaminetetraacetic acid disodium salt dihydrate | Merck Life Science S.R.L. | E5134 | |
| Glutaraldehyde | Merck Life Science S.R.L. | G7651 | |
| Glycine | Santa Cruz Biotechnology | SC_29096 | |
| Hydrogen Peroxide 30% | Merck Life Science S.R.L. | ||
| Incubator ISS-4075 | Lab companion | / | |
| Light-sheet fluorescence microscopy (LSFM) | / | / | custom-made |
| Loctite Attak | Henkel Italia srl | / | |
| Microscope slides | Laborchimica | / | customized |
| Phospate buffer saline tablet | Merck Life Science S.R.L. | P4417 | |
| Picodent Twinsil | Picodent | 13005002 | out of production |
| Potassium Hydrogen Phtalate | Merck Life Science S.R.L. | P1088 | |
| Sodium Azide | Merck Life Science S.R.L. | S2002 | |
| Sodium Dodecyl Sulfate | Merck Life Science S.R.L. | L3771 | |
| Sodium Sulfite | Merck Life Science S.R.L. | S0505 | |
| Spacers | Microlaser srl | customized | |
| Sputum Containers (dishes with screw lids) | Paul Boettger GmbH & Co. KG | 07.061.2000 | |
| Tris Base | PanReac AppliChem (ITW reagents) | A4577,0500 | |
| Triton X-100 | Merck Life Science S.R.L. | T8787 | |
| Tubes | Sarstedt | 62 547254 | |
| Tween 20 | Merck Life Science S.R.L. | P9416 | |
| Vibratome VT1000S | Leica Biosystem | / | |
| Water bath | Memmert | WNB 7-45 | |
| Antibodies and Dyes | |||
| Alexa Fluor 488 AffiniPure Alpaca Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Reasearch | 611-545-215 | Dilution used, 1:200 |
| Alexa Fluor 488 AffiniPure Bovine Anti-Goat IgG (H+L) | Jackson Immuno Reasearch | 805-545-180 | Dilution used, 1:200 |
| Alexa Fluor 647 AffiniPure Alpaca Anti-Rabbit IgG (H+L) | Jackson Immuno Reasearch | 611-605-215 | Dilution used, 1:200 |
| Anti-NeuN Antibody | Merck Life Science S.R.L. | ABN91 | Dilution used, 1:100 |
| Anti-Parvalbumin antibody (PV) | Abcam | ab32895 | Dilution used, 1:200 |
| Anti-Vimentin antibody [V9] – Cytoskeleton Marker (VIM) | Abcam | ab8069 | Dilution used, 1:200 |
| Calretinin Polyclonal antibody | ProteinTech | 12278_1_AP | Dilution used, 1:200 |
| DAPI | ThermoFisher | D3571 | Dilution used, 1:100 |
| Donkey Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 568) | Abcam | ab175700 | Dilution used, 1:200 |
| Donkey Anti-Mouse IgG H&L (Alexa Fluor 647) | Abcam | ab150107 | Dilution used, 1:200 |
| Donkey Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 568) | Abcam | ab175470 | Dilution used, 1:200 |
| Donkey Anti-Rat IgG H&L (Alexa Fluor 568) preadsorbed | Abcam | ab175475 | Dilution used, 1:200 |
| Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150169 | Dilution used, 1:500 |
| Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor 568) | Abcam | ab175711 | Dilution used, 1:500 |
| Goat Anti-Chicken IgY H&L (Alexa Fluor 647) | Abcam | ab150171 | Dilution used, 1:500 |
| Goat Anti-Rabbit IgG H&L (Alexa Fluor 488) | Abcam | ab150077 | Dilution used, 1:200 |
| Recombinant Alexa Fluor 488 Anti-GFAP antibody | Abcam | ab194324 | Dilution used, 1:200 |
| Somatostatin Antibody YC7 | Santa Cruz Biotechnology | sc-47706 | Dilution used, 1:200 |
| Vasoactive intestinal peptide (VIP) | ProteinTech | 16233-1-AP | Dilution used, 1:200 |
Referências
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