Light-sheet beeldvorming om de hartstructuur in knaagdierharten te onthullen
Summary
Het protocol maakt gebruik van geavanceerde light-sheet microscopie samen met aangepaste methoden voor het opruimen van weefsel om ingewikkelde hartstructuren in knaagdierharten te onderzoeken, met een groot potentieel voor het begrijpen van cardiale morfogenese en remodellering.
Abstract
Light-sheet microscopie (LSM) speelt een cruciale rol bij het begrijpen van de ingewikkelde driedimensionale (3D) structuur van het hart en biedt cruciale inzichten in fundamentele hartfysiologie en pathologische reacties. Hierbij verdiepen we ons in de ontwikkeling en implementatie van de LSM-techniek om de micro-architectuur van het hart in muismodellen op te helderen. De methodologie integreert een op maat gemaakt LSM-systeem met technieken voor het opruimen van weefsel, waardoor lichtverstrooiing in hartweefsel wordt verminderd voor volumetrische beeldvorming. De combinatie van conventionele LSM met beeldstitching en multiview-deconvolutiebenaderingen maakt het mogelijk om het hele hart vast te leggen. Om de inherente afweging tussen axiale resolutie en gezichtsveld (FOV) aan te pakken, introduceren we verder een axiaal geveegde lichtbladmicroscopie (ASLM)-methode om onscherp licht te minimaliseren en het hart gelijkmatig te verlichten in de voortplantingsrichting. Ondertussen verbeteren weefselopruimingsmethoden zoals iDISCO de lichtpenetratie, vergemakkelijken ze de visualisatie van diepe structuren en zorgen ze voor een uitgebreid onderzoek van het myocardium door het hele hart. De combinatie van de voorgestelde LSM en methoden voor het opruimen van weefsel biedt een veelbelovend platform voor onderzoekers bij het oplossen van hartstructuren in knaagdierharten, met een groot potentieel voor het begrip van cardiale morfogenese en remodellering.
Introduction
Hartfalen blijft wereldwijd de belangrijkste doodsoorzaak, voornamelijk als gevolg van het gebrek aan regeneratief vermogen van rijpe cardiomyocyten. De ingewikkelde architectuur van het hart speelt een cruciale rol in zijn functie en geeft inzicht in ontwikkelingsprocessen. Een diepgaand begrip van de cardiale structuur is essentieel voor het ophelderen van de fundamentele processen van cardiale morfogenese en remodellering als reactie op een hartinfarct. Recente vooruitgang heeft aangetoond dat neonatale muizen de hartfunctie kunnen herstellen na een verwonding, terwijl volwassen muizen een dergelijk regeneratief vermogen missen. Dit legt een basis voor het onderzoeken van signalen die verband houden met structurele en functionele afwijkingen in muismodellen. Traditionele beeldvormingsmethoden, zoals confocale microscopie, hebben technische beperkingen, waaronder beperkte penetratiediepte, traag puntscanschema en fotoschade door langdurige blootstelling aan laserlicht. Deze belemmeren een uitgebreide driedimensionale (3D) beeldvorming van het intacte hart. In deze context komt light-sheet microscopie (LSM) naar voren als een krachtige oplossing, die de voordelen biedt van high-speed beeldvorming, verminderde fotoschade en uitzonderlijke optische sectiemogelijkheden 3,4,5. De unieke eigenschappen van LSM maken het tot een veelbelovende methode om de beperkingen van conventionele technieken te overwinnen en ongekende inzichten te bieden in cardiale ontwikkeling en remodelleringsprocessen 6,7,8.
In dit protocol introduceren we een beeldvormingsstrategie die geavanceerde LSM combineert met aangepaste weefselopruimingsbenaderingen9, waardoor volledige muizenharten kunnen worden afgebeeld zonder de noodzaak van specifieke etikettering en mechanische sectie. We stellen verder voor dat conventionele LSM-beeldvorming kan worden verbeterd door middel van multiview deconvolutie10 of axiaal geveegde lichtbladmicroscopie (ASLM) technieken 11,12,13,14,15 om de axiale resolutie te verbeteren. Bovendien kan de integratie van beeldstitching met een van deze methoden de afweging tussen ruimtelijke resolutie en gezichtsveld (FOV) effectief overwinnen, waardoor de beeldvorming van volwassen muizenharten wordt bevorderd. De integratie van talrijke benaderingen voor weefselopruiming, waaronder hydrofobe, hydrofiele en op hydrogel gebaseerde methoden, maakt een diepere lichtpenetratie mogelijk voor het vastleggen van de morfologie van het hele hart 16,17,18,19.
Hoewel meerdere opruimmethoden compatibel zijn met de huidige LSM-systemen, is het doel om fotonverstrooiing te minimaliseren en de lichtpenetratie in weefsels, zoals het hart, te verbeteren door lipiden te vervangen door een medium dat nauw aansluit bij de brekingsindex. iDISCO werd gekozen als de representatieve20,21 en aangepast voor autofluorescentiebeeldvorming in dit protocol vanwege de snelle verwerking en hoge transparantie (Figuur 1A). Gezamenlijk biedt de integratie van de geavanceerde LSM-benadering met weefselopruimingstechnieken een veelbelovend kader om ingewikkelde cardiale anatomie in knaagdierharten te ontrafelen, met een aanzienlijk potentieel voor het vergroten van ons begrip van cardiale morfogenese en pathogenese.
Protocol
Representative Results
Discussion
De vooruitgang van beeldvormings-, berekenings- en weefselopruimingsmethoden heeft een ongeëvenaarde kans geboden om de hartstructuur en -functie uitgebreid te onderzoeken. Dit heeft een groot potentieel voor het verdiepen van ons begrip van cardiale morfogenese en pathogenese met behulp van een intact knaagdierhartmodel. In tegenstelling tot in vivo studies van het hart van zebravissen met een vergelijkbare benadering 40,41,42,43<sup class="…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We spreken onze dank uit aan de groep van Dr. Eric Olson in het UT Southwestern Medical Center voor het genereus delen van de diermodellen. We waarderen alle constructieve opmerkingen van D-incubator-leden van UT Dallas. Dit werk werd ondersteund door NIH R00HL148493 (Y.D.), R01HL162635 (Y.D.) en UT Dallas STARS-programma (Y.D.).
Materials
| 1% Agarose | |||
| Low melting point agarose | Thermo Fisher | 16520050 | |
| Deionized water | – | – | |
| Chemicals for tissue clearing | |||
| 5-Amino-1,3,3-trimethylcyclohexanemethylamine, mixture of cis and trans | Sigma-Aldrich | 118184 | |
| D.E.R.™ 332 | Sigma-Aldrich | 31185 | |
| D.E.R.™ 736 | Sigma-Aldrich | 31191 | |
| Dibenzyl ether (DBE) | Sigma-Aldrich | 33630 | |
| Dichloromethane (DCM) | Sigma-Aldrich | 270997 | |
| Fluorescent beads | Spherotech | FP-0556-2 | |
| Hydrogen peroxide (H2O2) | Sigma-Aldrich | 216736 | |
| Methanol | Sigma-Aldrich | 439193 | |
| Paraformaldehyde (PFA) | Thermo Fisher | 47392 | |
| Phosphate Buffered Saline (PBS) | Sigma-Aldrich | 79383 | |
| Potassium Chloride (KCl) | Sigma-Aldrich | P3911 | |
| Software and algorithms | |||
| Amira | Thermo Fisher Scientific | 2021.2 | |
| BigStitcher | Hörl et al.22 | ||
| Fiji-ImageJ | Schindelin et al.20 | 1.54f | |
| HCImage Live | Hamamatsu Photonics | 4.6.1.2 | |
| LabVIEW | National Instruments Corporation | 2017 SP1 | |
| Key components of the customized light-sheet system | |||
| 0.63 – 6.3X Zoom body | Olympus | MVX-ZB10 | |
| 10X Illumination objective | Nikon | MRH00105 | |
| 1X detection objective | Olympus | MV PLAPO 1X/0.25 | |
| 473nm DPSS Laser | Laserglow Technologies | LRS-0473-PFM-00100-05 | |
| 532nm DPSS laser | Laserglow Technologies | LRS-0532-PFM-00100-05 | |
| 589 nm DPSS laser | Laserglow Technologies | LRS-0589-GFF-00100-05 | |
| BNC connector | National Instrument | BNC-2110 | |
| Cylindrical lens | Thorlabs | ACY254-050-A | |
| DC-Motor Controller, 4 axes | Physik Instrumente | C-884.4DC | |
| ETL | Optotune | EL-16-40-TC-VIS-5D-1-C | |
| ETL Cable | Optotune | CAB-6-300 | |
| ETL Lens Driver | Optotune | EL-E-4i | |
| Filter | Chroma | ET525/30 | |
| Filter | Chroma | ET585-40 | |
| Filter | Chroma | ET645-75 | |
| Filter wheel | Shutter Instrument | LAMBDA 10-B | |
| Motorized translation stage | Physik Instrumente | L-406.20DG10 | |
| Motorized translation stage | Physik Instrumente | L-406.40DG10 | |
| Motorized translation stage | Physik Instrumente | M-403.4PD | |
| NI multifunction I/O | National Instrument | PCIe-6363 | |
| sCMOS camera | Hamamatsu | C13440-20CU | |
| Stepper motor | Pololu | 1474 | |
| Tube lens | Olympus | MVX-TLU |
Referências
- Sadek, H., Olson, E. N. Toward the goal of human heart regeneration. Cell Stem Cell. 26, 7-16 (2020).
- Porrello, E. R., et al. Transient regenerative potential of the neonatal mouse heart. Science. 331, 1078-1080 (2011).
- Stelzer, E. H. K. K., et al. Light sheet fluorescence microscopy. Nat Rev Methods Prim. 1, 73 (2021).
- Girkin, J. M., Carvalho, M. T. The light-sheet microscopy revolution. J Opt. 20, 053002 (2018).
- Power, R. M., Huisken, J. A guide to light-sheet fluorescence microscopy for multiscale imaging. Nat Methods. 14, 360-373 (2017).
- Ding, Y., et al. Multiscale light-sheet for rapid imaging of cardiopulmonary system. JCI Insight. 3, e121396 (2018).
- Ding, Y., et al. Light-sheet fluorescence imaging to localize cardiac lineage and protein distribution. Sci Rep. 7, 42209 (2017).
- Fei, P., et al. Cardiac light-sheet fluorescent microscopy for multi-scale and rapid imaging of architecture and function. Sci Rep. 6, 1-12 (2016).
- Richardson, D. S., Lichtman, J. W. Clarifying tissue clearing. Cell. 162, 246-257 (2015).
- Stelzer, E. H. K., Huisken, J., Swoger, J., Greger, K., Verveer, P. Multi-view image fusion improves resolution in three-dimensional microscopy. Opt Express. 15 (13), 8029-8042 (2007).
- Dean, K. M., Roudot, P., Welf, E. S., Danuser, G., Fiolka, R. Deconvolution-free subcellular imaging with axially swept light sheet microscopy. Biophys J. 108, 2807-2815 (2015).
- Dean, K. M., et al. Isotropic imaging across spatial scales with axially swept light-sheet microscopy. Nat Protoc. 17, 2025-2053 (2022).
- Hedde, P. N., Gratton, E. Selective plane illumination microscopy with a light sheet of uniform thickness formed by an electrically tunable lens. Microsc Res Tech. 81, 924 (2018).
- Voigt, F. F., et al. The mesoSPIM initiative: open-source light-sheet microscopes for imaging cleared tissue. Nat Meth. 16, 1105-1108 (2019).
- Giardini, F., et al. Mesoscopic optical imaging of whole mouse heart. J Vis Exp. (176), e62795 (2021).
- Sodimu, O., et al. Light sheet imaging and interactive analysis of the cardiac structure in neonatal mice. J Biophotonics. 16, e202200278 (2023).
- Ariel, P. A beginner’s guide to tissue clearing. Int J Biochem Cell Biol. 84, 35-39 (2017).
- Richardson, D. S., et al. Tissue clearing. Nat Rev Methods Prim. 1, 1-24 (2021).
- Ueda, H. R., et al. Tissue clearing and its applications in neuroscience. Nat Rev Neurosci. 21, 61-79 (2020).
- Renier, N., et al. iDISCO: a simple, rapid method to immunolabel large tissue samples for volume imaging. Cell. 159, 896-910 (2014).
- Kirchner, K. N., et al. A hydrophobic tissue clearing method for rat brain tissue. J Vis Exp. (166), e61821 (2020).
- Ding, Y., et al. Light-sheet fluorescence microscopy for the study of the murine heart. J Vis Exp. (139), e57769 (2018).
- Schindelin, J., Rueden, C. T., Hiner, M. C., Eliceiri, K. W. The ImageJ ecosystem: An open platform for biomedical image analysis. Mol Reprod Dev. 82, 518-529 (2015).
- Hörl, D., et al. BigStitcher: reconstructing high-resolution image datasets of cleared and expanded samples. Nat Methods. 16, 870-874 (2019).
- Becker, K., et al. Reduction of Photo Bleaching and Long Term Archiving of Chemically Cleared GFP-Expressing Mouse Brains. PLoS One. 9, e114149 (2014).
- Preibisch, S., et al. Efficient Bayesian-based multiview deconvolution. Nat. Methods. 11, 645-648 (2014).
- Guo, M., et al. Rapid image deconvolution and multiview fusion for optical microscopy. Nat. Biotechnol. 38, 1337-1346 (2020).
- Tomer, R., Khairy, K., Amat, F., Keller, P. J. Quantitative high-speed imaging of entire developing embryos with simultaneous multiview light-sheet microscopy. Nat Methods. 9, 755-763 (2012).
- Fahrbach, F. O., Voigt, F. F., Schmid, B., Helmchen, F., Huisken, J. Rapid 3D light-sheet microscopy with a tunable lens. Opt Express. 21, 21010-21026 (2013).
- Liu, Y., Rollins, A. M., Jenkins, M. W. CompassLSM: axially swept light-sheet microscopy made simple. Biomed Opt Express. 12, 6571-6589 (2021).
- Kolesová, H., Olejníčková, V., Kvasilová, A., Gregorovičová, M., Sedmera, D. Tissue clearing and imaging methods for cardiovascular development. iScience. 24 (4), 102387 (2021).
- Sands, G. B., et al. It’s clearly the heart! Optical transparency, cardiac tissue imaging, and computer modelling. Prog Biophys Mol Biol. 168, 18-32 (2022).
- Wilson, A. J., Sands, G. B., LeGrice, I. J., Young, A. A., Ennis, D. B. Muscle mechanics and ventricular function: Myocardial mesostructure and mesofunction. Am J Physiol – Hear Circ Physiol. 323, H257 (2022).
- Lee, S. E., et al. Three-dimensional cardiomyocytes structure revealed by diffusion tensor imaging and its validation using a tissue-clearing technique. Sci. Reports. 8, 1-11 (2018).
- Sereti, K. I., et al. Analysis of cardiomyocyte clonal expansion during mouse heart development and injury. Nat Commun. 9, 754 (2018).
- Olianti, C., et al. 3D imaging and morphometry of the heart capillary system in spontaneously hypertensive rats and normotensive controls. Sci. Reports. 10, 1-9 (2020).
- Olianti, C., et al. Optical clearing in cardiac imaging: A comparative study. Prog Biophys Mol Biol. 168, 10-17 (2022).
- Baek, K. I., et al. Advanced microscopy to elucidate cardiovascular injury and regeneration: 4D light-sheet imaging. Prog Biophys Mol Biol. 138, 105-115 (2018).
- Merz, S. F., et al. Contemporaneous 3D characterization of acute and chronic myocardial I/R injury and response. Nat Commun. 10, 1-14 (2019).
- Zhang, X., et al. 4D Light-sheet imaging and interactive analysis of cardiac contractility in zebrafish larvae. APL Bioeng. 7, 26112 (2023).
- Lee, J., et al. 4-Dimensional light-sheet microscopy to elucidate shear stress modulation of cardiac trabeculation. J Clin Invest. 126, 1679-1690 (2016).
- Zhang, X., Alexander, R. V., Yuan, J., Ding, Y. Computational Analysis of Cardiac Contractile Function. Curr Cardiol Rep. 24, 1983-1994 (2022).
- Zhang, X., et al. 4D Light-sheet Imaging of Zebrafish Cardiac Contraction. J Vis Exp. (203), e66263 (2024).
- Huisken, J., Swoger, J., Del Bene, F., Wittbrodt, J., Stelzer, E. H. K. K. Optical sectioning deep inside live embryos by selective plane illumination microscopy. Science. 305, 1007-1009 (2004).
- Molbay, M., Kolabas, Z. I., Todorov, M. I., Ohn, T., Ertürk, A. A guidebook for DISCO tissue clearing. Mol Syst Biol. 17, 9807 (2021).
- Chi, J., Crane, A., Wu, Z., Cohen, P. Adipo-clear: a tissue clearing method for three-dimensional imaging of adipose tissue. J Vis Exp. (137), e58271 (2018).
- Wan, Y., McDole, K., Keller, P. J. Light-sheet microscopy and its potential for understanding developmental processes. Ann Rev Cell Dev Biol. 35, 655-681 (2019).
- Yuan, J., et al. Extended reality for biomedicine. Nat Rev Methods Prim. 3, 1-1 (2023).
- Ding, Y., et al. Saak transform-based machine learning for light-sheet imaging of cardiac trabeculation. IEEE Trans Biomed Eng. 68, 225-235 (2020).
- Buffinton, C. M., Benjamin, A. K., Firment, A. N., Moon, A. M. Myocardial wall stiffening in a mouse model of persistent truncus arteriosus. PLoS One. 12 (9), e0184678 (2017).
- Trincot, C. E., et al. Adrenomedullin induces cardiac lymphangiogenesis after myocardial infarction and regulates cardiac edema via Cx43. Circ Res. 124, 101 (2019).
- Yokoyama, T., et al. Quantification of sympathetic hyperinnervation and denervation after myocardial infarction by three-dimensional assessment of the cardiac sympathetic network in cleared transparent murine hearts. PLoS One. 12, e0182072 (2017).
- Coram, R. J., et al. Muscleblind-like 1 is required for normal heart valve development in vivo. BMC Dev Biol. 15, 36 (2015).
