Verfijnde op HELDERHEID gebaseerde weefselopruiming voor driedimensionale fibroblastorganisatie in gezonde en gewonde muizenharten
Summary
Een verfijnde methode van weefselopruiming werd ontwikkeld en toegepast op het volwassen muizenhart. Deze methode is ontworpen om dicht, autofluorescent hartweefsel te zuiveren, met behoud van gelabelde fibroblastfluorescentie toegeschreven aan een genetische reporterstrategie.
Abstract
Hart- en vaatziekten zijn wereldwijd de meest voorkomende oorzaak van mortaliteit en worden vaak gekenmerkt door verhoogde hartfibrose die kan leiden tot verhoogde ventriculaire stijfheid met veranderde hartfunctie. Deze toename van cardiale ventriculaire fibrose is te wijten aan activering van ingezeten fibroblasten, hoewel hoe deze cellen werken binnen het 3-dimensionale (3D) hart, bij aanvang of na activering, niet goed wordt begrepen. Om te onderzoeken hoe fibroblasten bijdragen aan hartaandoeningen en hun dynamiek in het 3D-hart, is een verfijnde op CLARITY gebaseerde weefselophelderings- en beeldvormingsmethode ontwikkeld die fluorescerend gelabelde hartfibroblasten in het hele muishart laat zien. Weefsel ingezeten fibroblasten werden genetisch gelabeld met behulp van Rosa26-loxP-eGFP florescent reporter muizen gekruist met de cardiale fibroblast uitdrukken Tcf21-MerCreMer knock-in lijn. Deze techniek werd gebruikt om fibroblastlokalisatiedynamiek in de hele volwassen linkerventrikel te observeren bij gezonde muizen en bij fibrotische muismodellen van hartaandoeningen. Interessant is dat in één verwondingsmodel unieke patronen van hartfibroblasten werden waargenomen in het gewonde muizenhart dat banden van verpakte vezels in de contractiele richting volgde. In ischemische letselmodellen trad fibroblastdood op, gevolgd door herbevolking uit het grensgebied van het infarct. Gezamenlijk maakt deze verfijnde hartweefselverhelderingstechniek en gedigitaliseerd beeldvormingssysteem 3D-visualisatie van hartfibrose in het hart mogelijk zonder de beperkingen van antilichaampenetratiefalen of eerdere problemen rond verloren fluorescentie als gevolg van weefselverwerking.
Introduction
Hoewel cardiomyocyten de grootste volumefractie in het hart vormen, zijn hartfibroblasten overvloediger en zijn ze kritisch betrokken bij het reguleren van de structurele en herstellende basiskenmerken van dit orgaan. Cardiale fibroblasten zijn zeer mobiel, mechanisch responsief en fenotypisch variërend afhankelijk van de mate van activering. Cardiale fibroblasten zijn nodig om normale niveaus van extracellulaire matrix (ECM) te handhaven, en te weinig of te veel ECM-productie door deze cellen kan leiden tot ziekte1,2,3. Gezien hun belang bij ziekten zijn hartfibroses een steeds belangrijker onderwerp van onderzoek geworden om nieuwe behandelingsstrategieën te identificeren, vooral in een poging om overmatige fibrose te beperken4,5,6,7. Bij letsel activeren en differentiëren fibroblasten in een meer synthetisch celtype dat bekend staat als een myofibroblast, die proliferatie kan zijn en overvloedig ECM kan afscheiden, evenals contractiele activiteit heeft die helpt bij het remodelleren van de ventrikels.
Terwijl hartfibroblasten uitgebreid zijn geëvalueerd op hun eigenschappen in 2D-culturen6,8,9,10, wordt veel minder begrepen van hun eigenschappen en dynamiek in het 3D-levende hart, hetzij bij aanvang of met ziektestimulatie. Hier is een verfijnde methode beschreven om het volwassen muishart te zuiveren met behoud van de fluorescentie van fibroblasten gelabeld met een Rosa26-loxP-eGFP x Tcf21-MerCreMer genetisch verslaggeversysteem. In het hart is Tcf21 een relatief specifieke marker van rustgevende fibroblasten4. Nadat tamoxifen is gegeven om het induceerbare MerCreMer-eiwit te activeren, zullen in wezen alle rustgevende fibroblasten permanent versterkt groen fluorescerend eiwit (eGFP) uitdrukken van de Rosa26-locus, waardoor ze in vivo kunnen worden gevolgd.
Er bestaan talrijke gevestigde weefselophelderingsprotocollen, waarvan sommige zijn toegepast op het hart11,12,13,14,15,16,17. Veel van de reagentia die in verschillende weefselontruimingsprotocollen worden gebruikt, blijken echter endogene fluorescentiesignalen te onderdrukken18. Bovendien is het volwassen hart moeilijk te wissen vanwege overvloedige heemgroephoudende eiwitten die autofluorescentie genereren19. Daarom was het doel van dit protocol om fibroblastmarkerfluorescentie te behouden met de gelijktijdige remming van heemautofluorescentie in het gewonde volwassen hart voor optimale 3D-visualisatie in vivo12,13,14,16,17,20.
Eerdere studies die probeerden de cardiale fibroblast in vivo te onderzoeken, gebruikten geperfuseerde antilichamen om deze cellen te labelen, hoewel dergelijke studies beperkt waren door antilichaampenetratie en cardiale vasculaire structuur14,16,17,20. Hoewel Salamon et al. weefselontruiming hebben aangetoond met behoud van topische neuronale fluorescentie in het neonatale hart, en Nehrhoff et al. hebben aangetoond dat fluorescentie myeloïde cellen markeert, is het behoud van endogene fluorescentie door de gehele ventriculaire wand nog niet aangetoond, inclusief de visualisatie van volwassen cardiale fibroblasten bij aanvang of na letsel13,20. Dit weefselontruimingsprotocol verfijnt een mengsel van eerdere protocollen op basis van de CLARITY-methode (clear lipid-exchanged acrylamide-hybridized rigid Imaging/immunostaining/in situ-hybridization-compatible tissue hydrogel) en PEGASOS (polyethyleenglycol (PEG)-geassocieerd oplosmiddelsysteem). Dit verfijnde protocol maakte een robuuster onderzoek van hartfibrose in het muizenhart bij aanvang mogelijk en van hoe ze reageren op verschillende soorten letsel. Het protocol is eenvoudig en reproduceerbaar en zal helpen het gedrag van hartfibrose in vivo te karakteriseren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Dit artikel presenteert een verfijnde methode voor weefselopruiming die visualisatie van hartfibroblasten in vivo mogelijk maakt, zowel bij aanvang als na letsel, om fibroblasten in het muizenhart te karakteriseren en beter te begrijpen. Dit verbeterde protocol pakt beperkingen aan in bestaande weefselontruimingsprotocollen die hebben geprobeerd specifieke celtypen in het volwassen of neonatale hart te identificeren12,13,14…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen de CCHMC Confocal Imaging Core erkennen voor hun hulp en begeleiding bij de ontwikkeling van dit model, evenals Matt Batie van Clinical Engineering voor het ontwerp van alle 3D-geprinte onderdelen. Demetria Fischesser werd ondersteund door een opleidingsbeurs van de National Institutes of Health (NHLBI, T32 HL125204) en Jeffery D. Molkentin werd ondersteund door het Howard Hughes Medical Institute.
Materials
| 4-0 braided silk | Ethicon | K871H | |
| 8-0 prolene | Ethicon | 8730H | |
| 40% Acrylamide Solution | Bio-Rad | 1610140 | |
| Angiotensin II | Sigma | A9525-50G | |
| Artificial Tear Ointment | Covetrus | 048272 | |
| DABCO (1,4-diazabicyclo[2.2. 2]octane) | Millipore Sigma | D27802-25G | |
| GLUture topical tissue adhesive | World Precision Instruments | 503763 | |
| Heparin | Sigma | H0777 | |
| Imaris Start Analysis Software | Oxford Instruments | N/A | |
| Micro-osmotic pumps | Alzet | Model 1002 | |
| Nikon Elements Analysis Software | Nikon | N/A | |
| Nikon A1R HD upright microscope | Nikon | N/A | |
| Normal autoclaved chow | Labdiet | 5010 | |
| Nycodenz, 5- (N-2, 3-dihydroxypropylacetamido)-2, 4, 6-tri-iodo-N, N'-bis (2, 3 dihydroxypropyl) isophthalamide |
CosmoBio | AXS-1002424 | |
| Paraformaldehyde | Electron Microscopy Sciences | 15710 | |
| Phenylephrine Hydrochloride | Sigma | P6126-10G | |
| Photoinitiator | Wako Chemicals | VA-044 | |
| Rosa26-nLacZ [FVB.Cg-Gt(ROSA)26Sortm1 (CAG-lacZ,-EGFP)Glh/J] | Jackson Laboratories | Jax Stock No:012429 | |
| Sodium Azide | Sigma Aldrich | S2002-5G | |
| Sodium Chloride solution | Hospira, Inc. | NDC 0409-4888-10 | |
| Tamoxifen | Sigma Aldrich | T5648 | |
| Tamoxifen food | Envigo | TD.130860 | |
| Tween-20 | Thermo Fisher Scientific | BP337-500 | |
| Quadrol, N,N,N′,N′-Tetrakis(2-Hydroxypropyl)ethylenediamine, decolorizing agent | Millipore Sigma | 122262-1L | |
| X-Clarity electrophoretic clearing chamber | Logos Biosystems | C30001 | |
| X-Clarity electrophoretic clearing solution | Logos Biosystems | C13001 | |
| X-Clarity electrophoresis tissue basket | Logos Biosystems | C12001 | |
| X-Clarity electrophoresis tissue basket holder | Logos Biosystems | C12002 |
References
- Nagaraju, C. K., et al. Myofibroblast phenotype and reversibility of fibrosis in patients With end-stage heart failure. Journal of the American College of Cardiology. 73 (18), 2267-2282 (2019).
- Yoon, S., Eom, G. H. Heart failure with preserved ejection fraction: present status and future directions. Experimental and Molecular Medicine. 51 (12), 1-9 (2019).
- Borlaug, B. A., Redfield, M. M. Diastolic and systolic heart failure are distinct phenotypes within the heart failure spectrum. Circulation. 123, 2006-2014 (2011).
- Ivey, M. J., Tallquist, M. D. Defining the cardiac fibroblast. Circulation Journal. 80 (11), 2269-2276 (2016).
- Fu, X., et al. Specialized fibroblast differentiated states underlie scar formation in the infarcted mouse heart. Journal of Clinical Investigation. 128 (5), 2127-2143 (2018).
- Kanisicak, O., et al. Genetic lineage tracing defines myofibroblast origin and function in the injured heart. Nature Communications. 7, 12260 (2016).
- Sadeghi, A. H., et al. Engineered 3D cardiac fibrotic tissue to study fibrotic remodeling. Advanced Healthcare Materials. 6 (11), 1601434 (2017).
- Nam, Y. J., et al. Induction of diverse cardiac cell types by reprogramming fibroblasts with cardiac transcription factors. Development. 141 (22), 4267-4278 (2014).
- Bruns, D. R., et al. The right ventricular fibroblast secretome drives cardiomyocyte dedifferentiation. PLoS One. 14 (8), 0220573 (2019).
- Skiöldebrand, E., et al. Inflammatory activation of human cardiac fibroblasts leads to altered calcium signaling, decreased connexin 43 expression and increased glutamate secretion. Heliyon. 3 (10), 00406 (2017).
- Jing, D., et al. Tissue clearing of both hard and soft tissue organs with the pegasos method. Cell Research. 28, 803-818 (2018).
- Kolesová, H., Čapek, M., Radochová, B., Janáček, J., Sedmera, D. Comparison of different tissue clearing methods and 3D imaging techniques for visualization of GFP-expressing mouse embryos and embryonic hearts. Histochemistry and Cell Biology. 146 (2), 141-152 (2016).
- Salamon, R. J., Zhang, Z., Mahmoud, A. I. Capturing the cardiac injury response of targeted cell populations via cleared heart three-dimensional imaging. Journal of Visualized Experiments. (157), (2020).
- Wang, Z., et al. Imaging transparent intact cardiac tissue with single-cell resolution. Biomedical Optics Express. 9 (2), 423-436 (2018).
- Yang, B., et al. Single-cell phenotyping within transparent intact tissue through whole-body clearing. Cell. 158 (4), 945-958 (2014).
- 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 (7), 0182072 (2017).
- Perbellini, F., et al. Free-of-Acrylamide SDS-based Tissue Clearing (FASTClear) for three dimensional visualization of myocardial tissue. Scientific Reports. 7, 5188 (2017).
- Tainaka, K., Kuno, A., Kubota, S. I., Murakami, T., Ueda, H. R. Chemical principles in tissue clearing and staining protocols for whole-body cell profiling. Annual Review of Cell and Developmental Biology. 32, 713-741 (2016).
- Tainaka, K., et al. Whole-body imaging with single-cell resolution by tissue decolorization. Cell. 159, 911-924 (2014).
- Nehrhoff, I., et al. 3D imaging in CUBIC-cleared mouse heart tissue: going deeper. Biomedical Optics Express. 7 (9), 3716-3720 (2016).
- Yamamoto, M., et al. A multifunctional reporter mouse line for Cre- and FLP-dependent lineage analysis. Genesis. 47 (2), 107-114 (2009).
- Turner, P. V., Brabb, T., Pekow, C., Vasbinder, M. A. Administration of substances to laboratory animals: Routes of administration and factors to consider. Journal of the American Association for Laboratory Animal Science. 50 (5), 600-613 (2011).
- Means, C. K., et al. Sphingosine 1-phosphate S1P2 and S1P3 receptor-mediated Akt activation protects against in vivo myocardial ischemia-reperfusion injury. American Journal of Physiology – Heart and Circuatory Physiology. 292 (6), 2944-2951 (2007).
- Michael, L. H., et al. Myocardial ischemia and reperfusion: A murine model. American Journal of Physiology – Heart and Circuatory Physiology. 269 (6), 2147-2154 (1995).
- Ahn, D., et al. Induction of myocardial infarcts of a predictable size and location by branch pattern probability-assisted coronary ligation in C57BL/6 mice. American Joural of Physiology: Circulatory Physiology. 286 (3), 1201-1207 (2004).
- Patten, R. D., et al. Ventricular remodeling in a mouse model of myocardial infarction. American Journal of Physiology – Heart and Circuatory Physiology. 274 (5), 1812-1820 (1998).
- Gao, X. M., Dart, A. M., Dewar, E., Jennings, G., Du, X. J. Serial echocardiographic assessment of left ventricular dimensions and function after myocardial infarction in mice. Cardiovascular Research. 45 (2), 330-338 (2000).
- Vagnozzi, R. J., et al. An acute immune response underlies the benefit of cardiac stem cell therapy. Nature. 577, 405-409 (2020).
- Sengupta, P. P., Tajik, A. J., Chandrasekaran, K., Khandheria, B. K. Twist mechanics of the left ventricle. Principles and application. Journal of the American College of Cardiology: Cardiovascular Imaging. 1 (3), 366-376 (2008).
- Arts, T., et al. Macroscopic three-dimensional motion patterns of the left ventricle. Advances in Experimental Medicine and Biology. 346, 383-392 (1993).
- Willems, I. E. M. G., Havenith, M. G., De Mey, J. G. R., Daemen, M. J. A. P. The muscle actin-positive cells in healing human myocardial scars. American Journal of Pathology. 145 (4), 868-875 (1994).
- Hashmi, S., Al-Salam, S. Acute myocardial infarction and myocardial ischemia-reperfusion injury: A comparison. International Journal of Clinical Experimental Pathology. 8, 8786-8796 (2015).
