Aclarado óptico y etiquetado para microscopía de fluorescencia de lámina de luz en imágenes cerebrales humanas a gran escala
Summary
El presente protocolo proporciona un procedimiento paso a paso para la limpieza óptica rápida y simultánea, el marcaje multirredondo y la reconstrucción volumétrica en 3D de decenas de secciones cerebrales humanas postmortem mediante la combinación de la técnica de transformación tisular corta (S WITCH – H2O2 – Antigen Retrieval – 2,2′-tiodiethanol [TDE]) con imágenes de microscopía de fluorescencia de lámina de luz en un protocolo rutinario de alto rendimiento.
Abstract
A pesar de las numerosas técnicas de aclaramiento que surgieron en la última década, el procesamiento de cerebros humanos post mortem sigue siendo una tarea desafiante debido a sus dimensiones y complejidad, que hacen que las imágenes con resolución micrométrica sean particularmente difíciles. En este trabajo se presenta un protocolo para realizar la reconstrucción de porciones volumétricas del cerebro humano mediante el procesamiento simultáneo de decenas de secciones con el protocolo de transformación tisular SHORT (SWITCH – H2O2 – Antigen Retrieval – 2,2′-tiodiethanol [TDE]), que permite la limpieza, el etiquetado y la obtención de imágenes secuenciales de las muestras con microscopía de fluorescencia de lámina de luz (LSFM). SHORT proporciona una rápida limpieza de tejidos y un etiquetado múltiple homogéneo de cortes gruesos con varios marcadores neuronales, lo que permite la identificación de diferentes subpoblaciones neuronales tanto en la sustancia blanca como en la gris. Después del borrado, las cortes se visualizan a través de LSFM con resolución micrométrica y en múltiples canales simultáneamente para una rápida reconstrucción en 3D. Al combinar SHORT con el análisis LSFM dentro de un protocolo rutinario de alto rendimiento, es posible obtener la reconstrucción de la citoarquitectura 3D de grandes áreas volumétricas a alta resolución en poco tiempo, lo que permite una caracterización estructural integral del cerebro humano.
Introduction
El análisis de la organización molecular 3D y la citoarquitectura de grandes volúmenes del cerebro humano requiere transparencia óptica de las muestras, lograda a través de protocolos con un tiempo de procesamiento extenso. Se desarrollaron técnicas de aclaramiento óptico para minimizar la heterogeneidad en el índice de refracción (IR) dentro de los tejidos, reduciendo así la dispersión de la luz y aumentando la profundidad de penetración de la luz para obtener imágenes de alta resolución 1,2,3,4,5. Los avances actuales en los métodos de limpieza y marcaje profundo de tejidos permiten obtener imágenes volumétricas de órganos y embriones de roedores intactos mediante la explotación de técnicas de microscopía de vanguardia 6,7,8,9,10,11,12.
Sin embargo, la reconstrucción volumétrica en 3D de grandes áreas del cerebro humano postmortem sigue representando una tarea difícil en comparación con los organismos modelo. La compleja composición biológica y las variables condiciones de fijación y almacenamiento postmortem pueden comprometer la eficiencia de limpieza de tejidos, la profundidad de penetración de anticuerpos y el reconocimiento de epítopos 13,14,15,16,17,18,19. Además, el corte mecánico de los tejidos y el posterior aclarado y etiquetado de cada rebanada siguen siendo necesarios para lograr un desbroce eficiente y un etiquetado uniforme de grandes áreas del cerebro humano, lo que resulta en largos tiempos de procesamiento y en la necesidad de equipos personalizados sofisticados, en comparación con los organismos modelo 15,20,21,22.
La técnica de transformación tisular SWITCH – H2O2 – antígeno Retrieval –TDE (SHORT) ha sido desarrollada específicamente para analizar grandes volúmenes del cerebro humano18,23. Este método emplea la preservación estructural tisular del protocolo SWITCH11 y altas concentraciones de peróxido de hidrógeno para disminuir la autofluorescencia tisular, en combinación con la restauración de epítopos. SHORT permite la tinción uniforme de cortes de cerebro humano con marcadores para diferentes subtipos neuronales, células gliales, vasculatura y fibras mielinizadas18,24. Sus resultados son compatibles con el análisis de proteínas de baja y alta densidad. Los altos niveles de transparencia resultantes y el etiquetado uniforme permiten la reconstrucción volumétrica de cortes gruesos con microscopía de fluorescencia, en particular, para una adquisición rápida se pueden utilizar aparatos de láminas ligeras 18,24,25,26,27.
En este trabajo, describimos cómo se puede utilizar la técnica de transformación tisular SHORT para la limpieza simultánea y el etiquetado multirredondo de decenas de secciones cerebrales humanas fijadas en formol. Se pueden utilizar cuatro marcadores fluorescentes diferentes juntos, lo que lleva a la identificación de diferentes subpoblaciones celulares. Después del aclaramiento, se pueden realizar imágenes volumétricas de alta resolución con microscopía de fluorescencia. En este caso, utilizamos un LSFM invertido 18,24,25,26,27 hecho a medida, que permite un rápido corte óptico de la muestra y una rápida adquisición de múltiples canales en paralelo. Con este protocolo rutinario de alto rendimiento, es posible obtener una caracterización celular y estructural completa con una resolución subcelular de grandes áreas del cerebro humano, como ya se demostró en el mapeo de toda un área de Broca23.
Protocol
Representative Results
Discussion
Las imágenes de alta resolución y la reconstrucción en 3D de grandes áreas del cerebro humano requieren un corte mecánico de tejido seguido de un aclarado óptico y un inmunomarcaje de cortes individuales. El protocolo presentado aquí describe cómo se puede utilizar el método de transformación tisular SHORT para el procesamiento rápido y simultáneo de múltiples secciones gruesas del cerebro humano para la reconstrucción cerebral en 3D con una resolución subcelular con LSFM.
A dif…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Agradecemos a Bruce Fischl, Hospital General de Massachusetts, Centro de Imágenes Biomédicas A.A. Martinos, Departamento de Radiología, por proporcionar las muestras de cerebro humano analizadas en este estudio. Este proyecto recibió financiación del Programa Marco de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención n.º 654148 (Laserlab-Europe), del Programa Marco de Investigación e Innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea en virtud del Acuerdo de Subvención Específico n.º 785907 (Proyecto Cerebro Humano SGA2) y N.º 945539 (Proyecto Cerebro Humano SGA3), del Centro de la Corporación Hospitalaria General de los Institutos Nacionales de Salud (PGN) con el número de adjudicación U01 MH117023, y del Ministerio de Educación italiano en el marco del Nodo Italiano de Euro-Bioimagen (infraestructura de investigación ESFRI). Finalmente, esta investigación se llevó a cabo con la contribución de la “Fondazione CR Firenze”. El contenido de este trabajo es responsabilidad exclusiva de los autores y no representa necesariamente los puntos de vista oficiales de los Institutos Nacionales de Salud. La figura 1 se creó con 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 |
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