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조직 절편 없이 뉴런, 신경교세포, 장내분비세포(EEC)를 포함한 상피하 조직을 시각화할 수 있도록 마우스 장의 패시브 CLARITY(PACT) 염색 프로토콜에 대해 설명합니다. 이 프로토콜은 포름알데히드로 고정된 조직을 하이드로겔로 삽입하고 음이온 세제를 사용하여 조직을 "제거"하는 후속 탈지질을 포함합니다.
CLARITY(Clear Lipid-exchanged Acrylamide-hybridized Rigid Imaging compatible Tissue hYdrogel)는 최근 탈lipidate 조직(절편 없이)하고 면역염색을 위한 3D 조직 구조를 보존하기 위한 아크릴아마이드 포매ing과 관련된 귀중한 기술로 발전했습니다. 이 기술은 항상성 및 질병 상태 동안 서로 다른 세포 유형이 상호 작용하는 역동적인 장 환경을 이미징하는 데 매우 관련이 있습니다. 쥐의 장에 최적화된 이 방법은 상피, 장내분비, 뉴런, 신경교세포와 같은 세포 유형을 추적하고 각각 미생물 감지 또는 영양 화학 감지를 매개하는 상피 또는 장 내분비 세포로의 뉴런 돌기를 추적하는 데 도움이 됩니다. 장 조직(1-1.5cm)은 1일차 4°C에서 하룻밤 동안 인산염 완충 식염수(PBS)의 4% 파라포름알데히드(PFA)로 고정됩니다. 2일차에는 PFA를 버리고 조직을 PBS로 세 번 세척합니다. 조직은 4 ° C에서 밤새 PBS (30 % ProtoGel에서 희석)의 4 % 하이드로 겔 (아크릴 아미드) 용액에서 배양하여 무결성을 보존하기 위해 하이드로 겔이 내장되어 있습니다. 3일차에는 조직-하이드로겔 용액을 37 °C에서 1시간 동안 배양하여 하이드로겔 중합을 허용합니다. 그런 다음 조직을 PBS로 부드럽게 세 번 세척하여 과도한 하이드로겔을 제거합니다. 탈lipidation(clearing)의 후속 단계에는 실온(RT)의 셰이커에서 2일(4일 및 5일) 동안 37°C에서 sodium dodecyl sulfate(PBS의 8% SDS)에서 조직 배양이 포함됩니다. 6일째에는 투명화된 조직을 PBS로 철저히 세척하여 SDS를 제거합니다. 조직은 1차 항체(0.3% Triton X-100을 함유한 PBS의 0.5% 일반 당나귀 혈청으로 희석)에서 4°C에서 하룻밤 동안 배양한 후 RT에서 1.5시간 동안 적절한 2차 Alexa Fluor 항체에서 배양하고 DAPI(1: 10000)로 핵 염색하여 면역 염색할 수 있습니다. 조직은 깨끗한 유리 슬라이드로 옮겨지고 컨포칼 이미징을 위해 VectaShield를 사용하여 장착됩니다.
CLARITY(Clear Lipid-exchanged Acrylamide-hybridized Rigid Imaging compatible Tissue hYdrogel)는 최근 면역염색(절편 없이)을 위한 3D 조직 구조를 보존하기 위해 아크릴아마이드(하이드로겔) 포매 및 조직 탈립화와 관련된 유용한 기술로 발전했습니다1,2. 하이드로겔이 포매된 조직은 광학적으로 투명하고 거대분자 투과성이 있으며, 단백질과 핵산은 세제로 지질을 제거한 후에도 보존됩니다. CLARITY는 2013년 Science3에서 주목할 만한 10가지 혁신 중 하나로 선정되었습니다. 처음에는 지질이 광 산란 및 이미징 품질에 영향을 미치는 지질이 풍부한 뇌 조직을 이미징하기 위해 개발되었지만, 현재 장, 간, 신장 및 심장과 같은 다른 조직을 이미징하는 데 널리 사용되고 있습니다. 이 기술은 절편의 필요성을 제거하여 조직을 염색하고 이미지화할 수 있는 기능을 제공하며, 그렇지 않으면 세포 유형의 불규칙한 분포로 인해 세포-세포 상호 작용에 대한 편향된 평가가 발생할 수 있습니다. 이 기술은 또한 컨포칼 z-스택을 수행하고 조직의 3차원 이미지를 재현할 수 있는 기회를 제공하여 조직 절편보다 더 사실적으로 다양한 세포 유형 간의 밀도, 미세 구조 및 세포 간 상호 작용을 결정하는 데 도움이 될 수 있습니다. 또한, 이 기술은 뼈와 같은 조밀한 조직의 면역 염색과 현장 교잡 연구를 가능하게 하도록 수정되었습니다. 하이드로겔에 내장된 3D 조직은 파킨슨병, 알츠하이머병, 자폐 스펙트럼 장애 등과 같은 질병의 병태생리학을 이해하는 데 결정적인 것으로 최근 인용된 상피세포, 장내분비세포, 신경교세포 및 신경세포 세포 간의 상호 작용을 설명하기 위한 매력적인 플랫폼을 제공합니다4.
설명된 모든 동물 실험은 동물의 사용 및 관리에 관한 에모리 대학 위원회의 승인을 받았습니다. 생후 8-12주령의 C57BL/6 마우스(수컷과 암컷 모두 사용 가능)는 안락사 전에 음식과 물을 자유롭게 이용할 수 있도록 허용되었습니다.
1. 장 제거 (1일차)
2. 장 조직의 고정 (1일차)
3. 하이드로겔 임베딩(2일차)
4. 하이드로겔 중합 및 탈지분(투명화) 단계(3일차)
5. 청소된 티슈에서 세제를 씻어냅니다(6일차)
6. 신경세포, 신경교세포와 장내분비세포를 위한 면역형광성 염색
7. 컨포칼 이미징
참고: 투명하고 염색 및 장착된 조직은 즉시 이미징하거나 -20°C의 슬라이드 상자에 보관할 수 있습니다.
CLARITY가 제거된 쥐의 장 조직의 이미지는 그림 1에 나와 있습니다. 프로토콜이 성공적으로 완료되면 모든 세포 세부 사항을 명확하게 시각화할 수 있는 고품질의 선명한 이미지를 얻을 수 있습니다. 핵에 대한 DAPI 염색은 조직 무결성을 나타낼 수 있으므로 CLARITY 프로토콜과 후속 면역 염색의 품질을 평가하기 위한 매우 좋은 지표입니다. 또한, 세포 모양은 특히 뚜렷한 세포 형태를 가진 신경세포, 신경교세포(glial) 및 장내분비세포(enteroendocrine cell)의 경우 프로토콜이 어떻게 성공적이었는지에 대한 단서를 제공합니다. 부족한/비정상적인 염색으로 뒤틀린 세포는 조직 준비가 손상되었음을 나타냅니다.
범 신경 세포 마커 Tuj1 (β-3-tubulin, red)로 염색되고 glial marker Glial Fibrillary Acid Protein (GFAP, 녹색)과 함께 염색된 마우스 회장은 그림 1A에 나와 있습니다. 이미징 소프트웨어를 사용하여 z-스택에서 생성된 뉴런 마커 Tuj1(빨간색)으로 염색된 마우스 결장의 3D 이미지가 그림 1B에 나와 있습니다. 마우스 결장에서 Chromogranin A를 생성하는 장 내분비 세포의 염색은 그림 1C에 나와 있습니다. 모든 이미지에서 파란색은 DAPI로 인한 핵 염색을 나타냅니다. 그림 1A 와 그림 1B 는 40배 배율로, 그림 1C 는 60배 배율로 캡처되었습니다. 그림 1A 에 나타난 바와 같은 동시 염색은 특정 세포 유형, 면역 세포 등의 수용체 또는 DAPI와의 핵 공동 국소화와 같은 다양한 관심 마커의 공동 국소화를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 3D 이미지를 사용하여 두 실험 조건 또는 야생형 및 녹아웃 마우스 균주 간의 세포 밀도(예: myenteric neuronal density)를 비교할 수 있습니다. 뉴런 투영의 밀도는 3D 이미지에서도 평가할 수 있습니다. 정상 및 병태생리학적 조건에서 관심 수용체를 가진 장내분비세포 집단의 변화는 그림 1C와 같이 Chromogranin과 같은 다양한 마커에 대해 염색하여 평가할 수 있습니다. 또한 상피 장벽 무결성을 유지하는 다양한 밀접 접합 단백질의 강도 변화 및/또는 국소화는 정상 또는 염증성 조건에서 CLARITY 염색을 통해 평가할 수 있습니다. 투명화된 비장 조직은 염증성 마우스 모델과 관련된 연구 관심사에 따라 특정 면역 세포 유형에 대해 염색될 수 있습니다.
따라서 시간이 많이 걸리는 절편 단계와 항원 회수 프로세스 없이 z 스택을 통해 전체 두께에 걸쳐 조직을 훨씬 더 높은 품질과 디테일로 시각화할 수 있으며 3D로 세부 정보를 제공할 수 있습니다. 이 기술은 또한 식염수가 관류된 동물의 조직을 염색하는 데에도 사용할 수 있다는 장점이 있습니다.
그림 1: 투명화된 장 조직의 대표적인 면역 염색. 핵 염색 DAPI가 있는 ( A) 신경 마커 Tuj1(β-3-tubulin) 및 신경교세포 마커 Glial Fibrillary Acid Protein(GFAP)으로 염색된 투명화된 마우스 회장의 컨포칼 이미지(enface) 및 (B) Tuj1로 염색된 마우스 결장의 z 스택에서 생성된 3D 이미지 (C) Chromogranin A 및 DAPI로 염색된 투명 마우스 결장. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
CLARITY 방법은 상피, 뉴런 및 신경교세포를 포함한 다양한 세포 유형, 특히 장 벽을 가로질러 내강5 및 신경교세포 및 뇌파세포에 이르는 신경 분포를 3D로 시각화하기 위해 마우스 장을 염색하는 데 매우 유용합니다. 여기에 제시된 방법은 Yang et al., 2014,1.
프로토콜의 중요한 단계에는 하룻밤 동안 장 조직을 고정한 후 고정제를 즉시 헹구고, 후속 하이드로겔 포매 및 탈지질이 포함됩니다. 탈lipidation 후 PBS 세척은 탈lipidation 단계에서 사용되는 잔류 세제를 제거하는 데 중요합니다.
CLARITY 염색은 절편 없이 조직 구조, 단백질 및 핵산을 보존하는 조직 이미징이 가능하고, 관류 조직에서도 우수한 품질의 이미지를 제공하며, 조직 미세 구조 및 뉴런-아교세포, EEC-아교세포 등과 같은 세포 상호 작용에 대한 3D 평가가 가능하다는 점에서 우수합니다. 또한 CLARITY 염색 슬라이드는 -20°C에서 보관한 후에도 우수한 형광을 유지하므로 필요한 경우 나중에 이미지화할 수 있는 것으로 관찰됩니다.
또한 CLARITY 기술을 몇 가지 수정하여 현장 혼성화 연구에 적합하게 만들었습니다. 예를 들어, 카르보디이미드 기반 고정을 사용하여 공정을 수정하면 핵산(RNA)의 무결성을 보존하고 후속 정량화를 수행하는 데 도움이 될 수 있습니다6. 2012년에는 쥐의 뇌와 척수 조직, 그리고 초파리(Drosophila melanogaster , 초파리)의 전신을 투명화하기 위해 3D 이미징 of solvent-cleared organs(3DISCO)라는 새로운 방법이 개발되었습니다. 3DISCO는 조직의 파라 포름알데히드 고정, 물 속의 테트라하이드로푸란을 50-100% 사용하여 연속 탈수 단계, 디클로로메탄으로 지질을 추출한 후 마지막으로 굴절률 정합을 위해 디벤질 에테르에 담그는 작업을 포함합니다. 3DISCO 프로토콜은 형질전환 모델에서 녹색 형광 단백질과 같은 강력한 형광단이 있는 고정 조직에 가장 적합합니다. iDISCO(immunolabeling-enabled imaging of solvent-approved organs) 및 uDISCO(ultimate labelling of solvent-cleaned organs)와 같은 3DISCO 프로토콜의 여러 수정 사항이 투명화 전 면역 염색(iDISCO)과 형광 보존(uDISCO)을 허용하도록 완벽해졌습니다. CUBIC은 2014년에 개발된 또 다른 투명화 방법으로, 지질 외에도 철 기반 광흡수 발색단도 조직에서 제거됩니다. 다양한 조직과 권장되는 세척 과정에 대한 비교는 Muntifering et al. (2018)7의 우아한 리뷰에 자세히 설명되어 있습니다.
CLARITY는 또한 정상 및 병리학적 조건에서 세포 밀도(뉴런, 면역 세포 등)를 측정하고 비교할 수 있는 훌륭한 도구입니다. 예를 들어, 면역 세포가 장 조직과 신경절로 침투하는 것을 특징으로 하는 숙주-병원체 상호 작용 또는 염증은 CLARITY 염색으로 정량화할 수 있으며 조직 절편에서 얻은 이미지에서 세포 수를 열거하는 것보다 우수합니다8. 마찬가지로, 점막하 및 근육신경총의 신경세포와 신경교세포의 밀도를 정량화하는 것은 점막하 뉴런 또는 신경교세포군을 구별할 수 있는 특정 마커가 없기 때문에 CLARITY 염색을 통해 가능합니다5.
이러한 한계는 조직을 탈립화하거나 제거하는 데 필요한 비교적 긴 시간을 포함하며, 장 조직에 5일이 필요합니다. 뉴런, 신경교세포(glia 및 EEC) 외에도 제거된 조직은 장의 다양한 면역 세포 유형과 간, 비장 및 신장과 같은 다른 조직에 대해 염색할 수 있습니다. 간과 같은 큰 조직은 제거하는 데 더 많은 탈lipidation 시간(3-5일)이 필요하기 때문에 이러한 조직을 제거하기 위해 delipidation 단계를 적절하게 수정해야 합니다.
CLARITY 염색은 상피, 장 내분비, 신경 세포, 신경교세포 및 면역 세포에 초점을 맞추고 항상성 및 병리학적 조건에서 세포 밀도(신경세포, 면역 또는 신경교세포 밀도)와 세포 간 상호 작용을 측정하여 장 환경을 이미지화하는 데 유용한 도구입니다. 파킨슨병, 알츠하이머병, 자폐스펙트럼장애4와 같은 뇌-장 질환의 병태생리학에 면역-신경세포, 면역-아교세포, 신경교세포-아교세포(glia-gellia and glia-EEC) 간의 상호작용이 밀접하게 관련되어 있기때문에, CLARITY는 역동적인 장 환경을 이미지화하고 장내 특성을 진행중인 뇌 병리학과 연관시킬 수 있는 훌륭한 도구가 될 것입니다. 또한 특정 세포 유형에 대한 CLARITY 염색은 질병 병리학의 마커 또는 지표로 사용될 수도 있습니다. 예를 들어, 장에 시누클레인과 같은 비정상적인 단백질이 축적되고 장 운동성의 변화는 뇌 병리학의 발달 및 인지 행동의 변화와 관련이 있을 수 있습니다.
따라서 CLARITY는 세포 유형의 불균일한 분포와 관련하여 조직 절편으로 인해 발생할 수 있는 해석의 편향 없이 온전한 조직에서 3D로 무제한의 이미징 가능성을 제공합니다. 또한, 용매 투명화 장기의 3차원 이미징(3DISCO)과 같은 조직 투명화 방법의 다양한 변형은 유기 용매를 사용하여 발전해 왔습니다 9,10. 더 나아가 CLARITY 방법은 조직 무결성과 RNA 안정성을 향상시켜 투명화된 조직에서 제자리 혼성화에 대한 더 많은 가능성을 제공하기 위해 카르보디이미드 기반 화학을 통합하도록 광범위하게 수정되었으며, 이는 다양한 질병 병리학과 관련된 microRNA 분석에 활용될 수 있습니다6. 이 방법은 또한 뇌1, 골격근11, 난소12와 같은 다른 마우스 조직 및 인간 생검 조직13, 얼룩말 물고기8 및 초파리와 같은 기타 연구 관심 조직을 염색하는 데 적합하게 적용될 수 있으며, 이는 쥐 모델 외에도 주요 연구 모델이기도 합니다.
저자는 공개할 내용이 없습니다.
저자는 미국 소화기학회(American Gastroenterology Association, AGA), AGA-Rome Functional GI motility Disorders Pilot Research Award(BC), 미국 국립보건원(National Institutes of Health) 보조금 AI64462(ASN) 및 Emory University Integrated Cellular Imaging Microscopy Core의 지원에 감사를 표합니다.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
4% paraformaldehyde (PFA) in PBS | ThermoFischer Scientific | J19943 | Used for tissue fixation |
4',6-Diamidino-2-Phenylindole, Dihydrochloride (DAPI) | ThermoFischer Scientific | D1306 | 1/10,000 dilution |
Alexa Fluor-488 | ThermoFischer Scientific | A-11034 | 1/1000 dilution |
Alexa Fluor-555 | ThermoFischer Scientific | A-21428 | 1/500 dilution |
Anti- GFAP (Glial Fibrillary Acid Protein) | Abcam | ab7260 | 1/500 dilution |
Anti-beta III Tubulin (or Tuj1) | Abcam | ab18207 | 1/1000 dilution |
Chromogranin A | Abcam | ab15160 | 1/250 dilution |
ProtoGel 30% | National Diagnostics | EC-890 | Toxic, hazardous, handle with care- make 4% solution in PBS for use |
Sodium dodecyl sulfate | ThermoFischer Scientific | 28364 | 8% in PBS |
Vectashield mounting medium | Vector Laboratories | H-1000 |
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