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光片照明显微镜——细胞级分辨率3D成像

  • QUANTUM量子科学
    2018/08/02
  • 私聊

生物显微镜

  • 虽然经过几个世纪的研究,人类的生长于发育过程中仍遗留有很多的未解之谜。人类胚胎发育的研究始于20世纪,一般以观察胚胎的组织图像的方式来研究如器官发生的机制等,传统的方式如切片一直使用至今。现今,对于胚胎3D图像的数字化构建也已经开始,使用核磁共振、X光摄影等方法均可获得胚胎的3D图像,但分辨率仍无法达到细胞水平。
    本研究使用了妊娠期6-14周的胚胎和胎儿共36个,结合免疫染色、3DISCO组织透明技术和光片照明技术,获得了人类胚胎细胞级分辨率的3D图像,清晰地显示了胚胎的外周神经、肌肉、血管、心、肺和泌尿系统。通过这种方法,我们可以建立人类生长发育的图库,研究人类胚胎发育的分子机制。


    3D图像示例:
    1) 周围神经系统3D成像(使用中间纤维外周蛋白(Prph)的抗体标记Prph):


    (A)7周龄胚胎的表面造影图像(左);对Prph进行标记所得图像。

    (B)8周龄胚胎的表面造影图像(灰色)和标记Prph所得图像(绿色)的叠加图像。

    (C)8周龄胚胎的面部神经分布。表面造影图像和标记Prph所得图像的叠加(中)(右)。

    感觉神经轴突和运动神经轴突在手脚的分布:分别使用胆碱乙酰转移酶(ChAT)和瞬态粘附糖蛋白-1(Tag-1)的抗体来标记。

    (D)在外周神经,染色产生重叠现象,但在末端Tag-1(绿色)更为明显。(D-F)ChAT染色与Prph和Tag-1均无重叠。

    (D)9.5周龄的拇指,标记Prph和Tag-1。染色发生重叠,但在末端区域Tag-1更显著。

    (E)9.5周龄的左手,ChAT与Prph表达区域不同。

    (F)9周龄的右脚,ChAT与Tag-1表达区域不同。

    (G)7周龄的头部,标记Prph显示颅神经。(右)对颅神经分布使用Imaris软件进行3D虚拟解剖、区分并着色。




    2) 手足的神经分布的3D成像:
    对Prph和Tag-1进行免疫染色以建立胚胎和胎儿手部的感觉神经及其分支的3D图像,并可观察感觉神经随时间推移的发育情况。


    (A)8周龄标记Prph的右手,感觉神经分为尺骨神经、正中神经和桡神经。

    (B)右手从7周龄到11周龄的神经分布随时间的变化。肌皮神经(指针处)很快便延长深入手部。

    之后分别对ChAT和Tag-1标记,建立了运动和感觉神经的分布的图像,以确定两种神经在何处以何种方式分离。

    (C)(D)9周龄的右脚和8周龄的左手的感觉神经和运动神经的3D图像。


    3) 对肌肉生长进行3D成像分析:
    转录因子Pax7是有颌下门动物的肌肉干细胞标记物,是肌肉生成的关键启动因子。在肌肉的生长中,表达Pax7的细胞均匀分布于生长中的肌肉,表达肌细胞生成素(Myog)的细胞成簇分布于运动神经末端。生长中的肌肉表达了双皮质素(Dcx),可能影响神经肌肉接点的发育。

    (A)9.5周龄标记Pax7的右脚和右手。

    (B)10.5周龄标记Pax7与ChAT的右脚。

    (C)9周龄标记Myog、ChAT和Tag-1的右脚。

    表达Myog的细胞成簇分布于运动神经分支末端。

    (D)9.5周龄的左脚标记Dcx与ChAT。

    Dcx在肌肉(*号)和感觉神经中检测到,但在运动神经轴突中未检测到。

    (E)8周龄标记MHC与Tag-1的胚胎。

    (中上)动眼肌肉的图像。

    点状线标示出了肌肉的分界线,此处照明被色素上皮所减弱。

    (中下)肌肉与感觉神经。(右)左臂的肌肉与感觉神经。

    (F)9.5周龄标记MHC与ChAT的左手,显示了肌肉与运动神经。

    使用不同颜色对肌肉进行了区分,同时能够观察到正在发育的骨骼。


    4) 人类胚胎脉管系统的3D成像分析:
    质膜膜泡关联蛋白(Plvap)是一种由网状微血管内皮细胞表达的跨膜糖蛋白。对整个胚胎标记Plvap并成像,可以观察到致密的血管网络。对平滑肌表达的α肌动蛋白(SMA)进行免疫染色可以观察到生长中的动脉的3D结构。

    (A)(B)8周龄标记Plvap的胚胎。

    Plvap在整个胚胎中形成了致密的网络。

    (A中、右)右臂与右手。(B左)左腿的Z轴投射图像。

    (*号)血管网络穿过了除了骨骼的所有组织。

    (B右)面部图像。(箭头)角膜处没有血管。

    (C)11周龄胎儿,标记胶原IV的肋骨表面。

    (D左)11.5周龄胎儿的右腿和右膝,标记MyoSM的动脉。

    (D右)11.5周龄胎儿的右脚,标记SMA的动脉。

    对胃肠道的淋巴细胞表达的Podoplanin进行标记以研究淋巴管形成,表达Podoplanin的细胞覆盖了肠胃,

    而含Podoplanin的微管数量较少,说明人类淋巴系统成熟可能晚于血管系统。

    (E)14周龄标记Podoplanin的消化道。表达Podoplanin的细胞位于肠胃上方。

    (右)表达Podoplanin的细胞尚未发育形成淋巴管。


    5) 肺的生长发育的3D分析:
    标记鼠的性别决定基因Sox9转录因子和Dcx,观察到Sox9在人的末端支气管芽处表达,Dcx在每个气道的近端上皮部分表达。用Plvap标记肺部的血管,发现肺间质内微血管和大血管形成了连续的网络。肺部气道的分支方式是高度保守的,包括域分支、水平分支和垂直分支,使用Sox9/Dcx标记小支气管,可以观察到3种分支方式,并发现了不对称分支现象。

    (A)9.5周龄标记Sox9、Dcx和Plvap的胎儿的肺部。Sox9在上皮小管的末端表达,Dcx在近端表达。Plvap在整个肺的血管中表达。

    (B)肺上皮小管Z轴光学切面。

    (C)末端的微血管网络。

    (D)气道分支的3D图像。肺叶(蓝绿),支气管(红)。

    (E)支气管的3D图像。(右)三种分支方式。

    标记SMA和平滑肌肌凝蛋白(MyoSM),两者均于围绕支气管和气道上皮小管的平滑肌处表达。标记Sox9显示出末端没有平滑肌。

    对平滑肌进行染色同时可以显示动脉和微动脉。可以使用SMA和酪氨酸羟化酶(TH)标记心脏来观察血管和神经分布。

    (F)9.5周龄的标记MyoSM的肌凝蛋白平滑肌的染色。(箭头)支气管及分支。

    (G)11.5周龄的左肺标记SMA显示出气道平滑肌的分支方式。(箭头)动脉周围肌肉和(指针)近端气道周围肌肉。

    (H)10周龄的肺的分支图像。末端芽部用Sox9标记。表达SMA的平滑肌分布于不表达Sox9的近端区域。

    (I-K)心脏的光片显微图像。


    6) 泌尿生殖系统发育的3D分析:
    人类生殖道分为两种结构:由中肾分化而来的中肾管(WD)和由中肾管诱导分化而来的副中肾管(MD)。性别决定伴随着生殖道的重构。Pax2转录因子可用于标记中肾和WD。
    8周龄的雄性胚胎中,MD尖端与WD紧密接触但并未完全生长。肾处于腹侧位置邻接生殖嵴。9.5周龄时MD继续沿WD延伸但并未连接。10周龄时两条MD连接,从两侧WD的中间延伸至泌尿生殖窦,同时开始降解,融合的剩余MD分化为前列腺囊。14周龄时,WD的中肾肾小管退化,附睾与输精管出现。Sox9是睾丸分化的必需因子,在睾丸索中表达,对Sox9使用免疫染色可以观察到睾丸索。

    (A)8周龄标记Pax2的胚胎。

    (B)(箭头)MD/WD连接。

    (C)(D)9.5周龄的泌尿生殖系统。(箭头)MD尾端沿WD延长但仍未融合。

    (E)10周龄的泌尿生殖系统。MD在底端融合(指针)并开始降解(箭头)。

    (F)降解的继续。

    (G)14周龄的泌尿生殖系统。输精管进一步发育(指针)。

    (H)10周龄标记Pax2和Sox9的睾丸。

    (I)10周龄标记Pax2的睾丸。

    (J)14周龄的睾丸。


    (A)10.5周龄标记Pax2的泌尿生殖系统。WD连续,MD已融合。

    (B)11.5周龄标记Pax2的生殖系统。(箭头)WD开始降解。

    (C)13周龄,标记Pax2的生殖系统。(箭头)子宫大小增加,WD显著降解。(右)MD顶端发育中的输卵管纤毛。

    (D)8周龄标记Pax2和Plvap的睾丸。(指针)微血管覆盖了睾丸和WD。而MD却没有血管形成。

    (E)10周龄的雄性胎儿中,MD没有微血管形成。

    (F)(G)10.5和13周龄标记Pax2和Plvap的卵巢。WD和MD均有致密的血管覆盖。





    总结:将免疫标记与3D成像技术结合,能够完好地保存器官的3D结构并使分辨率达到细胞水平,简单、快速、稳定、可重复,以上这些优势适合其应用于胚胎学,可用于研究遗传疾病或畸胎。
    此方法的限制条件主要在材料的获得,同时使用得抗体最大数量,抗体与实验方法的兼容性和大容量数据的存储。然而其应用的广泛程度依然不可限量。以后甚至可用于建立人类生长发育的3D图库。
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