利用徠卡THUNDER成像系統(tǒng)探索微生物腸道免疫機(jī)制

由SARS-CoV-2冠狀病毒引起的疫情影響了世界的方方面面。免疫和治療方法等抗病毒方向的研究在2020年具有高優(yōu)先級，顯微鏡在這類研究中起著舉足輕重的作用。了解受體結(jié)合、基因組釋放、復(fù)制、組裝和病毒出芽的基本原理及免疫應(yīng)答，可以使用不同的方法和顯微鏡。鑒于顯微鏡在感染生物學(xué)中的重要作用，我們舉例闡述不同的顯微技術(shù)及其在這些研究領(lǐng)域中的應(yīng)用。

研究背景

人類出生后胃腸道立刻被復(fù)雜的微生物群落定植（1000余種，且數(shù)量>100萬億），而這些腸道微生物群落影響宿主生理的多個方面，包括代謝、免疫反應(yīng)、行為和晝夜節(jié)律等等。先前的研究認(rèn)為腸道微生物群落主要是共生菌，共生菌可控制病原菌數(shù)量，而黏膜屏障免疫對于維持共生菌群和抵抗侵入性細(xì)菌感染至關(guān)重要。

微生物-腸-腦軸是將大腦和腸道功能整合的雙向信息交流系統(tǒng)，并涉及神經(jīng)、免疫和內(nèi)分泌機(jī)制。除了神經(jīng)內(nèi)分泌系統(tǒng)和神經(jīng)免疫系統(tǒng)之外，該軸還包括了中樞神經(jīng)系統(tǒng)（CNS）、自主神經(jīng)系統(tǒng)（ANS）的交感神經(jīng)和副交感神經(jīng)分支以及腸道神經(jīng)系統(tǒng)（ENS）。從腸道到CNS的傳入纖維（如大腦、扣帶回、小腦扁桃體和扁桃體皮質(zhì)）以及腸道平滑肌的效應(yīng)纖維是沿著微生物-腸-腦軸進(jìn)行雙向信息交流的主要途徑。

圖1 微生物-腸-腦軸

腸道神經(jīng)系統(tǒng)（ENS）遍布腸道組織的每個角落，將收集到的信息迅速地傳遞到自體或非自體類型的細(xì)胞，織就一個龐大又復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。新涌現(xiàn)的多個研究報道發(fā)現(xiàn)ENS可以作為免疫系統(tǒng)的感應(yīng)平臺，但對ENS與上皮細(xì)胞的互作機(jī)制還知之甚少。

2019年12月，Jarret等人在Cell發(fā)表了題為Enteric Nervous System-Derived IL-18 Orchestrates Mucosal Barrier Immunity的文章。借助單分子mRNA熒光原位雜交（smFISH; THUNDER Imager 3D Live Cell），研究發(fā)現(xiàn)ENS神經(jīng)元分泌IL-18作用于腸道上皮細(xì)胞中的杯狀細(xì)胞，促進(jìn)杯狀細(xì)胞抗菌蛋白（AMP）的表達(dá)，在腸道免疫中起著重要作用。

 圖2 ENS與腸道上皮細(xì)胞互作機(jī)制

研究過程

鑒于大腦中神經(jīng)元會分泌IL-18，而大量研究表明ENS可能在調(diào)節(jié)粘膜屏障免疫中發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此研究人員大膽猜測腸道神經(jīng)元也會分泌IL-18。接下來作者構(gòu)建ENS特異性敲除IL-18小鼠和多種細(xì)胞類型特異性敲除IL-18R小鼠，并分別用鼠傷寒沙門氏菌(S.t)感染。之后作者通過共聚焦觀察發(fā)現(xiàn)不攜帶ENS所產(chǎn)生的IL-18的小鼠則更容易受到感染。為了證實(shí)這一發(fā)現(xiàn)，研究人員使用了IL18 mRNA探針在小鼠中進(jìn)行了單分子mRNA熒光原位雜交（smFISH），結(jié)果顯示在IL-18^-/^-小鼠結(jié)腸中IL18 mRNA探針的信號丟失。

圖3 THUNDER驗(yàn)證結(jié)果與Confocal觀察結(jié)果一致

A）用于分析IL-18⁺神經(jīng)元的Confocal正交視圖。IL-18（紅色），Tubb3（綠色）。
B）通過smFISH觀察野生型與IL18^-/^-小鼠結(jié)腸中的IL18 mRNA（白色）和DAPI（藍(lán)色）。

同時通過smFISH檢測小鼠腸組織中IL18與Tubb3的表達(dá)，觀察到IL18 mRNA探針與神經(jīng)元特異性Tubb3 mRNA探針共定位。

圖4 smFISH檢測小鼠腸組織中IL18（紅色）、Tubb3（白色）表達(dá)；DAPI（藍(lán)色）表示細(xì)胞核

總之，這些數(shù)據(jù)表明腸神經(jīng)元是結(jié)腸中IL-18的新產(chǎn)生者。研究還結(jié)合了單細(xì)胞轉(zhuǎn)錄組技術(shù)來探究ENS來源IL-18的功能以及作用方式。

實(shí)驗(yàn)方法

1. 處死小鼠，移出結(jié)腸并用冷PBS沖洗。縱向剖開結(jié)腸組織平鋪于濾紙。
2. 用4％多聚甲醛PBS溶液固定3小時，后置于30％蔗糖、4％PFA的PBS溶液中4℃過夜。
3. 包埋，制成將7mm厚切片，并用于smFISH染色。
4. 設(shè)計(jì)的探針庫與Cy5（IL-18）、TMR（Tubb3）結(jié)合，將切片與smFISH探針庫雜交。
5. 封片前去除ENS內(nèi)的自發(fā)熒光信號。
6. 在Leica THUNDER Imager 3D Live Cell上進(jìn)行smFISH成像，使用自帶的THUNDER Computational Clearing設(shè)置。

看到這里大家可能會有一個疑問：為什么不用共聚焦做smFISH而是選擇徠卡THUNDER？對，為什么？小編也提出過這個問題，但是下面這段話做出了很好地解釋。

smFISH的實(shí)驗(yàn)過程中探針會發(fā)出大量光子，而共聚焦則會顯著限制光子收集的數(shù)量，為了大限度回收這些光子，更建議使用寬場技術(shù)。

徠卡THUNDER憑借其高分辨、快速、大視野的特點(diǎn)，可大限度回收實(shí)驗(yàn)中smFISH探針發(fā)出的大量光子，減少光損耗，更適用于smFISH成像。不僅可以獲得清晰銳利的圖像，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更便于統(tǒng)計(jì)分析且重復(fù)性高，是您進(jìn)行組織大視野快掃的*。

參考文獻(xiàn)

1. Jarret et al., 2020, Cell 180, 50–63
2. Brain Res. 2018 August 15; 1693(Pt B): 128–133
3. Jung, Y. J.,et al., 2017, Sci Rep 7(1):17360
4. Zhang, H., et al. 2018, Synth Syst Biotechnol 3(2): 113-120