تظهر هذه الدراسة بروتوكولا مفصلا لإجراء الفحص المجهري لتمدد البنية الفوقية في ثلاث مراحل في دورة حياة المثقبية الكروزية ، العامل الممرض المسؤول عن مرض شاغاس. نقوم بتضمين التقنية المحسنة لبروتينات الهيكل الخلوي ووضع العلامات على البروتينات.
مقالة منهجية
* These authors contributed equally
تظهر هذه الدراسة بروتوكولا مفصلا لإجراء الفحص المجهري لتمدد البنية الفوقية في ثلاث مراحل في دورة حياة المثقبية الكروزية ، العامل الممرض المسؤول عن مرض شاغاس. نقوم بتضمين التقنية المحسنة لبروتينات الهيكل الخلوي ووضع العلامات على البروتينات.
نصف هنا تطبيق الفحص المجهري لتمدد البنية الفوقية (U-ExM) في المثقبية الكروزية ، وهي تقنية تسمح بزيادة الدقة المكانية للخلية أو الأنسجة للتصوير المجهري. يتم تنفيذ ذلك عن طريق توسيع العينة فعليا بمواد كيميائية جاهزة ومعدات مختبرية شائعة.
مرض شاغاس هو مصدر قلق واسع النطاق وملح للصحة العامة يسببه المثقبية الكروزية. ينتشر المرض في أمريكا اللاتينية وأصبح مشكلة كبيرة في المناطق غير الموبوءة بسبب زيادة الهجرة. يحدث انتقال T. cruzi من خلال ناقلات الحشرات الدموية التي تنتمي إلى عائلات Reduviidae و Hemiptera. بعد الإصابة ، تتكاثر T. cruzi amastigotes داخل مضيف الثدييات وتتمايز إلى المثقبيات ، وهي شكل مجرى الدم غير التكاثري. في ناقل الحشرات ، تتحول المثقبيات إلى epimastigotes وتتكاثر من خلال الانشطار الثنائي. يتطلب التمايز بين مراحل دورة الحياة إعادة ترتيب واسعة النطاق للهيكل الخلوي ويمكن إعادة إنشائه في المختبر بالكامل باستخدام تقنيات زراعة الخلايا المختلفة.
نصف هنا بروتوكولا مفصلا لتطبيق U-ExM في ثلاث مراحل من دورة حياة المثقبية الكروزية في المختبر ، مع التركيز على تحسين التوطين المناعي لبروتينات الهيكل الخلوي. قمنا أيضا بتحسين استخدام إستر N-Hydroxysuccinimide (NHS) ، وهو ملصق عموم بروتين مكننا من تمييز الهياكل الطفيلية المختلفة.
تم وصف الفحص المجهري التوسعي (ExM) لأول مرة في عام 2015 بواسطة Boyden et al.1. إنه بروتوكول تصوير يمكن للمجهر التقليدي من خلاله تحقيق دقة مكانية أقل من حد الحيود. يتم الحصول على هذه الدقة الأعلى بسبب التوسيع المادي للعينة. لتحقيق ذلك ، يتم ربط الجزيئات المصنفة بالفلورسنت مع هيدروجيل ، والذي يتم توسيعه لاحقا بشكل متناحي مع الماء. نتيجة لهذا التوسع ، يتم فصل الإشارات بشكل متناحي تقريبا في جميع الأبعاد الثلاثة. تستخدم هذه الطريقة مواد كيميائية منخفضة التكلفة وتتيح دقة مكانية تبلغ حوالي 65 نانومتر باستخدام المجاهر التقليدية (الكونفوكالية) ، وهو ما يقارب أربع مرات أفضل من الدقة القياسية للمجهر متحد البؤر (حوالي 250 نانومتر)1.
كان المعلم التالي ، الذي مكن من استخدام الفحص المجهري التوسعي في العديد من المجالات البيولوجية ، هو تكييف وضع العلامات المناعية مع الأجسام المضادة التقليدية2. تكيف آخر من بروتوكول ExM المنشور في البداية هو التحليل المكبر للبروتين (MAP)3. أدخلت هذه الطريقة استخدام تركيزات عالية من مادة الأكريلاميد وبارافورمالدهايد قبل غمر الهيدروجيل في العينة لمنع التشابك داخل البروتين وبين البروتينات ، مما أدى إلى الحفاظ بشكل أفضل على محتوى البروتين في العينات والهندسة الخلوية تحت الخلوية. تم تحسين هذا البروتوكول البديل للحصول على حفظ معزز للبنية التحتية الكلية للعضيات المعزولة من خلال استخدام تركيزات أقل من العوامل المثبتة (الفورمالديهايد / بارافورمالدهايد والأكريلاميد). أطلق على هذا النهج اسم الفحص المجهري لتوسيع البنية الفوقية (U-ExM)4.
للحصول على مزيد من الدقة ، تم الإبلاغ أيضا عن الجمع بين ExM وتقنيات الفحص المجهري فائق الاستبانة ، بما في ذلك الفحص المجهري المستنفد للانبعاثات المحفز أو الفحص المجهري لتحديد الموقع أحادي الجزيء ، من أجل الوصول إلى استبانات أقل من 20 نانومتر5.
تم الإبلاغ عن استخدام ExM على نطاق واسع في مجالات علم الأعصاب وأبحاث الهيكل الخلوي6 ، ولكن تم إجراء عدد قليل فقط من الدراسات على الطلائعيات الطفيلية. كان مختبرنا أول من أبلغ عن تطبيق U-ExM في T. cruzi7. يعتمد بروتوكول الأساس بشكل أساسي على تقارير U-ExM السابقة في Toxoplasma gondii و Plasmodium ssp. و Trypanosoma brucei8،9،10،11.
واحدة من أعظم مزايا ExM هي طبيعتها المعيارية ، والتي تتيح مرونة كبيرة للتكيف مع العينات البيولوجية المختلفة. يمكن تقسيم البروتوكول إلى خطوات (مثل التثبيت أو منع التشابك أو التبلور) يمكن للمستخدم تعديلها بسهولة لتلبية متطلباته التجريبية. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تعديل خط الأنابيب هذا لتعزيز التوافق مع الكائن الحي النموذجي أو لتحقيق دقة محددة. نتيجة لذلك ، توفر ExM إمكانات هائلة لكل من الأنظمة البصرية المتقدمة وغير المتقدمة ، مما يضمن تطبيقات أوسع في المستقبل.
مرض شاغاس ، المعروف أيضا باسم داء المثقبيات الأمريكي ، هو مرض مستوطن في أمريكا اللاتينية يسببه المثقبية الكروزية ، وهو طفيلي أولي. دورة حياة الطفيلي معقدة وتتضمن مرحلتين تنمويتين في الثدييات ومرحلتين في مضيف الحشرات (أعضاء عائلة Triatominidae) ، وهو الناقل البيولوجي لهذا المرض. ينتمي مرض شاغاس إلى مجموعة أمراض المناطق المدارية المهملة التي أدرجتها منظمة الصحة العالمية ويمثل مشكلة اقتصادية واجتماعية كبيرة في أمريكا اللاتينية. تقدر الدراسات الوبائية أن 8 ملايين شخص حول العالم يعيشون مع مرض شاغاس وأكثر من 10,000 حالة وفاة سنويا. تجسد هذه الأرقام أهمية مرض شاغاس كقضية صحية عامة في جميع أنحاء العالم. لقد تغير التوزيع الجغرافي لمرض شاغاس في العقود الأخيرة، حيث يقيم العديد من الأفراد المصابين الآن في مناطق حضرية كبيرة على مستوى العالم بسبب زيادة الهجرات، على عكس المناطق الريفية في المقام الأول في أمريكا اللاتينية حيث تم العثور عليهفي الأصل 12.
تختلف مراحل نمو T. cruzi طوال دورة حياتها ، والتي يمكن تكرارها بالكامل في المختبر. Epimastigotes هي أشكال تكاثرية في ناقل الحشرات ، ولها نواة كروية في المنطقة الوسطى من جسم الخلية وبلاست حركي على شكل شريط (هيكل يحتوي على الحمض النووي للميتوكوندريا فريد من نوعه للبلاستيد الحركي) في المنطقة الأمامية بالنسبة للنواة ، مع سوط حر. Trypomastigotes هي الشكل المعدي غير التكاثري ، ولها نواة ممدودة ، وبلاست حركي خلفي مستدير ، وسوط متصل بغشاء البلازما على طول الطفيل بالكامل. Amastigotes هي الشكل التكاثري داخل الخلايا. لديهم نواة في المنطقة الوسطى ، وبلاست حركي على شكل قضيب في الجزء الأمامي من جسم الخلية ، وسوط مخفض. إن قدرة الطفيلي على التكيف مع البيئات المختلفة هي انعكاس لهذه الاختلافات المورفولوجية. ومن الجدير بالذكر أيضا أن دورة الحياة هذه تنطوي على انقسام متماثل ومراحل نمو انتقاليةمختلفة 13. أثناء التمايز ، يلعب الهيكل الخلوي للمثقبيات دورا حاسما. يتكون هذا الهيكل من مشد من الأنابيب الدقيقة تحت الجريمية مرتبة في مجموعة مرتبة من الأنابيب الدقيقة المستقرة أسفل غشاء البلازما. أيضا ، يوجد قضيب شبه سوطي في هذه الكائنات الحية ، وهو هيكل يشبه الشبكة يعمل بالتوازي ومتصل بمحور السوط14. يتضمن التنظيم الدقيق للهيكل الخلوي والتغيرات الهيكلية النووية على طول مراحل دورة الخلية آليات فريدة لتنظيم الجينات الخاصة بالمثقبيات ، مما يجعلها نماذج مثيرة للاهتمام لدراسات بيولوجيا الخلية.
نظرا لصغر حجم T. cruzi والطفيليات الأولية الأخرى ، تقدم U-ExM أداة ممتازة لتحليل السمات الهيكلية لهذه مسببات الأمراض المهمة. كما ذكرنا سابقا ، تم التحقق من صحة تطبيق هذه التقنية على T. cruzi لأول مرة من قبل الدكتور ألونسو7. يوضح هذا التقرير بالتفصيل بروتوكول U-ExM الكامل ، مع التركيز على تحديد الموقع المناعي لبروتينات الهيكل الخلوي خلال مراحل دورة الحياة المختلفة ل T. cruzi. أيضا ، قمنا بتحسين استخدام إستر N-Hydroxysuccinimide (NHS) ، وهو ملصق عموم بروتيوم يمكننا من تمييز الهياكل الطفيلية المختلفة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم وصف منهجية في المختبر للحصول على المراحل الثلاث للطفيلي.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ملاحظة: يوضح الشكل 1 التصميم التجريبي الكامل.

الشكل 1: سير عمل U-ExM لثلاث مراحل دورة حياة في المختبر من T. cruzi. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
1. تحضير أغطية المغلفة بولي دي ليسين
2. تحضير الحل
3. تحضير الثقافات الطفيلية
4. إجراء منع التشابك (اليوم 1)
5. إجراء هلام العينة

الشكل 2: تفاصيل خطوة التبلور. (أ) تجميع الغرفة الرطبة. (ب) إسقاط الغطاء على محلول المونومر باستخدام TEMED و APS للهلام. (ج) التمثيل التخطيطي للهلام الذي تم تجميعه للتصوير. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
6. تغيير طبيعة العينات المهلمة وإجراء التمدد التماثلي
7. إجراء وضع العلامات الفلورية للبروتينات المستهدفة (اليوم 2)
8. التصوير ومعالجة الصور (اليوم 3)
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إذا تم تنفيذ البروتوكول بشكل صحيح (الشكل 1) ، فستكون العينات مرئية على شكل هلام مستو وشفاف يمكن توسيعه حتى معامل 4-4.5x في الماء (الشكل 3 أ). قدم هذا التوسع دقة فعالة تبلغ حوالي 70 نانومتر ، والتي قد تختلف اعتمادا على عامل التمدد النهائي ونظام التصوير المستخدم. بعد عملية التوسع الثانية والحصول على الصور في مجهر متحد البؤر ، تمكنا من ملاحظة عوامل تمدد تبلغ حوالي 4.5. لتحديد هذا التوسع ، قمنا بقياس المواد الهلامية قبل الخطوة 7.1 وبعدها. أيضا ، قمنا بتسمية epimasti...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الفحص المجهري للتمدد فوق البني هو تقنية تسمح بالحصول على صور عالية الدقة للعينات البيولوجية عن طريق توسيعها فعليا إلى عدة أضعاف حجمها الأصلي. يتضمن بروتوكول U-ExM العديد من الخطوات الحاسمة التي يجب تنفيذها بعناية لتحقيق أفضل النتائج4. أولا ، يجب تثبيت العينة بعامل CP وتضمينها في مصفوفة هيدروجيل قابلة للانتفاخ. يتفاعل الفورمالديهايد الموجود في محلول CP مع الروابط التساهمية الحرة للأكريلاميد لمنع تكوين روابط غير مرغوب فيها مع العينة. في هذا البروتوكول ، نوصي بعدم إص...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
ليس لدى المؤلفين أي تضارب في المصالح للإفصاح عنه.
نشكر دولوريس كامبوس على مساعدتها في زراعة خلايا فيرو ورومينا مانارين للمساعدة في ثقافة T. cruzi . وحظي هذا العمل بدعم من الوكالة الوطنية للنهوض بالعلوم والتكنولوجيا ووزارة العلوم والابتكارات من الأرجنتين (PICT2019-0526)، والمجلس الوطني للبحوث العلمية والتقنية (PIBAA 1242)، ومجلس البحوث في المملكة المتحدة [MR/P027989/1].
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| 0.22 ميكرومتر مرشحات حقنة معقمة PES | حلول غشاء | SFPES030022S | |
| 1 لتر دورق | شوت دوران 10005227 | ||
| 1.5 مل SPINWIN أنبوب الطرد المركزي الصغير | Tarson | T38-500010 | |
| 10 مل يمكن التخلص منه معقم serynge | NP | 66-32 | |
| 10 مل ماصة مصلية معقمة | Jet Biofil | GSP211010 | |
| أغطية 12 مم | Merienfeld GmbH | 01 115 20 | أغطية مستديرة ألواح |
| 12 بئر | Jet | Biofil TCP011012 | |
| 22 مم أغطية | Corning | 2845-22 | أغطية مربعة |
| ألواح 24 بئرا | Jet Biofil | TCP-011-024 | |
| 250 مل دورق | Schott Duran | C108.1 | |
| 3 مل باستور ماصة | Deltalab | 200037 | |
| أطباق قاع زجاجية مقاس 35 مم | زجاج ماتسونامي D11130H | ||
| 4 & prime;, 6-Diamidine-2 & prime;-فينيليندول ثنائي هيدروكلوريد | Sigma Aldrich | D9542 | DAPI |
| 5 مل ماصة مصلية معقمة | Jet Biofil | GSP010005 | |
| 6 آبار لوحات | Sarstedt | 83.3920 | |
| أكريلاميد | BioRad | 1610101 | |
| بيرسولفات الأمونيوم | سيجما ألدريتش | A3678-25G | APS |
| ATTO 647 NHS إستر | BOC Sciences | F10-0107 | لوضع العلامات على عموم البروتين |
| خزانة Biosafty | Telstar | Bio II A / P | |
| ألبومين الصوديوم | البقري Sigma Aldrich | A7906 | BSA |
| CO2 حاضنة | سانيو | MCO-15A | |
| مجهر متحد البؤر | Zeiss | LSM 880 | |
| Tarsons | Petridish القابل للتصرف | 460095 | قطر 90 مم |
| DMEM ، مسحوق 12100046 حراري عالي الجلوكوز | Thermo Fisher Cientific | الفرجار | |
| الرقمي الإلكتروني | الرادار | RADAR-SLIDE-CALIPER | |
| الإيثانول المطلق | Supelco | 1،00،98،31،000 | |
| مصل عجل الجنين | Internegocios SA | FCS FRA 500 | المعقمة والمعطلة بالحرارة |
| ImageJ | doi: 10.1038 / nmeth.2019 | ||
| الفورمالديهايد 37٪ | سيجما ألدريتش | F8775 | FA |
| زجاج Petridish | Marienfeld Superior | PM-3400300 | 60 مم |
| Glucosa D (+) | Cicarelli | 716214 | |
| Glutaraldehyde 70٪ | Sigma Aldrich | G7776 | |
| الماعز المضاد للفأر IgG الجسم المضاد الثانوي Alexa Fluor 555 | Invitrogen | A-21422 | |
| الماعز المضاد للأرانب IgG الجسم المضاد الثانوي FICT | Jackson Immunoresearch | 115-095-003 | |
| اسطوانة متدرجة | Nalgene | 3663-1000 | |
| قارورة | زجاجية متدرجةGlassco | GL-274.202.01 | 100 مل |
| كتلة تسخين | IBR | مصنوعة في المنزل | |
| Hemin | Frontier Scientific | H651-9 | |
| حمض الهيدروكلوريك 36.8-38.0٪ | Ciccarelli | 918110 | |
| دلو ثلج | Corning | 1167U68 | |
| حاضنة | Tecno Dalvo | TOC130 | |
| ضخ الكبد | Difco | 226920 | |
| النمام المغناطيسي وسخان | رفيق المختبر | HP-3000 | |
| ملعقة معدنية | SALTTECH | 200MM | |
| ملاقط معدنية | Marienfeld Superior | PM-6633002 | |
| الميثانول المطلق | Cicarelli | 897110 | |
| أنبوب الطرد المركزي الدقيق 1.5 مل | Tarson | 500010-N | |
| ورق الصف المجهري KimWipes | Kimtech Science | B0013HT2QW | |
| Milli-Q الماء sistem | Merk Millipore | IQ-7003 | |
| الفأر المضاد لألفا توبولين استنساخ DM1A | Sigma Aldrich | T9026 | |
| الفأر المضاد ل PFR | الأجسام المضادة المنقاة | تبرع به الدكتور أرييل سيلبر (USP) | |
| مكررا | |||
| Na2HPO4 | Cicarelli | 834214 | |
| غرفة Neubauer | Boeco BOE | 01 | |
| p1000 ماصة | Gilson | PIPETMAN P1000 | |
| p1000 أطراف ماصة | Tarson | TAR-521020B | |
| p20 ماصة | جيلسون | PIPETMAN P20 | |
| P20 أطراف ماصة | Tarson | TAR-527108 | |
| p200 ماصة | جيلسون | PIPETMAN P200 | |
| p200 نصائح ماصة | Tarson | TAR-521010Y | |
| Paraformaldehyde | Sigma Aldrich | P6148 | PFA |
| درجة الحموضة / ORP / & deg ؛ C متر | HANNA Instruments | HI 2211 | |
| Poly-D-Lysine 0.1٪ | Sigma Aldrich | P8920 | |
| كلوريد البوتاسيوم | Cicarelli | 867212 | KCl |
| شفرة الحلاقة | Printex | BS 2982: 1992 | |
| ختم FIlm "Parafilm M" | Bemis | PM996 | |
| الصوديوم Acrilate | Sigma Aldrich | 408220-25G | SA |
| بيكربونات الصوديوم | Cicarelli | 929211 | NaHCO3< / sub> |
| كلوريد الصوديوم | Cicarelli | 750214 | كلوريد |
| الصوديوم دوديسيل كبريتات | BioRad | 1610302 | SDS |
| هيدروكسيد الصوديوم | ميرك | 1-06498 | هيدروكسيد الصوديوم |
| سورفال ST 16 جهاز طرد | مركزي ثيرمو فيشر 75004380 | العلمي | |
| قوارير T-25 | Corning | 430639 | |
| TEMED | Invitrogen | 15524-010 | |
| مناديل ورقية | Elite | ||
| Triptose | Merck | 1106760500 | |
| Tris | BioRad | 1610719 | |
| Tween-20 | Biopack | 2003-07 | Polysorbate 20 |
| Vaccum | pumpخلايا سيلفاب | N33-A | |
| Vero | ATCC | CRL-1587 | |
| Vortex MIxer | Dragon Lab | MX-S |
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه
طلب إذن